（通信与信息系统专业论文）基于voip业务的无线局域网mac协议改进研究.pdf

南京邮i u 人学颂l j 研究生学位论义 摘要 摘要 在i p 网络上用分组方式传输语音的v o i p 技术，与w l a n ( 无线局域网) 结合在一起， 称为v o w l a n ( 无线局域网上的语音) 。由于w l a n 网络的性价比很高，v o w l a n 具有 巨大的市场前景。 目f i l l ，v o w l a n 网络面临的主要问题是：q o s ( 服务质量) 不够稳定、网络的容量低。 本论文试图通过改进w l a n 的m a c 层协议，来提高v o w l a n 网络的容量和q o s 。 本论文首先介绍了w l a n 基本原理。然后论文介绍了m a c 层d c f 的工作机理、v o l p 和无线信道的基本知识，详细介绍了一些提高网络性能的改进方案，如r t s c t s 、e d c a 、 m m ( 聚合多播) 等，对比了这些方案的特点和优劣。 在m m 机制的基础上，本论文提出了m m m ( 多速率一聚合多播) 机制。论文对 m m m 的工作原理和可行性进行了详细研究。论文通过计算和仿真( o p n e t 仿真平台) ， 对m m 和m m m 的性能进行了对比研究。结果表明，和m m 比较，m m m 能够提高 v o w l a n 的容量和可靠性。 关键词：无线局域网，i p 电话，媒体接入层，m m m 南京邮l 【1 人学烦i j f i j f 宄生学位论义 a b s t r a c t a b s t r a c t v o i pi st h et e c h n i q u eo fv o i c et r a n s m i s s o ni np a c k e t so v e ri pn e t w o r k t h ec o m b i n a t i o no f w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) a n dv o i pi sv o w l a n ( v o i c eo v e rw l a n ) t h a n k st oi t s g o o dc o s t e f f e c t i v e n e s s ，v o w l a nh a sah u g em a r k e tp o t e n t i a l r e c e n t l y t h em a j o rp r o b l e m sf a c e db yv o w l a na let h ei n s t a b i l i t yo fq o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) a n dp o o rc a p a c i t y t h i sp a p e ri n t e n d st om o d i f yt h em a cl a y e rp r o t o c o lo fw l a n t o i m p r o v et h ec a p a c i t ya n dq o so fv o w l a n f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sw l a n sb a s i ck n o w l e d g e t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h e d c f sm e c h a n i s mo fm a cl a y e r v o i pa n dw i r e l e s sc h a n n e l sb a s i ck n o w l e d g e a n di t e l a b o r a t e ss e v e r a li m p r o v e ds c h e m e st oi m p r o v et h en e t w o r kp e r f o r m a n c es u c ha sr t s c t s ， e d c aa n dm - m ( m u l t i p l e x m u l t i c a s t ) t h e p a p e r a l s o a n a l y s e st h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s m - m m ( m u l t i r a t e m u l t i p l e x m u l t i c a s t ) s c h e m eb a s e do nm - mi sp r o p o s e d t h ep a p e r a n a l y z e st h ep r i n c i p l ea n df e a s i b i l i t yo f m - m mi nd e t a i l s t h ep a p e rc o m p a r e st h em m sa n d m m - m sp e r f o r m a n c eb yc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o n ( o p n e ts i m u l a t i o np l a t f o r m ) t h er e s u l t s h o w st h a tm m mm e c h a n i s mc o u l di m p r o v eb o t h c a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo fv o w l a n ， c o m p a r e dw i t hm mm e c h a n i s m k e y w o r d ： w l a n ，v o l p ，m a c m m m 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我上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。 研究生签名：日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：。 导师签名：日期： 南京邮l 乜人学缈11 l j 究生学位论文第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 v o l p ( v o i c eo v e ri p ) 是在i p 网络( 因特网) 上实现语音通信的技术。v o l p 出现的时 间很短，但随着i p 网络的同益普及，得益于明显的成本优势，v o l p 以惊人的速度发展。 v o l p 使得传统电话网络和i p 数据网有机地融合，有效地简化通信系统，降低系统成本。 v o l p 使得话音业务与数据业务有机地融合，丌发出包括传真、视频的各种新业务。有分析 预测认为，v o l p 将取代传统电话，从而彻底改变电信行业的现状。 i p 网络采用的是t c p i p 协议，它最初是用来传输突发性的数据业务的，i p 网络对周 期性的语音业务的支持不好。 无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl a n ) 是局域网l a n ( 1 0 c a la r e an e t w o r k ) 和无线通信技术 的结合。w l a n 使得网络上的各种终端设备摆脱了电线电缆的束缚，能够自由移动。由于 节省了电缆，w l a n 的建设和维护成本也比有线局域网的低，因此w l a n 得到了广泛的 应用。 无线通信给人们带来方便的同时，也在技术上带来了新的挑战，无线电波的带宽和稳 定性都远不如有线电缆和光纤。这使得w l a n 的信道速率、安全性都不如l a n ，其协议 也比l a n 的复杂。 话音业务需求稳定、利润丰厚；i p 技术成本低廉；无线通信灵活方便。把三者结合起 来在w l a n 传送话音的v o w l a n ( v o i c eo v e rw l a n ) 前景非常光明。目前和传统电话技 术比较，v o w l a n 面临的最大困难一是容量低：二是服务质量q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 不够 稳定。因此提高v o w l a n 的容量和q o s ，对v o w l a n 的发展有着决定性的意义 3 1 】【3 2 】3 引。 1 2 论文的任务 w l a n 标准对应的是丌放系统互连参考模型o s i 模型的m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层和物理层。在m a c 层的基本接入方式上，w l a n 和传统电话网的区别是：w l a n 采 用的是随机竞争式的分布式协调功能d c f ( 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 ) ，传统电话网 采用的则是固定分配式的。这是因为w l a n 主要面向突发性的数据业务，传统电话网主 要面向周期性的语音业务。 l 南京| | i i j i u 人学坝i j 例 生学位论文 弟一币绪论 语音业务和数掘业务有着很大的区别。相对而言，数掘业务的特点是：突发性，帧体 长、上下行不对称，对误码敏感，可以容忍一些迟延。话音业务的特点是：周期性，帧体 短、上下行对称，对迟延敏感，可以容忍少量的误码。 d c f 能够很好地支持数据业务，但是对语音业务的支持还不能令人满意。v o w l a n 的发展要求人们根据语音业务的特性，在d c f 的基础上，为v o w l a n 制作一个新协议。 新协议既要能够提高v o w l a n 的性能，又要兼容现有的d c f 。以d c f 为基础，对w l a n 的d c f 作适当的改进，使之更好地支持v o w l a n ，是本文研究的任务。 1 3 该课题的研究现状 如图l - l 所示，基于d c f 的点协调功能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 ) 能够提供无竞 争服务。p c f 属于受控访问类协议，其原理是由某一个节点通常是接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 统一协调信道的多路访问。一方面p c f 本身也需要一些丌销；另一方面，p c f 协议的复杂 性较高。这就限制了其适用范围。 p c f 用于无竞争服务 l d c f 用于竞争服务 图卜1d c f 和ip c f 的芙系 在w l a n 内，上行和下行话路之间，实时业务与非实时业务之| 日j 有很大的不同。但 是i e e e8 0 2 1 l 的初始版本却一视同仁，没有区别对待，这些不足限制了v o w l a n 的容 量。于是人们提出了实时业务优先、m m ( 下行语音帧的聚合一多播) 等改进措施【7 】【3 7 1 。 本论文对上述提高v o w l a n 传输容量的改进措施进行了分析研究，并在m m 机制基 础上，提出了性能更好的改进机制m m m 。m m m 的原理是根据无线信道速率的不同， 在a p 中设置多个队列，先把下行语音帧放到多个队列罩，然后再聚合一多播，队列的最佳 设置由a p 通过执行算法获得。m m m 在一定情况下能完全还原为m m 。 1 4 本论文的组织结构 本论文其他章节的内容安排如下： 第二章介绍i e e e8 0 2 11 中和论文有关的基本知识，包括o s i r m 的七层模型、m a c 子层在o s i r m 中的地位和作用、w l a n 的构成和特点、i e e e8 0 2 1 l 协议和i e e e8 0 2 其他协议的关系、i e e e8 0 2 1 l 系列各版本的概况、m a c 层协议数据单元m p d u 的一般 塑室坚! 坚叁兰堡! 型二2 1 1 竺堂丝堡茎 堡二主堕笙 格式、和论文有关的部分帧的m p d u 格式和i e e e8 0 2 i1 物理层p d u 的格式。 第三章围绕着w l a n 的m a c 层协议d c f 的核心c s m c a 机制的基本原理和特点 展丌。首先介绍了m a c 子层多路访问协议的三种基本接入方式，重点介绍了随机访问类 协议。然后详细阐述了c s m a c a 最重要的三个组成部分：m a c 层的确认、帧间隔和随 机退避算法。最后简单介绍了建立在c s m c a 上的r t s c t s 机制。 第四章介绍了v o l p 的封装原理、交换方式、帧结构、若干种信源编码的参数和衡量 q o s 性能的指标，本章为第七章的理论计算和仿真提供依据。 第五章介绍了w l a n 的无线信道的基本知识。无线信道的性能直接影响着无线信号 的强度和质量进而影响着无线信道的速率。第六章m m m 机制中的多速率( m u l t i r a t e s ) 需要本章的知识作为依据。 第六章是本文的重点和核心，在第三章的基础上，本章详细论述对d c f 的改进协议 i e e e8 0 2 1 l e 的e d c a 和m m 机制，分别分析了它们的优缺点，在m m 的基础上， 结合第五章的无线的信道理论，针对w l a n 下行的无线信道速率通常不唯一的特点，提 出了m m m 机制。 第七章是理论计算和仿真部分，介绍仿真工具o p n e t ，通过计算和仿真，比较了 m m m 和m m 的性能。 第八章对全文的工作做了总结和展望。 附录a 列出了论文中出现的重要的英文缩写词的中英文解释。 附录b 给出了工程中广泛使用的表示功率的d b m 和d b 的计算公式。 南京邮il 1 人学硕i ：研究生学位论义第一二幸 i e e e8 0 2 1 l 标准 第二章i e e e8 0 2 1 1 协议 2 1i s o 的o s i r m 把若干台具有独立功能的计算机，通过传输设备互相连接，实现计算机之问信息交换 与传输的系统，就称为计算机通信网。各种计算机系统的互联互通首先需要一个国际范围 的标准。1 9 7 7 年，国际标准化组织i s o 提出了丌放系统互连参考模型o s i r m ( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o n r e f e r e n c em o d e l ) ，并在1 9 8 4 年5 月批准为国际标准1 1 2 j 【1 3 】。 如表2 1 所示，o s i 。r m 把所有的通信网络划分成了在逻辑上相临的7 层。各层的协 议相互独立，每层都有一个定义明确的功能，上层与下层之间通过标准接口交换信息。分 层的优点是可以把一个复杂的问题分解成若干子问题分别解决，缺点是效率不高1 2 】【1 3 】。 表2 一io s i r m 的七层协议 序号 名称 简称功能 7 应用层a与用户应用进程的接口 6 表示层 p 数据格式的转换 5 会话层 s 会话管理与数掘传输的同步 4 运输层 t进程到进程透明地传送报文 3 网络层n 分组传送、路由选择 2 数据链路层 d l 在链路上无差错地传送帧 l 物理层 p h 经物理媒体透明传送比特流 当一个链路上有多个用户的时候，就需要多路访问协议在用户间协调访问链路。据此 数掘链路层( d a t al i n kl a y e r ) 分成l l c ( 1 0 9 i cl i n kc o n t r 0 1 ) 子层和m a c 子层。数据链路层中 与多路访问协议有关的功能在m a c 子层，与多路访问协议无关的功能在l l c 子层。 协议数据单元p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 4 钚d j 端点的各层对等实体间交换的信息单元。 p d u 包括用户数据单元s d u ( s e r v i c ed a t au n i t ) 和协议控制信息p c i ( p r o t o c o lc o n t r o l i n f o r m a t i o n ) 。m a c 层的s d u 称为m s d u ，m a c 层的p d u 称为m p d u 。如图2 - 1 所示， 上层的p d u 是下层的s d u ，m p d u 是物理层的s d u 。m a c 层管理协议数据单元称为 m m p d u 。 4 南京i l i l j i 【1 人学颂l j 研究生学位论义第二章 i e e e8 0 2 1 1 标准 图2 1 上层与卜层之间的信息交换 2 2 无线局域网w l a n 根据网络覆盖范围从大到小可以把计算机通信网分成广域网、城域网和局域网l a n 。 无线局域网w l a n 是无线通信技术在计算机网络中的应用。它采用无线电波代替传 统电缆，摆脱了电缆的束缚，提供了方便灵活的通信服务。w l a n 的设备可以变换位置。 w l a n 没有电缆，降低了组网和同常维护的成本。 w l a n 的基本单位是基本服务集合b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) ，b s s 由若干节点组成，节 点分成用户终端s t a 和接入点a p 。s t a 可以是笔记本电脑、p d a 等，s t a 和b s s 的关 系是动态的，s t a 可以自由地进入和离丌b s s 。a p 的两侧连接有线网络和无线网络。 w l a n 的b s s 可以分成两类：无中心的和有中心的。 无中心的b s s 没有a p ，只有s t a ，所有的s t a 都是平等的，通信在s t a 之间直接 进行。这种模式的网络也被称为a dh o c 网络。其缺点是覆盖范围小，不能访问有线网络。 有中心的b s s 内有一个a p ，所有的s t a 通过a p 访问网络。经过a p 的流量占到 b s s 的约一半，弱点是a p 的故障将导致整个网络瘫痪。 幽2 - 2e s s 的内部结构 多个b s s 的互联互通可扩展网络的覆盖范围。连接多个b s s 的网络构件称为分发系 统d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，d s 和多个b s s 组成了扩展服务集合e s s 。如图2 2 所示， a p 是b s s 内的s t a 与d s 通信的桥梁和纽带1 3 j 【4 j 。 5 南京邮i u 人学坝i ：研歹z 生学位论义 第_ 二币i e e e8 0 2 1 1 枥i 准 w l a n 的特点有： ( 1 ) 目的地址不等于目的位置。在无线网络中，节点的位置不是固定的。 ( 2 ) 无线媒介没有绝对或能观察的边界，容易受外部信号的干扰；无线媒介的可靠 性不如有线媒介，动念的拓扑结构，节点之l b j 缺乏完全的连接，可能存在“隐藏”节点； 时变和不对称的传播特性。 ( 3 ) 8 0 2 1 l 要能处理可携带的节点。由于各层之i n j k f l 互独立，8 0 2 1 1 的m a c 子层必 须处理移动功能。移动s t a 是依赖电池供电的，因此必须考虑功率控制 3 1 1 引。 2 3i e e e8 0 2 1 1 协议系列 目前w l a n 的标准有h o m e r f ( 家用射频技术) 、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 、h i p e r l a n ( 欧 洲的无线接入标准) 和i e e e8 0 2 1 l 。其中i e e e8 0 2 1 l 协议系列是w l a n 的主流标准。 本文对w l a n 的研究面向的就是i e e e8 0 2 1 l 。 1 9 8 0 年2 月，i e e e 成立负责制定局域网标准的8 0 2 工作组，8 0 2 工作组制定了一系列 标准，其中8 0 2 1 是局域网的概述、体系结构、寻址、网f 白j 互连和网络管理的指南文件【1 1 。 i e e e8 0 2 2 i e e e8 0 2 1 1 图2 - 3i e e e8 0 2 1 1 是m a c 子层和物理层的标准 如图2 3 所示，i e e e8 0 2 2 是关于局域网的l l c 子层的标准；适用于各种拓扑结构 2 1 。 i e e e8 0 2 1 l 标准对应的是w l a n 的m a c 子层和物理层1 3 1 1 4 1 。 i e e e8 0 2 1 1 协议系列包括一系列版本，各版本从不同的角度规定了w l a n 的性能。 i e e e8 0 2 。1 1 初始版本的物理媒介有红外线和射频r f 、r f 工作在2 4g h z 频带，分 成直接序列扩频d s s s 和跳频扩频f h s s 两种方式。d s s s 采用b a r t e r 序列，调制方式使用 d b p s k 和d q p s k ，信道速率分别是l m b s 和2 m b s 。f h s s 的调制方式使用2 g f s k 和 4 g f s k ，信道速率分别是1 m b s 和2 m b s 。目日，j 应用最多的是d s s s 方式3 1 1 4 1 。 i e e e8 0 2 1 l 孕工作在5 g h z 频段，采用o f d m 技术，调制方式有b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、 6 4 q a m ，编码速率有1 2 、2 3 和3 4 ，信道速率有6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 、5 4 m b si s l 。 i e e e8 0 2 1 l b 工作在2 4 g h z 频段，兼容i e e e8 0 2 11 。d s s s 采用c c k 和q p s k 6 南京邮i u 人学坝l j 研究生学位论义第_ 二帝 i e e e8 0 2 11 标准 的调制方式，信道速率还可以达到5 5 和1 1m b s 1 6 1 。 i e e e8 0 2 1 1 9 工作在2 4 g h z 频段，兼容i e e e8 0 2 1 1 b 。信道速率有i e e e8 0 2 1 1 b 的1 、2 、5 5 、1 1 m b s ，也有采用o f d m 技术的6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 、5 4 m b s ， 还有2 2 和3 3m b s ! 引。 i e e e8 0 2 1 1 e 是可提供q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 保证的增强型w l a n 标准，提出了区 分业务的属性，把业务分为四个优先级，解决了不同属性的业务的竞争问题1 7 j 。 2 4i e e e8 0 2 1 1m p d u 的一般格式 m a c 层从高层接收m s d u ，在m s d u 前后填入控制信息，就成为m p d u 。如图2 - 4 所示，m p d u 包括m a c 头部、m s d u 和帧校验序列f c s ( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) 。 图2 - 4m p d u 的格式 ( 1 ) 协议版本子域，长2 比特。 ( 2 ) 帧类型和子帧类型子域，两者标明了帧的功能。帧类型的规定如表2 2 所示。 表2 - 2 帧类刑何对应的编码 b i t2 10 0o l1 011 帧类型管理帧控制帧数掘帧保留 ( 3 ) 输入分发系统t od s 和输出分发系统f r o md s 子域，其含义如图2 3 所示。 7 南京邮i 【1 人学坝i ：研究生学位论义 第二章i e e e8 0 2 1 1 标准 表2 3 t od s 和f r o md s 侮对麻的编码 t od s f r o md s 0 00 1 1 01 1 含义s t a 到s t ad s 发到s t as t a 发到d sd s 到d s ( 4 ) 更多段标识，如果当前m s d u 和m m p d u 还有待发送的段，就设置为1 。 ( 5 ) 重传标识，如果当日订数据帧和管理帧是重传的，就设置为l 。 ( 6 ) 功率管理标识，设为1 表示s t a 将进入节能状态，设为o 表示s t a 将进入活跃 状态。 ( 7 ) 更多数据标识，在节能模式中，设为1 表示a p 还有待发给s t a 的m s d u 和 m m p d u 。 ( 8 ) w e p 加密标识，如果帧体是用w e p 算法加密过，则该标记设置为1 。 ( 9 ) 顺序标识，设置为1 表示传输是严格排序服务。 ( 1 0 ) 持续时间i d 域。在表示持续时i 日j 长度时，供节点用末更新网络分配矢量 n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) 。n a v 表示信道从忙转到空闲需要的剩余时间。 ( 1 1 ) 地址域。最多有4 个地址( 地址1 、地址2 、地址3 和地址4 ) ，每个地址长 4 8 比特。m a c 地址分为单播、多播和广播地址。 ( 1 2 ) 分段序列号子域，从零丌始，依次递增1 ，重传时不变。 ( 1 3 ) 帧序列号子域，由模4 0 9 6 的计数器产生，从零丌始，依次递增1 ，重传时不变。 ( 1 4 ) m s d u 。如果m s d u 未加密过，最大长度是2 3 0 4 字节；如果加密过，最大长 度值是2 3 1 2 字节。在发送端对大于门限的m s d u 需要进行分段。每个段都需要对方的确 认，每个段都有一个分段序列号。当传送结束，就把帧控制域的更多段标记置为零。 ( 1 5 ) f c s 。f c s 是长度为3 2 比特的循环冗余码c r c 。 2 5i e e e8 0 2 11 部分帧的m p d u 格式 ( 1 ) 简单数据帧( d a t a ) 帧控制持续地址l地址2地址3 顺序地址4m s d u f c s 时间控制 2 字节2 字节6 字节2 字节 6 字节2 字节 6 字节 o 2 3 1 24 字节 字节 m a c 头部 图2 5 数据帧格式和各字段k 度 简单数据帧是数据帧，其一般格式如图2 - 5 所示。 8 南京邮f 也人学颂1 ：4 i j 4 9 生学位论义第二幸i e e e8 0 2 1 1 标准 如表2 4 所示，地址域的设置和帧控制域的输入d s 和输出d s 位存在着对应关系。 表2 4t od s 和f r o md s 对麻的地址域的内容 t od sf r o md s 地址1地址2地址3地址4 o 0d as ab s s i d 0l d ab s s i ds a l0b s s i d s a d a l lr a用d as a d a 是帧体m s d u 的最终目的节点地址。如果d a 设置成全1 就表示是广播帧。 s a 是帧体m s d u 的初始发送节点地址。 当d a 和s a 在不同的b s s 中，就要通过中间节点，中间节点的地址称为r a 和t a ： r a 是帧体m s d u 的本次接收节点地址。 t a 是帧体m s d u 的本次发送节点地址。 b s s i d 用来唯一地标识每个b s s 。b s s 如果有a p ，则b s s i d 是a p 的地址。 ( 2 ) 应答确认帧( a c k ) 帧控制持续时间r af c s 2 字节2 字节6 字节4 字节 图2 - 6a c k 帧格式和各字段长度 a c k 帧是控制帧，如图2 - 6 所示，长1 4 字节。r a 是接收该a c k 帧节点的地址。 a c k 帧有两个作用；( 1 ) 正确收到数据帧、管理帧和轮询帧后，通知发送方；( 2 ) 分 段传送时，对每个分段都要回复a c k 帧，把持续时i 、日j 通知其他节点，继续占用信道。 ( 3 ) 请求发送帧( r t s ) 帧控制持续时l 日j r a 7 乃f c s 2 字节2 字节6 字节6 字节4 字节 图2 7r t sl 帧格式和k 度 r t s 帧是控制帧，如图2 7 所示，r t s 帧长2 0 字节，t a 是r t s 帧的发送节点地址， r a 是r t s 帧的接收节点地址。持续时i 日j 域供收到r t s 帧的节点更新n a v ，以防止冲突。 9 南京邮i 也人学帧i j 研究生学位论义第一二章i e e e8 0 2 1 l 标准 ( 4 ) 允许发送帧( c t s ) 帧控制持续时f n j r af c s 2 字节2 字节6 字节4 字节 图2 8c t s 帧格式和k 度 c t s 是r t s 帧的响应帧，也是控制帧，如图2 8 所示，c t s 帧长1 4 字节。r a 是收 到的r t s 帧的t a 域复制。持续时间域供收到c t s 帧的节点更新n a v ，以防止冲突。 2 6i e e e8 0 2 1 1 的物理层格式 图2 - 98 0 2 1 1 8 0 2 1 1 b 的物理层p d u 格式 8 0 2 1 1 8 0 2 1 1 b 的物理层丌销( 前导码+ 头部) ，如图2 9 所示，长1 9 2 比特，物理 层丌销的信道速率是1 m b s ，因此要占用1 9 2 微秒。其中信号( s i g n a l ) 域表示传输m p d u 的信道速率 3 1 1 4 1 【i i 】。 2 7 本章小结 本章简单介绍了计算机通信网、l a n 和w l a n 的基本知识，着重介绍了i e e e8 0 2 1 l 协议系列。 1 0 南京i | j | j i 【i 人学硕i ：f j 究生学位论文第二三章i e e e 8 0 2 1 l 的d c f 第三章 i e e e8 0 2 1 1 的d c f 3 1m a c 子层的多路访问协议 m a c 子层的多路访问协议可以分成三大类：随机访问类、受控访问类、固定分配类 【1 2 j 【1 4 i 。随机访问类胁议包括a l o h a 、c s m a c d 和c s m a c a 等。受控访问类协议包括 预约、轮询和令牌传递等。固定分配类协议包括频分多址f d m a 、时分多址t d m a 、码分 多址c d m a 和空分多址s d m a 等【1 2 】【1 4 1 。 3 1 1 随机访问类协议 在随机访问协议中，节点在信道上的冲突是不可避免的。如何解决冲突，是这类协议 必须要面对的。在随机访问协议中，所有节点都遵循同一程序，该程序需要回答四个问题。 ( 1 ) 何时访问信道? ( 2 ) 如果信道忙，怎么办? ( 3 ) 如何确认传输是成功还是失败? ( 4 ) 如果访问发生了冲突，怎么办? 最早的随机访问协议是夏威夷大学发明的a l o h a ( a d d i t i v el i n ko n 1 i n eh a w a i i s y s t e m ) 。在a l o h a 罩，每个节点只要有帧就发送，判断帧发送是否成功依赖接收方的确 认。如果超时后还没有收到确认，就重发帧。在重发前，需要随机地等待一段时间，等待 时间的长度由随机退避算法确定，重发若干次后还失败就放弃待发送的帧。 在a l o h a 的基础上，如果节点在发送前先侦听一下信道的状况，则可以减少信道上 发生冲突的概率，这就是载波监听多路访问c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 1 1 2 1 。 冲突检测c d ( c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 要求节点一边发送数据，一边检测信道上信号的强度。 当检测到信号的强度超过预先没定的门限值，就认为至少有两个节点在发送数据，即产生 了冲突。在有线信道中，发送和接收信号的能量基本一致，发生冲突时，信道能量几乎翻 倍，因此直接在信道上检测冲突是可行的。c s m a 和c d 的结合就称为c s m c d ，i e e e 8 0 2 3 采用的就是c s m a c d1 1 2 1 。 在无线通信中，由于无线电波衰减很大，发生冲突时天线上的能量只能增加大约5 l o ，而且无线信号强度的波动很大，因此节点很难直接在信道上检测冲突。又由于w l a n l i 南京l i i | ! i u 人学帧l ：研，c 生学位论义第三币 i e e e8 0 2 i i 的d c f 存在着隐臧节点的问题，所以在w l a n 中不能使用c d ，而要改用冲突避免c a ( c o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 机制。c s m a 和c a 的结合就称为c s m a c a 1 1 2 1 。 随机访问协议很适合数突发性的业务，数据通信网采用的就是这类协议。 3 。1 2 固定分配和受控访问类协议 固定分配类协议可以做到完全没有冲突。各个用户使用不同的频道、时隙、扩频码、 空间，互不干扰。固定分配类协议适合周期性业务。传统电话网使用的就是这类协议。 在受控访问类协议中，站点之间相互协商决定站点是否发送。受控访问类协议可以提 供无竞争服务。i e e e8 0 2 1 1m a c 层的点协调功能p c f 就属于受控访问类协议。 3 2c s m a c a 机制 i e e e8 0 2 1 1 的m a c 子层的多路访问协议主要采用的是分布式协调功能d c f ( 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 ) 。在d c f 下，由于节点之f b j 没有统一的协调机制，在 访问信道的过程中，必然会有冲突。d c f 使用c s m a c a 机制来减少和解决冲突 3 1 1 4 1 。 节点a 向节点b 发送数据帧的过程中，各节点占用信道的情况如图3 - 1 所示。 节点a_ ，。信遭忙 随机退避发送数据等待确认 节点b 产 信道忙信道空闲接收数据回复确认 茸宦带占p 信道忙 d i f s信道空闲信道忙s i 矗信遭忙 。”f 图3 1 1 ，点a 给1 7 点b 发送数据帧的过氍 c s m a c a 是“先听后说”的机制，节点在发送数据帧自i f 必须先监听信道。如果信道 忙则需要等待，等到信道从忙转变成闲，就执行随机退避算法来解决信道的竞争问题。退 避时间结束后，立即发送数据帧。 c s m a c a 对信道的监听包括物理载波监听( 物理层) 和虚拟载波监听( m a c 层) 。 必须两者都是空闲，爿。能认为信道是处在空闲的状态。 虚拟载波监听通过分发信道保留信息宣告即将使用信道。分发信道保留信息的一个方 法是使用r t s c t s 机制，即在实际数据帧自可先交换r t s c t s 帧。r t s 和c t s 帧包含的持 续时间域定义了传送数据帧和回复的a c k 帧所需要的时间。在起始( 发射r t s 帧的) 和 目标( 发射c t s 帧的) 节点接收范围内的所有节点都会注意到信道保留信息。分发信道保 1 2 南京1 1 5 i 也人学坝i j 研究生学位论义钯三章i e e e8 0 2 i1 的d c f 留信息的另一个方法是直接使用帧的持续时间域，这个域给出了信道保留的时问，或者是 到紧接着的a c k 帧的结束，或者是在分段序列中，到下一个段的a c k 帧的结束。 虚拟载波监听的原理足节点根据收到的信道保留信息更新自己的网络分配矢量n a v 。 c s m a c a 主要包括三个部分：随机退避算法、m a c 层的回复确认和帧1 8 j 隔i f s 。 3 2 1 随机退避算法 为减少冲突，节点在发送数据帧前经常要随机退避一段时间，随机退避时1 + s j ：随机整 数魁时隙长度，其中时隙长度是物理层的固定参数，随机整数r i 出随机退避算法确定。 最常用的随机退避算法是二进制指数退避b e b ，如表3 - 1 所示，b e b 用到两个变量： 竞争窗口c w 和发送次数t c ：三个常量：c wm i n 、c wm i n 和t cm a x 。 表3 1b e b 中变鼙的取值 变量竞争窗口c w发送次数t c 变量取值范围c wm i n c w c wm a x1 t c t cm a x 变量初始值 c wm i n l b e b 算法的执行步骤如下： ( 1 ) 在均匀分布 0 ，c w 1 中随机产生一个整数赋给r i 。信道每空闲一个时隙，r i 的值减l ，直至r i 减到0 。r i 减到0 后，立即发送数据帧。 ( 2 ) 如果数据帧发送成功，就恢复变量的初始值；如果失败，转到( 3 ) 。 ( 3 ) c w 的值增加一倍，但最多不能大于c wm a x 。t c 的值增加1 ，转到( 4 ) 。 ( 4 ) 如果t c t cm a x ，则转到( 1 ) ，反之则丢弃当前包，结束本次随机退避。 3 2 2m a c 层的回复确认 节点在发送数掘和管理帧后，很难判断是否f 确送达。因此，在f 确接受后，接收方 要予以确认，通常是给发方回复a c k 帧。如果没有收到a c k 帧，发送方就认为发送失败。 3 2 3 帧间隔i f s 帧与帧之i 日的f u j 隙时间称为帧i 口j 隔i f s ，所有使用载波监听功能的s t a 通过检测信道 空闲时间是否大于i f s ，来判断信道是否空闲，i f s 与节点的信道速率无关。m a c 层定义 了四种不同的i f s ，i f s 越小优先级越高。i f s 从d , n 大是【4 l ： 塑塞! ! ! ! ! ! 坚叁兰丝! 型壅竺堂竺笙竺 笙三主! 兰兰里! ! ! ：! ! 竺里竺! ( 1 ) 短帧i 旬隔s i f s ，用在发送a c k 帧、c t s 帧、m s d u 分段后的非首个m p d u 前； ( 2 ) p c f 的帧i b j 隔p i f s ，用在p c f 下发送数据帧和管理帧前。p i f s = s i f s + s l o t t i m e ； ( 3 ) d c f 的帧i 日j 隔d i f s ，用在d c f 下发送数据帧和管理帧d 玎。d i f s ：p i f s + s l o t t i m e = s i f s + 2 x s l o t t i m e ； ( 4 ) 扩展的帧间隔e i f s ，在d c f 下，当未f 确接收到m a c 帧时，使用e i f s 。 3 3r t s c t s 机制 r t s c t s 的设计思想是节点在发送数据帧自仃，先使用小的r t s c t s 帧预约信道，以 减少数据帧在信道上的冲突和解决w l a n 的隐臧节点问题。r t s c t s 机制的完整过程如 图3 2 所示：发送节点发送r t s 帧，通知其他节点，自己需要占用信道。收到r t s 帧的 节点，根据r t s 帧的持续时间域调整自己的n a v ，并检查r t s 帧的r a 域，如果自己是 接收节点，就回复c t s 帧给发送节点，收到c t s 帧后发送节点就丌始发送数据帧。接下 来，信道由这两个节点独享，从而避免了冲突【4 】【1 2 1 。 r t s 帧 s i f sc t s 帧s i f s 数据、管理帧 s i f s a c k 帧 发送节点接收节点发送节点 接收节点 幽3 2c t s r t s 机制的完整过科示意图 由于r t s 帧需要回复c t s 帧，所以c t s r t s 只能用于单播，不能用于广播和多播。 r t s c t s 机制的原理是用小的r t s c t s 帧为大的数据帧预先占用信道。而语音包的 特点是小而多，因此r t s c t s 机制不适用于v o w l a n1 3 8 】。 3 4 本章小结 本章阐述了w l a n 在m a c 层采用的d c f 的基本原理，包括c s m a c a 的三个组成 部分即随机退避算法、m a c 层的确认机制和帧问隔。本章还简单介绍了c s m a c a 基础上 的r t s c t s 机制。本章的内容是后文第六章d c f 的改进坍议的基础。 1 4 南京邮i 也人学硕i j 州究生学位论文第p q 章v o w l a n 第四章v o w l a n v o l p ( v o i c eo v e ri p ) 也称i p 电话，是在i p 网络上传送话音业务的技术。v o l p 的原理 是在发送端对语音进行编码，按t c p i p 标准封装，通过i p 网送到接收端后，接收端再进 行解码，恢复成原来的语音信号。v o l p 帧一般采用r t p u d p i p 方式封装，把语音负荷从 上往下封装进v o l p 帧的一般格式如图4 一l 所示【1 6 1 【1 7 i i 8 】【9 1 。v o w l a n 是用w l a n 承载 v o l p 的技术，即v o l p 帧是w l a n 的m s d u 。 语音负荷 r t p 头部语音负荷 u d p 头部r t p 头部语音负荷 i p1 = 黜u d p 头部r t p 头部 语音负荷 4 1t c p i p 协议 图4 1v o l p 帧的一般格式 把不同物理结构的计算机