（系统工程专业论文）基于80211WLAN的循环公平队列调度算法研究.pdf

哈尔泞理t 大学t 学碜卜学位论文 基于8 0 2 1i w l a n 的循环公平队列调度算法研究 摘要 随着商业化计算机网络的飞速发展，计算机网络的服务质量( q o s ， q u a l i t yo fs e r v i c e ) 问题越来越受到人们的关注。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。当前，i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层协议的服务质量问题 的研究是一个重要研究澡题。 近年来飞速发展的分饰式无线局域网是一种便捷、自由的通信方式，具 有组网灵活、迅速的优点。如何在分布式环境下，使终端高效、公平地共享 有限的信道资源，是分布式无线局域网媒质接入控制( m a c ) 协议需要首先解 决的核心问题。本文针对在分布式的复杂环境下传统的m a c 机制难以保证 较好性能的问题，给出了基于8 0 2 1 1 分布式控制( d c f ) 协议公平性的分 析，并对分布式无线局域网的m a c 技术的公平性问题进行了较深入的研 究，提出改进方案。 工作在d c f 模式下的8 0 2 1 1 w l a n 采用了二进制指数退避算法 ( b e b ) 。该机制有利于提高网络吞吐量，但是会引起不同节点之日j 的不公平 性。简单地说，当n 个网络节点互相竞争，i e e e s 0 2 1 l 采用的回退算法试 图在最短的时间间隔中采用( 理论上) 最优的1 i n 的接入概率来调整信道接入 概率。在网络负载很轻的情况下，所有基站采用这种方法能取得非常好的效 果。但是，在网络负载很重的情况下，采用这种机制不能保证所有节点公平 地接入网络。通过对b e b 算法和m i l d 算法的分析，本文提出了新的退避 算法机制。仿真结果表明，该算法能够有效抑制不公平性。 循环调度算法( r r ) 是一种可以保汪公平性的简单调度算法，更值得 引起注意的是加权循环调度算法( w r r ) 在保障相对公平性的前提下能够 实现加权优先级服务机制。本文利用w r r 的这种性质，并结合经过改进后 的退避算法，得到了一种新的可以提供分布式优先级区分服务的算法。为验 证提出的算法，分析了n s 2 仿真系统中m a c 层的实现，着重研究了b e b 算法的实现过程，并用改进算法替代了b e b 算法。然后对这两个算法的公 竺尘兰至二奎兰：兰至：兰堡兰圣 平性和网络吞吐量分别进行了对比。进一步仿真的结果表明，该算法在保证 公平性的基础上实现了优先级区分服务。 关键词无线局域网；i e e e 8 0 2 1 1 ；服务质量( q o s ) ；公平队列调度算法 坠i ：至至三耋耋三耋竺：兰竺丝圣 r e s e a r c h0 1 1r o u n d r o b i nf a i rq u e u i n g a l g o r i t h m f o r8 0 2 1 1w l a n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m e r c i a lc o m p u t e rn e t w o r k s ，m o r ea n d m o r er e s e a r c h e r sh a v eb e e ns t u d y i n go nc o m p u t e rn e t w o r k s q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) t h ew i r e l e s sl a nw a st h ec o m b i n a t i o np r o d u c to fc o m p u t e rn e t w o r ka n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h el9 9 0 s ，i tp r o v i d e dt h ea c c e s st o n 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 ea p o t e n t i a lm e t h o df o rt h ef u t u r e t 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 dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ，i ta l s o c b x a et ob ea l le 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 r e s e a r c h i n go n q o sb a s e do ni e e e 8 0 2 1 lm a cl a y e rh a sb e c o m eav e r ya c t i v ef i e l di nr e c e n t y e a r s a sac o n v e n i e n tc o m m u n i c a t i o nm e t h o d d i s t r i b u t e dw i r e l e s sl a n ( d w l a n ) b e c a m em o r ea n dm o r ep o p u l a rb yt h e v i r t u eo fi t si n h e r e n t a d v a n t a g e so nf l e x i b l ea n dr a p i dn e t w o r k i n g t h em a i nt a s ko fm e d i u ma c c e s s c o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o li st oe f f i c i e n t l ys h a r el i m i t e dw i r e l e s sc h a n n e la m o n g d i s t r i b u t e ds t a t i o n s c o n v e n t i o n a lm a cm e c h a n i s mc a nh a r d l yp r o v i d eg o o d p e r f o r m a n c ei n ac o m p l e xe n v i r o n m e n to fd i s t r i b u t e dn e t w o r k s b a s e do n f a i r n e s sp e r f o r m a n c ea n a l y s i so f8 0 2 11 d c fp r o t o c o l ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e s o nf a i r n e s sp e r f o r m a n c eo fm a c t e c h n o l o g i e sf o rd w l a n a tt h eb a s i so fa n ya c c e s st ot h ec h a n n e li ni e e e 8 0 2 1 li st h es o c a l l e d 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 ha d o p t e sb e ba l g o r i t h m d c fh a s a na d v a n t a g ei ni n c r e a s i n gt h en e t w o r kt h r o u g h p u t ，b u ti tc a nb r i n gu n f a i r n e s s a m o n gd i f f e r e n tn o d e s i ns h o r t ，w h e nt h e r ea r enn e t w o r kn o d e sc o m p e t i n gw i t h e a c ho t h e r , t h eb a c k o f fa l g o r i t h ma d o p t e db yi e e e 8 0 2 1 1t r i e st o a d j u s tt h e c h a n n e la c c e s sa t t e m p tp r o b a b i l i t yo fe a c hn o d es u c ht h a ti t a p p r o a c h e s t h e o p t i m a l ( t h e o r e t i c a l ) s u c c e s sp r o b a b i l i t yo f1 n ，w i t h i nt h es h o r t e s tp o s s i b l et i m e i n t e r v a l ，t h u se f f e c t i v e l ya c h i e v i n gv e r yh i g ht h r o u g h p u t w h e nt h et r a f f i cl o a di s i i i - 竺垒至矍三奎茎：兰竺三兰竺丝兰 l i g h t t h i sm e t h o da c h i e v e si t sg o a l sp e r f e c t l y h o w e v e r ，w h e nt h en e t w o r k t o p o l o g yi sn o ts y m m e t r i c ，t h eu n f a i r n e s sw i l lb em a r k e dw h e nt h et r a f f i cl o a di s h i g h t h r o u g ha n a l y z i n gb e ba l g o r i t h ma n dm i l da l g o r i t h m an e wa l g o r i t h mi s p r e s e n t e d f r o mt h e s i m u l a t i o nr e s u rw ec a ns e et h em o d i 氚db a c k - o f f a r i t h m e t i cc a ng e n e r a l l yp r o m o t et h ef a i r n e s so fl e e e 8 0 2 11w l a n r o u n d r o b i na l g o r i t h m ( r r ) i sas i m p l ew a yt os o l v eu n f a i r n e s s w e i g h t e d r o u n d - r o b i na r i t h m e t i c ( w r r ) c a nn o to n l ys o l v eu n f a i r n e s sb u ta l s os u p p o r t w e i g h t e dd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ( d s ) c o m b i n i n gt h em o d i f i d e da l g o r i t h mw i t h w r ra r i t h m e t i c ，t h i s p a p e rp r e s e n t s an e wa r i t h m e t i cw h i c hc a l l s u p p o r t d i s t r i b u t e dw e i g h t e dd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e t ov a l i d a t et h ea l g o r i t h m ，w e a n a l y s et h ei m p l e m e n t a t i o no fm a cl a y e ri nn s 2s i m u l a t i o ns y s t e ma n dp a y n o r a t t e n t i o nt ot h ei m p l e m e n t a t i o no fb e ba l g o r i t h m w ec h a n g eb e b a l g o r i t h m w i t ht h e i m p o r o v e da l g o r i t h m ，s i m u l a t e t h et w o a l g o r i t h m s r e s p e c t i v e l y a n di m p l e m e n t et h es i m u l a t i o nw o r k b a s e do nt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，w ea n a l y s ea n dc o m p a r et w op e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fn e t w o r k ， f a i r n e s si n d e xa n dt h r o u g h p u t t h ea n a l y s i sp r e s e n t st h a tt h em o d i f i e da l g o r i t h m c a nn o to n l yi m p r o v et h ef a i r n e s so fd i s t r i b u t i e dw l a nb u ta l s oi m p l e m e n t d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ef u n c t i o n k e y w o r d s w l a n ，i e e e 8 0 2 11 ，q o s ，f a i rq u e u i n ga l g o r i t h m - i v - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑藿声明：此处所提交的硕士学位论文基于8 0 2 i l l w l a n 的循环公 平队列调度算法研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期蜘独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作亨阮耘浑 日期：沙a g 年7 月争日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于9 0 2 1 1 w l a n 的循环公平队列调度算法研究系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕上学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门 提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学町以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密留。 ( 请在以上相应方框内打) 作缝名：拗璋 导师魏彬 日期加诈岁月垆只 日期：缈5 年；月日 哈尔浓理t 大学t 学母卜学位论文 1 1 课题背景 第l 章绪论 二十一世纪是以数字化、网络化和信息化为特征，且以网络为核心的信息 时代。 日益成熟和成型的知识经济以知识为基础，但它的发展在很大程度上取决 于知识的发掘和积累。知识经济己成为推动生产力发展的巨大动力。 知识经济的两个重要特点就是信息化和全球化。要实现信息化和全球化， 就必须依靠完善的网络。因此，网络已经成为信息社会的命脉和发展知识经济 的重要基础。网络对社会生活的方方面面以及社会经济的发展已经产生了不可 逆转的影响，尤其以计算机网络发展最迅速且起到核心的作用。 进入2 0 世纪9 0 年代，以因特网为代表的计算机网络得到了飞速的发展， 已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络、民用网络，已经成为仅次于 全球电话网的世界第二大网络。 随着商业化计算机网络的飞速发展，计算机网络服务质量( q o s ，q u a l i t y o f s e r v i c e ) 及相关问题越来越受到人们的关注。 事实上，从计算机网络诞生开始，人们就一直孜孜不倦地致力于提高网络 的服务性能和服务质量，因此，q o s 问题实际上由来已久。目前，计算机网络 的q o s 问题已经成为国际网络研究领域最重要、最富有魅力的研究领域之 一，并且和网络安全的问题一道被称为新一代计算机网络最重要的研究领域之 一，对未来网络技术的研究、应用和发展具有举足轻重的意义。 计算机网络q o s 反映网络元素在保证信息传输和满足服务要求方面的能 力。从矛盾论的角度来分析，q o s 是用户与服务提供者之间的典型矛盾。如果 q o s 能够满足用户需求，则两者可维持良好的服务关系；否则，此种服务关系 将被打破。 随着高速网络技术和多媒体技术的飞速发展，人们越来越多地提出了包括 多媒体通信在内的综合服务要求。当今分南式多媒体应用不仅包括文本数据信 息，还包括语音、图形、图像、视频、动画这些类型的多媒体信息，而且这些 多媒体信息越来越占主导地位。因此，多媒体信息传输与管理的q o s 控制技 术作为下一代网络的核心技术之一，是当前计算机网络中研究和开发的热点问 哈自：清理t 大学t 学绚 学付论文 题。 无线局域网w l a n ( 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 ) 是通信中新兴 的一种方式，是有线网络的延伸，目前的主要应用是作为用户接入网络。顾名 思义，无线局域网是一种利用无线方式提供无线对等( 如p c 对p c 、p c 对集 线器或打印机对集线器) 和点到点( 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 n 中使用的双绞线或同轴线路或光纤，通过电磁波或红 外线发送和接收数据。 无线局域网像许多新兴技术一样，有着自身的优缺点。 无线局域网有很多优点，诸如可移动性、安装简易、安装费用低、网络维 护更容易、可靠性商及故障检测迅速等。 计算机网络现在已经成为日常商务运作中一个非常重要的组成部分，所以 说受灾后能够使网络重新运转起来的能力至关重要。许多运营商都求助于无线 局域网，将无线局域网作为灾后重建计划的主要方法。 正是由于无线局域网有着传统局域网以太网无法具备的独特优点，使 得无线局域网成为以太网的有力补充，有着属于自己的用户和市场。 当然w l a n 也存在着不足和缺点。就计算机网络的服务质量( q o s ) 而 言，w l a n 与传统有线链路网络相比还存在着差距。 无线局域网目前正得到迅速推广，已经成为商用及家用互联网领域的一支 重要的生力军。但是，w l a n 在性能上还不能达到传统有线网络的水平，还存 在某些不足和需要改进的地方【l i 。w l a n 目前得到应用比较广泛的技术是 i e e e 8 0 2 1 l f 2 】家族，而i e e e s 0 2 1l 又是其他家族成员的基础。因此，我们将研 究对象选定为i e e e 8 0 2 1 lw l a n 。 1 2 无线局域网的发展及标准 随着无线通信技术和因特网的飞速发展，人们对可携带、可移动的计算机 或工作站的需求日益增长。无线局域网不仅可以实现许多新的应用，还可以克 服线缆限制引起的不便性，解决某些特殊区域无法布线的问题。目前，无线局 域网已经被广大用户作为无线接入宽带网络的一种重要方式来使用，很多场所 都配置了w l a n ，例如：飞机场、大学校园、公司及商场等。 1 2 1 无线局域网的发展历史 1 9 7 1 年夏威夷大学的a l o h a n e t 研究课题首次将网络技术和无线电通信 2 哈尔演理t 大学t 学够 学p 论文 技术结合起来。a l o h a n e t 通过星型拓扑结构实现了分散在4 个岛上的7 个 校园内的计算机可以利用无线电方式和位于瓦胡岛的中心计算机通信，而不必 使用低质高价的电话线路，且能提供双向数据通信。 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 计并建立了终端节点控制器( 1 n c ，t e r m i n a ln o d ec o n u o l l e r ) ，将分散的计算 机通过无线发报设备连接起来。 i n c 工作起来就像现在的电话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使用的无线电模拟信号，然后再 利用分组交换技术通过广播信道发送出去。 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i s m 频 段，即工业、科技和医学频段，从而使得无线局域网向着商业化方向发展。 i s m 的工作频段在9 0 2 m h z 5 8 5 g h z 。i s m 频段为无线网络设备供应商提供了 产品频段，更重要的是终端用户无需向f c c 申请就可以直接使用设备。正是 由于i s m 频段对无线产业产生了巨大的积极影响，促进了无线局域网技术的 发展。然而，在没有统一标准的情况下，供应商各自为政，都在开发私有的无 线电设备，从而在一定程度上限制了无线局域网技术的发展。 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开发，如 以太网( 8 0 2 3 ) 和令牌环网( 8 0 2 5 ) 等。i e e e 8 0 2 1 1 工作组负责研究无线局 域网介质访问控制和物理层规范。 1 9 9 7 年1 1 月2 6 日，i e e e s 0 2 1 1 标准正式发布。1 9 9 8 年各供应商推出了 大量基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线设备。尤其是刚刚进军无线市场的商家更是 大力支持正e e 8 0 2 1 l 标准，大力开发基于i e e e s 0 2 1 l 标准的产品。 i e e e 8 0 2 1 1 产品的广泛应用带动了i e e e 8 0 2 1 1 系列标准的研究工作快速 发展，促进了人们对无线局域网技术的研究。欧洲电信标准协会( e t s i ) 开展 了h i p e r l a n l 4 i 标准的研究工作。 1 2 2 无线局域网标准 标准，即协议，是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。其中，实体 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 无线接入技术区别于有线接入的一个显著特点是标准不统一，不同的标准 满足用户不同的需求。正因为这样，使得无线接入技术出现了百家争鸣的局 面。在众多的无线接入标准中，无线局域网标准更成为人们关注的焦点。 w i f i 是无线保真( w i t l e s sf i d e l i t y ) 的缩写，其核心的w l a n 目前正得 哈尔 寄理t 大学t 学顾f 学位论丈 到迅速的推广。 现有的w l a n 标准有很多，例如：i e e e 8 0 2 1 l 系列、h o m e r f 、蓝牙 ( b l u e t o o t h ) i s l 6 l 、h i p e r l a n 等。但是应用最为广泛的是i e e e 8 0 2 1 1 系列。 1 i e e e 8 0 2 1 1 系列 i e e e 8 0 2 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网杯准，主要用于解决办公 室局域网和校园网中用户和用户终端的无线接入，业务主要局限于数据存取， 速率最高能达到2 m b p s 。该标准中，射频传输标准是跳频扩频( f h s s ， f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 和直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ) ，工作在2 4 0 0 0 g h z - 2 4 8 3 5 g h z 。在媒体接入控制( m a c ， m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层中使用载波侦听多路访问冲突避免 ( c s m a c a ) 协议，处理数据业务是采用r t s c t s p k t - a c k 方式。由于它 在速率和传输距离上部不能满足用户日益增长的需求，i e e e 又相继推出了 8 0 2 1 l b 7 1 、8 0 2 1 l a t s l 、8 0 2 1 i g t 9 l 、和8 0 2 1 l e t l o l 等新标准。 i e e e 8 0 2 1 l b 工作于2 4 g h z 频带，调制方式采用直接序列扩频方式和补 码键控( c k k ) ，物理层支持5 5 m b p s 和l l m b p s 两个新速率。它的传输速率可 因环境干扰或传输距离而变化，在1 1 m b p s 、5 5 m b p s 、2 m b p s 、1 m b p s 之问切 换。在2 m b p s 、l m b p s 速率时可与i e e e 8 0 2 1 1d s s s 系统交互操作，但不能与 1 m b p s 和2 m b p s 的8 0 2 1 lf h s s 系统交互操作。 i e e e 8 0 2 1 l a 工作于5 g h z 的频带，它采用正交频分复用( o f d m ) 技术，物 理层速率可达5 4 m b p s t “】，这就基本满足了现行局域网绝大多数应用的速度要 求。而且，对数据加密方面，采用了更为严密的算法。但是，i e e e 8 0 2 1 l a 芯 片价格昂贵、空中接力不好、点对点连接很不经济。空中接力就是较远距离点 对点的传输。需要注意的是，i e e e s 0 2 1 l b 和工作在5 g h z 频带上的 i e e e 8 0 2 1 l a 标准不兼容。 2 0 0 2 年1 1 月1 5 日，i e e e 试验性地批准了一种新技术i e e e 8 0 2 1 l g ，使 无线网络传输速率可达5 4 m b p s 。8 0 2 1 l g 是对8 0 2 1 i b 的一种高速物理层扩 展，同8 0 2 1 i b 一样，8 0 2 1 l g 工作于2 4 g h z 的i s m 频带，但采用了o f d m 技术，可以实现最高5 4 m b p s 的数据速率，与8 0 2 1 l a 相当：并且较好地解决 了w l a n 与蓝牙的干扰问题。8 0 2 1 1 9 与已经得到广泛使用的8 0 2 1 1 b 是兼容 的，这是8 0 2 1 1 9 相比于8 0 2 1 l a 的优势所在。8 0 2 1 l g 于2 0 0 4 年6 月1 2 目正 式定案。8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l g 四种标准对比情况见表l i 。 在媒体接入控制( m a c ) 层，8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 9 这四种标 准均采用载波侦听多路访问，避免冲突c s m a c a ，这有别于传统以太网上的冲 呛尔滓理t 大学t 学母卜学位论文 突检测( c s m a ，c d ) 。由于在射频传输网络中冲突检测比较困难，所以该协议 采用改进后的避免冲突检测代替在8 0 2 3 协议使用的冲突检测，使用信道空闲 评估( c c a ) 算法来决定信道是否空闲，通过测试天线口能量和决定接收信号强 度来完成。c s m a c a 使用r t s 、c t s 和a c k 帧减少冲突。c s m c a 相关内 容是在8 0 2 1 l 标准中定义的，8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l g 等标准直接沿用。 8 0 2 1 l 是m a c 层标准的基础，在此基础上，为了满足在安全性、q o s 等 方面的进一步要求，i e e e 相继提出了8 0 2 1 i e 、8 0 2 1 1 f 0 2 1 、8 0 2 1 l i t ”1 等标准。 8 0 2 1 l e 主要用来解决8 0 2 1 1 网的q o s ( 服务质量) 特性。它不像以太网 那样采用m a c 层，而是采用时分多路接入( t d m a ) 技术，并且对重要通信 增加额外纠错功能。8 0 2 1 1 e 主要体现在两项基本内容：一个是增强的分布式 协调功能( e d c f ) ，它使重要客户端的传输更优先；另一种是混合式协调功能 ( h c f ) ，它以一种有标记通过方式支持确定和或然的混合信道访问。 此外，还有8 0 2 1 1 f 主要解决8 0 2 1 1 在网j 日j 互连方面存在的不足。用户在 两个不同的交换网段( 无线信道) 或两种不同类型无线网的接入点问进行漫游 时，如何更好地维护网络连接，使w l a n 具备与蜂窝电话相同的灵活性是该 标准的主要任务。8 0 2 1 l i 是为了解决w l a n 的安全认证问题而制订的新安全 标准。8 0 2 i i n 是新代高速w l a n 新规范，数据传输速率可达到5 0 0 m b p s 。 表1 一lw l a n 相戈标准比较 t a b l el 1 c o m p a r a t i o no f s e v e r a lw l a np r o t o c o l s 8 0 2 】l8 0 2 1 】b8 0 2 1 l a 8 0 2 1 l g 频带2 4 g h z 9 0 0 m h z 2 4 g h z 5 g h z 2 4 g h z 物理层d s s s ，f h s s ，i r d s s so f d mo f d m m a c 层c s m a ，c ac s m a ，c ac s m a ，c ac s m a ，c a 传输速率 1 2 m b p s 1 , 2 5 5 ，ll m b p s 最高丛5 4 m b p s 最高达5 4 m b p s d p s k r f o rd s s s )d b p s kb p s k 编码调制 c c k g f s k ( f o rf h s s ) d o p s kc c ko p s k q a m 府用较广 主要优点通信距离较远传输速唪高传输速率高 通售距离较远 对f 某些紧急当距离较大时共 主要缺点传输速率低通信距离短 席目速率不够 存的网络数受限 2 8 0 2 t 5 i e e e 8 0 2 1 5 短距离无线接入标准就是人们所熟悉的蓝牙( b l u e t o o t h ) ，是 一项最新标准，它同样工作在2 4 g h z 频段。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 l 更具有移动性，它不完全局限于办公室 和校园内，能把一个设备连接到l a n 和w a n ，甚至支持全球漫游。蓝牙设备 哈笨谤理t 大学t 学够 学拈论文 具有功耗小、成本低、体积小和连接方便等突出优点，只是在通讯距离和速率 上较8 0 2 1 1 稍逊一筹，通讯距离只有1 0 m ，传输速率仅为l m b p s 。 3 h o m e r f h o m e r f 是i n t e l 力推的一种家用无线网络标准，是i e e e 8 0 2 1 1 与增强型 数字无绳通信技术( d e c t ，d i g i t a le n h a n c e dc o r d l e s st e l e p h o n y ) 的结合：当 进行数据通信时，采用i e e e 8 0 2 1 1 规范中的t c p i p 传输协议：当进行语音通 信时，则采用d e c t 标准，主要特点是可以降低语音数据成本。h o m e r f 也工 作在2 4 g h z 频段，能同步支持4 个高质量语音信道，但是其传输速率只有 l 一2 m b p s 。 4 h i p e r l a n h i p e r l a n 由e t s i 提出，其系列包括四种杯准：h i p e r l a n l 、 h i p e r l a n 2 、户内无线骨干网标准h i p e r l i n k 以及为户外访问有线基础设备的 标准h i p e r a c c e s s 。目前应用较多的是h i p e r l a n 2 ，其工作频率为5 g h z ，采 用o f d m 物理层和t d m a t d d 工作方式，传输速率最高可达到5 4 m b p s 。 h i p e r l a n 2 与8 0 2 1 l a 性能相似，主要区别在m a c 层。由于h i p e r l a n 只是 在欧洲范围应用较多，而且产品推出较慢，影响力远不及i e e e 8 0 2 1 1 系列。 1 3 无线局域网的m a c 技术研究 计算机和网络领域都从标准中受益。谁最先制定出相对合理的、有说服力 的标准，就掌握了主动权，就可以在技术发展领域处于领先地位。 国际标准化组织( i s o ) 开发的o s i 七层模型说明了计算机之间数据通信 所必需的独立功能块。无线局域网所关注的部分主要是o s i 模型的最低两层， 即物理层和数据链路层i t 4 1 ”l 。数据链路层通常又可分为两个子层：媒体访问控 制( m a c ) 子层和逻辑链路控制( l l c ) 子层【”】。 当网络节点共享输入或者输出端口时，由于瓶颈效应，业务流之b 】势必会 发生冲突而需要排队等待调度处理，相应协议的队列调度算法按照一定的服务 规则对交换节点共享的端口的不同输入业务分别进行调度，使得所有的输入业 务流能够按照预定的方式共享交换节点的带宽资源。 有线分组网络中的队列调度算法的研究”1 已经取得了很大发展，在一定范 围内可以对一条有线链路进行特定的带宽分配。w l a n 的一个显著特点就是没 有统一的队列，所有的队列部分布于各个无线终端上，而需要调度分配的就是 各交换节点共享的无线链路带宽。 呛尔浩理t 大学t 学野卜学付诒史 正是由于w l a n 的这个特点，使得在队列调度过程中存在公平性问题， 从而导致各节点发送数据流的带宽存在很大差异。公平性问题作为网络的一项 重要q o s 指标，尤其是作为无线局域网的q o s 指标，越来越引起人们的关 注。所以，保证和控制无线局域网的公平性就显得尤为莺要。它必将成为无线 局域网优点得以发挥的有力保障，促使无线局域网得到更广泛的应用。对无线 局域网q o s 问题，尤其是公平性问题的研究十分有必要。无论是理论分析 上，还是技术创新上，都需要我们努力去探讨和研究。 w l a n 的资源调度功能是在m a c 层实现的，所以，当前关于w l a n 调 度算法公平性问题的研究大部分是基于m a c 的。 在w l a n 网络中，无线介质由多节点共享，控制节点对介质的访问是 m a c 需要解决的问题。同有线网络相比，无线信道的带宽资源相对贫乏，性 能良好的m a c 机制不仅能使无线信道资源得到充分利用，同时m a c 还会影 响到上层协议的性能( 如t c p ”1 的性能1 1 9 1 i ”、路由协议的性能等) ，也是无线 w l a n 网络支持q o s 的关键。因此，研究w l a n 的m a c 机制具有重要的意 义。当前人们研究比较多的是工作在无中心控制下无线局域网的m a c 层机 制。 无中心无线局域网络的特点要求m a c 机制不能依赖于某固定节点，因 此，集中式的m a c 机制不适合此种网络，无中心w l a n 的m a c 机制必须分 布实施。然而，无中心w l a n 的固有特点( 隐终端显终端问题1 2 1 1 i ”1 、共享信 道、信道带宽具有空间再用性口等) 使得设计高效的无线局域网m a c 机制具 有很强的挑战性，尤其是既能充分利用无线信道的带宽资源同时又能使竞争无 线信道的节点公平共享无线信道的m a c 机制，以及提供服务质量保证的 m a c 机制。 i e e e 8 0 2 1 1 是较早提出的无线局域网标准。8 0 2 1 1 系列的其他标准以及许 多w l a n 标准都直接或间接、全局或局部地受到8 0 2 “标准的影响。因此， 对8 0 2 1 l 标准的研究工作在研究无线局域网技术方面有着重要的意义。 1 3 1 几种重要的m a c 机制 现有的m a c 层协议如c s m a c 2 4 i 、m a c n 2 甜、f a m a 蚓等都使用二进制指 数退避( b e b ，b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k - o f f ) 策略。在这种策略中，每个节点 都有一个计数器，冲突各方的竞争窗口( c w ：c o n t e n t i o nw i n d o w s ) 都按2 倍 增大；每当成功发送一次，竞争窗口则一次性退到最小值。这种策略在高负载 时存在参与竞争的用户不能共享无线链路资源的现象。即存在不公平性。 c s m a ：载波侦听多址接入( c s m a ：c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 是最 初分组无线网络p r n e t ( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 采用的m a c 机制，c s m a 要 求节点在发送m a c 帧之前必须首先监听信道，如果信道空闲，则立即发送 m a c 帧，否则，随机选择时延等待，并在等待时间结束后重新调度分组。 c s m a 的主要缺点是不能解决无线局域网的隐终端问题。 m a c a ：为了解决隐终端问题，m a c a ( m 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 ) 引入了r t s c t s 机制，即源节点在发送数据帧之前，首先发送r t s 帧，目的 节点在收到r t s 帧后用c t s 帧确认。r t s 帧给出了完成后续的c t s 帧的发送 所需的时问，c t s 帧给出了完成后续的数据帧的发送所需的时i 日j ，收到i 玎s 帧( 或c t s 帧) 的非目的节点( 或非源节点) 将根据该时间作延时等待。源 节点在收到c t s 帧后发送数据帧。即m a c a 采用r t s c t s d a t a 的帧交换方 式。由于目的节点的相邻节点不会在目的节点接收数据帧的时间内发送信号， 因此，目的节点对数据帧的接收不会被相邻节点干扰。但r t s 帧的发送可能 会因碰撞而失败，当发生碰撞时，源节点用二进制的指数回退策略作时延等 待。 m a c a w t ”1 ：采用r t s c t s d s d a t a a c k 的帧交换方式，r t s 、c t s 帧 的作用同m a c a 中r t s 、c t s 帧的作用相同，a c k 帧用于目的节点在正确收 到数据帧后对源节点的确认，d s 帧由源节点在发送数据帧之前发送，用于告 诉源节点的相邻节点后续d a t a a c k 帧的发送所需的时间，收到d s 帧的节 点将根据d s 帧给出的时间作延迟等待。另外，不同于m a c a ，m a c a w 对竞 争窗口采用乘性增加，线性减小的策略。 i e e e 8 0 2 1 1d c f ：i e e e 8 0 2 1 1 d c f 采用r t s c t s d a t a - a c k 帧交换方 式，同时采用了载波侦听和虚拟载波侦听策略，并在碰撞时采用b e b 延时策 略。m e e 8 0 2 1 ld c f 是目前应用最广的无线局域网m a c 机制，它已被众多无 线网卡的生产厂家实现为无线局域网的m a c 协议。同时，i e e e s 0 2 1 1d c f 也 被广泛应用于无线网络研究的仿真和实验网中。 1 3 2m a c 机制的研究方向 同无线局域网路由协议相比，人们对无线局域网的m a c 机制的研究相对 较少，只是到近几年，随着无线局域网m a c 标准的制定( i e e e 8 0 2 1 1d c f ( 分布式协调模式) p c f ( 点协调模式) ) ，以及无线对等网络支持q o s 的需 哈尔涫理t 大学t 学修+ 学付论史 要，人们才进一步意识到无线局域网m a c 机制的重要，并投入更多的研究精 力。人们对无线局域网中m a c 机制的研究大致包括m a c 机制的性能分析、 公平的m a c 机制、支持q o s 的m a c 机制三方面。 1 m a c 机制的性能分析 在分析无线局域m a c 机制的性能时，研究大多是针对i e e e 8 0 2 1 1 d c f 的。 文献 2 8 3 0 1 从饱和吞吐量的角度对i e e e 8 0 2 1 1 d c f 的性能作了仿真分 析。文献 3 1 1 1 3 2 】的作者通过建立相应的m a r