（计算机系统结构专业论文）ieee80211pcf竞争阶段的性能优化研究.pdf

摘要 近年来，随着无线局域网( 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 ) 的高速发展， i e e e 8 0 2 1 1 标准不断普及。i e e e8 0 2 1 1 定义了两种信道访问机制：分布协调机 制( d i s w i b u t c dc o o r d i n a t e df u n c t i o n 。d c f ) 和点协调机制( p o i n tc o o r d i n a t e d f u n c t i o n ，p c f ) 。其中d c f 在所有站点都必须实现。p c f 作为可选项，只能在有 中心协调点的架构式网络中使用。p c f 将信道时间分为无竞争阶段和竞争阶段。 a p 在无竞争阶段通过轮询( p o l l i n g ) 为实时业务传输提供一定的q o s 保证；在竞 争阶段，站点利用d c f 竞争信道。 与d c f 相比，目前对p c f 的研究比较少。而且这些研究集中在对无竞争阶 段轮询算法的改进，提高p c f 对实时业务的支持能力，忽略了竞争阶段。由于 目前网络中大部分业务是非实时数据，而且d c f 的吞吐率会随站点数增加而降 低，有必要进行竞争阶段的性能优化研究。 本文研究如何优化p c f 竞争阶段。目前很多d c f 的性能优化方案可以用于 p c f 的竞争阶段，但是由于p c f 中站点在被轮询时可以和a p 进行交互，可以为 竞争阶段的性能优化提供更精确的信道状况信息。本文提出一个p c f 的改进方 案v p c f 。v p c f 中站点通过被轮询时和a p 的信息交互预先发现冲突，并使用 一种称为虚拟冲突的机制避免冲突。v p c f 在竞争阶段没有对d c f 做修改，因 此可以与其他的d c f 性能优化方案共同使用。本文接着提出一种将虚拟冲突机 制和动态调整竞争窗口相结合的改进方案d v p c f 。n s 2 的仿真结果表明，v p c f 和d v p c f 在不影响c f p 阶段数据发送的前提下，能够减少冲突，明显提升竞争 阶段的吞吐率。d v p c f 的性能优于动态调整竞争窗口的d p c f 方案。 关键词：无线局域网、i e e e8 0 2 1 1 、分布协调机制，点协调机制、竞争阶段、 吞吐率 a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) 陋e 8 0 2 1 1s t a n d a r di s w i d e l ya c c e d t e d i e e e8 0 2 1 l d e f i n e st w oc h a n n e la c c e s s m e c h a n i s m s ：d i s t r i b u t e dc 0 0 r d i n a t e df u n c t i o n c f ) a n dp o i n tc o o r d i n a t e d f u n c t i o n ( p c d d c fi st h em a n d a t o r ym e c h a n i s m ，s h o u l db ei m p l e m e n t e di na l lt h e s t a t i o n s p c fi sa i lo p t i o n a lm e c h a n i s m w h i c ho n l yu s ei nt h ei n f r a s t r u c t u r a ln e t w o r k 也a th a sac e n t r a lc o o r d i n a t o r p c fd i v i d e st h ec h a n n e la c c e s st i m ei n t oc o n t e n t i o n f r e ep e r i o d ( c f p ) a n dc o n t e n t i o np e r i o d ( c p ) i nc 飓a c c e s sp o i n t ( a p ) p o l l i n g s t a t i o n s p r o v i d i n gc o n t e n t i o nf r e es e r v i c ef o rr e a l t i m et r a f f i c ；i nc p s t a t i o n sc o n t e n d f o rt r a n s m i s s i o nu s i n gd c e t h e r ea l el e s sr e s e a r c hw o r k so np c ft h a nd ( 寥码er e s e a r c hw o r k so np c f c o n c e n t r a t eo np o l l i n ga l g o r i t h mo f c f p a i m i n gt oi m p r o v et h ec a p a b i l i t yo f r e a l t i m e t r a 伍c t h e r ei s l i t t l er e s e a r c ho nc o n t e n t i o np e r i o d ，t h o u g ham a j o r i t yo ft r a m ci n n e t w o r ki sn o nr e a l - t i m et r a 伍c f o rt h r o u g h p u td e g r a d ew h i l es t a t i o n si n c r e a s i n g r e s e a r c ho ni m p r o v i n gt h r o u g h p u to f c pi sn e c e s s a r y t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e do nh o wt oi m p r o v et h r o u g h p u ti nc o n t e n t i o np e r i o d m a n ye n h f n c c n l e l l t so nd c fc a nb eu s e dt oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo f c p b u ti nc f p , s t a t i o n sw h i c hb e i n gp o l l e dc a nn e g o t i a t ew i t ha p , w h i c hp r o v i d e sp r e c i s ei n f o r m a t i o n a b o u tt h ec h a n n e lf o ri m p r o v i n gt h r o u 曲p mi nc pt 1 1 i st h e s i sp r o p o s e sa ne n h a n c e d p c fn a m e dv p c f i nv p c f s t a t i o n sf o r e s e ec o l l i s i o n sb yn e g o t i a t i n gi n f o r m a t i o n w i t ha pw h i l eb e i n gp o l l e d t h es t a t i o n st h a tf o r e s e ec o l l i s i o n su s eam e c h a n i s m n a m e dv i r t u a lc o l l i s i o nm e c h a n i s mt oa v o i dc o l l i s i o i l s v i r m a lc o l l i s i o nm e c h a n i s m d o e sn o tm o d i f yd c fi nc p s ov i r t u a lc o l l i s i o nm e c h a n i s mc a na p p l yw i t ho t h e r e n h a n c e m e n t so fd c ft o g e t h e r t h i st h e s i sp r o p o s e sa n o t h e re n h a n c e m e n to fp c f c o m b i n i n gv i r t u a lc o l l i s i o nm e c h a n i s ma n dd y n a m i ca d j u s t i n gc o n t e n t i o nw i n d o w , n a m e dd v p c ft h ep e r f o r m a n c eo fv p c fa n dd v p c fw e r ei n v e s t i g a t e db yn s 一2 s i m u l a t i o n s r e s u i t ss h o w e dt h a t , i nc p , v p c fo u t p e r f o r m sp c fi nt e r m so fc h a n n e l t h r o u g h p u ta n dc o l l i s i o nf r e q u e n c yw h i l ed o e sn o ti m p a c tt h et r a n s m i s s i o n si nc f p t h ep e r f o r m a n c eo fd v p c fi sb e t t e rt h a nd p c f w h i c hi sa ne n h a n c e m e n to fp c f t h a tu s i n gd y n a m i ca d j i l s t i n gc o n t e n t i o nw i n d o wi nc p k e y w o r d s ：w i r e l e s sl o c a l a r e an e 押诎( w l a r o ，m e e8 0 2 1 1 ，d i s m b u t e d c o o r d i n a t e d f u n c t i o n ( d c f ) ，p o i n t c o o r d i n a t e df u n c t i o n ( p c f ) ，c o n t e n t i o np e r i o d ( c p ) ， t h r o u g h p u t 图表目录 图2 1m e e8 0 2l a n 系列标准示意图3 图2 2 自组织的w l a n 5 图2 - 3 架构式w l a n 5 图2 4 扩展服务区6 图2 - 5i e e e8 0 2 1 1 的逻辑结构6 图2 - 6m a c 层发送和接收数据流程8 图2 7c s m a c a 示意图8 图2 8 基本发送方式的示意图9 图2 - 9b e b 示意图l o 图2 1 0 隐藏站点问题1 0 图2 1 1r t s c t s 机制示意图“l l 图2 1 2p c f 和d c f 关系示意图1 2 图2 1 3 超帧示意图1 2 图2 1 4i e e e8 0 2 1 1m a c 层通用的帧结构1 3 图2 1 5 帧控制域1 4 图3 1d c f 的二维马尔科夫链模型1 8 图3 - 2w l a n 的拓扑结构2 2 图3 - 3 不同负载长度下，站点数和吞吐率的关系2 3 图3 4 平均冲突次数与站点数的关系2 4 图3 - 5 不同帧负载长度下，站点数和丢包率的关系2 4 图3 - 6 最大重传次数和吞吐率的关系2 5 图3 _ 7 最大重传次数和丢包率的关系2 5 图3 8 冲突次数和站点数的关系2 6 图3 - 9 初始竞争窗口和吞吐率的关系2 6 图3 一l o 竞争窗口初值和冲突次数的关系2 7 图3 - l l 初始竞争窗口和丢包率的关系2 8 图4 1p c f 仿真场景3 2 图4 - 2p c f 中非实时数据吞吐率和站点数的关系3 3 图4 3p c f 的c p 阶段和d c f 信道效率的比较3 3 图5 - 1 修改后的数据帧的示意图4 1 图5 - 2 修改后的c f - e n d 帧4 1 图5 3c f p 阶段的吞吐率的比较( 1 曲：t l f r a m e = 6 0 ) 4 5 图5 _ 4 c f p 阶段的吞吐率的比较( i c e p ：t i 。= 8 0 ) 4 5 图5 - 5c p 阶段的吞吐率的比较c r c f p ：t i 。h 。= 6 0 ) 4 6 图5 6c p 阶段的吞吐率的比较( t c f p ：t i f m r a c = 8 0 9 6 ) 4 7 图5 - 7c p 阶段冲突次数的比较( 1 b p ：l 。h 。= 8 0 ) 一4 8 图5 - 8c p 阶段冲突次数的比较( t c f p ：l 。f r a m e = 8 0 ) 4 9 图5 - 9c p 阶段发送延时的比较( t c f p ：l 。向。= 6 0 ) 4 9 图5 1 0 c p 阶段发送延时的比较( t c f p ：t , 。= 8 0 5 ) 5 0 图5 1 1p c f 和v p c f 的c p 阶段公平性指数5 1 图6 1d v p c f 和p c f 的c f p 阶段吞吐率比较5 6 v 图6 - 2d v p c f 与其他方案c p 阶段吞吐率的比较5 7 图6 - 3 各种p c f 的改进方案获得的吞吐率提升5 8 图6 4d v p c f 相对d p c f 的吞吐率提升 图6 5 各种p c f 的改进方案的冲突频率5 9 图6 - 6 各种p c f 的改进方案的发送延时6 0 图6 7d v p c f 的公平性指数6 0 表3 - ii e e e8 0 2 1 l bd c f 的仿真参数2 2 表4 一lp c f 的仿真参数3 2 表5 - 1c f p 持续期为超帧长度6 0 9 6 的1 1 s 一2 仿真数据4 3 表5 2c f p 持续期为超i 喷长度8 0 的r i s 一2 仿真数据4 4 表6 1d v p c f 和d p c f 的仿真数据5 6 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：史迄垒 哆年垆月z 矿日 第一章绪论 网络技术的不断进步使得人们获取信息越来越容易，无线网络技术的发展为 随时随地的保持在线提供了有力的支持。最近几年，无线接入技术获得了长足的 进步，以i e e e8 0 2 1 1 1 、g s m 、g p r s 、c d m a 、b l u e t o o t h 等协议为代表的无线 接入技术相继出现并得到了长足的发展。在这些方案中，以i e e e8 0 2 1 1 协议在 无线的i p 网络中接入方面最为成功。i e e e8 0 2 1 1 定义了无线局域网( w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 物理层( p h y ) 和介质访问控制子层( m a c ) 。在m a c 层， i e e e 8 0 2 1 1 提供了两种信道接入访问机制：分布协调机制( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t e df u n c t i o n ，d c f ) 和点协调机制( p o i n tc o o r d i n a t e df u n c t i o n ， p c f ) 。 d c f 是i e e e8 0 2 1 1 的基本的接入方式，是基于c s m a c a ( c a r r i e rs e n s e m 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 ) 的协议，站点竞争访问信道。研究表明 d c f 采用的避免冲突的退避算法过于简单，站点数过多时，信道吞吐量、丢包率 和延迟明显恶化。通过修改退避算法提高d c f 的吞吐率是当前的一个研究热点。 d c f 无法提供服务质量保证( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) ，不能满足语音、视频 等实时业务的需要。 p c f 是i e e e8 0 2 11 提供的一个可选的接入方式。p c f 是基于轮询的信道接 入机制，能够为无线局域网提供一定的q o s 保证。p c f 姆信道访问时间分成长度 相等的超帧，超帧包含无竞争阶段( c f p ) 和竞争阶段( c p ) 。在无竞争阶段，站点 在无线接入点的调度下轮流访问信道，得到一定的q o s 保证；在竞争阶段，站点 利用d c f 竞争使用信道。 研究表明，p c f 在无竞争阶段为实时业务提供q o s 支持的同时，牺牲了竞争 阶段非实时业务的吞吐量。考虑到整个网络中主要的业务是非实时业务，这是很 不合适的。然而当前对p c f 的性能优化研究大多忽视了竞争阶段。虽然p c f 的竞 争阶段采用d c f ，很多d c f 的性能优化方案都可以用于p c f 的竞争阶段。但是， p c f 中站点在无竞争阶段被轮询时可以和无线接入点进行信息交互，因此可以精 确的估计竞争阶段的信道情况，为竞争阶段的优化提供更多的信息。 基于以上的讨论，本文的工作主要有以下三点： 1 通过理论分析和n s 一2 2 仿真的方法研究优化d c f ，提高吞吐率的可行方 法。 2 研究p c f 中，站点在无竞争阶段和无线接入点交互时捎带信息，为随后的 竞争阶段性能优化提供信息的可行性和具体方案。 3 在2 的基础上，提出两种优化竞争阶段性能，提高p c f 竞争阶段的吞吐率 的机制，并利用r i s 一2 仿真评估改进方案的效果。 本文的主要贡献如下： 1 提出了通过轮询时稍带信息来精确估计信道状况的思想，提出p c f 中通 过站点在无竞争阶段被a p 轮询时稍带下一个帧的退避计时器值，a p 预先发现 站点间冲突并告知站点的预见冲突机制，使站点在随后的竞争阶段开始前预先发 现冲突； 2 提出一种称为虚拟冲突的机制，站点在知道自己将在竞争阶段发生冲突 后修改退避计时器值和重传次数，在不修改d c f 发送规则的前提下使站点避免 冲突： 3 发现虚拟冲突机制和其他的d c f 优化方案相比，在避免冲突时工作于不 同的阶段，因此可以将虚拟冲突机制和其他优化方案结合使用。提出将虚拟冲突 机制和动态调整竞争窗口相结合的p c f 改进方案d v p c f 。 理论分析和仿真实验表明，v p c f 能有效减少p c f 竞争阶段的冲突，在不影 响无竞争阶段发送的前提下显著地提高p c f 竞争阶段的吞吐率。d c f 的吞吐 性能优于v p c f 及只采用动态调整竞争窗口的d p c f 。 整篇论文的组织如下：第一章为绪论；第二章简要介绍i e e e8 0 2 1 1 协议； 第三章利用理论分析和n s 一2 仿真，研究提高d c f 吞吐量的方案；第四章利用n s 一2 仿真研究p c f 竞争阶段的性能，并在此基础上分析提高p c f 的竞争阶段吞吐率的 途径；第五章提出p c f 竞争阶段中站点通过无竞争阶段与a p 交互预见冲突的方 案，在此基础上提出基于虚拟冲突机制的竞争阶段改进方案，通过理论分析和 n s 一2 仿真证明方案的有效性；第六章提出将动态调整竞争窗口和虚拟冲突相结 合的性能优化方案，并通过n s - 2 仿真的方法证明方案的有效性。第七章是对工 作的总结和未来的展望。 2 第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网 2 1 i e e e8 0 2 1 1 标准概述 本章介绍i e e e8 0 2 1 1 无线局域网。本章内容安排如下：2 1 节介绍 i e e e8 0 2 1 1 标准概况及其拓扑和逻辑结构；2 2 节介绍i e e e8 0 2 1 1 的物理层； 2 3 节介绍i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 层；2 a 节和2 , 5 节分别介绍d c f 和p c f 机制； 2 6 节介绍i e e e8 0 2 ，1 1 的帧结构：2 7 节介绍i e e e8 0 2 1 1 系列标准。 2 1 1i e e e8 0 2l a n 系列标准 i e e e8 0 2 l a n 标准委员会是由i e e e 规划成立的以便创建、维护和鼓励使用 m e e 及其等效的i e s i s o 标准的主要工作小组。i e e e8 0 2l a n 包括一系列的标 准，如图2 - 1 所示： l e e e8 0 2 2 逻辑链路控制( l l c ) l e e e 8 0 2 3拦e e8 0 2 4 e e e 8 0 2 5i e e e8 0 2 1 1 以太网令牌总线令牌环网无线局域嘲 i s o 第二层 ( 数据链路层) 图2 1i e e e8 0 2l a n 系列标准示意图 i e e e8 0 2 3 】l a n 系歹日标准包含以下内容： i e e e8 0 2 1 ：定义了各个协议之间的关系，参考模型以及与较高层协议 之间的关系。 i e e e8 0 2 2 1 4 ：定义了通用的逻辑链路控制规范( l l c ) 。 i e e e8 0 2 3 1 5 ：描述了c s m a c d 总线式媒体接入控制( m a c ) 协议及 其相应的物理层( p ) 规范。 i e e e8 0 2 4 1 6 ：描述了令牌总线式媒体接入控制协议以及相应的物理层 规范。 i e e e8 0 2 5 1 7 ：描述了令牌环式媒体接入控制协议及相应的物理层规范。 i e e e8 0 2 1 1 ；描述了无线局域网媒体接入控制协议及相应的物理层规 。范。 蒌 差| 1，j 2 1 2i e e e8 0 2 1 1 标准介绍 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它以无线多址信道 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。i e e e 8 0 2 1 1 作为无线局域网标准。是局域网在无线环境下的扩展， 由i e e e s 0 2 1 1 工 作组于1 9 9 7 年6 月制定并发布。 i e e e8 0 2 1 1 标准规定了无线局域网的p h y 和m a c 功能，为局域网内固定 的、便携和以步行和行车速度移动的移动主机提供无线连接。i e e e8 0 2 1 1 有以 下特征： 工作于2 4 gh z 的i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca r i dm e d i c a l ) 频段。 支持异步发送和实时发送。 根据网络状况，传输速率在1 m b p s 和2 m b p s 两者间调节。 支持广播。 提供注册和认证服务。 提供网络管理服务。 支持数据加密。 2 1 3i e e e8 0 2 1 1 的拓扑结构 i e e e8 0 2 1 l 中，w l a n 可覆盖的区域称为服务区域( s e r v i c ea r e a ) ，服务 区可分为基本服务区( b s a ) 和扩展服务区( e s a ) 。b s a 指w l a n 中主机的无线 接收机及地理环境所确定的通信覆盖范围。 b s a 作为基本的服务区域，有两种拓扑结构，自组织网络( 即对等网络， 常被称为a d h o c 网络) 和架构式网络( i n f r a s t r u c t u r e n e t w o r k ) 。 自组织的网络是一种对等模型的网络，它的建立是为了满足暂时需求的服 务。自组织的w l a n 是由一组有无线接口卡的无线终端，特别是笔记本电脑组 成。这些无线终端以相同的工作组名、扩展服务集标识号( e s s d ) 和密码以对 等的方式相互直连，在w l a n 的覆盖范围之内，进行点对点，或点对多点之间 的通信，如图2 ，2 所示。 4 图2 - 2 自组织的w l a n 组建自组织网络不需要增添任何网络基础设施，仅需要移动节点及配置一种 普通的协议。在这种拓扑结构中不需要中央控制器的协调。 架构式w l a n 利用了高速的有线或无线骨干传输网络。在这种拓扑结构中， 移动节点在基站( b a s i cs t a t i o n ，b s ) 的协调下接入到无线信道，如图2 3 所示。 基站的另一个作用是作为a p ，将移动节点与有线网络连接起来。架构式w l a n 虽然也可以使用非集中式m a c 协议，如基于竞争的i e e e8 0 2 1 1 协议可以用于 基础结构的拓扑结构中，但大多数基础结构网络都使用集中式m a c 协议，如轮 询机制。两种形式的m a c 协议也可以在同一个在架构式w l a n 中共同使用。 圈2 3 架构式w l a n 为扩大w l a n 的覆盖范围，可以用无线接入点( a c c e s sp o i n t 。a p ) 将基本 服务区和骨干网络( 一般为有线网络) 相连。与同一主干网相连的多个基本服务区 构成了扩展服务区。 圈2 - 4 扩展服务区 2 1 4 i e e e8 0 2 i i 的逻辑结构 i e e e 8 0 2 i i 标准的逻辑结构如图2 5 所示，每个站点所应用的8 0 2 i i 标准 的逻辑结构包括个单一m a c 层和多个p h y 。 龇 翱隗c 踺频 童壤j 葶歹l红井党 p 珏y p 藏y翻匿y 图2 - 5i e e e8 0 2 1 1 的逻辑结构 2 2i e e e8 0 2 1 1 的物理层 i e e e8 0 2 ii 的物理层规定了y l a n 的数据传输信号特征和调制方法。传输 媒体可以采用无线电波和红外线。使用无线电波作为传输媒体时，根据扩频方式 的不同，又可以分为直接序列扩频( 1 ) s s s ) 和跳频扩频( f h s s ) 。 2 2 1d s s s d s s s 的基本思想是选用一个伪随机序列( p n 序列) 对传送的信息进行调制， p n 序列的速率r h 远大于信息传输速率r i ，传输信息的频带扩展了r h r i 倍。d s s s 具有抗同频干扰性好、良好的抗衰弱性能以及抗多径干扰能力强的优点。 d s s s 将2 4o h z 频段分成1 1 个信道，每个信道占用2 2m h z 的频段，每2 个相邻信道的中心频率间隔是5 硼z ，其中1 、6 和1 1 信道频率没有重叠。d s s s 支持i m b p s 、2 m b p s 、5 5 m b p s 和1 i m b p s 的速率，可以采取差分正交相移键控 ( d o p s k ) 、差分2 迸制相移键控( d b p s k ) 和补码键控( c c k ) 三种调制方式。 2 2 2 h f s s 跳频扩频的思想是把频段分为若干个跳频信道( h o pc h a n n e l ) ，在一次连 接中，无线电收发器按一定的码序列不断从一个信道“跳”到另一个信道，只有 收发双方按这个规律通信，其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰。 h f s s 使用的频段为2 4 2 4 8 3 5g h z ，共有7 8 个信道。这些跳频信道被 分成3 组，每组有2 6 个。分别对应的信道编号为( o ，3 ，6 ，9 ，7 5 ) ，( 1 ，4 ， 7 ，1 0 ，7 6 ) 和( 2 ，5 ，8 ，1 1 ，7 7 ) 。具体选择哪一组由物理层管理子层 决定。第一个频道的中心频率为2 4 0 26 h z ，以后每隔l 姗z 一个信道，每个信 道可使用的带宽为lm h z 。当使用二元高期移频键控g f s k 时，基本接入速率为l m b p s 。当使用4 元g f s k 时，接入速率为2m b p s 。 2 2 3 红外线 红外线物理层描述了在8 5 0 到9 5 0 n m 波段运行的调制类型，用于低速设备。 可以采用1 6 p p m ( 脉冲位置调制) 和4 p p m 的调制方式，分别得到1 m b p s 和2 m b p s 的速率 2 3i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层 m a c 层是数据链路层的下半部分，负责控制与连接物理层的物理介质。当发 送数据时，m a c 层要完成以下任务：首先它按规则从l l c 层接收数据，然后执行 媒体访问规范，查看网络是否可以发送；一旦网络可以发送，它将给数据附加上 一些控制信息，把数据及控制信息以规定的格式( 一般称为帧) 送往物理层。 当接收数据时，m a c 层要完成以下任务：首先它从物理层接收到数据帧并检 查数据帧中的控制信息，从而判断是否发生传输错误。如数据正确，则去掉控制 信息后把其送至l l c 层。m a c 层发送和接收数据的流程如图2 - 6 所示。 7 图2 6m a c 层发送和接收数据流程 i e e e8 0 2 1 l 的m a c 层综合了两种工作方式：分布挤调机制( d c f ) 和点协调 机制( p c f ) 。其中d c f 适用于分布式网络，站点竞争使用信道；p c f 建立在d c f 之上，站点可以无竞争的使用信道，适用于具备中央控制器的架构式网络。d c f 和p c f 分别在2 4 和2 5 节介绍。 2 4 分布协调机制d c f d c f 是m a c 层中基本的媒体接入控制机制，可以在自组织的w l a n 和架构式 w l a n 中使用。 2 4 1 c s m a ，c a d c f 采用了c s m a c a ( 载波监听多址接入冲突避免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 ) 协议。c s 姒c a 协议的基本过程如图2 - 7 所示。 d l 盛竞争窗口 p l e s i 忙期发送帧 叫f i i 图2 7 c s m n c a 示意图 图2 7 中i f s ( i n t e r f r a m es p a c e ) 是帧间距，d c f 定义了以下4 种帧间距， 按间距的时间从小到大分别是： s i f s ：最短帧间距，用于满足所有需要立刻应答的服务，如发送a 帧，c t s 帧等。 p i f s ：p c f 帧间距，用于p c f 机制中，a p 可以在信道空闲p i f s 后得到 信道的使用权，宣布无竞争阶段开始。 d i f s ：d c f 帧间距，d c f 机制中站点在发送数据帧前需要等待信道空 闲d i f s 才能竞争信道。 e i f s ：扩展帧间距，站点在传输失败时需要等待e i f s 的时间才能再次 竞争信道。 i e e e8 0 2 1 1 中时槽( s l o t ) 是基本的时间单位，站点只能在时槽的开始阶 段开始数据的发送。c s 姒c a 规定站点在发送前必须监听信道，当信道空闲达到 d i f s 后，站点进入退避计时器( b a c k o f f t i m e r ，以下简称b t i m e r ) 递减阶段。此 时如果站点的b t i m e r 没有初始化，站点初始化b t i m e r ，在 o a c w m i n ( a c w m i n 是竞争窗口c w 的初值) 内随机选择一个整数作为b t i m e r 的初值。信道每继续空 闲一个时槽，b t i m e r 减l 。当b t i m e r 递减到o 时，站点开始发送。如果递减的 过程中信道被使用，b t i m e r 将冻结，在信道再次空闲d i f s 后继续递减。 d c f 存在的一个例外情况，站点在接入信道时发送的第一个数据帧可以不遵 循c s 姒c a ，在感知信道空闲时能立刻发送这个数据帧。 2 4 2 基本发送方式 d c f 有两种数据发送方式。在缺省的基本方式下，站点如果接收到一个正确 的数据帧，间隔s i f s 后向数据帧的发送方返回一个a c k 帧。如果接收站点没有 收到正确的数据帧，将不返回a c k 。接收站点收到不到正确的数据帧有两种可能 的原因：两个或两个以上站点同时开始发送导致发送冲突；数据帧在传输过程中 受到干扰出现错误。如果站点在a c k 超时计时器超时后仍没收到a c k ，站点认为 发送失败，等待e i f s 后重新使用c s m a c a 竞争信道，重传数据帧。图2 - 8 是基 本发送方式的示意图。 d i f s 一 源主机 i 忙期li 竞争窗口i 数据帧 l r。1。一 ；s i f b 目的主机回国圈 图2 - 8 基本发送方式的示意图 9 2 4 3b e b 站点在重新竞争信道时，重传次数加l ，c w 变为c w 的上限a c w 舱x 和2 x c w + i 两 者问的较小者，r p m i n ( a c w m a x ，2 x c w + 1 ) 。如果重传次数达到重传限制，数据帧 被丢弃。d c f 的这种机制被称为二进制指数退避机制( b i n a r ye x p o n e n t i a l b a c k o f f ，b e b ) 。图2 - 9 是b e b 的示意图。 1 0 2 3 图2 9 b e b 示意图 2 4 4i 玎s c t s w l a n 中当两个站点不在对方信号的覆盖范围内时，可能引发隐藏站点问 题。图2 一1 0 是隐藏站点示意图。 图2 1 0 隐藏站点问题 站点a 和c 互相不在对方的信道覆盖范围，站点b 既在a 和c 的信号覆盖 范围内。当站点a 给b 发送数据时，c 监听不到a 的发送，认为信道是空闲的， 1 0 于是此时c 也可以开始发送。这对b 接收a 发送的数据就会受到c 的干扰，不 能正确接收。 为了解决隐藏站点问题，d c f 定义了可选的r t s c t s ( r e q u e s tt os e n d c l e a r t os e n d ，以下简称r t s ) 机制。图2 - i l 是r t s c t s 机制示意图。 o i f s ：一 源主机!i 壅竺宣呈l 璺里ilil 垫堡堕i ； ：r 1 _ 1 o r 1 ；s i f s s i f s 一一s i f s 目的执圆! 固! ：困 其他主机 d i f s n a v ( r t s ) n a v ( c t s ) 图2 一”r t s ，c t s 机制示意图 图2 - 1 1 中，n a v 是网络分配向量( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) 计时器。站 点如果设置了n a v 计时器，就表示站点在n a v 计时器超时之前不可能竞争到信道 使用权。在这段时间里，站点可以不持续监听信道，这样站点可以节省电能。 发送端开始发送时，首先发送r t s 帧。r t s 帧包括发送端的地址、接收端的 地址、接下来的数据帧将占用的信道时间t 等信息。所有监听到r t s 帧的站点重 置n a v 计肘器，保证在t 时间内不会开始发送。接收端收到r t s 帧后，回应一个 c t s 帧，c t s 帧也包含r t s 帧内记录的持续发送的时间。所有监听到c t s 帧的站 点也重置n a v 计时器。当发送端收到c t s 帧后开始发送数据包。 r t s c t s 机制可以解决隐藏站点问题。当b 收到a 发送的r t s 帧时，返回一 个c t s 帧。c 监听到这个c t s 帧后，知道应该在c t s 帧中记录的发送持续时间段 内不能发送，于是c 在这个时间段内保持沉默。这样就避免了隐藏站点问题的发 生。 2 5 点协调机制p c f d c f 机制中站点竞争使用信道，只能提供尽力而为( b e s t e f f o r t ) 的服务， 没有任何q o s 保证。为了提供延迟受限的服务，i e e e8 0 2 ，i i 提供了可选的p c f 机制。p c f 只能在有中心协调点( 一般由a p 担任) 的架构式网络中使用。f c f 以 d c f 为基础，在d c f 之上实现。图2 1 2 是p c f 和d c f 的关系示意图。 图2 1 2p c f 和d c f 关系示意图 2 5 1 超帧的结构 p c f 利用点协调者( p o i n tc o o r d i n a t o r ，p c ) 轮询站点，集中控制信道的访问， p c 通常由a p 来担任。p c f 将信道访问时间划分为等时问间隔的超帧( s u p e r f r a m e ) ，超帧的长度被称为超帧间隔( c f pr e p e t i t i o ni n t e r v a l ，记为c f p r ) 。 超帧包括一个无竞争阶段( c o n t e n t i o n f r e ep e r i o d ，c f p ) 和一个竞争阶段 ( c o n t e n t i o np e r i o d ，c p ) 。图2 - 1 3 是超帧的示意图。 c o n t e n t i o n f r e er e p e t i t i o ninterval$1eiobi n t e r v a l 。 瑶c f p 彳氏哟d j p 秀e r 强i o d 同 () ll d i b副一点 l o i + a c k b e o nd e 埘 图2 1 3 超帧示意图 2 5 2c f p 阶段 p c 在每个超帧的开始阶段发送b e a c o n 帧宣告c f p 阶段开始。发送b e a c o n 前， p c 先要监听信道。如果信道空闲，p c 在等待p i f s 后可以发送b e a c o n 帧。由于普通 的站点需要信道空闲达至u d i f s 才能竞争信道，p i f s 4 , 于d i f s ，所以在竞争信道时 p c 会胜出。若信道忙，b e a c o n 的发送将被推迟，造成b e a c o n 延