（通信与信息系统专业论文）基于无线局域网的链路自适应算法研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：丛鸱日期：塑出! 兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：缝 导师日期：砷t 山东大学硕士学位论文 摘要 随着支持多种高速传输速率的i e e e 8 0 2 1 l 协议族的制定，动态选择物理层 传输模式的链路自适应被认为是一种有效提高系统吞吐量的方法。链路自适应指 的就是根据当前信道的状态而选择最佳的物理层传输模式，以取得系统最大吞吐 量的方案。在数据的传输过程中，编码速率与调制方式的选择是由链路自适应方 案来确定的，但是i e e e 8 0 2 1 l 协议族却没有明确的规定这样的方案。 本论文重点研究了基于p e r 测量的链路自适应算法。首先在研究了 i e e e s 0 2 1 l a 系统物理层性能的基础上，给出了一种不同予固定p e r 门限值的优 化门限值方案，即对于不同的物理层传输模式使用不同的p e r 门限值对。仿真表 明，基于优化p e r 门限值方案的链路自适应算法所取得的系统吞吐量要大于固定 门限值方案。由于此处取得的系统吞吐量是基于一种简单自动重传机制下的理想 值。并不具有太多的实际意义。因此，本论文继续研究更加符合实际情况的 i e e e s 0 2 1l ad c f 机制下的系统性能。在此基础上，我们先给出了一种分析d c f 机制下的系统吞吐量性能的普遍方法，并得到了一个关于系统平均吞吐量的表达 式进而就可以得到每一个传输模式所对应的p e r 门限值。此p e r 门限值的获得 分为两种情况：一是假设在整个m s d u 传输( 包括重传) 时间内信道质量不变、 相应的传输模式也不变的条件下得到的，因此虽然此链路自适应方法简单、易于 实现，但是却不能很好的适应信道的变化特性：对于第二种情况即可以根据 信道质量的变化而为下一次传输尝试选择不同传输模式的情况，我们给出了一个 可变的p e r 门限值方案，即在每一次重传尝试时，都有一组相应的p e r 门限值作 为参考( 即每一组的p e r 值可以不同) ，来为下一次传输( 或重传) 选择最佳的 传输模式。仿真结果表明第二种情况下的可变p e r 门限值方案所取得的系统平 均吞吐量将优于第一种情况的，并且这两种情况也将好于固定p e r 门限值方案的 吞吐量。本论文的分析与仿真都是基于i e e e 8 0 2 1 l a 的，但不失一般性，其中的 理论分析与相关结论同样可以应用于其它v l a n 系统。 关键词：无线局域网( w l a n ) ：包错误率( p e r ) ；链路自适应( l i n ka d a p t a t i o n ) 上生! j 壁婴主兰堡堡苎 a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht h ei n t r o d u c t i o no ft h e h i g h s p e e dw l a np h y s i c a ll a y e r 。 l i n ka d a p t a t i o nt od y n a m i c a l l ys e l e c tt h ep h ym o d eh a s b e e nr e c o g n i z e d a sa ne f f e c t i v ew a yt o i m p r o v e t h e s y s t e mt h r o u g h p u t ，b u tt h e1 i n k a d a p t a t i o nm e c h a n i s mi sn o ts p e c i f i e di nt h es t a n d a r d s 。t h em e c h a n i s mt o s e l e c to n eo u to fm u l t i p l ea v a i f a b l et r a n s m i s s i o nr a t e sa tag i v e nt i m e i sr e f e r r e dt oa sl i n ka d a p t a t i o na n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e i m p l e m e n t e d l i n ka d a p t a t i o ns c h e m ec a na f f e c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y 。 i nt h es c h e m e ，t h em a i ni s s u e sa r et h ec h o i c eo ft h ep a r a m e t e rt ob eu s e d f o rt h e1i n ke s t i m a t i o n ( e g p a c k e te r r o rr a t e ，s i g n a lt on o i s er a t i o ， r e c e i r e ds i g n a ls t r e n g t h ，c a r r i e rt oi n t e r f e r e n c er a t i o e t c ) 。a n dh o w t os e l e c tt h e a p p r o p r i a t e r a t ef r o mm e a s u r e m e n t so ft h es e l e c t e d p a r a m e t e r 。 i nt h i sp a p e r ，w i t hs t u d y i n gt h el i n ka d a p t a t i o na l g o r i t h mb a s e do f f p e ra n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c eo fi e e e8 0 2 1l ap h y 。a l lo p t i m u mt h r e s h o l d s c h e m ei s p r e s e n t e d i n s t e a do fa ne x i s t i n gf i x e dt h r e s h o l ds c h e m e 。 s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eo p t i m u mt h r e s h o l ds c h e m ei sb e t t e r t h a no t h e ra l g o r i t h m si nt e r mo ft h r o u g h p u t 。t h e n ，w ep r e s e n tag e n e r i c m e t h o dt oa n a l y z et h et h r o u g h p u tp e r f o r m a n c eo fa n8 0 2 1l ad c fs y s t e ma n d d e r i v eac l o s e d f o r me x p r e s s i o no ft h ee x p e c t e dt h r o u g h p u t 。i no r d e rt o a c h i e v et h eb e s ts y s t e mt h r o u g h p u tu n d e rac e r t a i nc h a n n e lc o n d i t i o n ， w ea p p l yt h ep e rt h r e s h o l ds c h e m ei n t ot h es y s t e mo fi e e e 8 0 2 1 l ad c f 。 t h e r ea r et w oi n s t a n c e si ng e t t i n gt h ep e rt h r e s h o l d ，o n ei so p t i m u mp e r t h r e s h o l ds c h e m e ，t h eo t h e ri st h ec h a n g e dp e rt h r e s h o l ds c h e m e 。t h ef i r s t s c h e m ei ss i m p l ea n de a s yt od e p l o y ，b u ti ta s s u m et h ec h a n n e lc o n d i t i o n i sc o n s t a n to v e rt h e 惦d ud e l i v e r yp e r i o di n c l u d e sa l lt h er e t r a n s m i s s i o n s a n dt h ep h ym o d ec a n n o tb ec h a n g e df o ra l lt h er e t r a n s m i s s i o n s ，s ot h i s s c h e m ec a n n o ta d a p tq u i c k l yt ot h ef a s t c h a n g i n gw i r e l e sc h a n n e l 。b a s e 4 山东大学硕士学位论文 o nr e c o g n i z i n gt h el i m i t a t i o n so ft h eo p t i m u mp e rt h r e s h o l ds c h e m e ，t h e n w ep r o p o s eac h a n g e dp e rt h r e s h o l ds c h e m e 。t h i ss c h e m ep r o v i d eas e to f c h a n g e dp e rt h r e s h o l df o re a c ht r a n s m i s s i o no rr e t r a n s m i s s i o n ，s ot h e w i r e l e s ss t a t i o nc a na d a p tt h ep h ym o d ef o rt h en e x tt r a n s m i s s i o na t t e m p t i ft h e r ei sa n yv a r i a t i o no ft h ew i r e l e s sc h a n n e lc o n d i t i o n 。s i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e c o n ds c h e m eo u t p e r f o r m st h ef i r s to n ei nt e r m s o ft h ea v e r a g es y s t e mt h r o u g h p u t ，a n do b v i o u s l yt h e yc a na c h i e v et h eb e t t e r t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c et h a nt h ef i x e dp e rt h r e s h o l ds c h e m e 。i ts h a l lb e n o t e dt h a tt h ea l g o r i t h m sc a nb ee x t e n d e di n t oo t h e rw l a ns y s t e ma l t h o u g h t h e ya r es t u d i e di n i e e e 8 0 2 1l as y s t e m a k e yw o r d s ：w l a n ( w i r e l e s sl a n ) ，p e r ( p a c k e te r r o rr a t e ) ，l a ( l i n k a d a p t a t i o n ) 坐查查堂婴主兰些鎏壅 a c kf r a m e a g c a p a r q a w g n b e r b s s c c k c i r c r c 缩略语 a c k n o w l e d g m e n tf r a m e a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l a c c e s sp o i n t a u t o m a tic r e p e a tr e q u e s t a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b a s i cs e r v i c es e t c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g c a r r i e rt oi n t e r f e r e n c er a t i o c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k 应答帧 自动增益控制 接入点 自动重复请求 加性高斯白噪声 比特错误概率 基本业务集 互补编码键控 载干比 循环冗余校验 c s m a c ac 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 d b p s k d c f d f i r d i f s d q p s k d s d s s s e s s f f t f h s s i b s s i c i i e e e 6 带冲突避免的载波侦听多址接入 d i f f e r e n t i a lb i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g 差分二相相移键控 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分布式协调功能 d if f u s e d i n f r a r e d扩散红外线 d c fi n t e rf r a m es p a c i n gd c f 帧内间隔 d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 差分正交相移键控 d i s t r i b u t e ds y s t e m分布式系统 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直接序列扩频 e x t e n d e ds e r v i c es e t扩展业务集 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ， 快速傅立叶变换 f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m 跳频序列扩频 i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t 独立基本服务区 i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e信道问干扰 i n s t it u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s 竺奎查堂堡主兰垒兰苎 i s i i s m l a l l c m a c m p d u m s d u o f d m p a m p b c c p c f p e r p h y p l c p p m d p p d u p s d u p s k q a m q p s k r s s r t s c t s s i f s s n r u n i i 电气和电子工程师协会 i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e 符号间干扰 i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，m e d i c a l 工业、科学与医疗 l i n k a d a p t a t i o n链路自适应 l o g i cl i n kc o n t r o l 逻辑链路控制子层 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l 媒质接入控制 m a cp r o t o c o ld a t au n i t m a c 层协议数据单元 m a cs e r v i c ed a t au n i t m a c 层服务数据单元 o r t h o g o n a 1f 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 p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n p a c k e tb i n a r yc o n v o l u t i o n a lc o d i n g p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n p a c k e te r r o rr a t e p h y s i c a ll a y e r p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o t o c o l p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t p l c pp r o t o c 0 1d a t au n i t p h ys e r v i c ed a t au n it p h a s es h i f tk e y i n g q u a d r a t u r ea m p l it u d em o d u l a t i o n q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g r e c e i v es i g n a ls t r e n g t h r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d s h o r ti n t e rf r a m es p a c in g s i g n a l t oi n t e r f e r e n c er a t i o u n l i c e n s e dn a t i o ni n f o r m a t i o n w l a nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 正交频分多路复用 脉冲幅度调制 包二进制卷积编码 点协调功能 包错误概率 物理层 物理层会聚协议 物理介质相关( 予层) p l c p 协议数据单元 物理层服务数据单元 相移键控 正交幅度调制 四相相移键控 接收信号强度 请求发送清除发送 短帧内间隔 信噪比 i n f r a s t r u c t u r e 免许可证国家信息基础结构 无线局域网 7 第一章引言 无线网络的起源可以追溯到第二次世界大战，当时美军陆军使用无线信号来 传送资料，而这种无线信号的传递是通过可靠性非常高的加密技术而实现的。 1 9 7 1 年，夏威夷大学开发了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络a l o h n e t ， 这就是最早的无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 。经过二十多 年的发展，现代的w l a n 已经相当普及。目前w l a n 的技术标准主要有i e e e 8 0 2 1 l 家族、h o m e r f 和b l u e t o o t h ( 蓝牙) 三种。 无线局域网的概念是相对于传统意义上的有线局域网( l a n ) 而言的。有线局 域网就是我们目前常见的采用电缆、光纤和双绞线作为数据传输介质的网络。有 线局域网无法实现移动的网络通信，在某些情况下还存在着布线烦琐、线路容易 损坏、地形要求高、安装复杂等缺点。无线局域网是利用电磁波在空气中发送和 接收数据，而无需线缆介质就可实现计算机之间互联的网络。它是在有线局域网 基础上发展起来的，不仅是有线局域网的补充，且其运用范围广泛，不但能够替 代传统的物理布线，而且在传统布线无法解决的环境或行业都能够方便地组建 无线网络。 无线局域网的优点。与有线网络相比，无线局域网具有以下优点：安装便捷。 一般在网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响最大的，就是网络布线旖工 工程。在施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线架管。而无线局域网最大的优势 就是免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点 a p ( 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。而一旦无线局域 网建成后，在无线网络信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络；经济节约。 由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发展的需要， 这就往往导致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，又要花费较多费用进行网络改造，而无线局域网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，能够根据需要灵活选择。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，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。由于无线局域网具 山东大学硕士学位论文 有多方面的优点，所以发展十分迅速。在最近几年里，无线局域网已经在医院、 商店、工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广泛应用。 无线局域网的应用。基于无线局域网具有的诸多优点，它可广泛应用于下列 领域：( 1 ) 接入网络信息系统：电子邮件、文件传输和终端仿真：( 2 ) 难以布线 的环境：老建筑、布线困难或昂贵的露天区域、城市建筑群、校园和工厂；( 3 ) 频繁变化的环境：频繁更换工作地点和改变位置的零售商、生产商，以及野外勘 测、试验、军事、公安和银行等；( 4 ) 用于远距离信息的传输：如在林区进行火 灾、病虫害等信息的传输，公共交通管理部门进行交通管理等：( 5 ) 专门工程或 高峰时间所需的暂时局域网：学校、商业展览、建设地点等人员流动较强的地方； ( 6 ) 利用无线局域网进行信息的交流：零售商、空运和航运公司高峰时间所需 的额外工作站等；( 7 ) 流动工作者可得到信息的区域：需要在医院、零售商店或 办公室区域流动时得到信息的医生、护士、零售商、白领工作者，办公室和家庭 办公室( s o h o ) 用户，以及需要方便快捷地安装小型网络的用户。 i e e e 8 0 2 1 l 协议族标准的制定，为无线局域网的发展提供了更加广阔的空 间。自从1 9 9 7 年以来，i e e e 相继推出了8 0 2 1 l 1 、8 0 2 1 l b 2 、8 0 2 1 l a 3 、 8 0 2 i l g 4 等多种标准。i e e e 8 0 2 1 1 协议标准规定了无线局域网的m a c 层和p h y 层，其中的m a c 层标准是其它标准的基础，其后推出的协议在m a c 层上的定义与 8 0 2 1 i 协议相同。8 0 2 1l 规定的p h y 层支持1 m b p s 和2 m b p s 的数据速率，能支 持直接序列扩频( 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 ) 、跳频序列扩频 ( f h s s ：f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 和扩散红外线( d f i r ：d i f f u s e d i n f r a r e d ) 等物理层：i e e e 8 0 2 1 l b 的物理层采用的调制方式是补码键控( c c k ： c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ) ，它可以支持最高1 1 m b p s 的数据速率，运行在 2 4 6 h z 的i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，m e d i c a l ) 频段上，并可以很好的与支 持1 m b p s 和2 m b p s 的d s s s 无缝兼容；i e e e 8 0 2 1 l a 协议标准运行在5 g h z 的 u n i i ( u n li c e n s e dn a t i o ni n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 频段上，支持的速率为 6 5 4 m b p s ，采用的调制技术是支持高速速率的正交频分复用( o f d m ) 技术； i e e e 8 0 2 1 l g 协议标准融和了i e e e 8 0 2 1 i b 与i e e e 8 0 2 “a 的标准，运行在 2 4 g h z 的i s m 频段上，有效的向下兼容i e e e 8 0 2 1 l b 的产品，支持的数据速率 为6 5 4 m b p s 。i e e e s 0 2 1 l n 协议支持的数据速率为1 0 8 m b p s 以上，最高速率可 9 坐查查兰堡主兰堡堡苎 达3 2 0 m b p s 。工作的频段为双频模式，即2 4 g h z 和5 g i q z 两个工作频段，这样 将可以保障与以往的8 0 2 1 l a 、b 、g 标准兼容。 从i e e e 对无线局域网标准的制定中我们可以看出，为了满足宽带多媒体通 信的需要，每种协议标准都支持多种高速的数据速率。而众所周知，无线信道存 在着复杂的电磁干扰、小尺度衰落( 如多普勒扩展和多径引起的快衰落) 和大尺 度衰落( 如阴影效应) ，信道质量状况时刻会发生变化，如果采用某一固定的物 理层模式，将导致网络吞吐量的损失。因此，有必要采用一种链路自适应( l a ， l i n ka d a p t a t i o n ) 的策略，在最大吞吐量准则下根据对链路质量( 如接收信 号强度、接收端的s n r 或信干比c i r 、接收信号的包错误率等) 的估计，自适应 地调整物理层传输模式，以逼近实时优化。 按照最优化的取得系统某种性能的原则，链路自适应算法可以分为两种 5 ： 一种是面向延迟的算法，即为了避免频繁的重传而使包错误概率保持在一个给定 的门限值以下；另一种为面向系统吞吐量的算法，要求在一定时间内正确传输的 数据最大，即系统的吞吐量最大而不考虑重传次数的多少。本文的大多数理论 分析与结论都是基于面向吞吐量的算法。 本论文主要部分的结构如下：首先，使用符合i e e e 8 0 2 il a 标准的收发模块 来得到其系统物理层的一些性能，此模块是由m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 工具箱 开发的。通过对数值仿真结果的进一步分析，我们可以看到在一定信道质量下， 各种物理层传输模式所产生的b e r 、p e r 不尽相同，进而将影响系统吞吐量的大 小。因此，为了获得系统最大的吞吐量性能，有必要采用相应的链路自适应算法。 接着，在对大量链路自适应算法分析研究的基础上本论文采用了基于p e r 测量 的算法作为选择物理层模式的依据，并给出了一种不同于固定p e r 门限值的优化 门限值方案( 即每种物理层传输模式采用不同的p e r 门限值作为判决条件) 。仿 真结果表明，优化门限值的链路自适应方案在大部分情况下取得的系统吞吐量性 能都将大于固定门限值，并且得到的吞吐量也将是理论上的最大值a 但是，由于 前面分析得到的系统吞吐量是一种理想情况下的近似，在实际情况中无法得到， 所以它并不是验证链路自适应算法优劣的最好标准。因此，论文又给出了种分 析i e e e 8 0 2 1 l ad c f 机制下的系统吞吐量的普遍方法( 即研究在考虑了m a c 层协 议、m a c 层和p h y 层的开销、重传次数等等的影响之后，系统所能达到的平均吞 j d 山东大学硕士学位论文 吐量) ，此方法的分析过程分为两种情况：一种是简单的假设信道质量在整个m s d u ( m a cs e r v i c ed a t au n i t ，m a c 层服务数据单元) 传输( 包括重传) 时间段内 不变，并且在此期间物理层传输模式也不需要改变的情况：一种是更加符合实际 的、依据信道质量的变化而为每一次重传选择最佳物理层传输模式的情况。接下 来，本论文将提出的优化p e r 门限值方案应用于第一种情况，并根据第二种情况 的特点给出了一个可变的p e r 门限值方案。最后，对这几种链路自适应方案的数 值仿真表明，优化p e r 门限值的链路白适应算法取得了比固定门限值大的系统平 均吞吐量，而且可变的p e r 门限值方案所取得的系统性能，由于其具有更加符合 实际信道变化的特点，将优于在第一种情况下使用的优化p e r 门限值方案。 第二章le e e 8 0 2 11 无线局域网 1 9 9 7 年完成并公布的i e e e 8 0 2 1 1 标准是最早的无线局域网标准，是无线网 络技术发展的一个里程碑，也是迄今为止准一已经赢得了市场的一个标准。无线 局域网以其可移动性、使用灵活、维护方便、易于扩展和良好的性价比，近年来 取得了巨大的发展。基于8 0 2 1 l 标准的产品业已占据了巨大的市场份额。 第一节无线局域网的组网 i e e e 8 0 2 1 1 定义了两种无线组网结构 6 7 ：基础结构网络( 有接入点 a p ( a c c e s sp o i n t ) 网络) 和无中心网络( a dh o c 网络) 。组成无线局域网的设备 主要包括：无线网卡、无线访问接入点、无线集线器( h u b ) 和无线网桥。几乎 所有的无线网络产品中都自带无线发射接收功能，且通常是一机多用。这些无 线网络产品的多种使用方法可以组合出适合各种情况的无线联网设计，可以方便 地解决许多以线缆方式难以联网的用户需求。 2 1 _ 1 基础结构网络 在基础结构网络中，无线终端通过无线接入点a p 与有线骨干网相连( 如图 2 1 ) 。无线接入点a p ，用于在无线终端和有线网络之间接收、缓存和转发数据。 无线a p 通常能够覆盖几十至几百用户，覆盖半径达上百米。 1 2 图2 1 基础结构网络 山东大学硕士学位论文 每个基础结构网络中接入点a p 所控制的所有的s t a ( y 鳓) 称为b s s ( b a s i c s e r v i c es e t 基本业务集) ，一组b s s 经由d s ( 分布式系统) 连接，从而创建了 e s s ( 扩展业务集) ( 如图2 2 ) ，这里的d s 是指固定( 或有线) 的基础结构。 i e e e 8 0 2 1l 无线局域网的基本体系结构主要由a p 、b s s 、d s 等组成。 b ss 2 1 2a dh o c 网络 圈2 2e s s 网络结构 s s a dh o c 网络又称为无中心网络( 无a p 网络) 或对等网络，它覆盖的服务区称 为独立基本服务区i b s s ( i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t ) a 对等网络用于一台 无线工作站( s t a ，s t a t i o n ) 和另一台或多台其他无线工作站的直接通讯( 如图 2 3 ) 。 图2 3 a dh o c 网络 竖堑幽兰 8 d h o c 网络组网灵活，任何时间，只要两个或更多的无线接口互相都在彼 此的范围之内，它们就可以建立一个独立的网络。这些根据要求建立起来的典型 网络在管理和预先调协方面没有任何要求。 a d h o c 网络中的一个节点必须能同时”看”到网络中的其他节点，否则就认 为网络中断，因此对等网络只能用于少数用户的组网环境，比如4 至8 个用户， 并且他们离得足够近。 第二节i e e e s 0 2 i i 协议 2 2 1i e e e 8 0 2 1 i 协议实体 1 9 9 7 年完成的i e e e 8 0 2 1 1 是最早的无线局域网标准，也是迄今为止唯一已 经赢得市场的一个标准。它定义了w l a n 的物理( p t t y ) 层和媒质接入控制( m a c ： 】l l e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层。图2 4 给出的是完整的i e e e 8 0 2 儿标准的协议实 体。其中的m a c 层分为m a c 子层和m a c 管理予层，m a c 子层主要负责访问机制的 实现和分组的拆分和重组。m a c 管理子层主要负责e s s 漫游管理、电源管理，还 有登记过程中的关联、去关联以及要求关联等等过程的管理。8 0 2 1 l 的物理层 分成三个子层：物理层会聚协议予层( p l c p ) 、物理介质相关协议子层( p m d ) 和 物理层管理子层。p l c p 子层主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成 相应格式的分组；p m d 子层用于识别相关介质传输的信号所使用的调制和编码技 术；物理层管理予层为不同的物理层进行信道选择和调协。 l l c 数据链路层 m a cm a c 管理子层 p l c p 物理层p h y 管理子层 p m d 图2 4 完整的i e e e 8 0 2 1 1 协议实体 2 2 2 i e e e s 0 2 1 1m a c 子层 i e e e 8 0 2 1 lm a c 层标准是其他8 0 2 1 1 协议的基础，其后发展的标准具有与 8 0 2 1 l 眦c 层相同的规定，只是在物理层上所采用的传输方式不同。m a c 层的所 有任务都是在m a c 子层和m a c 管理子层之间进行分配。m a c 予层的主要任务是定 义访问机制和m a c 帧格式。 i e e e 8 0 2 1 1 规定了三种信道访问机制：c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 、r t s c t s ( r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d ) 、 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 ) ，这三种机制都能支持竞争和无竞争的访问。 由于p c f 访问机制的实现需要更为复杂的m a c 层，几乎所有的制造商都没有在它 们的产品中实现这种功能，因此本论文就不再讨论了。 一、c s m a c a 机制 采用c s m a c a 协议进行访问时，只要m a c 层有分组需要发送时，就会利用物 理和虚拟载波侦听机制监听信道是否空闲。如果信道空闲，那么终端将等待d i f s ( d i s t r i b u t e di n t e r f r a m es p a c ed c f 帧内间隔) 后开始发送数据；而当信道 忙时，m a c 层将利用随机退让时间控制机制，即产生一个随机数作为退让时间进 行等待。在分组发送和相关的d i f s 期间，信道的争用停止，但对信道的侦听仍 在继续着。一旦信道可以使用，所有需要发送数据的终端在消耗完它们的退让时 间后都试图进行数据发送，这就开始了一个竞争窗口。竞争的结果是第一个用完 退让等待时间的终端先开始发送。其它终端侦听到新的传输后，让它们的时钟都 停止运行，等到本次的传输完成后在新的竞争周期里再重新启动。下图为c s m a c a 的基本工作原理。 图2 5i e e e 8 0 2 1 1 中采用的c s i a c a 基本工作原理 些查查兰堕主堂些堡塞 二、r t s c t s 机制 无线网络中一个特有的m a c 层问题就是“隐藏节点”问题，即位于i 司一个接 入点的相反方向的两个移动站都能够监测到来自接入点的活动，但是由于距离或 障碍物的原因，它们不能监测彼此间的活动。为了解决这个问题，8 0 2 1 1 在m a c 层规定了一种r t s c t s 的信道访问机制。准备发送的终端先发送一个2 0 个字节 长度的r t s ( 请求发送) 帧，r t s 帧的内容包括源地址、目的地址和摹发送的数 据段的长度。目的终端在收到r t s 帧后经过一，f s i f s ( s h o r ti n t e r f r 8 m 。s p a c i n g 短帧内间隔) 周期后发送一个c t s ( 清除发送) 帧作为响应。源终端收到目的终 端的响应帧后再等待一个s i f s 周期就开始发送数据。目的终端收到数据后经过 一个s i f s 周期后再发送一个a c k 帧进行确认。网络中其它的终端发现r t s c t s 的地址与它们无关时，就会在它们r t s c t s 识别的通信周期内继续保持对信道的 侦听，所以源终端的分组的发送过程是没有竞争的。下图所示的为r t s c t s 机制 的且体宴现过程。 d i d i f s s 6 m s 图2 6i e e e s 0 2 1 1 中采用的耵s c l s 基本工作原理 a p 山东大学硕士学位论文 2 2 3 i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 帧结构 下图为i e e e 8 0 2 1 lm a c 帧的一般格式。它以帧控制字段( f r a m ec o n t r 0 1 ) 开始，该字段载有该帧的一些特征信息。d u r a t i o n i d 字段是表示下一个要发送 的帧可能要持续的时间的相关信息。i e e e 8 0 2 1 1 m a c 帧格式中有四个地址字段， 分别表示源地址、目标地址和标示所连接的a p 。序列控制( s e q u e n c ec o n t r 0 1 ) 字段是为了控制帧的序列而给帧进行编号时使用的。i e e e 8 0 2 i i m a c 帧的长度范 围是0 2 3 1 2 个字节，并采用了四个字节的c r c 来保护m a c 层的信息。 图2 7 一般的i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 帧结构 2 2 4m a c 管理子层 m a c 管理子层的功能主要是定义e s s 中实现漫游的支持方式、电源管理和安 全，并负责在站和a p 之间进行通信的初始化等。一般的m a c 管理帧格式如下图 所示。 图2 8 一般的i e e e 8 0 2 1 l 的m a c 管理帧结构 2 2 5 i e e e 8 0 2 1 1 物理层 i e e e 8 0 2 11 的物理层支持i m b p s 和2 m b p s 的数据速率，能支持直接序列扩 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 ) 、跳频序列扩频( f h s s ：f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 和扩散红外线( d f i r ：d i f f u s e di n f r a r e d ) 等物理 层。对于直接序列扩频物理层来说，当支持的数据速率为1 m b p s 时，采用差分二 相相移键控( d b p s k ，d i f f e r e n t i a lb i n a r yp h a s e s h i f tk e y i n g ) ；如提供2 m b p s 的数据速率，要采用差分正交相移键控( d q p s k ，d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s e s h i f tk e y i n g ) 。物理层中的p l c p 子层将从m a c 层传来的协议数据单元( m p d u ) ， 7 坐堡拦堡主兰垡堡兰 一一 加上起始符号( p r e a m b l e ) 、头( h e a d e r ) 即打包变成p l c p 协议数据单元( p p d u ) ( 如图9 所示) ，再经p m d 予层传出去。 图2 9i e e e 8 0 2 1 1 的p l c p 帧格式 第三节i e e e 8 0 2 1 l b 协议标准 m a c 帧 1 9 9 9 年9 月正式通过的i e e e 8 0 2 1 1 b 标准是i e e e 8 0 2 1 l 协议标准的扩展。 它运行在2 4 g h z 的i s m ( i n d u