（信号与信息处理专业论文）典型短距离无线通信网络mac层csmaca机制仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着无线网络的快速发展，尤其是无线局域网已经深入千家万户，各种电子产品 的日益更新，人们对低功耗、低成本的短距离无线个域网发展的需要也越来越大。而 最近随着物联网技术的提出，无线传感网( w s n ) 的快速发展，促成了z i g b e e 网络的 蓬勃兴起。 本文首先介绍了几种短距离无线通信技术，包括8 0 2 1 1 系列无线接入技术和8 0 2 1 5 系列无线接入技术。他们分别代表无线局域网和无线个域网的典型标准，同时它们也 是目前学术界研究的热点之一。根据i e e e 8 0 2 1 5 4 基本上是应用类似i e e e 8 0 2 1 1 的 c s m a c a 方式竞争通信，所以对m a c 层c s m a c a 机制的研究是本文的重点。 本文着重介绍了i e e e 8 0 2 11 d c f ( 即c s m a c a 协议) ，和目前针对此协议基础 二进制退避算法的改进方法，并对其中的预约退避算法( 主要指e b a ) 做主要介绍。 接着介绍了一种改进的简化预约退避算法的思想，即直接在m a c 层数据帧尾增加一个 字段用来存放发送节点下次将要采用的退避时间，减少e b a 按时隙数来区分退避时间 和发送时间的麻烦，减少控制开销，直接体现预约退避算法本质特点。为今后基于n s 2 对预约退避算法的进一步开发研究奠定基础。而后介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 层的主要 功能和主要结构，并对i e e e 8 0 2 1 5 4 的c s m a c a 算法流程做主要分析。 最后，对n s 2 网络仿真软件的m a c 8 0 2 1 1 模块进行了修改和扩展，实现了预约退 避算法在n s 2 中的仿真，与8 0 2 1 1 d c f 相比，验证了改进的简化预约退避算法的可行 性，分析了吞吐量等网络性能。另外还仿真验证了i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 层的性能，以及 一些m a c 层c s m a c a 主要参数如b e 、c w 及信标模式对i e e e 8 0 2 1 5 4 网络性能( 如 吞吐量、平均延时和包投递率等) 的影响。并与参考文献做比较，做出适当的仿真调 整，分析所得到仿真结果。 关键词：短距离无线通信；8 0 2 11 d c f ；c s m a c a ；预约退避算法；8 0 2 1 5 4 ； n s 2 ；仿真； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 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 sn e t w o r k s ，e s p e c i a l l yw i r e l e s sl a nh a sb e e n u b i q u i t o u si nt h ew o r l da n d t h eg r o w i n g v a r i e t yo fe l e c t r o n i cp r o d u c t s ，p e o p l en e e d sf o rl o w p o w e ra n dl o w - c o s ts h o r t r a n g e w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r kd e v e l o p m e n ta r ea l s o g r o w i n g r e c e n t l yp r e s e n t e d 、析t l lt h ei n t e r c o n n e c t i o n - o f - t h i n g st e c h n o l o g y , w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ( w ，m a k et h er a p i dd e v e l o p m e n tc o n t r i b u t e dt ob o o m i n go fz i g b e en e t w o r k t h i s p a p e r d e s c r i b e ss e v e r a l s h o r t - r a n g e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , i n c l u d i n g8 0 2 11w i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g ya n d8 0 2 15s e r i e so fw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y t h e yr e p r e s e n tt h ew i r e l e s sl a na n dw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r kt y p i c a ls t a n d a r d s t h e y w e r ea l s ot h eh o tt o p i ci nt h ec u r r e n ta c a d e m i cr e s e a r c h a st h ei e e e 8 0 2 15 4a p p l i c a t i o n t h a ti se s s e n t i a l l ys i m i l a rt oi e e f 8 0 2 11w i t hc s m a c am o d ei nc o m m u n i c a t i o n s ，s ot h e m a c l a y e r sc s m a c a m e c h a n i s mi st h ef o c u so ft h i sa r t i c l e t h i sp a p e rd e s c r i b e si e e e 8 0 2 11d c f ( c s m a c a ) ，p r o p o s e sv a r i o u st y p i c a li m p r o v e d b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f ( b e b ) a l g o r i t h m s ，a n dg i v e sm o r ea t t e n t i o nt ot h ee b a ( e a r l y b a c k o f fa n n o u n c e m e n t ) t h e ni n t r o d u c i n ga ni m p r o v e di d e ao fs i m p l i f i e dr e s e r v a t i o n b a c k o f fa l g o r i t h m sw h i c hd i r e c t l ya d d e daf i e l dw i t hn e x t - n o d e sb a c k o f ft i m ea tt h ee n do f t h ed a t af l a m e t h i si d e ac o u l dr e d u c et h et r o u b l eo fd i s t i n g u i s h i n gb a c k o f ft i m es l o ta n d s e n d i n gs l o ti ne b a i tc o u l dr e d u c et h ec o n t r o lo v e r h e a d ，d i r e c t l yr e f l e c tt h en a t u r eo fe b a a l g o r i t h mi d e a b a s e dt h eb a s i s o ft h ef u t u r e s t u d yw i t l le b aa l g o r i t h mi nn s 2 t h e n i n t r o d u c e st h em a i nf e a t u r e sa n ds t r u c t u r eo fi e e e 8 0 2 15 4m a cl a y e r c s m a c a a l g o r i t h mi ni e e e 8 0 2 1 5 4i sa l s oi n 仃o d u c e dt o o f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nm o d u l eo fm a c 8 0 2 1 1i nn s 2w a sm o d i f i e da n de x t e n d e dt o i m p l e m e n tt h es i m u l a t i o no fr e s e r v a t i o nb a c k o f fa l g o r i t h m sb yn s 2 s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t e ，c o m p a r e d 嘶t h8 0 2 1ld c f , t h er e s e r v a t i o nb a c k o f fa l g o r i t h m sa l s oc a ne n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo fi e e e 8 0 2 11w l a n i nt h r o u g h p u t ，d e l a ya n ds oo n b e ，c wa n db e a c o n s a r ed i f f e r e n ti nc s m a c ao fi e e e 8 0 2 15 4m a c b yu s i n gn s 2t oa n a l y z et h ec h a n g eo f p e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k 晰t hd i f f e r e n tv a l u e s ( j u s tl i k et h r o u g h p u t ，d e l a ya n ds e n dr a t e ) o ft h e s ep a r a m e t e r s i nt h el a s t ，im a d et h ea p p r o p r i a t ea d j u s t m e n t si ns i m u l m i o n ，a n d c o m p a r e dw i t ht h er e f e r e n c eo f t h es i m u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e d k e y w o r d s ：s h o r t - r a n g e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；8 0 2 11d c f ；c s m a c a ；e b a ； 8 0 2 15 4 ；n s 2 ；s i m u l a t i o n ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究背景和意义 随着电子技术的发展和各种便携式个人通信设备以及家用电器等消费类电子产品 的普及和增加，人们对于各种消费类电子产品之间以及与其他设备之间的信息交换有 了强烈的需求，特别对于使用便携式设备并经常流动工作的人们，更希望有一种具有 小型、短距离特性的无线通信网络，使其能够为移动的各类用户提供相应的服务，实 现在任何时候、任何地点、与任何人进行通信并获取信息。所有这些促使以蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 、w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 为代表的短距离无线通信技术迅速发展起来。 近几年来，无线网络发展十分迅猛，其中表现最为明显的是在一些新兴技术和应 用上，例如目前应用已经十分广泛的无线局域网络( 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 ) ，无论是在公共场合还是各种个人无线网络应用上，都可见其身影。另外由于 蓝牙技术在这些年来取得不小的成功研发应用，使得无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o k ，w e a n ) 的研究也成为一个当今的一个大热门。无线个域网的核心目的就是将 个人信息终端实现互联智能化，组建个性化的信息网络。然而由于蓝牙应用于无线个 域网的成本偏高，其功能特性在某些特定场合也未必适合，使得蓝牙技术的推广还有 待开发。 为了满足低成本、低功耗短距离无线个域网发展的需要，低速无线个域网 i e e e 8 0 2 1 5 4 t l 】应运而生。z i g b e e 联盟基于i e e e 8 0 2 1 5 4 基础上继续发展后，开发了制 定了网络层、安全层和应用层的标准，促进了z i g b e e 无线个域网的形成。由于z i g b e e 可与2 5 4 个节点联网，能更好地支持消费电子、游戏、仪器以及家庭自动化应用。特 别是和传感器这类监控仪器的联合应用，使其成为无线传感器网络( w i r e l e s ss e n o r n e t w o r k ，w s n ) 2 - 3 】的一个重要应用方法。尤其目前物联网技术概念的提出，全国对 w s n 有了新的认识和发展，以及对生态环境监控的需要，2 0 1 0 年国家科技重大项目中 就提出了：“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化专项 。 本文结合实验室项目：基于z i g b e e 的温度测控系统的应用研究，在理论学习过程 中，对现有的短距离无线通信网络中m a c 层的性能进行理论研究。并主要分析了现有 的典型无线接入技术如i e e e 8 0 2 1 l 、i e e e 8 0 2 1 5 4 等，并重点研究了这两个协议中m a c 层的带冲突避免的载波侦听多路访问机带1 ( c s m a c a ：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 h c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 。 1 2 短距离无线通信网络概述 什么是短距离无线网络【4 弓1 ，到目前学术界和工程界对此还没有一个严格的定义。 般来讲，短距离无线通信的主要特点是通信距离短，覆盖距离一般在1 0 - 2 0 0 m ：另 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 外无线发射器功率较低，发射功率一般小于l o o m w ，工作频段多为免付费、免申请的 全球通用的工业、科学、医学( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ，i s m ) 频段。 短距离无线通信技术的三个重要特征和优势分别是低成本、低功耗和对等通信。 低功耗是指相对其他无线通信技术而言的一个特点，这也是因为短距离无线通信的自 身特点决定的，因而发射功率普遍在l m w 量级。此外，对等通信是短距离无线通信 技术有别于其它基于无线网络基础设施技术的明显特征之一。正是因为对等通信这个 特点，短距离无线通信技术在无线信道资源的管理上一般都是采用竞争方式( 如 c s m a c a ) 。这是由于无线终端之间进行对等通信，没有使用网络设备进行转发，使 得其在空中接口设计和高层协议标准制定方面都要更简单些。 下面主要介绍i e e e 8 0 2 1 1 家族和i e e e 8 0 2 1 5 家族的典型标准情况。 1 2 1 蓝牙技术 蓝牙无线技术【6 】的开发是为了短距离无线通信，其目的是提供一个全球都可以共享 共存的的无线传输技术，使得所有的移动设备之间都能无线的连接、互相传输数据。 该技术早在1 9 9 4 年由e r i c s s o n 公司提出，1 9 9 8 年2 月，e r i c s s o n 、n o k i a 、t o s h i b a 、 i b m 、i n t e l 等公司相继加盟，并于1 9 9 9 年7 月向全球公布了其联合开发的蓝牙1 0 标 准。在短短几年里，全球已有2 5 0 0 多家公司先后加盟b l u e t o o t h s i g ，其中还包括国内 3 0 多家公司企业，引发了全世界对蓝牙技术前所未有的关注和支持。 蓝牙技术工作在全球通用、免费的2 4 g h zi s m 频段、使用跳频扩谱技术、数据传 输速率可达1 m b p s 、组网简单方便、通信距离适合l o 一1 0 0 m 等特点。所有这些使得蓝 牙适合运用于：语音数据接入；外围设备互联；个人局域网。 蓝牙技术采用的是i e e e 8 0 2 1 5 1 标准。 1 2 2u w b 技术 超宽带技术( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 是另一个新发展起来的短距离无线通信技术。 u w b 通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。窄脉冲( 小于1n s ) 产生极大带宽的信 号。脉冲采用脉位调$ 1 ( p u l s ep o s i t i o n m o d u l a t i o n ，p p m ) 或二进制移相键控( b p s k ) 调制。 u w b 被允许在3 1 1 0 6g h z 的波段内工作【7 1 。它主要应用在小范围、高分辨率、能 够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外，这种新技术适用于对速率 要求非常高( 大于1 0 0m b p s ) 的无线个域网。传输速率已经达到5 5m b p s ，最终将达到 4 8 0 m b p s 。 u w b 技术也是i e e e 8 0 2 1 5 3 项目组研究的一部分，所以u w b 采用的i e e e 8 0 2 1 5 3 标准。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 3z i g b e e 技术 z i g b e e 8 】如前所述是从i e e e s 0 2 1 5 4 标准发展过来的，由i e e e 组织和z i g b e e 联 盟共同研究开发，所以简称z i g b e e 。它可以说是蓝牙、u w b 的同族兄弟，与蓝牙相比， 它更简单，速率更慢，功率和费用也更低。z i g b e e 协议栈结构如图1 - 1 所示。 翻 图1 - 1z i g b e e 协议栈结构图 z i g b e e 主要特点： ( 1 ) z i g b e e 有三个工作频段，在各频段上的信道数目不同。这三个频段分别是 8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 和2 4 g h z ，其中前两个频段主要应用于欧洲，后一频段适用于全球。 8 6 8 m h z 使用1 个信道，其最大的传输速率为2 0 k b p s , 9 1 5 m h z 使用1 0 个信道，最大 速率为4 0 k b p s ，2 4 g h z 使用1 6 个信道，最大的速率可达到2 5 0 k b p s 。 ( 2 ) z i g b e e 的功耗低。在通信状态下终端节点的功耗为几十个m w ，而在省电的状 态下可以达到几十个u w ，实际中终端节点多处于睡眠状态。因此只要采用两节五号 电池，就可以支持长达6 个月 2 年左右的使用周期。 ( 3 ) 网络拓扑能力优越。z i g b e e 具有星型、树型和网状网络等结构类型。在每一个 z i g b e e 组成的无线通信网络内，终端节点连接地址码可采用1 6 b i t 短地址或6 4 b i t 长地 址，最大可容纳设备个数分别为2 1 6 个和2 6 4 个。 ( 4 ) 高可靠性和安全性。z i g b e e 采用c s m a c a 和a c k 重传机制，同时为需要固 定带宽的通信业务预留了专用时隙，因此可以有效避免冲突。另外，z i g b e e 技术采用 了通用的a e s 1 2 8 加密算法。 ( 5 ) 低成本。因为z i g b e e 协议免收专利费，以及z i g b e e 自身的数据传输速率低、 协议简单等特点，决定了成本大大低于同类产品。 1 2 4 皿e 8 0 2 1 1 系列技术 i e e e s 0 2 1 1 标准是在1 9 9 7 制定的，由大量的局域网以及计算机方面的专家审定通 过的标准。它定义了单一的m a c 层和多样的物理层，根据物理层标准的不同分为 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 i i i i e e e s 0 2 1 1 b 、i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 l g 以及i e e e 8 0 2 1 l n 。 w i f i 【9 】技术即符合i e e e 8 0 2 1 1 b 标准的网络产品，与蓝牙一样同属于短距离无线通 信技术。w i f i 速率最高可达1 1m b p s 。与蓝牙技术相比较，w i f i 的特点是它的电波 覆盖范围要比蓝牙技术要些，可达1 0 0m 左右，不用说家庭、办公室，就是小型整栋 大楼也可覆盖。但w i f i 的数据安全性方面要差些，这是因为其所在的频段的带宽比 较窄( 仅有8 5 z ) ，而且容易受到微波、蓝牙等其他技术或者干扰源的影响。 一般来说i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 1 b 和i e e e 8 0 2 1 1 9 都称为w i f i 技术。不同在 于： i e e e 8 0 2 1 1 b 标准发布于1 9 9 9 年9 月，主要目的是提供无线局域网的接入，也是 目前无线局域网的主要技术标准，与蓝牙一样，其工作频率也是2 4g h z ，且采用加 强版d s s s ，采用补码键控( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ，c c k ) 调制技术，有1 、2 、 5 5 、1 1 m b p s 传输速率可选择。传输距离3 0 3 0 0 m 。起先，w i f i 元器件价格昂贵，兼 容性和安全性方面都不能令人满意。 后来陆续推出w i f i 改进版本i e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e 8 0 2 1 l g ，各种性能的不断改善 使得w i f i 的应用愈加广泛。其中i e e e 8 0 2 1 l a 是在1 9 9 9 年制定的，此标准使用5 g h z 频段，总带宽达到3 0 0 m h z ，使用正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术。提供了6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 以及最高5 4 m b p s 的 传输速率。缺点是该标准采用设备的成本比较高。 i e e e 8 0 2 1 1 9 标准是在2 0 0 3 年制定的，它与i e e e 8 0 2 1 1 b 一样采用2 4 g h z 频段， 但采用两种调制方法o f d m 和c c k ，因此它具有和i e e e 8 0 2 1 l a 一样的最高5 4 m b p s 传输速率，也能和i e e e 8 0 2 1 l b 标准设备兼容。 i e e e 8 0 2 1 1 n 标准是在2 0 0 9 年正式批准的高速无线局域网标准。i e e e8 0 2 1 1 n 标 准的核心是m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，多入多出) 和o f d m 技术，传输速 度3 0 0 m b p s ，最高可达6 0 0 m b p s ，可向下兼容8 0 2 1 1 b 、8 0 2 1 l g 。它的出现和应用必将 给无线通信网络带来更深远的影响。 另外为了在i e e e 8 0 2 1 1 中支持q o s ，i e e e 8 0 2 工作组开发了一种称为8 0 2 1 l e 【l u j 的m a c 协议。它使用混合协调功能( h y b r i dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，h c f ) 以及增进分 散协调功能( e n h a n c e dd i s t r i b u t i o nc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，e d c f ) 两种机制改原来的 i e e e 8 0 2 1 1 集中式( 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 ) 以及分散式( d i s t r i b u t i o n c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，d c f ) 的协调机制。此标准的出现对于延迟极为敏感的应用场 景( 如无绳电话) 来说非常重要。 1 3 论文的主要研究内容 作为短距离无线网络中重要的两个内容，对i e e e 8 0 2 1 1 和i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的 研究无论在理论研究还是实际应用中都具有十分重要的地位。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 由于i e e e 8 0 2 1 5 4 基本上是应用类似i e e f 8 0 2 1 1 的c s m a c a 方式竞争通信， 所以对m a c 层c s m a c a 机制的研究是本文的重点。并在n s 2 中对i e e e 8 0 2 11 d c f ， i e e e 8 0 2 1 5 4 协议中的m a c 层原语进行了分析。 其中i e e e 8 0 2 1 1 方面在基于d c f 的基础上，根据e b a 算法的主要思想，介绍了 一种改进的简化预约退避算法，并在n s 2 上建立仿真场景，通过与i e e e 8 0 2 1 1 d c f 的 性能对比进行比较分析。 另外在i e e e 8 0 2 1 5 4 协议方面，则重点对超帧结构和c s m a c a 机制进行深入分 析。最后在n s 2 上建立仿真场景，根据参考文献的仿真方法进行仿真验证。并结合参 考文献的图，针对其中的一些不足进行对比分析，对协议中c s m a c a 表现、信标使 能模式和b e 、c w 对网络性能的影响进行了仿真和理论分析。 1 4 论文组织结构 本文共分为五章： 第一章：综述。介绍了论文的研究背景及短距离无线通信网络的概况。并介绍了 几种重要的短距离无线通信网络，重点分析了i e e e 8 0 2 1 1 系列接入技术和i e e e 8 0 2 1 5 系列接入技术。 第二章：介绍i e e e 8 0 2 1 1 与i e e e 8 0 2 1 5 4 协议m a c 层的主要构成和功能结构。 重点分析了i e e e 8 0 2 1 1 d c f 协议，和现有的预约退避算法，并介绍了改进的简化预约 退避算法思路。其外，本章还介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 协议中的超帧结构、数据传输 模式和c s m a c a 算法流程。最后对两协议的一些共同点和差别做了简要介绍。 第三章：i e e e 8 0 2 1 1 d c f 协议在n s 2 上的实现。首先介绍了n s 2 仿真软件，然后 分析i e e e 8 0 2 11 d c f 在n s 2 的代码，最后给出改进的简化预约退避算法在n s 2 上的 实现过程，并仿真分析吞吐量、延时和包投递率等网络性能。 第四章：i e e e 8 0 2 1 5 4 协议在n s 2 上的实现。首先介绍了8 0 2 1 5 4 m a c 层在n s 2 中的仿真模型，然后介绍了其在o t c l 中的相关设置。最后搭建仿真场景，根据参考 文献的仿真方法进行仿真验证，结合参考文献的研究，针对其中的不足，引用改进的 a o d v ，分析了竞争冲突、信标模式和b e 、c w 取值对网络特性的影响，得出仿真结 果，并和参考文献中的图进行对比分析。给出完整的在n s 2 中c w 、b e 取值方法。 第五章：对本文的一个总结，概括了论文中所做的工作以及对将来改进工作的展 望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章ie e e 8 0 2 1 1 与ie e e 8 0 2 15 4 m a c 协议简介 i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 协议基本上是应用类似i e e e 8 0 2 1 1 的d c f 方式竞争通信，同 时也应用了类似p c f 发送信标帧的方式接入信道。所以先认识i e e e 8 0 2 1 l m a c 层协 议对于i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 层协议的理解很重要。本章主要介绍i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议 和i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 协议中信道竞争的相关内容，并重点介绍i e e e 8 0 2 1 1 d c f 。针对 c s m a c a 中二进制退避算法，介绍预约退避算法的优点，介绍了与现有的预约退避算 法e b a 不同的改进地方以方便在n s 2 中仿真实现。另外也将重点介绍 i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 层主要性能，以及与i e e e 8 0 2 1 1 的关系。 2 1 ie e e 8 0 2 ”m a c 协议 i e e e 8 0 2 1 1 m a c 1 1 】层一个主要功能就是实现无线介质访问。在i e e e 8 0 2 1 1 标准中 定义了两种无线介质访问控制的方法，一种是分布式协调控制方式( d c f ：d i s t r i b u t e d c 0 0 r d i n a t i o nf l 】l 】c t i o n ) ，另一种是中心协调控制方式( p c f ：p o i n tc o o r d i m t i o nf u n c t i o n ) 。 如图2 1 所示。d c f 是i e e e 8 0 2 1 1 最基本的的媒体访问方法，其核心是c s m a c a ， 让每个服务点通过争用信道来获取发送的权利，它是基于竞争的m a c 协议。p c f 使用 集中控制接入算法，它是基于无竞争的m a c 协议，使用类似轮询的方法将发送数据的 权利轮流发给各个服务点。 图2 - 1 无线介质访问控制方法 2 1 1i e e e 8 0 2 1 1 d c f 协议 ( 1 ) d c f 工作方式 d c f 是用于支持异步数据传输的接入方法，它以“尽力而为”( b e s te f f o r t 3 的方式工 作。d c f 实际上就是c s m a c a ( 带冲突避免的载波侦听多址接入) 协议i 】刀。 i e e e 8 0 2 1 1 d c f 协议包括载波检测( c s ) 机制，帧间间隔( i f s ) 和随机退避( r a n d o m b a c k - o f f ) 规程。d c f 有两种工作方式：一种是基本工作方式：另一种是r t s c t s 机 制，如图2 2 2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 发送节点 接收节点 其它节点 发送节点 接收节点 其它节点 d i b 数据 图2 - 2 基本接入方式 图2 - 3r t s c t s 接入方式 基本接入方式又称a c k 机制，是一种简单的握手机制，当接收方正确接收到数据 帧后就会回复一个a c k 帧给始发节点，当发送方收到a c k 后就说明刚才的的数据帧 已发送成功。由图2 2 可见，当媒体空闲时间大于d i f s 后就会启动退避延时，然后发 送数据。 r t s c t s 机制是为了更好地解决隐蔽终端【1 3 。1 4 j 带来的碰撞问题，而提出的解决方 案。采用四次( f o u r - w a y ) 握手机制，即r t s ，c t s ，d a t a ，a c k 四个过程。发送数据前， 发送端先发送一个r t s 请求控制帧来预约信道，接收端收到后，回复一个c t s 帧来确 定信道。在c t s 帧后，间隔s i f s ，发送端开始发送d a t a ，接收端接收到d a t a 后发 送a c k 帧确认。这是因为在无线网络中，长帧在信道中发送的碰撞概率要远大于短帧， 而d a t a 帧长一般都远大于r t s c t s 等控制帧，所以在无线网络空间中，如果想要减 少带宽浪费、改善网络性能，一个重要的办法就是使数据帧冲突的概率减小，而将冲 突尽量只发生在较短的r t s c t s 帧发送过程。 同时其他站点在等待传输的过程中，势必会侦听到发送节点发送的数据信息，根 据发送节点发送的r t s c t s 帧头中携带的信息传输持续时间量，更新自己的网络分配 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 ) ，推迟信道接入时间。这将有助于克服隐藏终 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 端问题，但是r t s c t s 也并不能完全解决隐蔽终端问题，碰撞仍可能发送，比如节 点同时向中心节点发送r t s 帧。同时8 0 2 1 1 标准规定若数据帧长度小于某个定值( n s 2 中为3 0 0 0 ) ，则使用基本工作方式，即a c k 机制。 ( 2 ) 退避机制 退避算法是m a c 层协议中重要的环节，目的就是保证每个站点能够公平竞争媒体 介质。i e e e 8 0 2 1 l m a c 层d c f 模式采用的退避机制为二迸制指数退避算法 b e b ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f ) ，此算法是按后进先出( l i f o ：l a s t i n - f i r s t - o u t ) 的次序 控制的，即没有发生冲突或很少发生冲突的数据帧，优先发送的概率比较高；而发生 过多次冲突的数据帧，发送成功的概率将会更少，b e b 算法的内容如下【l5 j ： 首先当网络刚组建完成，某节点需要发送数据时，它首先监测信道是否空闲。如 果信道持续空闲d i f s 时间，节点立即开始发送数据；如果信道一开始就已经繁忙，说 明有其他节点已经在发送数据，则该节点将继续监听信道直到空闲d i f s 。然后，在空 闲d i f s 后，各节点都有一个随机选择的退避时间，并根据此进行退避，直到退避时间 结束，节点开始发送数据【1 6 1 。如果退避计时器工作期间，侦听到信道又由空转为繁忙， 则暂停退避计时直到信道重新空闲，继续恢复退避计时。如果退避计时到0 ，发现信道 状态是繁忙，则会将退避计时翻倍( 具体计算方法和式2 2 介绍的一样) ，继续等待 信道空闲。退避时间b a c k o f f l i m e 由式2 1 确定。 b a c k o f f f i m e = i n t c w xr a n d o m o xs l o t t i m e( 2 一1 ) 式中：c w ( 竞争窗) 表示c w m i n - c w m a x 中的一个整数；r a n d o m ( ) 表示o 1 之间的 伪随机数；s l o t t i m e 表示由物理层决定的时隙值。 当目的节点正确的接收到数据，必须在间隔s i f s 后，向源节点发送a c k 确认。源 节点收到a c k 帧后，将其竞争窗口c w 设为初始值c w m i n ，然后发送新的数据。为了避 免单个节点长时间占用信道，同一节点在两次连续的数据发送之间也需要进行随机退 避的过程。当多个节点同时传输数据包时容易发生冲突，导致个节点无法收到或未能 侦听到数据包的传输成功。此时，冲突节点也会将自己的竞争窗口翻倍，直到标准规 定的上限值c w m a x ，同时节点将在增大后的竞争窗口值与竞争窗口最大值c w m a x 二者 中，取较小的值作为当前竞争窗口值c w ，即式2 2 所示。 c w = r a i n 2 x c w ，c 】 ( 2 2 ) 需要注意的是，每次将自身c w 值翻倍也是有限制的。由式2 - 2 可知，即 c w = 2 c i n ，标准规定i 的值在基本接入方式中最大值为7 ，在r t s c t s 方式中， 最大值为4 。 之后将根据当前竞争窗口值c w 和式( 2 1 ) 确定新一轮退避时间。退避结束后， 节点将重新发送数据。当一个包退避流程如图2 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 _ 4 退避流程 ( 3 ) 载波检测、m a c 帧结构以及帧间隙 c s m a c a 的基础是载波侦听。它包括物理载波检测( p h y s i c a lc a r d e rs e n s e ) 和 虚拟载波检测( v i r t u a lc a r d e rs e n s e ) 。物理载波监听在物理层完成，主要对接收天线 接收的有效信号进行检测，并根据存在的有效信号，判断信道忙；虚载波侦听在m a c 层完成，它的作用在于：通过在发送的帧头加入发送持续时间的标志，使其他节点根 据该标志设置各自的n a v ，调整其他节点在n a v 忙的时间内不发送数据，主动避免冲 突。图2 5 是的i e e e 8 0 2 1 l 标准定义的m a c 帧结构的主体框架。 帧控制i 持续时间i 地址ll 地址2l 地址3i 序列控i 地址4i 帧i 帧校验 2 字节l2 字节l6 字节6 字节l6 字节f 制2 字节l6 字节l 体 4 字节 图2 - 5i e e e 8 0 2 1i m a c 帧结构 在下面将要介绍的预约退避算法的实现中，就需要在m a c 帧结构中加一个字段来 存放下次退避时间。 i e e e 8 0 2 1 1 标准规定m a c 帧有三种类型，分别是管理帧、控制帧和数据帧。以 分别实现在工作站和a p 之间提供管理、控制和数据交换的功能。 为了实现控制接入信道的不同优先级，i e e e 8 0 2 1 1 d c f 协议中定义了节点对介质 访问的帧间隙标准有4 种。它们是s i f s 、d i f s 、e i f s 以及p i f s f l 7 】。其中与本文有关 的主要是d i f s 和s i f s 。 最短帧间隙( s h o r ti f s ：s i f s ) ：它是最短的帧间隔，其长度为2 8 | ls ，提供最高 优先级的介质访问级别。比如a c k 、c t s 、过长的m a c 帧分片后的数据帧等等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 p c f 帧间隙( p c fi f s ：p i f s ) ：只能在p c f 工作方式下使用。由协调器( p c ) 来控 制分配无线节点发送数据的优先权。p c f 发起数据传输的等待时间间隔称为p i f s 。p i f s 取值为s i f s 加上一个时隙。 d c f 帧间隙( d c fi f s ：d w s ) ：只能在d c f 工作方式下使用。当n a v 和p h y s i c a l c a r d e rs e n s e 指示媒体信道空闲时，任何帧都需要等待d i f s 间隔后才能发送帧。d i f s 长度比p i f s 多一个时隙长度，为1 2 8l as 。 扩展帧间隙( e x t e n d e di f s ：e i f s ) 。只要物理层想m a c 层指示帧己开始发送，并 且在收到的具有完整f c s 值的m a c 帧出现错误，此时d c f 就会使用e i f s 。 这四个帧间隙满足关系s i f s p i f s d i f s e i f s 。帧间隙的使用可以实现不同应用 请求的优先级，提高网络整体性能。 2 1 2 目前改进的退避算法分类 前面已经提到8 0 2 1 1 的退避算法是后进先出次序控制的，这样往往会导致在某一 段时间内，上一次发送成功的节点再次通过竞争得到发送信息的几率更高，这样的结 果是信道使用率的不公平。 另一个问题是当网络中节点数较多时，每次成功发送后的节点都将c w 重置为 c w m i n ( 过小) ，这样引发新的碰撞的几率更大；而只有一个活跃节点时，其竞争窗口 c w 的值却始终等于c w m i n ( 过大) ，这样的结果是需要平均退避c w m i n 2 个时隙才 能发送一个报文，造成没必要的退避延时从而影响网络性能。因此在b e b 算法中，参 数不能随网络状况一起变化，容易造成资源浪费【l 引。 b e b 算法还可简化为如下公式2 3 2 6 所示：其中b 的值即为退避计数的值。 c w 卜c ，( i n i t i a l i z a t i o n ) ； ( 2 3 ) c w 卜m i n ( 2 c w ，c 彬。) ，i f ( b u s y ) ；( 2 - 4 ) c w 卜c ，i f ( i d l e ) ； ( 2 5 ) b = r a n d o m ( o ，c ) ； ( 2 _ 6 ) 可见在b e b 算法中，c w 的值对于算法性能有很重要的影响。因此目前很多