（通信与信息系统专业论文）ieee80211mac层的功率管理及部分功能实现.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 近年来，能够高速率、低成本的接入因特网的无线局域网技术已成为研究热 点。i e e e 8 0 2 1 1 是目前比较流行的宽带无线接入标准，但其核心技术仍为国外所掌 握，所以，对此项技术进行深入的研究和开发是非常必要的。大多数的移动设备 由于其移动性只能采用电池供电，而电池的容量又受移动设备体积大小的限制， 因此，降低能量消耗是无线网络协议中最重要的设计目标之一。本文深入研究了 i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议，指出了i e e e 8 0 2 1 1 无线网络中的能耗组成及其原因；详细 分析了现有的功率管理机制对网络性能的影响，并介绍了几种i e e e 8 0 2 1 l m a c 层 节能模式( p s m ，p o w e rs a v em o d e ) 的改进和扩展机制，指出了他们相对于p s m 的 优势、缺陷及适用范围；最后提出了一种基于a r m 9 和u c o s i i 的站点m a c 层的软 件实现方法，为功率管理机制的实现打下了基础。 经过对无线网络中能量消耗的分析，发现额外能量的消耗主要来自于偷听和 错误载波侦听，而导致它们的原因是无线传播媒介固有的特性和i e e e 8 0 2 1 1 为避免 碰撞采用的c s m a c a 机锖| i ，为了降低能耗，i e e e 8 0 2 1 l 在m a c 层定义了节能模式， 但经过本文的分析发现，该模式会导致网络性能的降低，主要表现在访问w e b 网页 时的延迟和v o l p 等实时业务的服务质量得不到保障。 论文分析了几种对p s m 的改进和扩展机制，得出了以下结论：b s d 机制能够 将r t t 延迟限定在一个给定的范围，能够解决w e b 访问的延时问题，但不适合实时 业务的传输。u p s d 机制是专为v o l p 等实时性强的业务而设计的功率管理机制，但 没有对w e b 访问的延迟做处理。a p s m 将下行数据的延迟控制在下行数据到达间隔 之内，适合于网页浏览、语音视频、电子邮件等综合业务，但它对i e e e 8 0 2 11 原有 的帧类型进行了修改，其算法相对复杂。e i d l i n g 和o i d l i n g 是纯粹为减少能耗而提 出，当发现站点在偷听或错误载波侦听时，采取强制关闭其收发信机的方式来减 少能耗，但付出了丢包率增加的代价。 本文在最后提出的基于a r m 9 和n c o s i i 的站点m a c 层实现方案目前已完成 站点数据收发的初步实现，包括在发送端将需要发送的数据成帧、分段、排队、 退避、校验、发送以及接收端s t a 的接收、校验、缓冲、重组等操作。由于尚未和 物理层及l l c 层联合调试，采用了m a c 层自身闭合测试的方法来验证所做的工作。 关键词：i e e e 8 0 2 1 1 ，m a c ，无线局域网，功率管理 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i r e l e s sl a n ( w l a n ) ，p r o v i d i n gh i g hs p e e dw i r e l e s si n t e r n e ta c c e s sa tal o wc o s t ， h a se x p e r i e n c e das p e c t a c u l a rr i s e i np o p u l a r i t yi nr e n c e n ty e a r s i e e e 8 0 2 11i sv e r y p o p u l a ri nw l a n s t a n d a r df i e l d ，b u tt h ek e y t e c h n i q u ei sc o n t r o l e db yf o r e i g nc o u n t r i e s ， s od e e pr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti sn e c e s s a r y m o s to ft h em o b i l ed e v i c e sa r el i m i t e d w i t l lr e s p e c tt ot h eb a t t e r ye a p a c i t yd u et os i z er e s t r i c t i o n s t h u sh o wt or e d u c et h e p o w e rc o n s u m p t i o n i nw i r e l e s sl a nb e c o m e se v e nm o r e i m p o r t a n t i nt h e i m p l e m e n t a t i o n o fi e e e 8 0 2 1 1s t a n d a r d t l l i s p a p e rp r o v i d e s a no v e r v i e wo f i e e e 8 0 2 1 1s t a n d a r d ，a n a l y s e st h ep o w e rc o n s u m p t i o ni n8 0 2 1 1n e t w o r ka n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h ew i r e l e s sn e t w o r kw h e nu s i n g8 0 2 1 1 p o w e rs a v em o d e ( p s m ) ， i n v e s t i g a t e ss o m ei m p r o v e da n de x t e n d e dp o w e rm a n a g e m e n tm e c h a n i s m sb a s e do n p s m ，a n a l y s e si t sp e r f o r m a n c ec o n t r a s t 谢t l lp s m ，a n dp r o p o s e sam e t h o do fp r i m a r y i m p l e m e n t a i o nf o ri e e e 8 0 2 11m a c i ns t a ( s t a t i o n ) b a s e do nt h ep l a t f o r mo fa r m 9 a n du c o s i ia ti a s t t h ea d d i t i o n a lp o w e rc o n s u m p t i o nc a u s e db yo v e r h e a r i n ga n de t r o n e o u se a n i e r s e n s i n g ( e c s ) d u et ot h ep r o p e r t yo fw i r e l e s sm e d i u ma n dc s m a c am e c h a n i s m t h e 8 0 2 1 1s t a n d a r dp r o v i d e sap o w e rs a v em o d e ( p s m ) i no r d e rt os a v ee n e r g y , b u tt h i s p a p e r sa n a l y s es h o w st h a tp s m w i l ld e g r a d et h ep e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sn e t w o r k e s p e c i a l l yi nt c pc o n e c t i o n ( w h i l eb r o w s i n gt h ew e b ) a n d v o i p a f t e ri n v e s t i g a t es o m ei m p r o v e da n de x t e n d e dp o w e rm a n a g e m e n tm e c h a n i s m s ， w ef i n d t h a tb s dm e c h a n i s mi sas o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fm i n i m i z i n ge n e r g y c o m s u m p t i o nw h i l eg u a r a n t e e i n gt h a tac o n n e c t i o n s 肿d o e sn o ti n c r e a s eb ym o r e t h a naf a c t o r , b u ti t sn o ta p p r o p r i a t ef o rr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n u p s dm e c h a n i s mi s d e s i g n e do n l yf o rv o i p , i t sn o tf i tf o rw e ba c c e s s a p s mm e c h a n i s mc a nu p p e rb o u n d t h em a cd o w n l i n kd e l a yt ot h ef r a m ea r r i v a li n t e r v a l ，i t ss u i t e df o rt h ec a s eo f am i xo f t r a f f i ci n c l u d i n gw e ba c c e s s ，v o i v , e - m a i le t c ，b u ti tm o d i f i e st h eo r i g i n a lm a cf r a m ei n 8 0 2 1 1s t a n d a r d ，a n dt h ea l g o r i t h mi sc o m p l i c a t e d e i d l i n ga n do i d l i n gm e c h a n i s m s a r ep r o p o s e do n l yf o rr e d u c i n gt h ep o w e rc o m s u m p t i o n ，w h e ns t as t a r t 8o v e r h e a r i n g o rr e c e i v i n ge c ss i g n a l ，m e yf o r c et h ew i r e l e s si n t e r f a c et os w i t c ht ot h el o w - e n e r g y i d l i n gs t a t e i nt h i sw a y , t h e yo f f e rs i g n i f i c a n te x t e n s i o ni nn e t w o r kl i f e t i m e , b u tt h i s g a i ni st r a d e df o ra ni n c r e a s e dp a c k e td r o pr a t e 髓ed a t af l o wo p e r a t i o n si ns t a i n c l u d i n gm a k i n gaf r a m e ，f r a g m e n t a t i o n ，q u e u e 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a n df c sc a l c u l a t i o ni nt r a n s m i s s i o na n dt h er e v e l s eo p e r a t i o n si nr e c e p t i o nh a v eb e e n f i n i s h e da n dt e s t e db a s e do nt h ep r o p o s e dm e t h o d k e y w o r d s ：i e e e 8 0 2 1 1 ，m a c ，w i d e s sl a n ，p o w e rm a n a g e m e n t h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：但签字日期：妒7 年莎月厂e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名 乎侈 签字日期：驯年莎月f 日 导师签名：孑侈吐 签字日期：纱矽年占月厂e l -r 重庆大学硕士学位论文1 引言 1 引言 1 1 无线局域网简介 1 1 1 无线局域网的概念与拓扑结构 无线局域网( w l a n ：w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ) 是指采用无线传输媒介的计 算机局域网，是计算机与无线通信技术相结合的产物。无线局域网( w l a n ) 技术始 于2 0 世纪8 0 年代中期，它是由美国联邦通信委员会( f c c ) 为工业、科研和医学( i s m ) 频段的公共应用提供授权而产生的，它使用电磁波来传递信息，使用频道( a i r w a v e ) 发送信息。 无线网络中的站点( s t a ，s t a t i o n ) 是指接入无线媒介的部分，它包含m a c 实体 和p h y 实体，和有线网络相对应，s t a 也常被称为网络适配器或者网络接口卡。访 问点( a p ，a c c e s s p o i n t ) 也是一个s t a ，该s t a 除了做为一个普通的s t a t 作以外，它 还通过提供分发服务来提供对分发系统的访问。 无线局域网的基本拓扑结构主要有三种：独立基本服务集i b s s ( i n d e p e n d e n t b a s i cs e r v i c es e t ) 、基本服务集b s s ( b a s i es e r v i c es e t ) 和扩展服务集e s s ( e x t e n d e d s e r v i c es e t ) 霉奄 禽一，：s t 味a 2 ，j 雪 i b s s 网络逻辑结构如图1 1 所示，这种网络也称为a d - h o e 网，只由s t a 组成， 各工作站之间直接通信，由于没有a p ，该网络无法接入到有线网络中，只能与同 一网络中的工作站通信，因此a d - h o e 网只适用于少数用户的组网环境。 b s s 网络的逻辑结构如图1 2 所示，这种网络结构也称为基础结构网络 ( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k ) ，由s t a 和a p 组成。a p 类似于有线网中的集线器( h u b ) ，用 于在无线工作站之间接收、缓存和转发数据，即基础网络中s t a 的数据的收发必须 经过a p 完成。a p 的覆盖半径达上百米，并且可以连接到有线网络，实现无线网络 与有线网络的互连。 重庆大学硕士学位论文1 引言 图1 2b s s 逻辑结构 f i g u r e1 2b s sl o g i ci n s t r u c t u r e e s s n 络的逻辑结构如图1 3 所示，它由多个b s s 和连接它们的分布式系统s ) 组成，该网络中所有a p 共享同一个扩展服务区标示符( e s s l d ) 。分布式系统s ) 在8 0 2 1 1 标准中并没有定义，但是目前大都是指以太网。相同e s s i d 的无线网 络间可以进行漫游，不同e s s i d 的无线网络形成逻辑子网。 图1 3e s s 逻辑结构 f i g u r e1 3e s sl o g i ci n s t m c t u m 1 1 2 无线局域网的特点 无线局域网由于不需要电缆介质，而利用电磁波在空气中收发数据，因此它 2 重庆大学硕士学位论文1 引言 使联网的计算机具有可移动性，能快速、方便的解决有线方式不易实现的网络信 道连通问题，与有线网络相比，w l a n 具有以下优点： 灵活性和移动性。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络位置的限制， 而无线局域网在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络。连接到无 线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接。 安装便捷，易于进行网络规划和调整，经济节约。无线局域网可以免去或 最大程度地减少网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点设备，就可 建立覆盖整个区域的局域网络。 覆盖范围广，易于扩展。在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息 点位置的限制。而无线局域网的通信范围，不受环境条件的限制，网络的传输范 围大大拓宽，最大传输范围可达到几十公里。 无线局域网在能够给网络用户带来便捷和实用的同时，也存在着一些缺陷。 无线局域网的不足之处体现在以下几个方面： 性能。无线网络的信道特性极其复杂【l l ，相对于有线信道，无线的信道的 带宽资源匮乏，干扰强，信道状况多变。电波通过无线发射装置进行发射，而建 筑物、车辆、树木和其它障碍物都可能阻碍电磁波的传输，所以会影响网络的性 能。 速率。无线信道的传输速率与有线信道相比要低得多。目前，无线局域网 的最大传输速率为5 4 m b i t s ，只适合于个人终端和小规模网络应用。 安全性。本质上无线电波不要求建立物理的连接通道，无线信号是发散的。 从理论上讲，很容易监听到无线电波广播范围内的任何信号，造成通信信息泄漏【2 】。 能耗。目前大多数的移动设备由于其移动性只能采用电池供电，而电池的 容量又受移动设备体积大小的限制，并且i e e e 8 0 2 1 1 采用载波侦听多址访问碰撞 回避( c s m a c a ，c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 机制，在这 种类型的访问机制中，无线工作站将连续的监听信道，判断信道的当前状态( 忙或 空闲) ，这将消耗大量的能源。因此无线网络中移动设备的能耗问题也是阻碍其发 展的主要问题之一。 1 1 3 无线局域网的标准 无线局域网有多种不同的标准，不同的标准适用于不同的应用。目前的w l a n 产品所采用的技术标准主要包括：i e e e 8 0 2 11 家族、h o m e r f 、h i p e r l a n 和蓝牙。 i e e e 8 0 2 1l 家族 i e e e 的8 0 2 1 1 标准由很多子集构成，它详细定义了w l a n 中从物理层n m a c 层的通信协议。 ni e e e 8 0 2 1 1 3 】 3 重庆大学硕士学位论文1 引言 该标准于1 9 9 7 年6 月由i e e e 推出，i e e e 8 0 2 1 1 在物理层定义了数据传输的信号 特征和调制方式，定义了两种无线电射频( r f ) 传输方式和一种红外线传输方式。其 中无线射频传输包括直接序列扩频技术( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 和跳频技术( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 。i e e e 8 0 2 1 1 在m a c 层采 用了与以太网c s m a c d 相类似的c s m a c a ( 载波侦听多址访问，碰撞回避) 协议， 将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送数据， 以减少碰撞。 2 1i e e e 8 0 2 1 l b t 4 1 该标准于1 9 9 9 年9 月批准，是在i e e e 8 0 2 1 1 基础上的进一步扩展，将物理层划 分为p l c p 和p m d 子层，p l c p 做为m a c 层与物理层的一个接口，并提供载波监听 和无干扰信道的评估；p m d 子层则承担无线编码的任务。m e e 8 0 2 1 i b 采用d s s s 作为该标准唯一的物理层技术，支持两种速率5 5 m b s 和11 m b s 。 3 ) i e e e 8 0 2 1 l a f 5 】 该标准也是对i e e e 8 0 2 1 1 的补充，m a c 层仍采用c s m a c a 协议，物理层选用 具有能有效降低多径衰落影响与有效使用频率的正交频分复用( o f d m ) 为调制技 术，工作在5 1 5 - 8 8 2 5 g h z 频段，物理层速率可达5 4 m b s 。 4 ) i e e e 8 0 2 1 1 9 6 l 该标准是为解决i e e e 8 0 2 1 l b 与i e e e 8 0 2 1 l a 的互通问题而提出，它是一种混合 标准，有两种调制方式：8 0 2 1 l b 中采用的c c k 和8 0 2 1 l a 中采用的o f d m 。因此它 既可以在2 4 g h z 频段提供1 1 m b s 数据传输速率，也可以在5 g h z 频段上提供5 4 m b s 数据传输速率。 5 1i e e e 8 0 2 1 l i i e e e 8 0 2 1 l i 对w l a n 的m a c 层进行了修改与整合，定义了严格的加密格式和 鉴权机制，以改善无线局域网的安全性。主要包括两项内容：w i f i 保护访问( w p a ) 和强健安全网络限s n ) ，并于2 0 0 4 年初开始实行。 此外，i e e e s 0 2 n e t 7 】标准对w l a nm a c 层协议进行了改进，以支持实时业务 的传输。i e e e 8 0 2 1 i d s 】标准定义了访问点( a p ) 之间的通讯，支持i e e e 8 0 2 1 1 的接入 点互操作协议( i a p p ) 。i e e e 8 0 2 1 l h 用于8 0 2 1 l a 的频谱管理技术。 h o m e r f h o m e r f 技术由h r f w g ( h o m er fw o r k i n gg r o u p ) ! z 作组开发，主要为家庭网 络设计。h o m e r f 采用了c s m a c a 模式，以竞争的方式来获取信道的控制权，在 一个时间点上只能有一个接入点在网络中传输数据，提供了对“流业务”的真正意义 上的支持，规定了高级别的优先权并采用了带有优先权的重发机制，确保了实时 性“流业务”所需的带宽( 2 1 l m b s ) 和低干扰、低误码。 4 重庆大学硕士学位论文1 引言 h i p e r l a n 该标准由欧洲电信标准协会( e t s i ) * i j 订，主要正对欧洲市场。e t s l 3 l e 要制订了 4 个标准：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 ra c c e s s 。其中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 e c e s s 用于室外对有线通信设施提供固定接入， h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 贝t j 用于无线局域网接入。h i p e r l a n l 采用了已在g s m 蜂窝 网和蜂窝数字分组数据( c d p d ) q b 广泛使用的高斯滤波最小频移键控( g m s k ) 调制 技术，支持最大2 3 5 m b i t s 的速率。h i p e r l a n 2 贝i j 与8 0 2 1 l 嘲似，同样工作在5 g 频 带，同样在物理层采用正交频分复用( o f d m ) 调制方法，同样支持高达5 4 m b i t s 的 传输速率。 蓝牙 蓝牙技术是一种开放性短距离无线通信技术标准。它面向移动设备间的小范 围连接。同i e e e 8 0 2 1 l b 一样，蓝牙使用2 4 g h z 频段，采用跳频扩频( f h s s ) 技术。 与其它工作在2 4 g 频段上的系统相比，蓝牙的跳频更快，数据包更短，这使蓝牙 比其它系统都更稳定。 1 2 论文的研究背景和目的 随着无线通信技术的发展和因特网的快速普及，无线通信系统发展迅速，人 们对移动信息服务的需求也日益增长，这促使低成本、较少依赖基础设施的无线 网络技术成为学术和产业研究的热点。 近年来，无线局域网技术已走入千家万户，在人们常用的移动设备如：p d a s 、 手机、便携电脑中融入这项技术，成为一种必然的趋势。 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网的基本媒介访问控制方法是基于二进制指数退避策略 的载波侦听多址访问碰撞回避( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o n a v o i d a n c e ，c s m a c a ) 机制，在这种类型的访问机制中，无线工作站( s t a ) 将连续 的监听信道，判断信道的当前状态( 忙或空闲) ，这将导致通过8 0 2 1 l 无线局域网入 网的移动设备( 如手机、p d a s ) 消耗大量的能源，然而大多数的移动设备由于其移 动性只能采用电池供电，而电池的容量又受移动设备体积大小的限制。因此，降 低能量消耗是无线网络协议中最重要的设计目标之一。 为了减少能耗，i e e e 8 0 2 1 1 定义了节能模式( p s m ，p o w e rs a v em o d e ) 。该模式 下，s t a 在空闲时候可以转入低功耗的睡眠状态，若有发往处于睡眠状态的s t a 的 帧，n a p 将其缓存，在定时发送的信标帧中标识出来，s t a 在预定时刻苏醒接收 信标，发现有缓存帧，再从a _ p 处取回。减少了s t a 苏醒时间即减少了能耗，但却 延迟了s t a x 寸帧的接收，这对w e b 访问有不可忽视的影响。另外，对于v o i p 等实时 性业务来说，p s m 模式带来的网络开销过大，这将会影响系统容量。因此，无线 5 重庆大学硕士学位论文1 引言 网络中的能量消耗与性能之间平衡问题，己成为目前无线接入系统中的研究热点。 1 - 3 论文的主要工作和结构安排 本文在选择了目前应用比较广泛的i e e e 8 0 2 1 1 协议做为研究课题。对该协议进 行了详细的描述，并对目前无线局域网中比较热门的功率管理问题进行了研究， 最后给出了一种基于a r m 9 和u c o s i i 平台的站点m a c 层初步实现方法。 全文的主要内容共分为5 章，各章节的安排如下： 第一章介绍了无线局域网的特点、拓扑结构、标准等基本概念及论文的研究 背景和目的。 第二章从无线介质访问、网络连接、数据的验证和加密三个方面对i e e e 8 0 2 1 1 协议的主要功能进行了详细的描述， 第三章介绍了无线局域网中现有的功率管理机制，包括基础结构网络中d c f 、 p c f 方式下的功率管理模式和a d h o e 网络中的功率管理模式，重点介绍了b s s 中信 标帧t i m 域的组装和解读方法。 第四章分析了无线局域网现有的功率管理机制存在的问题，主要表现在对网 络性能的影响和由于额外的开销造成的能量消耗。 第五章介绍了几种对现有功率管理方案的改进机制和新的扩展机制，在将它 们与i e e e 8 0 2 1 1 现有的功率管理机制做比较的基础上分析了它们的优缺点，提出了 它们的适用范围。 第六章提出了一种基于a r m 9 和u c o s i i 平台的站点m a c 层初步实现方法，主 要侧重于站点数据收发的c 语言实现，为功率管理的实现打下了基础。 第七章对全文的内容做了总结。 6 重庆大学硕士学位论文 2i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层协议概述 2 i e e e 8 0 2 11 m a c 层协议概述 i e e e 8 0 2 1 l 【4 】【9 】的m a c 层主要有三个功能：无线介质访问、网络连接、数据的 验证和加密。在介质访问方面，有两种访问机制，一个是基于是c s m a c a 的基本 访问机制，也称之为分布式协调功能( d c f ) ，另一个是集中控制访问机制，也称为 集中协调功能( p c f ) 。网络连接方面，当站点( s t a ) 进入一个或多个基本服务集( b s s ) 覆盖范围时，它会选择加入某一b s s 进行通信，这一过程包括扫描、同步、鉴权、 关联。在数据的验证和加密方面采用的是c r c 3 2 算法和w e p 机制，保证了数据传 输的准确性和网络安全。此外，m a c 层制定了r t s c t s 机制，以解决隐藏节点的 问题；提供了分段重组功能以减少数据重传概率，提高系统性能；采用活动、节 能这两种功率管理模式来增强移动s t a 电池的使用时间。下面分别对这些功能进行 说明。 2 1 无线介质访问 2 1 1 分布式协调功能( d c f ) d c f 是i e e e s 0 2 1 1 m a c 层的基本访问方法，它基于载波侦听多址访问，碰撞回 避( c s m a c a ) 机制。s t a 主动侦听无线介质的使用情况，如果媒介忙，就不发送 数据，如果侦听到媒介空闲达到规定的时间( d i f s 或e i f s ) 贝i 选择一个随机退避时间 开始退避，退避时间结束方可发送数据，如图2 1 所示。 竺! ， 。 c o n t e n t i o nw i n d o w 。 d i f s p i f s h 卜 i 7b u s y m 。击。卜到妊t 。水w 访a 。n e x tf r a m e 4 i + 一s 1 。tt i m c d e f e ra c c e s 3。s e l e c ts l o ta n dd e c r e m e n tb a c k o f f a sl o n ga si 图2 1 基本访问方法 f i g u r e 2 1b a s i c a c c e s s m e t h o d c s m a c a 机制 i e e e 8 0 2 1 1 中采用的c s m a c a 机制与8 0 2 3 中的c s m a c d 机制类似，不同的 是c s m a c d d p 采用的是碰撞检钡4 j ( c o l l i s i o nd e t e c t ) ，而c s m a c a 中采用的是碰撞 避免( c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 。因为冲突检测方法需要一个全双工的无线频率或是红外 7 重庆大学硕士学位论文 2i e e e s 0 2 1 1 m a c 层协议概述 线信道对，设备必须一边接收数据信号，一边传送数据信号，而无线信道只能是 一个半双工的信道，检测冲突是很难办到的，因此只能采用碰撞回避策略。 c s m a c a 中的载波侦听包括物理载波侦听和虚拟载波侦听。物理载波侦听通 过判断接收信号的强弱来实现，每当信道的状态发生变化时，物理层产生原语 p h y - c c a i n d i c a t i o n 指明信道是忙还是空闲。虚拟载波侦听通过发布媒介预留信息 来实现，即通生i b s s 中所有s t a 目前信道的占用时间，这一功能是由网络分配矢量 n a v 来完成的，s t a 通过提取媒介中传输帧的d u r a t i o n 域来更新本地的n a v 。当物 理载波检测和虚拟载波检测同时显示媒介空闲时，s t a 才能启动退避机制，退避完 成后开始发送数据。 n a w 卿删、 。 7 n a v 呷s ) 、 。 7 n a l 坚唧“竺 t ss i f 5s i f ss i f 5s i f ss i f !；i f ss i f i _ 一l _ 一l 一 叫f r a g m e n t r叫f r a g m c m l r叫f r a g m c n t 2 卜+ c t sa c k 0a a c la c k 2 d e s t l n a t i o n + n a v 口s ) _ n a v ( a c k l ) n a v ( a c k 图2 2d c f 中各帧的d u r a t i o n 域 f i g u r e2 2d u r a t i o no f t h ef r a m ei nd c f 图2 2 描述了d c f 中常见的几种帧的d u r a t i o n 域的大小。图中每一帧的d u r a t i o n 域都包含了下一次发送所需要的时间。s t a 在收到这些帧后，如果发现该帧的 d u r a t o n 域值大于本地n a v ，则用该帧的d u r a t i o n 域更新本j 坦n a v 。从图中可知， r t s 的d u r a t i o n 域包含了发送一个c t s 、一个数据分段以及3 个s i f s 的时间和。c t s 的d u r a t i o n 域则是r t s 的d u r a t i o n 域减去发送c t s 的时间和一个s i f s 的时间。数据帧 中，如果该数据不是最后一个分段r 如图中的f r a g m e n t o $ 1 f r a g m e n t l ) ，则其d u r a t i o n 域是发送下一分段、2 个a c k 帧的时间以及3 个s i f s 的和。如果该数据是最后一个 分段( 如图中的f r a g m e n t 2 ) ，则其d u r a t i o n 域只包含发送一个a c k 帧的时间和一个 s i f s 。图中的a c k 0 和a c k l ，分别是f r a g m e n t 0 和f r a g m e n t l 的应答帧( 非最后分段 的应答帧) ，它们的d u r a t i o n 域为发送下一分段和一个a c k 的时间以及2 个s i f s 时 间。而a c k 2 由于是最后一个分段的应答帧，所以它的d u r a t i o n 域为0 。 重庆大学硕士学位论文 2i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层协议概述 退避规程 当s t a 需要发送数据帧或管理帧时，应调用载波侦听机制确定当前媒介状态， 如果媒介忙，s t a 将推迟其发送，如果物理载波侦听和虚拟载波侦听都显示当前媒 介空闲，则在一定时间之后，s t a 将选择一个随机退避时间，开始退避。退避时间 的选择如下： b a c k o f f t i m e = r a n d o m o + a s l o t t i m e 其中，r a n d o m 是一个均匀分布在0 ，c w 上的伪随机数，c w 是竞争窗口，它 是介于a c w m i n 和a c w m a x 之间的一个整数。c w 可以为2 的整数幂减1 ，其初始值 为a c w m i n ，最大值为a c w m a x ，例如初始值为7 ，则之后c w 的取值为1 5 、3 1 、 2 5 5 。 退避中的s t a ，若侦听到媒介空闲，则将退避计时器减去一个时隙时间，若媒 介忙，则退避计时器将暂时挂起，当媒介空闲时间达到d s 或e i f s 后，重新开始 计数，当计时器为0 时，开始发送数据。 2 1 2 集中协调功能( p c f ) 除了基于c s m a c a 的基本访问机制外，i e e e 8 0 2 1 l 还提供一种集中控制访问 机制，称之为集中协调功能( p c f ) 。在这种模式下，通常控制核心部分都把控制权 交给一个集中式协调器( p c ，p o i n tc o o r d i n a t o r ) ，一般这个协调器就是a p 本身，因此 a p 很多时候又被称为p c 。p c f 要求所有的s t a 都工作于基础网络结构中，p c 控制 所有的s t a 的帧发送，以避免在有限的时间内进行竞争。这段时间称为无竞争期 ( c f p ，c o n t e n t i o n - f r e ep e r i o d ) 。p c f 在承载语音、视频等实时性服务时具备一定的 优势。 图2 3c f 参数集信息单元格式 f i g u r e2 3c fp a r a m e t e rs e te l e m e n tf o r m a t p c 在每个无竞争期开始，都对信道进行检测，如果信道在p i f s 间隔之后空闲， p c 就发送包含c f 参数集( 如图2 3 所示) 的信标帧。s t a 如果收到该信标帧后利用c f 参数中的c f p m a x d u r a t i o n 值更新它们的n a v ，这个值向所有s t a 通知无竞争期的 长度，直至i j c f p 结束后才允许s t a 获得介质的访问权。 在每个c f p ，p c 应按照关联识别码( a n 9 ) 递增的顺序轮询表中全部或部分s t a ， 9 重庆大学硕士学位论文 2i e e e 8 0 2 1 i m a c 层协议概述 被轮询到的s t a 总是对接收到的c f p o l l 帧进行应答，当被轮询到的s t a 无数据可发 时，也会以c f 。a c k ( 收至i j p c 发来的数据帧) 或空帧( p c 没有数据发送给该s t a 且该 s t a 也没有数据发送给p c ) 应答。 图2 4 对典型的c f p 的帧传输过程进行了描述。图中u x 表示被轮询站点发送的 数据，d x 表示p c 发送给可轮询站点的数据。每个c f p 开始时，p c 发送信标帧，各 s t a 利用信标帧中的c f 参数集信息单元中的c f p p e r i o d 来更新本地n a v 。图中，p c 轮询站点1 时发送d a t a + c f p o h ，站点1 收到后，等待一个短帧间间隔发送 d a t a + c f a c k ，其中c f a c k 是对收到p c 发送的数据帧的应答，d a t a 是发送给p c 的数据帧。接着p c 轮询站点2 ，发送d a m + c f a c k + c f p o l l 帧，在这其中，c f 。p o l l 是对站点2 的轮询指示，d a t a 是发送给站点2 的数据帧，c f a c k 是对接收到站点1 数据的应答，此时目的地址与应答地址不同。当p c 轮询到站点3 时，没有收到站点 a m 应答，这次的帧交换序列失败，p c 将等待一个p i f s 后继续轮询下一站点。轮询 结束后p c 发送c f 。e n d 帧，各个s t a 将n a v 复位，进入竞争期。 c o n t e n t i o n - f r e er e p e t i t i o np e r i o d 。 c o n t e n t i o n - f r e ep e r i o d 。l s i f ss 1 f ss i 卜一卜等0 叫卜l “r 。t 。t i 。p p n d叫卜叫卜叫 b e a c o n d i + p o l l d 2 + a e kd 3 + a c k l d 针p o u l r 7 u i + a c kj 。 型一十 l u 4 + a c k il 口锄。 一 ( - -叫卜 f卜tocf-poufresi-p0lonsle叫sif卜sfss i f sr e a c t n a v p i f ：； s i f ss 审 n a v豳搦黝溺嬲愿阂缀燃飘嬲蓊嬲露缀凝翳黝黝搦嬲黧飘爨豳卜c f _ m a xd u r a t l o n 图2 4c f p 的帧交换过程 f i g u r e2 4f r a m ee x c h a n g e si nc f p 2 2 网络连接 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网中的s t a 从开机到可与其它s t a 进行常规的数据通信， 通常要经过扫描、同步、鉴权、关联几个步骤。 2 2 1 扫描与同步 当一个s t a 开机上电时，便开始根据信号强度和数据包出错率扫描无线频率， 查找附近有无现成的b s s 或i b s s 。启动扫描前，站点管理实体s m e 会产生扫描请 求原语m l m e - s c a n r e q u e s t 袒j 始化扫描过程。 m l m e - s c a n r e q u e s t ( b s s t y p e ，b s s i d ，s s i d ，s c