（计算机软件与理论专业论文）无线局域网中竞争窗口控制的研究.pdf

摘要 摘要 无线局域网凭借其移动性强、灵活性好、易于扩展、成本低廉等特点，近年 来得到了迅速的发展并被广泛地应用，被看作是未来个人通信系统的重要组成部 分。i e e e8 0 2 1l 系列标准是无线局域网中应用最为广泛的技术标准。 i e e e8 0 2 1 1 系列标准在m a c 层采用c s m c a 机制，通过二迸制指数退 避算法控制竞争窗口的大小，以此安排无线局域网中每个节点接入无线信道的顺 序。但是，这种竞争窗口控制方法使得l e e e8 0 2 1 l 系列无线局域网的实际吞吐 量远远低于其物理层速率所能达到的吞吐量，而且使得无线局域网的公平性较 差，这些在网络中的竞争节点数量较多时尤为明显，而且，随着i e e e8 0 2 1 l 系 列标准增加了对服务质量以及多速率等的支持，竞争窗口对这些方面的影响也值 得关注。本文对于i e e e8 0 2 1 1 系列无线局域网中的竞争窗口控制问题进行了研 究，主要研究成果如下： 1 ) i e e e8 0 2 1 1 系列无线局域网中的竞争窗口参数调整问题：针对目前在 i e e e8 0 2 1 1 系列无线局域网中，大多数竞争窗口的控制方法较为复杂，从而难 以在实际中实现的问题，分析了使用指数退避算法时，竞争窗口的参数( 包括竞 争窗口最小值和最大值) 对无线局域网的饱和吞吐量的影响，提出了易于实现的 竞争窗口参数调整算法c w p a 。c w p a 只需要通过对二进制指数退避算法中的竞 争窗口的最小值和最大值做简单调整，就能够使网络获得更好的性能。模拟实验 表明，与原有的i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层机制相比较，c w i ) a 在吞吐量和公平性 方面，都能够获得更好的结果。 2 ) i e e e8 0 2 1 1 e 无线局域网中竞争窗口对确定比例的服务质量的影响：针对 目前i e e e8 0 2 1 l e 标准中的二进制指数退避算法无法对确定比例的服务质量提 供很好的支持的问题，设计了新的分布式的竞争窗口控制算法。新的竞争窗口控 制算法通过侦听信道中的连续空闲时隙数估计信道的忙碌程度，根据已知的吞吐 量比率对竞争窗口进行控制，以使信道中的连续空闲时隙数接近理论上的近似最 优值，从而在最大化网络吞吐量的同时，实现确定比例的服务质量。模拟实验表 明，我们的分布式竞争窗口控制算法可以对确定比例的服务质量提供很好的支 持。 3 ) i e e e8 0 2 1 1 系列多速率无线局域网中竞争窗口对网络性能的影响：在多 速率无线局域网中，帧冲突是影响速率调整算法提高网络性能的重要原因之一。 针对目前的速率调整算法无法减少网络中的帧冲突的问题，研究了i e e e8 0 2 1 1 系列多速率无线局域网中竞争窗口对饱和吞吐量的影响，指出了以往的速率调整 算法无法减少网络中的帧冲突的原因，提出了在多速率无线局域网中使用竞争窗 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i r e l e s sl a n sa r eb e c o m i n gi n c r e a s i n 9 1 yp r e v a l e n ta n dh a v e b e e n 谢d e l yu s e df o rt h e i rm o b i l i t y ，f l e x i b m t y ，e a s ye x t e n s i o na i l di o wc o s t w i r e l e s s l a n sh a v eb e e ni n t e 印r e t e da sa ni n t e g r a lp a r to f 凡t u r e sp e r s o n a lc o m m u m c a t i o n s y s t e m s a st h em o s tw i d e l yu s e ds t a n d a r d s ，i e e e8 0 2 1 1xp r o t o c o l sa r et h em o s t w i d e l yu s e ds t a n d a r d si nw i r e l e s sl a n s i e e e8 0 2 11s t a n d a r d su s ec s m a c am e c h a n i s mi nm a c1 a v e r e a c hn o d ei s s c h e d u l e dt oa c c e s st h ew i r e l e s sc h a n n e lt 虹o u 西t h ec o n t e n t i o nw i n d o wc o n t r o l a i g o r i t ，w h i c hi sn a m e da sb i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f fa l g o r i t h m b u tu s i n gt h i s m e c h a n i s m ，w i r e l e s sl a n sa c h i e v en o to n l yl o w e rt h r o u g h p u tc o m p a r i n gw i t h p h y s i c a lr a t e ，b u ta l s op o o rf a i r n e s s ，e s p e c i a l 王yw h e nt h en u m b e ro fc o n t e n d i n gn o d e s i sl a r g e f u r t h e 衄o r e ，s o m eo t h e rf u n c t i o n sh a v eb e e na d d e dt o s u p p o r tq o sa n d m u l t i r a t e ，s ot h ei m p a c to ft h ec o n t e n t i o nw i n d o wc o n t r o lo nt h e s ea s p e c t sa l s o s h o u l db ef o c u s e d t h em a i nr e s u l t so ft h ed i s s e n a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 ) c o n t e n t i o nw i n d o wp a r 锄e t e r sc o n t r 0 1i ni e e e8 0 2 1 1w i r e i e s sl a n s ：m o s t o fc u r r e n tc o n t e m i o nw i n d o wc o n t r 0 1a l g o r i t h n sa r ec o m p l i c a t e dt or e a 】i z e d i n p r a c t i c a le n v i r o 眦e n t s ot h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ei m p a c to fc o n t e n t i o nw i n d o w p a r a m e t e r s ( i n c l u d i n gt h em i n i m u mc o n t e n t i o n 、v i n d o wa n dt h em a x i m u mc o n t e n t i o n w i n d o w )o nt h es a t u r a t i o nt h r o u g h p u to fw i r e l e s sl a n sw h e nu s i n gb j n a r y e x p o n e n t i a lb a c k o f fa l g o r i t h m c w p a ( c o n t e n t i o nw i n d o wp a r 锄e t e r sa d a p t a t i o n ) ， w h i c hm a yb e e a s yt oi m p l e m e n t ，i sp r e s e n t e d i nc w p a ，o n l yt h em i n i m u m c o n t e n t i o nw i n d o wa n dm a x i m u mc o n t e n t i o n ，i n d o wa r ea d a p t e dt oi m p r o v i n gt h e p e r f l o 鼢a n c eo fw i r e l e s sl a n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r i n gw i t ht h e m a cm e c h a n i s mo fi e e e8 0 2 11s t a n d a r d s ，c w p ao b t a i n sh i 曲e rt 1 1 r o u g h p u ta n d b e t t e rf a i m e s s 2 ) t h ei m p a c to fc o n t e n t i o nw i n d o wo nt h ed e r t e m i n i s t i cp r o p o i r t i o n a lq o s ：i n w i r e l e s sl a n s ，i e e e8 0 2 1l ec a n tp r o p e r l ys u p p o r td e t e n = 1 1 i n i s t i cp r o p o r r t i o n a lq o s b e c a u s eo ft h eb i n a 叮e x p o n e n t i a lb a c k o f j fa l g o r j t h mu s e di ni t 1 s 0 1 v et h i sp r q b l e m ， t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sad i s t r i b u t e da l g o r i t o fc o n t e n t i o nw i n d o wc o n t r 0 1 i no u r a l g o r i t h l ，e a c hn o d ee s t i m a t e st h en u m b e ro fc o n s e c u t i v ei d l es l o t si nw i r e l e s sl a n s ， a n dt h e nc o n t l o l st h ec o n t e n t i o n 、v i n d o wb a s e do nt h et l l r o u g h p u tr a t i oo fe a c hn o d e b yc o n v e 蜡i n gt h ea v e r a g en u m b e ro fc o n s e c u t i v ei d l es l o t st oi t sa p p r o x i m a l e l y i i i a b s t r a c t o p t i m a lv a l u et h r o u g hc o n t e n t i o nw i n d o wc o n t r o l ，d e t e 姗i n i s t i cp r o p o r t i o n a lq o si n w i r e i e s sl a n sc a nb es u p p o r t e d s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s od e m o n s t r a t et h a t t h e p r o p o s e dm e t h o dc a ns u p p o r td e t e 啪i n i s t i cp r o p o r t i o n a iq o s 3 ) t h ei m p a c to fc o n t e n t i o nw i n d o wc o n t r o lo nt h ep e r f o n n a n c eo fi e e e8 0 2 11 m u l 垃r a t ew i r e l e s sl a n s ：c o l 王i s i o n sh a v en e g a t i v ei m p a c to nt h ep e r f o 姗a n c eo f w i r e l e s sl a n s ，a n di tc a n tb ee l i m i n a t e db yr a t ea d a p t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e s t h ei m p a c to fc o n t e n t i o nw i n d o wo nt h es a t u r a t e dt h r o u g h p u ti ni e e e8 0 2 11 m u l t i r a t ew i r e l e s sl a n s t h ei n e f ! | e c t i v e n e s so fr a t ea d a p t a t i o no nc o l l i s i o n si s i n v e s t i g a t e d ，a n dp r e s e n tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm u l t i r a t ew i r e l e s sl a n sb y d e c r e a s i n gc o l l i s i o n st h r o u g ht h e c o n t e n t i o nw i n d o wc o n t r 0 1 s i m u l a t i o nr e s u i t ss h o w t h a t ，c o m b i n i n gr a t ea d a p t a t i o nw i t hc o n t e n t i o nw i n d o wc o n t r o lc a na c h i e v em u c h b e t t e rn e t 、 ，o r kp e r f o r m a n c e s ，i n c i u d i n gt h r o u g h p u ta n df h i r n e s s ，t h a no n l yu s i n gr a t e a d a p t a t i o ni ni e e e8 0 2 1 1m u l t i r a t ew i r e l e s sl a n s k e yw o r d s ：w i r e l e s sl a n s ，i e e e8 0 2 1 1 ，c o n t e n t i o nw i n d o 、v ，q o s ，m u l t i r a t e 图表索弓 图表索引 图1 1 有a p 的i n 矗a s t r u c t u r e 拓扑结构3 图l 。2 没有a p 的a dh o c 拓扑结构3 图1 3 基本的d s s s 方式7 图1 4 正交跳频( f h ) 序列”7 图重5 正交频分复用8 表2 1i e e e8 0 2 1 1 系列标准一览表- 1 5 图2 1 基本的c s m a c a 工作方式l 8 图2 2r t s c t s 工作方式1 9 图2 3 二进制指数退避算法对竞争窗口的调整1 9 图2 4e d c f 中的优先级队列2 5 图3 1 二进制指数退避算法的二维马尔科夫链模型3 1 表3 1c m 的一些取值及其相对应的以及心舭d 尸7 3 5 表3 2c 既跏调整算法- 3 5 表3 3i e e e8 0 2 1 l 中三种物理层对应的 时隙长度、c 既m 和c 既烈3 6 表3 4i e e e8 0 2 1 l bd s s s 的系统参数3 8 图3 。2a c k 帧示意图3 9 表4 1i e e e8 0 2 11e 默认参数设置4 4 图4 1e d c f 中的a i f s 4 7 表4 2 取不同值时，秒和纷舭o p r 的变化5 0 图4 2 公平性比较( 两种吞吐量比率) 5 4 图4 3 吞吐量比较( 两种吞吐量比率) 5 4 图4 4 多场景公平性( 两种吞吐量比率) 5 5 图4 5 多场景吞吐量( 两种吞吐量比率) 5 5 图4 7 吞吐量比较( 三种吞吐量比率) 5 6 图4 8 多场景公平性( 三种吞吐量比率) 5 7 v i 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定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，可以将学位论文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。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：担巡 洳g 年易月i9 日 第l 章绪论 第1 章绪论 本章摘要：无线局域网是目前移动通信领域研究的热点之一。本 章概述了无线局域网及其特性和主要应用，并指出了无线局域网 中需要解决的若干技术问题；然后提出了本文的研究内容，并综 述了文中取得的研究成果；最后给出了全文的组织结构。 1 1 无线局域网概述 1 1 1 无线局域网简介 随着信息技术的不断发展，人们对移动通信的实时性、灵活性以及便捷性的 需求也越来越高。近年来，移动通信无论是技术还是应用上都得到了飞速发展和 普及，各种新技术和新产品层出不穷。蜂窝移动通信系统的发展历程就是最有力 的证明。在短短十几年时间里，它就完成了从第一代到第二代、二代半的跨越， 现在正向第三代系统演进。与此同时，无线局域网f w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k s ， w l a n s 1 6 】和h i p e r l a n 【7 】) 、蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 8 、家庭无线网( h o m e r f ) 9 】 等多种移动通信新技术也纷纷涌现。这些技术使得人与人之间的通信更加方便快 捷，同时也丰富和改变着人们的生活方式。作为移动通信领域中的一个非常重要 的组成部分，无线局域网将越来越多地应用于人们的社会生活中 1 6 】。 无线局域网的历史可以追溯到上个世纪7 0 年代，1 9 7 1 年，夏威夷大学开发 了a l o h a n e t ，它基于封包式技术，为了避免地形造成的布线困难而采用无线电 台代替有线电缆。7 0 年代末，瑞士i b mr u e s c h l i k o n 实验室的g f e l l e r 为了解决 生产车间里的布线困难，克服大型机器的电磁波的干扰，采用红外线进行无线传 输。不过因为红外线的传输速率太小，低于1 m b p s ( b i tp e rs e c o n d ) ，所以他的方 案并没有投入使用，但是他提出了无线局域网的概念。 1 9 8 0 年，位于加利福尼亚的惠普实验室的f e r r e r 从事的研究项目可以称得 上是一个真正的无线局域网。在这里，传输介质是9 0 0 m h z 频段的无线电，使用 直接序列扩频( 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 ) 的调制技术，传输速率能够达到 1 0 0 k b p s ，使用载波侦听多路访问( c s m a ) 技术作为媒体访问控制( m e d i u m a c c e s s c o n t r o l ，m a c ) 层的接入方式，而c s m a 也是当今i e e e ( 国际电子电气工程师协 会) 8 0 2 1 1 系列标准中的媒体接入方法。尽管f c c ( 美国联邦通信委员会) 与该项 目负责人签订了试验许可协议，然而却并没有为该项目分配一定的频段，因此该 项目最终未能实现。在后来的几年中，很多希望在无线局域网这个领域进行研究 第l 章绪论 可以分为有a p ( a c c e s sp o i n t ，接入点) 的i n f r a s t m c t u r e ( 基础结构) 网络和没有a p 的a dh o c ( 自组) 网络。在i n f r a s t n i c t u r e 结构中，各个节点通过a p 进行通讯( 如图 1 1 所示) ；在a dh o c 结构中，没有a p ，节点之间直接进行通讯( 如图1 2 所示) 。 现有主要的无线局域网标准包括i e e e 制定的i e e e8 0 2 1 1 系列标准，和欧洲电 信标准化协会( e t s i ) 制定的h i p e r l a n 标准，其中i e e e8 0 2 1 1 系列标准得到了 更广泛的应用。 戮 茹澎i 粼 图1 1 有a p 的i n f r a s t r u c t u r e 拓扑结构 注：在j n f r a s t r u c t u r e 拓扑结构中，每个节点都能够与a p 进行通讯。 ， 、， i 。蘩激暨一_ 一i 鬻黧蹬 ：麓鬻。囊i 菘糕爹。 图1 2 没有a p 的a dh o c 拓扑结构 注：在a dh o c 拓扑结构中，任意两个结点之间都能直接进行通讯。 3 第l 章绪论 1 1 2 无线局域网的基本特性 无线局域网可以对传统的有线网络进行扩展，也可以在一些情况下代替部分 有线网络，与有线网络相比较，无线局域网由于使用无线介质摆脱了线缆的束缚， 因此具有以下优点： 移动性 由于没有线缆的束缚，无线局域网最独特的优点就是它的移动性。无线局域 网的通讯范围不再受环境的约束，因此其用户可以更方便随意地进行各种操作， 真正享受没有约束的快乐，随时随地保持与网络的连接，方便地获取所需要的信 息。 在无线局域网中，用户可以进行移动，同样，无线设备也可以进行移动。无 线设备可以处于固定状态，也可以在无线局域网中进行移动：而无线设备与无线 局域网的通信可以在静止中进行，也可以在设备移动时进行。当然，在现在的无 线局域网中，还并不支持高速移动，但是已经逐渐开始支持慢速移动。移动性作 为无线局域网中的最独特的优点，为人们提供了更为丰富多彩的生活方式，使无 线局域网在现实生活中日益普及。 灵活性 无线局域网灵活性好，体现在安装容易，使用方便，组网灵活。通常，网络 的布线建设周期长、影响大，需要对网络所在的环境做较大改变，在网络的架设 时期为安装线缆而大费周折。而由于在无线局域网中不存在对线缆的铺设安装， 因此在网络施工时相对容易得多。 在无线网络中，只要在无线局域网信号的覆盖区域内，用户都可以“随时随 地”地接入网络，这就与有线网络中必须在有网络接口的地方接入网络形成鲜明 对比，不但方便了用户的使用，对网络规划者、网络施工人员都提供了极大的方 便。而且，对于在网络施工之前，以及网络使用之前难以预料到的问题，与有线 网络相比较，无线局域网在各个方面都更容易改造。这些方面充分体现了无线局 域网的方便易用。 而且，无线局域网可以有i n 行a s t m c t u r e 和a dh o c 两种组网方式，这样就为用 户提供了多种选择，以满足不同用户因为环境或者自身特点而形成的各种不同需 要。 可伸缩性 通过a p 之间的互连、或者a p 与因特网的连接，无线局域网容易形成多区 4 第l 章绪论 网，使网络的覆盖范围进一步扩大。在适当的位置放置或添加a p 或扩展点 ( e x t e n dp o i n t ，e p ) ，就可以满足扩展组网的需要。这样无线局域网就能胜任从只 有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络。 一经济性 对于恶劣的地理环境，无线局域网有得天独厚的优势，比如在一些危险地区 或者需要特殊保护的场合，无线局域网完全可以使用，并且节省了复杂的布线设 计工作，节省了各种有线网络设备的费用，以及铺设电缆的施工人员的费用。而 且由于可以快速使用，大大提高了经济效益。在一些经常需要重组网络的地方， 无线局域网在长时间内更体现了它的经济实用性。 1 1 3 无线局域网的主要应用前景 无线局域网有着非常广泛的应用前景，它的应用范围可以大致分为两种：室 内应用和室外应用。在室内应用中，包括家庭小型办公室( s m a l l0 f f i c eh o m e o 硒c e ，s o h o ) 以及在公司企业、车间商场，列车飞机等候区等地点的使用。在 室外应用中，包括校园内、医院里、居民小区中的网络建设，以及通过无线路由 器等中继节点形成的更大范围的无线网络。而且，有些网络还综合了室内和室外 的应用，形成更大规模和范围的无线网络。下面简单介绍以下几类无线局域网的 主要应用 1 】 6 】。 一无线园区网 无线园区网可以为企事业单位、校园医院、商业楼群等提供服务，它可以分 为两种：一种是无线接入型园区网，另一种是无线互联型园区网。无线接入型园 区网主要为用户提供包括无线宽带业务在内的因特网接入，比如为居民区提供信 息化服务。而无线互联网主要为网络中的用户提供交互式业务，比如企事业单位、 校园医院等建立的内部无线网络。无线互联型园区网支持集中的网络管理，以保 证用户之间数据交互的快速安全。当然二者的界限并不严格，例如企事业单位的 无线互联网如果能够保证数据的安全性，可以扩展并且与外部网络连通，形成无 线接入型园区网。 家庭网络 在未来的日子里，无线局域网将在家庭中为人们提供更多的“随时随地”的 服务。随着个人计算机和因特网的迅速普及，通讯技术以及各种智能家居设备的 蓬勃发展使得无线局域网越来越多的进入千家万户。无线局域网在家庭网络中的 应用不再局限于一些简单的家庭办公、无线上网等内容，对各种电子产品、生活 5 第1 章绪论 用品的管理让人们的家庭生活更加方便舒适。无线局域网能够控制、管理各种智 能家居设备，让它们方便快捷的互相通讯访问，从视觉、听觉等多方位为人们的 生活提供优质的服务。 无线互联网业务提供商( w i r e l e s si n t e m e ts e i c ep r o v i d e r ，w i s p ) 在无线局域网得到日益广泛使用和人们对因特网更加依赖的今天，w i s p 在 强烈的市场要求中诞生。它为移动用户提供高速因特网接入服务，在酒店、列车 和飞机等候区以及咖啡厅等地形成热点地区( h o ts p o t ) ，覆盖范围从几百米到上千 米，只要在其覆盖范围以内，移动用户可以使用包括笔记本电脑、智能手机在内 的各种无线终端设备，安全方便地获得高速因特网接入。w i s p 在近年得到了快 速发展。 一定位服务( 1 0 c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) 定位服务是另一项在最近才快速发展起来的新的无线局域网应用，它与无线 广域网的定位相似。随着移动用户的位置不同，定位服务能够准确地提供和位置 有关的信息。定位服务主要依赖于定位信息的获得，因此定位技术的发展对定位 服务的质量有着重要的影响。位置信息和其附属信息有：a p 的网络管理信息、 移动终端的i p 地址、a p 的信号强度和移动用户的身份认证信息等。而且，定位 服务不但可以为用户提供与位置相关的信息，还可以与其他服务相互结合，使无 线局域网的服务更加丰富多彩。 1 2 无线局域网的关键技术 随着研究的深入，大量具有挑战性的问题被提了出来。由于无线局域网的特 殊性，传统网络中使用的协议和技术不能被直接应用，需要为它设计专门的协议 和技术。关键技术主要包括以下几个方面 1 】- 【6 】。 1 2 1 物理层技术 在无线局域网中，由于传输介质是无线电波，而无线电波受环境影响的波动 较大，因此数据在传输过程中误码率较高，造成可靠性低，另外无线频段的带宽 有限，所以数据的传输容量有限。针对无线介质的这些性质，在无线局域网的物 理层，有必要采取特有的技术手段来改进无线介质的传输质量，确保数据传输的 准确。这些物理层机制包括作为传输链路一部分的技术，例如数字调制解调技术， 编码技术、均衡与交织技术和天线系统等；另外还有一些应用在物理层上的技术， 例如扩频技术、多载波调制技术、分集技术、功率控制技术和智能天线技术等。 6 第l 章绪论 两种方式。多载波调制指的是采用多个载波同时传输信息，如正交频分复用 ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ，如图1 5 所示) ，用以实现 更高速率的宽带调制解调器。分集技术能减少不可恢复深度衰落的概率，能提高 系统性能而不需要增加发射功率或带宽。功率控制主要完成对非工作模块的电源 控制和增益控制。采用智能天线技术可以扩展覆盖范围，改善链路质量，提高 a p 的吞吐率和系统容量，而且还增加了系统的安全性。 阮i f 髓瓣 图1 5 正交频分复用 注：为了避免传统f d m 中无用的防护频带浪费传输资源，o f d m 定义了副载波，因此可以 使用彼此重叠但不会互相干扰的信道 1 2 2 媒体( 信道) 接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议 m a c 协议的选择和设计非常复杂，需要综合考虑网络的结构、节点的数量、 业务的类型与要求以及物理层的限制等多方面的因素。无线局域网首先是一种无 线网络，而且是一种以突发数据业务为主( 同时也可以支持多媒体业务) 的分组无 线网络，带宽有限，信道环境恶劣，还要支持有中心结构和分布式结构两种类型 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。随机接入的 m a c 协议适合于强突发性业务。 a l o h a 是一种简单的随机接入协议，当业务量较重时，容易发生业务流碰 撞。而载波侦听多路访问( c a 玎i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ，c s m a ) 技术使整个信道 带宽为所有用户共享，只有当信道空闲时，才允许用户发送信息，这种方式降低 了碰撞发生的概率。而载波侦听多路访问冲突避免( c o l l i s i o na v o i d a n c e ，c a ) 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- 个节点发送，实现了 网络系统的集中控制。而对于时延、隐藏终端和暴露终端等无线局域网固有的问 题，解决方法是采用r t s c t s 短信息握手机制。目前，主流的无线局域网系统 是i e e e8 0 2 1l 系列无线局域网和h i p e r l a n 2 无线局域网，这些无线局域网系统 的m a c 协议，都是以随机接入为主的混合m a c 协议。 i e e e8 0 2 1 l 系列标准是应用最为广泛的无线局域网标准，它的m a c 协议 8 第l 章绪论 支持i n f r a s t u r c t u r e 和a dh o c 两种拓扑结构的无线局域网。它的基础是c s m c a ， 有两种工作方式：分布协调功能( 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 ) 和点协 调功能( p o i n tc 0 0 r d i n a t i o nf u n c t i o n ，p c f ) 。关于i e e e8 0 2 1 1 系列标准的m a c 层协议我们将在第2 章进行更详细地介绍。 1 2 3 无线t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 技术 在有线网络中，很多情况下，网络中的拥塞造成了数据帧和确认帧的传输失 败，因而t c p 协议减少网络拥塞的机制能够较好地工作。但是在无线局域网中， 很多帧传输失败是由于无线链路上的错误造成的，例如：由于无线介质不稳定而 造成的传输错误，或者由于用户移动引起的连接断开等。t c p 协议如果仍然按照 传统的方法，将任何数据丢失都看成是因为网络拥塞引起的，而按照传统的拥塞 控制机制进行调整，则不但会降低信道利用率，而且还会使t c p 朝着不利于网 络性能提高的方向进行调整，使网络的性能继续恶化。所以，针对无线局域网的 特有性质，t c p 协议应该做出相应的改变。 由于移动终端往往通过a p 接入到因特网当中，因此在无线t c p 环境中，最 普遍的情况是：多跳连接中的最后一跳是无线连接。现在的无线t c p 技术如果 按照修改的层次来划分，大致可以分为两类：对t c p 协议本身进行修改，以及 对其他层次( 如数据链路层、应用层等) 进行修改。 从改进思想上来讲，无线t c p 技术都是要区分因为拥塞造成的数据帧丢失 以及与拥塞无关的数据帧丢失，如果能够区分这两种不同情况造成的数据帧丢 失，那么主要有两种方法来处理数据帧的丢失。第一种方法就是由中间节点处理 与拥塞无关的数据帧丢失，这样在t c p 的发起节点看来，所有的数据帧丢失都 是由于拥塞造成的，因此发起节点仍然可以按照传统的t c p 方法进行拥塞控制。 第二种方法是将对数据帧的处理都交给t c p 的发起节点，但是这时，发起节点 就需要改变原来的t c p 拥塞控制策略，使用两种不同的方法来对两种数据帧丢 失情况分别处理。这两种方法大多数都是应用于传输层和数据层，而在应用层， 可以通过对数据进行缓存和分配来进行性能改进。 1 ，2 4 服务质量( q u a l i t yo fs e i c e ，q o s ) 近年来无线局域网中的应用已经不满足于单一的数据业务，越来越多的移动 用户对于语音、图像、视频等多媒体业务有了更多的需要。而这些多媒体业务对 网络的带宽、延迟等方面的要求比单一的数据业务有更高的要求。这就要求无线 局域网提供对于服务质量问题的支持。而无线局域网中所提供的对服务质量的支 持也面临着无线链路不稳定、带宽有限等问题。 无线局域网属于无线i p 网络，在无线i p 领域，已经存在一些对服务质量问 9 第1 章绪论 题的研究，并且有了很多相关技术和解决方案。i p 服务质量问题主要包括：服 务质量体系结构，数据平面的服务质量控制技术，管理平面的服务质量技术以及 服务质量测量等。 但是由于i p 服务质量问题的复杂性，解决服务质量问题需要在不同层次( 包 括数据链路层、m a c 层和传输层) 上采用多种技术来共同完成。在数据链路层， 根据一定的信道条件和应用要求自适应地调整速率、功率、编码、帧长度和重传 机制。在m a c 层，采用不同竞争窗口值、帧间隔时间或最大的m a c 服务数据 单元长度提供业务区分，比较成功和最为典型的是i e e e8 0 2 11 e 协议，它是基于 i e e e8 0 2 1 1 、i e e e8 0 2 i l a 、i e e e8 0 2 1 1 b 和i e e e8 0 2 1 l g 的无线局域网补充协 议，在保证现有i e e e8 0 2 1 1 协议的能力和效率的基础上，增强m a c 机制，扩 展对有q o s 要求的应用的支持，包括通过w l a n 进行声音、音频和视频的传输 等，我们将在第2 章对i e e e8 0 2 。1 1 e 进行更为详细的介绍。在传输层，要求能够 根据网络提供的时变的服务质量参数做出自适应的调整。同时，无线局域网中无 线资源管理和网络资源分配等对无线局域网的服务质量至关重要。 1 2 5 安全问题 无线局域网在安全方面的问题主要有以下两个问题：信息安全( s e c u r i t y ) 和用 户安全( s a f e t y ) 。 在信息安全方面，主要考虑通过无线局域网进行传输的数据的安全问题。无 线局域网的传输介质是无线电波，考虑到无线电波的广播特性，与有线网络相比 较，无线局域网是一个相对比较开放的系统。在无线局域网中，除了希望获得信 息的接收者之外，其它用户也能很容易地获得数据，这就使得无线局域网中的数 据很容易遭到窃听，另外无线局域网中的用户也更容易受到攻击。除此之外，因 为当今因特网的t c p i p 协议中并没有要求提供数据发送者和接受者的身份认 证，也没有对数据内容进行认证、加密和解密，所以当无线局域网连接到因特网 中时，这些问题在无线局域网中也仍然存在。信息安全的目标包括：认证、机密 性以及数据完整性。 为了解决无线局域网中的信息安全问题，应该在网络的每个层次上考虑解决 方法。在物理层，可以使用扩频技术增加数据的机密性以及抗截获性；在m a c 层，设置e s s i d 、使用地址过滤技术以及管理a p 接入等方法可以用来阻止恶意 用户的访问；在链路层，可以使用一些传统的加密认证方法。 在用户安全方面，主要考虑无线局域网设备对用户身体方面的损害，无线介 质实际上包括红外线、r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 等，它们对人体的伤害并不一样。红 外线对人的瞳孔有害，用户在使用红外线设备时需要注意，不能让激光直接照射 到眼睛。而r f 则存在热效应和非热效应等，用户在使用r f 设备时需要注意微 10 第l 章绪论 波辐射对人大脑和身体的影响，特别是在室外大功率辐射的情况下，要特别注意 不要靠近辐射天线。目前的无线局域网设备的辐射功率远远小于手机的辐射功 率，一般对人体的影响可以不予考虑。 1 2 6 网络管理 计算机网络的重要性在于它们能够对大量信息提供快速而有效的访问。保持 计算机网络的良好运行状态是至关重要的，这就在客观上要求对网络进行有效的 管理与维护。网络管理是计算机网络体系结构中的一个关键环节，直接影响网络 的运行服务质量。一般说来，网络管理就是通过某种方式对网络状态进行监控与 调整，使网络能正常、高校地运行。 在o s i ( 开放系统互连组织) 的网络管理标准中，为了便于管理的标准化，将 系统的管理活动分为不同的五个功能域，它们负责完成不同的网络管理功能。这 五个功能域是：配置管理、故障管理、性能管理、安全管理和计费管理。无线局 域网网络管理的内容更加丰富，要求也较高。由于无线局域网的特殊性，无线局 域网管理还要涉及到节能管理和移动性管理等内容，而设备管理集成了以上各个 管理的内容。 无线局域网中，对移动主机( m o b i l eh o s t ，m h ) 的管理与对有线网络中的主 机管理不同。在无线局域网中，主机位置的移动将导致发射信号强度的不同，进 而将会影响主机与分布式系统中a p 的联系，亦即导致a p 的管理动态变化。对 主机的管理主要包括：联结或登录( a s s o c i a t i o n ) ，解除联结或取消登录 ( d i s a s s o c i a t i o n ) ，认证( a u t h e n t i c a t i o n ) ，解除或取消认证( d i s a s s o c i a t i o n ) ，同步和节 能管理等；而根据移动主机的移动模式，又需要考虑越区切换管理问题和i p 层 的移动性问题；另外，为了支持终端的移动性，并能够与移动终端建立连接，就 必须有一个高效的位置管理来跟踪终端的位置，它包括两个任务：位置更新和目 的寻址。 1 3 本文主要的研究内容和贡献 i e e e8 0 2 1 1 系列标准是应用最为广泛的无线局域网标准，其m a c 层协议 通过对竞争窗口的控制调整每个竞争节点接入信道之前的退避时间，来减小不同 竞争节点之间发生冲突的概率。但是i e e e8 0 2 1 1 系列标准原有的m a c 层协议 中的指数退避算法及其参数使得无线局域网在吞吐量和公平性方面都存在一定 的局限性，在网络中的节点数量较大时尤为明显。而且，随着i e e e8 0 2 1 l 系列 标准对服务质量以及多速率方面的支持，竞争窗口的控制也应该随之发展，适应 无线局域网中新的特性。本文对i e e e8 0 2 1 1 系列无线局域网中的竞争窗口控制 第1 章绪论 问题进行了研究。 无线局域网中的竞争窗口参数调整问题 针对无线局域网中，i e e e8 0 2 1 1 系列标准原有的m a c 层协议中的指数退 避算法及其参数在吞吐量和公平性方面的局限性，本文分析了在指数退避算法 中，竞争窗口参数( 包括竞争窗口最小值c 加和竞争窗口最大值c “) 对无线 局域网中吞吐量的影响，提出了一个竞争窗口参数调整( c o n t e n t i o