（通信与信息系统专业论文）ieee+80211+mac机制性能分析及其改进.pdf

浙江大学硕士毕业论文 【摘要】本文首先介绍了无线局域网的基本结构和i e e e8 0 2 1 l 协议的基本 内容，淤议包括物理层和m a c 子层规范。通过对站点接入概率的分析，本文系 统的分析了c s m a c a 基本接入机制和r t s c t s 接入机制的性能，并考虑了 i st h r e s h o l d 参数、信道误码率对性能的影响。在仿真无线局域网m a c 接入机 制的基础上，本文提出了一系列提高接入性能的方法，并进行了仿真验证。最 后，本文还考察了新的接入机制在服务差异( s e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o n ) 中的 效果。 【关键字】无线局域网i e e e8 0 2 1 lm a cd c fc s m a c as e r v i c e d i f f e r e n t i a t i o nq o s 浙江大学硕士毕业论文 a b s t r a c t t h isp a p e ri n t r o d u c e st h eb a si ( ：s t r u c t u r eo fw l a na n dt h e c o n t e n to fi e e e8 0 2 11 o nc o n sid er i n gt h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r ss u c h a sr t s t b r e s h o l d ，p a c k e te r r o rr a t e ，ia n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fc s m a c a inb a s ica c c e s ss c h e m ea sw e l la sr t s c t s s c h e m e b ys u c c e s s f u l l y s i m u l a t e dt h ef u n c t i o n so f8 0 2 11m a cs u b l a y e r ，tp r e s e n ts o m em o d i f ie d a c c e s sm e lh o db a s e do nt h eb a s jcs c h e m e a n dt h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k i se n h a n c e di 1 3vi e wo ft h es i m u l a t i o nr e s u l t a tl a s t ，t h i sp a p e ra l s o v e t j f e dt h ee f f e e t so ft h e n e wa c c e s sm e t h o dt 0t h es e r v i c e d i f f e r e n t i a t jo n k e yw o r d s w j a ni e e e8 0 2 11m a cd c fc s g a 7 c as e r v i c ed i f f e r e n i a li ( ) n q o s 浙江火学硕士毕业论文 1 概论 2 0 世纪8 0 年代，是计算机局域网发展和普及的重要阶段，此娄局域网以i e e e8 0 23 以 太网为代表，使用电缆和光线将局部区域内的计算机互相连接起来，完成计算机之间的数据 传输和资源共享。进入9 0 年代以后，局域网朝着高速和可移动性方向发展，从而推动j 无 线局域网的产生和发展。 目前，无线局域网已经作为一种成熟的技术广泛应用于零售、仓储、现场l _ 作、会展、 办公等诸多领域，各种无线接入设备也已经可以推向了市场。同时，无线局域网也在向着更 高速、更高可靠性、高安全性和支持多媒体服务的方向发展。 。 本文系统介绍了无线局域网协议的基本内罕，科学的分析1 e e e8 0 2 1 1 接入性能，并提 出了剥协泌规定接入机制的一些改进，通过仿真考察了改进的接入机制的效果。全文共分为 5 章第一章为概述，简要介绍无线局域网的发展神i 逻辑结构。第二章为i e e e8 0 2 1 1 协 议的简介，主要介绍协议的体系结构和功能要求。第三章介绍了物理层协议规范，并以直接 扩频方式为例，介绍了协议规定的物理层会聚过程子层和物理媒介依赖，层的工作方式。第 四章介绍了m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) f 层协议规范，m a c 子层定义了适片| 丁无线局域 嘲的特殊的接入方式：c s m a c a ，通过采用竞争方式( d c f ) 和无竞争方式( p c f ) 达到 高效的接入性能。第五章，在广泛参阅文献( 2 、 8 】等) 的基础上，系统的分析了8 0 2 1 1d c f 方式下系统的性能，同时，还对该数学模型进行了扩展，考虑了r t s f h r e s h o l d 参数和信道 误码率的修正。第六章我提出了一些改进接入机制，在对8 0 2 】1 基本接入机制的进行分析 和仿真的基础h 通过引入广播预约机制，退避计馓器堆栈，动态调整竞争窗口的方法，柏 一定程度上提高了接入效率和系统性能，并通过了仿真的验证。 本文的创新之处在于： 1 在理论上扩展了无线局域网性能分析方法，考虑了r t st h r e s h o l d 参数和信道 误码率对数学模型的修【i 一。 2 在8 0 2 11 基本接八方式的基础上，提出了一种改进的m a c 接入机制，通过仿 真验证了其有效性。 1 1 无线网络的发展过程 1 9 7 1 年夏威夷人学的a l o h a n e t 研究课题首次将网络技术和i 无线通信技术结合起 浙江大学硕上毕业论文 来，a l o h a n e t 使分散在夏威夷岛上的7 个校同里面的计算机可以利用网络的方式和中心 计算机进行通信，而且不使用已有的低质高价的电话线路。这种网络的结构使星型的，提供 双向的数据通信功能。 2 0 世纪8 0 年代，美国和加拿大的业余无线电爱好者和无线电报务员设计并建立了终端 节点控制器( t n c ) ，将各自的计算机通过无线发报设备连接起来。终端接点控制器的t 作 方式同今天的调制解调器( m o d e m ) 相似，把计算机数字信号转化为无线电收发报机司以 调制的信号，并利削分组交换技术通过广播频段发送出去。在这一阶段，美国无线电中继联 盟( a r r l ) 和加拿大无线电中继联盟( c r r l ) 在开发广域无线网络方面起到了重要的作 用。 1 9 8 5 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 颁布了工业，科学，医疗( i s m ) 开放频段标准， 从而推动无线局域网向商业化的方向发展。i s m 频段的工作频率为9 0 2 - 9 2 8 m h z ， 2 4 2 4 8 3 5 g h z 和57 2 8 5 7 5 0 g h z 。正好位于3 g 蜂窝移动电话使用的频段上面，该频段的 开放使得无线网络设备商可以自由开发该频段的产品，而用户无须申请就可以使用该频段的 设备。 国际电子电气工程师协会( i e e e ) 的8 0 2 工作组使负责局域网协议的开发，他们指定 的标准包括以太网和令牌环网等。2 0 世纪8 0 年代后期，该机构开始了无线局域网标准的制 定。最终在1 9 9 7 年6 月，i e e e8 0 21 1 标准制定完成，并于1 9 9 7 年1 1 月正式发布，规定了 无线局域网的工作频段、无线局域网的拓扑结构、物理层标准、介质访问子层( m a c ) 标 准、安全性、漫游等特性。从1 9 9 8 年开始各个设备生产商开始大量推出符合8 0 2 1 l 标准的 网络产品，标志着i e e e8 0 21l 协议已经步八实用阶段。 针对i e e e8 0 2 1 1 协议，各国制定了相应的i s m 频段标准。中国国家无线电管理委员会 也在1 9 9 6 年1 2 月规定了中国扩频数据通信使用的频段为2 4 也4 8 3 5 g h z 。尽管都开放了 2 4 g h z 频段，但是具体的频率和发射功率也有所不同，表1 1 列出了部分国家和地区采用 的标准 4 浙江大学硕士毕业论文 表1 1 部分国家和地区使用i s m 频段的标准 1 2 无线网络的逻辑结构 网络的逻辑结构将确定网络协议的结构，网络协议可以使得管理更加方便，通信过程更 加高效。p c 机、服务器、路由器和其他设备都必须严格遵循这些协议规则，保证正常的消 息传输。 一种流行的标准逻辑结构是七层开放系统互联( o s i ) 参考模型，它是由国际标准化组 织( i s o ) 提出并发展起来的，它把网络功能归到各层之中。o s i 七层功能由上到下依次为： 应用层：和其他用户建立通信，并为网络中的终端用户提供文件传输和e m a i l 服务等。 表示层：为应用层协商数据传输语法，必要时进行不同数据类型之间的转换。 会话层：建立、管理和终止进程之间的会话连接。 传输层： 提供虚电路的建立、维持和有循序的终止，使高层不考虑网络的结构、属性 和连接方式等实现的细节。t c p 协议就工作在这一层。 网络层：提供分组的网络选择。 数据链路层：实现通信对象间的同步和进行差错控制 物理层： 通过定义通信信道的机械、电气和规程的特性来提供位流的传输。 无线局域网理论上不能提供所有的o s i 功能。如图1 i 所示。无线局域网： 作在o s l 参考模型的下面三层。其中只有无线局域网才具备网络层的功能。完整的网络结构应包括端 到端连接的建立和相应的应用服务功能。 i r e l e s 5 w 埘 w 一一一 i r e l e s 5 一上一一 终端用户 踹用户b 鬻瓣錾 黧蓊鬻誊 藜蒸 辩l 赣拶黪 m ，二i 。j 托n 谢鼯= 一 蒜一；i “ n e t w 口r k 囊 n e o r k l e , y e r l 甲t r d t t - l i n kd i t l i n k l a y e rl a y e r p h y s ie d p h y 5 ic 曩1 图1 1 无线网络的逻辑结构 浙江大学1 i ! i 士毕业论文 2 1i e e e8 0 2 标准系列 2 i e e e8 0 2 1 1 简介 i e e e8 0 2 系列协议由i e e e8 0 2 标准委员会制定。自1 9 8 0 年成立该委员会以来， 已经提出了一系列关于局域网的标准，如i e e e8 0 2 x 和j t c i 等。 i e e e8 0 2 包括的一系列标准的结构如图2 1 所示，由于介质访问控制、介质和拓扑 结构间的相互独立性，8 0 2 标准的m a c 和物理层被分在不同于l l c 的一组标准当中。 图2 1i e e e8 0 2 系列协议的体系 i e e e8 0 2 系列标准包括以f 内容： 1 i e e e8 0 21 ：包括g l o s s a r y 、n e t w o r km a n a g e m e n t 、i n t e m e t w o r k i n g 等内容，这些文件 加上i e e e8 0 2 概述和结构，构成了i e e e8 0 2 标准的工作范围。 2 1 e e e8 0 22 ： 主要定义逻辑链路控制( l l c ) ，该标准定义了o s i 第二层和所有8 0 2 局 域网类型的差错控制等。 3 i e e e8 0 2 3 ：定义了c s m a c d 接八方法，定义了广为使用的1 0 、1 0 0 和1 0 0 0 m b i t s 的以太网异步协议，用于双绞线、同轴电缆和光纤。 4 ，i e e e8 0 2 4 ：提出了 个总线拓扑结构的令牌传输协议，可以嵌入其他网络系统。 5i e e e8 0 2 5 ： 定义了在环行拓扑结构上使用的令牌控制协议，是速率为4 和1 6 m b i t s 的同步协议。 6 i e e e8 0 2 1 0 ： 提供安全保密访问方法和物理层的规范，既为有线以太咧义为无线局域 网提供了安全保障。 浙江大学硕十毕业论文 7 i e e e8 0 2 1 1 ： 定义了无线局域网的访问方法和物理层规范。 2 2i e e e8 0 2 1 1 的功能要求利协议体系 i e e e8 0 2 1 1 ( 1 ) 具体规定了m a c 层和p h y 层的结构，其功能要求有： 1 由无线媒体提供含分组语音在内的1 m b p s 5 4 m b p s 无连接的m a c 业务。 2 无线局域网内的站点可以蚓定或移动 3 应剧环境包括办公室，建筑群，工厂，机场等 4 兼容8 0 2 1 ，8 0 2 1 0 ，8 0 2 2 的功能条件 5 分组丢失率4 1 0 - 5 技术要求有： 1 单一介质层支持多物理层，物理层可有不同的传输媒体检测特性 2 允许同地域及信道空问有多网络存在，可以共享传输媒体及重复使用同一传输媒体 3 ，较强的抗干扰性包括其他使用开放频段的用户产生的信道干扰 4 支持无竞争型异步业务和竞争型异步业务 5 具有处理数据传输时限的措施 6 具有：铮能管理机制 2 3 无线局域嘲的结构 通常我们把介质访问控制层和物理层的接1 5 1 规范符合无线介质特性的设备，如计算机， p d a 等，称为主机( s t a t i o n ) 。在i e e e8 0 21 1 中，无线网络的虽基奉的组成单元被称为基 本业务集b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) ，一个b s s 由内部彼此之间相互联系，相互通信的组 主机组成，一个单独的b s s 组成的网络称为单区网( a dh o cn e t w o r k ) ，如图22 ，2 3 所 不。 浙江大学硕= e 毕业论文 图2 2 基本业务集 图2 3 扩展业务集 一个b s s 所能覆盖的区域受到环境和主机收发机特性的限制，为了覆盏更大的区域， 我们就需要把多个b s s 通过分布式系统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 联接起来，形成个扩 展业务集e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t ) ，如图2 所示。每个b s s 都被分配了一个标识号b s s i d ， 每个e s s 也被分配一个标识号e s s i d 。 通常在b s s 中有一台主机能提供这样的服务：本b s s 中所有主机能通过它对d s 进行 访问、与其它b s s 中的主机通信、获取和维护管理信息，我们称这台主机为无线接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) ，a p 既可以做为一个普通主机应用，也可以提供这种管理服务。通过a p 把b s s 和d s 互联起来组成的网为多区网( i n f r a s t r u c t u r e n e t w o r k ) 。在i e e e 8 0 2 1 1 中要求： 从数据链路层l l c 看来，e s s 和一个独立的b s s 是没有什么区别的，属于同一个e s s 的移 动主机从一个b s s 移动到另一个b s s 是透明的。 怎样把无线局域网与现有网络集成起来，也是发展无线局域网时必须考虑的另一个问 题。i e e e8 0 2 1 1 规定：对于l l c 层来说，无线网和有线网应该是一样的，即对于l l c 层 是透明的，采用相同网络协议的无线网和有线网的帧在l l c 层都应该是相同的。i e e e 8 0 2 1 1 提出了入口( p o r t a l ) 的概念，从无线局域网发往有线网络的数据都必须经过p o r t a l ，反之 亦然，这样就通过p o r t a l 把无线局域网和有线刚络连接起来r 。如24 所示： 图2 4w l a n 与有线网络的连接 黼$ 2 像现有的能连接不同拓扑结构有线局域网的有线网桥一样，p o r t a l 必须能够识别i e e e8 0 2 1 1 的帧、d s 上的帧、有线局域网的帧( 如应用最广泛的i e e e8 0 2 3 的帧) ，并且能将其相互 转换。p o r t a l 既可以是一个单一的设备，也可以和a p 共存于同一设备，在我们的设计中p o r t a l 就是和a p 集成在一台计算机中的。 浙江大学硕士毕业论文 3 物理层 i e e e 8 0 21 1 物理层推荐了三种叮使用的物理传输媒质的标准。 24 g hz i s m 波段的跳频( f h s s ) 24 g hz i s m 波段的直扩( d s s s ) 红外 表3 1 列出r 物理层的一些基本特点。 数搌速率l m b p s d b p s k发射功率美国：】w ，欧洲：1 0 0 m w ， 2 m b p s d q p s k 日本：1 0 m w m t i z fp n 码 1 l 位b a r k e r 码 码速率 1 1 m b p s i 发射频率偏差 2 5 p p m 位码时钟准确度 2 5 p p m 接收灵敏度 - 8 0 d b m前导码1 4 4 符号 【数据包大小 2 0 4 8 字节工作方式包突发方式 表31 物理层的一些基本特点 州a e 驸a es a p 蠢 + ? 雕l o y e o | + m n 蝴9 m 。”im l m es a p 。a y e r 蹦a es u l ) o v e r e n l t y ii p h ys a p p e a pi1 s t a t i o j 、 p h y p l e p 斛a n a 瑶e m e n l s u 翻a v 宣r 嘈，p h yl a y e ril a y p mc s a p m a n a g e m e n tii p l m s a p e n v y ii ol p m 丞s u b l a y e r 蚓318 0 21 1 协议参考模型 整个8 0 2 1 1 无线局域刚的协议参考模型如图31 所示。其中的物理层包括三个功能 实体： ( 1 )物理层管理f 层( p l m e ) ：提供物理层的管理功能，同m a c 层的管理功能相 连接。 ( 2 )物理层会聚过程子层( p l c p ) ：规定了如何将8 0 2 1 1 m a c 层协议数据单兀 ( m p d u ) 映射为合适的物理帧格式用于收发用户数据和管理信息。m a c 层承i q 浙江大学硕士毕业论文 p l c p 通过物理层服务访问点( s a p ) 利用原语进行通信。在收发m p d u 的时 候，p l c p 为其添加或解释附加的字段，字段中包括物理层发送器和接受器所 需要的信息，这样产生的帧称为p l c p 协议数据单元( p p d u ) ，从而实现不同 站点之间的异步传输。 ( 3 ) 物理媒介依赖子层( p m d ) ：位于p l c p 的下方，该子层直接面向无线媒质进行 帧传输所需的调制和解调，定义了两点和多点之间通过无线媒介收发数据的特 性和方法。p l c p 和p m d 之间通过原语通信，控制发送和接收功能。 这里以直扩( d s s s ) 方式为例，介绍i e e e 8 0 2 1 1 的物理层协议中采崩的一些标准。 3 1 物理层会聚过程子层 d s s s 的p l c p 子层提供了一个m p d u ( m a cp a c k e t d a t a u n i t ) 与p l c p 协议数据单元 ( p p d u ) 转换的会聚过程，图3 2 显示了p p d u 的帧格式。f 面将依次介绍p p d u 中的各 个字段： 1 s y n c ： 由1 2 8 b i t s 的1 0 1 0 1 0 数据组成，用来完成载波同步，位同步以及天线分集。 物理层一旦检测到s y n c 以后，就开始与输入信号进行同步。 2 s f d ( s t a r tf r a m ed e l i m i t e r ) ： 用来定义一帧的开始，该字段的数值在d s s sf 是规定 为0 x f 3 a 0 h 。 3 s i g n a l 该字段用来表明信号的调制方式，其值等于数据率除以1 0 0 k b i t s 。1 m b i f f s d s s s 下为o x o a h ，2 m b i t s 下为o x l 4 h 。 图3 2 p p d u 帧格式 4s e r v i c e ：这是i e e e8 0 2 11 的保留字段，默认值为o x o o h 。 5 l e n g t h ：该字段的值为无符号的1 6 位整数，用语表示发送m p d u 所需要的微妙数。接 1 0 浙江大学硕士毕业论文 收机利用该字段来确定帧的长度。 6c r c 帧校验序列( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) ：凌字段包含一个摹于c c i t t 的c r c - 1 6 校 验算法的1 6 位c r c 棱验码。采用的生成多项式为：g ( x ) = x ”+ x ”+ x 5 + l 。物理层本身 _ j i 不进行差错的检查，而由m a c 层来完成。 整个p l c p 前导码和帧头要使用| m b s d b p s k 调制方式发送。所有发送的数据都应经过加 扰，加扰多项式为：g ( z ) = z 。7 + z 。4 + 1 ，而且c r c 校验要在加扰以前就完成。 3 2 物理l ! ! ；l 介依赖于层 在直接序列f ，p l c p 和p m d 通过原语进行通信，p l c p 对p m d 的控制，进彳了发送数 据，改变信道，接收数据等。下面将介绍这些原语： 1 p m dd a t a r e q u e s t ：从p l c p 发往p m d 的请求发送一个数据符号的原语。如果以i m b i t s 速率发送，该请求发送的符号的值为1 或0 数据位；而以2 m b i t s 发送则位任一2 位数 据位组台。该原语必须在真正的发送数据的p m d _ t x s t a r t m q u e s t 原语之前发送到 p 乙c p 。 2p m dd a t a i n d i c a t e ：p m d 通过执行该原语发送符号到p m d - d a t ar e q u e s t 原语对应， 如果以1 m b i t s 发送，该请求发送的符号的值为1 或0 的数据位：而以2 m b i f f s 发送则为 任一2 位数据位绢台。该原语必须在真正的发送数据的p m d t x s t a r t r e q u e s t 原语之 前发送剑p l c p 3 p m d d a t a i d d i c a t e ：p m d 通过执行浚原语发送符号到p l c p 。和p m d - d a 7 i a r e q u e s t 原语对应，如果以1 m b i t s 接收，发送符号的值为1 或0 数据位；而以2 m b i t s 接收则为 任一2 位数据位组合。 4p m d t x s t a r tr e q u e s t ：p l c p 向p m d 发送该原语，启动真正的p p d u 的发送a 5p m d t x e n dr e q u e s t ：p l c p 向p m d 发送该原语，州于终i 卜+ 个p p d u 的发送。 6p m d a n t s e l r e q u e s t ：p l c p 向p m d 发送该琢语，用于选择p m d 将使用的天线。其 发送的值是一个1 廿jz i 日g n g z ，n 是p m d 支持的最人天线数。对于发送而吉，这个请 求选择一个犬线；对接收，p l c p 则要选择天线组用于分集接收。 7p m d a n 1 1 s e li n d i c a t e ：这个原语指出物理层使用哪个无线接收最后的p p d u n 8p m d f x p w r l v lr e q u e s t ：这个发白p l c p 的请求确定p m d 的发送功率级别。其值为 级别1 、级别2 ，一直到级别8 分别对应于m i b 中相应的功率级别u 例如，级别1 对 府1 一m i b 中的t x p o w e r l e v e l l 的值。 浙江大学硕上毕业论文 9 p m d - r a t e r e q u e s t ：p l c p 发送该原语到p m d ，用于确定p p d u 中的m p d u 部分发送 的数据率( 1 m b i t s 或2 m b i t s ) 。这个数据率仅仅适用于发送速率。p m d 一般可以任何可 能的数据率接收数据。 1 0 p m d r a t e i n d i c a t e ：当p m d 检测p l c p 前同步码中的信号( s i g n a l i n g ) 字段时，向p l c p 发送该原语，用于确定被接收帧的数据率( i m b i f f s 或2 m b i t s ) 。 11p m d r s s i i n d i c a t e ：p m d 在接收状态利用这一原语向p l c p 返回一个持续的接收器信号 强度指示( r s s l ) 。p l c p 是为信道评价功能而使用该原语的。r s s i 的值有2 5 6 级，由 一个8 位的数据字表示。 1 2 p m d s q i n d i c a t e ：这个可选原语提供一个基于d s s sp n ( 伪噪音) 码的信号质量( s q ) 。 信号质量的值是2 5 6 级中的某一级，由一个8 位的数据字表示。 1 3 p m d c s i n d i c a t e ：p m d 向p l c p 发送该原语指出正在对一个数据信号进行调解。也 是用信号通知一个合法的8 0 2 1 1 直接序列扩频p p d u 的接收。 1 4p m d e di n d i c a t e ：这个可选原语用语指出某个p m d r s s i i n d i c a t i o n 给定的能量值超 出了预定义极限( 存放在m i b 的a e d - t h r e s h o l d 参数中) 。当p m d e d i n d i c a t e 原语值 为”e n a b l e d 时，表示p m d r s s ii n d i c a t i o n 的值超过了极限；为“d i s a b l e ”时，表示 p m d r s s ii n d i c a t i o n 的值在极限以f 。该原语为检测非8 0 2 11 直接序列扩频信号的存在 提供了一条途径，因为这些信号会超过预定义极限。 1 5 p m d e d r e q u e s t ：p l c p 使用这条原语设置能量检测极限( e n e r 甜d e t e c tt h r e s h o l d ) p m d 可以检测的最小信号f 也就是m i b 中a e dt h r e s h o l d 参数的值1 。 1 6p m dc c a i n d i c a t e ：一条从p m d 发向p l c p 的原语，用丁二指示基于c c a 算法的射频( r f ) 能量探测。 p l c p 层和p m d 层的工作过程可简单的用图3 3 和图3 4 表示： p 晰。1 ) 铎汀黼t y t , k i 。刚t 嘲暂j 蓖r 嘣泓删m 腑 蚺a c l 删心一譬髓茹褥f 酽f 蓐 士l埘划割甜崩甜 o h 丫 译燃嚣呲简7 吊 l e p 毒1 “j r“ p h v p 瓣d s 羽s 哺畦s b l 神e 酬俐 氏 羔一。怎。 点体戳工 浙江大学硕士毕业论史 图33 发送过程 m y 。r 琏b l dm 侧e r f 0 r i 堪a c 州? r 奉p 州甜蝌r m 蚺蝌簖。r l 十+ 眦。啊吼9 iii |i 阱y l e p 蝴r 。8剐觏一p ，i j de d “十p m d 瞄 | | j p h y # h d i 洲c is f c s 舯l 翩嘞le 鞫= 瓣叫 l 一也 。莲憾t 一 图3 4 接收过程 d s s s 系统l 作在24 g h z 2 4 8 3 5 g h z ，频带划分了_ 卜一个信道。中心频率和信道号如 表3 2 所示。d s s s 系统至少应具备1 0 d b 的扩频增益，因此i e e e8 0 2 11 协议采用11 位 b a r k e r 码以1 1 m h z 对数据信号扩频来实现，d s s s 系统使用差分二进制相移键控( d b p s k ) 和差分四进制相移键控( d q p s k ) 来分别提供1 m b s 羊2 m b s 的数据速率，采用c c k 调制 技术提供1 1 m b s 的数据速率。l l 位b a r k e r 序列为： c h a n n e li df c cc h a n n e lf r e q u e n c i e se t s ic h a n n e lf r e q u e n c i e s j a p a nf r e q u e n c i e s l2 4 1 2 m h z n an a 2 2 4 1 7 m h zn an a 3 2 4 2 2 m h z2 4 2 2 m h zn a 4 2 4 2 7 m h z2 4 2 7 m h zn ，a 5 2 4 3 2 m h z2 4 3 2 m h zn a 62 4 3 7 m h z2 4 3 7 m h zn a 72 4 4 2 m h z2 4 4 2 m h zn a 82 4 4 7 m h z 2 4 4 7 m h zn a 9 2 4 5 2 m h z2 4 5 2 m h zn a 1 0 2 4 5 7 m h z2 4 5 7 m h zn a 浙江大学硕士毕业论文 1 l 2 4 6 2 m h z 2 4 6 2 m h z n a 1 2 n an 从 2 4 8 4 m h z 表3 2 不同地区的信道划分 协议还规定，天线连接器的信号输入不小于- 8 0 d b m ，当帧长度为1 0 2 4 字声，以2 m b s d q p s k 进行凋制时，接收的误帧率应小于8 1 0 。发射端的频谱如图3 5 所示。 f 0 2 ：擤霹哇耙_ 1 m h zf cf c + 1 1 m h zf 钟2 孙f 电 图3 5 发射频谱 另外，物理层应提供以一f 三种之一的信道空闲指示( c l e a r c h a n n e l a s s e s s m e n t ) 方法。 a ) 能量超过门限 b ) 载波检测 c ) 能量超过门限载波检测 浙江人学硕十毕业论文 4 m a c 层 在i e e e8 0 21 1 定义的m a c 层功能较复杂，它主要包括的功能模块有： ( j ) m a c 数据业务接口 f 2 ) m a c 控制状态机制 f 3 ) m a c 管理业务接口 ( 4 ) m a c 管理业务机制 ( 5 ) 分布式业务接口 另外，m a c 层还使用m i b ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 来存放m a c 层的管理信息，这 些功能模块之间的关系血u 图4 1 所示。 l s l a y o r 8 u b k 8 , o rm 删 m o n t p 盯0 掇as甜铺料qym a i 钧删榭堆 图4 1m a c 层的功能模块结构 $ 1 a u o n 赫a r 日甜删 从m a c 的功能模块结构图中可以看到，m a c 业务接口从高层或从主机管理实体接收 业务请求，根据具体的清求业务分配到m a c 的数据业务或m a c 管理业务，m a c 数据业 务和m a c 管理业务解释接收到业务请求，通过相应的信息告知状态机制( 控制状态机制和 管理状态机制) ，状态机制激发物理层进行有关的业务活动。或者是一个相反的过程，由物 理层激发m a c 层。 而a pi j ! | j 提供rm a c 和分布式系统的接口，土要提供分布式业务。分布式业务从分布 式系统接收业务请求，并将有关的请求传到m a c 控制机制。相反的，分布式业务也从m a c 浙江大学硕士毕业论文 控制接收指示( i n d i c a t i o n s ) 传到分布式系统。 m a c 控制状态机制提供分布式协调功能d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 和点 协调功能( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ，提供了异步的、无连接的接入控制，从而达到有效 的利用无线媒体进行通信的目的。这两种方法均为虚载波检测机制，属于m a c 层。无线 局域网除了用m a c 层的虚载波检测机制外，还使用了物理层载波检测。i e e e9 0 2 1 l 将两 种机制结合起来判断媒体的状态。物理载波检测用来检测媒体的能量，当媒体能量超过某门 限值时，则认为媒体被占用，处于忙状态。而m a c 层的虚载波检测则“人为”地将媒体至 于“忙”状态，从而阻止信息的发送。 m a c 管理状态机制主要提供；m a c 、m i b 的存取；登录( a s s o c i a t i o n ) ；认证 ( a u t h e n t i c a t i o n ) ；电源管理；时间同步。这些业务是用来服务主机的管理。 4 1 分布式协调功能d c f d c f 是i e e e8 0 21 1 最基本的媒体访问方法。d c f 主要采用c s m a c a ( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 的媒体接入方法。在无线局域网中，移动主机利用该 方法来实现异步服务。 按c s m a c a 规则进行通信的主机，其工作方式如下：首先侦听媒体是否空闲，判断 当前是否有其他主机还在发送数据，c s m a c a 分布算法要求媒体上相邻两帧之间必须有一 个最小的时间间隔；若媒体空闲，它就可以发送；若侦听到媒体忙，则主机必须延迟，到当 前传输结束之后，再任选一个随机退避时间，检测在这段时间隔内媒体是否仍忙，若空闲， 则发送数据；否则继续退避。当一个主机在一次发送成功后还想发送f 一帧，也必须进行退 避。之所以进行退避，是因为媒体在刚结束传输后，有可能多个主机均要发送数据，若不退 避，则发生碰撞的可能性极大。碰撞概率的大小取决于退避算法的好坏。图4 2 显示了 c s m a c a 的基本过程。 在无线局域网中，发送方不可能检测到媒体中是否发生碰撞。因此，发送和接收双方需 一种确认机制来判断传输是否是正确：即发送方在发送一帧后，等待接收方返回的a c k 帧， 若没有收到a c k 帧，则认为接收方没有正确接收，那退避一段时间重新发送该帧。 6 浙江大学砸士毕业论文 l 船e曰 c o n a n 缃1 e s 1 im 旷闩i| 蝴b a c 埘k o f f 时s 一 扭! ! 竺 m w 4 。 s o i 招曩s # 眦a r i d ) 唾秘锚博憎b ac c o t f a $ l a 硝 睁i4 , 2c s m a c a 基本接入方法 图4 3 显示丁帧发送和退避的时间顺序。i f s ( i n t e r f r a m es p a c e ) 称为帧间隔。图中的 s i f s ( s h o r t i f s ) 指短帧问隔，这是i e e e8 0 21 1 规定的最短帧问隔，用于a c kf 眠清除 发送c t s ( c l e a r t os e n t ) 帧、重装数据碍i 、s ( r e q u i r e t os e n d ) 帧之间和主机对p c f 的轮淘 做出应答的时候。因为其他想要发送的土机必须等待一个较长的媒体空闲期，不可能强行中 断还在进行的传输，所以采用s i f s 间隔的主机就获得了最高的媒体控制权。 e w h 辔嘴c o l l 酶n i o n w 蚋d 0 懈 o w m w o * t 茳：黧：& w n “mi 孙m 渊af m m 瞬 _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 。p “ 8 啦k 耐f 1 t # 1 霸 - 搿- - ! f h * i l 愁 。酗撕l k i n o l- - i f h _ _ - _ _ - - _ - h _ _ _ _ _ _ 一 ll 涮耕 c * 女l 。n 0 i 1 - - i 轴自m 矗镛蝴# l o ne 1 翻 - - i f ” 图43 帧的发送和退避过程 而d i f s ( d c f i f s ) 指d c f 帧间隔，d i f s 用于d c f 方式下传输数据和管理的m p d u ( m a cp r o t o c o ld a t au n i t )在网络分配向量n a v ( n e t w o r k a l l o c a t i o nv e c t o r ) 和物理载波 检删指示媒体空刚后，想发送r t s ( r e g u e s t t os e n d ) 帧或数据帧的主机监听媒体以保证媒 体空闲时间至少达到d i f s 。若媒体忙，数据的发送过程将迟延，直到检测到一个艮达d i f s 的媒体空闲艄后，启动一个随机访问退避过程。 随机退避过程是无线媒体和有线媒体在载波侦测方面晟根本的不同之处。祚：有线以太l 删 中载波侦测采_ | j 的是c s m a c d ( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o n d e t e c t i o n ) ，实行该 方法时，网上任一主机都能检测到所属网段任一点发生的碰撞；而无线网络中_ = 三机则1 ；可能 浙江大学硕十毕业论文 检测到接收方是否发生碰撞，因此，只有当检测到媒体在长达i f s 加上一定的退避时间的 时间段内都是空闲时，才能“主观的”认为其它主机此时不会进行发送，自己可以占用媒体。 随机退避时间按如下的公式计算。 b a c k o f f t i m e = i n t ( c w r a n d ) s l o t t i m e 其中 i n t ：是取整函数。 c w ：是指数竞争窗口参数，取值范围从c w m i n 到c w m a x 之间，即8 ( c w m i n ) ，1 6 ， 3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 ( c w m a x ) 。在初始化时，c w 值为c w m i n ，当要发生重传时，c w 逐次 增大，直到最大值c w m m x 为止。 r a n d ：产生( 0 ，1 ) 之间的一个随机小数。 s l o tt i m e ：时间片的人小，其值的大小取决于物理层。发射机打开时，物理层检测媒 体响应时间之和。 在进入c w 期间，若在该s l o t 时间段内，媒体保持空闲，t i m e r 减1 ，若媒体忙，则 t i m e r 不变，记录下当前值，在下一次检测到d i f s 之后，再次进入c w 期，再从t i m e r 的记录值开始减l ，直到t i m e r 为0 ，开始发送帧过程。另外要强调的是，当一个主机刚刚 传输一帧，不能立即占用媒体传输下一帧，它必须执行退避算法。由此可以看出退避算法的 好处在于：上次竞不到媒体的主机将以越来越短的退避时间进入下次竞争，避免永远竞争不 到媒体的情况。所以说退避算法提供了对媒体公平访问的机制，对高负荷网络起到了稳定的 作悄。 d c f 的工作过程包括两种机制基本接入方式和r t s c t s 机制接入方式。基本接入 方式相对简单些。只有d a t a 帧和a c k 帧的发送。如果媒体空闲时间大于或等于d i f s ， 就传输数据，否则延时，图4 4 表示基本接入方式的时序图。 ) e s t筠 ) t h a r i v ，h “i q i n 甜瑚脚蚺。 图44 基本接入方式 浙江大学硕士毕业论文 在r t s c t s 机制中引入了请求确认机制确保传输的正确性，该请求确认机制用到r t s ( r e q u e s t 7 os e n t ) 帧、c t s ( c l e a r t os e n t ) 帧和a c k ( a c k n o w l e d g m e n t ) 帧。r t s 和c t s 帧包含有“期间域”。“期间域”用来表明从r t s 帧尾或c t s 帧尾到a c k 帧尾的m p d u 所 r | _ 厢媒体的时间。非被访问的主机侦听到这些帧并置一变量n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o n v e c t o r ) ，n a v 根据r t s c t s 帧中的“期间域”米假定在当前时间之后的“期间域”中的时 间媒体都是忙的( 即虚载波检测