（通信与信息系统专业论文）基于wlan信标的连续时钟同步算法研究及实现.pdf

上海大学硕十学位论文 摘要 无线局域网是目前使用最广泛的宽带接入网络之一。与以太网相比，它具 有移动性、灵活性、可伸缩性和经济性等优点。无线局域网现有的同步机制很 好的满足了异步通信对定时同步的需求。但是，无线工业控制等实时业务对无 线局域网的实时性和可靠性提出了更高的要求。当无线局域网用于承载这种实 时业务时，必须制定时钟同步的传输机制，以便提高实时业务的传输质量。 本文主要围绕无线局域网中时钟同步的关键问题进行了理论和实验研究， 从无线局域网及其m a c 层的功能开始讲起，对网络中定时信号的传输与恢复 问题进行了研究，通过对现有同步方法的分析总结提出了连续时钟同步算法。 本文的主要内容和贡献如下： 首先论述了无线局域网及其m a c 层功能和定时同步功能。无线局域网的 标准有很多，目前主流的是i e e e8 0 2 1 1 系列无线局域网标准。本文的研究就是 基于i e e e8 0 2 1 1 无线局域网协议标准的。在介绍了w l a n 协议体系和拓扑结 构的基础上，详细介绍了m a c 层的接入控制功能及i e e e8 0 2 1 1w l a n 现有 的时钟同步协议，即定时同步功能。 然后研究了基于无线局域网信标的连续时钟同步方法。简述了时钟模型和 软件时钟同步的概念，在此基础上提出了基于w l a n 信标的连续时钟同步算 法，该算法的特点是利用了信标时戳作为公共参考时钟，控制s t a 软件时钟逐 步靠近a p 定时主时钟，实现连续时钟同步。这部分还对所提出的连续时钟同 步算法在容错性能、抗信标延迟能力等方面进行了理论分析和n s 2 软件仿真， 仿真结果证明了所提出的连续时钟同步算法能满足工业自动化的实时信号传输 要求。 文章最后介绍了如何在硬件上实现连续时钟同步算法。首先介绍了开发板 的功能和设计原理，然后详细讲解了硬件各组成模块的实现和软件设计方法。 关键词：无线局域网，连续时钟同步，信标，定时同步功能 上海人学硕士学位论文 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 【删) i so n eo ft h em o s tp r e v a l e n tb r o a d b a n da c c e s s n e t w o r k su s e di nt h ew o r d c o m p a r e dt oe t h e m e t ，i th a st h ea d v a n t a g e so fm o b i l i t y , f l e x i b i l i t y , s c a l a b i l i t ya n de c o n o m y t h es y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s mo fw l a nm e e t st h en e e d so f a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nw e l l h o w e v e r , al o to fr e a l - t i m es e r v i c e s ，s u c ha sw i r e l e s s i n d u s t r i a lc o n t r o lh a v eah i g h e rd e m a n di nr e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t y a n do n c ei ti su s e dt ob e a r s u c hr e a l - t i m es e r v i c e s ，t h es e r v i c ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o ns h o u l db ec o n s i d e r e da n dw e l ld e f i n e d i nt h ew l a n ，8 0t h a ts o m er e a l - t i m es e r v i c ea n dt i m es e n s i t i v ea p p l i c a t i o nc o u l db eg u a r a n t e e d w i t h o u ta n yq u a l i t yd e g r a d a t i o n t h e o r i e sa n de x p e r i m e n t sa b o u tt h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o no v e rw l a nh a v eb e e ns t u d i e d i nt h i st h e s i s b e g i n n i n gw i t hw l a na n di t sm a c ，t h ec l o c kt r a n s m i s s i o na n dr e c o v e r yo f s y n c h r o n o u ss i g n a lo v e rw l a nh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d a f t e rt h ea n a l y s i z i n go fe x i s t i n g m e t h o d so fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，t h ec o n t i n u o u sc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do n w l a ni sp r e s e n t e d t h ec o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： a m o n gt h es t a l l d a r d so fw l a n ，i e e e8 0 2 1ls e r i e ss t a n d a r di st h em o s tp o p u l a ro n e t h e c l o c ks y n c h r o n i z a t i o nd i s c u s s e dh e r ei se x a c t l yb a s e do nt h ei e e e8 0 2 11s e r i e sw l a n p r o t o c 0 1 a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no fa r c h i t e c t u r ea n dt o p o l o g yo ft h ep r o t o c o l ，t h em a ca n dt s fo fi e e e 8 0 2 11w l a na r ei n t r o d u c e di nd e t a i l h o w e v e r , t h e “b e s t - e f f o r t t r a n s m i s s i o np o l i c yi ni e e e 8 0 2 1l p r o t o c o lh a ss o m ed r a w b a c k sf o rt r a n s m i t t i n gr e a l - t i m es e r v i c e an e wc l o c k s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nw l a ns h o u l db es t u d i e ds ot h a tt h ep e r f o r m a n c eo f r e a l - t i m ea p p l i c a t i o n sc o u l db ei m p r o v e di nw l a n t h es e c o n dp a r tf o c u s e so nc o n t i n u o u sc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nw l a n b e a c o n s o m ec o n c e p t sa b o u tc l o c km o d e la n ds o , w a r ec l o c ka r eb r i e f l ye x p l a i n e d b a s e do n t h e s ec o n c e p t i o n s ，ac o n t i n u o u sc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d t h et i m e s t a m pi n b e a c o nf r a m eo fw l a n sm a ci st r e a t e da sac o m m o n t i m i n gc l o c ki nt h ef i e l d ，a n da l ld e v i c e s w h i c hs h o u l db es y n c h r o n i z e dw i l la c c o m m o d a t et h e i ro w nc l o c kt ot h et i m es t a m p si s s u e db ya n i l 上海大学硕士学位论文 a pi nw l a n at h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn s 2s i m u l a t i o no ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi nt h ec a g eo f b e a c o np a c k e tl o s sa n dd e l a yo c c u r r e di sg i v e ni nt h i sp a r t a sar e s u l t ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mo f c l o c ks y n c h r o n i z a t i o nc a nm e e tt h et i m i n gr e q u i r e n n e n to fl o wb i tr a t ei n d u s t r i a ls i g n a l t h ei m p l e m e n to ft h ep r o p o s e dc o n t i n o u sc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi si n t r o d u c e da t t h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n s o m eh a r d w a r ed e s i g np r i n c i p l e sa n db l o c k d i a g r a m sa r es h o w n ，a n d t h ed e s i g nm e t h o d sf o re a c hs o f t w a r em o d u l ea r ee x p l a i n e di nd e t a i l k e y w o r d s ：w l a n ，c o n t i n u o u sc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，b e a c o n ，t s f i 上海大学硕上学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：栖登随日期：兰攀丘绸臼 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘盖随导师签名： 避日期：耋磁墨：乡 l i 上海人学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 晟早出现的无线局域网( 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 ) 可认为是 夏威夷大学于1 9 7 1 年开发出的、基于封包技术的a l o h a n e t ，它采用无线电波 替代电缆线，克服了由于地理环境因素而造成的布线困难。1 9 7 9 年，瑞士i b m r u e s c h l i k o r t 实验室的g f e l l e r 首先提出了无线局域网的概念，他采用红外线作为 传输媒体，用于解决生产车间里的布线困难，避免大型机器的电磁干扰。但是 由于传输速率小于lm b s 而没有投入使用。1 9 8 0 年，c a l i f o r n i a 惠普实验室( h p p a f oa l t ol a b s ) 的f e r r e r t 从事了第一个真正意义上的无线局域同项目的研究。 在这个项目中，传输媒介为9 0 0 m h z 频段的无线电波用声表面波器件实现了 直接序列扩频( 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 ，d ss s ) 调制，传输速率可达 1 0 0 k b s m a c 层的接入方式为载波侦听多址接入( c s m a ) ，这也是现有的i e e e 8 0 2 11 系列标准中m a c 协议的基础。1 9 8 5 年，f c c 颁布的电波法规为无线局 域网的发展扫清了道路。它为无线局域网系统分配了两种频段：一种是专用频 段，这个频段避开了比较拥挤的用于蜂窝电话和个人通信服务的1 2 g h z 频段， 而采用更高的5 g h z 频率；另- 一种是免许可证的i s m 频段，它在无线局域网的 发展历史上发挥了重要作用。 从此阻后，无线局域网步入了快速发展时期。1 9 9 2 年，工作在2 4 g h z 频 段上的w l a n 产品问世，之后的大多数w l a n 产品也都在此频段上运行。1 9 9 7 年6 月，i e e e 推出了第一代w l a n 标准i e e e8 0 2 1 1 ( 1 9 9 7 版) 1 1 1 。1 9 9 9 年，i e e e 正式颁布了i e e e8 0 2 1l b l 2 1 和i e e e8 0 2 1la 1 3 】无线局域网标准。由于 工作频段和物理层调制方式的不同，i e e e8 0 2 1l a 不能兼容i e e e8 0 2 1l b 的产 品。同时，5 g h z 的频段在许多国家还没有获得正式批准，而11 m b s 的传输速 率满足不了视频服务带宽的需求。2 0 0 3 年，i e e e 颁布了i e e e8 0 2 + 1 1 9 1 4 1 无线局 域网标准。它允许通过的最大传输速率为5 4 m b s ，但仍工作于2 4 g h z 频段， 上海大学碗上学位论文 与i e e e8 0 2 1 l b 标准兼容。 在过去的几年里，i e e e8 0 2 1 1 b g 无线网络得到了广泛的认可。此后的i e e e 8 0 2 1 1 工作组先后在p h y 层、m a c 层范畴内扩展了协议的适用范围，如强化 安全的i e e e8 0 2 1li 扪，让多媒体应用更流畅的i e e e8 0 2 11 e 1 6 1 ，适合移动车辆 间使用的i e e e8 0 2 1 l p 。2 0 0 3 年起。i e e e8 0 2 i i 组织开始了i e e e8 0 2 1i n 7 1 标 准的制订工作，设定了一个传输速率最高6 0 0 m b s ，数据吞吐率在m a cs a p 处突破1 0 0 m b s 的目标【s 】，并支持i e e e8 0 2 1 i eq o $ 标准 9 1 。 与此同时，其他标准化组织或公司也提出了各自的无线局域网标准，比如 h i p e r l a n 2 、h o m e r f 、l r d a 和蓝牙( b l u e t o o t h ) 。 与以太网相比，无线局域网突破传统以太网传输介质的束缚。彻底改变着 人类的生活方式，成为宽带接入网络中重要的组成部分。它具有以下优点：l 移动性。无线局域网中两个站点间的距离目6 订可达到5 0 k i n ，能够为用户提供实 时的无处不在的网络接入功能，使用户可以很方便地获取信息。2 灵活性。安 装方便，使用简便，组网灵活，无线局域网可以将网络延伸到线缆无法连接的 地方，并可方便地增减、移动和修改设备。3 。可伸缩性。在适当的位置放置或 添加接入点就可以满足扩展组网的需要。4 经济性。无线局域网可用于物理布 线困难或不适合进行物理布线的地方，如危险区和古建筑等场合，节省了缆线 及其附件的费用：省去了布线工序，可快速组网，可以节省人员费用，并能将 网络快速投入使用，提高了经济效益；对于临时需要网络的地方，无线局域网 可以低成本地快速实现；对于需要频繁重新布线或更换地方的场合，无线局域 网可以节省长期费用。 i e e e8 0 2 1 1w l a n 以其技术成熟、价格低廉己成为使用最广泛的无线局域 网标准。在自动控制领域，基于无线局域网的无线工业控制网络通信体系正在 形成 埔】。由于工业控制对实时性和可靠性的要求较高，w l a n 自有的同步算法 不能满足建立在其上的应用层业务的定时需求【l 。本论文研究的连续时钟同步 算法能提供具有容错能力的精密时钟，为提高无线工业控制的实时性提供手段。 2 上海人学硬士学位论文 1 2 无线局域网中定时同步的应用需求 无线局域网是以i n t c r n e t 和无线数据基础结构为中心的、面向数据的数据网 络基础结构，采用“尽力而为”的方式进行异步通信。无线局域网自有的定时 同步功能( t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nf u n c t i o n ，t s f ) 很好地满足了异步通信对定 时同步的要求。但是，无线局域网不强调系统的实时性和可靠性，难以胜任无 线工业控制的需求。若想用无线局域网来传输工业控制信号必须解决无线局域 网的时钟同步问韪。 在工业控制领域中，随着控制系统规模的不断扩大，被控制对象、测控装 置等物理设备地域分散性也越来越明显，集中控制系统已经不能满足发展的要 求。因此，必须在现场总线外寻找其他途径以求解决扩展性和兼容性的问题。 无线局域网可以利用现有的无线移动通讯技术，在计算机网络通讯技术的支持 下，结合利用现有的现场总线系统，实现一种在工厂的现场设备层的具有无线 移动接入能力的、能传输多媒体信息的高性能无线现场总线，以解决工业环境 下的诸如移动对象，危险环境对象与传统的有线连接对象之间的符合工业级实 时要求的、可靠的、兼顾多媒体大容量数据的通信和控制问题。 值得一提的是在国家科技部“8 6 3 计划的支持下，我国第一个自主知识产 权的现场总线国家标准用于工业测量与控制系统的e p a 通信标准，就是基 于1 8 0 i e c 8 8 0 2 3 、i e e e8 0 2 。tlw l a n 、i e e e8 0 2 15w i m a x 及t c p f l p 协泌的 工业控制网络标准。 基于无线局域网的测试系统，能充分利用无线局域网的移动性、灵活性和 低成本，成为继现场总线之后工业控制应用和研究的热点话题1 2 】 1 3 1 4 1 ，其目的 是通过对系统内核软件和硬件结构修改使无线局域网运行于高精度的网络控制 系统之中。 分布式测试系统中，一般由多个测试工作站协同工作，测试数据正确、顺 序、可靠性传输是测试系统性能的重要指标。在基于无线局域网的测控系统中， 本地时间的同步一般使用时戳的形式。但是，无线局域网分布式测试系统中分 组传输的抖动、协议簇的延时和丢包等不利因素将使协同设备的同步精度恶化。 3 上海大学硕上学位论文 分布式测试系统除了要求网络通信具有确定的传输延迟，还有着自身的特点， 如流量的预知性和周期性，不同的测试对象对数据处理要求同步，产生的数据 量大小不同，对实时性传输要求也不同。为了实现预期的实时测控，必须考虑 如何保证精确的分布式时钟同步问题。 1 3 现有的时钟同步技术 时钟同步的目的是维护一个全局一致的物理或逻辑时钟，以使得系统中的 信息、时间及各节点与时间有关的行为有一个全局一致的解释【1 5 】。 当前比较成熟的时钟同步技术有短波授时、长波授时、g p s 、电话拨号授 时、互联网授时和s d h 传输网授时。但是，这些授时方法或者只能应用在专用 通信网络中，或者需要特殊的硬件支持，不适合在无线局域网中大量应用。 自2 0 0 2 年j e l s o n 和k e yr o m e r 在h o t n e t s 这一影响未来网络研究发展方 向的国际权威会议上首次提出和阐述无线传感器网络中的时间同步这一研究课 题以来【1 6 1 ，已经提出了十几种不同的实现算法，典型的有r b s 用、d m t s 1 引、 f t s p 1 9 1 、a d 【2 0 】、t p s n 2 n 、t s m s t 2 2 、l t s t 2 3 】和t s y n c 2 4 。分析已有的同步机 制与算法，它们大多采用两类基本的同步机制：单向广播( u n i d i r e c t i o n a l b r o a d c a s t ) 同步和双向成对同步( b i d i r e c t i o n a lp a i r - w i s e ) 同步。其中算法r b s 、 d m t s 、f t s p 和a d 属于前者，算法t p s n 、t s m s 和l t s 属于后者。而需要 多信道支持的t s y n c 算法则组合应用了两种机制，在控制信道上广播同步消息， 在时钟信道上采用成对同步确定时钟偏移。 双向成对同步的原理如图1 1 所示。 ab l 丁3 图1 - 1 双向成对同步 f i g u r e1 1b i d i r e c t i o n a lt w o - p a i r e ds y n c h r o n i z a t i o n 节点a 向节点b 发送同步分组l ，节点b 用它的时钟记录收到该分组的时 4 上海大学硕上学位论文 间互，则互= 互+ d + d 。其中，d 是传输延迟，d 是节点a 和b 之间的时钟 偏移量( o f f s e t ) 。之后，b 向a 发送一个携带乃的分组2 ，同时加盖了时戳五。 节点a 在五收到分组2 ，那么7 4 = 五+ d - d 。假设时钟偏移量和传输延迟在较 小的时间尺度内不发生改变，则节点a 通过式( 1 1 ) 就可以计算出时钟偏移量 d 和传输延迟d 。 d = 陋一互) 一亿一互) 】2 d = 【( 疋一互) + ( 瓦一乃) 】2 两两成对同步虽然能达到一定的同步精度，但相对传感网络来说开销过大。 假定传感器网络的某个簇类( c l u s t e r ) 中包含刀个节点，那么在一个同步周期 内，总共需要2 刀个分组交换。其中，信标节点发送刀个，接收 个。缩小信标 标称间隔可以提高同步精度，可是会导致更多的能量消耗。另外，传感网上的 节点大量利用休眠技术，节点被频繁唤醒会打断系统休眠过程，对降低能耗没 有帮助。在某些对能耗非常敏感的无线传感器网络应用中，这样的开销是不可 接受的。相比之下，广播同步机制开销要小一些，簇类中的所有节点可以同时 依据信标节点发送的同步分组一次完成同步。r b s 是一种基于广播同步的算法， 但广播分组的作用仅仅在于启动一次新的同步过程，节点之间时钟的偏移量是 通过相互交换接收到广播分组的本地时间后计算得到的。与两两成对同步相比， r b s 避免了一些可能引入随机误差的环节，但通信开销没有显著降低。d m t s 和f t s p 则利用了单向广播分组实现同步，减小了通信开销。两者的不同之处 在于f t s p 采用比d m t s 更为精确的计算偏移量的机制与算法。 论文【2 5 】提出了一种基于时间传输协议( t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 的虚 拟时钟连续同步算法。它通过比较延迟，主动舍弃延迟较大的同步报文来提高 同步精度。论文 2 6 提出利用差别退避计数( d i f f e r e n t i a lb a c k o f r c o u n t e r ) 的方 法提高信标帧的优先级，降低信标的碰撞概率，从而迅速建立时钟同步，取得 更小的时钟偏移。论文 2 7 提出通过缩短时间敏感路径( t i m e - c r i t i c a lp a t h ) 的 方法提高无线局域网的时钟同步精度。将时钟同步协议置于片上固件( o n c h i p f i r m w a r e ) 执行可以有效减小信标帧接收延迟，因此缩短时间敏感路径，提高 5 上海大学硕士学位论文 同步精度。 i e e e8 0 2 1 1w l a n 协议自有的时钟同步算法t s f 作为支持物理层f h s s 和p s 模式的基本组件很好地实现其同步功能，将在下一章节介绍。 1 4 本文的主要内容及研究成果 本文的研究内容是基于无线局域网信标的连续时钟同步方法，涉及对现有 同步算法、i e e e8 0 2 1 1w l a n 中定时同步功能的分析，然后提出了一种连续时 钟同步算法，最后对提出的算法做了软件和硬件上的仿真和实现。主要内容和 各章节安排如下： 第一章为绪论，综述了无线局域网的发展历程及其在工业控制领域的应用， 指出在无线工业控制中对定时同步的应用需求，同时将现有时钟同步的解决方 案做了简要叙述。 第二章论述了无线局域网及其时钟同步方法。本章节介绍了无线局域网的 主要标准，重点介绍了i e e e8 0 2 1 1 系列无线局域网标准的协议体系结构和拓扑 结构，然后讲解了i e e e8 0 2 1 1 系列无线局域网协议的m a c 层功能和定时同步 功能。 第三章研究了基于无线局域网信标的连续时钟同步算法，并对其容错能力 和抗信标延迟能力进行理论分析和n s 2 仿真。本章在分析时钟模型、软件时钟 和软件时钟同步的概念基础上，提出了基于w l a n 信标的连续时钟同步算法。 然后，对所提出的连续时钟同步算法的容错性能和抗信标延迟能力进行了理论 分析和n s 2 软件仿真，仿真结果证明了所提出的连续时钟同步算法能满足工业 自动化的实时信号传输要求。 第四章论述了连续时钟同步算法在硬件上的实现。首先介绍了开发板的功 能和设计原理，然后详细讲解了硬件各组成模块的实现和软件设计方法。 第五章总结了本文的主要贡献，并指出了下一阶段的工作方向。 本文的主要创新点和成果如下： 1 、提出了基于w l a n 信标的连续时钟同步算法，该算法的特点是利用了 信标时戳作为公共参考时钟，控制s t a 软件时钟逐步靠近a p 定时主时钟，实 6 上海大学硕上学位论文 现连续时钟同步。理论分析和仿真结果证明本文提出的连续时钟同步算法具有 一定的容错性能和抗信标延迟能力。 2 、在n s 2 软件上添加了对于a p 、w l a n 信标帧和定时同步功能的仿真支 持。目前，主流的n s 2 ( n s a l l i n o n e 2 3 0 版本) 对i e e e8 0 2 11w l a n 的仿真 支持并不完善，只适合a d h o e 结构的无线网络仿真。到目前为止，它还不支 持a p 、信标帧、t s f 功能的仿真。 3 、提出在f p g a 和无线网卡驱动层实现连续时钟同步，提高了同步精度， 解决了同步算法在工程上如何有效实现的问题。根据我们对现有同步算法的分 析可知物理层时钟同步精度优于m a c 层时钟同步精度，m a c 层时钟同步精度 优于应用层时钟同步精度。也就是说，同步算法所在的协议层越靠下，其同步 精度越高。 4 、设计制作了一块集成无线接入功能和时钟同步功能的无线局域网开发 板。作为a p 时，系统完成以太网和w l a n 协议转换和管理功能。作为s t a 时， 系统完成无线接入和时钟同步功能。 7 上海大学硕士学位论文 第二章无线局域网及其时钟同步算法 无线局域网( w l a n ) 是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利 用射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 技术取代旧式的双绞铜线构成局域网络，提供 传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设施不需埋在地下或隐藏在墙里， 也能够随需移动或变化，使得无线局域网络能利用简单的存取构架让用户利用 它，达到“信息随身化、便利走天下 的理想境界。w l a n 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 带接入的有效手段之一【2 引。 2 1 无线局域网 2 1 1 主要的无线局域网标准 w l a n 就是在局部区域内以无线( w i r e l e s s ) 媒体或介质( m e d i u m ) 进行 通信的网络。目前的w l a n 产品所采用的技术标准主要包括：i e e e8 0 2 1 1 系 列标准、h i p e r l a n 2 、h o m e r f 、i r d a 和蓝牙( b l u e t o o t h ) 2 9 】。 i e e e8 0 2 1 1 系列标准是美国电气和电子工程师协会( i e e e ) 提出的一种局 域网技术。截止到目前为止，i e e e 已经开发出i e e e8 0 2 1 1 、i e e e8 0 2 1 l b 、i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 l g 、i e e e8 0 2 1 l n 等规模庞大的无线局域网标准家族。i e e e 8 0 2 1 l n 能够提供6 0 0 m b s 的接入带宽，显现出i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准卓 越的宽带接入功能。目前，i e e e8 0 2 1 1 系列无线局域网标准的市场占有率世界 第一。 h i p e r l a n 2 是一种新的高性能无线传输技术，工作频率为5 g h z ，采用 o f d m 调制方式。h i p e r l a n 2 具有很高的传输速率，它的物理层传输速率最高 可达到5 4 m b s ，第三层的传输速率最高可达到2 5 m b s 。该系统能够迅速且简单 地安装，并可以与传统以太网以及a t m 网等多种核心网络技术互连互通。 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 ( d i g i t a le n h a n c e d 8 上海大学硕士学位论文 c o u d l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n s ，数字增强无线通信) 的结合，旨在降低语音数据 成本。i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技 术都已比较成熟。它的主要优点是体积小、功率低，适合移动设备的需要，传 输速率高，可达1 6 m b s ，成本低，应用普遍。蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一种用于各 种固定与移动数字化硬件设备之间的低成本、近距离的无线通信连接技术。 在中国，应用最广泛的w l a n 标准就是i e e e 8 0 2 1 1 b 儋标准。市场上销售 的w l a n 产品( 比如w l a n 适配卡、支持迅驰技术的笔记本电脑) 大多采用 i e e e8 0 2 1 l b g 标准。在这篇论文中，连续时钟同步算法的研究就是基于i e e e 8 0 2 1 1 系列无线局域网标准的。 在电信重组和无线城市进程推动下，中国w l a n 市场呈现出了前所未有 的、如火如荼的发展局面。2 0 0 8 年上半年，国内w l a n 市场达到1 3 8 亿元， 在去年同期1 0 5 亿元销售额的基础上以3 1 4 的增速上升。截止到2 0 0 8 年6 月，中国w l a n 热点数达到1 万余个，遍布在1 1 0 多个城市之中，3 0 多个无 线城市已经处于规划和建设之中【3 0 】。 2 1 2ie e e8 0 2 11w l a n 的体系结构 与其他的i e e e8 0 2 x 标准一样，i e e e8 0 2 1 1w l a n 标准着重定义物理层 ( p i t y ) 和媒质访问控制( m a c ) 子层【3 1 1 ，如图2 1 所示。 图2 - 1i e e e8 0 2 系列协议的体系结构 f i g u r e2 - 1t o p - l e v e ls t r u c t u r eo fi e e ep r o j e c ti e e e8 0 2 从图2 1 可以看出，i e e e8 0 2 1 1w l a n 协议和其他1 e e e8 0 2 x 协议共用一 种逻辑链路控制l l c 和桥接协谢3 2 1 。在i e e e8 0 2 1 1w l a n 协议的上面运行的 9 上海大学硕士学位论文 是t c p i p 协议簇的网络层( n e t w o r kl a y e r ) 协议、传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) 协议和应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 协议，如图2 2 所示。 融蓝k n a h l y e r t r n s h ) 盯 l a y e r 图2 - 2i e e e8 0 2 协议与t c p 1 p 协议簇的关系 f i g u r e2 - 2r e l a t i o n s h i po fp r o j e c ti e e e8 0 2p r o t o c o l st ot h e t c p i ps t a c k 从图2 2 可以看出，m 可以直接运行在以太网协议的上层。而当p 运行在 i e e e8 0 2 1 1w l a n 协议上的时候，i e e e8 0 2 2l l c 协议是必需的。这是由以 太网和w l a n 协议的数据链路层协议( d a t al i n kl a y e r ，d l l ) 协议和帧结构 决定的。 物理层( p h y ) 是w l a n 系统中的最底层，主要用来解决如何在w l a n 信道中高速可靠地传输数据，以及向上层提供必要的服务。从功能层次结构来 看，w l a n 物理层可以分为三个功能实体，如图2 3 所示。 m a c 层管理 m a c 予屡 p h ys a p p l c p 子层 p h y p m ds a p 物理层 层管理 p m d 予层 l 图2 3i e e e8 0 2 1 1w l a n 物理层结构 f i g u r e2 - 3i e e e8 0 2 1 1w l a np h y s i c a ll a y e r a r c h i t e c t u r e p h y 层管理实体( p h y s i c a ll a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，p l m e ) 与m a c 层 管理相连，执行本地物理层的管理功能。 物理层会聚过程子层( 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 ，p l c p ) 是 1 0 上海人学硕士学位论文 m a c 层与p m d 子层或物理介质的中间桥梁，它与m a c 层通过物理层访问点 ( p h ys a p ) 利用原语进行通信。p l c p 子层规定了如何将m a c 层协议数据单 元( m p d u ) 映射为合适的帧格式，用于收发用户数据和管理信息。 物理介质依赖子层( p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ，p m d ) 在p l c p 子层之 下，直接面向无线介质，定义了两点和多点之间通过无线媒介收发数据的特性 和方法，为帧传输提供调制和解调。 i e e e8 0 2 1 1w l a n 的m a c 子层功能结构包括分布协调功能( d c f ) 、点 协调功能( p c f ) ，以及它们之间的共存【3 3 】。其中p c f 提供无竞争的服务，而 d c f 提供有竞争的服务，p c f 通过d c f 业务实现其功能。w l a n 的m a c 层 结构如图2 4 所示。具体的m a c 层功能将在第2 2 节中讲解。 无竞争服务 图2 4i e e e8 0 2 1 1w l a nm a c 层结构 f i g u r e2 - 4i e e e8 0 2 11w l a nm a cl a y e ra r c h i t e c t u r e 2 1 3ie e e8 0 2 1 1w l 州的拓扑结构 i e e e8 0 2 1 1w l a n 定义了两种类型的设备，一种是无线站( s t a t i o n ，s t a ) ， 通常是通过一台计算机加上一块无线网络接口卡( w i r e l e s sn e t w o r ki n t e r f a c e c a r d ，w n i c ) 构成的。另一种称为无线接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) ，它的作用是 提供无线设备和有线网络之间的桥接。 i e e e8 0 2 11w l a n 标准定义了两种组网结构：独立基本服务集( i n d i v i d u a l b a s i cs e r v i c es e t ，i b s s ) 和扩展服务集( e x t e n d e ds e r v i c es e t ，e s s ) 。它们都 建立在i e e e8 0 2 1 1 标准所定义的基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ，b s s ) 的基础 上。b s s 是指一个覆盖区域，在b s s 中的站点能保持充分的连接，一个站点可 上海大学硕士学位论文 以在b s s 内自由移动，但如果它离开了b s s 区域就不能够直接与其他站点建立 连接了。 i b s s 是一个独立的b s s ，它没有a p 作为连接的中心。i b s s 是最基本的 i e e e8 0 2 1 l b 局域网类型，一个最小的i e e e8 0 2 1 1 b 局域网也许仅仅包含两个 s t a 。i b s s 是一种对等网络形式，所有站点在网络中通信的地位是平等的，也 称为非结构组网( a dh o c ) 。e s s 由多个b s sc e l l 构成，每个b s s 都有一个a p 提供通信服务，因此又被称为基础设施( i n f r a s t r u c t u r e ) 网络。e s s 中的多个 b s s 通过a p 之间的分布式系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 互连，站点可以在 多个b s s 之间移动。数据通过a p 在b s s 和d s 之间传输。e s s 的结构如图2 5 所示。 e x t e n d ds e r v i c es e t ( e s s ) 一脚吐i 咄c e l l = 图2 - 5i e e e8 0 2 11 的扩展服务集和基本业务集 f i g u r e2 - 5i e e e8 0 2 11 e x t e n d e ds e r v i c es e ta n db a s i cs e r v i c es e t 2 2i e e e8 0 2 1 1w l a n 的m a c 层功能 i e e e8 0 2 1 1m a c 子层的功能首先是为m a c 子层用户提供可靠的数据传 输。通过m a c 子层帧交换协议，i e e e8 0 2 1 lw l a n 相对于以前的w l a n 而 言，大大提高了在无线媒介上数据传输的可靠性。m a c 子层还能够实现对共享 媒介访问的公平控制。该功能通过d c f 和p c f 两种访问机制来实现。i e e e 8 0 2 1 1m a c 子层的另一功能是对数据传输提供保护。 i e e e8 0 2 1 1m a c 的基本访问方法是d c f ，也就是载波侦听多路访问冲突 1 2 上海大学硕上学位论文 避免( 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 n a v o i d a n c e ，c s m a c a ) 。c s m a c a 机制采用二进制指数退避策略，该访问机制与i e e e8 0 2 3 使用的访问控制机制 类似。c s m a c a 是一种先听后说( l i s t e nb e f o r et a l k ，l b t ) 的机制。在这种 类型的访问机制中，s t a 在开始新的发送前必须首先监听媒介。如果媒