（通信与信息系统专业论文）基于ieee80211的退避机制的研究.pdf

南京邮电大学硕士学位论文 摘要 近年来，无线局域网同益得到人们的广泛关注，无线局域网技术也在不断得到改进和 完善。在无线局域网中，介质接入控制( m a c ) 协议是决定有限的无线带宽利用率的重要因 素，它决定了在无线信道中分享带宽的有效性。 本文首先介绍了i e e e 8 0 2 1 1 协议的主要内容及相关的退避机制，分析了在负载和网 络设置大幅变动情况下，标准退避机制的局限性，而后对一些改进的退避机制进行了介绍； 接着论文给出了系统容量和饱和吞吐量的定义，分析了它们之间的关系，研究了分布式竞 争控制( d c c ) 机制和基于d c c 机制的渐近最优退避( a o b ) 机制的实现。在不同包长及不 同用户数情况下对信道利用率进行比较分析。 在总的信道带宽中，用于成功发送有用信息的那部分带宽所占的比例，能有效的反映 m a c 协议的有效性，i e e e 8 0 2 1 1 协议是用于无线局域网技术的最为成熟的协议。本文参 照a o b 机制，考虑到无线局域网中的“隐藏站点”现象，引入r t s c t s 机制，分析了相 应的改进a o b 机制。改进a o b 机制同样采用a o b 机制中根据网络的竞争级别来动态调 整退避的方法，使得网络的饱和吞吐量可接近理论上界。另外，在a o b 机制中，假设网 络中发送的平均包长为给定己知值，这在现实环境中不太容易实现，而引入r t s c t s 的 a o b 机制则与包长无关，在现实环境中，它更具有普适性。论文通过仿真的方法对引入 r t s c t s 的改进a o b 机制进行了分析，证明了这种机制的有效性和普适性。 关键词：无线局域网，i e e e 8 0 2 1 l ，r t s c t s 接入机制，容量，饱和吞吐量，a o b 机 制，时隙利用率 南京邮电大学硕士学位论文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 ，m u c hi n t e r e s th a sb e e ni n v o l v e di nt h ed e s i g no fw i r e l e s s n e t w o r k sf o rl o c a la r e ac o m m u n i c a t i o n ，m a dw i r e l e s s t e c h n o l o g i e s i nt h el a n e n v i r o n m e n th a sb e e ne n h a n c i n ga n di m p r o v i n g i nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ( w l a n s ) ，t h em e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o li st h em a i ne l e m e n tt h a t d e t e r m i n e st h ee f f i c i e n c yo fs h a r i n gt h el i m i t e dc o m m u n i c a t i o nb a n d w i d t ho ft h e w i r e l e s sc h a n n e l t h ep a p e r f i r s t l y s k e t c h e st h ei e e e 8 0 2 11s t a n d a r da n dr e l a t e db a c k o f f m e c h a n i s ma n da n a l y z e st h el i m i t a t i o no ft h es t a n d a r db a c k o f fm e c h a n i s mw h e nt h e l o a da n dn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n sv a r yi naw i d er a n g e a n di n t r o d u c e ss o m ei m p r o v e d m e c h a n i s m s t h e ni td e f i n e sc a p a c i t ya n ds a t u r a t i o nt h r o u g h p u to fn e t w o r k s ，a n d a n a l y z e st h er e l a t i o nb e t w e e nt h e m w i t hr e g a r dt oc a p a c i t y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h e d c cm e c h a n i s ma n dd e s c r i b e st h eo p e r a t i o n so ft h ea o bm e c h a n i s mb a s e do nd c c m e c h a n i s ma n da n a l y z e st h ec h a n n e lu t i l i z a t i o nw h e n p a c k e ts i z e sa n dt h en u m b e ro f t h es t a t i o n si nt h en e t w o r kv a r y t h ef r a c t i o no fc h a n n e lb a n d w i d t hu s e db ys u c c e s s f u l l yt r a n s m i t t e dm e s s a g e s g i v e sag o o di n d i c a t i o no ft h ep r o t o c o le f f i c i e n c y t h ei e e e 8 0 2 11s t a n d a r di st h e m o s tm a t u r et e c h n o l o g yf o rw l a n d e r i v e df r o ma o bm e c h a n i s m ，a ne n h a n c e d a o bm e c h a n i s mw i t hr t s c t sm e c h a n i s mi sp r e s e n t e da n da n a l y z e di nt h ep a p e r , c o n s i d e r i n g t h eh i d d e nt e r m i n a l p h e n o m e n o n i nw l a n j u s tl i k et h ea o b m e c h a n i s m ，t h ee n h a n c e da o bm e c h m f i s ma l s oa d a p t st h eb a c k o f ft ot h en e t w o r k c o n t e n t i o nl e v e lt om a k et h es a t u r a t i o nt h r o u g h p u to ft h en e t w o r kc l o s et ot h eu p p e r b o a n d i na d d i t i o n , t h ea v e r a g ep a c k e ts i z e sa r ea l w a y sa s s u m e dt ob ek n o w ni na o b m e c h a n i s m ，w h i c hi sn o te a s yt or e a l i z ei nr e a le n v i r o n m e n tw h i l ei td o e s n tn e e dt o e s t i m a t et h ea v e r a g ep a c k e ts i z e si nt h ee n h a n c e da o bm e c h a n i s m ，s ot h ee n h a n c e d a o bm e c h a n i s mi sm o r es u i t a b l ef o rr e a le n v i r o n m e n t t h ep a p e rs t u d i e st h r o u g h s i m u l a t i o n st h ee n h a n c e dm e c h a n i s ma n dp r o v e st h a ti ti se f f e c t i v ea n dr e a s o n a b l ef o r t h er e a le n v i r o n r n e n t i i 南京邮电大学硕士学位论文 a b s t t a c t k e y w o r d s ：w l a n ，i e e e 8 0 2 1 1 ，r t s c t s a c c e s s m e c h a n i s m ，c a p a c i t y s a t u r a t i o nt h r o u g h p u t ，a o bm e c h a n i s m ，s l o tu t i l i z a t i o n 1 1 1 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：移动通信与无线技术 作者：j 塑级研究生刘果 指导教师筮堕 题目：基于i e e e 8 0 2 1 1 的退避机制的研究 英文题目： r e s e a r c h e so nb a c k o f fm e c h a n i s m si ni e e e 8 0 2 11 主题词：无线局域网 i e e e 8 0 2 1 1r t s c t s 接入机制 容量饱和吞吐量a o b 机制时隙利用率 k e y w o r d s ： w l a ni e e e 8 0 2 1 1r t s c t s8 c c e s sm e c h a n i s m s a t u r a t i o nt h r o u g h p u ta o bm e c h a n i s m s l o tu t i l i z a t i o n 南京邮电大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 1 无线局域网引入和特点 以前的局域网都是按照距离和空间的位置来定义的，而今随着无线技术和局 域网技术的发展，局域网已经演变成一种可靠的连接关系而不需要考虑具体的终 端位置。 随着人们工作方式与生活方式移动性的增多，传统网络越来越显示出其局限 性。因为在传统网络中，各终端设备必须要通过网线才能与网络建立起连接，这 样就大大地束缚了移动办公的可能，也使笔记本电脑等移动终端的优势不能充分 得到体现。同样，对于一些不能铺设网络的特殊场合，想在其中建立网络也是非 常团难的，而在没有预留网线的房间中建立网络的话，也会使整个房间到处走线， 非常凌乱，同时也需要为此花费大量的费用和精力。 与传统网络的种种束缚形成鲜明对比的情况就是移动设备变得越来越多，因 此人们开始考虑能否像电话由有线变成无线那样，将计算机网络也变成无线方 式。正是随着移动设备的出现以及人们对移动接入方式的需求促成了无线局域网 技术的发展，使其成为计算机网络发展过程中的一个必然发展阶段。 无线局域网也有其优势和不足。 无线局域网具有的优势主要为以下几个方面： 1 ) 移动性好 无线局域网不需要通过固定的传输线路进行通信，因此摆脱了许多线路方面 的束缚。与传统有线局域网相比较而言，无线局域网具有移动性好的优势。 2 ) 扩展性强 无线局域网的配置方式非常多，可以根据需要灵活选择。同时，由于无线网 络中没有过多的位置限制，只要终端设备所处的位置能够接受到信号，就可以灵 活的设置无线终端设备来对原有网络实施扩展。 3 ) 能够达到用户满意的数据传输速率 虽然相对于传统局域网的高速率，无线局域网的数据传输速率比较低，但是 现在无线局域网的数据传输速率理论上可以达到5 4 m b s 。相对于时下流行的 南京邮电大学硕士学位论文 g p r s 手机来讲，无线局域网具有高速宽频上网的特性，如果我们假定无线局域 网可提供的数据传输速率为1 i m b s ，那么其数据传输速率也要比一般的拨号上 网的速率高出约2 0 0 倍，通过无线局域网可以满足使用者对语音和视频文件的传 输需要。因此，利用无线局域网不仅能满足使用文档等日常的商务需求，同时也 能满足在企业网络中的任何地点都可以根据需要进行这些业务的要求。而 i e e e 8 0 2 1 l a 等高速标准则将支持更高的无线数据传输速率，它们能以比现在快 4 倍的速度支持电视会议、网络电话等要求更高宽带的网络应用。 4 ) 与传统网络之间的兼容性好 无线局域网在数据链路层所采用的协议为载波侦听多路访问冲突避免 ( c s 凇c a ) 介质访问协议。该协议遵从i e e e 8 0 2 3 三l 太网协议，与标准以太网及 目前的主流网络操作系统是兼容的，因此无线网络用户已有的网络软件可以不做 任何修改就可以应用在无线局域网上。 5 ) 易于安装 无线局域网的安装工作非常简单，在传统局域网的建设过程中，施工周期很 长，同时对周边环境的影响也比较大。而无线局域网的最大优势就是可以免去或 者减少网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点设备，就可以建立覆 盖整个建筑或地区的局域网络。 6 ) 可携带性好 无线局域网的另一个优势就是可携带性好。如果某个单位迁址，则无线系统 不必像传统有线系统那样必须在新的办公地点重新铺设连接线路，它可以实现方 便快速的网络接入。 无线网络相较有线网络本身也存在着一些不足，主要是以下几个方面： 1 ) 无线网络带宽较窄，理论上的数据传输速率最大只能达到5 4 m b s ，所以 只能适合中小型公司使用。对于规模较大的公司，无线局域网络就显得力不从心， 因为大公司网络用户较多，要交换的信息容量较大，要求有更宽的网络带宽。从 数据传输速率的角度来看，无线局域网相对于传统局域网存在很大的差距，这些 差距正随着协议的不断完善而缩小。 2 ) 通信盲点问题 无线网络存在盲点，在盲点处无线网络的通信很困难，甚至根本无法进行信 南京邮电大学硕士学位论文 绪论 息传输。对盲点问题的解决可以通过多安装接收天线来加以消除，但有时这种方 法也不是很有效。 3 ) 安全问题 无线网络与传统有线网络的最大不同是无线网络的通信范围不受网络布局 的限制，只要能够接受到无线网络的信号，就可以与之通信。这就为无线网络的 应用带来了比传统有线网络更为严重的信息安全问题。有时候无线网络的安全问 题可能会成为束缚无线通信网络快速发展的一个致命原因。随着无线通信安全问 题逐渐受到重视，现在对安全问题的解决方案也不断提出。 4 ) 干扰问题 像蜂窝电话等无线电系统会使无线网络的传输信息产生乱码。虽然跳频技术 和窄带技术基本上可以确保网络的畅通，但对位于架满天线的发射台附近的用户 来讲，组建无线网络就必须安装额外的信号滤波设备以便消除信息干扰的影响。 5 ) 价格问题 无线网络技术复杂，研发费用较高，同时网络适配器的价格相对昂贵。即使 是具有相同传输速率的网卡，无线网卡也比有线网的网卡要昂贵的多。无线网络 比有线网络对技术的依赖性更大，所以开发专用的无线连网技术比较困难且开发 费用高昂。 1 2i e e e 8 0 2 1 1 协议 无线局域网的发展初期，工作在2 4 g h z 的无线射频技术正处于逐步发展 的过程中，用于进行通信的基本材料花销非常高，所以不能被广泛的采用。 1 9 9 0 年，i e e e 8 0 2l a n w a n 标准委员会建立了一个研究由无线连接实现的局 域网标准化的工作组，分配给该工作组的数字表示是1 1 ，由此我们得到 i e e e 8 0 2 11i l l 这个名称。i e e e 8 0 2 1 l 工作组在i e e e 8 0 2 委员会的已建立好的框 架下来制定w l a n 标准，它定义与i e e e 8 0 2 3 有线物理层( p h y ) 和介质访问控制层 ( m a c ) 等同的无线p h y 和m a c 层。i e e e 8 0 2 1 1 工作组的任务是创建w l a n 标准， 并用于解决不同w l a n 设备之间的兼容性问题。参照i s o 七层模型，i e e e 8 0 2 1 l 系列规范主要从w l a n 的物理层( p i p ) 和介质访问控制层( m a c ) 两个层面来制订适 合无线传输的系列规范，物理层标准规定了无线传输信号等基础规范，而介质访 南京邮电大学硕士学位论文 问控制层标准是在物理层上定义的一些应用要求规范。 在w l a n 中，介质访问控制层( m a c ) 协议是决定共享无线信道有限带宽效率的 主要因素。相较有线局域网，无线局域网更需要关注有限的信道资源的使用。因 为在w l a n 中，网络站点共用相同的传输介质，这些站点的数据发送就需要由m a c 协议来协调。i e e e 8 0 2 1 1 基本介质访问控制方法是基于二进制指数退避机制的 载波侦听多址访问碰撞回避( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ，c s m a c a ) 机制。退避机制是m a c 协议中使用的一种具体竞争解决方 案，它决定了站点每次在发送包前所需要经历的退避时问，目的是在多站点竞争 接入同一信道时，保证接入的有效性，达到合理利用系统资源的目的。机制既要 尽量降低各站点间的冲突概率，又要避免因退避时间过长而降低信道利用率，同 时还要保证各站点的公平性、优先性等要求，所以，可以说退避机制是决定系统 性能的关键要素。 1 3 本文内容和框架 本文参照改善系统容量的a o b 机制，考虑到无线局域网中的“隐藏站点”现 象，引入了r t s c t s 机制，分析了相应的改进a o b 机制，证明了引入r t s c t s 的改进a o b 机制的有效性和普适性。整篇文章的安排如下： 第二章首先介绍了i e e e s 0 2 1 1 协议，主要介绍了m a c 层的分布协调功能 ( d c f ) ，并描述了d c f 中的退避机制，即i e e e 8 0 2 1 1 的标准退避机制。然后，分 析了标准退避机制的缺陷，阐述了目前比较流行的一些改进退避机制，提出退避 机制改进的方向。 第三章首先提出了容量模型，在容量模型的基础上，比较了理论容量上界和 i e e e 8 0 2 1 1 标准协议容量。然后在介绍分布式竞争控制( d c c ) 机制的基础上，引 入了a o b 机制，详细介绍了a o b 机制的基本思想，比较a o b 机制的容量、理论容 量上界和i e e e 8 0 2 1 1 标准协议容量，证明a o b 机制是有效的。 第四章首先提出了饱和吞吐量模型，通过模型分析了引入r t s c t s 的接入机 制和标准接入机制之间的区别，为后面提出的引入r t s c t s 的改进a o b 机制提供 了理论依据。之后，分别从容量和饱和吞吐量的角度，分析了引入r t s c t s 的 i e e e 8 0 2 1 1 协议的容量( 饱和吞吐量) 和理论容量( 饱和吞吐量) 上界之间的差 4 南京邮电大学硕士学位论文绪论 距。通过饱和吞吐量和容量的分析结果，进一步证明了容量和饱和吞吐量表示的 是系统的同一属性，且在同样的系统设置情况下，有基本相同的数值和趋势。最 后，提出了引入r t s c t s 的改进a o b 机制。 第五章对引入r t s c t s 的改进a o b 机制的饱和吞吐量性能进行了仿真，证明 了该机制的有效性和普适性。 南京邮电大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 1 标准退避机制及改进机制舟绍 第二章i e e e 8 0 2 11 标准退避机制及改进机制介绍 2 1i e e e s 0 2 11 m a c 层介绍 介质坊问控制( m a c ) 属于数据链路层的一部分，该部分与逻辑链路控制( l l c ) 子层其同组成了数据链路层。m a c 是局域网中关键的一层，对局域网的网络性能 有非常重要的影响，无线局域网由于使用无线方式作为传输介质以及移动性等特 点，与有线局域网中的m a c 协议存在很大的差别。 2 11ie e e 8 0 21 1 m a c 层概述 i e e e s 0 2 1 l 标准的数据链路层由逻辑链路控制子层( j c ) 和介质访问控制 子层( m a c ) 共同组成。i e e e 8 0 2 1 1 使用与i e e e 8 0 2 3 口1 完全相同的l l c 予层，并 且与i e e e 8 0 2 协议中规定的使用4 8 位m a c 地址要求完全相同，这些特点使得无 线局域网与传统有线网络之间的连接变得十分方便。 m a c 协议是用来描述和实施网络中站点的多址接入，以解决网络中站点应以 怎样的规则共享介质才能保证满意的网络性能的问题的。m a c 是局域网的关键技 术之一，局域网的网络性能( 如吞吐量、时延性能) 完全取决于所采用的m a c 协议。 为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各站点无序的争用信道，无线局 域网采用了与以太网c s m a c o 2 1 相类似的c s h i a c a 旧协议。 但是，无线局域网存在与传统局域网不同的问题，这些问题对无线局域网提 出了特殊的要求。无线局域网的两个特殊情况是：远一近现象1 4 1 和隐藏站点 5 1 现 象。 远一近现象的概念是指i e e e 8 0 2 1 l 标准的无线局域网协议中，对冲突的检 测要求设备必须保证能够在一边接收数据信号的同时又一边传送数据信号，而这 个要求在无线系统中是很难办到的，因此会出现这里说的远一近现象。 隐藏站点现象是无线局域网的另外一个问题。隐藏站点是指两个相反方向工 作的站点要利用一个中间接入点来进行连接，这两个站点都能够侦听到中心接入 作的站点要利用一个巾间接入点来进行连接，这两个站点都能够侦听到中心接入 6 南京邮电大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1i 标准退避机制及改进机制介绍 第二章i e e e 8 0 2 11 标准退避机制及改进机制介绍 2 1i e e e 8 0 2 11 m a c 层介绍 介质访问控制( m a c ) 属于数据链路层的一部分，该部分与逻辑链路控制( l l c ) 子层共同组成了数据链路层。m a c 是局域网中关键的一层，对局域网的网络性能 有非常重要的影响，无线局域网由于使用无线方式作为传输介质以及移动性等特 点，与有线局域网中的m a c 协议存在很大的差别。 2 1 1ie e e 8 0 2 1 1 m a g 层概述 i e e e s 0 2 1 l 标准的数据链路层由逻辑链路控制子层( l l c ) 和介质访问控制 子层( m a c ) 共同组成。i e e e 8 0 2 儿使用与i e e e 8 0 2 3 完全相同的l l c 予层，并 且与i e e e 8 0 2 协议中规定的使用4 8 位m a c 地址要求完全相同，这些特点使得无 线局域网与传统有线网络之间的连接变得十分方便。 m a c 协议是用来描述和实施网络中站点的多址接入，以解决网络中站点应以 怎样的规则共享介质才能保证满意的网络性能的问题的。m a c 是局域网的关键技 术之一，局域网的网络性能( 如吞吐量、时延性能) 完全取决于所采用的m a c 协议。 为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各站点无序的争用信道，无线局 域网采用了与以太网c s m a c dr 2 1 相类似的c s h l a c a 嘲协议。 但是，无线局域网存在与传统局域网不同的问题，这些问题对无线局域网提 出了特殊的要求。无线局域网的两个特殊情况是：远一近现象和隐藏站点1 5 1 现 象。 远一近现象的概念是指i e e e s 0 2 1 1 标准的无线局域网协议中，对冲突的检 测要求设备必须保证能够在一边接收数据信号的同时又一边传送数据信号，而这 个要求在无线系统中是很难办到的，因此会出现这里说的远一近现象。 隐藏站点现象是无线局域网的另外一个问题。隐藏站点是指两个相反方向工 作的站点要利用一个中间接入点来进行连接，这两个站点都能够侦听到中心接入 6 南京邮电大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 11 标准退避机制及改进机制介绍 点的存在，而相互之间则可能由于障碍或者距离原因无法感知到对方的存在。例 如，如图2 - 1 所示：当站点a 向站点b 发送信息的时候，站点c 并不能检测到站 点a 向站点b 发送信息，因此a 和c 会同时将信号发送给b ，引起信号冲突，最 终导致发送到b 的信号都丢失了。隐藏站点现象大多发生在大型单元中，这将带 来效率损失，并且需要错误恢复机制。当需要传送大容量文件时，尤其需要杜绝 隐藏站点现象的发生。 图2 - 1 隐藏站点b 的图示 鉴于上述两个方面的差异。在i e e e 8 0 2 ，1 1 标准中对c s m a c d 机制进行了相 应的调整，在新标准中采用一种称为载波侦听多路访问( c s m a c a ) 的控制机制。 c s m a c a 利用a c k 信号来避免发生信道冲突情况的发生，在这种新机制中，只有 当客户端收到网络上返回的a c k 信号后才能够确认传送的数据已经正确到达目 的地。 c s m a c a 通信方式能够将时间域的划分与帧格式紧密地联系起来，保证在某 一时刻只能有一个站点在发送数据，通过这种方式来实现网络系统的集中控制。 c s m a c a 机制的基础协议是l 一持续c s m a t “。无线局域网中m a c 所对应的标准为 i e e e 8 0 2 1 l ，i e e e 8 0 2 儿的m a c 子层分为两种工作方式，一种是分布协调功能 ( d c f ) 方式，另一种是集中协调功能( p c f ) 方式。 ( 1 ) 分布协调功能( d c f ) 7 南京邮电大学坝l 等 他论史 e e e 8 0 21 1 标准退避机制及改进机制介绍 d c f 方式是m a c 中最基本的介质接入控制机制。d c f 机制基于c s m a ，并以 r t s c t s 消息交换机制作为辅助的介质访问方式。这种控制方式利用载波侦听机 制，适用于分布式网络，传输具有突发性和随机性的普通分组数据，支持无竞争 型实时业务及竞争型非实时业务。 ( 2 ) 集中协调功能( p c f ) p c f 方式是建立在d c f 工作方式之上的姒c 层控制机制，可支持非竞争型实 时或异步业务，适用于具备中央控制器的网络。 介质访问控制( m a c ) 的体系结构如图2 2 所示 i 无竞争服务 p c f ( 可选) d c f 物理层 图2 2m a c 体系结构 2 1 2 分布协调功能( d c f ) m a c i e e e s 0 2 ，li m a c 的基本访问方法就是d c f ，即c s m a c a 。p c f 是可选的介质访 问方式，且不能用于独立基础网络结构( i b s s ) 7 1 中。在网络系统中，所有站点都 必须实现d c f ，在所有网络中，站点都以d c f 为基本访问方式。 c s m a c a 的基础是载波侦听，i e e e8 0 2 1 1 根据w l a n 的介质特点提出了两种 载波检测方式。一种是基于物理层的载波检测方式，另一种是虚拟的载波检测方 式。 ( 1 ) 基于物理层的载波检测方式 基于物理层的载波检测方式是从接收到的射频或天线信号来检测信号能量， 或者是根据接收信号的质量来估计信道的忙闲状态。 ( 2 ) 虚拟载波检测方式 虚拟载波检测方式是通过m a c 报头r t s c t s 中的n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o n 8 南京邮电火学硕士学位论文 i e e e 8 0 2l1 标准退避机制及改进机制介绍 v e c t o r ) 来实现。只要其中的一个n a v 提示信号传输介质正在被其它用户所使用， 那么传输介质就认为已经处于忙状态。 虚拟载波侦听检测机制是由m a c 层提供的，虚拟载波侦听机制要参考n a v 来实现。n a v 包含对介质上要进行通信内容的预测，n a v 是m a c 在竞争期间除节 能轮询控制帧外的所有帧头中的持续时间域来获取的有用信息。 载波侦听机制包含n a v 状态和由物理载波侦听信道提供给站点的发送状态。 n a v 可以被看成一个计算器，它以统一的速率逐渐递减，直至减少为0 ，当该计 数器为0 的时候则表明传输介质处于空闲状态，否则的话，介质为忙。只要无线 局域网中的任意一个站点发送数据，那么整个网络的传输介质都会被确定为忙状 态。 c s m a c a 的基本工作原理简单表述如下：所有无线站点在发送数据之前都首 先要进行载波侦听操作，以查看通信线路是否空闲。如果其它站点正在传输数据， 那么该侦昕站点就会随机的等待一段时间，然后再进行重新发送。如果侦听到介 质空闲，则开始发送数据。数据到达目的端后，目的端就会发送一条确认( a c k ) 信号，表示数据已经接收到了。如果没有接收到确认信号的话，m a c 层就会重传 那段数据。 i e e e 8 0 2 1 l 标准在基本c s m a c a 基础上引入了r t s c t s 选项，它是个可选 项。引入了r t s c t s 的c s m a c a 工作原理表述如下：所有无线站点在发送数据前 首先进行载波侦听操作，以查看通信线路是否空闲，如果其它站点正在传输数据， 那么该侦听站点就会随机等待一段时间，然后再进行重新发送。如果侦听到介质 空闲那么它就会先发送一个比较短的请求发送( r t s ) 消息，r t s 消息是由目的 地址和需要占用的传输时间组成的，这样一来，其它的站点就会知道必须等待那 么长的时间才能够发送。目的端接收到r t s 后，就会发出一个允许发送的短消息， 告诉源站点可以发送数据而不必担心会产生冲突。然后，源站点就开始传送数据。 数据到达目的端后，目的端就会发送一条确认( a c k ) 信号，表示数据已经接收到 了。如果没有接收到确认信号的话，m a c 层就会重传那段数据。整个的传输过程 叫做4 次握手，其处理过程与传统局域网的3 次握手非常类似。 简而言之，无线局域网的m a c 协议一方面通过载波侦听机制来查看传输介质 是否存在空闲，另一方面，通过冲突避免机制进行随机的时间等待，使信号发送 南京邮电大学硕士学位论文i e e e 8 0 2 11 标准退避机制及改进机制介绍 冲突的概率减到最小，当介质被侦听为空闲时，优先发送。除此以外，引入a c k 帧，一旦遭受其它噪声干扰，或者当侦听失败时，信号冲突就有可能发生，而这 种工作于m a c 层的a c k 此时能够提供快速的恢复能力。 2 。1 3 无线局域网r t s c t s 机制 i e e e 8 0 2 11 标准在m a c 层上引入r t s c t s 选项，相当于一种握手协议，主 要用来解决“隐藏站点”问题。 i e e e 8 0 2 1 1 所提供的对“隐藏站点”的解决方法如下：在参数配置中，若 使用r t s c t s 协议，同时设置传送上限字节数，即r t s 门限。一旦待传送的数据 大于此门限值时，即启动r t s c t s 握手协议。当r t s c t s 选项被启动以后，发送 数据的站点要传送一个r t s 消息，随后接入点返回一个c t s 消息。由于所有网络 中的站点能够侦听到接入点所发出的信号，所以c t s 信号能够让这些站点停止传 送数据，这样发送端就可以发送数据和接收a c k 信号而不会造成数据的冲突，这 就间接解决了“隐藏站点”的问题。由于r t s c t s 需要占用网络资源而增加了额 外的网络负担，一般只是在那些大数据报上采用。下面举例来说明无线局域网中 的r t s c t s 理论。 如图2 3 ，在r t s c t s 的系统中，站点b 会在s i f s 时间间隔内发送r t s 帧， 这个帧包含的时间可以用来定义发送数据和返回确认帧需要的时间长度，能接收 站点b 信号的接入点和其它所以站点都会被告知站点b 需要在特定的一段时间内 来占用这个传输介质。每个收到信息的站点都把这个信息放在它的网络分配矢量 ( n a v ) 中。如果网络分配矢量维持的是一个非零值，那么就没有站点能发送信息。 然后，接入点用清除发送( c t s ) 来回应站点b ，以此来告诉接入点所能够接收到 该消息的所有站点，现在的传输介质正在被占用，它们必须要暂停数据的发送。 在接收到c t s 帧后，站点b 就将继续发送信息。 南京邮电大学硕士学位论文 1 e e e 8 0 2 1 l 标准退避机制及改进机制介绍 无 2 2 标准退避机制 、无线终端b 夼须越卢用7 ， 网r t s 7、| 接嚣点r 1 j f j l - 二二j l 介质被士拥 j ， 宜 无线终端c 图2 - 3r t s c t s 工作模式 i e e e 8 0 2 1 l 基本介质访问控制方法是基于二进制指数退避策略的c s m a c a ， 站点在数据发送前都要随机退避一段时间。因为p c f 方式是可选的介质访问方 式，且只用于基础网络结构中，所以本文只介绍d c f 方式。下面介绍d c f 方式中 随机退避机制的实现，先介绍帧间间隔的概念”。 2 2 1 帧问间隔 帧与帧之间的时间间隙为帧间间隔( i f s ：i n t e r f r a m es p a c e ) 。帧间间隔对 于无线局域网十分重要，它是传输介质上的一段强制的空闲时间周期。所有使用 载波侦听功能的站点只有在检测到信道空闲时间大于i f s 后，才认为信道空闲。 m a c 层定义了3 种i f s 。这些i f s 是以提供对无线介质访问的不同优先级来进行 的划分。不同等级的分法是按照其所占时间长短来进行的划分，时间越短，其对 应的优先级就越高。从小到大列出如下： ( 1 ) 短帧间间隔( s i f s ) ( 2 ) 集中协调功能帧间间隔( p i f s ) ( 3 ) 分布协调功能帧间间隔( d i f s ) 凰一 南京邮电大学硕士学位论文i e e e 8 0 2 1 1 标准退避机制及改进机制介绍 竞争窗口 。p i f s。l ld i f s h 1 s i f s l 媒体忙刊 退避宙口 下一帧 1 时晾 i 、 推迟访闷 图2 4 帧间间隔( i f s ) 的关系 1 短帧间间隔 它是最短的时间区段，用以间隔需要立即响应的帧，如控制帧等，s i f s 是 用来实现对某些诸如确认帧的立即回复功能的。当站点已获得介质控制权并且需 要持续控制以完成帧交换顺序时，会使用s i f s 。在帧交换顺序中两次传输之间 使用最短间隔，可以防止其它正在等待介质的站点试图使用介质，而且较长时间 的使用介质。这也就给完成正在进行中的帧交换顺序较高的优先级。 2 集中协调功能帧间间隔 它用以间隔集中式协调功能传送的帧。当某个站点对传输介质发出请求时， 并且得到同意发送的应答信号时会使用这个时间。对p i f s 的定义如下： p i f s = s i f s + 时隙 p i f s 只能够由工作于p c f 模式的站点来使用。 3 分布协调功能帧间问隔 工作于d c f 模式的站点使用d i f s 来发送数据帧和管理帧。如果一个工作于 d c f 模式的站点能够正确接收到数据帧，且在d i f s 时隙边界处的载波侦听显示 介质空闲，且其退避时间已经结束时，则可以发送数据。 不同的i f s 与无线站点的数据传输速率没有任何关系。i f s 大小的定义为传 输介质的时间缺口，i f s 对于所有的物理层都应该是固定的。这些帧间隔的时间 是以微秒为单位来进行测量的，它们之间的时间关系可以参见图2 - 4 ，同时在表 2 - 1 中给出了具体的数值。 南京邮电大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 1 标准退避机制及改进机制介绍 表2 - 1 帧间隔( i f s ) 帧间隔( i f s )d s s sf h s s散射红外线 s i f s1 0 2 87 p i f s3 07 81 5 d i f s5 01 2 8 2 3 2 2 2d o f 退避规程 d c f 基本访问方法如图2 4 所示，首先介绍图中的退避窗口。退避窗口的大 小由随机退避时间确定。 1 随机退避时间 当站点需要发送数据帧和管理帧时，应调用载波侦听机制确定当前介质状 态。如果介质忙，站点将推迟发送，直至介质空闲时间为d i f s 。在d i f s 后，站 点将在发送前生成一个随机退避时间以推迟发送。如果其本身退避时间为非零 值，则不允许选择随机退避时间。该过程可以在多个站点争用信道时，减少碰撞 的可能性。 b a c k o f f t i m e = r a n d o m 0 * a s l o t t i m e 其中： “r a n d o m 0 ”表示为均匀分别在 0 ，c w 范围内的伪随机整数，而c w 为物 理层特征值c ，m ；。( 最小竞争窗口) 和c ，m 。( 最大竞争窗口) 之问的数，其关系为 c k c w cw | 。，“a s l o t t i m e ”为一个时隙的时长，为物理层的特征值。 竞争窗口( c o n t e n t i o nw i n d o w ，c w ) 初始值为c ，m 胪每个站点都维持一 个站点短重传计数器( s s r c ) 和一个站点长重传计数器( s l r c ) ，其初始值都为0 。 当与数据相关的短重传计数器或长重传计数器递增时，相应的站点的s s r c 和 s l r c 值也会增长。当重传计数器递增时，c w 选择下一个值直至c ，m 。，一旦c w 达到c 、7 吒。，c w 将保持该值直至它被复位。这就提高了本次访问协议在高负载 下的工作稳定性。 南京邮屯大学顾f ：学位论文i e e e 8 0 2 1 1 标准退避机制及改进机制介绍 当站点的s l r c 达到门限值a l o n g r e t r y l i m i t ( 长重传次数限制) 或者站点的 s s r c 达到门限s h o r t r e t r y l i m i t ( 短重传次数限制) ，则不再重发数据。站点每次 成功发送个数据后，c w 都被复位为c w o 护当收到作为r t s 应答的c t s 后， 或者收到数据帧的应答a c k 后，站点的s s r c 将被复位为0 ；当收到长度超过r t s 门限的帧的a c k 应答帧后，站点的s l r c 将被复位为0 。 2 退避规程 对于要发送数据的站点而言，当物理载波或虚拟载波侦听发现介质忙时，则 该站点将调用退避规程。当发送站点预测一个发送失败后，也将调用退避规程。 退避如图2 - 5 所示。 站 站 站 站 站 d i f s - 畸l ；懈 退避 1 一 _ _帧f 摊趔 ：l h 帧 - 0 蚓 一帧 推赶 一 帧 口= 已经退避时间 l = 剩余退避时间 图2 - 5 退避规程 退避规程简介如下：在退避规程开始时，站点随机计算一个退避时间来设黄 退避计时器。只有当介质空闲时间达到d i f s ，开始退避。 执行退避规程的站点用载波侦听机制决定每个退避时隙间介质是否由活动。 如果在某一退避时隙期测没有介质活动的报告，则退避规程将退避定时器减去 个时隙时f b j 。 如果在退避时隙期间，介质状态为忙，退避规程将挂起，退避定时器对该时 隙不计数。当介质空闲时间达到d i f s ，允许重新开始退避规程。只要退避定时 器为o 时，就可以开始发送。 当数据发送成功，退避规程在接收到a c k 之后重新丌始；当数据没有被成功 发送时，退避规程在a c k 定时器结束之后重新开始。如果发送成功，c w 在随机 俜 南京邮电大学硕士学位论文 i e e e 8 0 21 1 标准退避机制及改进机制介绍 退避间隙选定之前值c w m i n ，站点相应的重传计数器更新。 该规程的结果为：在多个正要延迟发送且进入随机退避的站点之间，使用随 机函数选用最小退避时间的站点将赢得竞争。 2 3b e b 机制存在的问题和改进机制 8 0 2 11 d c f 中采用的标准退避机制是二进制指数退避机$ 4 b e b ( b i n a r y e x p o n e n t i a lb a c k o f f ) 。b e b 机制存在着很多问题 9 1u o ，比如在某一小段时间内， 它总是有利于前一次成功发送的站点短时间内再次竞争信道，从而造成小时间尺 度上的不公平性现象( 短程不公平性) ，并导致包发送时延的大范围抖动，这会对 实时业务产生不利影响。短程不公平现象是由于c w 变化过于剧烈而造成的。b e b 的另一个问题是当网络中只有一个活跃站点( 不存在包碰撞问题) 时，其竞争窗口 c w 始终等于c ，m 。( 过大) ，仍然需要平均退避c k 2 个时隙刁能发送一个包； 而当网络站点数较多时，站点每次成功发送后都将c w 重置为c w l 。i 。( 过小) ，这 又会引起新的碰撞。机制参数不能随网络状况而改变造成了资源浪费。 2 3 1 改进退避机制分类介绍