（电路与系统专业论文）基于服务分级的无线局域网qos算法sdedcf的提出与实现.pdf

基于服务分级的无线局域网q o s 算法 s d e d c f 的提出与实现 摘要 随着越来越丰富的视、音频业务的出现和无线通信技术的发展，在任何时 间、任何地点以任何方式享用任何服务的议题再次成为人们追求的热点，原来实 现于有线和固定网络中的多媒体实时业务为迎合这样的需求，正日益向无线和移 动的方向发展。 j 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，随着w l a n 的普及，用户越来越希望能将多媒 体业务应用在无线局域网这个平台上，但人们最初主要是针对数据业务对w l a n 进行的相关协议设计，对于实时业务并没有做充分的考虑，因此如何提高和优化 无线局域网的性能就显得十分重要，现在i e e e8 0 2 1l e 已经针对实时业务的q o s 保证做出了补充，但关于这个课题的相关讨论还在进行中。 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。接着分析了现有无线局域网m a c 层的机制和相关参数对无线局域网性能 的影响。 在介绍完背景知识后，对实现w l a n 服务质量控制的方法：区分服务机制、 物理层链路机制、m a c 层资源预留与允入机制，进行了深入的分析和讨论，并着 重介绍了对竞争窗口调节机制的改进，以及新的8 0 2 1 1 x 协议族对区分服务机制 和q o s 保障的实现。 在前面工作的基础上，提出了一种新的服务质量保障机制，利用0 p n e t 仿真 软件对系统进行了建模，并在实现新的退避算法基础上对网络环境进行了仿真测 试，结果表明新的算法能够在拥塞严重、趋于饱和的无线网络环境中对网络吞吐 量和时延有较好的改善，实现了q o s 保障。 最后，给出了一些对后续工作的建议。 关键词：无线局域网( w l a n ) 服务质量( q o s ) 8 0 2 1 l e0 p n e ts d e d c f s d e d c fa l g o r i t h m b a s e do nq o sr e s e a r c hw i t ht r a f f i cc a t e g o r y a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea p p e a r a n c eo fm o r ea n dm o r ev i d e oa n dv o i c es e r v i c e sa n dt h e d e v e l o p m e n to ft h ew 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 y , t h ed i s c u s s i o nb e c o m e sah o t s p o tf o rp e o p l ep u r s u i n gt h ee n j o y m e n to fa n ys e r v i c e a ta n yt i m e ，a n y w h e r e ，i na n y 一 w a y ；a n di no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t ，t h em u l t i m e d i ar e a lt i m es e r v i c e s ，w h i c h w e r eo n c er e a l i z e di nw i r e da n df i x e dn e t w o r k ，a r ed e v e l o p e dt o w a r d st h ew i r e l e s s a n dm o b i l es o l u t i o n s a sar i s i n gc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ew i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni s p l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e i nd a i l yl i f e i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h e p o p u l a r i z a t i o no fw l a n ，e s p e c i a l l yt h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k st e c h n o l o g y , t h eu s e r sa r eh o p i n gm o r et h a tt h em u l t i m e d i as e r v i c e sc a nb ea p p l i e do nt h i ss t a g e ； b u tt h ep r o t o c o ld e s i g no ft h ew l a nw a sa i m e df o rt h ed a t as e r v i c ea tt h ef i r s t ，n o t f o rt h er e a lt i m es e r v i c e s s o ，t h ep r o b l e mo fh o wt op r o m o t ea n do p t i m i z et h e p e r f o r m a n c e o ft h ew i r e l e s sl a nb e c o m e s q u i t ei m p o r t a n t ；a l t h o u g h t h e i e e e 8 0 2 1 l ew o r kg r o u ph a sm a d es o m es u p p l e m e n tf o rt h er e a lt i m es e r v i c et o g u a r a n t e et h eo o s ，t h ed i s c u s s i o nw i t ht h i st o p i ci ss t i l lu n d e rt h ew a y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i co fw i _ a na tf i r s t ，t h e n ，s u m m a r i z e st h e k e yt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n tf o r e g r o u n do ft h ew l a n ，f o l l o w i n gb yt h ea n a l y s i s o ft h ee x i s t i n gw l a nm a c l a y e rs c h e m ea n dp a r a m e t e r sr e l a t e dw h i c hc a ni n f l u e n c e t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew l a n a f t e rt h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g ei n t r o d u c t i o n ，w ep r o v i d ead e e pa n a l y s i sa n d d i s c u s s i o no ft h ew i _ a nq o si m p l e m e n t a t i o nm e t h o d o l o g y , f o c u so n - t h e c w a l g o r i t h mi m p r o v e m e n ta n dt h er e a l i z a t i o no fq o si nt h e8 0 2 1 1 xp r o t o c o lf a m i l y t h e nw ep r e s e n tan e ww a yo fq o sb a s e do nt h e8 0 2 1 l e ，w h i c hc a np r o v i d eb e t t e r p e r f o r m a n c eu n d e rs a t u r a t i o nn e t w o r kc o n d i t i o n sw i t hh i 曲l e v e lo fc o n g e s t i o n s ，a n d i sp r o v e dt ob ee f f e c t i v ef r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fo p n e ts o f t w a r e a tt h ee n d ，w eg i v eas u m m a r ya n ds u g g e s t i o nf o rf u t u r er e s e a r c h e s k e yw o r d s ：w l a nq o s8 0 2 1 l es d e d c f 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。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 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：趔：塑：之墨： 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) 保密论文注 释：本学位论文属于保密在二年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位 论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名：日期： 北京邮电大学硕士学位论文无线局域网q o s 算法s d e d c f 的提出与实现 1 1 概述 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，己 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8 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l l 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。 1 2 本文的工作和贡献 通过对无线局域网的体系结构和协议的深入了解，分析研究了多种在拥塞状 况下的0 0 s 保障机制，本文认为能够更准确的把握物理层拥塞状况的具体参数将 对q o s 保障机制的选择更加的合理和有效，除了对服务分级以设定发送帧的优先 级之外，控制碰撞窗口的调节也能使网络传输更有效，这不仅要考虑c w 窗口的 增加，还要考虑c w 窗1 3 的回退，以降低窗口计算的开销，使退避机制更适合多 3 北京邮电大学硕士学位论文无线局域网q o s 算法s d - f , d c f 的提出与实现 变的网络环境。本文的主要成果： 分析总结了无线局域网中的q o s 保障类型，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。 根据现有文献和机制，拓展了控制窗口调节机制的思路。 提出了一种新的基于8 0 2 1 l e 的q o s 保障机制。 建立了系统仿真模型，优化了m a c 协议层代码，实现了新的o o s 功能。 1 3 论文结构安排 第二章简单介绍了局域网发展的趋势，无线局域网的优势以及无线局域网 标准的必要性及其发展过程；介绍了无线局域网的几种标准；较为详细地介绍了 目前广泛使用的i e e e 8 0 2 ”协议。 第三章介绍了服务质量( q o s ) 的概念，无线局域网m a c 层的设计结构 对q o s 质量的保证和改进，分析比较了两种比较常用的窗口调节机制，并对其 做了深入的分析。 第四章研究了8 0 2 1 1 e 标准提出的服务分级概念，结合之前对窗口调节机 制的研究，在e d c f 基础上，提出了一种新的q o s 保障机制s d e d c f ，并在 理论上对其所实现的网络传输质量的改善进行了分析。 第五章介绍了网络仿真的基本概念，以及本文所采用的网络仿真软件 o p n e t ( 版本10 0 ) ，利用o p n e t 进行了前文提出的新的算法机制的建模和仿 真，验证了之前的结论。 第六章总结了论文的主要贡献，在结束语中，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。 4 北京邮电大学硕士学位论文无线局域网o o s 算法s d e d c f 的提出与实现 第二章无线局域网( w 概述 2 i 计算机网络的发展 计算机网络是人们为了充分利用软、硬件资源，在计算机上通过安装网卡， 连接电缆或通过调制解调器实现多个计算机的物理连接，并借助于网络协议进行 安全、可靠的通信。由于网络能充分利用资源，可以实现快速、实时、可靠的通 信，因而得到了快速的发展。尤其以局域网为代表，以其小巧，灵活，易操作， 容易根据具体情况进行调整的特点而适用于办公室，交易所，银行，智能大厦等 各种场所。 局域网简称l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) ，是指处于同一建筑、同一单位或 方圆几公里地域内的专用网络，通常被用于连接公司办公室或工厂里的个人计算 机和工作站，以便共享资源和交换信息。局域网具有和其它网络不同的特点： 服务范围小：局域网的覆盖范围比较小，这意味着最坏的情况下的传输时 间也是有限的，并且可以预先知道传输时间。而知道了传输的最大延迟，就可以 使用某些设计方法对网络进行优化，这同时也简化了网络的管理。 i 共享媒介：局域网通常使用一条电缆连接所有的机器。所有的节点( 用户) 使用同一个传输媒介，而由个协议来协调所有的节点对传输媒介的使用，这就 是平时所说的m a c ( 媒介访问控制) 。 多种拓扑结构：广播式局域网可以有多种拓扑结构。如使用最为广泛的两 类局域网就分别是总线型的以太网( e t h e r n e t ) 和环型的i b m 令牌环网( t o k e n r i n g ) 。 同广域网相比，局域网具有高传输速率( i o m 1 0 0 0 m b p s ) 、传输延迟低( 几 十毫秒) 和低误码率的优点。这些优点使得局域网尤其适合数据传输。 局域网采用的技术简单实用，由于覆盖范围和服务的用户都是有限的，并 且使用共享媒介，使得局域网并不需要复杂的节点管理、信道分配以及路由分配 管理。技术的简化使得局域网设备的成本可以达到很低的水平，这大大促进了局 域网的普及。 局域网高速、价廉的优点，使得8 0 年代成为了计算机有线局域网的发展和 普及的年代，局域网的安装数量迅速增长，并且越来越多的局域网开始接入公共 5 北京邮电大学硕士学位论文 无线局域网o o s 算法s d e d c f 的提出与实现 网，这使得局域网用户得以克服局域网覆盖范围小的局限，与网络上任何地点的 计算机进行通信。 2 2 有线局域网所存在的问题和解决的方法 最初的时候，局域网主要采用双绞线、同轴电缆作为传输媒介，最高可以 达到1 6 m b p s 的数据速率。它的代表就是基于i e e e8 0 2 3 的1 0 b a s e x 以太网和基 于i e e e8 0 2 5 的i b m 令牌环网。虽然它们能够满足一般的工业自动化以及办公 自动化的要求，但是也存在许多不足，例如： 传输速率不够高：传输、处理含有图像的多媒体信息要求几百到几千m b p s 的数据速率，这是传统的以太网和令牌环网所无法支持的。 不支持移动体的访问：有线连接限制了用户的移动范围，它大大抵消了人 们在提高网络终端产品的移动性和便携性上所作的努力。 固定的网络拓扑结构：网络规模的扩大以及业务的增长十分困难，尤其是 在网络规模较大的情况下，变更网络节点时费用十分昂贵，同时，有线局域网的 灵活性不能满足人类不断增长的需要；当现有的网络不能满足不断增长的业务需 要的时候，调整有线网络拓扑结构是很困难的，有时不得不对网络进行彻底的改 造。 人们在使用的过程中逐渐发现了这些问题，于是局域网开始向两个方向发 展，一个是提高传输速率、一个是使用可移动的无线局域网方式。 在提高传输速率方面，局域网沿着1 0 b a s e x f d d i ( 光纤分布式数据接口) 一1 0 0 b a s e x 一1 0 0 0 b a s e x 的方向发展。目前，1 0 0 b a s e x 已经全面取代了1 0 b a s e x 在局域网中的地位，并且出现了在城域网中直接使用1 0 0 0 b a s e x 的趋势，这显示 了局域网技术的巨大生命力。 另一个发展方向是具有支持移动计算能力的无线局域网。这里的移动通信 是指网络中的终端可以在一定的区域内运动的同时保持与网络的通信。无线局域 网采用电磁波或红外线作为传输媒介，在保持与传统局域网相当的传输速率 ( 卜1 0 m b p s ) 的同时，构成了无需布线就可以进行通信的支持移动计算的局域网。 2 3 无线局域网的发展 从七十年代，人们就开始了无线网的研究。在整个八十年代，伴随着以太 6 北京邮电大学硕士学位论文无线局域网o o s 算法s d e d c f 的提出与实现 局域网的迅猛发展，无线网以具有不用架线、灵活性强等优点之长补“有线”所 短，也赢得了特定市场的认可，但也正是因为当时的无线网是作为有线以太网的 一种补充，遵循了i e e e 8 0 2 3 标准，使直接架构于8 0 2 3 上的无线网络产品存 在着容易受其他微波噪声干扰、性能不稳定、传输速率低且不易升级等弱点，不 同厂商的产品相互也不兼容，这一切都限制了无线网的进一步应用。 这样，制定一个有利于无线网自身发展的标准就提上了议事日程。到1 9 9 7 年6 月，第一个w l a n 标准i e e e 8 0 2 1 1 正式颁布实施，为w l a n 的物理层和m a c 层制定了统一的标准，有力地推动了该技术的快速发展。 无线接入技术区别于有线接入的特点之一是标准不统一，不同的标准有不 同的应用。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。 主要的无线局域网标准有i e e e8 0 2 1 】协议族、蓝牙协议、h i p e rl a n 。h o r n e r f 由莹 奇o i e e e8 0 2 1 1 8 0 2 1 1 标准是i e e e 制定的无线局域网标准，主要是对网络的物理层( p h ) 和媒质访问控制层( m a c ) 进行了规定，其中对m a c 层的规定是重点。各厂商的产 ： 品在同一物理层上可以互操作，逻辑链路控制层( l l c ) 是一致的，即m a c 层以下 对网络应用是透明的。这样就使得无线网的两种主要用途一一“( 同网段内) 多点 接入”和“多网段互连”可以质优价廉地实现。对应用来说，更重要的是，某种 程度上的“兼容”就意味着竞争开始出现；而在i t 这个行业，“兼容”，就意 味着“十倍速时代”降临了。可以说，无线局域网的“黄金时代”已经来临。 i e e e 8 0 2 1l 标准的网络以1 m b p s 或2 m b p s 的速率传输数据，传输距离能够 达到1 0 0 米。但是，i e e e 8 0 2 1 l 标准的w l a n 的弱点在于传输速率最高只能达到 2 m b p s ，与广泛使用的1 0 m b p s 甚至1 0 0 m b p s 速率的有线网络相比，速度太慢， 无法满足人们的实际应用，特别是那些需要较高带宽的多媒体应用的需要。所以， i e e e 随后又推出了8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 a 两个新标准。 i e e e8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l 一样工作在2 4 g h z 频段，但是能够支持5 5m b p s 和1 1m b p s 两个新速率。而且8 0 2 1 1 b 可以根据情况的变化，在1 1m b p s 、5 5 m b p s 、2 m b p s 、1m b p s 的不同速率之间自动切换。工作在2m b p s 、1m b p s 速率 时的8 0 2 1 1 b 与8 0 2 1 1 兼容。由于目前市场上w l a n 领域的产品主要以i e e e 北京邮电大学硕士学位论文 无线局域网q o s 算法s d e d c f 的提出与实现 8 0 2 1 1 b 标准的为主。 8 0 2 1 1 a 是i e e e 8 0 2 1 1 标准的另一个扩充。它工作在5 g h z u v i i 频带，采用 正交频分复用( 0 f d m ) 扩频技术，传输速率范围为6 m b p s v 5 4 m b p s 。支持语音、数 据、图像业务；提供移动接入动态视频系统和其他多媒体内容的功能，并且可以 转换大量文件，支持高密度用户环境。 i e e e8 0 2 1 l b a 的基本结构、特性和服务仍然由最初的i e e e 8 0 2 1 1 标准定 义，它们只影响i e e e8 0 2 1 1 标准的物理层，增加了更高的数据传输速率和更健 全的连接性。从技术角度，8 0 2 1 l a 匕8 0 2 1 l b 在整体上具有更高的性能。8 0 2 1 1 a 目前面临的主要障碍不是技术难题，而在于市场和相关法规等方面。比如，市场 和用户、频率开放问题、安全性问题等。 除此之外，8 0 2 1 1 系列标准还有： 8 0 2 1 l d ：r e g u l a t o r yd o m a i n s ，定义域管理； 8 0 2 1 l e ：q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ，定义服务质量； 8 0 2 1 1 f ：i a p p ( i n t e r a c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 ) ，接入点内部协议； 8 0 2 1 1 9 ： 在2 4 g h z 频率空间取得更高的速率； ? 8 0 2 1 l h ： 5 g h z 频率空间的功耗管理，并研究8 0 2 1 l a 与h i p e r l a n 2 之间的一 致性，集中关注动态频率选择( d y n a m i cf r e q u e n c ys e l e c t i o n ) 和传输功率控制 ( t r a n s m itp o w e rc o n t r 0 1 ) ； 8 0 2 1 1 i ： b l u e t o o t h 定义网络安全性。 b l u e t o o t h 是一种低带宽、短距离、低功耗的数据传送技术，用于p d a 、手 机、笔记本电脑等设备。2 0 0 1 年4 月份i e e e 的p a n ( p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 即 8 0 2 1 5 - - 作组最新提出一项议案，使b l u e t o o t h 和8 0 2 1 l b 可以同时工作。 h i p e r l a n h i p e r l a n 是欧洲通信标准协会e t s i 锘u 定的，包括h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 ， 它们都同样运行在5 g h z 。h i p e r l a n l 采用在g s m 网络中广泛使用的高斯滤波最小 移频键控( g m s k ) ，速率能达至u 2 0 m b p s 以上。而h i p e r l a n 2 的传送速率更高，它与 一 8 0 2 1 l a 一样采用正交频分复用( o f d m ) ，速率为5 4 m b p s ，但比较而言，要比 8 0 2 1 1 a 先进。h i p e r l a n 2 的数据链路层是面向连接的，因此能很好地实现o o s ； 北京邮电大学硕士学位论文无线局域网q o s 算法s d e d c f 的提出与实现 它支持动态频率选择、功率控制以及切换和漫游，而这些特性在8 0 2 1 1 中尚处于 草案状态。尽管如此，目前支持h i p e r l a n 2 的厂商并不多，而且主要是欧洲厂商。 h o m er f h o m er f 是专门为家庭用户设计的- - 利p w l a n 技术标准。它得到了i n t e l 、 m o t o r o l a 的支持，速率可达至o l o m b p s 。h o m er f 禾i j 用跳频扩频方式，既可以通过 时分复用支持语音通信，又能通过载波监听多址接入冲突避免( c s m a c a ) 协议提 供数据通信服务。同时，h o m er f 提供了与t c p i p 良好的集成，支持广播、多播 和4 8 位i p 地址。目前，h o m er f 标准工作在2 4 g h z 的频段上，如果和8 0 2 1 1 b 一起 使用必将导致干扰和阻塞，而当前的设计它们都没有考虑到对方。h o m er f 更侧 重于家用，如无绳电话等，8 0 2 1 l b 则是把l a n 衍生到无线空间。 2 4i e e e8 0 2 1 1 在前面简单描述了无线局域网的标准发展情况后，我们将对i e e e 8 0 2 1 1 协 议做出一个具体的说明，以便在了解协议的基础上对系统的特点和性能进行理论 分析，为q o s 技术的提出进行必要的准备。 2 4 1 网络拓扑 i e e e 8 0 2 1 1 支持无中心和有中心的两种网络拓扑，并且支持由多个中心联 合组成一个无线局域网以覆盖更大区域。 图2 1i e e e 8 0 2 1 1 的网络拓扑结构 9 北京邮电大学硕士学位论文 无线局域网q o s 算法s d e d c f 的提出与实现 图2 1 显示了一个最简单的i e e e 8 0 2 1 1 网络。它由两个或两个以上的无线 终端( w t ) 构成，由网卡之间相互识别来建立连接。在进行数据传输时也是由同 一i b s s 内网卡之间直接进行。由于不能够与外部其它网络进行通信，所以称之 为i b s s ( i n d e p e n d e n tb s s ) 。由于i b s s 网络通常是没有预先规划而临时组成的， 所以也称为a dh o c 网。 在实际使用中，更为常用的是每个b s s 中包含一个接入点( a p ) 的有中心 拓扑结构。i e e e 8 0 2 1 1 协议中将这种有中心网络拓扑称为i n f r a s t r u c t u r eb s s 。 在这种i n f r a s t r u c t u r eb s s 中，终端之间不能够直接相互通信，而所有的移动 终端之间以及移动终端与有线网节点之间的数据传输都要经过a p 转发。a p 的两 个主要功能就是：无线局域网数据包转发，以及构成无线局域网同有线局域网之 间的网桥。 为了扩大无线局域网的服务范围，i e e e 8 0 2 1 l 在b s s 的基础上规定了d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 功能。通过d s 功能，可以将多个i n f r a s t r u c t u r eb s s 结合为一个e s s 系统。在同一个e s s 中，用户可以在从一个b s s 漫游到相邻的 b s s 的同时保持数据传输不间断。而这一切对于高层的网络协议都是透明的。通 ： 过使用e s s ，就可以使无线局域网的大范围的无缝覆盖成为可能。 2 4 2 物理层结构 i e e e 8 0 2 1 1 标准规定了物理层的三种实现方法。 1 ) 跳频扩频f h s s一 跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p e ds p r e a ds p e c t r u m ) 是扩频技术中常用 的一种。它使用2 4 g h z 的i s m 频段( 即2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h z ) 。共有7 9 个信道可 供跳频使用。第一个频道的中心频率为2 4 0 2 g h z ，以后每隔1 m g h z 一个信道。 因此每个信道可使用的带宽为1 m h z 。当使用二元高斯移频键控g f s k 时，基本接 入速率为1 m b s 。当使用4 元g f s k 时，接入速率为2 m b s 。 2 ) 直接序列扩频d s s s 直接序列扩频( d s s s ，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 ) 是另一种重要 的扩频技术。它也使用2 4 g h z 的i s m 频段。当使用二元相对移相键控时，基本 接入速率为1 m b s 。当使用相对移相键控时，接土速率为2 m b s 。 3 ) 红外线技术工r l o 北京邮电大学硕士学位论文 无线局域网q o s 算法s d e d c f 的提出与实现 红外线技术i r ( i n f r a r e d ) 是指使用波长为8 5 0 9 5 0 n m 的红外线在市内传 送数据。接入速率为l 2 m b s 。 在上面提到的三个物理层中，只有d s s s 和f h s s 这两种工作在2 4 g h zi s m 频段的物理层有实用价值。这两种物理层不仅都符合f c c 关于使用i s m 频段的有 关规定，并且在频率上满足了大多数国家关于2 4 g h z 免许可频段的分配，如表 2 1 所示。 表2 1i s m 频段的分配 国家和地区分配的i s m 频段 美国 2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h z 欧洲 2 4 0 0 0 - 2 4 8 3 5 g h z 日本 2 4 71 2 4 9 7 g h z 法国 2 4 4 6 5 2 4 8 3 5 g h z 西班牙 2 4 4 5 2 4 7 5 g h z 上述两种物理层有着各自不同的特点和适用范围，选择哪一种则要根据实 际的环境和系统要求而定，一般而言，d s s s 由于采用全频带传送资料，速度较 快，未来可开发出更高传输频率的潜力也较大。d s s s 技术适用于固定环境中、 或对传输品质要求较高的应用，因此，无线厂房、无线医院、网络社区、分校连 网等应用，大都采用d s s s 无线技术产品。f h s s 则大都使用于需快速移动的端点， 如行动电话在无线传输技术部分即是采用f h s s 技术；且因f h s s 传输范围较小， 所以往往在相同的传输环境下，所需要的f h s s 技术设备要比d s s s 技术设备多， 在整体价格上，可能也会比较高。以目前企业需求来说，高速移动端点应用较少， 而大多较注重传输速率、及传输的稳定性，所以未来无线网络产品发展应会以 d s s s 技术为主流。在我们的系统中，采用d s s s 。 2 4 3m a c 层结构 i e e e 8 0 2 1 l 在m a c 控制方面则采用了载波检测多址接入冲突避免 ( c s m a c a ，c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 机制。 c s m a 是指每个站在发送数据前监听信道上其它站是否在发送数据。如发送， 则此站就暂不发送数据，从而减少了发生冲突的可能。这样就提高了整个系统的 吞吐量。 北京邮电大学硕士学位论 就错误地以为网络上没有人发送数据，因而向b 发送数据。结果b 同时收到a 和c 发来的数据，发生了冲突。可见在无线局域网中，在发送数据前未检测到媒 体上有别的信号还不能保证发送能够成功。这种未能检测出媒体上已存在的信号 的问题叫做隐蔽站问题。 图2 2 ( b ) 则是另一种情况。站b 向a 发送数据。而c 又想和d 通信。但 c 检测到媒体上有信号，于是就不向d 发送数据。其实b 向a 发送数据并不影响 c 向d 发送数据。这就是暴露站问题。在无线局域网中，在不发生干扰的情况下， 可允许同时多个工作站进行通信。这点与总线式局域网有很大的差别。 由于无线信道传输条件特殊，造成信号强度的动态范围非常大。这就使发 送站无法使用冲突检测的方法来确定是否发生了冲突。因此，无线局域网不能使 用c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 。为了提 高c s m a 的效率，8 0 2 1 1 协议使用了c s m a c a 技术。这种协议实际上就是在发送 数据帧之前先对信道进行预约，其原理可用图2 3 来说明。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 无线局域网q o s 算法s d e d c f 的提出与实现 a 的传输范围 b 的传输范围 ( a ) a 发送r t s 帧 ( b ) b 响应c t s 帧 图2 3c s 州c a 协议中的r t s 和c t s 帧 暇。o 叫卜疆s 孓髓 ij 袋a 曙暑，孓 ； 镰一卜 闻圃 一 h 娥” x w 警 e 0 芏瓢赴 奠孵笨e ) 。ix j - 、_ 盎恩； 0 啦ra c 娃珏 b a 噍。蓄 ：q f ：= - 图2 4r t s c t s 应答机制 图2 3 ( a ) 表示站a 在向b 发送数据帧之前，先向b 发送一个请求发送帧 r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 。在r t s 帧中说明将要发送的数据长度。b 收到r t s 帧 后就向a 响应一个允许发送帧c t s ( c l e a rt os e n d ) 。在c t s 帧中也附上a 欲发 送的数据帧的长度。( 从r t s 帧中将此数据复制到c t s 帧中) 。a 收到c t s 帧后就 可发送其数据了。下面讨论在a 和b 两个站附近的一些站做出什么反应。 站c 处于a 的传输范围内，但不在b 的传输范围内。因此c 能够收到a 发送 北京邮电大学硕士学位论文无线局域网q o s 算法s d e d c f 的提出与实现 的r t s ，但经过一小段时间后，c 不会收到b 发送的c t s 帧。这样，在a 向b 发 送数据时，c 也可以发送自己的数据而不会干扰b ( c 收不到b 的信号表明b 也 收不到c 的信号) 。再观察站d 。d 收不到a 发送的r t s 帧，但能收到b 发送的 c t s 帧。因此，d 在b 发送数据的时间内不发送数据，因而不会干扰b 接收a 发 来的数据。至于站e ，它能收到r t s 和c t s ，因此e 在a 发送数据帧的整个过程 中不能发送数据。 使用r t s 和c t s 帧会使整个网络的效率有所下降。但这两种控制帧都很短， 它们的长度分别为2 0 和1 4 字节。而数据帧最长可达2 3 4 6 字节，相比之下的开 销并不算大。相反，若不是用这种控制帧，则一旦发生冲突而导致数据帧重发， 则浪费的时间就更大。虽然如此，但协议还是设有三种情况供用户选择：一种是 使用r t s 和c t s 帧；另一种是当数据的长度超过某一数值时才使用r t s 和c t s 帧；还有一种是不使用r t s 和c t s 帧。 虽然协议经过了精心的设计，但冲突仍然会发生。例如，b 和c 同时向a 发 送r t s 帧。这两个r t s 帧发生冲突后，使得a 收不到正确的r t s 帧因而a 就不会 发送后续的c t s 帧。这时，b 和c 像以太网发生冲突那样，各自随机地推迟一段 i 时间后重新发送其r t s 帧。推迟时间的算法也是使用二进制指数退避。 为了尽量减少冲突，8 0 2 1 l 标准设计了独特的m a c 子层。如图2 5 所示。 无争用服务 1 争田h b a 了厂口，j 雌7 点协调功舵, 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 ) 1r 分布协调功能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 ) 物理层 图2 5i e e e8 0 2 1 1 的m a c 子层 它又包括两个子层。在下面的一个叫做分布协调功能d c f ( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。d c f 在每一个结点使用c s m a 机制的分布式接入算法， 让每个站通过争用信道来获取发送权。因此d c f 向上提供争用服务。另一个叫做 点协调功能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 ) 。p c f 是用集中控制的接入算 1 4 +i巾平l+ 北京邮电大学硕士学位论文无线局域网q o s 算法s d e d c f 的提出与实现 法( 一般在接入点实现集中控制) ，用类似于轮询的方法将发送数据权轮流交给 各个站，从而避免了冲突的产生。对于时间敏感的业务，如分组话音，就应当是 用点协调功能p c f 。p c f 提供的是无争用服务。 我们将在后面的章节中，详细讨论d c f 工作方式，以及对退避算法的研究 来提出一种新的，适用于复杂网络环境的q o s 保障机制。 2 5 无线局域网的目标 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 i 。a n 进_ 步发展的关键环节具体分为：更高速、服务 质量( 0 0 s ) 、w l a n 管理、漫游以及安全性。 针对物理层的提速，己开始由i e e e8 0 2 1 1 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 1 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 1 b 和8 0 2 1 1 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 1l 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。 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 北京邮电大 北京邮电大学硕士学位论文无线局域网q o s 算法s d e d c f 的提出与实现 第三章无线局域网主要q o s 技术及性能比较 随着用户体验