（信号与信息处理专业论文）cfb机制下多优先级复杂80211e+edca网络研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着多媒体应用普及的加速，例如像i p 语音和视频会议，对无线局域 网的高带宽和服务质量( q o s ) 的需求也在急剧增加。i e e e8 0 2 1 1 分布式协调功 能协议( d c f ) ，存在着一定的q o s 限制，而且其系统效率主要由控制帧，退避 时间及帧间间隔这些参数所影响。为了克服以上这些缺陷，新制定了i e e e8 0 2 1 l e e d c a 标准，并在标准中加入了竞争空闲突发( c f b ) 模式。e d c a 可以通过在介 质访问控制( m a c ) 层提供差异化的服务类别来支持q o s 。c f b 模式使站点 在整个t x o p 中都能对媒体进行控制，进而省去部分竞争信道的时间。 本文首先对i e e e8 0 2 1 1d c f 、i e e e8 0 2 1 1 ee d c a 及与c f b 模式结合的i e e e 8 0 2 。1 l ee d c a 三种机制的特点进行了分析比较；利用马尔可夫链模型分别分析了 e d c a 机制，在此基础上运用了与c f b 机制结合下的e d c a 马尔可夫链分析模型， 分析了系统的延时、吞吐量、丢包率；其次提出了在复杂网络拓扑结构中研究c f b 机制并在n s 2 网络仿真平台上实现了复杂网络拓扑结构下的三种机制的仿真，并 对系统的延时、吞吐量、丢包率进行了大量的仿真分析，验证了理论推导的正确 性，及分析了在复杂网络拓扑结构下e d c a 相比于传统d c f 机制提供的q o s 优 点，c f b 机制对信道利用率的进一步提高，对系统q o s 的保证等。第三，深入分 析比较了不同系统参数对c f b 机制网络性能的影响，尤其是与突发密切相关的 t x o p l i m i t ( t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y ) 参数的分析，指出t x o p 对保证系统q o s 的重要作用。最后，在复杂网络结构的基础上进一步提出了更加接近真实网络的 情况，即有大量的有线节点、每个站点随机发送帧的网络拓扑，比较其系统的性 能及c f b 机制的作用。 关键词：无线局域网；e d c a ；8 0 2 1 l e ；c f b ；n s 2 网络仿真 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i mt h er a p i dg r o w t hi nt h ep o p u l a r i t yo fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ，s u c h a sv o i c e o v e r - i pa n dv i d e o c o n f e r e n c i n g ，t h ed e m a n d f o r h i g hb a n d w i d t ha n d q u a l i t y - o f - s e r v i c e ( q o s ) i nw l a n si si n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l y t h e r ea r em a n y i n h e r e n tq o sl i m i t a t i o n si nd 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 ) a n dt h es y s t e m e 衔c i e n c yi sc o n s i d e r a b l ya f f e c t e db yv a r i o u so v e r h e a d sr e f e r r e dt oa sc o n t r o lf r a m e s b a c k o i f , a n di n t e r - f r a m es p a c e t om i t i g a t et h ei m p a c t so ft h eo v e r h c a d s ，an e ws t a n d a r d i e e e8 0 2 1 1 ee d c ai ss p e c i f i e da n dt h em e c h a n i s mo fb u r s tt r a n s m i s s i o nb a s e do nt h e c o n t e n t i o nf r e eb u r s t i n g ( c f b ) h a sb e e ns p e c i f i e di nt h ei e e e8 0 2 1 1es t a n d a r d i e e e 8 0 2 1 l ee d c as u p p o r tq o sb yp r o v i d i n gd i f f e r e n t i a t e dc l a s s e so fs e r v i c ei nt h e m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) 1 a y e r w i t ht h ec f bs c h e m e m u l t i p l ed a t af r a m e sa r e t r a n s m i t t e di nab u r s to n c eas t a t i o no b t a i n sat r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y ( t x o p ) a f t e r w i n n i n gt h ec o n t e n t i o nf o rc h a n n e la c c e s st oi m p r o v et h ec h a n n e lu t i l i z a t i o n i nt h i sp a p w ef i r s ts t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ei e e e8 0 2 1 1d c f ，t h ei e e e 8 0 2 1 1ee d c aa n dt h ec f bm e c h a n i s m a n dp r e s e n t sm a r k o vc h a i nm o d e lf o rt h e e d c aa n dc f bm e c h a n i s m ，a n a l y s et h es y s t e md e l a y , t h r o u g h p u t ，p a c k e tl o s sr a t e s e c o n e d ，i nt h en s 2n e t w o r ks i m u l a t i o np l a t f o r m ，w es i m u l a t et h et h r e em e c h a n i s m s u n d e rt h ec o m p l e xn e t w o r kt o p o l o g y m o r e o v e rw es i m u l a t et h es y s t e md e l a y , t h r o u g h p u t p a c k e tl o s sr a t et ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r y , a n dp r o v et h a tt h e q o sc h a r a c t e r i s t i co fe d c ac o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a ld c fa n dc f bc a ni m p r o v et h e c h a n n e lu t i l i z a t i o n t l i r d w eu s en s 2s i m u l a t et h ei m p a c to ft h ed i f f e r e n ts y s t e m p a r a m e t e r so nn e t w o r kp e r f o r m a n c e e s p e c i a l l y t h et x o p l i m i t ( t r a n s m i s s i o n o p p o r t u n i t y ) f o r mt h es i m u l a t er e l u s tw ep o i n to u tt h ee f f e c to ft x o p f i n a l l y , w e p r e s e n tan e t w o r kt o p o l o g yt oa c h i e v et h er e a ln e t w o r kw h i c hh a sal a r g en u m b e ro f n o d e sa n de a c hs t a t i o nc a ns e n df r a m er a n d o m l y t h e ns t u d yt h en e wn e t w o r kt o p o l o g y p e r f o r m a n c ea n dt h ee f f e c to ft h ec f bm e c h a n i s m k e y w o r d s ：w l a n ；e d c a ；8 0 2 1 le ；c f b ；n s 2n e t w o r ks i m u l a t i o n 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通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。 学位论文作者签名：卫婕 签字日期：z 0 1 年占月压日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：工捕 签字日期：2 明年z 月心日 导师签名： 刁务 签字日期： 。一声月腑 凸p 致谢 本论文的工作是在我的导师肖扬教授的悉心指导下完成的，肖老师严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在读研究生期间，肖老师对 我严格要求，在各方面给予悉心指导和帮助，使我的科研和工作能力有了很大的 提高。对于我的论文肖老师也提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在课题研究工作中，鲁凌云老师给予了我悉心的指导和帮助，在此对鲁老师 表示衷心的感谢。 感谢我的父母，是他们的培养和支持使我取得今天的成绩。在此，深切地感 谢父母亲二十多年来的养育之恩和教导。 感谢毛鹏轩、尹华镜、张楠、王磊、刘景利同学在我研究生学习和生活期间 给我无微不至的关心和帮助，他们提供的建议使我受益匪浅。 感谢众位师弟师妹对我的支持和帮助，他们为我提供了一个温暖的集体氛围， 使我能更投入的完成论文。 最后向所有关心、帮助和支持我的人致以衷心的感谢! 序 序 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。随着无线局域网的 迅猛发展，它的应用范围也变得非常广泛。现有的无线局域网标准中采用最多的 是i e e e 8 0 2 1 1 工作组制定的i e e e8 0 2 1 l 系列标准。随着多媒体应用普及的加 速，例如像i p 语音和视频会议，对无线局域网的高带宽和服务质量( q o s ) 的需 求也在急剧增加。 i e e e8 0 2 1 1 分布式协调功能协议( d c f ) 【l j ，存在着一定的 q o s 限制，而且其系统效率主要由控制帧，退避时间及帧间问隔这些参数所影响。 为了克服以上这些缺陷，新制定了i e e e8 0 2 1 l ee d c a 标准【2 】，并在标准中加入了 竞争空闲突发( c f b ) 模式。e d c a 可以通过在介质访问控制( m a c ) 层提供 差异化的服务类别来支持q o s ，c f b 模式使站点在整个t x o p 中都能对媒体进行 控制，进而省去部分竞争信道的时间。 在此之前，很多学者已经致力于8 0 2 1 l ee d c a 的研究工作，但有些忽略了 c f b 模式及t x o p 参数的研究，有些则提出将此研究作为以后的工作。现有的一 些对e d c a 及c f b 机制的研究都是基于简单的网络拓扑，而没有考虑实际网络的 复杂拓扑，在此基础上本文实现了复杂网络拓扑仿真并对c f b 模式下复杂网络拓 扑结构的多优先级网络各级系统的q o s 的提高做一个较全面的分析。 引言 1 引言 无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl a n ) 是计算机网络技术与移动通信技术相结 合的产物，它满足了人们对于宽带无线接入网络的迫切要求。无线局域网因其方 便快捷而得到了广泛的应用，同时人们也发现了无线局域网的很多局限性，比如 传输速率不够高、信号质量不稳定、安全性弱等。i e e e 8 0 2 1 1 标准作为全世界部 署最为广泛的w l a n 技术，在物理层的改进或扩充方面，逐步涌现了8 0 2 1 l 、 8 0 2 1 i b 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 9 以及8 0 2 1 l n 等协议，使得无线传输带宽不断提高，从 最初的2 m b p s 的速率提高到现在i e e e 8 8 0 2 1l g 和i e e e 8 0 2 1 1 a 的最高5 4 m b p s 的 理论速率。 与物理层带宽发展不断推进一样，媒体访问控制层( m a c ) 的协议也在不断 改进和增强。随着多媒体应用普及的加速，例如像i p 语音和视频会议，对无线局 域网的高带宽和服务质量( q o s ) 的需求也在急剧增加。由于i e e e 8 0 2 1 1 技术并 没有内建对于q o s 的支持，于是i e e e8 0 2 1 1 工作组于2 0 0 5 年底推出了8 0 2 1 l e 2 】 协议，用以在w l a n 中提供q o s 保证。协议草案i e e e 8 0 2 1l e 引入了q o s 参数如 c w m i n 、c w m a x 、a i f s n 和t x o p l i m i t ，也称为e d c a 参数；及将所有业务分为 4 种接入类别a c ( a c c e s sc a t e g o r y ) ，有高至低分为语音业务( v o ) 、视频业务( v c ) 、 尽力而为的业务( b e ) s l 背景业务( b k ) 。不同优先级的业务有不同的接入优先级， 在发生碰撞时根据参数配置优先让优先级高的业务接入信道，通过牺牲低优先级 业务的q o s ，来保证高优先级业务的q o s ，从而保证了整个系统的q o s ；并在标 准中加入了竞争空闲突发( c f b ) 模式。c f b 模式允许一个站点一旦竞争到信道 接入权后可在1 个e d c a - - t x o p 中连续发送多个m p d u 帧( 管理协议数据单元) ， 并且a c k 帧和下一个m p d u 帧的帧间间隔是s i p s 。因此站点在整个t x o p 中都 能对传输媒体流进行控制，不需要重新退出竞争媒体。故c f b 模式可以减少系统 的开销，并且可以提高信道利用率。 在此之前，很多学者已经致力于8 0 2 1l ee d c a 的研究工作。如建立系统性能 分析模型 2 4 2 6 】。利用适当的数学模型对协议进行建模，便于从理论上找到参量 对网络性能的影响， 从而更好得设计协议和网络参数，调整参量优化网络 2 7 】。 还有对协议进行改进，对竞争窗1 3 引入自适应算法 2 8 】，提出基于超时隙和虚拟冲 突的e d c a 2 9 ，用公平比例来增强i e e e8 0 2 1 1 e 的无线局域网的q o s 3 0 、在i e e e 8 0 2 。1 1 e 无线局域网中m a c 层的区分服务模型 3 l 】。但有些忽略了c f b 模式及t x o p 参数的研究，有些则提出将此研究做为以后的工作。例如，在 3 中作者指出“ c f b 模式中的t x o p 突发扩展内容非本文的研究范围并留到以后研究”在 5 1 中 北京交通大学硕十学位论文 提到“为简单起见，本文只考虑一个站点在一个t x o p 内只发送一个数据帧的 情况”。而在 4 、 6 中，只分析了e d c a 的其它参数，对c f b 模式及t x o p 参数都未提及。 现有的一些对c f b 模式的研究都是基于简单的网络拓扑，而没有考虑实际网 络的复杂拓扑，如 7 】、【8 】、【9 1 、【1 0 】。而且在【7 中只研究了在非饱和状态下c f b 对系统q o s 的提高情况； 8 在分析系统q o s 时没有分析不同优先级的接入延迟； 【9 】、【1 0 】只分析了系统的吞吐量，而且只分析了两个优先级。所以在本文中，我们 将对c f b 模式下复杂网络拓扑结构的多优先级网络各级系统的q o s 的提高做一个 较全面的分析并用n s 2 仿真进行验证。 本文的主要研究工作以及创新点： 一、对i e e e8 0 2 1 1d c f ，i e e e8 0 2 1 1 ee d c a ，c f b 三种m a c 接入机制的 原理进行了系统的研究e d c a 对系统q o s 的改进及c f b 机制对系统性能的提高。 二、在e d c a 马尔可夫链分析模型的基础上建立了c f b 机制下i e e e 8 0 2 1l e 网络的马尔可夫链分析模型，详细分析了系统的吞吐量、接入延时、端到端延时 及丢包率。 三、对各个q o s 系统参数对c f b 机制下网络性能的影响作了详细的分析，尤 其是与c f b 机制密切相关的t x o p l i m i t 。指出对不同优先级的业务流选择不同 t x o p l i m i t 可以使某些级别的业务流的吞吐量更高而使某些级别的业务流吞吐量 更低。验证了t x o p l i m i t 在保证系统q o s 的作用。 四、提出并在n s 2 仿真平台建立了复杂网络拓扑结构和更加接近真实网络情 况的大量有线节点、每个站点随机发送帧的网络拓扑结构；在n s 2 平台上在原有 的i e e e8 0 2 1 l 网络标准基础上实现i e e e8 0 2 1 1 e 网络标准并设置c f b 机制：在 n s 2 平台上配置有线节点、无线节点、基站属性及链路属性。 五、利用g a w k 、g n u p l o t 等工具编写脚本，分析仿真结果t r a c e 文件，测量系 统的吞吐量、接入延时、端到端延时及丢包率等性能指标，用仿真结果验证理论 分析。 本文共分为五章，分别为： 第一章，引言。介绍了选题的背景与意义，及主要的研究内容。 第二章，对i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准、q o s 的基础、其m a c 层原理及d c f 的q o s 缺陷进行了概述。 第三章，对i e e e8 0 2 1 1 ee d c a ，c f b 机制的原理进行了概述，论述了e d c a 的优点和c f b 的特点及e d c a 、c f b 的马尔可夫分析模型。 第四章，用n s 2 网络仿真平台建立复杂网络模型，并搭建i e e e8 0 2 1 l e 网络 平台及c f b 机制平台；在此平台上对两种机制及d c f 机制的网络性能进行分析比 2 引言 较；并对各个q o s 系统参数的变化对c f b 机制下网络性能的影响做了详细分析。 提出更加接近真实网络情况的大量有线节点、每个站点随机发送帧的网络拓扑并 进行了此拓扑结构下c f b 机制的网络性能分析。 第五章，总结本课题的主要工作并对下一步的工作展望。 3 北京交通人学硕士学位论文 2i e e e 8 0 2 11w l a n 概述 2 1w l a n 组成 无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl a n ) 是2 0 世纪9 0 年代计算机网络技术与移 动通信技术相结合的产物，它满足了人们对于宽带无线接入网络的迫切要求，同 时，通信网络所承载的业务也在不断地丰富。w l a n 具有高移动性、抗干扰性强， 网络保密性好、建网容易，管理方便等特点，且具有安装便捷、使用灵活、易于 扩展的优势。因此，w l a n 得到了广泛的应用。w l a n 由以下重要部分组成【1 4 j ： 1 、站s t a ( s t a t i o n ) ，也称主机( h o s 0 或终端( t e m i n a l ) ，是w l a n 的基本组成 单元，常被用作客户端( c l i e n t ) 。 2 、接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) ，类似于蜂窝结构中的基站，是w l a n 重要组成 单元。无线接入点是一种特殊站，通常位于b s a 的中心。它可以作为b s s 中的不 同站直接通信的联络中心，对其它非a p 站进行控制与管理，也可以作为w l a n 与分布式系统间的桥接点。 3 、基本服务集b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) ，是w l a n 的基本构成单元。它有两种 基本组网方式，对等式拓s b ( a dh o c 网络) 和基础结构( i n f r a s t r u c t u r e 网络) 集中式拓 扑。其中前者采取分布式结构，站点间可直接通信，后者采用集中式结构，站点 间通信需通过a p 转发。 2 1 1无线局域网标准 于1 9 9 7 年6 月推出的最初的i e e e8 0 2 1 1 1 2 】标准，该标准定义了热处理层和 媒体接入控制m a c 子层规范。规定其工作于2 4 g h z 频段，物理层采用红外、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 ，d s s s ) 或跳频扩频( f a s ts e r v i n gs t a t i o n s w i t c h i n g ，f s s s ) 技术，共享数据速率最高可达2 m b p s 。由于8 0 2 1 1 在速率和传输 距离上都不能满足人们的需，因此在1 9 9 9 年相继推出了i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 l b 两个标准。 i e e e8 0 2 1 l a 工作于5 8 g h z 频段，它采用正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术，代替8 0 2 1l b 的d s s s 。其物理层的传输速率 分别为6 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 和5 4 m b p s 。i e e e8 0 2 1 1 b 工作于2 4 g h z 频段， 4 i e e e 8 0 2 i1 w l a n 概述 采用直接序列扩频和补码键控，共享数据速率最高可达l l m b p s 。8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 i b 具有相同的m a c 技术，都采用c s m , 、, c a 协议，但是物理层有着很大不同。前者 使用的是u n i i 波段的5 g h z 而后者使用的是i s m 波段的2 4 g h z ，相应的在这 两个频段上传播的信号之间才不会相互干扰。因此，这两种技术是不兼容的。i e e e 8 0 2 1 l a 虽然可以达到较高的速率，但成本较高，而且工作在5 8 g h z 频段，与 遵循i e e e8 0 2 1 i b 标准的节点不兼容。按照无线网络技术的发展态势，用户迫切 需要在2 4 g h z 频段有更高的接入速率支持。 于是，i e e e 在2 0 0 3 年又推出了i e e e8 0 2 1 l g 。该技术可以提升无线局域网的 接入速率，尤其值得注意的是，它还可以同原有的8 0 2 1 i b 兼容。它实现了2 4 g h z 频带下的多种数据传输速率，传输速率范围为6 m b p s - 5 4 m b p s ，与8 0 2 1 l a 相当。 其调制技术支持i e e e8 0 2 1 1 b 的补偿码键控和i e e e8 0 2 1 1 a 的o f d m ，同时支 持分组二进制卷积码( p a c k e tb i n a r yc o n v o l u t i o nc o d i n g ，p b c c ) 技术。i e e e8 0 2 1lg 兼容i e e e8 0 2 1 l b 的节点，也较好地解决了与同工作在2 4 g h z 频段蓝牙( b l u e t o o t h ) 设备的干扰问题。i e e e8 0 2 1 l g 的推出大大促进了i e e e8 0 2 1 1 在产业界的发展。 与i e e e8 0 2 1 1 a b g 相对应，欧洲电信标准化协会( e u r o p et e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d i z a t i o ni n s t i t u t e ，e t s i ) 的宽带无线电接入网络小组也在制定h i p e r ( h i g h p e r f o r m a n c er a d i o ) 接入标准，即h i p e r l a n 。目前已推出h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 。 其中h i p e r l a n l 对应i e e e8 0 2 1 1 b ，而h i p e r l a n 2 与i e e e8 0 2 1 l a 具有相同的物 理层。 为了促进i e e e8 0 2 1 l a 在欧洲的推广发展，与e t s i 的h i p e r l a n 2 竞争，i e e e 又提出了i e e e8 0 2 1 1 n 标准，在i e e e ：8 0 2 1 l a 基础上增加自动频率选择( d y n a m i c f r e q u e n c ys e l e c t i o n ，d f s ) 矛f l 发送功率控带i j ( t r a n s m i s s i o np o w e rc o n t r o l ，t p c ) 功能， 使i e e e8 0 2 1 l a 符合欧洲有关管制规定的要求，便于在欧洲推广发展。 8 0 2 1 1 n 标准1 0 版在2 0 0 6 年3 月份被定为工作草案，而由于当时的认可率不 足5 0 ，所以8 0 2 1 1 n 无线标准被迫进一步推迟。到了2 0 0 7 年1 月1 4 日到1 9 日， 8 0 2 1 1 工作组在英国伦敦举行了第1 0 1 次会议为草案2 0 版本最终定稿，同时对 8 0 2 1 l n 标准时间表作进一步的规划。 8 0 2 1 1 n 结合了多种技术，其中包括空间多路复用多入多出( s p a t i a lm u l t i p l e x i n g 5 北京交通大学硕士学位论文 m i m o ) 、o f d m 和双频带( 2 4g h z 和5g h z ) ，以便形成很高的速率，同时又能 与以前的i e e e8 0 2 1l b g 设备兼容。得益于将m i m o 与o f d m 技术相结合而应用 的m 1 m o o f d m 技术，8 0 2 1 1 n 在支持2 4 g h z 频段和5 g h z 频段的基础上，使无 线传输的质量和速度得到极大提升，在物理层上可以实现百兆量级的传输速率。 值得注意的是，为了提升整个网络的吞吐量，8 0 2 1 1 n 还对8 0 2 1 1 标准的单一 m a c 层协议进行了优化，改变了数据帧结构，增加了净负载所占的比重，减少管 理检错所占的字节数以提升网络的吞吐量。 2 1 2 q o s 基础 服务质量q o s 是对通信网络承载通信业务时的业务性能的集中体现【1 5 】。对用 户而言，它表现为用户对业务质量的要求。对网络而言，它表现为网络的性能。 而对运营商而言，它表现在为用户提供的通信服务的品质。这些业务性能决定了 用户对业务的满意程度。 从严格意义上说，q o s 被定义为：能够满足同步业务的传输所需提供的带宽， 保证在维护特定的连接质量、延时、抖动参数的情况下，能够达到的所需带宽的 能力。一般来说，q o s 需求是人们对声音、音频、视频等实时业务的感性认识。 q o s 通常是一种端到端概念，网络中的任何瓶颈都会影响服务质量。q o s 参数包括 传输速率、延时、抖动、错误率，他们也是多媒体传输网络中最重要的几个参数。 一、吞吐量 吞吐量是指网络传送二进制的速率，也称比特率，或带宽，通常指比特率。 有的多媒体应用所产生数据速率是恒定的，称为恒比特率c b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ) 应用，而有的应用则是可变比特率v b r ( v a r i a b l eb i tr a t e ) 的。用来衡量比特率变化 的量称为突发度( b u r s t n e s s ) 。持续的、大数据量的传输是多媒体信息传输的一个特 点。 二、传输延时 网络的传输延时定义为信源发送出第一个比特到信宿接收到第一个比特之间 的时间差，它包括电( 或光) 信号在物理介质中的传播延时和数据在网中的处理延时 ( 如复用解复用时间、在节点中的排队和切换时一间等) 。 6 正e e 8 0 2 11 w u n 概述 另一个常用到的参数是端到端延时。它通常指一组数据在信源终端上准备好 数据发送的时刻，到信宿终端收到这组数据的时刻之间的时间差。端到端的延时， 包括在发端数据准备好而等待网络接受这组数据的时间，传送这组数据( 从第一个 比特到最后一个比特) 的时间和网络的传输延时3 个部分。在考虑到人的视觉、听 觉主观效果时，端到端的延时还往往包括数据在收、发两个终端设备中的处理时 问，例如，发、收终端的缓存器延时、音频和视频信号的压缩解码时间、打包和 拆包延时等。 三、延时抖动 网络传输延时的变化称为网络的延时抖动。度量延时抖动的方法有多种，其 中一种是用在一段时间内最长和最短的传输延时之差来表示。延时抖动将破坏多 媒体的同步，从而影响音频和视频信号的播放质量。可以考虑在接收端增加缓冲 区大小，以减小延时抖动。但这样会增加端到端的延时，因此需要两个指标综合 考虑。 四、错误率 在传输系统中产生的错误山以下几种方式度量： 误比特率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) ，指在接收端收到的错误比特数目同发送端发 出的总的比特数目之比。b e r 通常主要衡量传输介质的质量。 包错误率( p a c k e te r r o rr a t e ，p e r ) ，是指由于同一个包两次接收、包丢失或包 的次序颠倒而引起的包的错误。包丢失的原因可能是由于包头信息的错误而未被 接收，但更主要的原因往往是由于网络拥塞造成包的传输延时过长、超过了应该 到达的时限而被接收端丢弃，或网络节点来不及处理而被节点丢弃。 包丢失率( p a c k e tl o s sr a t e ，p l r ) 或信元丢失率( c e l ll o s sr a t e ，c l r ) ，它与 p e r 类似，但只关心包的丢失情况。 2 28 0 2 11 m a c 层概述 8 0 2 11 m a c 层的首要任务是控制介质访问，并且提供可靠的数据传输，公平 的信道接入及安全功能。主要包括两种信道访问机制：必须实现的基于带有冲突 避免的载波侦听多路访问( c s m a c a ) 的分布式协调功f l 皂( d c f ，d i s t r i b u t e d 7 北京交通大学硕十学位论文 c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 和可选的基于轮询的点协调功能( p c f ，p o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) ( 。 d c f 是最基本的也是最主要的控制机制，其核心是c s m c a 。它包括载波 侦听( c s ) 机制、帧间隔( i f s ) 和随机退避( r a n d o mb a c k o f f ) 规则。在每个节点使用 c s m a 机制的分布接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。它运行于竞 争期( c p ，c o n t e n t i o np e r i o d ) ，只提供异步数据服务，用于传输尽力业务。d c f 既可用在中心式网络中，也可以用于a dh o c 网络。而p c f 是在d c f 基础上的一 种可选机制，运行在非竞争期( c f p ，c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) ，既可以提供异步数 据服务，还可以提供延迟受限服务，用于传输时延敏感的实时业务。p c f 只能用 在带有基础设施的网络中。m a c 层协议的基本体系如图2 1 所示。 无竞争服务 竞争服务 点协调功能p c f i 分布式功能d c f ( c s m a c a ) 物理层 图2 1i e e e8 0 2 1 1m a c 协议基本框架 i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层使用四种不同的帧间隔时间( i n t e rf r a m es p a c e ，i f s ) 来实现信道接入。为了尽量避免碰撞，8 0 2 1 1 的m a c 层规定，所有的移动站在完 成发送后，必须要侦听一段很短的时间才能发送下一帧。这段时间统称为帧间隔 i f s ( i n t e r f r a m es p a c e ) 。帧间隔的长短取决于该站打算发送的帧的类型。高优先级 需要等待的时间较短，因此可先获得发送权，而低优先级帧就必须等待较长的时 间。其中s i f s 是最小帧间隔，用于源站点和目的站点的帧交换之间；p i f s 用于 p c f 接入方式；d i f s 用于d c f 接入；e i f s 用于差错处理： 1 ) s i f s ( s h o r ti n t e r - f r a m es p a c e ) ：s i f s 为最短帧间间隔，为控制信息定义 的，用来分割开属于一次对话的各帧。用于源站点和目的站点的帧交换之间。一 个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用s i f s 的帧类型有 a c k 帧、c t s 帧、过长的m a c 帧分片后的数据帧，以及所有应答a p 探询的帧 i e e e 8 0 2 11 w l a n 概述 和在p c f 方式中a p 发送出的任何帧。 2 ) p i f s ( p c fi n t e r - f r a m es p a c e ) ：p i f s 只能由工作在p c f 方式下的站使用， a p 利用p i f s 获得对媒体的控制权，从而宣布无竞争时期c f p ( c o n t e n t i o nf r e e p e r i o d ) 的开始。当在c f p 期间发生接收或发送错误时，a p 就会在媒体空闲时间达 到p i f s 后控制媒体。在无竞争期，a p 检测到媒体空闲时间长达p i f s 后会在c f p 突发时期发送队列中的下一c f p 帧。为了在丌始使用p c f 方式时( 在p c f 方式下 使用没有竞争) 优先接入媒介，p i f s 比s i f s 要长。 3 ) d i f s ( d c fi n t e r - f r a m es p a c e ) ：d i f s 由工作在d c f 方式下的站使用，以 发送数据帧m p d u ( m a cp r o t o c o ld a t au n i t ) 和管理帧( m m p d u ) 。在网络分配向量 n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) 和物理载波检测指示媒体空闲后，欲发送r t s 帧或 数据帧的站，侦听媒体以保证媒体空闲d i f s 时间长度后，启动一个随机访问退避 过程。d i f s 比p i f s 长。 4 ) e i f s ( e x t e n d e di n t e r - f r a m es p a c e ) ：在传输出现错误时用到。只要p h y 向 m a c 指示帧已开始发送，并且此帧会引起正确完整m a c 帧的不正确接收，那么 d c f 就使用e i f s 。 以上这些帧间隔的长度实际就决定了它们的优先级，即 e i f s d i f s p i f s = d i f s d i f s 就立即接入 p i f s d i fs i f s 竞争窗口( c w ) l | 退避时隙 | 忙媒体 ，下一帧 ， 延迟接入l 一时隙时间 退避 图2 3d c f 基本访问方式原理图 i e e e8 0 2 11 标准在m a c 层上引入了r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d ( r t s c t s ) 选项，它是一个可选项。图2 4 为r t s c t s 方案的示意图。 l j t l 。 i r t s l 。a t c i c 舭c o 一“o n w i n d o w i - - g 吲g l g g 3 c w l。 ， n a 寓解s ) fff 湍 1 d e f e r a c c e 档 7 1 b k o f r a r 盯 图2 4 r t s c t s 信道访问方式原理图 北京交通人学硕士学位论文 r t s c t s 机制是为了缓解隐藏终端和暴露终端问题、减少碰撞损失而引入的 一种四次握手机制，如图2 5 所示。“隐藏终端”( h i d d e ns t a t i o n s ) 是指，位置如图 2 5 所示的站a 、站b 和站d ，站a 正向站b 发送数据包，站d 也要向b 发送， 由于d 站在a 站发送信号的范围外，未侦测到a 也在向b 发送数据，故a 和d 同时将数据包发送至b ，引起数据包冲突，最终导致发送至b 的信号都丢失了。 这就是“隐藏终端”的问题。“隐藏终端”会引起效率损失，应当避免。 ( a ) 图2 5 隐敞终端问题和r t s c t s 机制的握手过程 这种方式可以解决隐藏终端问题。其原理如下：r t s c t s 帧包含有d u r a t i o n 域，d u r a t i o n 域用来记录源站发送包欲占用信道的总时间。源站a 在发送数据帧 之前先发送一个请求发送( r t s ) 控制帧，它包括源地址、目的地址和这次通信所需 的持续时间。所有侦听到r t s 帧的站根据d u r a t i o n 域设置它的n a v ( n e t w o r k a l l o c a t i o nv e c t o r ) 并保持沉默。n a v 是每个节点都要维护的一个向量，它指定了 节点可以试图访问信道的最早时间。如目的站b 收到站a 发送的r t s 帧，则b 就 发送一个允许发送( c t s ) 的响应控制帧，它也包括这次通信所需的持续时间。所有 侦听到c t s 帧的站，在d u r a t i o n 域时间内保持沉默，源站a 收到c t s 帧后，就 可发送其数据帧。下面分析在a 和b 两个站附近的一些站将作出的反应。站c 只 处于站a 的传输范围内，在收到a 站的r t s 帧后，保持沉默，因此不会发包从而 不会打扰到a 收到b 将要发送过来的c t s 帧。站d 只处于站b 的传输范围内， 收不到站a 发送的r t s 帧，但能收到站b 发送的c t s 帧。因此d 知道b 将要和 a 通信，所以d 在a 和b 通信的一段时间内不能发送数据，因而不会干扰b 接收 a 发来的数据。站e 能收到r t s 和c t s ，因此它在b 发送r t s 帧和a 发送数据 帧的整个过程中都不能发送数据。由此可见r t s c t s 握手方式很好的解决了隐藏 终端的问题。 1 2 i e e e 8 0 2 11 w l a n 概述 使用i 玎s c t s 机制的另一好处是，能够快速的从碰撞中恢复。由于r t s 和 c t s 都是很短的帧，因此，在发送了r t s 之后，发送方只需等待较短的时间，就 可以判定能否收到c t s ，进而判断是否需要重传。而在没有该机制时，发送方必 须至少等待传输整个数据帧以及a c k 的时间。 由于传输数据前要额外发送r t s 帧和c t s 帧，所以r t s c t s 给w l a n 带 来了很多额外开销。当发送短的数据包时将特别明显。w l a n 中的工作站具有r t s 门限 这个参数，该门限决定某个数据帧的传输是否要启动r t s c t s 协议会话。 如果从高层接收到的分组( 也称为m a c 服务数据单元