（通信与信息系统专业论文）ieee80211a无线局域网基于per的链路自适应算法的研究.pdf

i e e e 8 0 2 11 a 无线局域网基于p e r 链路自适应 算法的研究 捅要 随着支持多种高速传输速率的1 e e e 8 0 2 1 1 协议族的制定，动态选择物理层传输模 式的键路自适席被认为是一种有效提高系统吞吐量的方法。链路自适应指的就是根据当 前信道的状态l 叮选择最佳的物理层传输模式，以取得系统最大吞吐量的方案。存数据的 传输过程中，编码速率与调制方式的选择是由链路白适应力案米确定的，但是 i e e e 8 0 211 协议族却没有明确的规定这样的方案。 本论文重点研究了基于p e r 测量的链路自适应算法。首先，在研究了i e e e 8 0 2 1 1 a 系统物理层性能的基础上，给出了一种不同于固定p e r 门限值的优化门限值方案，即 对于不同的物理层传输模式使用不同的p e r 门限值对。仿真表明，基丁优化p e r 门限 值方案的链路自适应算法所取得的系统吞吐量要大于固定门限值方案。由于此处取得的 系统吞吐量是基于一种简单自动重传机制下的理想值，并不具有太多的实际意义。冈 此，本沦文继续研究更加符合实际情况的i e e e 8 0 21 1 a d c f 机制下的系统性能。在此基 础e ，我们先给出了一种分析d c f 机制f 的系统吞吐量性能的普遍方法，并得到了一 个关于系统平均吞吐量的表达式，进而就可以得到每一个传输模式所对应的p e r 门限 值。此p e r 门限值的获得分为两种情况：一是假设在整个m s d u 传输( 包括重传) 时 间内信道质量不变、相应的传输模式也不变的条件下得到的，因此虽然此链路自适应方 法简单、易于实现，但是却不能很好的适应信道的变化特性；对1 一第一种情况 即可 以根据信道质量的变化而为下一次传输尝试选择不同传输模式的情况，我们给出了个 可变的p e r 门限值方案，即在每。次霞传尝试时，都有组相应的p e r 门限值作为参 考( 即每组的p e r 值可以不同) ，来为下次传输( 或重传) 选择最佳的传输模 式。仿真结果表明，第二种情况下的可变p e r 门限值方案所取得的系统平均吞吐量将 优于第一种情况的，并且这两种情况也将好于1 j l i | 定p e r 限值方案的吞吐量。本论文 的分析与仿真部是基于i e e e 8 0 21 1 a 的，但小失一般性，其中的理论分析与相关结论同 样可以应用于其它w l a n 系统。 天键词：无线局域网( w l a n ) ；包错误率( p e r ) ；链路自适应( l i n k a d a p t a t i o n ) 东北大学硕士学位沦文 a b s t r a c t a s t u d y o ft h el i n k a d a p t a t i o na l g o r i t h mf o r i e e e 8 0 2 1l a a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht h ei n t r o d u c t i o no f t h eh i g h - s p e e dw l a np h y s i c a ll a y e r ，l i n ka d a p t a t i o n t od y n a m i c a l l ys e l e c tt h ep h ym o d eh a sb e e nr e c o g n i z e da sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h e s y s t e mt h r o u g h p u t ，b u tt h el i n ka d a p t a t i o nm e c h a n i s mi sn o ts p e c i f i e di nt h es t a n d a r d s 。t h e m e c h a n i s mt os e l e c to n eo u to fm u l t i p l ea v a i l a b l et r a n s m i s s i o nr a t e sa tag i v e nt i m ei sr e f e r r e d | t oa sl i n ka d a p t a t i o na n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ei m p l e m e n t e dl i n ka d a p t a t i o ns c h e m ec a n a f f e c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y 。i nt h es c h e m e ，t h em a i ni s s u e sa r et h ec h o i c eo f t h ep a r a m e t e rt ob eu s e df o r t h el i n ke s t i m a t i o n ( eg p a c k e te r r o rr a t e ，s i g n a lt on o i s er a t i o ， r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h ，c a r r i e rt oi n t e r f e r e n c er a t i o ，e t c ) ，a n dh o wt os e l e c tt h ea p p r o p r i a t e r a t ef r o mm e a s u r e l n c n t so f t h es e l e c t e dp a r a m e t e r 。 i nt h i sp a p e r ，w i t hs t u d y i n gt h el i n ka d a p t a t i o na l g o r i t h mb a s e do np e ra n dt h es y s t e m p e r f o r m a n c eo fi e e e8 0 21l ap h y ，a no p t i m u mt h r e s h o l ds c h e m ei sp r e s e n t e di n s t e a do fa l l e x i s t i n gf i x e dt h r e s h o l ds c h e m e 。s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h e o p t i m u mt h r e s h o l d s c h e m ei sb e t t e rt h a no t h e ra l g o r i t h m si nt e r mo ft h r o u g h p u t 。t h e n ，w ep r e s e n tag e n e r i c m e t h o d t o a n a l y z e t h e t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c eo f a n8 0 2 1 1 a d c fs y s t e m a n dd e r i v eac l o s e d - f o r me x p r e s s i o no ft h ee x p e c t e dt h r o u g h p u t 。i no r d e rt oa c h i e v et h eb e s ts y s t e n at h r o u g h p u t u n d e rac e r t a i nc h a n n e lc o n d i t i o n ，w ea p p l yt h ep e rt h r e s h o l ds c h e m ei n t ot h es y s t e mo f 1 e e e 8 0 21l ad c f 。t h e r ea r et w oi n s t a n c e si ng e t t i n gt h ep e rt h r e s h o l d ，o n ei so p t i m u m p e rt h r e s h o l ds c h e m e ，t h eo t h e ri st h ec h a n g e dp e rt h r e s h o l ds c h e m e 。t h ef i r s ts c h e m ei s s i m p l ea n de a s yt od e p l o y ，b u ti ta s s u m et h ec h a n n e lc o n d i t i o ni sc o n s t a n to v e rt h em s d u d e l i v e r yp e r i o di n c l u d e sa l lt h er e t r a n s m i s s i o n sa n dt h ep h ym o d ec a n n o tb ec h a n g e df o ra l l t h er e t r a n s m i s s i o n s ，s ot h i ss c h e m ec a n n o ta d a p tq u i c k l yt ot h ef a s t c h a n g i n gw i r e l e s s c h a n n e l 。b a s eo dr e c o g n i z i n gt h el i m i t a t i o n so f t h eo p t i n m mp e rt h r e s h o l ds c h e m e ，t h e nw e p r o p o s eac h a n g e dp e rt h r e s h o l ds c h e m e 。t h i ss c h e m ep r o v i d eas e t o fc h a n g e dp e r t h r e s h o l df o re a c ht r a n s m i s s i o no rr e t r a n s m i s s i o n ，s ot h ew i r e l e s ss t a t i o nc a r la d a p tt h ep h y m o d ef o rt h en e x tt r a n s m i s s i o na t t e m p ti ft h e r ei sa n yv a r i a t i o no ft h ew i r e l e s sc h a n n e l i i 东北大学硕士学位论丈a b s t r a c t c o n d i t i o n 。s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e c o n ds c h e m eo u t p e r f o r m st h ef i r s to n ei n t e r m so f t h ea v e r a g es y s t e mt h r o u g h p u t ，a n do b v i o u s l yt h e yc a l la c h i e v et h eb e t t e rt h r o u g h p u t p e r f o r m a n c et h a nt h ef i x e dp e rt h r e s h o l ds c h e m e 。i ts h a l lb en o t e dt h a tt h ea l g o r i t h m sc a nb e e x t e n d e di n t oo t h e rw l a ns y s t e ma l t h o u g ht h e ya r es t u d i e di ni e e e 8 0 211as y s t e m 。 k e yw o r d s ：w l a n ( w i r e l c s sl a n ) ；p e r ( p a c k e te r r o rr a t e ) ；l a r l i n ka d a p t a t i o n 、 独创性声明 本人声明，所呈交的学位沦文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，小包含其他人己经发表或撰写过的研 究成果，也不包括本人为获得其他学位而使，e j 过的材料。与我同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作厂明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 日期：扎) 辊揣f 长 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校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i 司意东北大学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、交流。 ( 如作者和导师不i j 意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：签字【期 第一章无线网络的发展过程 第一章无线网络的发展过程 无线网络的起源可以追溯到第二次世界大战，当时美军陆军使用无线信号来传送资 料，而这种无线信号的传递是通过可靠性非常高的加密技术而实现的。1 9 7 1 年，夏成 夷大学开发了第个基于封包式技术的无线f u 通讯网络a l o h n e t ，这就是最早的无线 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 ) 。经过十多年的发展，现代的 w l a n 已经相当普及。目前w l a n 的技术标准主要有i e e e 8 0 2 1 1 家旅、h o m e r f 、 b l u e t o o t h 、l r d a 四种。 无线局域网的概念是相对于传统意义上的有线局域网r l a n ) 而言的。有线局域网就 是我们目前常见的采用电缆、光纤和双绞线作为数据传输介质的网络。有线局域网无法 实现移动的网络通信，在某些情况下还存在着布线烦琐、线路容易损坏、地形要求高、 安装复杂等缺点。无线局域网是利用电磁波在字气中发送和接收数据，而无需线缆介质 就可实现计算机之f 刚瓦联的网络。它是在有线局域网基础上发展起来的，不仅是有线局 域网的补充，且其运用范围广泛，不但能够替代传统的物理布线，而且在传统布线无法 解决的环境或行业，都能够方便地组建无线网络。 无线局域网的优点。多年来，人们一直努力追求以廉价的基础设施成本，提供高效 率、商质量、低消耗和方便快捷的服务。无线网络的产生与不断发展f 是基于这些要 求。他的可移动性、低成本和在特殊环境的、t 剧表现出有限网络无法比拟的优越性。 ( 1 ) 可移动性。互联网的可移动性为用户提供了方便快捷的服务，丰要表现在以。f 方面： ( a ) 网内任一用户在一定地域范围内改变其工作地点时，随身携带他的终端 或计算机到一个新的地方，1 i 用考虑和网络的连接问题。 ( b ) 用户在一定地域范围内，可以在移动物体上操作他的终端或计算机，在 一定速度的行进中保持与网络的连接与通信。 ( c ) 整个网络需要从一个地域搬到一个新的地域时，尽量将它的全部用户终 端或计算机搬到新地域内的所需何置即可，无须考虑重新结网。 ( 2 ) 低成本性：尽管目前无线联网所需设备( 无线删苦、无线h u b 或无线访问点 a p ) 的成本比同指标的有线联网设备还高一些，但就总的建| ：i ；寸成本来说，无线联 网比有线联网要低，而日在逐年降低。主要表现在： ( a ) 不需要有线介质( 双绞线、同轴电缆、光纤等) 。 ( b ) 不需要通信线j 【! 各铺改中的其他辅助殴备( 架空线卡t 、地r 管道) 费用。 第一章无线网络的发展过程 ( c ) 小需要线路铺设的施i ( 架杆、挖沟、穿线等) 费用。 似1 不需要线路及线路设施的维护费用等。 ( 3 ) 特殊环境应用：有些网络应用是在某种特殊坷：境f ，使用有线联网几乎不可能，有 时即使可能也要为之f 、j 出昂贵的代价，这”! 环境包括： ( a ) 在经常流动( 改变工作地域) 的企事、币位或军事作战现场，使用有线联网 显然不便。即使网络中有个别需要经常流动的用户也是如此。 m ) 网络节点问有海洋、湖泊、或严重步线障碍的场合，有线联网异常困难并导 致键网投资过 二巨大。 ( c ) 建筑物屋内的网络铺设难免造成对建筑物的破坏，这在一些特殊情况f 也是 不能轻易容许的。像在一些历史古建筑内的键网，尤其考虑有线施工中对建筑物的可能 破坏。 无线联网除以上所述在町移动性、低成本性、与特殊环境应用这些重大优越性之 外，在增加线路可靠性、缩短布线时问及节省线路维护费用等方面也有明显的好处。 i e e e 8 0 21 1 协议族标准的制定，为无线局域网的发展提供了更加广一阔的空问。 自从1 9 9 7 年以来，i e e e 相继推出了8 0 21 1 【”i 、8 0 2 1 t b f 3 ”、8 0 2 1 l a ”、8 0 2 1 1 9 d 等 种标准。i e e e 8 0 2 1 1 协议标准规定了无线局域网的m a c 层和p h y 层，其中的m a c 层 标准是其它标准的基础，其后推出的协议在m a c 屡上的定义与8 0 21 1 协议相同。 8 0 21 1 规定的p h y 层支持1 m b p s 和2 m b p s 的数据速率，能支持直接序列扩频 ( 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 ) 、跳频序列扩频( f h s s ：f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 和扩散红外线( d f i r ：d i f f u s e di n f r a r e d ) 等物理层； i e e e 8 0 2 1 l b 的物理层采用的调制办式足补码键控( c c k ：c o m p l e m e n t a r yc o d e k e y i n g ) ，它可以支持最高1 1 m b p s 的数据速率，运行在24 g h z 的1 s m ( 1 n d u s t r i a l ， s c i e n t i f i c ，m e d i c a l ) 撷段上，并可以很好的与支持1 m b p s 和2 m b p s 的d s s s 无缝兼容； i e e e 8 0 21l a 协议标准运行在5 g h z 的u n l l ( u n l i c e n s e dn a t i o ni n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e l 频段上，支持的速率为6 5 4 m b p s ，采川的调制技术是支持高速速率的正交频分复用 ( o f d m ) 技术：i e e e 8 0 2 1 1 9 协议标准融和了i e e e 8 0 2 1 l b 与i e e e s 0 21 1 a 的标准， 运行r i 2 4 g h z 的i s m 频段r ，有效的向下兼容i e e e 8 0 21 l b 的产品，支持的数据速；簪 为6 5 4 m b p s 。从i e e e 对无线局域网标准的制定中我们可以看 忆为，满足宽带多媒 体通信的需要，每利t 胁、泌标准都支持多种高速的数据速率。f m 众所周知，无线信逆存在 着复杂的电磁干扰、小尺度衰落( 如多普恸扩展和多径引起的快衰落) ，信道质量状况 时刻会发q t 变化，如果采用某一同定的物理层模式，将导致网络各吐量的损失。凼此， 第一苹无线同络的发展过程 有必要采用种链路自适应( l a ，l i n ka d a p t a t i o n ) 的策略，在最人吞吐量准则下，根 据则链蹈质莆( 如接收信号强度、接收端的s n r 或信十比c 1 r 、接收信号的包错误牢 等) 的估计，白适应地调整物婵层传输模式，以逼近实时优化。 按照最优化的取得系统某种性能的原则，链路白适应算法可以分为两种p j ：种是 面向延送的算法，即为了避免频繁的重传而使包错误概率保持在个给定的门限值以 f ；另种为而向系统吞吐量的算法，要求在一定时叫内正确传输的数据最大，即系统 的吞叶量最人，而不考虑重传次数的多少。本文的大多数理论分析与结论都是基于而向 吞吐量的算法。 本论文主要部分的结构如下：首先，使用符合i e e e 8 0 21 l a 标准的收发模块来得到 其系统物理层的一些性能，此模块是由m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 工具箱开发的。通过 对数值仿真结果的进一步分析，我们可以看到任一定信道质量下，各种物理层传输模式 所产生的b e r 、p e r 不尽相同，进而将影响系统吞吐量的大小。因此，为了获得系统 晟大的吞吐量性能，有必要采用相应的链路自适应算法。接着，在对大量链路白适应算 法分析研究的基础上，本论文采用了基于p e r 测量的算法作为选择物理层模式的依 据，并给出了一种不同于固定p e r 门限值的优化门限值方案( 即每种物理层传输模式 采用不同的p e r 门限值作为判决条件) 。仿真结果表明，优化门限值的链路自适应方 案在太部分情况下取得的系统吞吐量性能都将大丁固定门限值，并且得到的吞吐量也将 是理论i j 的最大值。但是，由于前面分析得到的系统吞吐量足一种理想情况下的近似， 在实际情况巾无法得到，所以它并不是验证链路白适应算法优劣的最好标准。因此，论 文又给h l 了一种分析i e e e 8 0 2 1 1 a d c f , f j t q 下的系统吞吐量的普遍方法( 即研究在考虑 了m a c 层防议、m a c 层和p h y 层的丌销、重传次数等等的影响之后，系统所能达到 的平均吞吐量) ，此方法的分析过程分为两种情况：一种是简单的假设信道质量在整个 m s d u ( m a cs e r v i c e d a t a u n i t ，m a c 层服务数据乖元) 传输( 包括重传) 时间段内不 变，并且在此期问物理层传输模式也不需要改变的情况；一种是更加符合实际的、依据 信道质量的变化而为每一次重传选择最佳物理层传输模式的情况。接下来，本论文将提 出的优化p e r 门限值方案应刚于第种情况，并根据筇二种情况的特点给出了一个可 变的p e r 门限值方案。最后，列这j l k q 链路白适应办案的数值仿真表明，优化p e r 门 限值的链路自适应算法取得了比到定门限值大的系统平均吞吐量，面日可变的p e r 门 限值办案所取得的系统性能，出于其具有更加符合实际信道变化的特点，将优于存第一 种情况l 、使用的优化p e r 门限值方案。 第二章i e e e 80 2 1 1 无线局域网简介 第二章i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网简介 1 9 9 7 年完成并公布的i e e e 8 0 2 11 标准是最早的无线局域网标准，是无线网络技术 发展的一个罩胛碑，电是迄今为止唯一已经赢得了, i s 场的一个标准。无线局域刚以其可 移动性、使用灵活、维护方便、易于扩展和良好的性价比，任何l a n 应用，州络系统 或坼议( 包括t c p i p 和n o v e l ln e t w a r e ) 遵守i e e e 8 0 21 1 标准的无线l a n 上运行【i 寸， 就像它们运行在以太网上样容易。无线局域网近年来取得r 巨火的发展。基丁8 0 2 1 1 标准的产晶i k 已占据了巨大的市场份额。 2 1 无线局域网的组网 i e e e 8 0 2 1 1 定义了两种无线组刚结构6 胴：基础结构网络( 有接入点a p ( a c c e s s p o i n t ) 网络) 和无中心网络( a dh o c 网络) 。组成无线局域网的设备主要包括：无线| i ：5 i 卡、无线访问接入点、无线集线器( h u b ) 和无线网桥。几乎所有的无线网络产品丰1 都自带无线发射接收功能，且通常是机多用。这些无线网络产品的多种使用方法可 以组合出适合各种情况的无线联网设汁，可以方便地解决许多以线缆方式难以联网的用 广需求。 2 11 基础结构网络 在基础结构网络中，无线终端通过无线接入点a p 与有线骨干网相连( 如斟 21 ) 。无线接入点a p ，用= 二在无线终端和有线网络之间接收、缓存和转发数据。无线 a p 通常能够覆盖几 | 至儿百用户，覆盖半径达上百米。 图2 1 基础结构网络 f i g21b a s es t r u c t u r en e t w o r k 东北大学硕士学位论文第二章i e e e 80 21 1 无线局域网简介 每个基础结构网络中接入点a p 所控制的所有的s t a ( 移动站) 称为b s s ( b a s i c s e r v i c es e t 基木业务集) ，组b s s 经由d s ( 分伟式系统) 连接，从而创建了e s s ( 扩 展、i p 务集) ( 如图2 2 ) ，这里的d s 是指吲定( 或有线) 的基础结构。i e e e 8 0 21 1 无 线局域网的基本体系结构主要由a p 、b s s 、d s 等组成。 ， bss 1 ll 、 2 l2a d h o c 网络 图22e s s 网络结构 f i g22e s sn e t w o r ks t r u c t u r e ss a dh o c 网络又称为无中心网络( 无a p 网络) 或对等网络，它覆盖的服务区称为独立 基本服务区i 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 ) 。对等网络用于一台无线工作站( s t a ， s t a t i o n ) 和另一台或多台其他无线工作站的直接通讯( 如图2 3 ) 。 蚓23a d h o c 网络 l ? 1 9 2 3a dh o cn e t w o r k s 东北大学硕士学位论文第二辛1e e e 8 0 2 1 l 无线局域网简介 a dh o c 网络组刚灵活，任何时问，只要两个或更多的无线接口互相都在彼此的范围 之内，它们就可以建市一个独立的嘲络。这些根据要求建市起来的典型网络在管理和预 先调协方面没有任何要求。 a dh o c 网络中的一个节点必须能同时”看”到网络中的其他节点，否则就认为网络中 断，凼此对等网络只能用于少数用户的组网环境，比如4 龟8 个用户，并且他们离得足 够近。 2 2i e e e 8 0 2 11 协议 2 2 1i e e e 8 0 211 协议实体 1 9 9 7 年完成的i e e e 8 0 2 1 1 是最早的无线局域网标准，也是迄今为止唯一已经赢得 市场的一个标准。它定义了w l a n 的物理( p h y ) 层和媒质接入控制( m a c ： m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层。图2 4 给出的是完整的i e e e 8 0 21 1 标准的协议实体。其中 的m a c 层分为m a c 予层和m a c 管理子层，m a c 子层主要负责访问机制的实现和分 组的拆分和重组。m a c 管理子层主要负责e s s 漫游管理、电源管理，还有登记过程中 的关联、去关联以及要求关联等等过程的管理。8 0 2 1 1 的物理层分成三个子层：物理层 会聚协议子层( p l c p ) 、物理介质相关协议子层( p m d ) 和物理层管理子层。p l c p 子层主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应格式的分组；p m d 子层用 于识别相关介质传输的信号所使用的调制和编码技术；物理层管理子层为不同的物理层 进行信道选择和调协。 l l c 数据链路层 m a ci d a c 管理子层 p i ，c p 物理层 p ey 管理子层 p m d 凹2 4 完整的i e e e 8 0 21 1 怫议实体 f i g2 4w h o l ei e e e 8 0 211p r o t o c o ls y e t e m 东北大学硕士学位沧文第= 辛 e e e 8 0 2 11 无线局域网简介 222i e e e 8 0 2 m a c 子层 1 e e e 8 0 21 lm a c 层标准是其他8 0 2 1 1m 议的基础，其后发展的标准具有与8 0 2 1 1 m a c 层相同的规定，只是在物理层上所采用的传输方式不同。1 e e e 8 0 21 1 无线局域刚 中的所有站( 匿| 定站、! l 移动站和移动站) 和无线访问点( a p ) 都需提供媒体访问控 制( m a c ) 予层服务。m a c 子层服务主要是指同逻辑链路控制( l l c ) 子层在m a c 服务访问点( s a p ) 之间交换m a c 服务数据单元( m s d u ) 的过程与能力。m a c 层的 所有任务都是在m a c 子层和m a c 管理子层之间进行分配。m a c 子层的主要任务是定 义访问机制和m a c 帧格式。 i e e e 8 0 2 1 1 标准采用带有碰撞避免功能的载波侦听多址接入( c s m a c a ) 媒体访 问控制协议。该访问机制与i e e e 8 0 23 使用的访问机制类似。c s m a c a 是一种先听后 说的( l b t ) 的机制。在这类访问机制中，s t a 在开始新的发送前必须首先监听媒介。 如果媒介上已有信息正在传输，则该s t a 将不会发送本地信息。此即载波多址访问部 分( c s m a ) ，是在物理层( p h y ) 提供的物理载波检测基础上实现的。但是可能会监 听媒介s t a 已经开始了它的发送，但实际上媒介上还有其他信息在传送，这样就会产 生碰幢。碰幢将导致发送中断，甚至使得近几次发送内容不能正确接收。 因为无线设备不能同时发送和接收，所以i e e e 8 0 21 l 使用碰幢凹避策略，而不是 8 0 2 3 的使用的碰幢检测，在个w l a n 中，不是所有的无线设备都能够直接通信。因 此i e e e 8 0 21 l 采用网络分配矢量( n a v ) 。n a v 是表示媒介空闲剩余时间的值。每个 s t a 的n a v 都是从媒介传输的桢里取出时间长度值来保持最新值。s t a 则通过检查 n a v 决定是否发送。有可能n a v 表示媒介忙，而物理载波检测却显示媒介空闲，这时 s t a 不能发送。因此，n a v 也被称为虚拟载波检测。通过物理载波和虚拟载波检测策 略的结合，m a c 得以实现c s m a c a 的碰幢避免机制。 采用c s m a c a 协议进行访问时，只要m a c 层有分组需要发送时，就会利用物理 和虚拟载波侦听机制监听信道是否卒闲。如果信道空闲，那么终端将等待d i f s ( d i s t r i b u t e di n t e r f r a m es p a c ed c f 帧内间隔) 后5 1 ：始发送数据；l 叮当信道忙时，m a c 层将利用随机退让时问控制机制，即产牛一个随机数作为退让时间进行等待。在分纠发 送和相荚的d w s 期间，信道的争用停止，但对信道的侦听仍在继续着。一旦信道可以 使用，所有需要发送数据的终端在消耗完它们的退让时间后都试图进行数据发送，这就 开始一个竞争窗口。竞争的结果足第一个用完退让等待州f n j 的终端先开始发送。其它 终端侦w i 到新的传输后，让它们的时钟都停【f 运行，等到本次的传输完成后在新的竞争 周期啭重新肩动。下图为c s m a c a 的摹本工作原理。 东北大学硕士学位论文第二章ie e e 80 2 1 1 无线局域网简介 幽2 5i e e e 8 0 21 1 中采川的c s m a c a 摹本l 作原理 f i g2 5i e e e 8 0 2l1c s m a c ab a s ep r i n c i p l e 无线网络中个特有的m a c 层问题就是“隐藏节点”问题，即位于同一个接入点的相 反方向的砖个移动站都能够临测到来自接入点的活动，但是由于距离或障碍物的原凶，它 们不能监测彼此间的活动。为了解决这个问题，8 0 2 1 1 在m a c 层规定了一种r t s c t s 的信道访问机制。准备发送的终端先发送一个2 0 个字节艮度的r t s ( 请求发送) 帧， r t s 帧的内容包括源地址、目的地址和要发送的数据段的长度。目的终端在收到r t s 帧后经过一个s i f s ( s h o r ti n t e rf r a m es p a c i n g 短帧内间隔) 周期后发送一个c t s ( 清除发 送) 帧作为响应。源终端收到目的终端的响应帧后再等待个s i f s 周期就开始发送数 据。日的终端收到数据后经过一个s i f s 周期后再发送一个a c k 帧进行确认。网络中其 它的终端发现r t s c t s 的地址与它们无关时，就会在它们r t s c t s 识别的通信周期内 继续保持对信道的侦听，所以源终端的分组的发送过程是没有竞争的。下图所示的为 r t s c t s 机制的具体实玑过程。 止鼍 自l 万网 咕点如db b l ot 旺s 岛点 n a v ( s )l | | 眦。f | n a v ( c t s ) l 推避访月 祧讨舟后避删 幽2 6i e e e 8 0 21 1 中采川的r t s c t s 基本r 作原理 f i g2 6i e e e 8 0 21 1r t s c t sb a s ep r i n c i p l e 东北大学硕士学位论文 第= 章ie e e 8 0 2 1 l 无线局域网简介 2 23i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 帧结构 下图为i e e e 8 0 2 1 1 m a c 帧的般格式，它以i 随控制字段( f r a m e c o n t r 0 1 ) 丌始，浚字 段载有该帧的一! 特征信息。d u r a t i o n i d 字段是表示f 一个要发送的帧可能要持续的 时间的相关信息。i e e e 8 0 2 1 1 m a c 帧格式中有四个地址字段，分别表示源地址、目标 地址和标示所连接的a p 。序列控制( s e q u e n c ec o n t r 0 1 ) 字段是为了控制帧的序列i m 给 帧进行编号时使用的。i e e e 8 0 2 1 1 m a c 帧的长度范围是0 2 3 1 2 个字节，并采用了四 个字节的c r c 来保护m a c 层的信息。 0 c t e t s ：2266620 2 3 1 24 _ 弋丽1 磊石_ 图27 一般的1 e e e 8 0 2 1 1 的m a c 帧结构 f i g27g e n e r a li e e e 8 0 2 1 1m a c f r a m es t m c m r e 2 24m a c 管理子层 m a c 管理子层的功能主要是定义e s s 中实现漫游的支持方式、电源管理和安全， 并负责在站和a p 之间进行通信的初始化等。一般的m a c 管理帧格式如下图所示。d a 就是本帧的目的地址。s a 就是发送本帧的站点的地址。b s s i d 是基本服务集识别码。 匿丑盈工 臣1 至亟耍匿回 l 璺| 28 一般的1 e e e 8 0 2 1 1 的m a c 管理i 帧结构 f i g 2 8g e n e r a li e e e 8 0 21 1m a cm a n a g e m e n tf r a m es t r u c t u r e 2 2 5i e e e 8 0 2 11 物理层 i e e e 8 0 2 1 1 的物理层支持l m b p s 和2 m b p s 的数据速率，建议了三种实现方式，分 别是支持直接序列扩频( 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 ) 、跳频序列扩频 ( 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 ) 和扩散红外线( d f i r ：d i f f u s e d i n f r a r e d ) 等物理层。 ( 1 ) 直接序列扩频物理层： 直接序列扩频( d s s s ) 物理层规定了两种不同进制的差分相移键控调制力式 以及要求的数扼传输速率。利用差分四进制相移键控( d q p s k ) 调制方式，数据传输 速率2 m b s 。利用差分进制相移键控( d b p s k ) 调制方式，数据传输速率1 m b s 东北大学硕士学位论丈第= 章i e e e 8 0 211 无线局域网简介 ( 2 ) 跳频扩频( f h s s ) 物理层： 跳频扩频( f h s s ) 物理层与直接序列扩频( d s s s ) 物理层相比，有低成本、低功 率消耗、强抗信号十扰能力的优点。i e e e 8 0 21 1 的跳频方式利用无线电从一个频率跳 到另外一个频率来发送数据信号，在移动到一个不同的频率之前，在每个频率上传输若 干位数据信息。 跳频系统的输出载频以一种随机的方式跳跃。跳频系统的实施会逐渐便宜而且不像 直接序列那样消耗太多的频率资源，所以更加适用于移动式应用。 ( 3 ) 红外线( i r ) 物理层： 红外线( i r ) 物理层描述了一种在8 5 0 到9 5 0 n m 波段运行的调制类型，用于小型 设各和低速率连接的数据传输应用。这种红外线介质的基本数据数率是利用十六进制脉 冲位置调制( 1 6 p p m ) 的i m b s 和利用四进制脉冲位置调制( 4 p p m ) 的2 m b s 的增 强速度。基于红外线设备的峰值功率被限定为2 w 。 i e e e 8 0 2 1 1 标准规定的物理层协议可以分为一般物理层管理和物理会聚过程、物 理媒体依赖两个子层。m a c 子层和物理会聚( p l c p ) 子层通过物理层服务访问点 ( s a p ) 利用原语进行通信。m a c 发出指示后，p l c p 就开始准备需要传输的媒体协议 数据单元( m p d u ) 物理层中的p l c p 子层将从m a c 层传来的协议数据单元( m p d u ) ，加上起始符 号( p r e a m b l e ) 、头( h e a d e r ) 即打包变成p l c p 协议数据单元( p p d u ) ( 如图9 所 示) ，再经p m d 予层传出去。 2 3i e e e 8 0 2 1 1 b 协议标准 f m a c 帧 图2 9i e e e 8 0 21 l 的p l c p 帧格式 f i g29i e e e 8 0 21 1p l c pf r a m es t r u c t u r e 1 9 9 9 年9 月j ：通过的i e e e s 0 2 1l b 标准是i e e e 8 0 211 协议标准的扩展。它运行 在2 4 g h z 的 s m ( 1 n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，m e d i c a l ) 频段上，并可以支持最高l l m b p s 的数 据速率，采用的调制技术是补码键控( c c k ：c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ) ，且口j 以很好 的与支持1 m b p s 和2 m b p s 的d s s s 无缝兼容。其中的关碰技术一c c k ，是软扩频的典 东北大学硕士学位论文 第二章i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网简介 型应用。在8 0 21 l b 中，为实现商达1 l m b p s 的传输速率，同时为了与该洳泌中1 m b p s 和2 m b p s 的直序列b a r k e r 码扩频兼容，统采用了1 1 m c p s 的p n 码速率、相同的频谱 包络和相同的报头报尾结构。这就要求c c k 训制能实现调制前后相同长度的码元上载 有相同的信息量。因此将输入的数据8 个为一组，映射成为8 位q p s k 复数符号。并行 的8 位数据中的6 位决定8 位的复数补码序列( 6 4 选1 ) ，余下的2 个比特确定码字的 初始相位，这样就在1 1 m c p s 的速率f ，达到1 1 m b p s 的速率( 图2 1 0 ) 。 数据输 l l m b d 图21 0i e e e 8 0 2 t l b 中的c c k 调制原理 f i g 2 t oi e e e 8 0 21l bc c k m o d u l a t et h e o r y 但是随着用户不断增长的对数据速率的要求，c c k 调制方式就不再是一种合适的 方法了。因为对于直接序列扩频技术来说，为了取碍较高的数据速率，并达到扩频的目 的，选取的码片速率就要更高，这对于现有的码片来浣比较困难；对于接收端的r a k e 接收机来说，在高速数据速率的情况下，为了达到良好的时问分集效果，要求r a k e 接收机有更复杂的结构，在硬件上不易实现。 2 4i e e e 8 0 2 1 1 a 协议标准 几乎与i e e e 8 0 2 1 1 b 同时通过的i e e e 8 0 2 1 l a 洳议标准具有与其相同的m a c 层标 准，只是在物理层上的规定有所不同。i e e e 8 0 21 l a 运行在5 g