（通信与信息系统专业论文）无线局域网mac层协议研究及qos性能分析.pdf

无线局域网l t l a 0 层 协议研究及0 0 s 性能分析 摘要 无线局域网是2 0 世纪9 0 年代计算机网络和无线通信技术相结合的产物，它使用无线 信道来接入网络，为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段，并成为宽带 无线接入的有效途径之一。本文主要研究i e e e8 0 2 1 1 m a c 层协议以及服务质量( q o s ) 问 题。 在介绍背景知识和比较现有技术的基础之上，本文首先对无线局域网标准i e e e8 0 2 1 l 媒体接入控制( m a c ) 层协议进行深入研究。无线局域网只涉及o s i 七层参考模型中的最 低两层物理层和m a c 层协议规范，其中m a c 层规范包括介质接入方式、认证加密方式以 及各种类型帧的介绍，其中分布式控制方式( d c f ) 是最基本的无线介质( w m ) 接入方式， 它是基于冲突避免的载波检测多址接入( c s m a c a ) 机制，当站点( s t a ) 准备发送数据 包之前，首先采用虚拟信道监测机制判断信道是否为空，如果是就可以直接占用信道，如 果信道忙则选择个随机退避时间进入退避过程，等待下轮的信道竞争。 传统的无线局域网只能提供“尽j 而为”的服务，而时延敏感的语音和图像业务等要 求更好的服务质量，由于无线局域网的高移动性、高误码率以及建立在竞争机制上的媒介 接入方式，使得o o s 的实现相当困难。接下来本文通过对退避时延算法的研究，分析和比 较了几种基于无线局域网的q o s 实现方式，并对这儿种实现方式在家庭网络环境和小型办 公网络环境进行了仿真分析。这几种q o s 机制分别是原来标准中提出的帧间距( i f s ) 优先 级方式、采用r t s c t s 握手信号的方式以及标准中没有提到的两种修改退避算法的方式。 为了分析家庭网络环境下和商业网络环境卜不同的q o s 机制带来的不同结果，本文创 建了几个仿真环境，对网络的吞吐量、包延时和丢包率三个通用网络性能分析参数进行仿 真，通过仿真，证明了本文提出的不同无线局域网应用环境可以有不同的q o s 机制，通过 修改退避时延算法，能够很好地改善网络性能，从而实现无线局域网q o s 多服务等级的思 想。在此基础上文章还介绍了被广泛使用的仿真工具n s 2 及仿真过程中用到的几种工具： g n u p l o t ，x g r a p h 和运动模式发生器等的用法。 关键词：无线局域刚，q o s ，c s m s c a ，n s s t u d yo nm a cl a y e rp r o t o c o lo f w i r e l e s sl a na n da n a l y s i so f q o s p e r f o r m a n c e a b s t r a c t t h cw i r e l e s sl a ni st h ec o m b i n a t i o n p r o d u c t o fc o m p u t e rn e t w o r ka n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h e1 9 9 0 s i tp r o v i d et h ea c c e s st on e t w o r kv i aw i r e l e s sc h a n n e l t h u si tc o u l db eap o t e n t i a lm e t h o df o rt h ef u t u r et e l e c o m m u n i c a t i o n ：m o b i l i t y , p e r s o n a l i t ya n d m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n i ta l s oc o m e st ob ea ne f f i c i e n tb r o a d - b a n dw i r e l e s sa c c e s sm e c h a n i s m t h i sp a 口e rm a i n l yi n v e s t i g a t e st h ew i r e l e s sp r o t o c o l ：i e e e8 0 2 11m a c l a y e r ，a n da l s od os o m e r e s e a r c ha b o u tq o sm e c h a n i s m f i r s t l y , o nt h eb a s i so ft h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo fw i r e l e s sl a n ，t h i sp a d e rg i v e s a d e t a i l e dr e s e a r c ho fi e e e8 0 2 1lm a c l a y e rp r o t o c 0 1 t h ew i r e l e s sl a n c o n c e r n so n l yt h et w o b o t t o ml a y e r sa b o u tt h e0 s i s e v e n l a y e rm o d e l ，t h e ya r ep h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e rt h u sh a v e as i m p l en e t w o r kc o n s t r u c t t h em a c l a y e rp r o f i l ei n c l u d em e d i aa c c e s ss c h e m e a u t h e n t i c a t i o n a n de n c r y p t i o n i ta l s od e s c r i b et h ef r a m ef o r m a t v 撕o b sk i n d so fn e t w o r ks e r v i c e sa r ea l s o i n c l u d ei nt h i sp a r t d c fm o d ei st h eb a s i cw i r e l e s sm e d i aa c c e s sm e t h o d w h i c hi sb a s e do n c s m a ，c a ( c h a n n e ls e n s em u l t i p l ea c c e s s c o n t e n t i o na v o i d a n c e ) i fas t a t i o np r e p a r c st o s e n d p a c k e t i tf i r s t l yi i s t e nt ot h ec h a n n e lu s i n gt h ev i r t u a lc h a n n e ls e n s em e c h a n i s m t od e c i d ei fi ti s i d i ef o rt r a n s m i t i fi ti sb u s yt h es t a t i o nh a st oc h o o s ear a n d o mt i m et ob a c k o f f , a n d w a i t i n gf o r a n o t h e rr o u n do f c o n t e n l 【i o n t h et r a d i t i o n a lw i r e l e s sl a nc a no n l y p r o v i d et h e “b e s te f f o r t ”s e r v i c e t h o s et i m e s e n s i t i v e t r a f f i cs u c ha sv i d e oa n da u d i or e q u i r eb e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c e b u ti ti sb e c a u s ew i r e l e s sl a n h a v et h eh i g hm o b i l i t y , h i 妫b i te r r o rr a t ea n dc h a n n e la c c e s ss c h e m eb a s e do nc o n t e n t i o nm o d e ， t or e a l i z eq o sm e c h a n i s mb e c o m e sd i f f i c u l t t h e nt h i sp a p e rr e s e a r c ho nt h eb a c k o f fa r i t h m e t i c ， a n a l y s es e v e r a lt y p e so fq o s s c h e m e s t h eo r i g i n a lp r o t o c o ld e s c r i b et h ei f sm o d ea n di u l s c t s m o d e ，a c c o r d i n gt oc o n t e n t i o nw i n d o wa n db a c k o f fa r i t h m e t i c ，t h i sp a p e rg i v ea n o t h e rt w o m o d i f i e da r i t h m e t i cw h i c hc a nb et e s t i f i e db ys i m u l a t i o n i no r d e rt oa n a l y s et h ed i f f e r e n c eq o sm e c h a n i s m a p p l i e di nd i f f e r e n te n v i r o n m e n th o m e u s e o ro f f i c eu s e ，w es e t u ps e v e r a l s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h ec o m p a r ef o c u so nt h r e eb a s i c c h a r a c t e r s ：t h r o u g h p u t ，d e l a ya n dp a c k e td r o pr a t e f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l tw ec a ns e et h e m o d i f i e db a c k o f fa r i t h m e t i cc a n g e n e r a l l yp r o m o t et h en e t w o r kp e r f o r m a n c e ，a n dd i f f e r e n t n e t w o r ke n v i r o r i m e n tn e e dd i f f e r e n tq o sm e c h a n i s m t h i sp a p e ra l s o g i v es i m p l ei n s t r u c t i o n t ot h es i m u l a t i o nt o o l ss u c ha s n s 2 ，g n i j p l o t ， x g r a p ha n d m o v e m e n ts e e n a r i og e n e r a t o r , e t c k e yw o r d s ：w i r e l e s s l a n ，q o s ，c s m s c a ，n s 浙江丁业人学顾i j 学位论文 1 1无线局域网的发展历史 第一章绪论 1 9 7 1 年，复威夷大学的a l o h a n e t 一项研究课题首次将网络技术和无线电通信技术 结合起来。a l o h a n e t 是分散在4 个岛上的7 个校园罩的计算机可以利用新的方式和位于 瓦胡岛的中心计算机通信，而且不使用已有的低质高价的电话线路，a l o h a n e t 通过星型 拓扑将计算机中心和远程工作站( s t a ) 连接起来，提供双向数据通信。远程s t a 之问通 过中心计算机相互通信。 2 0 世纪8 0 年代，美国和加拿大的业余无线电爱好者和无线电报务员们设计并建立了中 端节点控制器( t n c ) ，将各自的计算机通过无线发报设备连接起来( 见图1 1 ) ，中端节点 控制器工作起来象电话m o d e m 一样，把计算机数字信号转换为无线电收发报机可以调制并 且能利用分组交换技术通过广播信道发送出去的信号 线讣绸数榭悖输 图1 1 分组无线电网络 2 】。事实上，美国无线电中继联盟( a r r l ) 和加拿大无线电中继联盟( c r r l ) 在8 0 年代 早期就开始资助计算机网络委员会进行开发广域无线网络的论坛。所以，业余无线电报务 员门早已开始使用无线联网技术，比商业市场早的多。 1 9 8 5 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 授权普通用户可以使用“工业、科技、医学”( i s m ) 频段而把无线局域网向着商业化发展。i s m 的工作频率在9 0 2 m h z 5 8 5 g h z 之问。该工作 频段正好位于蜂窝电话频段的上面。i s m 频段为无线网络设备供应商提供了产品频段，而 且终端用户无需向f c c 申请就能直接使用设备。i s m 频段对无线产业产生了巨大的积极影 响，保证了无线局域网元件的顺利开发。如果没有一个标准，那么供应商就会丌发私有的 无线电设备和访问点。 国际电气电子工程师协会( i e e e ) 8 0 2 工作组负责局域网标准的丌发，如以太网和令牌 环等。2 0 世纪8 0 年代后期，该机构丌始进行无线局域网标准的制定。在主席h a y s 的领导 f ，i e e e8 0 2 1 1 工作组提出了无线局域网介质访问控制和物理层规范。 1 9 9 7 年6 月2 6 同，i e e e8 0 2 1 l 标准制订完成，1 9 9 7 年1 1 月2 6 同正式发布。1 9 9 8 年 各供应商推出了大量基于8 0 2 1 l 标准的无线电卡和访问节点。其他刚刚进军无线市场的商 家当然更为支持8 0 2 1 1 ，大力丌发8 0 2 1 1 标准的产品。 无线网络连接广泛地应用于开始2 0 世纪9 0 年代初期的无线广域网服务。a r d i s 和 r a m m o b i l e d a t a ( 移动数据随机存储器公司) 最先推出便携式计算机、公司网络和因特刚 的无线连接设备。后来，各公司又提供蜂窝数字分组数据( c d p d ) 服务，从而使用户可以 第一章绪论 通过数字传输服务进行数据分组的收发。当公司雇员正在会见客户、乘车途中或在饭店住 宿时，只需要利用便携式设备就可以获得e m a i l 和其他信息服务，而无需使用电话系统。 1 2 无线局域网系列标准介绍 无线l a n 的研究从8 0 年代开始，到9 0 年代末趋于白热化，国际上出现了多种无线局 域网标准( 见图1 2 ) ，如i e e e 的8 0 2 1 1 家族、由爱立信、诺基亚等五家公司推出的蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 技术以及家庭网络的h o m e r f 和欧洲的h i p e r l a n 等。 图1 2 各种无线网络的比较 8 0 2 1 1 是1 9 9 7 年i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，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，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到 2 m b p s 。目前，3 c o m 等公司都有基于该标准的无线网卡。 由于8 0 2 1 1 在速率和传输距离 上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相继推出了8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 a 两个新标准。 i 者之间技术上的主要差别在于m a c 子层和物理层。 8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z u n i i 频带，物理层速率可达5 4m b p s ，传输层可达2 5 m b p s 。从 图1 2 可见无线网络中8 0 2 1 1 a 和h i p e r l a n 的速率最高。它采用f 交频分复用( o f d m ) 的独特扩频技术；可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接1 5 1 和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接 ：_ | ， 以及t d d t d m a 的空中接口：支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每 个用户可带多个用户终端。 图中8 0 2 1 l a 下面是8 0 2 1 l b ( w i f i ) 物理层支持5 5m b p s 和1 1m b p s 两个新速率。 8 0 2 1 l 标准在扩频时是一个1 1 位调制芯片，而8 0 2 1 1 b 标准采用一种新的调制技术c c k ( 补 偿编码键控) 完成。8 0 2 1 l b 使用动态速率漂移，可因环境变化，在1 1m b p s 、5 5m b p s 、2 m b p s 、1m b p s 之间切换，且在2m b p s 、1m b p s 速率时与8 0 2 1 1 兼容。 欧洲电信标准协会( e t s i ) 正在制定的h i p e r l a n 标准，作为“宽带无线接入网”计划的 组成分。所制定的标准有4 个：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 ；其中 h i p e r l a n l 和2 用于高速无线l a n 接入，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 浙江r 业人学坝l 学位论文 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 采用高斯滤波最小频移键控( g m s k ) 调制，这一调制技术在g s m 蜂窝网和 蜂窝数字分组数据( c d p d ) o o 广泛使用。相反，h i p e r l a n 2 则采用正交频分复用( o f d m ) 调 制，这在调制技术上是新的突破。其传输结构能够对多种类型的网络基础结构( 包括以太网、 i p 、a t m 和p p p ) 提供连接。而且，对每一种连接都具有安全认证和加密功能。h i p e r l a n 2 还有自动频率管理功能，能将其高吞吐率与q o s 相结合，将丌辟诸如视频信号分配到家庭 等多种全新的应用业务。下面是u m t s 全球移动通信系统，它的速率跨度非常宽，从几百k 到l m 左右，基于i m t - - 2 0 0 0 标准。 接下来速率相当的蓝牙和h o m e r f 都属于家庭无线局域网范围。蓝牙( i e e e8 0 21 5 ) 是一项最新标准，对于8 0 2 1 1 来说，它的出现不是为了竞争而是相互补充。蓝牙比8 0 2 1 1 更具移动性，比如，8 0 2 1 1 限制在办公室和校园内，蓝牙能把一个设备连接到l a n 和w a n ， 甚至支持全球漫游。此外，蓝牙成本低、体积小，可用于更多的设备。但是，蓝牙主要是 点对点的短距离无线发送技术，本质上要么是r f 要么是红外线。而且，蓝牙被设计成低功 耗、短距离、低带宽的应用，严格来讲，不算是真正的局域网技术。相对于8 0 2 1 1 蓝牙实 用化进程太慢，和它同时代的8 0 2 1 1 已经大规模生产并开始降低成本了，而蓝牙的产品才 逐渐进入市场。 h o m e r f 主要为家庭网络设计，是i e e e8 0 2 1 1 与d e c t ( 先进数字式无线通 讯系统) 的结合，旨在降低语音数据成本。h o m e r f 也采用了扩频技术，工作在2 4 g h z 频 带，能同步支持4 条高质量语音信道。但目前h o m e r f 的传输速率只有1 2 m b p s ，f c c 建 议增加到1 0 m b p s 。 b l a c k b e r r y 是北美产品，它是一种领先的移动无线e m a i l 解决方案( 类似于p d a ) ，目 标是实现无论何时何地都能自由收发e m a i l 。r i c o c h e t 是一种无线接入网络系统，典型速率 是1 7 5 k b p s 。 8 0 2 1 1 9 是去年推出的最新混合标准 1 2 ，能同时支持1 l a 和1 l b ，据l i n l e y 集团公 司分析师l i n l e yg w e n n a p 说：“8 0 2 1 1 9 对家庭用户的好处主要表现在视频方面。通过其高 速模式，新的标准支持多个同时高质量的视频信道，允许同一所房子中的23 个人同时观 看不同的视频节目。而8 0 2 1 1 b 只能支持单个视频信道，对那些拥有多台电视机的家庭来 说显然不够。”但是这种标准还有些争议，没有获得广泛采用，一些芯片厂家还没有统一意 见，比如德州仪器峰持扩频技术用p b c c ( 分组二进制卷积码) ，而i n t e r s i l 则支持0 f d m ( f 交频分复用) 技术。现在看来0 f d m 的采用已成定局，主要是支持的芯片商增多，同时又被 f c c 批准在5 g h z 频段使用。 目前市场上的无线局域网主流是基于8 0 2 1 l b 的产品，这方面的产品已经比较成熟，但 新的标准也在不断出现，8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 以及8 0 2 1 6 等由于各自独特的性能都得到业界 的认可，分析家认为到2 0 0 4 年，基于8 0 2 1 l a 标准的产品销售将会取代8 0 2 1 l b 成为市场的主 流。有人已经将8 0 2 1 l 比喻为4 g 了。c i s c o 、i b m 、i n t e l 、3 c o m 和微软等公司成立了w e c a “无线以太网兼容联盟”，在于促进无线l a n 的开发和标准的兼容性。 从发展趋势来看，这几种技术标准都在向前发展。i e e e s 0 2 1 l b 将提速至2 2 b i t s ，且将 支持语音呼叫，在直接序列跳频网络上结合语音和数据功能。h o m e r f 阵营致力于将 h o m e r f 的速率提升到1 0 m b i t s ，并将无线网络的应用范围拓展到其他的电子产品中。蓝牙 足在努力地降低芯片的大小和价格，使其有更广泛的应用市场。在市场上，i e e e8 0 2 1 l b 已经在企业无线网络应用中占据了主要地位。而h o m e r f 标准则在零售市场略占上风，但 由于技术没有公，r ，目前只有几十家企业支持，而且，其在抗干扰等方面的弱点也注定它 鹅章绪论 没有广泛的应用前景。蓝牙在过去两年时问罩一直是一个高技术的时髦名词，但是它的表 现不尽如人意，现在则刚刚进入市场，以至于有人评论说，蓝牙发展慢吞吞，8 0 2 1 1 b 先上 阵。8 0 21 l b 的另一个长处是它使用和固定以太网一样的协议和标准，因此改动相当容易。 1 3i e e e8 0 2 1 1 标准 1 3 1网络拓扑结构及无线局域网产品 i e e e8 0 2 1 1 拓扑结构由许多组件组成，它们相互作用提供一个无线l a n ，能使站点的 移动性对高层协议透明，如8 0 2 1 1 标准的功能体现在无线电网卡二驱动网卡和接入点的 软件接口。8 0 2 1 1 标准支持两种拓扑结构：独立基本服务组( i b s s ) 网络和扩展服务组( e s s ) 网络。这些网络使用一个基本构件块，i e e e8 0 2 1 1 标准称其为基本服务组( b s s ) ，它提供 一个覆盖区域，使b s s 中的站点保持充分的连接。个站点可以在b s s 内自由移动，但如 果它离丌了b s s 区域内就不能直接与其他站点建立连接了。下面给出i b s s 网络的拓扑结构， 如图1 3 所示：i b s s 是一个独立的b s s ，它没有中枢链路基础结构，至少包括两个无线站 点，因为它不需要太多规划就能被快速建立，所以这类网络常常被成为特别网络( a d - h o c ) ， 特别网络能基本满足控制一个较小区域( 如一个房间、一个销售楼层) 的用户需求。 图1 3 基本服务组 为了满足跨越i b s s 范围限制的要求，8 0 2 1 l 详细介绍了一个e s sl a n ，该配置满足 了大小任意、复杂度高的大范围覆盖网络的需要。如图1 4 所示，这样一个由a p 在e s s 内 使b s s 相互连接的系统被成为分布式系统，分布式系统通过提供逻辑服务支持8 0 211 移动 性类型，逻辑服务在处理地址到目的地的变换和多重b s s 的无缝集成是必要的。a p 是一个 可设置地址的站点，它提供接口到分布式系统，以便将位于各种b s s 内的站点连接起来。 单独的b s s 和e s s 网络对l l c 层是透明的： 幽1 4 扩展服务组 圈1 5 是一个扩展网络e s s 的应用模式图，通过a p ( a c c e s sp o i n t ) 把无线网络和有线网 浙江t 业人学坝卜学位论文 络连接起来，无线终端通过a p 访问有线网络资源，同时a p 也对终端数据传送进行管理和 协调。 幽1 6 米_ l f 中继扩展无线网络 我们知道无线局域网的工作频段为2 4 0 g h z 2 4 8 3 5 g h z ，8 0 2 1 l b 定义了1 4 个子信道， 每个子信道带宽为2 2 m h z 。美国f c c 规定使用从1 到1 1 个信道，欧洲大多使用1 到1 3 的 信道，而同本只有一个选择，即信道1 4 。 应用时给每个a p 分配一个工作频段，配有无线网卡的终端定期监测各a p 的信号状况， 自动将收发器的频段设为信号最强的a p 的工作频段，并和陔a p 建立连接。 值得一提的是这里分配的工作频段指的是无线网卡和a p 实际使用的中心频率，比如 c h a n n e l1 为2 4 1 2 g h z ，c h a n n e l2 为2 4 1 7 g h z ，中心频率间隔只有5 m h z ，而8 0 2 1 1 2 b 信 号频谱约3 0 m h z ，因此，一个信号会落在相邻的几个信道上，如果相邻信道工作区域相互 覆盖势必造成干扰。实际上8 0 21 1 b 只有三个完全独占的子信道，即c h a n n e l1 ，c h a n n e l6 和c h a n n e l1 1 。图1 7 给出了多a p 情况下三个独占信道构成的覆盖图，工作在相同频段的 覆盖区域尽可能不要交叠，防止同频段干扰。某些家居办公是2 层或多层楼房结构，考虑 到无线电波会穿透楼板，楼上楼f 的信道分配要结合起来进行，再比如一幢写字楼的相邻 房问租给了几家不同的小公司，并且都安装了无线局域网，那么最好能联合起来布局，防 止干扰。迫不得已的情况下只好放弃8 0 2 1 l b 产品，选择频段干扰相对较小的8 0 2 1 l a 高速 局域网产品。 幽1 7 多a p 信道分配图 无线局域网产品主要有三种，下面分别介绍： ( 1 ) a p ( a c c e s s p o i n t ) 一般俗称为网络桥接器，顾名思义即是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之桥 梁，因此任何一台装有无线网卡之p c 均可通过a p 去分享有线局域网络甚至广域网络之资 源。除此之外，a p 本身又兼具有网管之功能，可针对接有无线网络卡之p c 作必要之控管。 ( 2 ) w l a n 卡 一般称为无线网络卡，与传统e t h e r n e t 网络卡的差别是在于前者资料传送是通过无线电 波，而后者则是通过一般的网络线。 目前无线网络卡的规格大致可分成2 m ，5 m ，1 1 m ，三种，其适用界面可分为p c m c i a ， i s a ，p c i 三种。 ( 3 ) 天线 天线功能是将信息源的信号，由天线本身的特性而传送到远处，至于能传多远，一般 除了考虑信息源的输出功率强度之外，其另一重要因素是天线本身的d b 值，即俗称的增益 值，d b 值愈高，相对所能传达之距离也更远。通常每增加8 d b 则相对之距离可增至原距离 的一半。 一般天线有所谓定向天线( u n i d i r e c t i o n ) 与全向天线( o m n i d i r e c t i o n ) 两种，前者较适合于 长距离使用，而后者则较适合区域性的应用。 1 3 2 网络协议 网络协议是无线局域网的“神经”系统，好的网络协议具有较完备应答功能和流控功 能以及合理的路由选择和优化算法，能使信道得到更有效的利用。 无线局域网标准是关于局部区域内无线连接固定的、便携的或移动的终端而做的媒介 访问控制m a c 层和物理层的技术规范 1 。由于无线媒介的开放性，无线局域网标准均采用 一定的保密机制确保所传输信息的安全性。 浙江t 业人学硕i 。学位论文 图18 与i e e e 8 0 21 1 其他标准的关系 i e e e 8 0 2 1 1 只涉及到i s o r m 七层网络模型中的下两层：物理层( p h y ) 和数据链路 层( d l ) ，网络结构相对简单，没有复杂的中转、路由等网络控制。根据局域网的特点， i e e e 8 0 2 工作委员会将数据链路层划分为逻辑链路控制层( l l c ) 与媒体访问控制层 ( m a c ) 。在i e e e 8 0 2 的各种标准中，i e e e 8 0 2 2 定义了l l c 层的协议标准，i e e e 8 0 2 3 、 i e e e 8 0 2 4 、i e e e 8 0 2 5 和i e e e 8 0 21 1 中则定义了参考模型中的媒体访问控制层( m a c ) 。 他们之间的相互关系见图1 8 。 无竞争氆业务竞争型业务 b c f ( c s m a c a ) d s s sf h s s红外 图1 9 m a c 层支持的三种p h y 如图i 9 所示，在i e e e 8 0 2 1 1 中，物理层定义了通过三类不同的无线方法来实现建立、 维持和拆除物理连接信道所必须的机械、电气及功能特性与规格，以保证可靠的按比特为 单位的同步与传输。媒体访问控制层定义了两个数据链路层之间建立和维持数据传输，为 网络层提供无差错数据流的控制与管理协议。 1 、物理层协议 物理层定义了数据传输的信号特征和调制方法。在物理层中，i e e e 8 0 2 1 1 定义了三种 物理层规范：红外线与两种射频技术规范。射频传输方法采用扩频调制技术来满足绝大多 数国家的工作规范要求。在该标准中，射频传输标准是跳频扩频( f h s s ) 和直接序列扩频 ( d s s s ) 。 红外线局域网：红外l a n 使用小于一微米波长的红外线作为传输媒体，它的调制方式 为1 6 p p m ，以直线方式传输，具有较强的方向性，受太阳光的干扰较大。仅适用于近距离 的通信，目前较少用。 跳频扩频局域网：调频扩频时载波频率在很宽的频率范围内按某种图案( 伪随机序列 m a c 层控制) 进行跳变。接收端首先从发送来的调频信号中分离出跳频同步信号，使接收 机的伪随机序列控制的频率跳变与接收到的跳频信号同步，输出的被同步后的载波经解调 后，获得发送端送来的信息。跳变频率至少为l 跳秒。跳变过程中将能量扩散到整个频段 内，利用它实现扩频并最终获得传输增益。 直接序列扩频局域网：直接序列扩频使将要发送的信号用伪随机码( p n 码) 扩展到一 个比原始信号频带宽的多的频带上去，以实现扩频。在接收端，利用与发端相同的p n 码进 行相关解扩，恢复出发送信号。对干扰信号，由于与p n 码不相关，在接收端被扩展，使 落入信号通带内的干扰信号功率降低到原来的1 g ( g 为扩频增益系数) ，从而提高了相关 器的输出s n 比，达到抗干扰目的。这种通信方式是在数据发送和接收端都以窄带方式进 行而传输过程中则以宽带方式通信。与一般的窄带通信正好相反。 第一章绪论 d s s s 和f h s s 无线局域网都使用无线电波作为媒体，电波的覆盖范围较广，发射功率 低于自然的背景噪声，基本避免了通信信号的被窃听，使通信非常安全，同时无线局域网 中所使用的无线电波不会对人体健康造成伤害。所以，扩频通信方式具有抗干扰、抗噪声、 抗衰减和保密性能好等优点。 2 、m a c 层协议 无线局域网以帧格式进行数据传输。i e e e 8 0 2 1 1 标准规定的帧结构分为前导码、帧头 和数据块三部分。 1 e e e 8 0 2 1 i m a c 由两种访问控制方式：分布式( d c f ) 和集中控制方式( p c f ) 。两者 都建屯在媒体访问控制( m a c ) 载波监听多路访问冲突避免( c s m a c a ) 协议的基础上。 在i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 中，时问域被划分为超帧格式。在超帧的无竞争期，由中心控制节 点进行轮询，某一个时刻仅允许一个站点发送，实现p c f 控制。在超帧的竞争期，使用改 进的c s m a c a 方式，即分布接入方式实现分布接入控制。c s m a c a 的算法是：当检测到 信道空闲期问大于某帧间隔( i f s ) 后立即开始发送帧，否则延迟接入直至监测到需要的 帧间隔，然后选择退避时延进入退避，退避结束后在重新开始前述过程。 i e e e 8 0 2 1 1 m a c 规定了三种访问优先权：s h o r t 优先权、p c f 优先权和d c f 优先权。 对于不同的优先级，相应的i f s 也不同，其关系为d i f s ) p i f s ) s i f s 。i e e e 8 0 2 1 i m a c 建 立在c s m a c a 的基础上使用m a c 层确认机制，即c s m a c a + a c k ，从而增强了c s m a c a 对异步业务传输的可靠性。并且，为进一步减小碰撞概率，源站与目的站可在数据传送前 交换简短的控制帧，即r t s c t s 。i e e e 8 0 2 1 1 要求d c f 方式必须支持c s m a c a ，可选择 地支持c s m a c a + a c k 与c s m c a + a c k + r c t s c t s 。p c f 方式由c s m a c a 提供的访 问优先级实现，可支持无竞争型时限业务与无竞争型异步业务，d c f 仅支持竞争型异步业 务。 1 , 4 本文的主要工作 在本章中，我们首先介绍了无线局域网的发展历史和研究背景，在综合介绍无线局域 网的各种标准的基础之上，着重介绍i e e e8 0 2 1 1 标准，包括其拓扑、网络协议。 本文共分为五章，第二章详细介绍了i e e e8 0 2 1 l 的m a c 层协议，以d c f 工作方式为 重点，分析了无线信道接入机制，各无线站点采用虚拟载波检测机制判断信道的闲忙状态， 决定何时发送数据包，完成信道纠错以及加密认证功能。 第三章具体分析无线局域网的几种q o s 机制，包括标准中已经纳入的q o s 方式和本文 提出的基于退避时延算法的q o s 解决方案。原标准提出的帧间隔不同带来的超帧方式确保 了p c f 帧间隔的业务能够优先于竞争模式下的d c f 帧间隔业务。采用r t s c t s 预留信道， 同时解决隐藏终端问题减少了碰撞概率，提高了系统性能。本文提出的等级机制结合了等 待时延算法以及竞争窗算法，确保少数高优先级业务能够在较小的竞争窗下提前发送，同 时业务量大的情况下减小拥挤造成的碰撞概率。 第四章对网络仿真中用到的仿真工具n s 2 加以介绍，最后一章根据前面提到的几种q o s 机制运用n s 2 仿真工具进行仿真，仿真的出发点是考虑无线网络在用户数多少不同的情况 下应该采用不同的服务等级机制，因此对于在家庭网络环境下和办公网络环境下无线局域 网的网络性能分析，给出各种q o s 机制应用后网络性能分析结果。 浙江t 业人学坝l 学位论文 第二章无线局域网m a c 层协议研究 8 0 2 1 1 无线局域网的所有站点和访问节点( a p ) 都提供介质访问控制( m a c ) 层服务 1 6 ，m a c 服务是指同层l l c ( 逻辑链路控制层) 在m a c 服务访问节点( s a p ) 之间交换 m a c 服务数据单元( m s d u ) 的能力。 2 1 两种无线介质访问方式 在帧发送之前，m a c 必须首先利用下面的某种方式获得网络连接： 具有冲突避免的载波检测多路访问( c s m a c a ) ：一个类似于i e e e8 0 2 3 以太网的线路 争用协议。i e e e8 0 2 1 1 规范称之为分布式访问控制方式( d c f ) 基于优先级别的访问：一个无竞争访问协议，适用于访问节点安装有点控制器的网络。 i e e e8 0 2 1 1 规范称之为中心网络控制方式( p c f ) 分布式访问控制方式( d c f ) 和中心网络控制方式( p c f ) 都能在同一个基本服务组 ( b s s ) 中提供并行的可选的竞争和无竞争访问期。d c f 是m a c 最基本的接入方式，通过 使用c s m a c a 和随机退避时延实现共享媒体的访问。 2 1 1 无线介质访问d c f 方式 d c f 工作方式是研究得最为普遍的m a c 无线信道接入方式，2 5 着重探讨了公平的分 布式控制机制， 3 5 主要是基于协议的理论研究和分析，文献 2 5 3 6 1 则给出了协议的分析 和改进方案，本章结合标准介绍，对m a c 层协议全面进行分析。 1 、载波监听机制 物理和虚拟载波监听机制可以让m a c 层监听介质处于繁忙还是空闲状态。图2 1 给出 了c s m a c a8 0 2 1 1 d c f 工作方式下接入信道的流程图。m a c 控制机制利用帧中持续时问 字段的保留信息实现虚拟监测。这一保留信息发布( 向所有其他s t a ) 本s t a 将要使用介 质的消息。m a c 将监听所有m a c 帧的持续时间字段，如果监听到的值大于当前的网络分 配矢量( n a v ) 值，就用这一信息更改该s t a 的n a v 。( n a v 修改指示见图2 2 所示) n a v 工作起来就像一个计数器，开始值是最后一次发送的帧的持续时间字段的值，然后倒计时 至0 ，当n a v 的值到达0 ，且p h y 控制机制表明有空闲信道时，这个s t a 就可以发送帧了。 在i e e e8 0 2 1 1 标准中，通过规定帧间距确定不同的优先级控制帧如r t s 、c t s 和a c k 等的帧间距为s i f s ，d c f 模式下的帧间距为d i f s ，p i f s 有更高的优先级，因此帧间距是 最短的p i f s 。其中s i f s 和s l o t 时长是固定的，e i f s 仅仅当m p d u ( m a c 协议数据单元) 传输出错时，考虑到可能会有重传帧，才使用e i f s 帧间距。 a s i f s t i m e 2 a r x r f d e l a y + a r x p l c p d e l a y + a m a c p r o c e s s i n g d e l a y + a r x t x t u r n a r o u n d t i m e a s l o t t i m e = a c c a t i m e + a r x t x t u m a r o u n d t i m e + a a i r p r o p a g a t i o n t i m e + a m a c p r o c e s s i n g d e l a y p i f s = a s i f s t i m e + a s l o t t i m e d i f s = a s i f s t i m e + 2 a s l o t t i m e e i f s = a s i f s t i m e + ( 8 a c k s i z e l + a p r e a m b l e l e n g t h + a p l c p h e a d e r l n g t h + d i f s 第一章无线局域m 的m a c 层洳议研究 源 图2 1 基本退避示意图 s 问! ! ! 厂硐 押蚓司茕争锰 b岛意 n a v ( r t s ) n a v ( c t s ) 。延迟接入 退避 图2 2 n a v 修改指示幽 这个最基本的随机退避过程是这样的，根据n a v 指示，想要发送帧的站点当n a v 计 数器为0 后，对载波检测机制作出响应，判断信道的忙闲状态，如果介质忙则选择随机退 避时阳j ，进入退避过程等待下轮竞争，如果f 好介质空闲，便可以直接发送帧了。m a c 监 测机制利用下面的公式计算随机退避时间： b a c k o f f t i m e = r a n d o m ( ) a s l o t t i m e ( 2 一1 ) 其中r a n d o m ( ) 是一个平均分布在o ，c w 段上的伪随机整数，c w ( 竞争窗l 7 ) 是介于管 理信息库( m i b ) 中的a c w