（信息与通信工程专业论文）ieee80211速率自适应及分段机制研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 摘要 随着计算机网络技术和无线通信技术的飞速发展，无线局域网得到了日益广 泛的应用，作为无线局域网的主流标准，m e e8 0 2 1 l 已成为研究的热点。然而， 目前的研究主要是基于信道理想的假设之上，并不能真实的反映实际情况。论文 以提高网络的吞吐量为目标，对时变有嗓信道下的i e e e8 0 2 1 1 标准进行了深入的 研究与分析，研究的主要内容包括发送速率自适应以及发送帧的分段机制。 首先，论文提出了一种信道自适应的多速率协议e a r f ，该协议使用接收到 a c k 帧的统计信息来判断时变无线信道的质量，从而选择合适的发送速率。e a r f 协议可以通过软件驱动来实现，而不需要修改i e e e8 0 2 1 1 标准本身，因此实用性 较强。仿真表明，该协议的吞吐量性能较同类的多速率协议如a r f 和a r f 3 1 0 有 较大提高。 分段是另外一种提高系统在恶劣无线信道下的性能的有效手段，为了对i e e e 8 0 2 1 1 标准的分段机制进行性能评估，论文首先对o l o m o s i m 软件进行了扩展， 实现了分段机制，然后对其进行了仿真。通过仿真，验证了分段机制在恶劣时变 信道环境下的有效性，同时也发现该机制存在的不完善之处，如分段机制的避退 在无竞争网络中的不合理性，为作者进一步的研究内容指明了方向。 最后，论文搭建了一个实际的无线局域网测试平台，在各种环境中对i e e e 8 0 2 1 l b 的不同速率下的吞吐量性能和i e e e8 0 2 1 1 9 下的分段机制进行实际测试验 证，并与理论值进行比较分析。测试结果表明由于受到周围环境诸多因素的干扰， 无线局域网的实际性能与仿真结果存在较大的区别。作为进一步的工作，我们将 完善无线局域网测试平台，以验证和分析相关研究成果。 主题词：无线局域网 i e e e8 0 2 11媒体访问控制 速率自适应分段机制 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 a b s t r a c t w l a ni sw i d e l yu s e dn o w a d a y sa st h ef a s td e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g i e so f c o m p u t e rn e t w o r k sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , a n di t sm a i n s t r e a ms t a n d a r di e e e 8 0 2 1 1h a sb e c o m eah o t s p o to fc u r r e n tr e s e a r c h b u tm o s to ft h er e s e a r c ha r eb a s e do n t h ea s s u m p t i o nt h a tw i r e l e s sc h a n n e li si d e a l ，w h i c hc a n tr e a l i s t i c a l l yr e t i e e tt h er e a l c h a n n e lc o n d i t i o n a i m i n ga ti m p r o v i n gt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k , i n - d e p t hr e s e a r c ha n da n a l y s i so ni e e e8 0 2 1 ls t a n d a r di nr e a l - t i m ev a r y i n gc h a n n e li s m a k e ni nt h i st h e s i s ，w h i c hi n c l u d e sr a t e a d a p t i v ep r o t o c o la n df r a g m e n t a t i o n f i r s t l y ，t h i st h e s i sp r o p o s e sar a t e - a d a p t i v ep r o t o c o le a r f ，i nw h i c ht h es t a t i s t i c i n f o r m a t i o no fa c kf i a m e sa r eu s e dt oe s t i m a t ew i r e l e s sc h a n n e lc o n d i t i o ns ot h a tt h e s e n d i n gs t a t i o ns e l e c t sap r o p e rr a t e e a r fc a nb ei m p l e m e n t e di np r a c t i c eb ys o f t w a r e d r i v e rp r o g r a m w i t h o u ta n ym o d i f i c a t i o nt oi e e e8 0 2 11s t a n d a r d t h es i m u l a t i o n i n d i c a t e st h a tt h r o u g h p u to fe a r fo u t p e r f o r m ss i m i l a rp r o t o c o l ss u c ha s 灿江a n d a r f 3 - 1 0 f r a g m e n t a t i o ni sa n o t h e rw a yt 0i m p r o v en e t w o r kp e r f 0 1 t n a l l c ei nm e e8 0 2 1 1 w h e nw i r e l e s se h a n n e lc o n d i t i o ni sa w f u l i n0 r d e rt ov a l i d a t et h ep e r f o r m a n c eo f f r a g m e n t a t i o n ，t h ea u t h o rf i r s ti m p l e m e n t si tb yg l o m o s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n d t h e nt a k e ss e v e r a ls e 招o fs i m u l a t i o n 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tf r a g m e n t a t i o n i sv e r ye f f e c t i v ei na w f u lc h a r m e ic o n d i t i o n ，w h i l ea tt h es a m et i m e 。s e v e r a lp r o b l e m so f f r a g m e n t a t i o nn e e di m p r o v i n ga r ef o u n do u t ，e g ，b a c k o f fo ff r a g m e n t a t i o nd o e s n t w o r kw e l li nu n c o n t e s t e dn e t w o r k , w h i c hw i l lb et h ef a r t h e rr e s e a r c ho f t h ea u t h o r a tl a s t ap r a c t i c a l 、阢a nt e s t b e di se s t a b l i s h e d w eh a v et a k e nm u c h m e a s u r e m e n tf o ri e e e8 0 2 1l ba n di e e e8 0 2 1 1 9f r a g m e n t a t i o ns c h e m ei nv a r i o u s p m c t i c a le n v i r o n m e n t s b yc o m p a r i n gt h em e a s u r e m e n td a t aw i t ht h et h e o r e t i c a lc o m e o u t ，t h ea u t h o rc o n c l u d e st h a tt h e r ei saf a rw a yb e t w e e nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l r e s e a r c hb e c a u s eo fi n t e r f e r ea r o u n dm e a s u r e m e n t e n v i r o n m e n t ；i m p l e m e n t i n g t h e o r e t i c a lp r o t o c o li n p r a c t i c e i sa l s oac h a l l e n g i n gp r o c e s s a sf u r t h e rw o r k , a f u l l f u n c t i o n a lt e s t b e do fw l a nw i l lb eg r a d u a l l ys c tu pt ov a l i d a t ea n da n a l y z et h e t h e o r e t i c a lr e s u l t so fo u rr e l a t e ds t u d y k e yw o r d s ：w l a n i e e e8 0 2 11m a c r a t e a d a p t i v e f r a g m e n t a t i o ns c h e m e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 图目录 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 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 i e e e8 0 2 11 的m a c 层一3 i e e e8 0 2 1 1 的c s m a c a 协议4 r t s c t s 机制6 b e r 与s n r 理论关系图1 0 理论吞吐量与s n r 的曲线图1 1 e a r _ f 状态转换图1 4 e a r f 协议的数据帧传输过程1 5 e a l 强流程图1 7 最大多普勒频移下不同弦取值的吞吐量比较1 8 最大多普勒频移下各种协议的吞吐量性能1 9 误帧率相对于最大多普勒频移曲线1 9 快变信道下吞吐量与数据帧长度的关系曲线2 0 吞吐量与平均s n r 的关系曲线2 0 吞吐量与站点个数的关系曲线2 1 i e e e8 0 2 1 1 分段机制一2 2 i e e e8 0 2 1 1 标准数据发送流程。2 4 网络层与m a c 层接口函数2 4 分段机制重要流程图2 6 发送队列中的数据帧2 6 分段在接收端的重组2 7 i e e e8 0 2 1 1 分段与非分段机制的吞吐量比较2 9 i e e e8 0 2 1 1 标准数据帧封装过程3 2 i e e e8 0 2 1 l b 不同帧长的吞吐量理论值与测试值对比图3 4 室内固定点测试环境图及测试结果3 5 室内不同距离测试环境图3 5 室内不同距离测试结果3 6 室外测试环境图3 6 室外测试结果图3 7 i e e e8 0 2 1 1 9 室内分段机制测试环境3 8 i e e e8 0 2 1l g 分段机制测试结果离散值3 9 i e e e8 0 2 1 1 9 分段机制测试结果均值3 9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 表1 1 表4 1 表4 2 表4 3 表目录 i e e e8 0 2 1 1 竞争窗口大小5 i e e e8 0 2 1 1 b 部分参数值3 3 i e e e8 0 2 1 l b 特定条件下吞吐量理论值3 3 i e e e8 0 2 11 b 特定条件下吞吐量测试值3 4 第1 i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的楮辑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。 学位论文题目： ! ! 塑! q ! ：! ! 速奎自重廛基金塞扭劐盈窒 学位论文作者签名：董溘抱日期：2 刃6 年f 月f ；日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： ! ! 塑! 1 2 ：! ! 逮空自重廑丛金璧扭剑煎塞 学位论文作者签名：蔓i 盍整日期：z o v b 年1 1 月居日 作者指导教师始施缝魄洲年f 月哆日 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 第一章绪论 随着信息化进程的加快和信息技术的飞速发展，人们对无线环境下的数据服 务需求也不断提高，希望不论在何时、何地，与任何人均能够进行包括语音、数 据、多媒体音频、多媒体视频、交互式游戏等任何内容的通信，并希望能实现主 机在网络中自动漫游。 目前，以i e e e8 0 2 1 1 “和h i p e r l a r d 2 0 1 为代表的无线局域网、以蓝牙嘲啪和 h o m e r f 陶为代表的无线个人局域网，及无线a dh o e 网络潮m 、无线m e s h 网络m 、 无线传感器网络( w s n ) 嘲“州“1 等各种无线网络技术进入快速发展期。其理论和 关键技术也不断发展，因而研究无线局域网相关理论和关键技术具有重要意义n ”。 本章首先介绍了论文的研究背景，对i e e e8 0 2 1 1 标准的发展历程作了简单的 说明；然后重点介绍了i e e e8 0 2 1 1 标准的m a c 协议的关键技术及其存在的问题， 并且就当前的研究现状进行了论述；最后给出了论文的研究内容。 1 1 研究背景 由于无线信道是共享资源，当多个站点同时尝试接入信道时，会相互干扰甚 至发生冲突，造成数据传输错误。从而降低通信效率甚至中断通信。因此如何控 制和协调各站点高效的利用无线信道进行通信是至关重要的，这正是m a c ( 媒体访 问控制：m e d i u m a c c e s s c o n t r 0 1 ) 层需要解决的主要问题“”。无线m a c 协议通过制 定一系列接入规则，让网络中的所有站点有序高效的共享无线信道，它还控制着 对物理层的访问，为上层协议提供可靠的无线连接“”叫。 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 ) 是种以突发数据业务为主( 也可支 持多媒体业务) 的分组无线网络。它带宽有限，信道环境恶劣，还要支持 i n f r a s t r u c t u r e 模式和a dh o c 模式两种类型的网络拓扑“”，同时还要求具有节能、 公平、安全等多方面的功能。因此m a c 协议的选择和涉及非常复杂，需要综合考 虑网络结构、站点数量、业务类型与要求及物理层的限制等多方面的因素。以随 机接入为主的m a c 协议，非常适合突发性较强的数据业务，可以分布式的运行， 具有灵活方便的组网形式，成为目前各种无线数据通信网络m a c 协议的主流。作 为一种基于竞争的随机访问的无线局域网m a c 协议，i e e e8 0 2 1 1d c f 网络控制 方式以其简单灵活等特点已经被广泛的接受并被迅速应用于其他不同的无线网络 环境，如无线a dh o e 网络、无线传感器网络等等。 吞吐量是衡量无线通信系统性能的一个重要参数，人们都希望系统的吞吐量 尽可能的高，因而为提高系统吞吐量进行了大量的研究，相应的技术也层出不穷。 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 无线局域网i e e e8 0 2 1 1 m a c 协议的多速率机制和分段机制为提高系统的吞吐量 提供了可能，是研究的热点所在。 论文正是以i e e e8 0 2 1 1d c f 为基础，以提高系统吞吐量，优化通信系统整体 性能为研究目标，对i e e e8 0 2 1 l 标准的速率自适应和分段机制进了研究。 1 2 无线局域网i e e e8 0 2 1 1 标准概述 1 2 1 无线局域网i e e e8 0 2 1 1 标准的发展 i e e e8 0 2 1 1 “是i e e e 于1 9 9 8 年推出的无线局域网标准，是无线局域网领域 内第一个被国际认可的协议。i e e e8 0 2 1 1 主要针对无线网络的物理层( p h v 层) 和 媒体访闯控制子层( m a c 层) 进行了规定。后来又连续推出了8 0 2 1 l a “”、8 0 2 1 l b “”、 8 0 2 1l g “”等几个新的标准。 最先推出的i e e e8 0 2 1 1 a 占用5 g h z 自由频段，主要使用5 1 5 - , - 5 2 5 、5 2 5 - 5 ，3 5 、 5 7 2 5 - 5 8 2 5 g h z 频段的正交频分复用o f d m 系统，采用经b p s k 或q p s k 、1 6 一q a m 或6 4 q a m 调制后的5 2 个子载波。由于这一频段其它的应用不多，故干扰较少。 i e e e8 0 2 1l a 可以提供速率为6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 和5 4 m b p s 的数据通信 能力。其中必须支持6 、1 2 和2 4 m b p s 的数据速率。在1 0 米范围内其速率可高达 5 4 m b p s ，但随着距离的增加，其速率快速下降，7 0 多米时就会下降到1 0 m b p s 以 内。 i e e e8 0 2 1 1 b 占用2 4 g h z 的自由频段，但由于许多国家的无绳电话、蓝牙设 备甚至微波炉都使用这个频段，所以干扰要大些。它采用补码键控( c c k ) 或 p b c c 为调制方式，并采用相对简单的直接序列扩频( d s s s ) 技术，除了1 m b p s 和2 m b p s 的速率，还可以支持5 5 m b p s 和11 m b p s 的数据速率，并且速率可因环 境变化而动态漂移，但考虑到物理层的开销( 至少约4 0 ) 以及自由频段易受到 干扰等情况，其速率远低于此。虽然i e e e8 0 2 1 1 a 开始制定的时间要早于i e e e 8 0 2 1 1 b ，但由于后者容易实现、完成得较早，所以i e e e8 0 2 1 1 b 产品反而占据了 较大的市场份额。 i e e e8 0 2 1 l g 解决了由于使用不同的频段造成的8 0 2 1 1 a 的产品和8 0 2 1 1 b 不 相兼容的问题。在和8 0 2 1 1 b 兼容的基础上提高了速度和传输距离。8 0 2 1 l g 中规 定的调制方式有两种，包括8 0 2 1 l a 中采用的o f d m 与8 0 2 1 1 b 中采用的c c k 。 通过这两种调制方式，既达到了在2 4 g h z 频段实现8 0 2 1 1 a 水平的数据传送速度， 又确保了与8 0 2 1 l b 产品的兼容。但干扰的存在决定了8 0 2 1 l g 不可能达到8 0 2 1 l a 的高速率。 对于以后在w l a n 中要开展的i p 电话和视频播放这类大量消耗带宽的多媒体 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 业务来说，5 4 m b p s 还远远不够。因此i e e e 已经成立了个新的工作小组，制定 一项新的高速w l a n 标准8 0 2 1 l n 。该标准采用多输入多输出( m i m o ) 技术和正 交频分复用( o f d m ) 技术，计划将w l a n 的传输速率从5 4 m b p s 增加至1 0 8 m b p s 以上，以实现与百兆有线网的无缝结合。增强无线联盟e w c 声明说，新的标准将 使普遍传输速度达到6 0 0 m b p s 。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。和以往的8 0 2 1 1 标准不同，8 0 2 1 l 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 1 n 保障了与以 往的8 0 2 1 1a ，b ，g 标准的兼容。 b r o a d c o m 公司已于2 0 0 6 年推出了新标准的芯片组，这是第一个符合8 0 2 1 i n 标准的芯片组，名为i n t e n s i - f i ，可用于路由器、笔记本电脑和插入式p c 卡。新标 准产品将很快以样品形式提供给制造商。 1 2 2 无线局域网正e e8 0 2 1 1 标准m a c 协议 1 2 2 1 网络控制方式p c f 与d c f i e e e8 0 2 1 1 标准的m a c 协议定义了两种对信道的访问方式，如图1 1 ：中心 网络访问控制方式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 ) 和分布式网络控制方式d c 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 ) 。 无竞争服务竞争服务 j 中心网络访问控制方式p c f 1r 分布式网络控制方式d c f 物理层 图1 1i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层 p c f 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) ，工作于非 竞争期( c f p ) ，用类似于轮询的方法将发送数据权轮流交给各个站点，从而避免 了碰撞的产生；p c f 是标准所定义的可选择的访问方式，实际的8 0 2 1 l 设备中很 少实现。本论文只涉及到d c f 方式，因此下面重点介绍d c f 方式的关键技术。 d c f 是i e e e8 0 2 1 1 最基本且被广泛的接受和应用的媒体访问方式，它提供了 一种基于竞争的访问方式，是需要强制性实现的访问方式；它直接建立在物理层 第3 页 t 一上 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 之上，作用于媒体竞争期( c p ) ，所有站点均支持d c f ，其核心是c s m a c a ( c a r r i e r s 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 ) ，即基于冲突避免的载波侦听多信 道接入。它包括载波检测机制、帧间隔和随机避退规程。 为了避免冲突，i e e e8 0 2 1 1 x 的m a c 层规定，所有的站点在完成发送后，必 须等待段很短的时间( 继续侦听) 才能发送下一帧。这段时间统称为帧间隔i f s ( i n t e rf a m es p a c e ) 。帧间隔的长短取决于该站点打算发送的帧类型。高优先级 帧等待的时间较短。若低优先级帧还没有来得及发送而其它站点的高优先级帧已 经发送到媒体，则媒体变为忙态，因而低优先级帧就只能继续侦听信道。这样就 减少了发生碰撞的几率。 1 2 2 2 分布式网络控制方式d c f 关键技术 d c f 定义了两种工作方式“”：基本工作方式( c s m a c a 方式) 和r t s c t s 机制。 1 ) c s m a c a 方式 在c s m a c a 方式下，数据的传输过程为：d a t a - a c k ，如图1 2 所示。如 果源站点要发送数据，首先对信道进行侦听。如果信道连续空闲了一段特定的时 间间隔d i f s c fi f s ) ，源站点才可以发送数据帧。如果目的站点成功的收到数据 帧，也要侦听信道段特定的时间间隔s i f s ( s h o r tw s ) ，如果信道空闲，目的站点 向源站点发送一个a c k 应答帧。然而，如果信道忙，那么源站点等待信道变为空 闲，并且再等待d i f s 的时间；如果信道仍然空闲，源站点在一个特定的竞争窗口 中随机的选择一段时间进行避退，如果避退期间信道仍然空闲，当避退时间结束， 才可以发送数据帧；如果在避退期间检测到信道忙，那么将避退定时器冻结，等 待下次信道空闲时继续避退。 w i n d o w 斗 源节点孽瓣遵 s l o tt i m e 目的节点 黼r 南 邻居节点 jij甄阉 l 图l2 i e e e8 0 2 1 1 的c s m a c a 协议 因为c s m 刖c a 不是通过站点监听它们自己的发送来检测冲突的，所以目的 站点应发送一个a c k 帧表明成功接收到了数据包。此a c k 应在数据包发送完成 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 后，再经过s w s 立刻发送。s i f s ( 再加上传播延迟) 比d i f s 短，因此其他站点 在a c k 结束之前不可能检测到信道空闲时间大于d i f s 。如果发送站点在 a c kt i m e o u t ( 等于一个a c k 帧的时间加上s i f s ) 内没有接收到a c k ，或检测 到信道上有另外一个数据包在传输，那么它将根据避退机制重新安排数据包的发 送。 2 ) 避退机制 由于效率原因，d c f 选择了离散时间避退算法。捕获到一个d i f s 空闲时间后， 避退时间立即开始，站点只能在每个时隙开始时发送。时隙的大小等于任何一个 站点检测到其他站点发送的数据包所需要的时间。所以，它依赖于物理层，是传 播延时、站点从接收状态转为发送状态所需要的转换时间 ( r xt xt u m a r o u n dt i m e ) 和通知m a c 层信道状态所需时间的总和。 d c f 采用二进制指数避退机制“”。避退的最小时间间隔为一个时隙( s l o t t i m e ) o r 。每个数据包发送时，避退时间一律在( o ，w 一1 ) 中取值。，称为竞争 窗口( c w ，c o n t e n t i o nw i n d o w ) ，它取决于数据包发送失败的次数。第一次发送 尝试时，w 设为c 吸。称为最小竞争窗口( m i n i m u mc o n t e n t i o nw i n d o w ) 。每次发 送失败后，w 翻番，直到变为最大值c 乃k = 2 “c 降二。，m 代表避退算法可避退的最 大避退级数( m a xb a c k o f fs t a g e ) 。c 和c 是由p h y 确定的“1 。如表1 1 所示。 表1 1 i e e e8 0 2 1 1 竞争窗口大小 p h y s l o tt i m e ( 盯) c 玎名。c 。 f h s s 5 0 9 s 1 61 0 2 4 d s s s 2 0 9 s 3 21 0 2 4 i r 8 p s 6 41 0 2 4 3 ) r t s c t s 方式 d c f 还定义了另外一种可选的四次握手技术。这种机制称之为r t s c t s ，如 图1 3 所示。想发送数据包的站点侦听到信道空闲时间大于d i f s 后，不发送数据 包，而是发送一个请求发送r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 帧。目的站点检测到r t s 后， 在s i f s 后发送一相应的允许发送c t s ( c l e a rt os e n d ) 响应帧。发送站点只有在 正确接收c t s 后才发送数据包。 r t s 和c t s 帧载有将要发送的数据包的长度信息。任何监听站点都可以获取 此信息。监听站点以此更新网络分配向量( n a v ) ，n a v 包含了信道繁忙的时间 信息。无论是发送站点还是接收站点的隐藏终端o ”，只要检测到r t s 和c t s 中 的一个，它就可以适当的延迟发送数据，从而避免冲突。 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 。隰震：。跚翟j _ 爹 霭露 血目她 嚣一n x v 4 ) ，当连续成功的传输了三个数据包后，在第四个发生错 误，表明此时的信道状态变差了，因此降低传输速率为r i l ，并且采用其对应的成 功阈值t h i 。更新撕为胡。 有一点需要说明：成功阈值的更新只发生在尝试高速率发送失败的情况下。 以下讨论一个重要的问题；如何确定延时因子厅? 如式( 3 7 ) t h i 与夕成正 比，因此1 ， 是t h 【i 】的反映。夕越大，t h i 也越大。又根据我们提出的a m a r f 协 议所述，每一个传输速率都给分配一个成功阂值，因此声值实际上也应该以不同 的速率进行区分。另外，根据我们以前的研究蚴，在相同的信道状态下，传输同 样大小的数据包，较高的传输速率需要较少的传输时间，因此根据式3 7 ，较高的 传输速率r 【i 】，其对应的t h i 和弦都应越大。在2 4 节的仿真中，证明了这一论 断的正确性。 2 , 3 3e a r f 简单实现流程 作者采用网络仿真软件g l o m o s i m 实现e a r f 协议。g l o m o s i m ( f o rg l o b a l m o b i l es y s t e m ) 仿真软件由美国u c l a 大学计算机系开发。它是基于c 语言的并 行仿真语言p a r s e c 设计的一个函数库，支持o s i 七层模型的各种协议，可以实 现并行离散时间驱动仿真，具有可扩展性和可编程性。新版本的g l o m o s i m 支持纯 无线网络的协议并采用分层的方法，不同层之间使用标准的a p i 进行通信，这样实 现了网络所需的基本协议栈层次。g l o m o s i m 的缺点在于其分层结构太严格，要实 现跨层信息的应用就显得困难，而且可视化界面支持较差。但由于g l o m o s i m 提 供了开放的源代码和标准的接口函数，因此，除了提供相应网络场景中路由协议、 m a c 协议等的仿真评估与性能比较，还易于实现用户自己设计开发的功能与算法。 图2 5 是e a r f 的简单实现流程，与前两节的状态转换图和传输过程对应。 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 图2 5e a p , f 流程图 2 4 e a r f 仿真实现及性能评估 2 4 1 仿真环境的设置 本章的仿真设置如下：假设一个无竞争的无线局域网络，只包含一个用户站 点和一个接入站点a p ，应用层采用c b r ( 恒比特数据流) 业务，用户站点处于饱 和状态，即发送队列中始终有足够的数据帧等待发送。两个站点的位置都固定， 但是信道时变。为了模拟时变的无线信道，假设具有j a k e 谱“”的平衰落瑞利信 道。 由于只有两个站点，r t s c t s 机制没有必要采用，仿真时间设置为1 0 0 秒。 另外，设置带宽为6 m h z ，采用b p s k , q p s k , 1 6 q a m ，6 4 q a m 和2 5 6 q a m 作为多 速率的调制方式，并且不采用纠错编码。这样，我们可以得到的速率为：6 m b p s , 1 2 m b p s , 2 4 m b p s ，3 6 m b p s 和4 8 m b p s 。分别用r 【i 】( i = o ，1 ，2 ，3 ，4 ) 表示。数据帧长度 设置为1 0 2 4 字节。 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 2 4 2 吞吐量性能和误帧率性能 2 3 1 小节的理论推导认为，传输速率越高，值应该越高。本节的大量仿真 也从的选值展开，并且重点对比了各种传输速率使用相同的夕值与不同的传输 速率使用不同的夕值得到的性能。 m d o p t a b rf r e q n o i - - i z ) 图2 6最大多普勒频移下不同船取值的吞吐量比较 图2 6 描绘了随着最大多普勒频移的改变，取不同值时e a r f 协议的吞吐量 性能。这里，平均s n r 为2 6 d b ，数据帧长度为1 0 2 4 b y t e 。 为了选择最优弦取值，仿真发现当取值为，= ( 0 2 ，0 4 ，0 6 ，0 8 ) ( 0 2 ，0 4 ，0 6 ，0 8 分别表示处于速率r i 】( i = 0 ，i ，2 ，3 ) 时的取值) 和尼= ( o 1 ，0 3 ，0 5 ，0 7 ) 能得到相对较 高的吞吐量。图中也给出了所有速率取相同的弦值时的吞吐量性能作为比较。通 过仿真发现，当取相同值时，露矿o 5 能得到最好的吞吐量性能，但仍然不及夕 依速率取不同值的性能，如局和尼。这就验证了2 3 1 小节的理论说明：夕取单一 值的性能总是低于斥依据速率取各自合适的值时的性能。因此，在接下来的仿真 中，对e a r f 只选择能得到最好吞吐量性能的刀取值夕j 和尼，并与a r f 及a r f 3 1 0 作对比。 1 ) 吞吐量与最大多普勒频移的关系曲线 图2 r 7 给出了最大多普勒频移变化时三种协议的吞吐量性能曲线，总的说来， 三种协议( a r f a r f 3 1 0a n de a r f ) 的吞吐量性能都随着最大多普勒频移的增加丽 减小，然而a r f 3 - 1 0 性能好于a r f ，e a r f 性能好于a r f 3 - 1 0 。在慢变信道( 最 大多普勒频移较小) 下，吞吐量性能差别不大，然而，随着最大多普勒频移的逐 渐增大，e a r f 性能的优越性体现出来。 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 m 却d md o p p l e rt q u e n c y ( k ) 图2 7最大多普勒频移下各种协议的吞吐量性能 2 ) 误帧率与最大多普勒频移的关系曲线 m a , r n u md o p p - r r e q u e n c , ( h e ) 图2 8误帧率相对于最大多普勒频移曲线 图2 8 描述了最大多普勒频移变化时误帧率的变化曲线。a r f 的误帧率始终 保持在o 0 8 左右，然而低误帧率是以低吞吐量为代价的。对于a r f 3 1 0 和e a r f ， 误帧率随着最大多酱勒频移的增长而增加；两者比较起来，e a r f 总能在获得较高 的吞吐率的同时保持较低的误帧率。另外，图2 8 也说明，在慢变信道下，e a r f 误帧率性能也比a r f 还好。 综合考虑吞吐量性能和误帧率性能，e a r f 对快变信道的适应性要好得多。鉴 于这种情况，在接下来的讨论中，重点讨论快变信道最大多普勒频移在5 0 h z 时的情况。为了评估e a r f 在快衰落信道下的性能，在图2 9 和图2 1 0 分别给出 了最大多普勒频移为5 0 h z 时，吞吐量性能和误帧率性能曲线。 3 ) 快变信道下吞吐量与数据帧长的关系曲线 第1 9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 图2 9快变信道下吞吐量与数据帧长度的关系曲线 如图2 9 ，平均s n r 设为2 6 d b ，最大多普勒频移为5 0 h z ，数据帧长以步进 2 0 0 b y t e 从2 0 0 b y t e 增加到2 0 0 0 b y t e 。图2 9 描绘了吞吐量与数据帧长的关系曲线。 总的说来，a r f 3 1 0 和e a r f 的吞吐量都随着数据帧长的增加明显的增加，而a r f 的吞吐量随着帧长度增加更为缓慢，且帧长达到8 0 0 b y t e 以后，吞吐量几乎不再变 化。 4 ) 快变信道下吞吐量与平均s n r 的关系曲线 ，o ， 图2 1 0 吞吐量与平均s n r 的关系曲线 图2 1 0 描绘了平均s n r 变化时的吞吐量性能。最大多普勒频移设为5 0 h z ， s n r 以步进l d b 从2 0 d b 增加到3 0 d b 。各种协议的吞吐量都随着s n r 的增加而增 加，且增加趋势几乎相同。但e a r f 性能一直都高于a r f 及a r f 3 1 0 。 5 ) 吞吐量与站点数目的关系 第2 0 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 图2 1 1 吞吐量与站点个数的关系曲线 最后，给出吞吐量随着站点数目增加的变化曲线。以往的研究已经发现随着吞 灶量的增加，由于碰撞，会造成吞吐量的迅速下降，我们的仿真结果也证明了这 一点：如图2 1 1 ，随着站点数目的增加，三种协议的吞吐量都急剧的下降。而e a r f 协议的吞吐量始终大于a r f 和a r f 3 1 0 。 2 5 本章小结 本章主要研究了速率自适应在i e e e8 0 2 “标准规范中的应用，首先描述了相 关理论，接下来阐述了研究现状和研究方法，对作者的研究起到了指导性作用。 本章的主要收获在于通过理论学习，阅读大量相关文献资料，提出了一种根 据信道状态进行速率自适应改变的协议e a r f ，最后通过仿真验证该协议对吞吐量 性有较大的提高。 第2 1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士论文 第三章i e e e8 0 2 11 分段机制研究 在差错信道下，数据帧越长，传输的错误概率越大。为了提高数据在恶劣的 无线信道中传输的可靠性，i e e e8 0 2 1 1 标准建议将大的m a c 数据服务单元 ( m s d u ) 划分为若于个小的m a c 协议数据单元( m p d u ) 进行传输，这个划分 的过程称之为分段( f r a g m e n t a t i o n ) 。本章首先介绍了i e e e8 0 2 1 1 标准对分段机 制的规定，为了评估其性能，接着在g l o m o s i m 仿真软件中实现了分段功能，最 后通过仿真验证了分段机制在差错信道中传输的有效性，并分析发现了有待改进 的问题分段的避退。 3 1 分段机制概述 分段是指将m a c 服务数据单元( m s d u ) 或者m a c 管理协议数据单元 ( m 佃d u ) 划分为更小的m a c 协议数据单元( m p d u ) “1 的过程。分段过程产 生m p d u ，其长度小于原来的m s d u 或m m p d u 的长度，可以提高数据在恶劣无 线信道下的传输可靠性。对于长帧而言，信道特性限制了接收的可靠性，此时利 用分段可提高m s d u 或m m p d u 成功传输的概率。分段由每个发送端直接完成。 相对应的，在接收端将多个m p d u 组合成单个m s d u 或m m p d u 的过程称为重 组( d e f r a g m e n t a f i o n ) 。 只有具有单播接收地址的m s d u 才可以被分段，而广播多播帧不能被分段， 即使它的长度超过分段阈值。i e e e8 0 2 1 1 标准定义a f r a g m e n t a t i o n t h r e s h o l d 为每 个m s d u 单元的分段闽值。对于从l l c 直接接收的m s d u 或从m a c 子层m l m e 直接接收的m m p d u ，若长度大于a f r a g m e n t a t i o n t h r e s h o l d ，则被分解为多个 m p d u ，其中每个分段的长度不超过a f r a g m e n t a t i o n t h r e s h o l d ，且每个分段可能均 小于a f r a g m e n t a t i o n t h r e s h