（计算机应用技术专业论文）面向无线局域网mac机制的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，w l a n ) 作为有线网络的延伸， 有着应用灵活、安装速度快、建设周期短、地理适用性强等特点，已经广泛的应 用在各行各业。不断提高无线网络的服务质量，有许多需要不断完善和解决的技 术难题，其中之一是：当信道的使用发生竞争时，如何分配信道的使用权。在 w l a n 中完成该功能的是媒介访问控制m a c 子层，研究无线局域网m a c 机制， 制定适当的m a c 子层规则，优化信道分配机制，提高网络的服务质量，是w l a n 研究的重要课题。 本文研究了面向无线局域网的m a c 机制，基于各类标准中重点研究了基于 i e e e8 0 2 1 1 的无线局域网m a c 机制及其关键技术。对i e e e8 0 2 1 1 m a c 层两种 主要的信道分配机制一分布式协调功能( d c f ) 和点协调功能( p c f ) 进行了性 能的分析和比较。以移动终端子项校园无线局域网为应用背景，对两种机制进行 了实验仿真。通过实验证明：两种不同的机制适用于不同的应用环境，在高负载 下，p c f 机制相对于d c f 机制有较好的吞吐量、延迟、抖动，适合有特定要求的 实时性业务。 在对m a c 机制及其限制的分析和研究基础上，为了保证无线局域网的服务 品质，满足特定的带宽、限定的延迟、抖动和错误率等，需要采取一定的区分服 务机制，为不同级别的业务提供不同服务质量的支持。本文在分布式协调功能基 础之上，从另外一个角度对分布式协调机制进行优先级的区分，提出了一个具有 区分功能的m a c 层q o s 机制r d c f p 。新机制引入了优先级的区分，根据优先 级的不同设定不同的最大传输时间，让高优先级站点和数据流不仅得到长的服务 时间，并优先得到信道使用权。在进行区分服务的同时引入了补偿门槛，减少了 信道的冲突和空闲等待时间。通过理论分析和实验仿真表明：新机制不仅保证了 高优先级业务的服务，更进一步提高了系统的性能，增加了吞吐量，降低了时延。 关键字：无线局域网；媒介访问控制；8 0 2 1 1 ；分布式协调功能；r d c f p ；仿真 面向无线局域网m a c 机制的研究 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 ka st h ee x t e n d i b i l i t yo fw i r e dn e t w o r kh a sal o to f a d v a n t a g e ss u c ha ss u p p o r t i n ga p p l i c a t i o nf l e x i b i l i t y , r a p i di n s t a l l a t i o n ，s h o r t e n e d c o n s t r u c t i o np e r i o d ，b r e a k t h r o u g h g e o g r a p h i cl i m i t a t i o n sa n ds oo n i th a sb e e n w i d e l yu s e di ne v e r yw a y o fl i f e t h e r ei sa ne s s e n t i a lt e c h n i c a li s s u ew h i c hi sh o wt o d i s t r i b u t et h eu s u f r u c to fc h a n n e lw h e nc o m p e t i t i o nh a p p e n s i nw i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r kt h ef u n c t i o no fd i s t r i b u t i n gt h ec h a n n e lu s u f r u c ti sa c c o m p l i s h e db ym e d i u m a c c e s sc o n t r o ll a y e r s t u d y i n gm a cm e c h a n i s mo fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ， e s t a b l i s h i n gp r o p e rm a cl a y e rr u l e ，o p t i m i z i n gt h ec h a n n e la l l o c a t i o nm e c h a n i s ma n d i m p r o v i n gt h en e t w o r kq u a l i t yo fs e r v i c ea r et h ei m p o r t a n tt a s k si nt h ef i e l do f w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k i nt h i st h e s i s m e d i u ma c c e s sc o n t r o lm e c h a n i s mo r i e n t e d w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r kh a sb e e nr e s e a r c h e d b a s e do na l lv a r i e t i e so fs t a n d a r d sw ep r e s se m p h a s i so n i e e e8 0 2 11w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r km a cm e c h a n i s ma n dt h e p i v o t a l t e c h n o l o g i e s a i m e da tt w op r i m a r yc h a n n e la l l o c a t i o nm e c h a n i s m so fm a cl a y e ri n i e e e8 0 2 11 w l a n ，d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ( d c f ) a n dp o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ( p c f ) ，ap e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n sh a v eb e e n d o n e a n a l o gs i m u l a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u ta ta p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do fc a m p u s w l a nw h i c hs h o wt h a tt h e s et w od i f f e r e n tm e c h a n i s m sa r ea d a p t a b l et od i f f e r e n t a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t c o m p a r e dw i t hd c f p c fi sb e t t e rf u rr e a l t i m et r a f f i c w h i c hh a ss p e c i f i e dt h r o u g h p u t ，d e l a ya n dj i t t e ra n dh a sg o o dq o sp e r f o r m a n c e a d a p t a b l et oc a m p u sa p p l i c a t i o n a tt h eb a s eo fa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fm a cm e c h a n i s ma n di t sl i m i t s ，i no r d e r t og u a r a n t e et h ew l a nq u a l i t yo fs e r v i c ea n ds a t i s f yt h es p e c i f i e dt h r o u g h p u t ，d e l a y a n dj i t t e r , ac e r t a i nd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sm e c h a n i s mi sn e e d e dw h i c hc a np r o v i d e d i f f e r e n ts e r v i c eq u a l i t yf o rd i f f e r e n tt r a f f i c i nt h et h e s i s ，am a cl a y e rq o s m e c h a n i s mp o s s e s s i n g p r i o r i t y f u n c t i o nh a sb e e np u tf o r w a r da tt h eb a s eo 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 e t i o n t h en e wm e c h a n i s mi n t r o d u c e st h ed i f f e r e n t i a t i o n o fp r i o r i t ya n ds e t sd i f f e r e n tm a x i m a lt r a n s m i s s i o nt i m ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tp r i o r i t y i nt h i sm e c h a n i s m ，t h eh i g hp r i o r i t ys t a t i o no rf l o wn o to n l yg a i n st h el o n gs e r v i c e t i m eb u ta l s op r e f e r e n t i a l l yg e t st h eu s u f r u c to fc h a n n e l ab a c k o f ft h r e s h o l da l s oh a s b e e ni n t r o d u c e di nt h em e c h a n i s mw h i c hr e d u c e st h ec h a n n e lc o n f l i c ta n di d l el a t e n c y i i 硕士学位论文 t i m e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n da n a l o gs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h en e wm e c h a n i s mn o t o n l yg u a r a n t e e st h es e r v i c eo fh i g hp r i o r i t yb u ta l s oi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e m k e yw o r d s ：w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ；m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ；8 0 2 1 1 ； 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 ；r d c f p ；s i m u l a t i o n 1 1 i 面向无线局域网m a c 机制的研究 插图索引 1 1 论文结构图3 2 1t d m a 信道访问机制7 2 2 轮询访问技术9 2 3 无线局域网协议体系结构1 0 2 4 分段1l 2 5 隐藏站点问题和r t s c t s 过程1 2 2 6a d h o e 网络13 2 7 基础结构网络1 4 2 8 扩展服务集网络1 5 3 1 事件列表2 l 4 1m a c 的体系结构2 4 4 2 超帧结构2 4 4 3d c f 基本访问过程2 6 4 4d c fr t s c t s 访问过程2 6 4 5p c f 帧传输过程2 8 4 6 组网模型2 9 4 7p c f 访问延迟3 0 4 8d c f 访问延迟3 0 4 9p c fv sd c f 重传次数3 1 4 1 0p c fv sd c f 吞吐率一3 2 5 1 优先级f 的马尔可夫状态转移图3 5 5 2 工作站流程图3 9 6 。1 网络模型4 0 6 2 节点模型4 1 6 3 进程模块4 2 6 4 各优先级访问延迟5 0 6 5 各优先级平均访问延迟5 1 6 6 各优先级吞吐量5 1 6 7 系统吞吐量5 2 6 8 系统访问延迟一5 3 6 9 系统重传次数5 3 i v 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 硕士学位论文 附表索引 表6 1 定制化实现代码4 3 表6 2 退避实现代码4 5 表6 3 传输实现代码4 6 表6 4 流量参数4 9 表6 5 系统环境参数5 0 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名飞k i 卜魄枷缉午月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：1 够再日期：伽1 年午月毕日 翩签哆匆段醐：游f 月平日 硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于中国网上教育平台一移动终端项目的部分研究内容( 国家发改 委高新技术产业化发展重大项目) ，编号：计高技 2 0 0 0 1 2 0 3 4 号。 1 2 研究目的及意义 随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端的广 泛应用，为了实现任何人在任何时间、任何地点均能进行数据通信的目标，要求 传统的计算机网络由有线向无线，由固定向移动，由单一业务向多媒体发展，更 进一步推动了无线局域网的发展。近年来，无线局域网产品逐渐走向成熟，并且 正在以它的高速传输能力和其灵活性在这个信息社会发挥日益重要的作用，在企 事业内部和公共热点地区等领域的应用中很快取得了长足的发展和巨大的成功。 近来，国内外大学都积极着手建立校园无线网络环境，而中国网上教育平台 一移动终端子项正是在这一环境中开始的。以无线网络作为有线网络的延伸，配 合校园原有的有线网络骨干，透过无线网络技术，解决校园内有线网络所不易布 线、无法到达的环境，使得校园里的每个角落均能上网，让拥有移动终端的全校 师生在任何时间( a n y t i m e ) ，任何地点( a n y w h e r e ) ，都能拥有一个信息化的 学习平台，而创造一个可以适应不同学习型态、不同学科领域的开放式学习环境。 在移动终端子项中，一个重要的研究方面就是无线局域网的服务质量问题， 在校园和移动环境之中接收高速度、高质量的视频、音频和多种服务，是全校师 生所迫切需要的。然而，多媒体应用需要服务质量的保证，比如所需的带宽、限 定的延迟、抖动和错误率等等，在无线局域网中保障q o s 已经成为了一个挑战性 的目标。要在无线局域网上提供有质量保证的服务，就需要采取一定的区分服务 机制，为不同级别的业务提供不同质量的支持。 无线局域网都以多路复用信道作为通信的基础，与采用点到点连接的网络相 比，存在一个关键的技术问题【l 】：当信道的使用发生竞争时，如何分配信道的使 用权。在w l a n 中完成该功能的是数据链路层d l c 的媒介访问控制m a c 子层。 可以说，w l a n 的网络性能( 吞吐量、时延等) 完全取决于m a c 子层的接入协 议。所以，制定适当的m a c 子层规则，优化信道分配机制，根据网络业务特征 有效的配置信道资源，提高无线资源的使用效率，增加系统的容量和传输质量， 保障q o s ，是w l a n 研究的重要课题。 面向无线局域网m a c 机制的研究 1 3 本文主要工作 本论文旨在对无线局域网m a c 机制进行探讨与研究，随着多媒体应用的飞 速发展，无线网络的服务质量问题成为一个挑战的目标，而m a c 机制是影响无 线局域网传输性能的重要方面。本文的主要工作如下： 1 研究了无线局域网的特点、组成和各类标准，基于各类标准中，重点 研究了i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准。 2 综合分析与研究了现有的i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 机制及其限 制。现有的m a c 子层定义了两种媒介访问协调功能，一种是基本的分 布式协调功能( d c f ) ，另一种是可选的点协调功能( p c f ) 。i e e e8 0 2 1 1 无线局域网既能运行在基于竞争的d c f 模式，又能运行于非竞争的p c f 模式，支持同步传输模式和异步传输模式。但d c f 仅仅能够支持尽力 传送的服务，对所有用户都一视同仁，在共享通讯介质时没有优先级的 规定，不能处理服务区分，不适合实时应用。p c f 存在的主要问题是引 导帧的延时是不可预测，被轮询的移动站的数据传输时间是不确定的， 及实现复杂化。 3 在对i e e e8 0 2 1 1 m a c 层机制的分析和研究之上，以校园无线局域网 为背景，对两种信道分配机制进行了仿真实验，d c f 机制适合低负载的 环境，在高负载下有着显著的性能降级，而p c f 机制适合有特定延迟、 抖动的业务传输，在高负载下性能较稳定。 4 现有的无线局域网产品大部分都是基于d c f 机制的，所以对现有的 d c f 机制进行改进尤为重要。针对d c f 机制仅仅能够支持尽力传送的 服务，对所有用户都一视同仁，在共享通讯介质时没有优先级的规定， 不能处理服务区分，并在高负载下有着显著的性能降级的特点，提出了 一种具有区分功能的无线局域网m a c 机制。 5 我们对新的具有区分功能的无线局域网m a c 机制进行了多优先级性 能建模和性能的分析，新的机制减少了信道竞争冲突次数和因退避的平 均空闲等待时间，提高了系统的性能。 6 研究了o p n e t m o d e l e r 网络仿真的建模方法，并比较系统全面的掌握 了o p n e t 仿真软件的使用。对新的机制在仿真平台上进行了层次化建 模，从网络模型、节点模型、进程模型三方面分别进行建模。 7 建模之后在o p n e t 上建立了无线局域网仿真场景，进行了仿真实验， 并同现有的d c f 机制进行了性能的评估和对比，新机制有着好的q o s 性能。 硕士学位论文 1 4 论文结构 本文共分六章，第一章概述本文的研究目的、研究意义以及主要工作。第二 章介绍了无线局域网及相关研究，包括无线局域网的特点、各类标准和无线局域 网的信道访问机制，在各种无线局域网标准基础之上重点研究了i e e e8 0 2 1 1 无 线局域网标准及其m a c 关键技术。第三章是研究方法与仿真工具，重点介绍了 o p n e t 的仿真建模方法。第四章分析和研究了i e e e8 0 2 1 1 无线局域网m a c 机 制及其限制，并进行仿真实验，得出各自适用的环境。第五章提出了一种新的具 有区分功能的无线局域网m a c 机制并进行性能分析，新机制从一个新的角度对 工作站或数据流进行了区分并引入补偿门槛，减少了信道冲突和退避空闲时隙。 第六章对新的机制进行仿真建模和实验。 结构如图1 1 所示： 第l 章绪论 第2 章无线局域网及相关研究 第3 章研究方法与仿真工具 第4 章i e e e8 0 2 1 1m a c 层机制的分析和模拟 第5 章一种具有区分功能的无线局域网m a c 机制r 。c f p 第6 章新机制r d c f p 的仿真实验与分析 结论 固1 1 论文结构图 亘旦耋竺丝苎塑坠垫型塑翌塞 第2 章无线局域网及相关研究 2 1 无线局域网络概述 2 1 1 无线局域网的特点 无线局域网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 ) 是计算机网络与无线通信技 术相结合的产物。它咀无线多址信道作为传输媒介，利用电磁波完成数据交互， 实现传统有线局域网的功能。无线局域网具有以下特点【2 【”： 1 ) 安装便捷 无线局域网免去了大量的布线：作，只需要安装一个或多个无线访问点 ( a c c e s 3p o i n t ，a p ) 就可覆盖整个建筑的局域网络，而且便于管理、维护。 2 ) 高移动性 在无线局域网中，各节点可随意移动，不受地理位置的限制。目前，a p 可 覆盖1 0 l o o m 。在无线信号覆盖的范围内，均可以接入嘲络，而且w l a n 能够 在不同运营商、不同国家的网络间漫游。 3 ) 易扩展性 无线局域网有多种配置方式，每个a p 可支持1 0 0 多个用户的接入，只需在 现有无线局域网基础上增加a p ，就町以将几个用户的小型网络扩展为几千用户 的大型网络。 2 1 2 无线局域网各大标准 无线局域网主要分成两太类：红外无线局域网和射频方式的无线局域网。 红外无线局域网采用小于l “m 的红外线作为传输媒质，其使用不受无线电管 理部门的限制。红外信号要求视距传输，有较强的方向性，检测和窃听困难，对 邻近区域的类似系统也不会产生干扰，但由于它具有较高的背景噪声( 如日光等) ， 在室外使用会受到很大限制。红外无线局域网支持1 - 2 m b p s 的传输速率，适于近 距离通信。 射频方式的无线局域网，通俗的说就是使用无线电作为传输媒质的局域网。 它覆盖范围大，发射功率较自然背景噪声低，而且这种局域网多采用扩频技术， 具有良好的抗干扰性、抗噪声、抗衰落及保密性能。因此它具有很高的可用性， 成为目前流行的无线局域网。这类无线局域网又有多种标准阻6 1 。 1 ) 蓝牙技术 蓝牙( b l u e t o o t h ) 无线接入技术发布于1 9 9 8 年5 月，它是由爱立信、诺基 亚、i b m 、i n t e l 和东芝共同提出的无线数字传输标准。蓝牙是一种短距离的无线 亚、i b m 、i n t e l 和东芝共同提出的无线数字传输标准。蓝牙是一种短距离的无线 硕士学位论文 通讯技术，工作在2 4 g h zi s m 频段，其面向移动设备间的小范围连接，通过统 一的短距离无线链路，在各种数字设备间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话 音以及数据通信。主要技术特点如下： a ) 蓝牙的指定范围是1 0 m ，在加入额外的功率放大器后，可以将距离扩展到 1 0 0 m 。辅助的基带硬件可以支持4 个或者更多的语音信道。 b ) 提供低价、大容量的语音和数据网络，最高数据传输速率为7 2 3 2 k b s 。 c ) 使用快速跳频( 1 6 0 0 跳s ) 避免干扰，在干扰下，使用短数据帧来尽可能 增大容量。 d ) 支持单点和多点连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个微波网， 多个微波网又可互连称特殊分散网，形成灵活的多重微波网的拓扑结构，从而实 现各类设备之间的快速通信。 e ) 任一蓝牙设备，都可根据i e e e9 0 2 标准得到一个唯一的4 8 b i t 的地址码， 保证完成通信过程中设备的鉴权和通信的保密安全。 f ) 采用t d d 方案来实现全双工传输，蓝牙的一个基带帧包括两个分组，首 先是发送分组，然后是接收分组。蓝牙系统既支持电路交换也支持分组交换，支 持实时同步定向连接和非实时的异步不定向连接。 2 ) h o m e r f h o m e r f 技术是由h r f w g ( h o m c r fw o r k i n gg r o u p ) 工作组开发的，该工作 组1 9 9 8 年成立，主要由i n t e l 、i b m 、c o m p a n q 、3 c o r n 、p h i l i p s 、m i c r o s o f t 、m o t o r o l a 等几家大公司组成，旨在制定p c 和用户电子设备之间无线数字通信的开放性工 业标准，为家庭用户建立具有互操作性的音频和数据通信网。h o m e r f 采用了 i e e e8 0 2 1 l 标准的c s m a c a 模式，以竞争的方式来获取信道的控制权，在一个 时间点上只能有一个接入点在网络中传输数据，提供了对“流业务”的真正意义 上豹支持，规定了高级别的优先权并采用了带有优先权的重发机制，确保了实时 性“流业务”所需的带宽( 2 - 1 1m b s ) 和低干扰、低误码。 h o m e r f 是针对现有无线通信标准的综合和改进，当进行数据通信时，采用 i e e e8 0 2 1 1 规范中的t c p i p 传输协议；进行语音通信时，则采用数字增强型无 绳通信标准。因此，接收端必须捕获传输信号的数据头和几个数据包，判断是音 频还是数据包，进而切换到相应的模式。 h o m e r f 采用对等网的结构，每一个节点相对独立，不受中央节点的控制。 因此，任何一个节点离开网络都不会影响其它节点的正常工作。 3 ) i e e e8 0 2 1 l 家族 i e e e8 0 2 1 l 是由i e e e 最初在1 9 9 7 年制定的一个无线局域网标准，主要用 于解决办公室和校园中，用户与用户终端的无线接入，业务范围主要局限于数据 存取，速率最高只能达到2 m b s 。 面向无线局域网m a c 机制的研究 由于i e e e8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相继推出了i e e e8 0 2 1 l b 和i e e e8 0 2 1 l a 两个标准。这三者之间技术上的 主要差别在物理层和m a c 层。 i e e e8 0 2 1 1 的物理层支持l m b s 和2 m b s 的速率，而i e e e8 0 2 1 l b 的物理 层除支持1 m b s 和2 m b s 速率外，还支持5 5 m b s 和1 1 m b s 两个速率。这是因为 普通的i e e e8 0 2 1 l 标准在d s s s 扩频时采用的是b p s k ( 1 m b s ) 或q p s k ( 2 m b s ) 调制方式，而i e e e8 0 2 1 1 b 标准在d s s s 扩频时可以采用一种全新的调制方式 c c k ( 补码键控，c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y ) 。c c k 的核心编码中有一个6 4 个8 位 编码组成的集合，在这个集合中的数据有特殊的数学特征使得他们能够在经过干 扰或者由于反射造成的多径接收问题后还能够被正确地互相区分。5 5 m b p s 使用 一个c c k 串来携带4 位的数字信息，而1 1 m b p s 的速率使用一个c c k 串来携带 8 位的数字信息。两个速率的传送都利用q p s k 作为调制的手段，不过信号的调 制速率为1 3 7 5 m b p s 。这也是i e e e8 0 2 1 l b 获得高速的机理。i e e e8 0 2 1 l b 实行 动态传输速率，允许数据速率根据噪音状况在1 m b s 、2 m b s 、5 5 m b s 、1 1 m b s 等多种速率下自行调整。 i e e e8 0 2 1 l a 采用正交频分复用( o f d m ) 的独特扩频技术和q f s k 调制方 式，大大提高了传输速率和整体信号质量。i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 “b 都采用 c s m a c a 协议，但物理层有很大的不同，8 0 2 1 1 b 工作在2 4 0 0 0 2 4 8 3 5g h z 频 段，而8 0 2 1 l a 工作在5 1 5 - 8 8 2 5g h z 频段，数据传输速率可达到5 4 m b s ，支持 语音、数据、图像等业务。 4 ) h i p e r l a n h i p e r l a n ( h i g hp e r f o r m a n c er a d i ol a n ) 标准是由欧洲电信标准化协会 ( e t s i ) 的宽带无线电接入网络( b r a n ) 小组制定的无线局域网标准，已推出 h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 两个版本。h i p e r l a n l 由于数据传输速率较低，没有流 行推广。h i p e r l a n 2 在欧洲得到了比较广泛的支持，是目前比较完善的w l a n 协议标准， h i p e r l a n 2 在无线l a n 频谱利用上有很大突破，它采用5 g h z 频带，克服 了目前大多数l a n 产品工作频段较窄的缺陷，可使大量的用户实现高速通信。 h i p e r l a n 2 采用正交频分复用( o f d m ) 传输层的速率可以保持在2 0 m b p s 左右； 调制；原始物理层的速率可达5 4 m b p s ， 它在高速率下支持q o s ，对像视频和话 音一类实时应用提供了新的途径；对多种类型的网络基础结构( 如以太网、a t m 等) 提供连接，并且对每一种连接都具有安全认证和加密功能；具有自动频率管 理功能。 5 ) i e e e8 0 2 1 6 宽带无线接入 该标准主要应用于宽带无线接入方面。8 0 2 1 6 工作组的目标是开发固定宽带 - 6 硕士学位论文 无线接入系统的标准，这些标准主要解决最后一英里本地环路问题。8 0 2 1 6 与 8 0 2 1 l a 的相似之处在于它使用未经当局许可的国家信息下部构造( u n i i ) 频谱 上的未许可频率。8 0 2 1 6 不同于8 0 2 1 l a 的地方在于它为了提供一个支持真正无 线网络迂回的标准，从一开始就提出了有关声音、视频、数据的服务质量问题。 2 2 无线局域网信道访问机制( m a c 协议) 计算机网络分为两类：采用点到点连接的网络和采用广播信道的网络。广播 信道有时也被称为多路访问信道或随机访问信道。决定广播信道中信道分配的协 议属于数据链路层的子层，称作媒介访问控制m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 子 层。由于几乎所有的局域网都以多路复用信道作为通信的基础，而广域网中除卫 星网以外，都采用点到点连接，所以m a c 子层在局域网中的作用尤其重要。 m a c 协议主要的功能是规划媒介的使用，这个是通过信道访问机制而实现 的。一种信道访问机制是通过规范使用信道，在节点间划分主要资源、无线信道 的一种方法。这种访问机制能告诉每个节点什么时候能够传输，什么时候被预期 来传输数据。信道访问机制是m a c 协议的核心。本节中，我们描述了t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 和轮询技术三 种主要的无线信道访问机制7 】【8 】【9 1 。 2 2 1 时分多路访问t d m a t d m a 帧 信标无用的时隙! 信标 ，- 弋厂；二磊 i _ 节点1 下行时隙 11 v飞甲 1 v l v , 帧 到节点l 的 开始 下行时隙 到基薯落谢_ 节点2 图2 1t d m a 信道访问机制 在这个部分，t d m a 被描述成为一种信道访问机制，它是一种简单的协议。 一个特殊的节点一基站，负责网络中节点的协调。在信道中的时间被分割成周期 性的帧( f r a m e ) 或超帧( s u p e rf r a m e ) ，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信 面向无线局域网m a c 机制的研究 号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各终端节点的 信号而不混扰。同时，基站发向多个终端节点的信号都按顺序安排在给定的时隙 中传输。各终端节点只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的 信号区分并接收下来。图2 1 显示了t d m a 信道访问机制。 超帧由信标帧( 管理帧) 开始，由基站指定帧的组织结构。每个帧仅仅需要 接受基站的管理。帧由上行时隙和下行时隙组成，所有的通信都经过基站。通过 在服务时隙中发送连接请求信息，服务时隙允许一个节点请求一个连接的分配。 在一些标准中，上行和下行帧处于不同的频率，服务时隙也是单独的信道。 t d m a 非常适合电话应用，因为这些应用有固定的相似的比特率，每个电话 分配固定大小的上行和下行时隙。蜂窝电话标准( 欧洲的g s m ，美国的t d m a 和p c s ) 和无绳电话标准( 欧洲的d e c t ) 用t d m a 作为主要的信道访问机制。 并且，t d m a 获得低的时延和保证的带宽。 同蜂窝电话应用相比，t d m a 并不适合数据网络应用。i p 是面向无连接的， 产生突发的流量，是不可预测的，而t d m a 是面向连接的。并且，t d m a 用固定 大小的包和均匀的链路，不适合i p 可变大小的包。t d m a 也是非常依赖于频率 带宽的质量。因为它的不灵活性和无法帧听信道，使得t d m a 不能适应未许可波 段上突发的干扰源。 2 2 2c s m a c a 在i s m 波段大多数无线局域网所使用的信道访问机制是载波帧听多路访问、 冲突避免机制。c s m a c a 通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来。保 证某一时刻只有一个站点发送，实现了网络系统的集中控制。 c s m a c a 来源于载波帧听多路访问、冲突检测( c s m a c d ) 的信道访问机 制，是一种先听后说的机制。在这种类型的访问机制中，站点在开始新的发送前 必须首先监听媒介。如果媒介上已有信息正在传输，则该站点将不会发送本地信 息。这就是载波帧听多路访问部分( c s m a ) ，是在物理层提供的物理载波检测基 础上实现的。但是可能会监听媒介的站点已经开始了它的发送，但实际上媒介上 还有其他信息在传送，这样就会产生碰撞。碰撞将导致发送中断，甚至就会使得 近几次的发送内容不能正确接收。 因为无线设备不能同时发射和接收，所以大多数无线局域网使用碰撞回避策 略，而不是同i e e e8 0 2 3 使用碰撞检测。并且，在一个w l a n ( 无线局域网) 中， 不是所有的无线设备都能够直接通信。因此，i e e e8 0 2 1 1 采用网络分配矢量 ( n a v ) 。n a v 是表示媒介空闲剩余时间的值。每个站点的n a v 都是从媒介传输 的帧里取出时间长度值来保持最新值。通过物理载波检测和虚拟载波检测的结合， m a c 得以实现c s m a c a 的碰撞避免机制。 _ 8 一 硕士学位论文 2 2 3 轮询p o l l i n g 轮询是无线信道t d m a 和c s m a c a 之后的第三种主要的信道访问机制， 在i e e e8 0 2 。1 1 无线标准中提供了这种方式。 轮询实际上是处于t d m a 和c s m a c a 之间的，一个基站保持对这种信道 的控制，帧的内容不再是固定的，允许发送不同长度的数据包。基站通过发送一 个特别的轮询包来引发站点的传输，移动站点只有收到之后，才能进行数据发送。 图2 2 显示了有一个基站和两个移动站点的轮询访问技术。 轮询轮询轮询轮询 图2 2 轮询访问技术 轮询可以作为一个面向连接或非连接的服务来实施，基站可以一直轮询子网 中所有站点来检测是否有数据需要发送，或者协商使用预留时隙，在这个时隙中 移动站点能够请求连接和传输数据包。 使用轮询最成功的网络标准是i e e e8 0 2 1 2 。在这个标准中，轮询机制不使 用任何带宽，导致非常有效的使用信道。在i e e e8 0 2 1 1 无线网络中所有的轮询 包通过空中链路进行发送，产生较多的开销。此外，i e e e8 0 2 1 1 b 标准不能使用 预留机制，从而不灵活和高开销的。 2 3i e e e8 0 2 1 1 无线局域网协议 以上介绍了各种无线局域网协议，本文中我们主要集中于i e e e8 0 2 1 1 无线 局域网【1 0 】【1 1 】。 2 。3 。1i e e e8 0 2 1 1 无线局域网协议及网络体系结构 i e e e8 0 2 1 1 是第一代无线局域网标准之一，1 9 9 7 年6 月被i e e e ( 美国电器 卜 一 一 一卜一一一一篇一一一一 i鑫一一一一一一一一一 一 一 - 一急一 一一h 斗 一轮求 ，一鲥 。一 一站请 站一酮 站一 站一基询 作一姗 作一 黼一一 一一一 一一 面向无线局域网m a c 机制的研究 和电子工程师学会) 委员会认可，这个标准的制定是无线网络技术发展的一个里 程碑。 图2 3 为i e e e8 0 2 1 1 委员会提出的无线局域网协议体系结构7 】【l l 】。i e e e 8 0 2 2 是通用的逻辑链路控制层，这个结构给上层用户提供透明的接口，并同时 定义了数据链路层同步和所有8 0 2l a n 类型的差错控制，其中包括i e e e8 0 2 1 1 的差错控制。由图2 3 中可以看出，与有线局域网一样，无线局域网的标准化工 i e e e8 0 2 2 i e e e8 0 2 1 0 m a c 物理媒体l物理媒体2物理媒体n l 8 0 2 1 1 1 j 图2 3 无线局域网协议体系结构 作主要在逻辑链路层的l l c 子层以下，即m a c 层与物理层。由于无线的传输技 术与有线传输技术的差异及无线信道的独特性，需要制定新的m a c 协议和相应 的物理层协议。 i e e e8 0 2 1 1 w l a n 协议覆盖了i s o ( 开放系统互联) 网络参考模型的物理层 和m a c 子层。无线局域网的物理层主要由所使用的无线频段及调制方式而定。 1 9 9 7 年，i e e e 在物理层提供了三种选择，分别是红外线物理层、直接序列扩频 物理层、跳频扩频物理层。以上几种都支持1 m b p s 和2 m b p s 的物理层速度。1 9 9 9 年，i e e e 又进行了延伸，定义两种更高的物理层速率一8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 1 a ，它们 分别工作在2 4g h z 和5g h z 频段，前者采用直接序列扩频( d s s s ) 技术，传送 速率可达1 1 m b p s ，后者则采用正交频分复用( o f d m ) 技术，传送速率可达5 4 m b p s 。 最近，8 0 2 1 l