（信号与信息处理专业论文）ieee80211无线局域网性能改进策略研究.pdf

学硕士学浙江理工大位论文 摘要 i e e e8 0 2 1 1 标准自上世纪九十年代提出以来，由于其具有可靠性高、抗干 扰性强、高移动性、保密性好、部署与维护简单等优点得到了飞速的发展，在布 线困难的环境、变动频繁的环境、无固定办公地点的工作者或家庭办公用户需要 得到信息服务等领域得到广泛应用，为人们生产和生活带来极大的便利。 然而，i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网作为一种新技术，还不是非常成熟和完善， 存在性能异常产生的不公平问题、缺乏区分服务功能和节点数量增加时总吞吐量 减少等问题；由于该技术已经广泛应用，因而简单易于实现的改进方案更利于在 实际中推广，考虑到这一因素，本文在深入分析i e e e8 0 2 1 1 协议性能的基础上， 一一提出易于实现的解决方案。现将论文的主要工作和创新总结如下： ( 1 ) 深入分析了i e e e8 0 2 1 l 协议机制，提出一种与m a r k o v 不同的模型。m a r k o v 模型比较适合对网络整体进行分析研究，仅具有宏观意义；而本文建立的模 型则对各个节点网络性能参数均有效，因而具有微观意义，能够更方便深入 一* 探讨问题，且对各个节点性能进行求和之后，则同时具有宏观意义。 ( 2 ) 多速率多节点情况下产生性能异常问题，同时也导致了网络性能的严重下 降。本文针对这一问题开展了如下研究工作：( a ) 详细分析了多种速率并存时 的性能异常现象；( b ) 提出了基于传输速率的数据包长度调整策略t i 冲s a ， 该策略能够有效解决多速率多节点情况下的公平性问题；( c ) 给出了严格的理 论证明和详细的仿真验证，证实了t r p s a 能实现多速率多节点情况下的公平 性，有效提高网络性能。t i 冲s a 物理实现非常简单方便，仅仅通过编写驱 动程序就能实现，无需对硬件做任何修改，有利于在实际网络中推广应用。 ( 3 ) 服务质量( q o s ) 是无线局域网的一个关键问题。本文在分析i e e e8 0 2 1 lm a c 层q o s 的局限性的同时，对目前已有的i e e e8 0 2 1 1 无线局域网实现区分服 务的q o s 研究策略进行了介绍，并提出了两种解决方案：首先提出了基于时 隙自适应调整的区分服务策略，该策略能够适当拉开各优先级节点的吞吐 量。在此基础上，进一步提出了基于数据包长度自适应调整的区分服务策略， 该策略能够很好的实现吞吐量的区分功能，且该策略易于控制和实现简单等 优点。 4 ) 在i e e e8 0 2 1 l 无线局域网中，由于当节点数量增加，碰撞相应的会增加， 学硕士学浙江理工大位论文 信道利用率下降，总吞吐量不增反降，导致系统性能下降。本文通过深入的 分析该问题产生的根源，设计了一种简单有效的方案一基于节点数量的动态 时隙算法( d s t b n n ) 。然后，通过深入的理论分析，证实了该方法能够有效 的提高系统吞吐量，改善网络性能。最后，采用n s 2 仿真软件，在各种场景 下进行了多次仿真实验，经过对实验结果分析，验证了该算法简单有效。能 够根据节点数量的变化对网络系统性能进行优化，提高了系统吞吐量，显著 改善了网络性能。 关键词：i e e e8 0 2 1 l ；性能异常；多速率传输；公平指数；区分服务 2 学硕士学浙江理工大位论文 p r e f o r m a n c ei m p r o v m e n ts t r a t e g i e si ni e e e8 0 2 1 1w l a n a b s t r a c t t h ei e e e8 0 2 1 ls t a i l d a r dh a sb e e np r o p o s e ds i n c et h em n e t i e so f t h el a s tc e n t l l 够 t h e s es t a l l d a r ds e r i e sd e v e l o pr a p i d l yf o rt h e i rh i 曲r e l i a b i l i t y a n t i - j 猢i n g ，f l e x i b l e m o b i l i 饥1 1 i g hs e c r e c y ，s i m p l ea r r a n g e m e n t a i l dm a i n t e n a n c e t h e ya r ew i d e l yu s e di n t h ee n v i r o n m e n t s 讹c ha r en o te a s yt oa n 加g ew h sa n d 仔e q u e n t l yc h 锄g i n g ，a 1 1 db y t h ew o r l ( e r sw h oh a v en of i x e do f 五c el o c a t i o no rh o m eo 币c eu s e r sw h on e e dt og e t i n f o 咖a t i o ns e i c e n a tb r i n g sp e o p l em u c _ hc o n v e i l i e n c e h o w e v e r ，i e e e 8 0 2 1 1 谢r e l e s sl a n a san e wt e c l l i l o l o g yi sn o tv e 巧m a t u r ea 1 1 d p e 疵c t nh a l sl l i l 筋rp r o b l e m sg a u s e db yp e 怕彻a i l c ea n o m a l y i ti ss h o no f s e i c e d i f r e r e n t i a t i o nf u r l c t i o 璐a n di th a st h ep r o b l e m st i l a t t 1 1 ee n t i r et l l r o u g h p u tw i u d e c r e a s ew h e nt 1 1 en u m b e ro fn o d e si si n 盯e a s i n g o 、析n gt ot h et e d h n o l o g yg e n e r a l l y u s e d ，s i r r l p l es c h e m e s a r em o r ep o p u l a ri np r a c t i c e c o n s i d e r i n gt h i sf a c t o r ，、 p r o p o s eas i m p l ea n d f e a s i b l es c h e m et 0s o l v e 舭p r o b l e mb a s e do nt h ei e e e 8 0 2 1 1 p r o t o c 0 1 o u rm a i n 、o r ka n d i m l o v a t i o n sa r e 嬲f o l l o w ： ( 1 ) 、耽m a l ( ead e e pa n a l y s i sf o ri e e e 8 0 2 1 1p r o t o c o lm e c h a n i s ma n dp r e s e n ta m o d e ld i 氐r e n t 丘o mt h em a r i k o vw h i c hi so n i ya p p r o p r i a t ef o ri n t e g m l l y a i l a l y z i n g 锄ds t u d y i n gt h en e t w o r k t h i sj u s th a sm a c r o s c o p i c a ls e n s e w h i l e t h e m o d e lp r e s e n 钯dh e r ei se 疵c t i v ef o rn e 觚o r k p e 墒衄a n c ep a r 锄e t e r so fe a c h n o d e jh e n c e ，i th a u s 缸c r o c o s m i cs e n s ef o ru st od e e p l yd i s c u s st 1 1 ep r o b l e m m e a n w 埘ei th a sm a c r o s c o p i c a is e n s ea r e ra d d i n ga l lt h ep e r f o 肌a n c e so fe a c h n o d e ( 2 ) t h en e t w o r kp e d o 肌a n c e sw i l lb es e r i o l l s l yd r o p p i n gb e c a u s eo ft h ep e r f 0 衄a n c e a n o m a l y c a u s e du n d e rm em u l t i r a t en o d e sc i r c u m s t a n c e s w ea i ma tt h i s p r o b l e mc a r r y i n go u tm er e s e a r c ha sf o l l o w s ：( a ) 、ea n a l y z et h ep e o 姗a n c e a n o m a l yi nd e t a i lc a u s e db yt h ee x i s t i n gm u l t i - r a t en o d e s ( b ) w ep u tf o 刑a r da t r a n s m i s s i o nr a t ep a c k e ts i z ea d j u s t m e n ts t r a t e g y r p s a ) i tc a l le 疵c t i v e l ys e t t l e t h ef a i m e s si nt h em u l t i r a t ea n dm u l t i n o d ec a l s e ( c ) 、ep r o v i d es t r i c tt h e o d r p r o o fa n ds i m u l a t i o n w - ev e r i 匆t h a tt r p s a c a nr e a l i z et 1 1 ef a i m e s si 1 1t h e 3 学硕士学浙江理工大位论文 m u l t i r a t ea n dm u l t i n o d ec a s ea n da v a i l a b l ye 1 1 l l a n c em en e t w o r kp e r f o r m a n c e s 1 1 1 ep h y s i c a l 舰l i z a t i o no ft r p s ai se a s y 锄ds i m p l e nc a nb ea c l l i e v e db y 州t i l l gt h ed r i v e rb u tn o tc h 锄g i n ga n yh a r d 聊e n e s e m 丽t sm a k et r p s ab e 印tt os p r e a di nr e a ln e t 、o r k ( 3 ) q o s i sq u i t ec r i t i c a lf o rm e 诵r e l e s sl a n w h e nw e 锄m y z et l l eq o sl i r l l i t a t i o n s f o ri e e e8 0 2 1 lm a c ，t h j sp a p e ri n t r o d u c e st h es n a t e g ) ro fq o sw 胁s e r v i c e d i 虢r e n t i a t i o np r o p o s e df o rt h ep r e s e n ti e e e 8 0 2 1 1w i r e l e s sl a na l l dp r o p o s e t 、 ，os o l u t i o n s ：o n ei st l l a ts e r v i c ed i 任- e r e n t i a t i o ns t l a t e g yb a u s e do ns l o ta d a p t i v e a 由u s t m e n t ，w h i c hh a st h e 如n 嘶o nt ou 1 1 d r a wt h et h r o u 曲p u to fe a c hp r i o r i t ) rn o d e o nt h a tb a s i s ，w em r t h e rp u t 南r v 删r ds e r v i c ed i 脆r e n t i a t i o ns t r a t e g yb a s e do nt l l e p a c k e tl e n 舀ha d 印t i v e 砌璐恤e n t 讹c hc 距i m p l e m e n tt h r o u 曲p u td i v i s i o n a l 如n c t i o n a n dt h et a c t i c si se 邪yt oc o n t r o la l l di m p l e i n e n t ( 4 ) i ni e e e8 0 2 1 1w i r e l e s sl a n ，b e c a u s ew h e nt h em l m b e ro fn o d ei n c r e a s e s ， c o l l i s i o nw i l la c c o r d i i l g l yi n c r e a u s e ，m eu t i l i z a t i o nr a t eo fm ec h a m l e l sw i ud r o p a n dm et o t a l 让l r o u g h p u tw o n ti n c r e a s eb ml o 、v e r t h e s ec a l ll e a dt 0t h es y s t e m p e 墒舯a n c ed e c l i n e sp 印e rd e s i g n sad y n 锄i c s 1 0 tn m eb a s e do nn u m b e r o fn o d e s ( d s t b n n ) t h e n ，t h r o u 曲i n d e p mt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w ev e r i 母t h a t m em e t h o dc a ne f i b c t i v e l yi m p r o v et l l es y s t e mm r o u 曲p u ta 1 1 dt h en e 锕o r k p e 渤m a n c e s f i n a l l y ，w ea d o p tn s 2s i m u l a t i o ns o r w a r e a 1 1 dh a v ec a r r i e do nt h e s i m u l a t i o nm a n yt i m e s抽v 撕o u ss c e i l a l r i o s b a s e do nt h ea i l a l y s i so f e x p e r i n l e l n a lr e s u l t s 、es h o wt h a tt 1 1 i sm e t h o di ss i m p l ea n de 脏c t i v e i tc a j l o p t i m i z et h en e 帆o r kp e 怕n 1 1 锄c e sb a s e do nt h ec h a i l g e a b l en u m b e ro fn o d e s i t c a ns i g n i f i c a n t l yi m p r 0 v et h es y s t e mt h r o u 曲p u ta n dn e 似o r kp e r f 0 肿a n c e s k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 1 1 ，p e r f o 加a n c ea j l o m a l y ，m u l t i r a t e 仃a 1 1 s m i s s i o n ，f a i m e s s i n d e x ，s e r v i c ed i f | f e r e n t i a t i o n 4 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 计算机网络与通信技术在实际中得到广泛的应用，为人们生产和生活带来极 大的便利，己成为人们生活中必不可少的组成部分。随着局域网的应用范围不断 拓宽和现代通信方式的不断更新，尤其是移动和便携式通信的崛起，无线局域网 ( w i r e l e s sl o c a l 舡e an e t 、0 r k ，w l a n ) 应运而生。该技术采用无线电磁波作为传 输煤质，无需复杂和造价昂贵的基础设施，无需布线，在能保持现有局域网高速 率的优点，同时可灵活地组成可移动的局域网。 在目前众多无线局域网技术标准中最成功的是i e e e8 0 2 1 1 系列标准。该 标准自上世纪九十年代提出以来，因其简单和可靠的优点，得到了迅速的发展。 在过去的二十年中，i e e e8 0 2 1 l 无线局域网技术，由于其具有抗干扰性强、高 移动性、保密性好、部署与维护简单等优点得到了飞速的发展成长，在突发性较 高、变动频繁、以及不方便架设网络的情况下，不失为最优点选择，在布线困难 的环境、高峰时间段所需的暂时局域网、变动频繁的环境、无固定办公地点的工 作者或家庭办公用户需要得到信息服务等领域得到广泛应用。随着无限局域网技 术标准的统一、带宽持续增加和成本不断降低，其在全球得到广泛使用。 i e e e8 0 2 1 1 系列标准已经进入广泛普及使用阶段。2 0 0 9 年付诸实现的 i e e e8 0 2 1 1 n 技术标准更是以其接近6 0 0 m b it s 的理论速率让i e e e8 0 2 1 l 标 准打开了更加广阔的市场。基于i e e e8 0 2 1 1 技术标准的无线局域网现在己经 在教学楼、图书馆、办公楼、展览厅、医院、候机厅和咖啡店等热点场所普遍应 用。目前全球已经大约有四十多个城市实现了无线网络覆盖，如台北、巴黎、纽 约、香港和新加坡等。据估计到2 0 1 1 年，全世界城域无线宽带网络的覆盖面积 将超过三十万平方公里，总共涉及一千五百多个城市。在无线宽带网络的最后一 百米接入技术中，其中以i e e e8 0 2 1 1 技术为核心的w i f i 无线网络技术占据 了绝大部分乜j 1 。 全球无线局域网设备销售收入在2 0 0 4 年为1 0 0 亿美元，2 0 0 8 年增长到4 4 0 亿美元，年增长率为4 4 。目前全球范围无线局域网热点数量已经超过了6 5 0 0 0 个，美国的无线热点区域数量位于全球首位，超过了2 1 0 0 0 个，伦敦也超过了 浙江理工大学硕士学位论文 1 2 0 0 个。同时，在无线设备的销售份额上，2 0 0 7 年全世界的w i f i 芯片销售总 量达到3 亿片，预计到2 0 1 2 年全球w i f i 芯片的销量将突破1 0 亿片。中国正 逐渐成为各类技术产品和消费电子产品的一个重要市场，其中w i f i 产品也不例 外。一个日趋成熟的w i f i 产品和服务市场开始在中国酝酿成熟，预计未来几年 还将持续加速发展。截至2 0 0 8 年，非内置w i f i 设备( a p 、外部p c i 卡等等) 达 到1 0 0 亿人民币。中国具有w i - f i 功能的笔记本电脑、电话和消费电子设备的出 货量也呈现出显著的增长h 1 。 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网正在融入我们的生活，除了传统的电脑接入外，现 在越来越多的计算设备，特别是移动便携式设备，都利用w i f i 网络获取网络 连接，包括手机、游戏机、打印机、照相机和t v 等。用户不仅利用w i f i 网 络来上网获取传统意义上的信息，例如浏览网页或者下载文件， 同时w i f i 网 络也开始被用来获取更多其他类型的服务，例如多媒体点播、v oi p ( v o i c eo v e r i p ，网络电话) 以及g i s ( g e o g r a p h i ci n f o 硼a t i o ns y s t e m ，地理信息系统) 服务等。用户也不再满足于在某一固定位置享受接入服务，他们希望在任何时间 任何地点，甚至在移动的车辆中，都能使用w i h f i 网络。新的服务的出现给w i f i 网络的发展提供了新的刺激和动力，同时也提出了新的要求和挑战陆1 。 1 2 国内外研究现状 目前，无线接入有多种实现途径和标准，如i e e e 8 0 2 1 1 系列标准、h i p e r l a n 畸1 系列标准、”蓝牙 标准、产业集团标准( 包括o p e n a i r 和h o m e r f ) 等，这些标准 相互竞争、不断融合，正推动无线技术的迅速发展。 无线局域网是指采用无线传输媒体的计算机局域网。i e e e8 0 2 1 l 系列是现 今最重要的无线接入技术。1 9 9 7 年，i e e e 委员会确定i e e e8 0 2 1 l 作为第一个 国际认可的无线局域网标准。该标准定义物理层和媒体访问控制规范，允许无线 设备制造商建立互操作网络设备。为了增加吞吐量，i e e e 委员会还专门成立了 两个工作组来研究i e e e8 0 2 1 l 的改进方案。 工作组b 研究2 4 g h z 频段上更为复杂的扩频技术。1 9 9 9 年9 月发布的 8 0 2 1 l b 标准可以把原始数据率提高到l l m b i t s 。它支持点到点和点到多点的连 接，并支持从点到多点体系结构派生出的构架模式。工作组a 研究5 g h z 频段， 数据率达到5 4 m b i t s 的范围。8 0 2 1 l a 于1 9 9 9 年经i e e e 批准出台，其目的在 2 浙江理工大学硕士学位论文 于创立能够跨越多种物理编码类型、频率和应用的标准技术。 2 0 0 1 年1 1 月1 5 日，i e e e 标准委员会试验性地批准了一种新的技术标准 8 0 2 1 l g ，2 0 0 3 年9 月，该标准获得正式批准。这是一种混合标准，既适应传统 的8 0 2 1 1 b 标准，在2 4 g h z 频段下提供最高1 1 m b i t s 传输速率，又符合8 0 2 1 1 a 标准，可以在5 g h z 频段下提供5 4 m b i t s 传输速率。它利用8 0 2 1 1 a 的正交频分 复用( 0 f d m ，0 r t h 0 9 0 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 ) 作为主流调制技术， 在2 4 g h z 频段内提供8 0 2 1 1 a 的数据率，在8 0 2 1 l b 与8 0 2 1 l a 这两个互相不 兼容的标准之间提供连接，这样就能使以前无法互通或不兼容的两个w l a n 标准 实现融合，有利于开发多模w l a n 产品。 2 0 0 9 年9 月1 1 日，8 0 2 1 l n 获得i e e e 标准委员会批准。由于该标准将 0 f d m ( 频分复用) 和m i m 0 ( 多入多出) 技术相结合，而采用新的m i m 0o f d m 技术。 目前8 0 2 1 l a 及8 0 2 1 1 9 最大传输速率为5 4 m b i t s ，8 0 2 1 1 n 提供的传输速率达 到3 0 0 m b i t s 。 i e e e8 0 2 1 1 作组正致力于增强媒体访问控制，推出了一系列i e e e8 0 2 1 l 扩展标准：， 木i e e e 8 0 2 1 l d 口1 ，是对8 0 2 1 l 的补充，它使接入点能够用可接受的功率电 平，在允许的信道上对用户装置传送信息。鉴于5 g h z 频段的使用在不同的 一国家差别很大，8 0 2 1 l d 的诞生将有利于提高这一频段的使用率； ；i ：i e e e 8 0 2 1 l e 细化以改善q o s ，并增强安全性和效能，目的在于改进和管理 w l a n 的服务质量，保证能在8 0 2l l 无线网络上进行音频、视频的传输、媒 体流的传送、增强的安全应用及移动访问应用等； 术i e e e 8 0 2 1 1 f 陋1 ，定义了访问节点之间的通讯，为漫游等功能规定接入点间 的协议，对接入点提供必需的信息交换，并大大增强不同厂商接入点的互 通性； 术i e e e 8 0 2 1 i h 主要满足欧洲管理机构的需求，增强5 g l z 波段的m a c 规范及 高速物理层规范，对工作在这一频段装置提供动态信道选择( d c s ) 和传输功 率控制( t p c ) ，增强信道能源测度和报告机制，以便改进频谱和传送功率管 理： ：i c i e e e 8 0 2 1 1 i 跚，加入安全相关内容，采用8 0 2 1 x 和高级加密标准( a e s ) 浙江理工大学硕士学位论文 等技术，以克服m a c 层上w e p 保密机制薄弱的问题； 术i e e e 8 0 2 1 l j 致力于在5 g 频段的全球化，主要针对i e e e ，e 1 s ih i p e r l a n 2 ， a r i b 等不同标准； 木i e e e 8 0 2 1 l k 主要针对w l a n 与其它网间的漫游，以及8 0 21 l 产品与蓝牙等 其它w l a n 产品的共存问题； 木i e e e 8 0 2 1 1 n 具有更高的吞吐量。这一全新w l a n 标准的性能大约是当前 i e e e8 0 2 1 l 解决方案的三倍，从而使得用户能够在指定时间内无线传输更 多数据。 而我国国内，早在2 0 0 3 年5 月1 2 日，信息产业部报送国家标准化管理委员 会正式颁布了由“中国宽带无线i p 标准工作组”( w w w c h i n a b w i p s o r g ) 负责起 草的无线局域网两项国家标准信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城 域网特定要求第1 1 部分：无线局域网媒体访问( m a c ) 和物理( p h l f ) 层规范、信 息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第1 l 部分：无线局 域网媒体访问( m a c ) 和物理( p h y ) 层规范：2 4 g i l z 频段较高速物理层扩展规范， 二 分别对应于国际标准8 0 2 1 1 和8 0 2 1 1 b 。正式颁布的无线局域网国家标准，在 原则采用国际标准i s o i e c 8 8 0 2 1 1 和i s o i e c 8 8 0 2 1 l b 前提下，在充分考虑和 兼顾无线局域网产品互联互通的基础上，针对无线局域网的安全问题，给出了技 术解决方案和规范要求。 1 3 本文的主要研究内容和创新点 本文主要是在深入分析i e e e8 0 2 1 1 协议性能的基础上，针对其性能异常产 生的不公平问题、缺乏区分服务功能和节点数量增加时吞吐量减少等问题，一一 提出解决方案。本文的主要研究内容和创新如下： ( 1 ) 深入分析了i e e e8 0 2 1 1 协议，建立一种与传统m a r k o v 不同的模型，传统 的m a r k o v 模型只适合网络整体进行研究分析，仅具有宏观意义；而本文建 立的模型则对各个节点网络性能参数均有效，因而具有微观意义，能够更方 便深入探讨问题，且对各个节点性能进行求和之后，则同时具有宏观意义。 ( 2 ) 为了提高无线网络的可靠性与鲁棒性，i e e e8 0 2 1 l 利用多种调制和编码方 法，提供多种传输速率的支持。无线节点可以根据环境中的干扰和噪声等情 况，动态调整传输速率，以获得较高的传输性能。但是，当同一网络中存在 4 浙江理工大学硕士学位论文 多种传输速率时，会导致不公平性问题，严重影响系统性能。h e u s s e 于2 0 0 3 年指出，在i e e e8 0 2 1 l 无线网络多种传输速率并存时，会产生性能异常现 象( p e r f o r m a n c ea n o m a l y ) n 们，即不同传输速率的节点所取得的吞吐量却是 相等的。出现这一现象的根源在于c s m a c a 机制。在较长时间内，c s m a c a 均等地提供给每个节点与a p ( a c c e s sp o i n t ) 通信的机会，即在相同的时间内 每个节点发送或接受的数据包数目是相等的，且数据包长度相同，故每个节 点的吞吐量是相等的。但是，传输速率慢的节点每传输一个数据包占用无线 信道的时间远远大于传输速率快的节点，这样对传输速率快的节点非常不公 平，同时也导致了网络性能的严重下降。因此，解决i e e e8 0 2 1 1 在多种速 率并存时的公平性问题显得尤为迫切。本文针对这一问题开展了如下研究工 作：( a ) 分析了多种速率并存时的性能异常现象；( b ) 提出了基于传输速率的 数据包长度调整策略t r p s a ( t r a n s m is s i o nr a t e _ b a s e dp a c k e t s i z e a d j u s t m e n t ) ，以解决多速率多节点情况下的公平性问题；( c ) 给出了严格的 理论证明和详细的仿真验证，证实了t r p s a 能实现多速率多节点情况下的公 平性，有效提高网络性能。需要指出的是，t r p s a 的显著优势在于仅需要在 8 0 2 1 1 基础上作细小修改，即根据传输速率来相应调整数据包长度，其物理 实现非常简单方便，仅仅通过编写驱动程序就能实现，无需对硬件做任何修 改，有利于在实际网络中推广应用。 ( 3 ) 服务质量( q o s ) 是无线局域网的一个关键问题。由于无线局域网的迅速发 展，i n t e r n e t 变得越来越复杂，在无线网络中，带宽资源紧张，信道状况不 确定，误码率较高。因而，无线网络中的q o s 尤为重要。在分析i e e e8 0 2 1 1 m a c 层q o s 的局限性的同时，对目前己有i e e e8 0 2 1 l 无线局域网实现区分服务 的q o s 研究策略进行了介绍，并提出了两种解决方案：首先提出了基于时隙 自适应调整的区分服务策略，该策略能够适当拉开各优先级的吞吐量的功 能，在此基础上，进一步提出了基于数据包长度自适应调整的区分服务策略， 能够很好的实现吞吐量的区分功能，且该策略易于控制和实现简单等优点。 ( 4 ) 在i e e e8 0 2 1 1 无线局域网中，由于当节点数量增加，碰撞相应的会增加， 信道利用率下降，总吞吐量不增反降，导致系统性能下降。本文通过深入的 分析该问题产生的根源，本文设计了一种简单有效的方案一基于节点数量的 5 浙江理工大学硕士学位论文 动态时隙算法d s t b n n ( d y n a m i cs l o tt i m eb a s e do nn u m b e ro fn o d e s ) 。然 后，通过深入的理论分析，证实了该方法能够有效的提高系统吞吐量，改善 网络性能。最后，利用n s 2 仿真软件，本文在各种场景下进行了多次仿真实 验，经过对实验结果分析，验证了本文算法简单有效，对i e e e8 0 2 1 1 改动 较小，适合在无线网络中使用。能够基于节点数量的变化对网络系统性能进 行优化，提高了系统吞吐量，显著改善了网络性能。根据节点数量和密度， 通过动态的调整时隙，降低了碰撞概率，相应的提高了网络总吞吐量，有效 达到了改善网络性能的目的。 1 4 论文组织结构 论文共分六个章节，具体结构如下： 第一章，绪论。本章主要介绍i e e e 8 0 2 1 1 标准发展情况及国内外研究情况， 并说明了本论文研究的研究背景、目的意义，研究内容以及创新点等。 第二章，无线局域网介绍及性能分析。首先介绍了i e 髓8 0 2 1 1 系列协议， 然后着重分析介绍i e e e8 0 2 1 l 工作方式、物理层、数据链路层、连接、蜂窝 结构和漫游；最后对i e e e 8 0 2 1 1 标准存在的问题进行了简要分析。 第三章，多速率多节点时间公平的数据包长度调整策略。本章首先分析了 多种速率并存时的性能异常现象，然后提出了基于传输速率的数据包长度调整策 略t r p s a ，以解决多速率多节点情况下的公平性问题；最后给出了严格的理论 证明和详细的仿真验证。 第四章，i e e e8 0 2 1 1 无线局域网区分服务性能研究。本章首先分析i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层q o s 的局限性的同时，并提出了两种解决方案：首先提出了基于时 隙自适应调整的区分服务策略，进一步提出了基于数据包长度动态调整的区分服 务策略，最后进行了理论证明和仿真验证。 第五章，基于节点数量的动态时隙算法。本章介绍在i e e e8 0 2 1 1 无线局域 网中，由于当节点数量增加，总吞吐量减少问题。本文设计了一种简单有效的方 案一基于节点数量的动态时隙算法( d s t b n n ) 。最后通过深入的理论分析和仿 真，证实了该方法能够有效的提高系统吞吐量，改善网络性能。 第六章，总结与展望。总结与分析了本文所做的工作，指出了论文的不足之 处，若提出了下一步工作及研究方向。 6 浙江理工大学硕士学位论文 第二章i e e e8 0 2 1 l 无线局域网介绍及性能分析 2 1 无线局域网系列协议介绍 无线局域网是指以无线电波、红外线等无线媒介来代替目前有线局域网的 传输媒介( 比如电缆) 而构成的网络。无线局域网内使用的通信技术覆盖范围一般 为半径1 0 0 m 左右，也就是说差不多几个房间或公司的办公室。当然实际的覆盖 范围受很大因素影响，比如通信区域中的高大障碍物。 i e e e8 0 2 1 1 系列标准是i e e e 制订的无线局域网标准，主要对网络的物理层 和媒质访问控制层进行规定，其中重点是对媒质访问控制层的规定。目前该系列 的标准有：i e e e 8 0 2 1 l 、i e e e8 0 2 1 1 b 、i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 1 9 、i e e e8 0 2 1 1 d 、 i e e e8 0 2 1 l e 、i e e e 8 0 2 1 1 f 、i e e e8 0 2 1 1 h 、i e e e8 0 2 1 l i 、i e e e8 0 2 1 1 j 等，其 中每个标准都有其自身的优势和缺点。 首先，就i e e e 已经制订且涉及物理层的4 种i e e e8 0 2 1 l 系列标准：i e e e 8 0 2 1 l 、i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 1 b 和i e e e8 0 2 1 l g 进行简单介绍。然后简要介 绍了i e 髓8 0 2 1 1 系列其他协议。 1 i e e e8 0 2 1 1 i e e e8 0 2 1 1 是最早提出的无线局域网网络规范，是i e e e 于1 9 9 7 年6 月推 出的，它工作于2 4 g h z 的i s m 频段，物理层采用红外、跳频扩频( f r e q u e n c y h o p s p i n gs p r e a d s p e c t m m ，f h s s ) 或直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t m m ，d s s s ) 技术，其数据传输速率最高可达2 m b i 魄，它主要应用于解决办 公室局域网和校园网中用户终端等的无线接入问题。使用f h s s 技术时，2 4 g h z 频道被划分成7 5 个l m h z 的子频道，当接收方和发送方协商一个调频的模式， 数据则按照这个序列在各个子频道上进行传送，每次在i e e e8 0 2 1 l 网络上进行 的会话都可能采用了一种不同的跳频模式，采用这种跳频方式避免了两个发送端 一同时采用同一个子频段；而d s s s 技术将2 4 g 的频段划分成1 4 个2 2 m h z 的 子频段，数据就从1 4 个频段中选择一个进行传送而不需要在子频段之间跳跃。 由于临近的频段互相重叠，在这1 4 个子频段中只有3 个频段是互不覆盖的。i e e e 7 浙江理工大学硕士学位论文 8 0 2 1 l 由于数据传输速率上的限制，在2 0 0 0 年也紧跟着推出了改进后的i e e e 8 0 2 1 l b 。但随着网络的发展，特别是i p 语音、视频数据流等高带宽网络应用的 需要，i e e e8 0 2 1 l b 只有1 1m b i 讹的数据传输率不能满足实际需要。 2 m e e8 0 2 1 l a i e e e8 0 2 1 1 a 工作于5 g h z 频带，但在美国是工作于u 堋i 频段，即5 1 5 5 2 5 g h z 、5 2 5 5 3 5 g h z 、5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 三个频段范围，其物理层速率可达 5 4m b i t s ，传输层可达2 5 m b i 讹。i e e e8 0 2 1 l a 的物理层还可以工作在红外线频 段，波长为8 5 0 9 5 0 纳米，信号传输距离约1 0 m 。i e e e8 0 2 1 l a 采用正交频分 复用( o f d m ) 的独特扩频技术，并提供2 5 m b i t s 的无线a t m 接口和1 0 m b i t s 的 以太网无线帧结构接口，支持语音、数据、图像业务。i e e e8 0 2 1 l a 使用正交频 分复用技术来增大传输范围，采用数据加密可达1 5 2 位的w e p 。 就技术角度而言，i e e e8 0 2 1 1 a 与i e e e8 0 2 1 1 b 之间的差别主要体现在工作 频段上。由于i e e e8 0 2 1 l a 工作在与i e e e8 0 2 1 1 b 不同的5 g h z 频段，避开了大 量无线电子产品广泛采用的2 4 g h z 频段，因此其产品在无线通信过程中所受到 的干扰大为降低，抗干扰性较m e e8 0 2 1 1 b 更为出色。高达5 4 m b i 佻数据传输 带宽，是i e e e8 0 2 1 1 a 的真正意义所在。当i e e e8 0 2 1 1 b 以其l l m b i t s 的数据 传输率满足了一般上网浏览网页、数据交换、共享外设等需求的时候，i e e e 8 0 2 1 l a 已经为今后无线宽带网的高数据传输要求做好了准备，从长远的发展角 度来看，其竞争力是不言而喻的。此外，i e e e8 0 2 1 l a 的无线网络产品较 i e e e 8 0 2 1 1 b 有着更低的功耗，这对笔记本电脑及p d a 等移动设备来说也有着 重大实用价值。 然而在i e e e8 0 2 1 l a 的普及过程中也面临着很多问题。首先，来自厂商方面 的压力。i e e e8 0 2 1 l b 己走向成熟，许多拥有i e e e8 0 2 1 1 b 产品的厂商会对i e e e 8 0 2 1 1 a 都持保守态度。从目前的情况来看，由于这两种技术标准互不兼容，不 少厂商为了均衡市场需求，直接将其产品做成了“a + b 的形式，这种做法虽然 解决了“兼容 问题，但也使得成本增加。其次，由于相关法律法规的限制，使 得5 g h z 频段无法在全球各个国家中获得批准和认可。5 g h z 频段虽然令基于 i e e e 8 0 2 1 1 a 的设备具有了低干扰的使用环境，但也有其不利的一面，由于太空 中数以千计的人造卫星与地面站通信也恰恰使用5 g h z 频段，这样它们之间产生 8 浙江理工大学硕士学位论文 的干扰是不可避免的。此外，欧盟也己将5 g h z 频率用于其自己制订的h i p e r l a n 无线通信标准。 3 i e e e8 0 2 1 1 b i e e e8 0 2 1 l b 又称为w i f i ，是目前最普及、应用最广泛的无线标准。i e e e 8 0 2 11 b 工作于2 4 g h z 频带，物理层支持5 5m b i 低和11m b i 以两个速率。i e e e 8 0 2 1 l b 的传输速率会因环境干扰或传输距离而变化，其速率在lm b i 以、2 m b i 讹、5 5m b i 讹、1 1m b i 佻之间切换，而且在1m b i 以、2m b i 低速率时与i e e e 8 0 2 1 l 兼容。i e e e8 0 2 1 1 b 采用了直接序列扩频d s s s 技术，并提供数据加密， 使用的是高达1 2 8 位的有线等效保密协议( w i r e d e q u i v a l e mp r i