（通信与信息系统专业论文）ieee80211n+mac层动态聚合帧长机制研究.pdf

摘要 摘要 随着科技的飞速发展，计算机技术和无线通信技术也越来越成熟。无线网络 开始越来越广泛的应用在人们的日常生活中。与传统的有线网络相比，因为没有 了网线的限制，无线网络更加灵活，便捷，在无线信号覆盖区域内的任意位置都 能够接入网络，无线网络的安装、规划和调整更加方便，可扩展性也得到了很大 的提升。但是，无线网络的传输速率一直受到信道质量状况的影响，本文的主要 研究目的就是减少信道质量变化状况对数据传输数率的影响。 i e e e8 0 2 1 l n 标准从提出到最终定稿共提出了9 份草案，历时7 年。在此期间， 产生了许多对8 0 2 1 1 n 的研究，但是大多集中在物理层，对8 0 2 1 i nm a c 层的研 究相对较少。本文对8 0 2 1 1 n 协议的m a c 层技术进行了详细的分析，在原8 0 2 1 l n 协议中固定帧长的帧聚合技术的基础上，提出了基于分级的动态最大聚合帧长机 制，此机制是根据当前链路状态的不同，动态调整最大聚合帧的长度，以提升网 络在信道误比特率发生变化的情况下的吞吐量，提高系统效率。 基于信道状态分级的动态聚合帧长机制，首先是根据误比特率对信道状态分 级，每级对应一定的帧长度，利用当前信道的分组丢失率来表征当前的误比特率； 当信道的误比特率不变时，此时与原协议相同；当误比特率上升达到了一定程度 时，信道级别下降，对应的最大聚合帧的长度随之减小；反之，当误比特率下降 达到了一定程度时，信道级别上升，对应的最大聚合帧的长度随之增加。 最后使用网络仿真软件对使用基于信道状况分级的动态最大聚合帧长机制的 8 0 2 1 1 n 协议和原8 0 2 1 1 n 协议在不同的场景下进行比较分析。仿真结果表明，与 原协议相比较，新协议通过动态的改变聚合帧的长度，优化了原协议，在信道误 比特率变化时，与原协议的固定聚合帧长相比，动态最大聚合帧长机制可以有效 提升网络吞吐量。在信道质量变得很差时，动态最大聚合帧长机制使得系统仍然 有着较小的丢包率，吞吐量与原协议相比也有着较大的提升。 关键词：8 0 2 1 l n ，m a c 层，帧聚合，动态聚合帧长 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r em o r em a t u r e w i r e l e s sn e t w o r k sh a sb e c o m e m o r ew i d e l yu s e di np e o p l e sd a i l yl i f e f o rt h a tt h e r ei sn oc a b l er e s t r i c t i o n s 。w i r e l e s s n e t w o r k sa lem o r ef l e x i b l ea n dc o n v e n i e n tt h a nt r a d i t i o n a ln e t w o r k w ec a r la c c e s st h e n e t w o r ka n yp l a c ew h e r et h ew i r e l e s ss i g n a lc o v e r a g e w i r e l e s sn e t w o r ki n s t a l l a t i o n , p l a n n i n ga n da d j u s t m e n tm o r ec o n v e n i e n t ，a n dt h es c a l a b i l i t yh a sa l s ob e e ng r e a t l y i m p r o v e d h o w e v e r , t h et r a n s m i s s i o nr a t eo fw i r e l e s sn e t w o r ku n d e rt h ei i l n u e n c eo f c h a n n e lq u a l i t y t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st or e d u c et h ec h a n n e lq u a l i t yc h a n g e s i nt h en u m b e ro fc o n d i t i o n so nt h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t e f r o mt h ep r o p o s e ds t a n d a r dt ot h ef i n a l i z a t i o n ，i e e e 8 0 2 1in h a s9d r a f ta n dl a s t7 y e a r s d u r i n gt h i sp e r i o d ，g e n e r a t e dl o t so fr e s e a r c ho 1t h e8 0 2 1i n b u tm o s t c o n c e n t r a t e di nt h ep h y s i c a ll a y e r , o n l yal i r l ea b o u tt h em a c l a y e r ih a v ead e t a i l e d a n a l y s i so ft h e8 0 2 1 l nm a cl a y e r b a s i co nt h ef i x e da g g r e g a t e df r a m el e n g t ho f 8 0 2 1ln ，p r o p o s e dm e c h a n i s mo ft h ev a r i a b l e g r e a t e s ta g g r e g a t i o nf r a m el e n g t h t h e m e c h a n i s mi sd y n a m i ca d j u s tt h el e n g t ho ft h ea g g r e g a t i o nf r a m ef o rd i f f e r e n tc h a n n e l s t a t u s t oi n c r e a s et h et h r o u g h p u ta n di m p r o v es y s t e me f f i c i e n c y , w h i c hn e t w o r kb i t e r r o rr a t eh a sb e e nc h a n g e d t h ev a r i a b l e a g g r e g a t i o nf r a m el e n g t hm e c h a n i s mb a s e do nc h a n n e ls t a t e c l a s s i f i c a t i o n f i r s ti sc h a n n e ls t a t ec l a s s i f i c a t i o nb a s e do nb i te r r o rr a t e ，e a c hl e v e l c o r r e s p o n d st oa c e r t a i nf r a m el e n g t h ，u s et h ec u r r e n tc h a n n e la n dt h ep a c k e tl o s st o c h a r a c t e r i z et h ec u r r e n te r r o rr a t e w h e nt h ec h a r m e lb i te r r o rr a t ei sc o n s t a n t i ti sm e s a m ea st h e8 0 2 1l n ；w h e nt h ee r r o rr a t ei n c r e a s e dt oac e r t a i ne x t e n t ，c h a n n e l 1 e v e l d r o p ，c o r r e s p o n d i n gt od e c r e a s e st h el e n g t ho fa g g r e g m i o nf r a m e ；w h e nt h ee r r o rk 吐e d o w nt oac e r t a i ne x t e n t ，c h a n n e l - l e v e lr i s e ，c o r r e s p o n d i n gt oi n c r e a s e dt h el e n g t ho f a g g r e g a t i o nf r a m e f i n a l l yu s et h en e t w o r ks i m u l m i o ns o f t w a r ea n a l y s i st h ev a r i a b l ea g g r e g a t i o n f r a m el e n g t hm e c h a n i s mb a s e d0 1 1c h a n n e ls t a t ec l a s s i f i c a t i o na n d8 0 2 1i ni nd i 疵r e n t s c e n e s t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a t c o m p a r e dw i t ht h e 8 0 2 1i n , i th a s a b s t r a c t o p t i m i z a t i o no ft h eo r i g i n a lp r o t o c o lb yd y n a m i c a l l yc h a n g i n gt h el e n g t ho f t h ef r a m e a g g r e g a t i o n c o m p a r e 埘mt h ef i x e da g g r e g a t i o nf r a m el e n g t h ，v a r i a b l ea g g r e g a t i o n f r a m el e n g t hm e c h a n i s mc a ne f f e c t i v e l ye r d a a n c et h en e t w o r kt h r o u g h p u tw h e nt h eb e r c h a n g e s e v e nt h ec h a n n e lq u a l i t yb e c o m e sp o o r , t h ed y n a m i cm a x i m u ma g g r e g a t e f r a m el e n g t hm e c h a n i s ma l l o w st h e s y s t e ms t i l l h a sas m a l l e rp a c k e tl o s sr a t e ， t h r o u g h p u t ，a n da l s oh a sab i gp r o m o t i o nc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lp r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：8 0 2 1i n ，m a cl a y e r , f r a m ea g g r e g a t i o n ，d y n a m i ca g g r e g a t ef r a m el e n g t h i i i 图目录 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图目录 c s m 刖c a 示意图6 d c f 功能下站点退避过程”8 a - m p d u 聚合过程l0 8 0 2 1 1 nm a c 帧格式1 4 8 0 2 1 l na m p d u 参数字段- 15 a m s d u 聚合方式l7 a m s d u 格式l7 a m s d u 帧结构18 a m p d u 聚合方式18 a m p d u 格式l9 a m p d u 子帧格式19 两次聚合方式2 0 分片一聚合方式2 1 链路等级状态转换图2 3 聚合发送状态转换图2 5 节点初始化流程图3 2 链路降级流程3 3 链路升级流程3 3 目的地址为r a 的m p d u 聚合帧发送过程3 5 二级聚合流程3 6 a m s d u 聚合过程3 7 场景设置4 0 帧发送速率固定时吞吐量与负载的关系4 3 帧长度固定时吞吐量与负载的关系4 4 不同误比特率情况下的吞吐量与聚合帧长的关系4 5 误比特率从小到大变化时吞吐量的变化4 6 误比特率从大到小变化时吞吐量的变化4 7 v l i 缩略语表 i e e e 缩略语表 i i l s i t u 伧。fe 1 e c t r i c a la i l d e l e c n d m c s 美国电气和电子工程师协会 e n g i n e e r s w l a nw i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k s无线局域网 0 f d m m i m 0 m a c p s m p b a c k q o s d c f p c f o r c h 。g 。n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n 正交频分复用 m u l t i p l e x i n g m u l t i p l e h p u tm u l t i p l e o u t p u t 多输入多输出 m e d i aa c c e s sc o n t r o l介质访问控制 p o w e rs a v em u l t i u s e rp o l l功率节省多用户轮询 b l o c ka c k n o w l e d g e块确认 q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 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 分布式协调功能 p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n集中式协调功能 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 s m a c a c o l l i s i o na v o i d a n c e i s c t s r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d a m s d u a g g r e g a t e dm a c s e r v i c ed a t au n i t a m p d u a g g r e g a t e dm a c p r o t o c o ld a t au n i t v i i i 带冲突避免的载波侦听多路 访问 请求传送 允许发送 聚合的m a c 服务数据单元 聚合的m a c 协议数据单元 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 为获得电子科技大学或其它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。 签名：丑予 日期：2 d 痔占月争日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 虢里宝跏硌鸺 日期： z 口f 护年易月争日 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 1 9 8 0 年2 月i e e e ( 美国电气和电子工程师协会) 成立8 0 2 委员会，主要任务 是开发局域网标准。该委员会制定了一系列的局域网标准，通常称为i e e e 8 0 2 标 准。在局域网领域作为全球公认的领导者，i e e e8 0 2 下属的多个工作组所制定的 局域网标准在应用领域内得到了广泛的应用。这个局域网标准系列包括：8 0 2 2 逻 辑链路控制、8 0 2 3 c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t ，载波 侦听多路访问冲突检测) 访问控制方法与物理层规范、8 0 2 5 令牌总线、8 0 2 5 令 牌环、8 0 2 6 城域网、8 0 2 8 光纤网、8 0 2 1 1 无线局域网、8 0 2 1 5 基于蓝牙的个域 网、8 0 2 1 6 宽带无线网络协议和8 0 2 1 7 弹性分组环等i l j 。 w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，无线局域网) 的研究开始于二十世纪七 十年代，在八十年代已有多种产品投入市场，九十年代开始了标准化进程。本世 纪以来i e e e8 0 2 1 1 标准脱颖而出，w l a n 终于展现出了大规模应用的前景。特别 是最近几年来，w l a n 的应用得到了令人瞩目的发展，人们越来越感觉到无线接 入是一种便利的手段，是有线网络十分必要的延伸【2 j 。 1 9 9 0 年i e e e 8 0 2 委员会成立了i e e e 8 0 2 1 1 工作组制定w l a n 标准。1 9 9 7 年 6 月该工作组正式颁布了i e e e8 0 2 1 1 第一个标准。1 9 9 9 年9 月，w l a n 工作组颁 布了8 0 2 1 l b 标准作为对8 0 2 1 1 协议的第一个补充，随后又陆续推出了8 0 2 1 1 a 、 8 0 2 1 l e 、8 0 2 1 1 9 等一系列的协议标准作为补充，从而进一步完善了无线局域网标 准。2 0 0 9 年9 月1 1 日，8 0 2 1 1 n 协议正式从草案被批准通过，并于2 0 0 9 年1 0 月 2 9 日颁布为正式标准。 1 2 国内外的研究现状 作为目前最新的8 0 2 1 1 标准的增补，8 0 2 1 l n 从概念的产生到最终定稿，经过 了近7 年的时间，在此期间共提出了9 份草案。由于在标准的制定过程中，有多 个组织参与制定，并分为两个阵营，使得8 0 2 1 l n 标准严重滞后于产品。与原有的 8 0 2 1 1 协议相比，8 0 2 1 1 n 协议为无线连接带来了更好的性能。w i f i 联盟认为， 电子科技大学硕士学位论文 新的8 0 2 1 l n 设备与以往传统的无线设备相比，传输量提高了五倍，传输范围翻了 一番；该标准可以将w l a n 的传输速率由8 0 2 1 l a 及8 0 2 1 1 9 所提供的5 4 m b p s 提 高到3 0 0 m b p s ，预计最高速度将能够达到6 0 0 m b p s ，全面提升了网络的吞吐量。 同时该标准还巧妙地利用了无线传输技术与天线技术，提高了无线信号传输质量， 使传输速率得到了很大的提升。与此同时，8 0 2 1 l n 还能够为以往的8 0 2 1 1 a b g 设 备提供支持p j 。 8 0 2 1 1 n 是w i f i 联盟在8 0 2 1 l a f o g 后推动的一个无线传输标准协议，最终基 于8 0 2 1 1 n 标准的产品将提供最高达6 0 0m b p s 的连接速度，并且支持最高四个 同时播放的高清视频流、音频流和数据流。8 0 2 1 l n 定义了新的高传输速率的实体， 并提出了新的物理层规范。8 0 2 1 l n 的物理层主要采用了o f d m ( o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，正交频分复用) 、m i m o ( m u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ，多输入多输出) 和智能天线等技术，在m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ， 介质访问控制) 层主要有：聚合、分割、反向传输、p s m p ( p o w e rs a v em u l t i u s e r p o l l ，功率节省多用户轮询) 、多阶段p s m p 、链路自适应、b a c k ( b l o c k a c k n o w l e d g e ，块确认) 、预约时间等技术支持1 4 。 1 3 课题研究的内容与目标 由于8 0 2 1 1 n 是一个新的标准协议，目前关于这方面的研究成果还不是很多， 并且大多局限在物理层方面。主要是针对o f d m 技术和m i m o 技术。关于m a c 层技术的研究较少，本文主要是真对8 0 2 1 l n 协议中m a c 层的帧聚合机制进行了 分析研究，并在8 0 2 1 l n 原本的静态聚合帧长的基础上提出了动态最大聚合帧长机 制。在信道中误比特率发生了较大变化时，相对于8 0 2 1 1 n 的定聚合帧长而言，动 态最大聚合帧长机制可以有效地提高信道的吞吐量。 1 4 论文内容组织 论文首先介绍了8 0 2 1 l n 协议的研究背景和研究意义，以及到目前为止国内外 的研究现状，然后简单的介绍了8 0 2 1 1 无线局域网协议成员。对8 0 2 1 l n 的m a c 层增强技术进行详细分析，将通信链路状态分级，根据分级来将聚合帧的聚合长 度进行划分，并详细介绍了分级和帧聚合的工作流程。最后通过使用网络仿真工 具来进行仿真，并对仿真结果进行了详细的分析。 2 第一章绪论 论文的具体章节安排如下： 第一章，介绍8 0 2 1 l n 协议的背景、研究意义及当前国内外的研究现状。 第二章，介绍8 0 2 1 1 协议的成员构成、使用范围，8 0 2 1 1 n 协议的特点及关键 技术。 第三章，在第二章的基础上提出了一种针对网络状况进行分级，根据链路等 级的不同，动态改变聚合帧最大帧长度的技术。 第四章，首先介绍了一种常用的网络仿真软件n s 2 ，然后介绍了基于分级的 动态最大聚合帧长协议在n s 2 中式如何实现的，接着分析了仿真的数学模型，最 后通过分析在几种不同场景下对本协议仿真所得到的结果数据，证明该协议在网 络中可以增加网络的吞吐量，提升网络的性能。 第五章，总结全文工作，指出基于分级的动态最大聚合帧长协议中存在的不 足，并对后续工作进行了一些展望。 电子科技大学硕士学位论文 第二章8 0 2 11 协议族概述 2 1i e e e 8 0 2 11 协议体系 i e e e 8 0 2 11 w l a n 标准工作组由i e e e 8 0 2 委员会于1 9 9 0 年7 月成立，负责 w l a n 标准的制定。i e e e8 0 2 1 1 在1 9 9 7 年6 月审定通过成为正式标准，该标准 定义了物理层和媒体访问控制层规范。这是i e e e 8 0 2 1 1 工作组制定的第一个 w l a n 标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入， 业务主要限于数据访问，速率最高只能达到2 m b p s 。由于它在速率和传输距离上 都不能满足人们的需要，i e e e 8 0 2 1 1 工作组开始开发后续版本，1 9 9 9 年9 月，i e e e 发布了8 0 2 1 1 b 标准，作为对8 0 2 1 l 标准的补充，之后又陆续推出了8 0 2 1 l a 、 8 0 2 1 l e 、8 0 2 1 1 9 等一系列增补，从而进一步完善了无线局域网规范。2 0 0 9 年9 月1 1 日，8 0 2 1 1 n 标准正式从草案被批准通过，并于2 0 0 9 年l o 月2 9 日颁布为正 式标准 5 】。下面简略的说明一下在8 0 2 1 1 系列协议的发展过程中的几个重要的协 议标准。 8 0 2 1 1 于1 9 9 7 年颁布，是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于 解决局域网和校园网中用户的无线接入，其业务主要限于数据存取，速率最高只 能达到2 m b s ，工作在2 4 g h z 频段和红外频段 6 1 。 8 0 2 1 1 a 于1 9 9 9 年颁布，是8 0 2 1 l b 标准的增补标准。工作在5 g h z 频段，物 理层b i t 速率可达5 4 m b s ，有效的传输速率可达2 5 m b s 。采用提高频率信道利用 率的o f d m 多载波调制技术来调制数据流，o f d m 技术的最大的优势是多径衰减 和多径展宽，因此特别适合于室内及移动环境。 8 0 2 1 l b 于1 9 9 9 年颁布，是8 0 2 1 l 原始标准的第一个实用价值高的增补标准。 工作在2 4 g h z 频段，传送速率为1 1 m b s ，比1 9 9 7 年颁布的i e e e 8 0 2 1 l 初始标准 快了5 倍，扩大了无线局域网的应用领域。8 0 2 1 l b 对无线局域网最大的贡献是可 以采用多种速率传输和c c k ( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ，补码键控) 调制技术。 当站点之间的距离过长或者是信道的干扰过大，造成信噪比低于某个门限值时， 其传输速率可以从1 1m b s 自动降到5 5m b s ，甚至可以再降至直扩技术的2 m b s 及1 m b s 速率。这是因为，在不违反f c c ( 美国联邦通讯委员会) 规定的前提下， 采用跳频技术无法支持更高的速率，因此需要选择d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d 4 第二章8 0 2 11 协议族概述 s p e c t r u m ，直接序列扩频) 作为该标准的唯一有效物理层技术。i e e e8 0 2 1 l b 是所 有无线局域网标准中最著名，也是w l a n 前期应用最广泛的标准。 8 0 2 1l e 是为了满足q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，服务质量) 方面的要求而制订的 w l a n 标准。在8 0 2 1 1 m a c 层，8 0 2 1 1 e 加入了q o s 功能。分布式控制模式可以 提供稳定的合理的服务质量；而集中控制模式则可灵活的支持多种服务质量策略， 让影音传输能及时、定量、保证多媒体的顺畅应用。8 0 2 1 l e 标准定义了h c f ( 混 合协调功能) 。h c f 以新的访问方式取代了原有的d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ，分布式协调功能) 和p c f ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，集中式协调功 能) ，以便提供改善的访问带宽并且减少了高优先等级通信的延迟。这称作e d c a ( e n h a n c e dd i s t r i b u t e dc h a n n e la c c e s s ，增强分布信道接入) 的访问方式扩展了d c f 的功能，称为h c c a ( h c fc o n t r o l l e dc h a n n e la c c e s s ，h c f 受控信道接入) 的访 问方式扩展了p c f 的功能。e d c a 指定了四种访问类型，每一种类型对应一类的 数据。每一个访问类别配置了四个参数：c w m i n - 最小竞争窗口；c w m a x 最大竞 争窗口；t x o p 发送机会限制；a i f s 仲裁帧间间隔。 8 0 2 1 l g 是2 0 0 3 年7 月批准通过的物理层新标准增补，其工作频段为 2 4 g h z ( 与8 0 2 1 1 b 的相同) ，位传送速度为5 4 m b s ，有效传输速度约为2 4 7 m b s ( 与 8 0 2 1 l a 相同) 。8 0 2 1 l g 的设备与8 0 2 1 1 b 兼容，是为了提高更高的传输速率而制定 的标准，它采用2 4 g h z 频段，使用c c k 技术与8 0 2 1 l b ( w i f i ) 后向兼容，同时它 还通过采用o f d m 技术支持高达5 4 m b p s 的数据流。 在经历了近五年的草稿阶段之后，新一代w i f i 标准最终于2 0 0 9 年9 月正式 通过审批。正式标准名为i e e e8 0 2 1 l n ，或被称之为w i r e l e s sn ，新的标准为高清 视频和家庭数据中心所需的高速网络铺平了道路。基于8 0 2 1 1 n 标准的产品最终 将提供最高达6 0 0m b p s 的连接速度，并且支持最高四个同时播放的高清视频流、 音频流和数据流。此外，该标准还承诺良好的后向兼容，这意味着支持新的w i f i 标准的设备也能够为较老的无线设备提供支持。8 0 2 1 l n 标准是8 0 2 1 l g 协议的继 任者，后者提供最高5 4m b p s 的连接速度。8 0 2 1 l n 标准最重要的新增性能还包 括m i m o ，m i m o 允许多单元天线同时处理更多信息 电子科技大学硕士学位论文 2 28 0 2 11 协议关键技术研究 2 2 1c s m a c a 无线局域网在共享的无线媒介中支持多个用户同时对网络资源的使用，为了 提高网络的利用效率，减少网络中发生冲突的可能性，需要发送方在进行数据传 输之前对网络的可用性进行分析检测，以避免两个或者两个以上的网络设备同时 发送数据时产生冲突 r l 。由于无线网络与以太网不同，监测网络中是否存在冲突十 分困难。8 0 2 1 1 工作组提出了c s m a c a ( c a r d 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 na v o i d a n c e ，带冲突避免的载波侦听多路访问) 协议，并且对网络中返回 的a c k 信号的分析，以此来判断在信号的传输过程中是否发生了冲突，以避免产 生更严重的冲突。 图2 lc s m a c a 不恿图 c s m a c a 协议的工作流程是【8 】： 1 网络设备在开始发送数据前，对信道状态进行检测，如果信道中当前没有数 据传输，然后就等待一段随机长度的时间，如果此时依然没有其他设备占用信道， 该设备就送出数据。由于每个设备采用的随机时间各不相同，所以可以减少发生 冲突的机会。 2 在送出数据前，设备先发送r t s ( r e q u e s t t os e n d ，请求传送帧) 给目标端， 等待收到目标端回应c t s ( c l e a r t os e n d ，允许发送) 帧后，才开始发起传送。利 用r t s c t s 的握手机制，确保接下来传送数据时，不会发生由于隐蔽终端效应而 产生的碰撞。同时由于r t s c t s 帧都很小，让传送的无效开销变小。 6 第二章8 0 2 11 协议族概述 2 2 2r t s c t s r t s c t s 机制，是一种握手协议，主要是用来解决隐藏终端的问题【9 】。隐藏终 端是指，当基站a 向基站b 发送信息时， b 发送信息，基站c 认为信道是空闲的， 由于基站c 未检测到基站a 正在向基站 经过等待时间，基站c 也向基站b 发送 信息，但是此时基站a 正在向基站b 发送信息，故基站a 和基站c 同时将信号发 送到基站b ，引起信号冲突，最终导致发送给基站b 的信息出现丢失情况。隐藏 终端多发生在大型网络中，这将带来严重的效率损失，并且需要错误恢复机制。 为了杜绝此类事件发生带来的损失，i e e e 8 0 2 1 1 提供了r t s c t s 机制来解决此类 问题。在参数配置中使用r t s c t s 机制，同时设置传送上限字节数，一旦待传送 的数据大于此上限值时，即启动r t s c t s 握手协议。 r t s c t s 的工作流程为：首先，a 向b 发送r t s 帧，表明a 准备向b 发送 数据，b 在收到r t s 后，向所有基站发出c t s 帧，表明b 已准备就绪可以接收数 据，a 可以发送，而其余要向b 发送数据的基站不能发送；a 、b 双方在成功交换 i 玎s c t s 帧( 即完成握手) 后才开始真正的数据传输。而当a 发送完数据，b 将 所有数据接收完毕后，以广播方式向所有基站发送a c k 确认帧，然后再进入初始 环节大家又开始重新竞争。这一协议保证了多个当互不可见的发送站点同时向同 一接收站点发送信号时，实际只有收到了接收站点回应c t s 的那个站点能够进行 发送，避免了冲突发生。即使有冲突发生，也只是在发送r t s 时，这种情况下， 由于收不到接收站点的c t s 消息，大家再回头用d c f 提供的竞争机制，分配一个 随机退守定时值，等待下一次介质空闲d i f s 后竞争发送r t s ，直到成功为止i l 。 2 2 3 分布式协调功能 d c f 采用c s m a c a 协议，也即是“说前先听”的机制【1 1 】。若站点需要传送 m p d u 时将调用载波侦听机制以确定无线信道的忙闲状态。如果信道空闲就可以 启动数据发送，如果信道忙则需要推迟对信道的接入以避免对当前接入的干扰。 执行推迟接入过程要求站点持续监听信道直到空闲时间持续d i f s ( d c fi n t e r f r a m e s p a c e ，d c f 帧间间隔) ，即开始执行随机后退过程。退避时间由争用窗口的大小 随机确定：b a c k o f f f i m e = r a n d o m o ，c w x a s l o t t i m e 。若是第一次尝试传输，c w 等于最小值c 每次传输失败时，c w 值增加一倍，直到c k 。若传输成功， 则c w 重置为c i 。站点侦听到信道空闲期间，退避计时器一直减小，一旦信道 变忙，则冻结退避计时器，在下一次信道空闲时间达到d i f s 后，恢复退避计时器 7 电子科技大学硕士学位论文 计数。当退避计时器减少到o 时，站点才有权接入信道。 信道空闲时间大于d i f s ， f s 一l 争，j ”l 1 一 立即访问 p i f s d i f s 一 信道忙 s i f s f 177 h 赋 l l 一一l 7 飞一帧 一一1 推迟访问b 信道戮蒿耄嚣筹舔后退 图2 - 2d c f 功能f 站点退避过程 当两个或更多站点同时完成退避过程，则会同时向信道发送数据，这时会发 生冲突。在m a c 帧被接收方正确接收后，接收方会给发送方发送一个a c k 正面 确认m a c 帧已被正确接收，若等待a c k 超时，发送方认为传输失败，则重传该 m a c 帧，直到重传次数大于重传限制，则放弃传输该m a c 帧。 d c f 机制仅能提供尽力而为的传输服务，而多媒体应用需要保证带宽和时延 等，因此，d c f 机制不能为多媒体应用提供q o s 支持。在d c f 机制中所有的站点 具有相同的信道接入参数和信道接入优先级，不能为实时业务提供区别于数据业 务的更好的服务 1 2 】。 2 2 4 集中式协调功能 p c f 只能用于基础网络结构中。该访问方式使用一个p c ( p o i n tc o o r d i n a t o r ， 集中协调器) ，该p c 同时应该是该b s s 的访问点，其主要功能是决定当前哪一个 s t a 有权发送数据，该方式本质上是通过轮询来完成的 13 】。 p c f 采用带有优先级辅助的虚拟载波侦听机制。p c f 在信标帧中分发信息， 通过设置站点的n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ，网络分配矢量) 来获得该媒介 的控制权。另外，p c f 下的所有帧的发送可能要使用i f s ( i n t e rf r a m es p a c e ，帧间 间隙) ，这个p i f s 比通过d c f 发送数据帧的i f s 要短。使用较短的i f s 意味着， 在集中协调下的帧传输对无线介质的访问优先级要高于d c f 下多个相互交叠的 b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) 中站点对无线媒介的访问优先级。由p c f 提供的访问优 先级可以用于建立c f ( c o n t e n t i o nf r e e ，无竞争) 访问方法。p c f 控制所有的站 点的帧发送，以避免在有限时间内进行竞争，这段时间称为无竞争期( c o n t e n t i o n 8 第二章8 0 2 11 协议族概述 f r e ep e r i o d ，c f p ) 。 2 38 0 2 1 1 n 协议简介 8 0 2 1 1 n 协议采用了多种物理层技术和m a c 层技术来提高无线网络的性能。 2 3 1 聚合 在8 0 2 1 1n 协议标准中采用了a - m s d u ( a g g r e g a t e dm a cs e r v i c ed a t au n i t ， 聚合的m a c 服务数据单元) 和a m p d u ( a g g r e g a t e dm a cp r o t o c o ld a t au n i t ， 聚合的m a c 协议数据单元) 聚合帧格式，一个聚合帧中可能包含不同类型的m a c 帧，例如数据帧和控制帧等。减少了每个传输帧中的附加信息，同时也减少了所 需要a c k 帧的数目，从而降低了信道负荷，可以有效地提高网络吞吐量【1 4 1 。 a m s d u 技术就是将多个m s d u 通过一定的方式聚合到一起，并封装为一个 8 0 2 1 1 帧进行发送，一个a m s d u 帧是由若干个a m s d u 子帧组成的，每个子帧 均是由s u b f f a m e 头、一个m s d u 和0 3 字节的填充组成。这样就减少了发送每一 个帧时所需的p l c p ( p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o c e d u r e ，物理层会聚协议) 前 导、p l c p 头和8 0 2 1 1 m a c 头的开销，同时也相应的减少了应答帧的数量，提高 了报文发送的效率。 而与a m s d u 不同的是，a m p d u 聚合帧聚合的是经过8 0 2 1 1 帧封装后的 m p d u ，这里的m p d u 是指经过8 0 2 1 1 封装过的数据帧。通过发送由多个m p d u 聚合成的a m p d u 聚合帧，减少了发送每个m p d u 报文时都需要发送的报头部分， 从而提高了系统的吞吐量【l 5 1 。 9 电子科技大学硕士学位论文 b y t e s ： 6 62 0 - 2 3 0 4 2 3 2 反向传输 p s d u 图2 3a m p d u 聚合过程 反向传输是一种对传输方式的改进。在进行反向传输时，