（计算机软件与理论专业论文）ieee+80211+pcf机制下的实时业务qos保证.pdf

摘要 近年来，随着无线局域网( 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 ) 的高速发 展和i e e e 8 0 2 11 标准的不断普及，如何在w l a n 中满足实时业务严格的服务质 量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 需求，引起了人们广泛的兴趣。 i e e e8 0 2 1 1 标准定义了两种信道访问机制：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 n f t m c t i o n l 和点协调功能( p c f ，p o i n t c o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) 。d c f 通过载波侦听多路访问冲突避免( c s m a c a ，c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e a c c e s s w i t h c o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 机制，为异步数据传输提供分布式的基 于竞争的信道访问；p c f 通过轮询( p o l l i n g ) 机制为实时业务提供无竞争的服务。 为了对实时业务提供q o s ，人们在d c f 基础上做了许多基于优先级区分机制的 改进，但在p c f 基础上所作的研究较少。这是因为p c f 是一种可选模式，大多 数的无线网络产品不支持p c f 。但是，因为p c f 具有面向连接的特点，更适于 为交互式实时应用提供严格的参数化的q o s 保证。 本文详细介绍了i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 层机制，分析了各种针对q o s 的改进 措施，研究了p c f 机制下实时业务和非实时业务的性能。我们发现在网络轻载 时，也就是说实时连接很少，竞争信道的非实时节点也不多时，p c f 表现很好。 但是随着实时连接数的增加。p c f 性能很差。此外，p c f 采用r o u n dr o b i n 调度 策略，因此只提供竞争服务和无竞争服务两个优先级。为了对音频、视频业务提 供参数化的q o s ，同时使非实时业务传输保持在一个可接受的水平上，本文提出 了一种新的基于服务指标的调度算法和准入控制机制。 在本文提出的基于服务指标的调度算法中，点协调器( p c ，p o i n t c o o r d i n a t o r ) 根据实时业务的延迟和带宽需求分配c f p 阶段的无线信道，并且按计算出的服 务指标对实时业务节点进行轮询，从而降低了轮询开销，提高了系统的实时业务 容量和服务种类。准入控制决策除了保证实时业务的延迟要求之外，还考虑了网 络中的非实时业务负载情况及b e a c o nd e l a y 问题。作者在n s 中实现了上述调度 算法和准入控制机制。仿真实验证明，改进后的系统能为不同数据速率和延迟要 求的实时业务提供参数化的q o s ，同时满足非实时业务的最小吞吐率需求。 关键词：无线局域网，i e e e 8 0 2 1 1 ，服务质量( q o s ) ，点协调函数( p c f ，p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ，调度机制，准入控制 a b s t r a c t w i t ht 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 kf w l a n l ，i e e e 8 0 2 1 1s t a n d a r di s w i d e l ya c c e p t e d a n dt h ea b i l i t yo fw l a n t os u p p o r tr e a l t i m e t r a f f i cw i t hs t r i n g e n tq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t sh a sc o m ei n t of o r e i e e e8 0 2 1 ls t a n d a r ds p e c i f i e st w od i f i e r e n tc h a n n e la c c e s s i n gm e c h a n i s m s n a m e l y , t h ed 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 ep o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ( p c f ) d c fi sd e s i g n e d t op r o v i d ec o n t e n t i o ns e r v i c ef o ra s y n c h r o n o u sd a t a t r a n s m i s s i o n u s i n gc s m a c a ( c a r d e r s e n s e m u l t i p l e a 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 ) w h i l ep c f i s d e s i g n e dt op r o v i d ec o n t e n t i o nf r e e s e r v i c ef o rr e a l t i m e t r a f f i cu s i n gap o l l i n gs c h e m e r e g a r d i n gq o s ，m a n yw o r k sh a v eb e e nd o n eo nd c f t op r o v i d ep r i o r i t yd i i r e r e n t i a t i o ns e r v i c e ，b u tf e w e rr e s e a r c h e so np c f ，b e c a u s ep c f i sa no p t i o n a lm o d e a n ds e l d o mc o m m e r c i a lp r o d u c ts u p p o r t si t n e v e r t h e l e s s ，p c fi s ab e t t e rw a yt o p r o v i d ep a r a m e t e r i z e dq o sf o r i n t e r a c t i v er e a l t i m e a p p l i c a t i o n s b e c a u s eo f i t sc o n n e c t i o n - o r i e n t e dc h a r a c t e r i nt h i st h e s i s w ei n t r o d u c e di e e e 8 0 2 1 1s t a n d a r da n di t sv a r i o u si m p r o v e m e n t m e c h a n i s m s s t u d i e dt h ec o m b i n e dp e r f o r m a n c eo fr e a l - t i m ea n dn o nr e a l - t i m e t r a n s m i s s i o nw i t hp c f u s i n gn e t w o r ks i m u l a t o r ( n s ) w f o u n d t h a tp c f p e r f o r m s r e l a t i v eg o o dw i t h1 i g h tl o a d w h i c hm e a n sas m a l ln u m b e ro fr e a l t i m ec o n n e c t i o n s a n dn o tt o om u c hc o n t e n t i o nn o d e sw i t hb e s te f f o r tt r a 珩c b u tw h e ni n c r e a s i n gt h e n u m b e ro fr e a l t i m ec o n n e c t i o n s ，p c fp e r f o r m sp o o r l y f u r t h e r m o r e ，p c fo n l y s u p p o r t st w op r i o r i t i e s ，c o n t e n t i o na n dc o n t e n t i o nf r e es e r v i c e ，b e c a u s eo f i t sr o u n d r o b i ns c h e d u l i n g i no r d e rt os u p p o r tv o i c ea n dv i d e ot r a 搦cw i t hp a r a n m t e r i z e dq o s w h i l ek e e pt h en o nr e a l - t i m et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea ta na c c e p t a b l el e v e l ，w e p r o p o s e d an e w s c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n d a na d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m e i nt h ep r o p o s e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，t h ep c ( p o i n tc o o r d i n a t o r ) a l l o c a t e st h e w i r e l e s sc h a n n e lt i m ei nc f p ( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) a c c o r d i n gt ot h ed e l a ya n d b a n d w i d t hr e q u i r e m e n t so f r e a l t i m et r a m c s a n dp o l l st h e mw i t hc a l c u l a t e di n t e r v a l s b yd o i n gt h i s ，t h ep o l l i n go v e r h e a di sd e c r e a s e da n d t h es e r v i c ec a p a c i t yi se n l a r g e d o u ra d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m ei sb a s e do n 血ed e l a yr e q u i r e m e n t so f r e a l t i m et r a f f i c s ， t h ea d m i s s i o nc o n d i t i o ni sc h a n g e dd y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot h eb e s t e f f o r tt r a f f i c l o a d a n dt h eb e a c o nd e l a yi sc o n s i d e r e d w ei m p l e m e n t e dt h e m i nn s ，a n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w 恤a tr e a l t i m et r a m c sw i t hd i f i e r e n td a t ar a t e sa n dd e l a yb o u n d sc a nb e s e r v e dw i t h i nt h e i rq o s r e q u i r e m e n t s ，w h i l et h em i n i m u mt h r o u g h p u tr e q u i r e m e n t so f t h en o nr e a l ，t i m et r a m cc a nb es a t i s f i e d k e y w o r d s ：w l a n ( w i r e l e s s l o c a la r e a n e t w o r k ) ，i e e e s 0 2 11 ，q u a l i t y o f s e r v i c e ( q o s ) ，p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ( p c f ) ，s c h e d u l i n g ，a d m i s s i o n c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人程导师指导”f 进行的研究二i ：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袭 域撰写过豹毒暑究成果，也不包含为获褥基璧盘堂域其瞧教育机构数学位或证 书而使用过的率季科。与我一闲工作斡同恣对本研究所馓的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学谴论文 筝者签名：签字西赣： 年箕嚣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盎趣茔有关傈潜、使用学位论文的规定。 特授权鑫凌盘堂可以将学位论文的企部或部分内容编入有关数据库进行检 索，荠采爱彩帮、缩露或鞠臻等复轰l 手致绦存、汇编敬供查阅窝臻阙。弱意学铰 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： 签字嚣期：年月曰 导师熬名： 签字翻期：年月融 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着无线技术和i n t e r n e t 的不断发展，人们对可携带、可移动的计 黪撬或工搏繁弱震求也不凝罐长。露无线鼹域羽( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) 阻蔟高灵活性、袋装便捷、易于扩展和支持可移动计算铸特性，被广 泛应用于教育、金融、健康、旅馆以及零售业、制造业等各方面。w l a n 现有 的标准有很多，例如：i e e e 8 0 2 。1 1 、h i p e r l a n 、b l u e t o o t h 等，其中应用最为广 泛靛是i e e e 8 0 2 ，1 l 。 无线局域网的飞速发展，随之而来的就是用户数瞬的大量增加，所需求的服 务种类也随之增多，其中就包括音频、视频等多媒体业务。这些多媒体业务与传 绞豹鼗据业务不蘑，它 j 豹实瓣耱蛙踺黼终懿一些瞧缝参数提出了鬟求，捌盎翼： 数据速率、丢包率、延迟以及延迟抖动游。因此，网络必须对多媒体应用进行特 殊处理，保诫以最小的延迟和延迟抖动提供可预见的服务。 w l a n 与霄线网络楣魄，带宽鞍低，错误率较高，两且无线环境存在干扰、 衰减诸多不稳定因素，这就使得w l a n 的分质诱阔方法与有线网终有本震区麓， 为有线网络撼供q o s 的缎验不能直接戚用于w l a n 中。 文中详细介绍了i e e e8 0 2 1 1 无线岗域网m a c 朦的两种介质访问机制( d c f 鞠p c f ) ，分糖了8 0 2 1 l 弱q o s 羧割秽毽鸯鹣改避攮麓，著在p c f 壤裁豹基獭 ，上= 提出了一种根据实时业务带宽和延迟凝求计算服务揩标，根据服务指标进行调 度和准入控制的机制。仿真实验表明，该算法能为实时业务提供严格的q o s 保 涯，势能在一定程度上酶低轮询开锬，提高系统实射业务容量，同对避免了 b e s t e f f o r t 渡务的带宽讥饿现象。 1 1 无线局域网的发展疑研究现状 1 1 1 无线禺域网简介 无线屁域n ( w l a n ) 是翻用射频( r a d i of r e q u e n c y ) 技术取代双绞铜线( c o a x i a l ) 掰构戒翡蜀城网络。w l a n 翻强电磁波在空气中发送帮接受数掇，其数舞健输 速率常见的题l l m b p s ( 8 0 2 1 l b ) ，最高速率可达5 4 m b p s ( 8 0 2 1 l a ) ，传输距离最远 达2 0 k m 以上。w l a n 是对有线连网方式的一种补充和扩展，为计算机提供可移 动往，著蕤抉速方囊遣簇凌镬矮毫线方式苓曩实强瓣阚络连逶润越。 第一章绪论 现有的无线局域网标准有i e e e 8 0 2 1 1 、蓝牙f b l u e t o o t h ) 、h o m e r f 以及 h i p e r l a n 等，其中i e e e8 0 2 1 1 w l a n 应用最为广泛。8 0 2 1 1 w l a n 按照有无 基础设施，可以分为两种模式。一种是有基础设施的a p ( a c c e s sp o i n t ) 模式， 一种是无基础设施的a dh o c 模式。 有基础设施的a p 模式如图1 1 所示。移动节点直接与其传输半径范围之内 的基站f a p l 通信，构成一个基本服务集( b s s ，b a s i cs e r v i c es e t ) 。a p 作为无线 节点与分布系统( d s ，d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 的桥梁，起到接入和转发作用。d s 可以是有线网络，也可以是无线网络，与b s s 一起构成扩展服务集( e s s ，e x t e n d e d s e r v i c es e t ) 。当某移动节点离开了一个基站的传输范围而进入另一基站的传输范 围时，原基站与新基站之间要进行转接( h a n d o f f ) ，从而移动节点可以不受影响 地继续通信。a p 模式设计相对简单，在a p 上可以进行集中式的访问控制，更 便于提供q o s 支持。 图1 1 有基础设施的a p 模式 图1 - 2 无基础设施的a d h o c 模式 无基础设旌的a dh o e 模式如图1 2 所示。网络中的无线移动节点组成一个 自治系统( a u t o n o m o u ss y s t e m ) ，每个节点既是主机，又是路由器，不存在集中 式的网络管理。某节点若要与不在其传输半径范围内的节点进行通信，需要借助 于其它节点的路由功能。a dh o e 模式组网灵活，广泛应用于军事、勘测、紧急 救助、临时会议等方面。 第一章绪论 1 1 2 无线局域网的q o s 研究现状 服务质量( q o s ) 是当今i p 网络的一个关键问题。为了在i n t e m e t 上提供q o s ， 人们提出了许多机制，如i n t s e r v ( i n t e r g r a t e ds e r v i c e ) ，d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e ) ，m p l s ( m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) ，t r a f f i ce n g i n e e r i n g 等等。与 此同时，由于无线网络的飞速发展，i n t e m e t 变得越来越庞杂。在无线环境下， 带宽资源稀缺，信道状况随时间变化，位错误率( b i te r r o rr a t e ) 也比有线情况 高出许多。以前的许多研究p l 】都表明，在有线网络中很有效的措施不能直接应 用到无线网络环境中去，为此，人们针对无线网络的特点，提出了许多q o s 改 进机制，主要可以分为两大类，一是在媒体访问控制( m a c ，m e d i aa c c e s s c o n t r 0 1 ) 方面的改进，二是在差错控制( e r r o rc o n t r 0 1 ) 方面的改进。 i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网提供两种m a c 层访问机制：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 ) 和点协调功能( 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 只提供尽力而为的( b e s t - e f f o r t ) 服务，而p c f 虽然具有一 定的区分服务的功能，但又存在开销大、服务类型单一等许多问题。为此，人们 提出了许多改进措施。在d c f 上的改进主要是提供区分服务( d i f f s e r v ) ，为不同 优先级的业务指定不同的侦听信道闲时间( d i f s ) 、竞争窗i ( c o n t e n t i o nw i n d o w ) 大小和增长方式、最大帧长等参数，使得高优先级业务以较高的概率先接受服务， 以获得较小的延迟。在p c f 上的改进措施主要是改变轮询方式和调度方式，从 而降低系统开销，提高信道利用率，为不同的实时业务提供参数化的服务质量 ( p a r a m e t e r i z e dq o s ) 。 另一方面，针对无线网络位错误率( b e r ) 较高的特点，通过改进差错控制 机制也可以提高服务质量。在有线环境下，端到端的可靠性由传输层或者应用层 通过差错恢复( e r r o rr e c o v e r y ) 来保证，而在无线环境中，则需要在l l c 层或 m a c 层进行差错恢复。差错恢复机制可以分为a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 和f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 两类。a r q 机制通常应用于链路层和传输层， 包括停等( s t o p a n d w a i t ) a r q ，选择性重传( s e l e c t i v er e p e a t ) a r q 和回溯n ( g o b a c kn ) a r q 等，8 0 2 u 协议中用的就是停等a r q 。f e c 机制主要应用 于实时应用，通过传送冗余比特来在接收端进行差错恢复。与a r q 机制相比， f e c 优点是差错恢复延迟小，缺点是在错误率低的环境中也要引入定的传输开 销。通常的改进是两种机制的混合( h y b r i d ) 。 本文主要讨论8 0 2 1 l w l a n 中，如何在媒体访问控制( m a c ) 方面保证实 时业务的服务质量。 第一章绪论 1 2 课题背景和论文工作 1 2 1 课题背景 本课题是在两个项目的支持下进行的。其一是由教育部科技司主持的现代远 程教育无线接入网络教育研究专题项目，其二是国家自然科学基金( 重大) “高 速宽带无线i p 网络性能与服务质量研究”项目。 现代远程教育无线接入网络教育研究专题项目的重点是研究在集中式无线 接入教室、移动式学习和讨论式学习这三种无线接八方式下，各种网络学习、培 训和讨论的有效方式。在集中式无线接入教室中，学生通过可以点播或者组播方 式学习网上的多媒体课件，可以通过交互式答疑系统向老师请教问题，还可以通 过讨论式学习软件与同学讨论闯题。所有这些多媒体的应用，都是无线局域网上 的实时业务，它们的实时特性对无线局域网络的一些性能参数提出了需求，例如： 数据速率、丢包率、延迟以及延迟抖动等。因此，无线局域网络必须对多媒体应 用进行特殊处理，以满足其0 0 s 需求。 高速宽带无线i p 网络性能与服务质量研究项目的研究重点包括无线接入网 络中的基站优化分布、无线局域网的q o s 研究，以及a dh o c 网络中的路由。其 中无线局域网的q o s 研究，则主要是研究i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的各种模式下， 如何对实时业务提供更好的服务质量。 而本文的主要研究内容就是在有基础设施的a p 模式下，改进原有p c f 的 p o l l i n g 机制，提出一种根据实时业务服务指标进行调度和准入控制的机制，为 实时业务提供参数化的q o s 支持，同时满足非实时业务最小吞吐率需求，并通 过仿真验证算法的有效性。 1 2 2 论文的工作 本文作者在目前已有的研究的基础上，重点研究了如何在i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 的p c f 机制基础上为实时业务提供q o s 保证，同时满足非实时的最低吞吐率要 求。作者参考了多方面的资料，结合本课题组的研究背景，研究了在i e e e s 0 2 1l 的m a c 层根据实时业务的延迟和带宽要求计算服务指标，进行凋度和准入控制 的算法。文中应用网络仿真软件n s ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) ，扩充了n s 中i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 层，对上述算法进行了分析研究、仿真以及验证。在论文中，作者所作 的主要工作有以下几个方面： 4 第一章绪论 1 ) 利用仿真软件n s 分析了p c f 机制下实时和非实时业务的性能，及其存 在的主要问题。 2 1 根据各种实时业务的q o s 需求，给出了p c f 机制下实时业务的服务指 标和系统容量的计算公式，提出了一种根据实时业务服务指标进行调度 的机制。 3 1 从数学角度近似分析了非实时业务在p c f 下的性能，提出了一种在保证 非实时业务最低吞吐率要求的条件下对实时业务进行准入控制的机制。 4 1 扩充了n s 中有关i e e e 8 0 2 1 1 的p c f 功能，实现了根据实时业务服务 指标和非实时业务负载情况进行调度和准入控制的机制，并通过仿真实 验验证了上述算法的有效性。 1 3 论文结构 论文的第二章对i e e e8 0 2 1 1 标准进行综述，包括分布式协调功能( d c f ) 和点协调功能( p c f ) 。第三章通过仿真实验分析8 0 2 1 1 协议的d c f 和p c f 在 q o s 方面的限制，并介绍了当前q o s 方面的研究动态。第四章提出实时业务服 务指标的计算方法，基于服务指标的调度机制，根据网络中非实时业务负载状况 进行准入控制的算法，描述了算法在n s 中的实现过程，并通过仿真实验对上述 算法的有效性进行了验证。第五章总结全文，并对无线局域网络q o s 问题的研 究和发展前景进行了展望。 第二章i e e e 8 0 2 1 1 标准 第二章i e e e 8 0 2 11 标准 i e e e8 0 2 1 l 标准包括m a c 层和物理层两部分，其m a c 层又提供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 ) 和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 ) 两种信 道访问机制。d c f 是基于竞争的分布式信道访问机制，通过c s m c a 、b a c k o f f 和指数退避等机制提供b e s t e f f o r t 服务。p c f 机制是可选的，建立在d c f 的基 础之上。p c f 机制下，c f p ( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) 和c p ( c o n t e n t i o np e r i o d ) 交 替出现。c p 阶段仍采用d c f 机制，c f p 阶段则由a p 提供点协调( p o i n t c o o r d i n a t i o n ) 功能，对需要q o s 支持的实时业务节点进行轮询( p o l l i n 曲，提供 无竞争的信道访问。 2 1i e e e8 0 2 。1 1 简介 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准于1 9 9 7 年正式颁布，此后，i e e e 小组又相继 推出了i e e e 8 0 2 1 1 b 和i e e e 8 0 2 1 1 a 等多个新标准，与一些尚未成为标准的草案 ( d r a f t ) 一起，形成了8 0 2 1 l 协议族。和8 0 2 3 有线以太网标准一样，i e e e8 0 2 1 1 覆盖o s i 网络参考模型的m a c 子层和物理层( p t r y ) ，逻辑链路子层( l l c ) 则服从 i e e e 8 0 2 2 标准。这种结构对上层提供了透明的接口：节点可以在8 0 2 1 1 w l a n 中漫游，而对8 0 2 2l l c 子层和上层而言，就像一个固定节点一样。这就使得现 有的网络协议( 如t c p i p ) 无需任何改动就可以运行于8 0 2 1 1 之上。 2 1 1 协议体系结构 正如标准的序列号所示，i e e e 8 0 2 1 1 和其它局域网8 0 2 x 标准一样对上层来 说是透明的。一种最常见的场景就是一个i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网通过网桥与一 个8 0 2 r 3 以太网相连。图2 1 是这种场景的协议结构。除了较低的带宽和可能较 高的延迟以外，上层应用程序不应该从无线局域网看到任何不同。因此，上层协 议( 应用层、t c p 、i p ) 对无线节点和有线节点同样看待。数据链路层的逻辑链 路控制( l l c ，l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 子层，覆盖了不同介质的访问机制的不同 之，处。 6 第二章i e e e 8 0 2 1 1 标准 圈2 - 1i e e e 8 0 2 1 1 和8 0 2 3 以太网协议体系结构 除了协议子层，标准还指定了管理层和站点管理( s t a t i o nm a n a g e m e n t ) 。 i e e e 8 0 2 1 1 标准的协议和管理体系结构如图2 2 所示。m a c 层管理功能支持无 线节点与a p 的连接断开，以及不同a p 之间的漫游。此外，还包括认证机制、 加密、无线节点与接入点的同步、能量管理等功能。所有表示无线站点和a p 当 前状态的参数都保存在管理信息库( m i b ，m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 中。 p h y 管理功能主要包括信道调谐和p h y 管理信息库( m i b ) 的维护。站点管理 功能负责与管理层交互，以及网桥的控制、与分布式系统的交互等其他一些高层 功能。 图2 - 2 i e e e 8 0 2 11 标准的协议和管理体系结构 2 1 28 0 2 1 1 协议族 i e e e8 0 2 1 1 标准于1 9 9 7 年首次颁布。这是在无线局域网领域内的第一个在 国际上被广泛认可的协议。标准规定w l a n 的业务频率为2 4 g h z 波段，速率 为1 m b p s 和2 m b p s ，m a c 层包括分布式协调功能( d c f ) 和可选的点协调功能 ( p c f ) ，物理层支持红外传输( i r ，i n f r a r e d ) 、跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p i n g s p r e a ds p e c t r u m ) 和直接序列号扩频( 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 ) 。 1 9 9 9 年，i e e et a s kg r o u p 颁布了8 0 2 1 1 的两个分支：8 0 2 1 1 a 工作于5 g h z 波段，采用正交频分复用技术( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ，传输速率为6 m b s - - 5 4 m b s ，访问距离仅限于1 2 1 5 米：8 0 2 1 1 b 工作于2 4 g h zi s m 波段，采用直接序列扩频技术( d s s s ) ，速率为1 1 m b p s ，访 问距离为3 0 0 米。 第二章i e e e 8 0 2 11 标准 历经十几年的发展，8 0 2 1 1 家族已经从最初的8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 发 展到了目前的8 0 2 1 l k ，其中8 0 2 1 l a 、b 、d 、g 、h 和8 0 2 1 1 j 是物理层标准，而 8 0 2 1 l e 、f 和8 0 2 1 l i 是媒体访问控制层( m a c ) 标准。随着i e e e8 0 2 1 1 家族 的不断壮大和完善，我们有理由相信，8 0 2 1 1 无线局域网将能为用户提供更快捷、 更高质量的网络传输服务，从而拥有更广阔的应用前景。 2 1 3 物理层 i e e e 8 0 2 1 1 协议族支持四种物理层：红外传输( i r ) 、跳频扩频( f h s s ) 、直接 序列号扩频f d s s s ) 和正交频分复用( o f d m ) 。其中8 0 2 1 1 支持i r 、f h s s 和d s s s ， 8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 1 9 支持d s s s ，8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 h 支持o f d m 。下面将对这四种 物理层分别进行简单介绍。 2 1 _ 3 1 红外传输( i r ，i n f r a r e d ) 因为红外传输的无线局域网依靠散射光( s c a t t e r i n gl i g h t ) 来传输，传输距 离比较短，所以很少应用。不过i r 也有一些优点。例如，红外口( i n f r a r e d p o r t ) 要比无线收发器( t r a n s c e i v e r s ) 便宜，因此几乎所有的笔记本电脑都有红外口； 红外传输抗射频干扰能力强，因为无线电波与红外光工作在完全不同的频率下： 此外红外光的使用是非管制的( u n r e g u l a t e d ) ，产品开发者不必与世界上众多的 频率管制机构达成一致。 8 0 2 1 1 标准的安全问题主要在于，未被授权的( u n a u t h o r i z e d ) 用户连接到 一个无线局域网络，而对红外传输而言，光线可以很容易地被限制在会议室或者 办公室内，在提供移动性和灵活性地同时，安全性也较好。 2 1 3 2 跳频扩频( 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 ) 跳频扩频技术是连续地使用多个跳跃的频点，当跳到某个频点时，判断是否 有干扰，若无，则传输信号：若有则依据算法跳至下一频点继续判断。f h s s 利 用不同的跳频序列来区分不同的网络，因此允许多个网络在同一区域共存。 正是由于利用了跳频技术，使得跳频的范围很宽，而且信息在每个频率上停 留的时间很短( 仅为1 1 1 0 0 0 秒左右) ，不仅使得数据的抗干扰能力大大提高，而 且传输更加稳定，也提高了数据的安全性。 2 1 3 3 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 是另外一种扩频技术，在发射端，用数字位信号表示的源信号，与 个唯一的伪随机代码信元( c o d e b i t s ) 复合，经过调制产生无线电信号发射出去。 第二章i e e e 8 0 2 1 1 标准 这稀代礴信元是| 鸯代码发生器产生静唯一靛离逶多往隧梳筠( 馥垴s ) 。在接收端， 能产生与发射端同步并相同的随机码元，按照发射的逆过程解调，即能解析出源 信号。这秘方法瀚主要特点是它豹摭予臻髓力极强，鹃分多蛙能力强，赢速可扩 展能力强，并且对多路传播不敏感。 滋较这两耱扩叛技零，壹接掺强扩簇采取主动占毫方式，黢猿扩频剽是被动 适应。赢接序列扩频技术同时使用整个子频段，信号被扩展多次而无损耗；跳频 技术是蹒跃菠弱多令壤点，频率及铸输零会交讫，并旦缀难避免一些无撰熬效率 一t 的损耗。例如，在检测频点是否空闲的信号发生延迟时，因为有响应时间限制， 黟菝设套会鼓必捻测售警发越失黢嚣进行重发。羯扰通豢情况下，壹接序列扩频 速率比跳频扩频蔑高，w 接纳繁站的数艇也比跳频方式更大。 2 1 3 4 溅交频分笺用( o r t h o g o n a lf 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 ) 正交频分多踌复用技术采用多路窄带正交予载波，蹋时传输多路数据，每路 信号的码元时间较长，可以避免码元间干扰。通过动态选择可用的子载波，该技 术可以减少窄带于扰和频率谷点的影响。 以上对物理层的扩频技术进行了简单介绍，目前应用最为厂泛的是支持 d s s s 的8 0 2 1 l b 。 除了进彳亍无线信号的发送与接受外，物理层还提供一个称为c c ac l e a r c h a n n e la s s e s s m e n t ) 的信号。m a c 魇褫翻使用这一信号控镧傣道访闻，并指滋 信道是番空闲。 2 1 4 m a c 层 m a c 层的曾要任务是控箭介质访阍，诧辨还有支持漫游、认证和髓量傈撩 等。m a c 层所提供的基本服务是缺省的异步数据服务( a s y n c h r o n o u sd a t a s e r v i c e ) 和可逸的延迟疑限( t i m e b o u n d e ds e r v i c e ) 的派务。8 0 2 11 的a dh o c 网络只提供异步数据服务，而霸基础设施的a p 模式可以提供上述两种服务。 m a c 鼷捷供的介质诱游梳涮翔闺2 3 掰示。 瑾嚣e 8 0 2 1 1 中定义了三种基本的访闯机制：( 1 ) 缺省的c s m a c a ，( 2 ) 带 r t s c t s 酶c s m a c a ，( 3 ) 可选的秃竞争轮谪( p o l l i n g ) 方法。蔻两耱可以憨 称为分布式协调功能( 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 ) ，第三种方法称 为点协调凌蘸( p c f ，p o i n t c o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) 。d c f 只提供异步数据鼹务。 而p c f 以d c f 为基础，既提供异步数据服务，也提供延迟受限的服务，但是需 要一个绥a 熹( a p ) 采控睾l 穷缓访翘，避免羚突。 奎 第二章i e e e 8 0 2 1 1 标准 图2 - 38 0 2 i i m a c 层提供的访问机制 在介绍m a c 层的访闯枫制之前，酋先介绍几个决定介质访问优先级的重要 参数，如图2 - 4 所示。 圈2 4 不同的帧间距 d c fi n t e r - f r a m es p a c i n g ( d i f s ) ：这个参数指示最长的等待时间和访问介质 的最低优先缀。这个等待时阔稻予藏争除段，疆供雾多数掇驻努。 p c fi n t e r - f r a m es p a c i n g ( p i f s ) ：这是介予d i f s 和s i f s 之间的时间参数。 它弼予延遮受疆戆强务。充当熹秘调者( p c ，p o i n tc o o r d i n a t o r ) 夔接入点 ( a p ) 只需要等待p i f s 信道空闲时间就可以获取信道控制权，进入基于轮 诲豹无竞争涂段( c f p ) 。 s h o r ti n t e r - f r a m es p a c i n g ( s i f s ) 这个最短的等待时间怒为控制信息定义 兹，鲷蟊：数撂分缀熬应答( a e k ) ，对r t s 熬应镲( c t s ) 等。 2 2c s m a c a 规制 在瓣臻串，强暴各个菇点郝缝稷攥瓣绍状滋按调骞墨豹彳亍为，裁熊健信道利 用率大大提高。带有载波侦听的多重访问机制( c s m a ，c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s ) 就是麓予这秽考虑 i l i 实现款。 1 0 第二章i e e e 8 0 2 1 1 标准 2 2 1c s m a 橇制 在c s m a 中，一个站点在发送之翦要先监孵信道。妇果发现信道空闲，则 发送；如果发现信道处于忙状态，则不发送。在不同的信道中，“载波”侦听意 义是不弼的。当采用基带健输( 烟有线鼹域网) 嚣寸，翥鼗监听基带信号；当采用 扩频传输( 如无线局域网) 时，需要监昕伪随机码。8 0 2 1 1 有两种载波侦听方法， 其是通过物理层c c a 信号检测褥到的，其二是m a c 的虚拟谶波侦听( v i r t u a l c a r r i e rs e n s i n g ) ，通过n a v