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北京邮电大学研究生毕业论文 基于w l a n 的质量控制系统的实现 基于w l a n 的质量控制系统的实现 摘要 无线网络通信作为新兴的通信技术在日常生活中的作用越来越 大。近年来尤其是无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能与 传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高和优化无线局域网的性 能就显得十分重要。 论文首先对无线局域网的特点作了说明，概述了无线局域网的关 键技术和发展前景。接着分析了无线局域网中存在的干扰类型和相关 参数对无线局域网性能的影响。同时还针对目前基于i e e e8 0 2 1 l b 协议的w l a n 中，q o s 保证的各种优化算法和方案进行分类讨论。 在介绍完背景知识后，对实现w l a n 质量控制系统的两种方法： 利用协议层驱动控制o l d 和注册表控制参数，进行了深入的研究。 此外，还介绍了w i n d o w s 操作系统中网络驱动的结构、如何构造处 于中间层的协议驱动以及创建o i d 等技术要点。 在前面工作的基础上，对系统进行了总体设计、模块设计，设计 思路，代码开发。最终实现了整个控制系统，并对开发结果进行了测 试。测试结果表明该控制系统实现了对w l a n 卡参数的实时配置、 对w l a n 网络数据流量和信号状况的实时监测和网络的自动切换。 最后，给出了一些对后续工作的建议。 关键词：无线局域网干扰服务质量驱动注册表 i i 北京邮电大学研究生毕业论文 基于w l a n 的质量控制系绩的实现 i m p l e m e n t a t i o no fq u a l i t yc o n t r o l s y s t e mo v e ri e e e8 0 2 1 1b b a s e d 、礼a n a b s t r a c t w i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sa r ea l le m e r g i n gt e c h n o l o g ya n d a r eb e c o m i n ga l le s s e n t i a lf e a t u r eo fe v e r y d a yl i r e w l a ni st h em o s t p o p u l a rt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s b u t t h ep e r f o r m a n c eo f 亿a ni ss t i l l w o r s et h a nt r a d i t i o n a le t h e r n e t s oi ti s v e r yi m p o r t a n tt o e n h a n c et h e p e r f o r m a n c e o fw l a n i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , w ed e s c r i b e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fw l a n a n d a n a l y z e d t h e k e yt e c h n o l o g y o fw l a na n di t s b r i g h t f u t u r e t h e n a n a l y z e di n t e r f e r e n c et y p ei nt h ew l a n a n dr e l e v a n tp a r a m e t e r sw h i c h i m p a c t o n p e r f o r m a n c eo f t h ew l a n a tt h es a m et i m e f r o mt h e p o i n t o f i e e e8 0 2 1l b p r o t o c o l ，v 撕o u s k i n d so fo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m s a n d s c h e m e st h a tq o s g u a r a n t e ew e r ec l a s s i f i e da n d d i s c u s s e d a f t e rt h a t ，w eh a dad e e pr e s e a r c ht h et w ow a y st or e a l i z et h e w l a n q o sc o n t r o ls y s t e m - - u s i n gap r o t o c o ld r i v e rt oc o n t r o lo i da n d u s i n gr e g i s t e r t oc o n t r o l p a r a m e t e r s f u n l l e r m o r e ，w e i n t r o d u c e dt h e a r c h i t e c t u r eo fw i n d o w sn e t w o r kd r i v e r sa n dt h ed e s c r i b e dh o wt ow r i t ea p r o t o c o ld r i v e ra n d h o wt oc o n s t r u c to l d ，e t c o nt h eb a s i so ft h ep r e v i o u sw o r k ，w ed e s c r i b e dt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t o ft h ew h o l e 、l a n q o s c o n t r o ls y s t e m a tl a s t w eh a dat e s t o nt h e q o s c o n t r o l s y s t e m o fw l a nt o e v a l u a t et h e s y s t e m s p e r f o r m a n c e ，t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h es y s t e mc a l lc o n f i g u r et h ew l a n a d a p t e rc o r r e c t l ya n d c a nm o n i t o rt h el i n ks t a t u so ft h ew i r e l e s sn e t w o r k a n dc a l lh a n d o f f a u t o m a t i c l yb e t w e e ns e v e r a la p s a tm ee n do ft h i st h e s i s ，t h e r ew e r es o m e s u g g e s t i o n sf o rt h ef u t u r e w o r k k e yw o r d s ：w l a n i n t e r f e r e n c eq o sd r i v e r r e g i s t e r i l i 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名日期 3 习7 目 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 北京邮电大学研究生毕业论文 基于w l a n 的质量控制系统的实现 1 1 引言 第一章绪论 无线网络通信技术作为新兴的通信技术在日常生活中的作用越来越大。近年 来尤其是无线局域网技术得以迅速发展，随着产品价格和技术方面日渐成熟，已 广泛应用到公共服务领域，主要是酒店、宾馆、机场等，同时在企业内部网、校 园网及地理位置较特殊的政府机构等领域中也有应用。目前，无线局域网主要是 以i e e e 的i e e e8 0 2 1 1 和e t s i 的h i p e r l a n 标准为代表。这两种标准都对无 线局域网的物理层和介质访问控制层进行了规范。 由于当前无线局域网主流设备使用的是2 4 g h z 的i s m 公用频段，在这个频 段上设备类型较多，主要分为无线局域网设备，个人区域网设备，及少量工业 家用电器设备等。具体设备主要为i e e e8 0 2 1 l a b g 设备，蓝牙通信设备，工业 家用微波炉设备等。因此，当这些设备共区工作时，会对彼此产生干扰，导致 传输不稳定，使得网络质量下降，甚至使网络不可用。 另一方面，无线局域网技术和有线以太网技术相比，带宽较窄，传输速率较 低( i e e e8 0 2 1 l b 最高速率1 1 m b p s ，i e e e8 0 2 1 1 a 最高速率5 4 m b p s ) ，因此如 何提高和优化无线局域网的性能就十分重要。此外，日益增长的音视频应用，多 媒体服务也对无线局域网提出了更高的要求，例如带宽、丢失率、迟延和抖动等。 因此，研究无线局域网中质量保障机制就显得很突出和必要。目前针对这一热点 课题，国内外已经有广泛研究，针对无线局域网的性能进行分析和仿真。主要是 通过对不同q o s 需求的业务进行优先级的划分，并采取相应的调度策略，例如 改变帧长、速率或者是调整r t s c t s 门限值以满足相应的服务质量。这些研究 为以后的发展积累了一些理论基础，但是对实际实现的研究比较少。 正是基于这些情况和要求，我选择其中的一种思路，进行了有益的尝试，设 计了w l a n 质量控制系统。这个系统可以让用户实时地了解当前的w l a n 网络 信号状况以及当前w l a n 网络通信的数据流量，进行无线网卡参数的调整，同 时还能自动接入信号强的网络。其中采用了w i n d o w s 2 0 0 0 支持的一种称为 w i n d o w s 管理诊断( w i n d o w sm a n a g e m e n ti n s t r u m e n t a t i o n ，缩写为“w m i ”) 的控 件，用于管理计算机系统。通过这一技术为质量控制系统提供优良的系统接口， 同时我还使用支持w m i 的n d i s ( n e t w o r k d r i v e ri n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) 接口提供 了对网络设备的操作，主要涉及到o i d 的管理，保证了无线终端在恶劣的网络 环境下获得优良的性能。在模块的设计中，我还采用了注册表控制法，克服了由 北京邮电大学研究生毕业论文 基于w l a n 的质量控制系统的实现 于低层驱动程序的封闭性给上层设计带来的限制，两者的紧密结合促使w l a n 质量控制系统具有良好的可用性和适用性。 众所周知，驱动程序分为用户模式驱动程序和内核模式驱动程序。论文涉及 的主要是内核模式驱动程序中一类一- - n d i s 小端口驱动程序。它将对某种端口 的普通的i o 请求映射成对具体适配器( 在：本系统中是无线网卡) 的操作。n d i s 是网络驱动接口规范的英文简称，该规范从下至上将驱动程序结构分为三层：小 端口驱动程序、中间驱动程序和协议驱动程序。n d i s 能够以与设备无关的方式 实现协议驱动程序与n d i s 小端口驱动程序的通信，n d i s 接口库为协议驱动程 序和n i c 驱动程序提供了标准接口，驱动程序之间不直接通信，而是通过n d i s 库提供的标准接口函数进行通信。关于n d i s 的具体描述请详见5 4 节。在n d i s 小端口驱动程序结构中，有一个o i d 模块，这是无线网卡维持的特定的管理信 息库，该信息库保存了动态配置信息和统计信息，管理信息库中的每一个元素是 一个对象，n d i s 为每个对象定义了对象表示符o i d 。 通过对p r i s m 芯片手册分析，可知我们可以获取的无线网卡硬件信息一般 分为两类：配置记录和信息记录。 配置记录是指能够从网卡读取，同时又能反馈回网卡的参数。它又分为 两类：静态配置记录可被读取和写入内存。并且所做改变只有在加电和 r e s e t 时才生效。动态配置记录则可以实时改变网卡的工作状态。 信息记录是指只反映网卡的当前工作信息，不能改变网卡的状态，是只 读的。 这些记录主要存放在o i d 里，因此，我们的系统主要就是通过对o i d 的操 作来完成网卡的信息处理。 p c 机及其操作系统的一个特点就是允许用户按照自己的要求对计算机系统 的软硬件进行各种各样的配置。注册表是一个数据库，用来将各种信息资源集中 起来并存储各种配置信息。按照这一原则，w i n d o w s 各版本中都采用了将应用程 序和计算机系统全部配置信息容纳在一起的注册表，用来管理应用程序和文件的 关联、硬件设备说明、状态属性以及各种状态信息和数据等。在w i n d o w s 系统 中，注册表是采用“关键字”及其“键值”：来描述登录项及其数据的。因此，要 通过注册表控制硬件外设的设置数据，驱动程序的参数和设置信息，首先需要找 到这些设备或是程序在注册表中对应的键值，然后加以修改，最后重新启动设备， 才能使更改生效。w i n d o w s 系统提供r e g x x x 类函数实现了对注册表内数据的创 建、关闭、查询、设置和删除等操作。 本文对质量控制系统的特点、功能进行了详细的分析，提出了具体的设计和 实现方法，引入了设计使用的技术和遇到的问题，期望为质量控制系统的进一步 2 北京邮电大学研究生毕业论文 基于w l a n 的质量控制系统的实现 发展提供一定的技术参考。 1 2 本文的工作和贡献 我们的目标是实现一个无线局域网的质量控制系统。所以论文着重讨论研究 了无线局域网中的干扰和质量保障机制，并对实现无线局域网质量控制系统需要 的技术手段进行了比较全面的研究，充分考虑了各种实现中的技术问题之后，对 整个系统进行了功能模块的设计，对每个模块的具体功能进行了分析并提供了设 计流程。同时，针对在实现每个模块中遇到的技术问题提供了较为详细的解决方 法。本文的主要成果： 总结了无线局域网中的干扰类型，讨论了基于w l a n 的质量保障机制， 为进一步的工作提供了理论基础。 根据p r i s m 芯片手册进行设计，丰富了驱动程序支持的o i d 。 提出了用注册表控制法来增加对底层网卡控制的新思路。 编写实现了基于w l a n 的质量控制系统。 1 3 论文结构安排 第二章概述了无线局域的特点、关键技术以及未来的发展方向。 第三章论述了当前无线局域网内存在的三种常见干扰，具体分析了微波炉对 8 0 2 1 l b 设备的干扰情况。并讨论了为减小以上干扰可采取的措施。 第四章细致列举出q o s 的主要参数，并对基于i e e e8 0 2 1 l 的无线局域网中 的q o s 保障机制作了分类讨论。 第五章主要分析讨论了质量控制系统中使用的一些基本技术，包括与之相关 的操作系统，驱动程序框架、驱动所使用的n d i s 技术。 第六章在前面几章的理论分析基础上，针对其中提到的提高q o s 质量的方 法，论述了系统的设计方案，结构框图、功能模块以及部分关键程序的设计思路 和设计流程e 同时还描述了测试环境，并对该控制系统进行验证。 最后，对本课题的研究成果做了一个简要总结，同时对本课题的后续工作做 了简要说明。 北京邮电大学研究生毕业论文基于w l a n 的质量控制系统的实现 第二章无线局域网理论基础 2 1 无线局域网的特点【1 】 与有线网络相比，无线局域网主要具有以下优点： 安装便捷：在网络建设当中，施工周期最长、对周边环境影响最大的就是网 络布线的施工了。在施工过程时，往往需要破墙掘地、穿线架管。而w l a n 最 大的优势就是免去或减少了这部分繁杂的网络布线的工作量，一般只要在安放一 个或多个接入点( a c c e s sp o i n t ) 设备就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。 使用灵活：在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。 而一旦w l a n 建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网 络，进行通讯。 经济节约：由于有线网络中缺少灵活性，这就要求网络的规划者尽可能地考 虑未来的发展的需要，这就往往导致需要预设大量利用率较低的信息点。而一旦 网络的发展超出了设计规划时的预期，又要花费较多费用进行网络改造。而 w l a n 可以避免或减少以上情况的发生。 易于扩展：无线局域网有多种配置方式，能够根据实际需要灵活选择。这样， w l a n 能够胜任只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络，并且能够 提供像“漫游( r o a m i n g ) ”等有线网络无法提供的特性。 高速：由于共享信道，终端可以使用相对较宽的信道而达到高数据速率，虽 然总的吞吐量没有改变，但对于高突发性的数据传输是一种高效的方案。 由于具有上述这些优点，无线局域网已成为实现移动计算网络的关键技术之 一。在未来的通信网中，无线局域网即使不是构成移动计算网络的基础，也会成 为其中的一个重要组成部分。图2 1 给出了一个基于无线局域网的移动计算网络 的实现方案。 4 北京邮电人学研究生毕业论文 基于w l a n 的质量控制系统的实现 图2 - 1 基于无线局城网的移动计算网络 2 2 无线局域网的关键技术 实现无线局域网的关键技术主要有三种：红外线、跳频扩频( f h s s ) 和直接 序列扩频( o s s s ) 。 红外线局域网采用小于lum 波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向 性，受太阳光的干扰大。红外线支持1 2 m b s 数据速率，适于近距离通信。比 起无线电波，红外线的安全性更强，性能更好，同时红外线具有较大的带宽，可 以实现数据的高速传输。然而，由于自身覆盖区域的限制，红外线并不像无线电 波那样适用于移动连接。 f h s s 局域网支持1 m b s 数据速率，共2 2 组跳频图案，包括7 9 信道，输出 的同步载波经调解后，可获得发送端送来的信息。 d s s s 局域网可在很宽的频率范围内进行通信，支持l 2 m b s 数据速率，在 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。 基于d s s s 的调制技术有3 种。最初 e e e s 0 2 1 1 标准制定在1 m b i t s 数据 速率下采用差分二相相移键控( d b p s k ) 。如果要提供2 m b i t s 的数据速率，可采 用差分正交相移键控( i ) q p s k ) ，这种方法每次处理两个比特码元，成为双比特。 第三种是基于c c k 的q p s k ，是i e e e 8 0 2 1 l b 标准采用的基本数据调制方式。它 采用了补码序列与直序列扩频技术，是一种单载波调制技术，通过相移键控( p s k ) 方式传输数据，传输速率分为l 、2 、5 5 和1 1 m b i t s 。c c k 通过与接收端的p a k e 接收机配合使用，能够在高效率传输数据的同时有效克服多径效应。i e e e s 0 2 1 l b 通过使用c c k 调制技术来提高数据传输速率，最高可达1 1 m b i t s 。但是当传输 北京邮电大学研究生毕监论文 雉于w l a n 的质量控制系统的实现 速率超过l l b l b i t s ，c c k 为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起 来非常困难。i e e e 8 0 2 1 l a g 标准为了支持高速数据传输都采用了0 f d m 调制技 术。其主要思想是：将信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制 和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道 的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间 干扰。 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。覆盖范围大，发射功率 较自然背景的噪声低，基本避免了信号的偷听和窃取，使通信非常安全。同时， 无线局域网中的电波不会对人体健康造成伤害，具有抗干扰性、抗噪声、抗衰减 和保密性能好等优点。 2 3 无线局域网的发展目标 无线局域网的发展是和计算机技术、互联网技术、无线通信技术的发展息息 相关的。随着新技术的使用，无线局域网将向着更高传输速率、更高稳定性、更 强数据安全性的方向发展，并将更能满足人们需要的“个人通信”。 从网络方面看。一方面，高速的移动计算网络将会成为个人通信中十分重要 的组成部分，将来移动计算网络和超高速有线局域网必将构成个人通信的网络基 础。从而形成针对个人需求的移动互联网络，实现移动互联网系统上的多种业务。 另一方面，w l a n 与3 g 移动网络进行有效整合，使二者互为补充，可促进w l a n 业务的推广，也可推动3 g 业务的发展，为用户带来更好的移动互联网体验。 从技术方面看，未来w l a n 进一步发展的关键环节具体分为：更高速、服 务质量( q o s ) 、w l a n 管理、漫游以及安全性。 针对物理层的提速，已开始由i e e e8 0 2 1 i n 工作小组进行探讨。目标就是 使实效速度超过1 0 0 m b i t 秒，而且能与现有的w i + f i 标准广泛兼容，并支持p c 、 消费电子设备和移动平台等装置。i e e e8 0 2 1 l e 标准在m a c 物理层增加了服务 质量( q o s ) ，为用户和应用各自确定了四个优先级，对现有的8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l a 无线标准提供多媒体支持，同时完全与这些标准向后兼容。另外，它还将统一功 率设置和流量调度的标准，以帮助a p 优化无线电波段和基于流量模式的带宽使 用。负荷分散机制可通过收集、管理无线l a n 设备信息的i e e e 8 0 2 1 l k 标准来 解决。预计在2 0 0 5 年内可以实现标准化。公众无线l a n 所必需的高速漫游已于 2 0 0 4 年7 月由i e e e 8 0 2 1 l r 工作小组开始制订规格。按这一规格漫游时，与接入 点进行信息交换，不需要重新认证即可完成切换。针对w l a n 服务存在的网络 安全性问题，已有i e e e8 0 2 1 l i 标准和中国无线网络国家标准( w a p i ) ，以期在未 来改进w l a n 的用户安全接入和动态加密安全模式。 6 北京邮电大学研究生毕业论文基手w l a n 的质量控制系统的实现 从应用方面看，w l a n 应用的步伐正逐步加快，但市场整体上还处于启动 期和培育期。2 4 g h z 频段8 0 2 1 1 b 的发展态势较好，未来的应用步伐会继续加快。 另外，随着产品价格的逐渐走低，具有更高传输速率的8 0 2 1 1 a g 也将获得较大 的发展。无线应用的最终方向是逐渐趋于大众化，企业用户及家庭用户将是无线 局域网最大的潜在用户群。此外利用无线局域网开展音视频服务是一大趋势，而 且随着无线局域网技术的完善，无线局域网将更多的应用在未来的多媒体时代。 北京邮电大学研究生毕业论文 基于w l a n 的质量控制系统的实现 第三章无线局域网中的干扰和性能分析 3 1a d h o e 网络中的8 0 2 1 1 b 设备间干扰分析 在a d - h o c 网络下，没有a p 存在，所有工作站工作在统一的信道上，而且 信道基本保持不变。在室内无线环境下，信道可能会遇到强烈持续的干扰川，严 重降低吞吐量，甚至使网络不可用。 3 1 18 0 2 1 l b 设备干扰基本原理 i e e e 8 0 2 1 1 b 支持4 种速率，分别为1 m b p s 、2 m b p s 、5 5 m b p s 和1 1 m b p s 。 尽管速率不同，但扩频码码速率相同，都为1 1 m c s 。物理层的具体实现，都采 用1 0 调制。由于扩频码码速率都为1 1 m ，根据直接序列扩频的理论( 射频带宽 为扩频码速率的2 倍) ，i e e e 8 0 2 1 1 一路射频信号的带宽为2 2 m h z 。对应前面所 述的信道，一路射频信号无论速率为多少，都古用4 个信道。因此为了保证信号 无干扰的传输，相邻射频信号中心频点必须相隔4 个信道以上。因此，多个网络 无干扰工作信道编号可能组合为。每个组合以外的信道都可能对此网络产生干 扰。这种干扰的特点这种干扰的特定是持续时间长，干扰强度大。对于这种干扰， 可以采用空间信号能量分集的方法，把互相干扰设备的射频信号能量分布到不同 的物理空间和矢量空间中去。但在现实网络中，这种方法由于受到种种限制而得 不到很好的实施。 一。般情况下，跳频设备由于发射功率较小，而且采用随机的跳频序列，跳频 速率通常较高，对直序扩频设备的影响较小。在本章第三节中，小结了直接序列 扩频设备与蓝牙系统( 典型跳频系统) 的共存问题。 对于其他干扰，由于物理层采用直序扩频系统，i e e e 8 0 2 1 l b 设备本身就具 有很强的抗白噪声能力。 3 1 2 自适应信道选择算法嘲 文献【3 】算法提出的基本思想为，当现有工作信道受到严重干扰导致工作质 量严重下降后，根据一定的算法重新选择无线网络的工作信道，达到躲避干扰， 从而稳定工作。 判决原则：比较直观的判决原则是当误包率达到一定值或者信号噪声比降到 一定值时，判决当前信道受到干扰。为了避免突发性干扰( 持续时间很短) 造成 兰! 塞堂皇查兰竺塑皇望些堡皇 苎士旦! 型塑耍墨丝型墨塑塑! ! ! l 的信道频繁切换问题，采取累计时间判决方法。即当干扰持续时间大于指定时间 ( t 。) 后，才进行信道切换。而且在信道切换后，在指定时间内( 互。) 时间 内将不进行信道切换。 算法流程：首先采集干扰参数，按照预定干扰判决准则进行干扰判决。如果 判决干扰消失，持续时间重置为0 ，经过延时重新进行干扰参数采集和干扰判决。 如果判决干扰存在，持续时间大于参数l 。( 即需要进行信道切换) 时，则进 行信道切换，否则延时后重新进行干扰参数采集和干扰判决。当信道- i ；z j 换完成后， 延时死。后，判决是否再次进行信道切换。在信道干扰不再发生后结束整个信道 切换过程。 帧结构设计：当a d - h o c 网络中有一个s t a 决定进行信道切换时，通过广播 帧发出信道切换请求。当收到来自a d h o c 网络中其它s t a 的信道请求确认帧后， 则开始进行信道切换。 信道选择策略：信道选择序列，f ，由8 0 2 1 l b 中定义的信道组成。对于指 定的种子数，x ，信道选择序列如下： t = 识( 1 l 六( 2 ) ，工( 3 ) ，正0 ) j ( 公式i ) 此时，( j ) 表示在x 种子中第i 个频率的信道编号，p 是x 种子下信道的个 数( p = 1 1 ) 。 给定种子数x 和序列索引i ，就可以知道要切换的目的信道编号。信道编号 由下式给定： ( f ) = 陋o ) + x 】r o o d ( 1 1 ) + 1 ( 公式2 ) 6 ( f ) 值由表3 - l 给定。 表3 - i6 ( o 值表 j 6 0 ) z 砸) i 6 0 ) 1o529l 269l o 31 0741 l3 4 6gs 信道选择序列的设计是为了保证在相邻选择信道间2 0 m h z 的最小距离。 种子数x 取值为0 到l o 之间产生的随机数。 3 1 3 实验和仿真结果与讨论 实验中我们设雹了个i e e e s 0 2 1 l b a d h o c 网络，它的主要网络仿真参数如 表3 - 2 所示。网络处于饱和状态，即每个s t a 在完成一次包发送后，立即有 9 北京邮电大学研究生毕业论文基于w l a n 的质量控制系统的实现 新包要发送。 表3 - 2 网络仿真参数值 对象参数 业务类型 文件传输协议( h 叫) 传输数率自动 物理层工作方式直序扩频( d s s s ) 空间传辅模型 l o n g i e yi t i c e 工作环境办公窒( 1 0 0 m x l 0 0 m ) 节点个数 4 干扰网络l 干扰网络有三个节点组成，也处于饱和状态下。为了对原有网络产生强烈干 扰，我们设置为两个网络的工作信道相近或相同。干扰节点与原有网络节点距离 相近。 下面讨论两种情况下无线网络吞吐量的变化情况。 ( 1 ) 无a c c a 算法的无线网络有无干扰情况对比 为了研究无a c c a 算法的干扰网络对原有无线网络吞吐量影响的状况，通 过仿真得到无线网络吞吐量和时间的关系曲线，如图3 1 所示。可以看出，没有 干扰网络时，i e e e 8 0 2 1 l b 无线网络吞吐量比较稳定，为4 0 0 k b s 左右。在干扰 网络存在下，网络吞吐量严重下降，不到原来的5 0 ，i e e e 8 0 2 1 l b 系统性能变 差。如果干扰特别严重，甚至会导致无线网络不可用。仿真情况与实际情况相符 的。 ( 2 ) 有a c c a 算法的无线网络有无干扰情况对比 我们在i e e e 8 0 2 1 1 b 节点中植入a c c a 算法，通过仿真得到无线网络吞吐 量和时间的关系曲线，如图3 2 所示。可以看出，在有干扰网络存在下，网络吞 吐量相比没有a c c a 算法得到了很大的提高，i e e e 8 0 2 1 l b 系统性能得到了很大 恢复。 。m e _ g 日耐w 伸l e 8l a n t h r o u g h p u t ( b i t s s e c ) 6 啪一m7 q e o f w i r e l e s s l e a t h r o u g h p u t ( b i t s l s e c ) 无 线 闸 络 吞 吐 釜 i i ：群激 皂孓幽 时间 图3 1 1 0 无 线 网 络 吞 吐 煅 ：搿震 帆 w 1 ”一 图3 - 2 北京邮电大学研究生毕业论文 基于w l a n 的质量控制系统的实现 3 2 微波炉对8 0 2 1 1 b 设备的干扰分析 i e e e8 0 2 1 l b 是现在被广泛采用的无线局域网标准，工作在2 4 g h z 公用频 段。而无绳电话、蓝牙设备甚至微波炉等设备都可以使用这个频段，会对工作在 这个频段的无线局域网设备产生严重干扰，因此有必要对它们形成的干扰环境下 的无线通信进行研究，以保证通信的正常进行。 3 2 1 微波炉的分类 由于微波炉的普及，本文以其作为主要干扰源研究。为了深入分析微波炉带 来的干扰影响，需要了解微波炉的频谱特性，以期从本质上研究干扰产生的原因 和可以采取减小干扰的相关措施。根据干扰影响的大小，将微波炉分为家用和商 用两类。家用微波炉有一个磁电管，工作在2 0 m s 电磁功率周期。商用微波炉中 有两个磁电管，分别工作在2 0 m s 电源功率周期的一半时间。商用微波炉的干扰 比家用微波炉的干扰更复杂，辐射出更高的射频能量和热能。通过对这两神微波 炉的辐射干扰的研究，发现微波炉干扰是一种c w 干扰，其频谱呈尖锐的三角 形。它的中心频率主要集中在2 4 5 0 m h z 上，家用微波炉的干扰频谱宽度只有几 m h z ，而商用微波炉的干扰可以到达十几m h z ，而且其中的频率值是随机的， 同时辐射强度更大。其频谱如图所示 p e 砸cl o 羽l 菌 i i i月i l dj 8 j i i lf q 髓 i ffj 。m 哗q 粕 窜 l 剧 l 鼬轴；q ；q 器秽嚣紫 ：嫡捌如蹦5e d i t 。4 + ”一1 + 图3 - 3 家用微波炉最大尖峰频谱图 眺1 0 d h 晰 a 2 _ 3 钮h 囊s b w n m 融 v 鼻静1 0 m h ； t 湖哪 址o 沌 图3 - 4 商用微波炉最大尖峰频谱图 在文献【1 4 】的报告中，指出微波炉辐射的基本频率也有在2 4 8 0 m h z ；扫过频 率范围、工作频率、速度和幅值则随微波炉类型不同而不同。每一种微波炉频谱 的幅值大小变化很大，即使在一个频率上差别也很明显，在一秒的时间内可以最 大变化3 0 4 0 d b 。微波炉在6 0 赫兹电源功率时产生的脉冲宽度一般是7 - 8 m s ，两 个脉冲之间的间隔是8 - 9 m s 。但是由于基本频率的快速变化，产生了脉脉时域波 北京邮电大学研究生毕业论文 基于w l a n 的质量控制系统的实现 形序列，使脉冲宽度有时不在7 - 8 m s 范围，这种情况也出现在2 4 5 0 m h z 频率的 附近。 时域波形受磁电管的影响也比较大，如果是稳定的磁电管，时域波形是由一 系列的脉冲组成的连续平滑脉冲形状，而如果是不稳定的磁电管，时域波形则是 一个脉冲到另一个脉冲不断变化的形状。微波炉辐射脉冲出现的概率和幅度的大 小一般随着工作频率与2 4 5 0 m h z 频率的分开距离增加而降低。 3 2 2 实验测量 为了进一步分析i e e e8 0 2 1 l b 和m w o 之间的干扰，我们建立实验室测试 环境，设计了几组试验。在家用微波炉千扰下，用两台笔记本进行数据的发送和 接收，从数据包长、误包率p e r 和通信距离的角度分别对基于d s s s 网卡系统 的设备进行测试。 根据文献 5 f 9 的描述，我们建立了以下的实验。 固定两台笔记本之间的距离和数据包的长度( 4 0 0 字节) ，不断改变微波炉 和接收笔记本电脑之间距离，通过观察p e r 值是否趋近于零，从而可以得到微 波炉产生的干扰距离。 在前个的条件下，在微波炉和接收端之间增加一堵墙，材质分别是水泥和 木头，重新测试微波炉干扰作用距离。 先固定两台笔记本之问的距离和微波炉的位置，改变传输时数据包的大小， 从1 0 0 字节到4 0 0 字节，分别记录接收端的p e r 值。然后仅改变微波炉和接收 笔记本电脑之问距离，从l 到5 m 变化，其它条件不变，再分别记录接收端的p e r 值。 表3 - 3 不同信道的最大干扰半径 信道 1234567891 01 1 频率 2 4 1 22 4 1 72 4 2 2 2 4 2 72 43 22 4 3 7 2 4 4 22 4 4 72 4 5 2 2 4 5 72 4 6 2 ( m h z ) d ( m )无无无无92 0 52 22 32 2 s2 22 2 p e r 距离 淤 481 2 1 62 0 1 0 021000 2 0 021 510 0 3 0 021o 5 00 4 0 04 33 93 2 53 23 4 1 2 北京邮电人学研究生毕业论文 基于w l a n 的质量控制系统的实现 对基于8 0 2 1 l b 标准的d s s s 系统，我们从2 4 1 2 m h z 到2 4 6 2 m h z ，以5 m h z 为间隔来划分信道，如表3 3 所示。可以看出微波泄漏的频率和d s s s 无线网卡 所使用的频率在某些信道上是相互重叠的，所以微波炉的干扰会对这些信道上的 通信产生极其严重的影响。 当微波炉开始工作的时候，发送端连续传送u d p 数据包，在接收端记录下 p e r 值。u d p 数据包的长度设定为4 0 0 字节。不断增加微波炉和接收笔记本电 脑之间距离l 的长度，通过观察p e r 值是否趋近于零，从而可以得到微波炉产 生的最大干扰范围。实验的结果如表3 3 所示，可以看出在信道1 到4 ( 2 4 1 2 2 4 2 7 m h z ) 几乎不受微波炉的干扰，也就是说当超出最大干扰半径时， 可以保证此时的通信质量不受到影响。从以上信道中，还可以发现当用第8 个信 道( 2 4 4 7 ) 进行通信时，微波炉产生的干扰区域的半径达到最大值d = 2 3 m 。 在相同的实验条件下，在微波炉和接收端之间增加一堵墙，这个墙分别用水 泥和木头制作( 墙的厚度是一般室内墙的厚度) ，因为这些是室内环境中常见的材 料。而且，考虑最坏的情况，采用第8 个信道进行测试。从所得的结果中发现， 使用水泥墙和木质墙后，所得到的干扰半径d i 分别是1 7 2 m 和2 1 8 m ，比较d i 和d i 两值，由于墙的阻挡作用，微波炉干扰的距离减小了。定义减小参数 w i = d ，d i ，则相应的值分别为5 8 m 和1 2 m 。 同时使用第8 个信道进行测试，改变传输时数据包的大小，从1 0 0 字节到 4 0 0 字节，分别记录接收端的p e r 值，结果如表3 - 4 所示。当包的大小小于4 0 0 字节时，通信基本不会受到微波炉的干扰，与此相反，当大于4 0 0 字节时，干扰 现象则将非常明显。这是由于微波炉周期性：高强度的突发干扰造成的。所以如果 传输长度比较大的数据包，会影响通信的质量。如果是长度小的数据包，虽然会 降低吞吐量，但微波炉带来的干扰影响却可以得到明显的改善。 综上所述，在一定距离范围内，微波炉的干扰较明显。随着微波炉与无线设 备距离的减小，这种干扰越加显著。采用水泥墙和木质墙障碍物后，由于墙的阻 挡作用，微波炉干扰的距离减小了，大约可以减小2 0 。数据包的大小也是一 个应该考虑的因素，实验表明，在同等条件下，数据包越大受干扰的影响也越大。 虽然可以通过减小包长解决微波干扰。在d s s s 系统中，当包长小于3 0 0 字节时， 无论距离如何改变，数据包的传送基本不会受到微波的干扰，但此时系统吞吐量 却会因为增加了额外的头开销，占据大量的传输带宽而下降。因此，有必要研究 可以令包长随周围条件而做自适应调整的方法，使得在一定微波干扰下取得最大 的吞吐量。 北京邮电大学研究生毕业论文 基于w l a n 的质量控制系统的实现 3 3 蓝牙设备对i e e e 8 0 2 11 网络的干扰分析 以蓝牙为代表的无线个人网，也使用i s m 频段。因此应用间的干扰是客观 存在的问题。当b t ( b l u et o o t h ) 单元的跳频点与i e e e 8 0 2 1 l b 所使用的频率发 生重合，而且b t 的数据包与i e e e 8 0 2 1 1 b 的数据包在时序上发生了碰撞时，两 者的信号都会成为另一方的噪声，这样就造成了误码出现，使二者的通信性能都 受到一定的影响。在文献【5 】中，分析了i e e e 8 0 2 1 1 和b t 数据包的重叠的情况， 建立数学模型，推导出平均码元冲突数目和误码率的公式，并提出了几种共存性 解决方案，主要有： 共存距离：我们分析b t 设备对i e e e 8 0 2 1 1 链路的相对距离，用平均误包 率作为性能指标，根据性能要求来确定相对共存距离。 发射功率控制：主要应用于b t 设备，提出了一种简单的功率控制算法a 由 b t 设备根据接受端的信千比动态调整发射功率，达到减小来自i e e e 8 0 2 1 1 设备 的干扰。 b t 的时隙调度策略和自适应跳频：用来提高b t 设备的自身抗干扰性能。 i e e e 8 0 2 1 1 数据包选择方案：当有数据包冲突时，通过延迟发送数据包或 者是动态选择数据包长度来减小干扰，这种方案能有效减小i e e e 8 0 2 1 1 的误包 率，而只增加了少许时延，是一种值得进一步深入研究的方案。 其中8 0 2 1 1 包的大小对误包率有很大的影响。表3 5 是在b t 有一个电话呼 叫和两个电话呼叫的情况下测得的8 0 2 1 l 的误包率。为了改善性能我们应用下 面的包大小选择方案。 表3 - 58 0 2 1 1 包大小和误包率的关系 、龌亩率一个b t 电话呼两十盯电话 包大小b y t 磊、 呼叫 5 0 00 1 70 3 3 1 0 0 00 2 80 5 l 15 0 00 3 60 ，6 5 当8 0 2 1 1 s t a 准备发送数据包时( i 时刻) ，它根据检测到的干扰信息来判断 发送包的大小。如果信道空闲并且在下一个等于( i 1 ) 个b t 时隙的时间周期内没 有干扰，它就发送这样的一个数据包，包的有效负载等于m i n ( 1 5 0 0 ，i 5 0 0 ) 个字节， 这里有效负载的最小长度设为5 0 0 字节，是因为相应的8 0 2 1l 的包的传输时间 和单个时隙的b t 包的时间差不多。如果检测到的信道被干扰信号占用，则 8 0 2 1is t a 发送一个5 0 0 字节有效负载的数据包。这种情况下8 0 2 1 1 包并不一定 和b t 包在时间上重叠，因为单个b t 包持续的时间3 6 6 u s 只比整个时隙的一半 略长( 6 2 5 2 ) 。此外即使时间上重叠，也只有当b t 包跳到8 0 2 1 l 频带上时它们才 北京邮电大学研究生毕业论文基于w l a n 的质量控制系统的实现 发生冲突。 通过实验数据得出应用上述的包大小选择方案，在只有一个b t 电话呼叫时 能将f 确传输率提高8 ，而有两个b t 电话呼叫时能将正确传输率提高1 7 ， 而传输时延只比没有应用方案的时延略微增加了2 - 3 m s 。 3 4i e e e 8 0 2 11b 协议的仿真分析【6 】 影响i e e e 8 0 2 1 l b 性能的主要因素有传输速率、r t s c t s 的使用门限、分组 的长度，隐藏工作站和信道干扰等因素。