（通信与信息系统专业论文）ieee80211无线局域网mac层性能分析和算法研究.pdf

摘要 摘要 无线局域刚通信是计算机网络技术和通信技术结合的产物，其给网络通信的 移动化，个人化和多媒体应用提供了很高的灵活性。随着无线网络的业务类型不 断发展，人们划服务质量也不断的提出要求。而当前的网络只能提供尽力而为的 服务，冈此如何提高和优化无线局域网的性能就显得十分重要。 在简单介绍了无线局域网的概念，组成原理以及无线局域网的多个协议标准 的基础上，本文首先详细讨论ri e e e 8 0 2 1 i w l a n 标准巾的m a c 协议栈，接 入方式及其性能指标，并分析了其在多媒体通信方面的脆弱性ii e e e 8 0 2 1 1 规 定的d c f ( 分布式) 和p c f ( 集巾控制方式) 分别适用于非实时业务和实时业 务，文中详细推导了两种工作方式的吞吐_ 阜= 公式，并找出d c f 和p c f 在小同的 信道服务要求卜- 信道利用率的不同。 本文接着介绍了i e e e 8 0 2 1 l e 增强的q o s 改进方法草案，并归纳了已经提 出的基于q o s 的m a c 访问的各种分布式控制机制及其对m a c 协议的性能指标 的影响：详细讨论了基于权限( p r i o r i t yb a s e d ) 的和基于公平调度( u s i n gf a i r s c h e d u l i n g ) 的方法，仿真比较了各个算法的性能特点。 根据d c f 和p c f 的吞吐量公式，本文也提出- 广一种基于超帧的自适应控制 m a c 机制，该算法通过自动调节无竞争时隙和竞争时隙的比例，确保a p 的实 时吞吐罱在变化的网络环境卜都可以尽量接近d c f 和p c f 模式f 所能达到的最 大容量。最后，我们利用广泛使用的仿真工具o p n e t l 0 0 埘商业环境下作了不 同场景的仿真，结果表明，我们的算法在能够很好的适应变化的网络环境，提高 信道利用率，同时不降低系统的其他性能。该算法实现简单，其仅仅对于a p 的 控制端进行了修改，而移动终端不需要任何变化，因此具有一定的实用价值。 关键词无线局域网；m a c 接入协议；吞吐量；自适应m a c 控制机制 a b s t r a c t a st h ec o m b i n a t i o no fb o t ht h e c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y a n d t e l e c o m m u n i c a t i o n ，w i r e l e s sn e t w o r kh a sp r o v i d e du sw i t hag r e a td e a lo ff l e x i b i l i t y i nn e t w o r km o b i l i t y ，p e r s o n a l i z a t i o na n di t si m p l e m e n t a t i o no nm u l t i m e d i a w i t ht h e d e v e l o p m e n to fw l a ns e r v i c e s ，t h ed e m a n do fq u a l i t yo fs e r v i c ei nw l a nh a s b e e ng r e a t l yi n c r e a s e d h o w e v e r ，c u r r e n tn e t w o r k ss e r v i c e sc a no n l yp r o v i d ew i t ht h e b e s te f f o r t s s oi ti sv e r yi m p o r t a n tf o ru st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fw l a n f i r s t l y ，i nt h i st h e s i s ，w eh a v ei n t r o d u c e dt h ef u n d a m e n t a lc o n c e p t so fw l a n ， i t so r g a n i z a t i o na n ds o m eo fi t sp r o t o c o l s t h em a c p r o t o c o ls t a c ki ni e e e8 0 2 1 1 s t a n d a r d ，i t sm e d i aa c c e s sm e c h a n i s ma n dt h ep e r f o l r m a n c ea l ea n a l y z e di nt h es e c o n d p a r t t h ed e f i c i e n c yo f8 0 2 1 1m e d i aa c c e s sm e c h a n i s mh a sa l s ob e e np o i n t e do u t a c c o r d i n gt ot h ei e e e 8 0 2 11s t a n d a r d ，t h ed c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t o rf u n c t i o n ) i sa p ta tn o n - r e a l t i m es e r v i c e sa n dp c f ( p o i n tc o o r d i n a t o rf u n c t i o n ) i sa p ta tr e a l t i m es e r v i c e s ；t h e r e f o r eb a s e do nt h et h e o r y ，w eh a v ed e d u c e dt h et h r o u g h p u t f o r m u l a so fb o t hf u n c t i o n s ，a n da l s of o u n do u tt h ed i f f e r e n c eo fc h a n n e lu t i l i t y b e t w e e nt h e mb yd i f f e r e n ts e r v i c er e q u i r e m e n t i nt h et h i r dp a r to ft h et h e s i s ，t h ei e e e 8 0 2 1l ee n h a n c e dq o sm e c h a n i s mi s i n t r o d u c e d a n ds o m eo t h e rd i s t r i b u t e dm e d i aa c c e s sc o n f f 0 1m e c h a n i s m sw h i c ha r e b a s e do nq o sr e q u i r e m e n ta n dt h e i ri n f l u e n c eo nm a cp e r f o r m a n t ea r ec o n c l u d e d w eh a v ea n a l y z e dt w om a i nc a t e g o r i e s ：t h ep r i o r i t yb a s e dm e c h a n i s ma n du s i n gf a i r s c h e d u l i n gm e c h a n i s m t h e i rp e r f o r m a n c e sa r ec o m p a r e di no u rs i m u l a t i o na n a l y s e s i nt h el a s tp a r to ft h et h e s i s ，w eh a v ep r o p o s e das e l f a d a p t i v em a cc o n t r o l m e c h a n i s mb a s e do nt h ed c fa n dp c ft h r o u g h p u tf o r m u l a b ya d j u s t i n gt h e c o n t e n t i o n - f r e ep e r i o da n dc o n t e n t i o np e r i o da d a p t i v e l yi nt h es u p e rf r a m e ，w ec a n d y n a m i c a l l yc o n t r o lt h er e a l t i m et h r o u g h p u tt oa p p r o a c ht h em a x i m a lt h r o u g h p u t w h i c hc a nb ea c h i e v e di nt h ef l u k yn e t w o r kc o n d i t i o n s t h es i m u l a t i o nh a sb e e n c o n d u c t e di nt h es o f t w a r eo p n e t l0 0f o rac o m m e r c i a ln e t w o r ke n v i r o n m e n ta n dt h e r e s u l t ss h o wt h a to u rm e c h a n i s mc a na d a p tt ot h ev a r i a n tn e t w o r ke n v i r o n m e n t p e r f e c t l ya n de n h a n c et h eu t i l i t yo fw i r e l e s sc h a n n e lw i t h o u td e c r e a s i n gt h eo t h e r p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m o u ra l g o r i t h mi se a s ya n dp r a t i c a l a b l et oi m p l e m e n t ，i t o n l yn e e d st od os o m em o d i f i c a t i o ni nt h ei e e e 8 0 2 1 1m a cm e c h a n i s mo fa c c e s s p o i n t s k e y w o r d s - w l a n ；m a ca c c e s sm e c h a n i s m ；t h r o u g h p u t ；a d a p t i v em a cc o n t r o l m e c h a n i s m 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：鹈寻在月局日期：2 驴0 5 年，月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密a 。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 聃在鸱 缈彬弘 f la a ：二谚年月- 7 日 日期：矽，年i 月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线局域网的概述 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 是指通过无线媒体在局 部区域进行通信的无线网络，其采用的传输媒介分为射频( r a d i of r e q u e n c y ) 无 线电波和光波两类。因此，无线局域嘲可以分为基于无线电的无线局域网和基于 红外线的无线局域嗍两人类。w l a n 是一种能在儿十米到几公里范围内支持较 高速率传输数据的无线网络，可以采用微蜂窝( m i c r o c e l l ) ，也可以采用非蜂窝 的如a dh o c 结构。 无线局域网的产牛与发展与计算机的j 逦用密切相关，而目前比较活跃的几个 无线局域网标准专家组分别代表了无线局域网的发展方向。 1 9 7 1 年，夏威夷大学开发出了基于封包式技术的a l o h a n e t ，其t 要是构 建一个网络能够将分散在4 个岛卜的7 个校园里的计算机利用新的方式和位于 o a h u 的中心计算机通信，而不是使用低质量的电话线路。a l o h a n e t 呈星型拓 扑，提供双向数据通信。 1 9 8 5 年，美国f c c 颁布的电波法规，为无线局域网系统分配了两种频段： 专用频段1 - 2 g h z ，和免许可让频段，主要是i s m 频段9 0 2 m h z 5 8 5 g h z ，规定 其最大功率为1 w ，扩频增益不小于1 0 d b ，此后的一些无线局域网络的产品均 属于这第一代无线局域网。 2 0 世纪8 0 年代末，i e e e 8 0 2 委员会负责局域网标准的开发，并于1 9 9 0 年7 月成立了独立的i e e e 8 0 2 1 1 任务组，负责制定无线局域刚物理层和媒体访问控 制协议的标准。1 9 9 7 年6 月2 6 口， e e e 8 0 2 1 l 标准制定完成，1 1 月2 6 日正式 发布，从1 9 9 8 年开始许多厂商相继推出了基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线局域网产 品，他们属于第二代无线刚络设备，大部分工作在2 4 2 4 8 3 5 g h z 频段，传输速 率1 - 2 m b s 。同时1 9 9 7 年，欧洲的h i p e r l a n l 标准也完成制定。 由于i e e e 8 0 2 1 l 速率最高只能达到2 m b s ，不能满足人们的要求，因此在 此后的研究巾，于1 9 9 9 年9 月推出- 厂i e e e 8 0 2 1 1 a 和i e e e 8 0 2 1 1 b 标准，传输 速率达到5 4 m b s 和l lm b s 。2 0 0 2 年又通过了i e e e 8 0 2 1 1 9 标准，其与 i e e e 8 0 2 1 l b 标准兼容。同时h i p e r l a n 2 标准也完成制定，其与i e e e 8 0 2 1 1 a 类 似。 华南理工大学硕士学位论文 与有线局域刚相比，无线局域网有以下一些优点，( i ) 灵活的移动性能，无线 网络可以为用户提供实时的，移动的网络资源共享，这是普通的局域网无法达到 的。( 2 ) 安装简单，快捷，无需布线。( 3 ) 运行成本低廉，尽管初期的投资比普通局 域网高，但是从整体安装，运行成本以及使用寿命，都得到了巨大的改善( 4 ) 可扩 展性强，无线局域网可以配置成各种刚络结构米满足多种应用和安装需要，从点 对点的小型网络到拥有数干台节点的刚络系统，以及在一定范围内实现漫游功能 的大刑网络，均不需要更改任何硬件设施。( 5 ) 便于维护和管理，对于传统布线， 局域网管理的主要r 作之一是检查电缆是否存在断路，这种工作耗时耗力，而且 整个网络的布线星罗棋布，1 i 容易存短时间内找出问题，但无线局域网不存在这 个问题。 无线局域网也存在一定的局限性，这些是我们需要克服的技术难点，( 1 ) 可靠 性，有线局域网的信道误比特率比较低，这样可以保证通信系统的可靠性和稳定 性，而采用了无线信道的无线局域网是一个不可靠的信道，存在着各种干扰和噪 声，从而引起信号的衰弱和淡码，导致网络性能的r 降和不稳定。此外由于无线 传输的特殊性，还可能产生“隐减终端”和“暴露终端”等现象影响系统可靠性 ( 2 ) 由于频率资源的有限，无线局域网的信道带宽远小于有线| 叫的带宽，因此无线 局域网的系统容量也比有线嘲的容量小，因此，无线局域网的一个重要研究防线 就是提高系统的传输带宽和吞吐容量。( 3 ) 兼容性，无线局域网要兼容现有的有线 网络，兼容现有的叫络操作系统和软件，多种标准的兼容，如i e e e 8 0 2 g 对 i e e e 8 0 2 1 1 b 和 e e e 8 0 2 1 l 的兼容。( 4 ) 覆盖范围，由于无线局域嘲是低功率高 频率限制了覆盖范围，因此需要引入蜂窝结构来扩大覆盖范围。( 5 ) 干扰，外界干 扰对无线信道和设备的影响，以及无线局域刚内部形成的自干扰，冈此在设计和 使用无线局域酬要综合考虑抗干扰性能的。( 6 ) 安全性，无线局域网的安全性有两 个方面，分别是信息安伞和电磁波的辐射安全，而f 1 前的无线系统存在一些安全 漏洞。( 7 ) 节能管理，由于无线局域网的设备多为便携移动装置，因此节能管理是 重要问题，当某个站不处于数据发送状态的时候，应使机器内处于收发休眠状 态，当要发送的日、j 候再激活收发。( 8 ) 多业务和多媒体服务，现有的无线局域网标 准和产品丰要面向突发数据业务，对于语音业务，视频等多媒体业务的适应性很 差。( 9 ) 移动性能，虽然同前的无线局域网可以支持移动，但是对大范围移动的支 持机制仍然不完善，也不能支持高速移动。 针对以上问题，目前被提出的比较成熟的两个典型的无线局域网的标准是 i e e e 8 0 2 l 1 系列标准和h i p e r l a n 系列标准，我们将在第三节详细介绍它们。 2 第一章绪论 1 2 无线局域网组成原理 无线局域网的物理组成结构如图 ( w m ) ，基站( b s ) 或者接入点( a p ) i 1 所示，由站( s t a ) ，无线媒体 和分布式系统等几部分组成。 图1 1 无线局域网的物理结构 f i g u r e l 一1t h ep h y s i c a ls f f u c t u r eo fw l a n 站( s t a ) 也称作终端( t e r m i n a l ) ，是无线局域网的最基本组成单元，我 们把连接在无线局域网中的设备称作站。而无线媒体( w m ) 是无线网络中站与 站之间，站和接入点之间通信的传输媒介，在w l a n 中一般是空气，它是无线 电波和红外线的良好媒介。基站( b s ) 或者接入点( a p ) 是无线局域网的重要 组成部分，其通常是处于b s a 中心固定不动的。分布式系统( d s ) 是用柬连接 属于同一个扩展业务区的所有主机的通信信道，无线分布式系统通过a p 间的通 信取代有线电缆来实现不同的b s s 的连接。 基本业务组( b s s ) 是w l a n 的基本构造模块，它有两种拓扑结构，分别 是分布对等式和基础结构集中式拓扑。 分布对等式拓扑 这是一种独立的b s s ，至少有两个站，它是一种典型的，以自发方式构成 的单区间。在可以直接通信的范围内，b s s 巾任意站之间可直接通信而无需 a p ，由于没有a p ，站与站之间的关系是对等的，分布式的。凶此该工作模式又 被称作自组织网络( a dh o cn e t w o r k ) 。采用这种拓扑结构的网络，各站之间竞 争信道，这成为限制网络性能的关键， 基础结构集中式拓扑 基础结构( i n f r a s t t u c t u r e ) 集中式网络中，至少要有一个a p ，a p 是b s s 中心控制站，网络中的所有其他站都在该中心站的控制之卜和其他站进行通信。 画一画一一回一一画 t f l 严l t 华南理工大学硕士学位论文 冈此，一个站如果想要和一_ 个b s s 内的另一个站通信，不需经过该站到a p ， 然后a p 到目的站的过程，这样会需要较多的传输容量，增加传输时延。 当一个b s s 内所有的终端都是移动终端，并且是分布对等式网络结构，该 b s s 就叫做独立网络b s s ( i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t ，i b s s ) 。 一个i b s s 内 所有终端都可以自由通信，但不可以和其他移动通信网络之间通信，其一般被称 作a d h o c 网络。 当个b s s 巾包含无线接入点( a p ) 的时候，该b s s 被称为基础结构网络 b s s ( i n f r a s t r u c t u r eb a s i cs e r v i c es e t ) ，如果b s s 中一个移动终端需要和其他移 动终端通信，数据需要通过a p 中转。 当两个或者两个以上的b s s 组成网络，每个b s s 中有一个终端作为a p 接 入分布式系统d s ，并通过d s 与其它b s s 相连，叫做扩展服务网络( e x t e n d e d s e r v i c es e t e s s ) 。 1 3无线局域网的协议体系 为r 给不同的计算机之间互连和互相操作提供相应的规范和标准，同际标准 化组织( i s o ) 提出r 开放系统互连( o s i ) 参考模型。o s i 模型是一个七层模 型：从上倒下依次为应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理 层，最下面三层由通信子网来完成。而数据链路层又被分为两个子层，逻辑链路 控制( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，l l c ) 和媒体访问控制( m e d i aa c c e s s c o n t r 0 1 ，m a c ) 层。这里m a c 层主要实现以下功能，从l l c 层接受要发送的数 据，并决定是否把数据递交给物理层，给发送数据附加控制信息后打包成帧传递 给物理层，从物理层接受帧，检查接收到的数据帧的控制信息判断是否正确，去 掉控制信息并传递给l l c 层。 一个完整的网络包括自上而下各个层次，但是无线局域网仅仅到0 s i 的下两 层：物理层( p h y ) 和数据链路层( d c ) ，网络结构简单，没有复杂的中转，路 由等网络控制。 1 ie e e s 0 2 1 1 x 无线局域网协议体系 i e e e 8 0 2 1 l 系列标准是由i e e e 8 0 2 1 l 标准专家组提出的协议族 1 】，其主要 用于解决办公室局域嗍和校园网中的用户和用户终端的无线接入，他们是 i e e e 8 0 2 1 1 ，i e e e 8 0 2 1 l a ，i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 l g 。 e e e 8 0 2 1 1 作为8 0 2 系列局域网标准的一个分支，需要在l l c 层以上表现出与其他局域网协议的一 致性，因此需要在m a c 子层和p h y 层加入特殊的功能来处理移动性。由于媒 4 第一章绪论 体访问控制和拓扑结构间的互相独立，8 0 2 标准的m a c 层和物理层被分在不同 于l l c 的一组标准中，i e e e 8 0 2 标准参考模型如图1 - 2 。 i e e e 8 0 2 2 逻辑链路控制l l c i e e ei e e e i e e e i e e e m a c 8 0 2 38 0 2 4 篆羔簪矗 p h y 以太网令牌总线 一一一干数 据 连 路 一一一毒一量 物 理 一一一土 图1 2i e e e s 0 2 标准参考模型 f i g u r e l 2t h em o d e lo fi e e e 8 0 2s t a n d a r d i e e e 8 0 2 1l 系列标准的协议体系结构如图卜3 所示，l l c 层与其他i e e e 8 0 2 局域网样被共用。 图1 3i e e e 8 0 2 1 l 协议体系 f i g u r e l 3t h ep r o t o c o ls y s t e mo fi e e e 8 0 2 1 l i e e e 8 0 2 儿拥有以下一系列协议标准： i e e e 8 0 2 ，利用三种物理层工作方式，跳频( f s s s ) 物理层或者直接 序列扩频( d s s s ) 物理层，可以在2 4 g h z 频段提供r 2 m b s 的传输速 率，还有红外( i r ) 物理层，提供1 。2 m b s 的传输速率。 i e e e 8 0 2 1 l b ，在2 4 - 2 4 8 3 g h z 频段，其提供1 1 m b s 的传输速率，也 具有5 5 m b s ，2 m b s ，1 m b s 三个低速档次，当工作距离过长或者干扰太 大，信噪比低于某个门限时候，传输速率自动卜i 降，通过降低传输速率 来改善误码率性能。8 0 2 儿b 使用c s b l a c a 作为信道共享机制，物理层 调制方式为补码键控c c k 的d s s s 。 i e e e 8 0 2 1 l a ，在5 g h z 频段，提供最高达5 4 m b s 的传输速率，采用了 正交频分复用( 0 f d m ) 技术，将无线信道分解成多个子载波同时传输数 据，该技术较好的克服无线信道的衰弱，改善信号质量，提升了整个网 络速度。 i e e e 8 0 2 1 1 9 ，鉴于i e e e 8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 b 的工作频段和调制方式不 同，无法沟通，因此，i e e e 试验性的通过了一种新技术，8 0 2 1 l g ，其 使命就是同时兼容8 0 2 1 i a 和8 0 2 1 1 b ，可以在2 4 g h z 频段提供 5 4 m b s 的传输速率也可以在5 g h z 频段提供最高达5 4 m b s 的传输速率。 5 华南理： 人学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 l e 。w l a n 的扩展标准，其在现有的8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 l a 无线标 准中增加了服务质量q o s 特性和多媒体支持，同时保证与这些标准的兼 容性。对于q o s 和多媒体功能的支持，可以确保这些对时延敏感的业务 能够顺利工作。同时对无线局域网提供了增值业务。目前此协议还处于 草案阶段，本文在后面章节将对此标准研究内容进行讨论。 还有其他些i e e e 8 0 2 1 l x 协议，仍然处于标准化进程中，例如， 8 0 2 1 l h 研究动态信道选择d c s 和发射功率控制t p c 问题，8 0 2 1 1 i 致 力于改善网络安全性问题 在i e e e 8 0 2 1 1 系列标准中，通常把相对复杂的物理层进一步划分为物理层 会聚过程子层( p l c p ) ，物理媒体依赖子层( p m d ) 。p l c p 将m a c 帧映射到 媒体上，主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应的格式分组。 p m d 用于识别相关媒体传输的信号所使用的调制和解码技术，完成这些帧的发 送，并为物理层进行信道选择和协调。m a c 层也分为m a c 予层和m a c 管理子 层，m a c 子层负责访问机制的实现和分组的拆分重组。m a c 管理子层负责b s s 管理，电源管理，联结过程中连接，解除联结和重新联结的过程。 2 h i p e r l a n 协议体系 h i p e r l a n 协议【2 】是欧洲产业标准的宽带无线接入协议，它是以w a t m 为 基础的面向连接的标准，欧洲电信标准化协会( e t s i ) 的宽带无线接入网络制 定的h i p e r l a n 系列标准包括：h i p e r l a n l ，h i p e r l a n 2 ，h i p e r l i n k 和 h i p e r a c c e s s 。h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 用于高速w l a n 接入，而h i p e r l i n k 用 于室内无线主干系统，h i p e r a c c e s s 用于室外有线通信设施的固定接入。 h i p e r l a n l 是早期的标准，由于没有商用，因此没有任何实际产品。 h i p e r l a n 2 是一种支持q o s 控制的先进w l a n 标准，其体系如图1 3 所示。三 个基本层：物理层( p h y ) ，数据链路控制层( d c l ) ，会聚层( c l ) 。各种 会聚层同时工作，把采用不同协议的高层分组映射到d c l 中。d c l 提供a p 和 移动终端之间的逻辑连接，还能提供媒体访问的功能和用于连接处理的通信管理 功能。d l c 提供一个逻辑结构把执行1 i 同应用协议的c l 层分组映射到单一的 p h y 层。其包括以卜几个予层：m a c 协议，差错控制协议，联结控制功能，无 线资源控制，d l c 连接控制。 6 第一章绪论 1 4本论文主要工作与内容安排 本文主要研究了i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网的m a c 层性能和算法，对其接入 协议和相应的性能指标作了详细的讨论，同时在详细比较了目前各种接入q o s 机制的基础上，我们针时m a c 层信道利用率的提高提出了一种自适应的改进方 法。 本论文的主要结构如下： 第一章是绪论，概述了无线局域网的发展情况，和协议体系。 第二章描述了i e e e s 0 2 1 1 无线局域网的m a c 协议，详细讨论了m a c 协议 帧，接入协议和m a c 协议的性能分析。 第三章介绍了i e e e 8 0 2 1 1 e 草案制定的q o s 机制，接着对有代表性的各种 基于w l a n 的分布式q o s 支持机制做了仿真和性能比较。 第四章提出了一种基于信道利用率的自适应m a c 机制，并对该机制进行仿 真和性能分析。 最后是结论和展望，以及参考文献和致谢。 7 第二章i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议研究 第二章i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议研究 对于一个无线局域网来说，其网络容量协议对提升整个无线局域网络容量起 到关键的作用，而网络的性能( 吞吐量，时延等) 主要取决于m a c 层的接入协 议的影响。因此选择合适的m a c 层规范，根据网络业务配置信道资源，提高网 络的利用率和传输质量是无线网络研究的重要课题。 在i e e e 8 0 2 1 1 无线网络中，m a c 层的功能较复杂，它主要包括m a c 数据 业务接口，m a c 控制状态机，m a c 管理业务接口，m a c 管理业务机和分布式 业务接口等功能模块，如图2 一l 所示【4 。此外m a c 层的m i b ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o nb a s e ) 也包含在m a c 的管理功能中，主要用来存放m a c 管理信息 l l c 子层管理子层 p h y 数据业务p h y 管理 站 管 理 图2 一lm a c 功能模块结构 f i g u r e 2 1t h es t r u c t u r eo fm a c f u n c t i o nb l o c k 同时，m a c 协议还在物理层和网络层之间充当数据传递翻译器的作用。 m a c 协议就本质而言实际上是建筑在物理层之上的为原始信息的传递而建立的 语法逻辑实体结构，m a c 协议是将我们从物理层带到一个具备协议，规则和非 线性状态机的m a c 层中，因此他是系统所需功能中不可缺少的。下面我们就对 i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 协议提供的服务，m a c 层协议帧和m a c 接入协议进行讨 论。 9 华柯理t 大学硕士学位论文 2 ，1 i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 协议服务 i e e e 8 0 2 1 1 m a c 为两个对等网络实体l l c 层之问发送m a c 服务数据单元 ( m s d u ) ，网络接入以及私密性定义了两种类型的服务：终端服务和分布系统 式服务。m a c 层定义了三种类型的消息：数据，管理和控制帧，数据帧用于在 通信终端之间传递数据信息，管理帧用于为终端间的服务提供可靠有效的管理， 控制帧用于控制管理和数据消息的有序传递。 2 1 1终端服务 终端服务是提供给所有终端，a p 和s t a 的服务。其包括认汪服务，解除服 务，加密服务和m s d u 服务。 认证( a u t h e n t i c a t i o n ) 服务 i e e e 8 0 2 1 1 标准定义- 广认证服务来控制终端对无线网络的访问。所有的基 础结构b s s 和i b s s 网络l l 的终端在与其他终端通信前，都要首先进行认证来进 行身份鉴别。认证分为两种：开放系统认证和共享密钥认真。开放系统认证是 i e e e 8 0 2 1 l 缺省算法，当无需对终端进行身份认证时，一股采用系统认证。共 享密钥认证是使用加密算法进行双方认真，目前使用的为w e p 加密算法。 解除认证( d e a u t h e n t i c a t i o n ) 服务 当一个终端不愿与另一个终端保持相互认证关系的时候，就要调用这个解除 认证服务。该服务只是一个通知，不会被拒绝。 加密服务 无线网络中，所有终端都能收到无线网络范围内的数据，因此，i e e e 8 0 2 1 1 使用加密服务将网络安全级别提高。该服务用于所有数据帧和部分认证管理帧， 其建立在w e p 算法基础上，可以有效的降低数据被破译的危险。 m s d u 服务，是用于在两个终端之间传送可靠的m s d u 21 2分布式系统服务 这类服务由分布系统( d s ) 提供，用寸二解决无线传输距离的限制，能够接 入分布式系统的是a p ，分布系统的服务由a p 的m a c 层来实现。 联接( a s s o c i a t i o n ) 服务， 每个移动终端通过d s 发送数据前都要通过a p 调用联接服务，它通过a p 将移动终端映射到d s 。每个移动终端只能与一个a p 相连，而每个a p 可以和 多个终端相连。联接是为每个终端提供b s s 间移动性的前提条件，通常由一个 终端发起，目的终端是此站所在的b s s 中的a p ：当联接成功以后，它被分配一 个联接的i d 号。 1 0 第二：章i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议研究 解除联接( d i s a s s o c i a t i o n ) 服务，用来中止一个现存的联接，也是一个 不可拒绝的通知。当每个移动终端离开所在b s s 时要解除联接。 分布( d i s t r i b u t i o n ) 服务，用于移动终端通过分布系统发送数据，该服 务可以提供足够的信息去判断目的b s s 。 集成( i n t e g r a t i o n ) 服务，执行必要的协议和地址转换，通过该服务可 以使得数据通过分布系统和非i e e e 8 0 2 1 1 的接口传输。 从上面的服务，可以总结，一般来说每个终端对应有三种状态：未认证未联 接，己认证未联接，已认证已联接。终端服务的状态关系图分别如下图2 2 所 示。不同的状态下允许传送的帧也不同，我们将在f 一节详细介绍帧的类型。 幽2 - 2 终端服务的状态关系图 f i g u r e 2 2s t a t u sr e l a t i o n so ft e r m i n a ls e r v i c e s 2 2i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 协议帧 如上节所述，在m a c 协议巾，一共存在三种类型的m a c 帧，他们分别是 数据帧，控制帧和管理帧。后面两种帧的作用在于提供站之间平滑有效的数据交 互。在每一种m a cf 面存在对应的m a c 了帧，每1 种了帧都是为了完成一种 特定目的并且都使用本身内部的一些特定的比特位来标识自己。 为了反映具体系统的状态，m a c 层需要对+ 些重要变量进行跟踪，对于站 和接入点a p 来说，他们关心的信息是不一样的，因此把这样的相关信息集中存 储起来就形成了m a c 管理信息库( m i b ) 。m a c 层的m i b 是由两个属性组构 成的，站管理属性可以对m a c 的操作进行配置并且有助于站的管理，m a c 属 性能对m a c 性能进行测量并能对其进行调整达到希望的目标。 华南理j 二人学硕上学位论文 2 2 1i e e e 8 0 2 1 l 的m a c 帧 对i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议来说，他所需要完成的最基本功能是在两个或者多 个无线局域刚之间利用物理层提供的功能进行信息交互。 1 帧类型 如前所述，在i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 中，定义的帧类型有以卜三类 第一类，为控制帧( 包括，r t s ，c t s ，a c k 。c f e n d + a c k ，c f e n d ) ，管理 帧( 包括试探请求，响应，信标，认证，解除认证，广播业务量指示信息) 和数 据帧三个子类型。 第二类帧只有管理帧，包括联结请求，相应，重新联结请求，响应和解除联结 第三类帧分为数据帧，管理帧和控制帧( p s p o l l ) 2 通用帧格式 每个m a c 帧均由帧头( 包括帧控制，持续时间，地址和序列控制信息) ， 可变长度的帧体和帧校验序列f c s ，三部分组成。如图2 3 22666260 - 23 】24 丽制鼍五丁地i 了五_ i j 【面- 丽_ _ 瞄 图2 3m a c 帧格式 f i g u r e 2 3f o r m a to fm a c f r a m e s 帧控制字段的格式如下图2 4 ，类型和子类型字段共同标识帧的功能，表2 1 ，2 - 2 是t o f r o md s 比特的组合及相应的含义。在所有的数据或管理类型 帧巾，后继还有目前的m s d u 或者m m p d u 分段式，置多分段字段为1 ，其 他时间置为0 。在任何一个帧为前面帧荦传的数据或管理类型帧中被置为 1 ，在其他帧中被置为0 。功率管理字段值为1 ，表明站处于节电模式：值为 0 ，表明站处于苏醒模式。在a p 发送的帧中，功率管理字段值总为0 。多数 据字段值为l 用米向处于节电模式的站衷明，在a p 上为该站缓存有多个 m s d u 或m m p d u 。如果帧体包含利用w e p 算法处理的信息时，w e p 字段 设置为1 。在任何包含m s d u 或使用限制排序服务类型传送的分段数据类犁 帧巾，排序被设置为1 ；在其他所有帧中，改字段设置为0 。 b 0b 1 b 2 b 3b 4 b ，h 8 b 9b l ub 1 1b l2b 1 3b 1 4b 15 皿塑受丁飞堑工重型二 堕 画 塑墨墼二堕觋t 二塑 i ! 匝 二堕 b i t s ：2241l11l1l 图2 4 帧控制字段 f i g u r e 2 4m a c c o n t r o lf i e l d s 1 2 第：章i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网m a c 协议研究 表2 ：1 有效类型和子类型的组合 t a b l e 2 - lc o m b i n a t i o no fe f f e c t i v et y p e sa n ds u b - t y p e s 戮湖瓣类型描述予类型值予类型描述 黼麟管理 0 0 0 0联结请求 溺龋管理 0 0 0 1联结响应 瀚斟 管理0 0 1 0重新联结请求 溯糊 管理 0 0 1 1重现联结响应 渊躺 管理0 1 0 0试探请求 澜斟管理 0 1 0 1试探响应 燃瓣管理 0 1 1 0 0 1 1 l保留 蕊溺瓣管理 1 0 0 0信标 壤鬻! 震黼l 管理 1 0 0 1广播业务量指示消息 燃 管理1 0 l o解除联结 戮鬻黼鋈羹鬻管理1 0 1 1认证 鬻黼管理 1 i o o解除认证 渊鹂 管理 1 1 0 l 一1 1 1 l保留 溺 控制 0 0 0 0 一l o o l保留 缫蒙凌鬻澜控制 1 0 1 0 节电轮询( p s p o l l ) 羹麓瀵蕊溪控制 1 0 1 1r t s 辩l 纂控制 1 1 0 0c t s 懑鳓控制 1 1 0 1a c k 粼麟控制 1 1 1 0c f e n d 斟 控制 1 1 1 1c f e n d + c f a c k 鳓数据 0 0 0 0数据 数据0 0 0 1数据+ c f a c k 溱数据 0 0 1 0数据+ c f p o l l 漆数据 0 0 1 1数据+ c f a c k + c f p o l l 潺慧霪数据 0 1 0 0 空 斟数据 0 1 0 1c f a c k 斟数据 0 1 1 0c f p o l l 斟数据 0 1 1 lc f a c k + c f p o l l 斟数据 1 0 0 0 - 1 1 1 1保留 斟黼保留 0 0 0 0 1 1 1 1保留 1 3 华南理工大学硕士学位论文 表2 - 2 数据类型帧中t o f r o md s 的组合 t a b l e 2 2