（通信与信息系统专业论文）无线局域网mac退避算法研究.pdf

摘要 无线局域网( w l a n ) 是通过共享无线信道来实现通信的一种网 络。具有应用灵活、安装速度快、建设周期短、地理适用性强等特点， 己经广泛应用在各行各业。i e e e8 0 2 1 1 是当前最主流的无线局域网 协议。媒体访问控制层( m a c ) 是i e e e 8 0 2 1 l 协议的重要组成部分， 是分组在无线信道上发送和接收的直接控制者。m a c 协议能否高效 地利用无线信道有限的带宽资源对无线局域网的性能起决定性作用。 研究无线局域网m a c 机制，提高网络m a c 子层的服务质量，成为 学术和产业研究的热点。 i e e e8 0 2 1 1m a c 协议采用基于载波侦听冲突避免( c s m m c a ) 的分布式协调功能d c f 机制来实现它的核心功能无线介质访问 控制。然而，因为该协议对实际无线网络中的许多因素尚未考虑，所 以它的性能在动态多变的无线网络环境中出现了恶化。 退避算法是解决无线信道冲突的主要方法，退避算法的研究对提 高网络整体性能具有重要意义。本文通过模拟实现，分析比较了现有 的多种退避算法在无线局域网中的性能。研究结果表明，现有的多种 退避算法并不能有效改善b e b 造成网络吞吐量降低和公平性下降的 问题。因此，本文提出了一种基于二次曲线的高效无线局域网m a c 退避算法q i q d 。q i q d 通过分段二次曲线计算数据帧碰撞冲突后退 避时的窗口倍乘因子和数据帧成功传输后的窗口减小倍除因子，从而 能够降低碰撞概率和提高信道利用率。仿真实验表明，q i q d 能够有 效降低站点之间的碰撞概率，增加系统整体的吞吐量，同时增强站点 之间的公平性。 本文最后对所做的研究工作进行了总结，并阐述了进一步的研究 方向。 关键字：无线局域网，i e e e8 0 2 1 1 ，信道接入协议，退避算法 a b s t r a c t 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 ) i sas p e c i a ln e t w o r kw h i c h c o m m u n i c a t e st h r o u g hs h a r e dw i r e l e s sc h a n n e l s a st h ee x t e n d i b i l i t yo f w i r e dn e t w o r k ，w l a nh a sb e e nw i d e l yu s e di ne v e r yw a yo fl i f e i e e e 8 0 2 11i st h em o s ti m p o r t a n ts t a n d a r df o r 、礼a n m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ( m a c ) l a y e ri sa ni m p o r t a n tp a r to fl e e e 8 0 2 1 1p r o t o c o la n di st h ed i r e c t s e n d e ra n dr e c e i v e ro ft h ep a c k e t sf r o mt h ec h a n n e l 。h 仿e t h e rt h em a c p r o t o c o lc a ne f f i c i e n t l yu s et h ef i n i t ec h a n n e lb a n d w i d t hb e c o m e so n eo f t h ec r i t i c a lf a c t o r si na c a d e m i ca n dp r o f e s s i o n a lr e s e a r c h t h ei e e e8 0 2 1 1m _ a cl a y e r p r o t o c o la d o p t st h em e c h a n i s mo 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 ( d c f ) ，w h i c hi sb a s e do nc s m a c a ( 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 hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) t op e r f o r mi t s f u n d a m e n t a lf u n c t i o n ，w i r e l e s sm e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 h o w e v e r , t h e p e r f o r m a n c eo ft h ea b o v ep r o t o c 0 1w o u l dd e t e r i o r a t ei nm a n yc a s e s b e c a u s ei th a sn o tt a k e nm a n yf a c t o r so fr e a lw i r e l e s se n v i r o n m e n t si n t o a c c o u n t s t h e s eo p e na n dk e yp r o b l e m sm o t i v a t e du st oc o n d u c ta c o m p r e h e n s i v es t u d yi nt h i sd i s s e r t a t i o n m a cb a c k o f j fa l g o r i t h mi sv e r yi m p o r t a n tf o rr e d u c i n gt h ec o l l i s i o n p r o b a b i l i t ya n di m p r o v i n gt h et h r o u g h p u to ft h en e t w o r k w es i m u l a t e f o u rd i f f e r e n tb a c k o 行a l g o r i t h m si n 亿a n b a s e do nt h e s er e s u l t s a n e f f i c i e n tm a cb a c k o f fa l g o r i t h m ，n a m e dq i q d ( q u a d r a t i ci n c r e a s e ， q u a d r a t i cd e c r e a s e ) h a sb e e np r o p o s e d q i q du s ep i e c e w i s eq u a d r a t i c c u r v e st oc a l c u l a t e m u l t i p l i c a t o ro fc o n t e n d i n gw i n d o wa f t e rf r a m e c o l l i s i o na n dd i v i s o ro f c o n t e n d i n gw i n d o wa f t e rs u c c e s s f u lt r a n s m i s s i o n ， r e s p e c t i v e l y , w h i c h i s c a p a b l eo fr e d u c i n gc o l l i s i o na n di m p r o v i n g c h a n n e lu t i l i z a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tq i q d c a nr e d u c e c o l l i s i o n p r o b a b i l i t ya n di m p r o v en e t w o r kt h r o u g h p u t ；m e a n w h i l e ，i t c h a n c e st h ef a i r n e s sb e t w e e nd i f f e r e n ts t a t i o n s t h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e so u rr e s e a r c hw o r ki nt h e1 a s tc h a p t e ra n da f u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o nh a sb e e ne x p l o r e df o rf u t u r ew o r k k e yw o r d s ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，i e e e8 0 2 11 ，m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，b a c k o f fa l g o r i t h m 原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 7 i j 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：盘童导师签名：坶日期：趔砗3 月址日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着信息技术的不断发展，人们对无线通信的需求越来越强，近年来，无线 通信技术得到了飞速的发展和普及。从蜂窝移动通信技术的普及，到无线局域网 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 泸】、b l u e t o o t h1 2 1 、家庭无线网1 3 、自组网【4 1 等新技术的涌现，无线通信技术领域呈现出多种技术共存，新兴技术不断涌现的 局面。这些技术使得人与人之间的通信更加方便快捷，也使得人们的生活变得更 加丰富多彩。无线局域网以其高灵活性、紧急状况下的健壮性被广泛应用。目前， 无线局域网己被广大用户作为一般目的的网络连接来使用，很多场所如大学校 园、公司等都配置了w l a n 。w l a n 现有的标准有很多，例如i e e e 8 0 2 1 1 l l j ， b l u e t o o t h 2 ，h i p e r l a n l 5 】等，但应用最为广泛的是i e e e 8 0 2 1 l 【l j 标准。 1 1 无线局域网概述 无线局域网w l a n i i 】是一种利用无线方式，提供无线对等( 如p c 对p c ，pc 对集线器或打印机对集线器) 和点到点( 如l a n 到l a n ) 连接性的数据通信系统。 w l a n 代替了常规l a n 中使用的双绞线、同轴线路或光纤，通过电磁波传送和 接收数据。 w l a n 执行如文件传输、外设共享、w e b 浏览、电子邮件和数据库访问等 传统网络通信功能。与有线网络相比，无线局域网具有开发运营成本低，易扩展， 受自然环境、地形及灾害影响小，组网灵活快捷等优点，可实现“任何人在任何 时间，任何地点以任何方式与任何人通信”，弥补了传统有线局域网的不足。 w l a n 逐渐成为变动频繁、成长快速、突发性及不方便铺设固定网络环境中的 最佳选择方案。随着无线网络标准的制定和推行，无线局域网的产品将更加丰富， 而不同产品之间的兼容性将得到更加的完善。现在无线网络的传输率己达到和超 过了1 0 m b p s ，并且还在不断增加。无线局域网除能传输语音信息外，还能顺利 地进行图形、图像及数字影像等多种媒体的传输。随着无线通信技术的发展和对 无线局域网整体性能要求上的不断提高，无线局域网的标准也在不断发展，总的 趋势是数据速率越来越高、安全性越来越好、服务质量越来越有保证。 i e e e 8 0 2 1 1 f 1 1 已成为目前工业界普遍认可、追随和遵循的主流无线局域网协 议。一方面，i e e e8 0 2 1 1 1 1 1 通过采用最新的无线传输技术，有效提高了数据传 输的速率，i e e e8 0 2 1l b a g 分别最高达到1 l m b p s 5 4 m b p s 5 4 m b p s ，远远高于 3 g 目前所支持的2m b p s ，在一定程度上满足了人们对带宽的需求。另一方面， i e e e8 0 2 1 l 【i 】所能覆盖的范围从室内的几十米到室外的几百米，在一定程度上 硕士学位论文第一章绪论 满足了人们对移动性的渴望。尽管目前人们还不清楚未来移动i n t e m e t 的模式， 但宽带、高速和移动无疑将成为它的主题。可以预见，无线局域网必将在移动无 线互联网的发展中扮演重要的角色。 无线局域网的组网方式比较简单和灵活。主要有自组织形式( a d h o cm o d e ) 和基础设施形式( i n f r a s t r u c t u r em o d e ) 两种组网方式，如图1 1 所示。本文的研 究主要针对后者。 自组织形式的特点是：网络运行在无中心的分布对等方式下，任意两个无线 设备之间可以直接进行通信，无需接入节点( a p ：a c c e s sp o i n t ) 进行集中控制 和转发，相关的m a c 控制功能由各无线设备进行分布式的管理。具有拓扑结构 简单，维护方便，网络的健壮性和自愈性比较理想( 某一个节点的故障不会影响 整个无线网络的运行) 的特点。但是，由于工作在同一自组网内的无线设备均采 用相同的无线信道，因此这种方式更适合于无线设备较少、网络覆盖面积较小的 网络。与此相对，对于无线设备众多、网络覆盖范围广的大规模无线局域网，则 通常会采用基础设施形式( i n f r a s t r u c t u r em o d e ) 。 基础设施形式的特点是：无线设备通过接入节点接入网络，接入节点可完成 m a c 控制、信道分配、接入控制和加密认证控制等功能。这种结构具有网络管 理简单、维护费用低的优点。同时，还支持用户在相同扩展服务集( e x t e n d e d s e r v i c e ss e t ，e s s ) 内各a p 间进行漫游( r o a m i n g ) 。利用相关技术还可以实现 不同a p 间对空间和频率的复用，从而大大改善大规模无线局域网的性能和效 率。因此，尽管在健壮性和自愈性方面基础设施形式还不是十分理想，但它已成 为目前应用范围最广的大规模无线局域网的组网方式。 i e e e8 0 2 1 l i i j 标准分为两个组成部分，分别对应了o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n ) 模型中的物理层( p h y ) 和数据链路层中的m a c 子层。m a c 子 2 edo m e r uc ur csa rfn 构 m 结r 毒 拓 络网nalwl l 图 edom c oh da 、j a ，l 硕士学位论文第一章绪论 层协议用于说明如何利用共享无线信道进行m a c 层服务数据单元的传送，主要 功能包括无线介质访问控制、建立网络连接以及保障数据安全。本文仅针对m a c 协议的无线介质访问控制功能进行研究，因为它是i e e e 8 0 2 11m a c 的核心功 能，对无线局域网的整体性能起着决定性作用。 1 2 无线网络的特性 无线传输媒介的特性使得无线局域网的m a c 协议与有线网络有很大的差 别，并且更有挑战性。这些无线传输媒介的特性在于以下方面： ( 1 ) 信道特性复杂 无线网络与有线网络的本质区别在于传输信道的不同1 6 j 。相对于带宽、噪声 都比较恒定的有线信道，无线信道不仅带宽资源紧缺，噪声和干扰强烈，而且信 道状况多变。无线信道中，信号会受到自由空间传播、地面和建筑物的反射、多 普勒效应和多径等多种衰落效应的影响。无线信道这种复杂多变的特性决定了相 应网络协议的多样性。 ( 2 ) 半双工操作。与有线通信系统不同，在无线通信系统中，如果一个无 线通信节点要在发送数据的同时进行数据接收是非常困难的。因为采用半双工的 传输方式，无线节点在发送的时候无法检测到在无线信道上发生的冲突，因此以 太网中所使用的冲突检测的方式在这里是不可行的。解决办法是，所有运用在无 线网络中的m a c 协议都尝试采用冲突避免机制来降低冲突的可能。 ( 3 ) 载波检测的位置相关性。在自由空间中传输的信号强度是按照传播距 离的平方衰减的。当无线节点在进行发送时，只有在一定范围内的节点才能检测 到信道上的信息。这种与节点位置有关的载波检测引起了隐藏终端、暴露终端和 捕获效应三种情况。隐藏终端是指当一个无线节点在接收节点的检测范围内，而 不在发送节点的检测范围内就称该无线节点为发送节点的隐藏终端。暴露节点现 象与隐藏终端现象是相互对应的。暴露终端是指当一个无线节点在发送节点的检 测范围内，而不在接收节点的检测范围内，就称其为暴露终端。捕获效应是指当 同时有两个无线节点向同一个节点发送信息时，如果接收节点可以无差错地接收 其中一个无线节点发来的信息，这种情况就叫做捕获。 ( 4 ) 能量有限 无线网络中的移动节点依靠电池来提供能量，能量决定节点的生存期，从而 影响整个网络的吞吐量和公平性。能量也决定无线节点上运行的应用程序的性 能。因此，在无线网络中的路由选择要综合考虑对带宽和能量的优化，对无线网 络协议的媒介访问层和物理层设计要考虑功率管理，对于工作在移动设备上的应 用程序和操作系统要考虑能量消耗与性能之间的平衡。 3 硕士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 网络安全威胁大 与有线网络相比，无线网络存在更加严重的安全问题1 7 1 。无线信道共享的链 路环境使网络容易受到链路层的攻击，包括被动窃听和主动假冒、信息重放和信 息破坏；节点在敌方环境( 如战场) 漫游时缺乏物理保护，使网络容易受到已经 泄密的内部节点( 而不仅仅是外部节点) 的攻击；无线网络的拓扑和成员经常改 变，节点间的信任关系经常变化。在设计无线网络时，需要仔细考虑窃听、欺骗 和拒绝服务攻击等。 1 3 无线局域网的研究现状 有线网络中对连接性和业务传输的基本需求，在无线局域网中也同样需要得 到满足。无线局域网有着不同于有线网络的特点：无线信道所能提供的网络带宽 相对于有线信道要低得多，并且无线信道的质量较差，很容易受到外界噪音的影 响；无线节点能以任意可能的速度和移动模式移动，因此网络的拓扑结构会迅速 变化，从而导致可用带宽的变化，并且变化的方式和速度都难以预测；移动终端 尽管具有携带方便、轻便灵巧等特点，但一般都依靠能量有限的电池来供电，因 此如何高效的使用节点的电池能量以及延长节点的生存时间和整个网络的生存 时间成为一个十分突出的问题。这将对无线局域网的性能提出一系列更新的要 求。目前无线局域网的研究热点和难点问题主要有以下几个方面： ( 1 ) m a c 协议 ，h 无线网络的m a c 协议主要有欧洲的h i p e r l a n 2 协议【5 l 和i e e e 的8 0 2 系列 无线标准。目前，有关无线网络路由层和传输层协议的研究多假设以i e e e 8 0 2 1 1 【1 j 标准的m a c 层为基础。信道接入控制协议( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 运 行在物理层之上，处于无线网络协议栈软件的最底部。它控制着节点在合适的时 机接入无线信道，是所有报文在无线信道上发送和接收的直接控制者。信道接入 协议能否有效地使用无线信道的有限带宽，对无线网络的性能起着决定性作用， 它的性能好坏直接关系到信道的利用效率和整个网络的性能。无线局域网以多路 复用信道作为通信的基础，如何分配信道的使用权是需要解决的关键问题，在 w l a n 中完成该功能的是数据链路控制层( d l c ，d a t al i n kc o n t r 0 1 ) 中的m a c 子层。在共享媒质的通信网络中，网络的性能，如吞吐率、接入延迟和公平性等， 在很大程度上依赖于所使用的m a c 协议。所以，制定合适的m a c 子层规范， 以有效地配置信道资源，提高无线资源的使用效率，提高系统的容量和传输质量， 是w l a n 研究的重要课题。通常，可以将m a c 协议分为两大类：随机接入( 如 a l o h a 、c s m a 和c s m a c d 等) 和受控接入( 如t d m a 和令牌传递方案等) 。 事实上，针对w l a n 提出的m a c 协议大多数都是随机接入协议。例如，i e e e 4 硕士学位论文 第一章绪论 8 0 2 1 l 【l l 标准委员会就选择一种随机接入方案( 即c s m a c a ) 协议作为其标准 的m a c 协议的基础。结合目前协议标准的应用情况，本文把i e e e8 0 2 1 ld c f f l l 作为研究无线局域网m a c 机制的基础。 ( 2 ) 公平性 公平性问题是衡量网络性能的一个主要指标。在无线局域网中，每个无线节 点的带宽，会因和其它节点距离的改变而变化，这给无线局域网公平性目标的实 现，提出了不同于有线网络的要求。实际上，在有线网络中，公平性一般是达到 各个流之间吞吐量的公平分配。但是，这样一种方式却不适用于无线局域网。因 为各无线节点的信道容量不同，使得原有的机制不仅不能达到公平分配的效果， 反而会影响网络总吞吐量，造成性能下降。因此，在无线局域网中，时间公平性 的概念得以提出并取得长足的发展，其着重解决的是多速率无线局域网情况下， 每流之间信道访问时间的公平分配问题，避免因为慢速流影响系统整体吞吐量的 情况出现。 ( 3 ) 能量消耗问题 无线节点的能量消耗【8 】可以分为网络通信消耗、计算能量消耗和外围设备能 量消耗三部分。降低计算能量消耗和外围设备能量消耗主要依靠硬件层次的技 术，如低功率的c p u 、显示器和低能量消费的算法等，而网络通信消耗是指无 线网络接口消耗的能量，是无线网络技术研发的热点之一。近几十年来，与高速 发展的微处理器芯片技术相比，在限制电池重量的情况下提高电池容量的技术发 展得相当缓慢。在这种情况下，节省节点的能量消耗变得至关重要。能量节省问 题涉及到无线网络中的各个层，在每层上都有相应的技术方案。当前的节能机制 主要分为两大类：一类是无线网卡动态关闭机制【9 1 ，另一类是功率控制机制【1 0 ，1 1 1 。 ( 4 ) 安全性问题 无线网络的特殊性给安全问题带来诸多挑战，有关无线网络安全性的多个方 面成为研究的热点，主要包括无线网络的认证体系、无线网络中密钥的分发机制 和无线信道的反侦听、反冒充技术。这些不同于有线网络的新问题使得无线网络 安全机制的研究成为当前网络安全研究的主流。 ( 5 ) 服务质量o o s 保证 o o s 是指当源端向目的端发送分组流时，网络向用户保证提供满足预先确定 的性能指标( 如端到端的延迟、带宽、分组丢失率和延迟抖动等) 的服务。网络 能够提供o o s 的能力取决于网络中的所有组成部分，包括传输链路、m a c 层、网 络层等。在无线局域网中提供o o s 保证是一个非常复杂的问题，主要包括三个重 要的组成部分：o o sm a c 协议、o o s 路由和资源预留的信令。o o sm a c 协议解决 信道竞争的问题，支持可靠的单播通信和为实时业务提供资源预留，如g a m a p r 硕上学位论文第一章绪论 协议( 1 2 j 和b b 竞争机制【1 3 】。o o s 路由是指在给定的资源约束下，能够发现和维护 满足q o s 要求的路由【h 一6 1 ，而o o s 信令为q o s 路由确定的路径提供实际的接纳控 制、调度以及资源预约服务【1 7 ，1 8 】。这三个组成部分之间需要相互合作，以提供 用户要求的o o s 服务。 ( 6 ) 路由协议 路由协议是无线网络的重要组成部分。特别是a dh o e 路由协议，由于它是 建立无线网络互联的基础，一直是学术研究的热点。传统的用于有线网络的距离 向量协议( 如p ) 和链路状态路由协议( 如o s p f ) 并不适用于拓扑结构高度 动态变化的无线网络。目前在无线网络中，路由协议的研究主要分为三个方向： 表驱动、按需驱动路由协议和混合式路由协议。典型的路由协议有d s d v t l 9 1 、 d s r l 2 0 】、a o d v l 2 1 1 、z r p 2 2 和g p s r 2 3 】等。在现阶段，新的路由协议又趋向于提 供多播例、q o s t 2 5 1 、节能【2 6 1 和网络安全【2 7 1 等多种性能支持。 1 4 课题来源和研究意义 信道接入控制技术主要解决如何在相互竞争的用户之间分配无线信道，是无 线网络协议的基础。由于它控制着无线节点如何接入无线信道来发送数据帧，以 实现共享信道的多个节点尽可能在公平和无冲突的条件下接入信道的问题，所以 信道接入控制技术的研究对提高无线网络的性能起着决定性作用。 不同于有线网络的是，无线环境下的m a c 技术将要面临更多的问题。例如， 有线网络中很容易实现的冲突检测，在无线网络中却只能采用冲突避免；无线信 道的数据传输也不如有线方式可靠，误码率将大大高于有线网络；在有线环境中， 不存在隐藏终端和暴露终端的问题，而在无线网络中，它却是导致网络性能恶化 的重要因素；无线网络，尤其是在分布式方式下，终端的移动会导致网络拓扑结 构的变化，这也会给m a c 的设计带来问题。因此针对无线网络的特殊环境提出 改进协议，实现新旧协议的融合，成为当前无线网络研究的一个热点。 i e e e8 0 2 1 1 i lj 是基于载波侦听多点接入冲突避免( c s m a c a ) 的随机接入 协议，当报文发生冲突时，发送者通过执行退避算法避免再次冲突。m a c 技术 是i e e e8 0 2 1 1 研究的重点，目前的m a c 协议是有效的却不是高效的，因此， 需要对当前i e e e8 0 2 1 l 的m a c 协议进行细致的分析与研究。本论文的工作主 要集中在如下方面：详细分析i e e e 8 0 2 “标准中所采用的m a c 协议，研究m a c 层d c f 退避算法的改进现状，随后提出了一种基于二次曲线的m a c 退避算法 q i q d ( q u a d r a t i ci n c r e a s e ，q u a d r a t i cd e c r e a s e ) 。q i q d 通过分段二次曲线计算数据 帧碰撞冲突后退避时的窗口倍乘因子和数据帧成功传输后的窗口减小倍除因子， 从而能够降低碰撞概率和提高信道利用率。并通过仿真与原有退避算法进行性能 6 硕士学位论文第一章绪论 比较，仿真结果表明q i q d 算法的性能较原有退避算法有明显提高，从而证明了 改进算法的合理性。 1 5 论文组织 论文全文共分五个章节，组织结构如下： 第一章为绪论。讲述无线局域网的特点、研究背景、研究现状和研究方向， 概述了课题来源和研究意义，最后阐述了本文的主要研究工作。 第二章主要对i e e e8 0 2 1 1 标准的m a c 协议进行全面介绍，综述了目前无 线局域网相关退避算法，从吞吐量、时延、公平性、稳定性等方面对各种算法的 特点和相关问题进行了讨论，最后阐明了无线局域网退避算法研究的发展趋势。 第三章主要介绍了退避算法的作用和工作原理，指出了二进制指数退避算法 b e b 存在的不足，并在此基础上介绍了四种典型的改进c w 更新规则的退避算 法，并在w l a n 中模拟分析了这四种退避算法的性能。 第四章提出了一种基于二次曲线的高效无线局域网m a c 退避算法。该算法 通过分段二次曲线计算数据帧碰撞冲突后退避时的窗口倍乘因子和数据帧成功 传输后的窗口减小倍除因子，从而降低碰撞概率和提高信道利用率。通过模拟分 析和比较，验证了新算法的有效性。 第五章为结束语。对本论文所做的研究工作进行总结，并阐述了进一步的研 究方向。 7 硕士学位论文第二章i e e e8 0 2 ilm a c 协议相关研究 第二章i e e e8 0 2 11m a c 协议相关研究 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网【1 1 是当前通信技术发展的一个热点，其中m a c 技术 是i e e e8 0 2 1 l 研究的重点。m a c 协议的功能是控制节点的报文传输对无线媒 体的占用，保证网络的整体性能。本章对当前i e e e8 0 2 1 1 t 1 1 的m a c 协议进行了 详细介绍，并综述了目前无线局域网相关的退避算法。 2 1i e e e8 0 2 11 系列协议标准 目前应用最广泛的w l a n 标准是i e e e8 0 2 1 l 系列。1 9 9 0 年7 月，i e e e8 0 2 标准化委员会成立8 0 2 1 1w l a n 标准工作组，专门负责制订w l a n 物理层 ( p h y ) 和介质访问控制( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层的协议标准。1 9 9 7 年6 月该工作组颁布了8 0 2 1 1 第一代无线局域网标准，1 9 9 9 年又推出了改进版 本，此后陆续发布了多个扩展版本，旨在数据速率，安全性，移动性等方面加 强w l a n 的性能。 表2 - 1w l a n 相关标准比较 在8 0 2 1 l 系列标准中，涉及物理层的有4 个标准：8 0 2 1 l ，8 0 2 1 l b i 冽， 8 0 2 1 l a l 2 训，8 0 2 1 1 9 3 0 。这4 个标准的工作频段、信号调制方式以及支持的数据 发送速率都不尽相同。8 0 2 1 l 规定的物理层有直接序列扩频( d s s s ，d i r e c t 8 硕士学位论文 第二章i e e e8 0 2 1lm a c 协议相关研究 s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 、跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m ) 、红外线( i r ，i n f r a r e d ) 三种，传输速率1 - 2 m b p s ，工作频段为2 4 g h z 频段；8 0 2 1 1 b 增加了补码键控( c c k ，c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ) 调制，将 传输速率提高到1 1 m b p s ；8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 频段，通过正交频分复用( o f d m ， o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，进一步将峰值速率提高到 5 4 m b p s l s l , 3 2 1 ；8 0 2 1 lg 也采用o f d m 调制技术，工作在2 4 g h z 频段，可提供 5 4 m b p s 传输速率，但强制保留原8 0 2 1 1 b 所采用的d s s s c c k 的调制方式，因 而能够兼容8 0 2 1 1 b 。它们的比较见表2 1 所示。 除了以上4 种基本协议，i e e e8 0 2 1 1 还有多个扩展版本，分别在安全性、 q o s 等不同的方面加强w l a n 的性能。 i e e e8 0 2 1 1 e 【3 3 j 目的在于实现w l a n 图像和语音的实时传输，为w l a n 应用提供了q o s 支持能力。其基本传输技术直接沿用已经制订的i e e e8 0 2 1 1 a 以及8 0 2 1 1 b 协议，也将使用2 4 g h z 频段或者5 g h z 频段。新协议的特点在于 改进了w l a n 多址接入的方式，可根据数据的种类决定优先顺序以确保传输影 视以及声音数据的带宽，而不使数据在传输中途间断。现行w l a n 多址接入技 术，是基于载波侦听多路复用冲突避免( 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 s c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 方式。在这一方式中没有优先权的概念，是一种竞 争的方式来获得信道的使用权。与此不同，i e e e8 0 2 1 l e 则是采用美国风险公司 s h a r e w a v e 开发的名为“w h i t e c a p ”的协议来实现多址接入。在“w h i t e c a p ”中 采用时分多路复用( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术，每隔一定时 间按照数据的种类分配信号发送权，从而确保优先数据的带宽。 i e e e8 0 2 1 1 f 【3 4 j 标准定义了一套称之为i a p p ( i n t e r - a c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 ) 的 协议，以实现不同供应商的接入点a p 间的互操作性。 i e e e8 0 2 1 l h t 3 5 】能使基于8 0 2 1 1 a 的无线系统避免与雷达和其他同类系统中 的宽带技术相干扰，保障无线通信的畅通。因为8 0 2 1 la 无线网络工作在5 g h z 频段，支持多达2 4 个不重叠的信道，对干扰的敏感性也比8 0 2 1 l g 低，但因国 家不同，利用5 g h z 频段的环境会发生改变，同样会遇到与其他系统相互干扰的 问题。 i e e e8 0 2 1 l i t 3 6 j 工作组希望开发出能够应用于各种i e e e8 0 2 1 1 产品中的数 据安全协议，其工作主要在于增强m a c 子层的安全机制。针对原先有线等效加 密( w e p ，w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) 方法的缺点，提出了频繁密钥旋转和初始 矢量旋转的改进方法。8 0 2 1 l i 工作组还在考虑其它的安全措施，如w e p 2 用来 兼容原有的w e p 方法，而高级加密标准( a e s ，a d v a n c e de n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 可以提供比w e p 强很多的加密方法，除了密钥管理以外，它还具有以e a p ( 可扩 9 硕士学位论文第二章i e e e8 0 2 11m a c 协议相关研究 展认证协议，e x t e n s i b l ea u t h e n t i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 为核心的用户审核机制，可以通 过服务器审核接入用户的i d ，在一定程度上可避免黑客非法接入。 i e e e8 0 2 1 1 n p7 j 标准计划将w l a n 的传输速率从8 0 2 1l a 和8 0 2 1 1g 的 5 4 m b p s 增加至1 0 8 m b p s 以上，最高速率可达3 2 0 m b p s ，成为8 0 2 1l b ，8 0 2 1 1a 8 0 2 1 1 9 之后的另一场重头戏。和以往8 0 2 11 标准不同的是，8 0 2 11 n 协议为双 频工作模式( 包含2 4 g h z 和5 g h z 两个工作频段) 。这样8 0 2 1 l n 保障了与以往的 8 0 2 1 l a ，b ，g 标准兼容。一些4 g 及3 5 g 的关键技术，如o f d m 技术、m i m o 技术、智能天线和软件无线电等，开始应用到无线局域网中，提升w l a n 的性 能。如8 0 2 u a 和8 0 2 1 l g 采用o f d m 调制技术，提高了传输速率，增加了网络 吞吐量。8 0 2 1 1n 计划采用m i m o 与o f d m 相结合，使传输速率成倍提高。另外， 天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里( 并 且能够保障1 0 0 m b p s 的传输速率) 。i e e e8 0 2 1 l n 标准全面改进了8 0 2 1 1 标准， 不仅涉及物理层，同时也采用新的高性能无线传输技术提升m a c 层的性能，优 化数据帧结构，提高网络的吞吐量。 2 2i e e e8 0 2 11 d c f 协议原理 i e e e8 0 2 1 1m a c 协议的主要功能包括无线介质访问控制、建立网络连接以 及保障数据安全。这里只对m a c 协议的核心功能即无线介质访问控制进行说 明。i e e e8 0 2 1 1m a c 层包括两个子层。下面的子层是分布式协调功能， ( 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 ，d c f ) 。而上面的子层叫做点协调功能( p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，p c f ) 。d c f 通过在每个终端上使用c s m a 机制的分布 式接入算法，让各个终端竞争信道来获取发送权，因此d c f 向上提供竞争服务 ( c o n t e n t i o ns e r v i c e s ) ，适用于对传输时延不敏感的数据业务。p c f 是可选的， 工作在d c f 上，提供的是无竞争的服务，通过一个中央协调点调度信道的访问。 它使用集中控制的接入算法( 一般在接入点a p 实现集中控制) ，用类似于探询 的方法将发送数据权轮流交给各个终端，可以分配给某个节点一段无冲突的信道 发送一个包，从而避免了碰撞的产生，适合于时间敏感业务，如分组语音视频 等。由于p c f 提供的仅是很短时间的无冲突信道保证，它不能提供可靠服务 ( q o s ) 保证，吞吐量性能方面也较d c f 没有明显提高，同时因为p c f 实现较 d c f 复杂很多，因此实际产业界对实现p c f 并不积极。 i e e e8 0 2 1 1d c f 的载波检测包括物理层的载波检测和m a c 层的虚载波检 测两种。物理层的载波检测是通过物理层设备对信号的检测来实现的。而m a c 层的虚载波检测是通过引入n a v ( 网络分配向量) 参数来实现。当一个节点收 l o 硕士学位论文 第二章i e e e8 0 2 11m a c 协议相关研究 到其他节点发射的d a t a 、r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 和c t s ( c l e a rt os e n d ) 帧时， 它从这些帧的头部提取出该发送的持续时间来更新自己的n a v 。根据n a v 的 值，该节点的m a c 层可以知道当前的发送将在什么时候结束，从而通过设置 n a v 定时器进行有效的退避等待。采用虚载波检测可以减小w l a n 中的隐藏节 点问题。此外，在许多节省能量消费的方案中，虚拟载波检测对于确定节点应该 何时从“睡眠”状态“醒来”而进入“活跃 状态具有非常重要的意义。 d c f 中规定，在连续的帧之间必须保持一定的间隔i f s ( i n t e rf r a m es p a c e ) ， 这可以留给相关的节点足够的处理时间，另外一个作用就是控制信道资源访问的 优先级。i e e e8 0 2 1 1m a c 协议规定了四种i f s - 短i f s ( s i f s ) 、p c fi f $ ( p i f s ) 、 d c fi f s ( d i f s ) 和扩展i f s ( e i f s ) ，其中s i f s 最小，e i f s 最大，d c f 机制 只利用了s i f s 、d i f s 和e i f s 三种。因此，在发送m a c 帧时等待s i f s 时间的 节点就比等待d i f s 或者e i f s 的节点能更早获取信道使用权，从而具有更高的 接入优先级。 r t s 帧和基本访问方式数据帧的最小接入等待时间为d i f s ，而a c k 帧和 c t s 帧的等待时间为s i f s ，通过设置不同的间隔时间，保证了各种不同优先级 别的信道访问机制得以顺利完成。i e e e8 0 2 1l 各种帧间间隔关系见图2 - l 所示。 s i f s 。 r p c f 的首发帧在此退避或发送，包括r t s 和基本访问方式的。a k 。 。c ，的首发帧在此退避或发送，包括r t s 和基本访n p i f s f 收到错误帧后，当前待发送的帧在此退 d i f s l 一 e i f s i a c k 图2 - 1i e e e8 0 2 1 1 各种帧间间隔之间的关系 如果节点收到上层来的分组，并且此时检测到信道空闲时间大于d i f s 就可 以开始发送分组。当多个节点有数据需要发送时，可能出现同时发送的情况，从 而造成碰撞。这时就要延迟一段随机时间再重发。这个退避的时间由如下公式得 到： b a c k