（计算机应用技术专业论文）ieee+80211e+edca机制的性能分析与研究.pdf

i e e e8 0 2 1 l ee d c a 机制的性能分析与研究 摘要 随着i e e e8 0 2 11 无线局域网技术的广泛应用，用户对网络功能和性能的 要求也越来越高，其中一个非常迫切的要求就是对多媒体业务提供服务质量 ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 的支持。但原始的8 0 2 1 l 标准主要是针对尽力而为 ( b e s te f f o r t ，b e ) 的数据业务，因此，8 0 2 1 l 工作组提出了8 0 2 1 1 e 草案，以 支持多媒体业务的不同q o s 需要。本文针对8 0 2 1 le 中e d c a 机制，研究e d c a 参数的影响，给出在任意流量负载下8 0 2 1 l ee d c a 机制的性能分析模型，在 此基础上提出一种新的呼叫允许控制( c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，c a c ) 算法， 为多媒体业务提供更好的q o s 保证。 首先研究了竞争接入，针对i e e e8 0 2 1 1 的分布式协调方式( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，d c f ) 和8 0 2 “e 的增强型分布式接入方式( e n h a n c e d d i s t r i b u t e dc h a n n e lf u n c t i o n ，e d c f ) ，总结了d c f 的特点，分析了它在q o s 支持方面的局限性，提出一种e d c a 机制的性能分析模型。该模型可用于信道 条件非理想情况下，每个站点同时支持多种业务时的系统吞吐量、时延和丢包 率性能分析。n s 2 仿真结果验证了该分析模型的精确性。 其次考虑到作为8 0 2 1 1 e 中基本的媒体接入控制机制，e d c a 机制仅仅能 够实现服务区分，不能提供q o s 保证。介绍了q o s 的定义、衡量指标及q o s 保证机制的主要实现策略。概述了当前在无线局域网中对呼叫允许控制算法研 究现状以及8 0 2 1 1 e 的参考算法。最后基于e d c a 机制的性能分析结果，提出 一种新的呼叫允许控制算法来支持已有流的q o s 。实验结果验证了提出的呼叫 允许控制算法的有效性。 关键词：i e e e8 0 2 1 1 ；无线局域网；增强型分布式接入方式；服务质量；呼叫 允许控制 t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f i e e e8 0 2 1 l ee d c a a b s t r a c t w i t ha p p l i c a t i o n so v e ri e e e80 2 11w l a ni n c r e a s i n g ，c u s t o m e r sd e m a n d m o r ea n dm o r en e wf e a t u r e sa n df u n c t i o n s o n ei m p o r t a n tf e a t u r ei st h es u p p o r to f m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sw i t hq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) h o w e v e r ，t h eo r i g i n a li e e e 8 0 2 11s t a n d a r dw a sd e s i g n e df o rb e s te f f o r td a t at r a f f i c r e c e n t l y ，i e e e8 0 2 。11 w o r kg r o u pp r o p o s e d8 0 2 1l es t a n d a r dt om e e tt h ed e l a ya n dj i t t e rr e q u i r e m e n t so f m u l t i m e d i as e r v i c e s t h er e s e a r c ht a r g e to ft h i sd i s s e r t a t i o ni st oi n v e s t i g a t et h e i n f l u e n c eo fe d c ap a r a m e t e r so fi e e e8 0 2 11ee d c aa n dp r o p o s ea na n a l y t i c a l m o d e lf o rv a r y i n gt r a f f i cl o a d s b a s e do nt h er e s u l t sf r o mt h ea n a l y s i s ，w ep r o p o s e an e wc a l la d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) a l g o r i t h mt op r o v i d ea n ds u p p o r tt h eq o so f e x i s t i n gc a l l s i nt h ed i s s e r t a t i o n ，w ef i r s tp r o p o s ean e wa n a l y t i c a lm o d e lf o ri e e e8 0 2 11e e d c af u n c t i o nb a s e do ne x i s t i n g8 0 2 11d c fm o d e l i tc o v e r se d c ap a r a m e t e r s o fi e e e8 0 2 1 1ea n dw i r e l e s sc h a n n e le r r o r s i ta l s of i t st h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e l l e n h a n c e dd i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o na c c e s s ( e d c a ) ，b e i n gt h ef u n d a m e n t a l m e d i u ma c c e s sc o n t r o lm e c h a n i s mi ni e e e8 0 2 。1le ，c a no n l yp r o v i d es e r v i c e d i f f e r e n t i a t i o nb u to f f e r sn oq o sg u a r a n t e e s w h i l es e r v i c ed i f f e r e n t i a t i o nd o e sn o t p e r f o r mw e l lu n d e rh i g ht r a f f i cl o a dc o n d i t i o n s ，c a cb e c o m e sn e c e s s a r yi no r d e rt o p r o v i d ea n ds u p p o r tt h eq o so fe x i s t i n gc a l l s w ep r o v i d ea ne x t e n s i v es u r v e yo f r e c e n ta d v a n c e si na d m i s s i o nc o n t r o l a l g o r i t h m s p r o t o c o l s i ni e e e8 0 2 1le w l a n sa n dp r o p o s ean e wc a ca l g o r i t h mt h a tp r o v i d e sq o sf o re x i s t i n gf l o w s s i m u l a t e dp e r f o r m a n c er e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dc a c a l g o r i t h m k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 11 ；w l a n ；e d c a ；q o s ；c a c ； 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 插图清单 i e e e8 0 2 1 1 网络的可扩展结构5 i e e e8 0 2 1 1 的层次模型6 i e e e8 0 2 1 l 标准的m a c 层结构7 c f p 与c p 的交替关系8 b a s i ca c c e s s 的接入时序9 r t s c t s 机制的接入时序1 0 b e a c o n 和c f p 1 0 8 0 2 1 l em a c 的结构1 4 c a p 、c p 和c f p 阶段1 5 每个a c 的队列1 6 各竞争域的分布j 2 0 不同竞争域中退避时隙的状态转化o 2 1 吞吐量性能分析与仿真比较2 6 时延性能分析与仿真比较2 7 丢包率性能分析与仿真比较2 7 有c a c 和无c a c 的a c l 的吞吐量比较3 5 有c a c 和无c a c 的a c 3 的吞吐量比较3 5 有c a c 和无c a c 的a c l 的丢包率比较3 6 有c a c 和无c a c 的a c 3 的丢包率比较3 6 表格清单 表3 1优先级和接入类别的映射关系1 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 金目曼工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一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 明并表示谢意。 学位论文作者签字： 字日期：qg 年r 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金旦巴工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权一金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容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适用本授权书) 学位论文者签名： 衔 签字e l 期：一妒年月，占e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 三三喜三：二麓日签字日期：砰f 月f ( ) 日 电话： 电话： 邮编： 邮编： 致谢 在此论文完成之际，谨向我的导师沈明玉副教授表示最真挚的谢意! 本论 文的工作是在沈老师的直接指导下完成的。沈老师严谨求实的科研态度以及宽 以待人的品质，为我指明了研究方向，培养了我的研究能力，使得我的论文能 够顺利完成，在此表示衷心的感谢。 感谢我的同学孙伟、段布托、赵钦及实验室的众多师弟师妹们，大家一起 对无线网络课题进行研究探讨，他们的思想对于我的课题研究具有很大的启发 和帮助。 感谢我的家人在我的求学道路上始终支持我，理解我，是他们的关心与帮 助使我得以顺利完成学业。 最后，感谢所有曾经鼓励或帮助过我的同学及朋友。 作者：罗维思 2 0 0 8 年1 月 1 1 研究背景 第一章绪论 顾名思义，无线局域网就是使用无线传输媒体的局域网。在以前，无线局 域网的代价高、数据速率低、保密性不好，并且使用无线网必须申请许可证， 直到近年来随着这些问题的逐步解决，无线局域网才有了迅猛发展。无线局域 网的应用范围非常广泛。其中一个主要的应用是移动办公。比如外出的办公人 员经常需要使用携带的移动设备执行文件传输、外设共享、w e b 浏览、电子邮 件和数据库访问等通信功能，这时需要通过无线局域网来进行访问。另外在某 些要保证历史建筑物完整性或穿越公共设施的场合，使用无线局域网来连接会 更有优势。因此无线局域网可以作为传统局域网一个必要的补充，利用简单的 存取构架让用户透过它达到“信息随身化便利走天下 的理想境界【50 1 。 现有无线局域网标准有i e e e8 0 2 1 1 【2 】系列标准、欧洲的 h i p e r l a n l h i p e r l a n 2 和日本的m m a c 系列标准。目前采用最多的是i e e e 8 0 2 1 1 工作组制定的i e e e8 0 2 1 1 系列标准。i e e e8 0 2 1 1 的p h y 层的标准主 要有i e e e8 0 2 1 1 a 【3 j 、b 【4 】和g t 副。除了发展不同的物理层标准，工作组还针对 i e e e8 0 2 11 的m a c 层改进标准以增强其在安全性、互操作性和q o s 方面的性 能。如i e e e8 0 2 1 1 f 标准定义了一套称为l a p p ( i n t e r a c c e s sp o i n tp r o t o c 0 1 ) 的协 议，以增强不同供应商的a p 间的互操作性；i e e e8 0 2 1 1 i 是对i e e e8 0 2 1 1m a c 层在安全性方面的增强；i e e e8 0 2 1 1 e 【6 】是为i e e e8 0 2 1 1 提供更好的m a c 层 q o s 保障。 当前对i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的研究，在m a c 层主要包含以下两个方面： ( 1 ) 协议建模与性能分析【4 凡4 6 1 。利用适当的数学模型对协议进行建模， 便于从理论上找到参量对网络性能的影响，从而更好得设计协议和网络参数， 调整参量优化网络【4 2 1 。 ( 2 ) 协议改进与性能评估【47 。4 引。无线局域网最初只面向对时延的要求不高 的数据业务，所以早期的i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 1 b 协议标准只针对基于竞 争、不保证q o s 的d c f 接入方式进行了详细规定。此外，i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e 8 0 2 1 1 b 无法实现业务优先级的区分，无法为传输多媒体业务提供q o s 保证。 因而需要对早期的协议进行改进以支持更多业务、实现保证q o s 要求的能力。 改进的协议同样需要利用数学模型进行性能评估，与传统标准进行比较研究。 此外，人们对i e e e8 0 2 l 1m a c 协议的能量消耗【7 9 1 ，以及安全性问题【1 0 】也进 行了相应的研究。 1 2 研究目的和意义 相对于i e e e8 0 2 1 l ，i e e e8 0 2 1 1 e 主要引入了以下新技术： ( 1 ) 引入混合协调功能( 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 ) ，允许无线节 点在传输机会( t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y ，t x o p ) 期间长时间占用信道，从而 大大减少侦听、帧间隔( i n t e r f r a m e ) 、后退( b a c k o f f ) 和竞争造成的信道开销， 提供基于优先级( p r i o r i t y b a s e d ) 和q o s 参数( p a r a m e t e r b a s e d ) 的信道访问。 ( 2 ) 引入块确认( b l o c ka c k ) 机制，即针对多个数据包只回复一个确认帧， 减少确认帧带来的开销。 ( 3 ) 引入直接链接协议( d i r e c tl i n kp r o t o c o l ，d l p ) 机制，提供点到点的 直接通信机制，相对于i e e e9 0 2 ，l l 通过a p 转发通信的机制，实用吞吐量提 高一倍。 为了对8 0 2 1 1 e 标准进行评估，仿真和数学分析是必不可少的。尽管仿真 模型能够贴切的描绘系统的动态行为，但是在体现网络参数和性能测算之间的 数学关系方面却并不见长。因此需要使用一定的数学分析模型来为网络参数配 置提供依据。此外，考虑到作为i e e e8 0 2 11 e 中基本的媒体接入控制机制，e d c a 机制仅仅能够实现服务区分，不能提供q o s 保证，也有必要使用呼叫允许控制 来保证已有流的q o s 。 1 3 论文的主要工作 本文的研究工作主要针对基于i e e e8 0 2 1 1 e 标准的无线局域网的m a c 层 接入技术和呼叫允许控制算法，包括以下五个方面。 ( 1 ) 研究了竞争接入，针对i e e e8 0 2 1 1 的d c f 和i e e e8 0 2 1 1 e 的e d c a 机制。总结了d c f 的特点，分析了它在q o s 支持方面的局限性。 ( 2 ) 结合e d c a 参数和由轻到重的流量负载情况，提出一种e d c a 机制的 分析模型。该模型可用于信道条件非理想情况下，每个站点同时支持多种业务 时的系统吞吐量和时延性能分析，它也为系统参数的合理选取提供了一种分析 工具，有助于进一步实现呼叫允许控制算法。 ( 3 ) 使用n s 2 1 铊j ( n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 ) 的仿真结果验证了上述分 析模型的精确性。 f 4 ) 介绍了q o s 的定义、衡量指标及q o s 保证机制的主要实现策略。概述 了当前在无线局域网中对c a c 算法的研究现状以及i e e e8 0 2 1 1 e 给出的参考 2 算法。 ( 5 ) 基于对e d c a 机制的性能分析结果，提出一种新的c a c 算法来保证相 关的吞吐量和丢包率性能。实验结果验证了提出的c a c 算法的有效性。 1 4 论文的章节组织 第一章是论文的绪论，介绍了论文的研究背景和主要研究内容。 第二章介绍了i e e e8 0 2 1 1 m a c 协议以及相关研究进展。 第三章在总结现有的i e e e8 0 2 1 1d c f 模型的基础上，提出了一个基于任 意流量负载的i e e e8 0 2 1 l ee d c a 性能分析模型，该模型涵盖了e d c a 机制的 主要参数，并通过与仿真结果的比较，证明了该模型的准确性。 第四章在i e e e8 0 2 1 1 ee d c a 的基础上，提出一种新的c a c 算法来保证 所期望的吞吐量和丢包率性能。实验结果验证了提出的c a c 算法的有效性。 第五章给出了论文结论和对进一步工作的展望。 第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网 1 9 9 7 年正式发布的i e e e8 0 2 1 l 标准规定了无线局域网的p h y 和m a c 规 范，是后继的其他版本协议的基础，也是由此构成的8 0 2 1 1 协议族的核心。此 后的各版本的i e e e8 0 2 11 标准实际上都是对这个标准进行某个方面的增强和 改进，并不覆盖原有标准。 本章首先简要介绍了i e e e8 0 2 1l 标准的网络结构。其次概要阐述了i e e e 8 0 2 1 1 的层次模型。最后详细描述了p h y 层和m a c 层的主要特点，并选取基 于竞争的接入控制机制作为介绍重点。 2 1i e e e8 0 2 1 1 的网络结构 无线局域网系统的结构和通常的有线网络系统有很大不同。无线网络的移 动性决定了其动态的拓扑结构，而不能是有线网络的固定的拓扑结构。因此， 对i e e e8 0 2 1 1 定义的网络结构，不能使用有线局域网中常用的节点、链路以 及拓扑结构来描述，而需要使用节点及其无线信号的覆盖区域来描述【5 1 1 。 在i e e e8 0 2 1 1 标准中，无线局域网中能相互通信的节点被概念化为服务 集( s e r v i c es e t ，s s ) ，而相应的无线信号的覆盖区域被概念化为服务区( s e r v i c e a r e a ，s a ) 。服务集和服务区的概念不涉及具体的物理实现，与网络组成和拓 扑结构无关。它强调的是各站点能够完成的特定服务的功能集合。 服务集的基本构成单元称为基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ，b s s ) ，b s s 的 覆盖区称为基本服务区( b a s i cs e r v i c ea r e a ，b s a ) 。b s s 由一个接入点( a c c e s s p o i n t ，a p ) 以及若干节点( s t a t i o n ，s t a ) 组成。其中a p 是b s s 的中心站点， 它比b s s 内的其它站点拥有更多的功能。这些功能包括移动管理、节能管理、 同步管理，更主要的是用于网络扩展。b s s 实际上对应着普通局域网中的一个 子网的网段，而a p 的功能相当于无线网桥。 多个b s s 通过无线接入站a p 与骨干网d s ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d s ) 相 连，构成了扩展服务集( e x t e n d e ds e r v i c es e t ，e s s ) ，从而实现b s s 之间的互 通。e s s 的覆盖区称为扩展服务区( e x t e n d e ds e r v i c ea r e a ，e s a ) 。一个e s s 又可以通过无线网关( p o r t a l ) 和其他8 0 2 x 网络相连，从而实现整个8 0 2 协议 族的网络联通。 图2 1 显示了i e e e8 0 2 1 l 网络的可扩展结构。其中实现b s s 互联的传输 系统d s ，也是一个逻辑概念，在协议中没有明确规定，可以是无线介质，也 4 可以是有线介质。在常用的无线局域网络中，d s 作为骨干网一般采用高速有 线网络、高速以太网来实现。 图2 1i e e e8 0 2 。11 网络的可扩展结构 2 b s s 如果不与其它的无线局域网互连使用就成为孤立的b s s ，即独立基本 服务集( i n d e p e n d e n tb s s ，i b s s ) ，i b s s 内的站点相互之间直接通信，没有a p ， 也不与现存的其它有线或无线网络发生关联，仅仅覆盖有限区域。i b s s 实际上 是一个a dh o e 网络，它的最大优点就是网络结构自组织，不需要专门配置，可 以随时部署，但无法扩展为e s s 。i e e e8 0 2 1 l 标准中并没有规定a dh o c 网络 的扩展性，但目前有许多新算法和实现方案可以支持a dh o c 网络内部的分群来 实现a dh o c 网络的基于群的覆盖扩展。各b s s 在逻辑上是区分的，但在空间 上可以重叠，即物理上同一空间中可以分为不同的b s s 。由此也导致了b s s 之 间的共存及干扰问题，协议中没有明确规定，需要设备制造商在实现中自行考 虑。 2 2i e e e8 0 2 1 1 的层次模型 i e e e8 0 2 1 1 标准规定了节点的p h y 和数据链路层的m a c 子层结构。节 点的结构可以使用协议分层参考模型来描述，对应的是标准的i s o i e c 的o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 七层参考模型。如图2 2 所示。 其中p h y 层的主要功能是通过物理层服务接入点( p h ys e r v i c ea c c e s s p o i n t ，p h y s a p ) 向m a c 层提供传送协议数据单元( m a cp r o t o c o ld a t au n i t ， m p d u ) 的服务。m p d u 同时也是p h y 层的服务数据单元( p h ys e r v i c ed a t a u n i t ，p s d u ) 。p h y 层按照功能还可进一步分为p l c p 和p m d 两个子层，且由 于不同的p h y 层会有较大的差别。 d 嚣馅l i n k m a cs a p 眦m a l a s u g e 暑m 州e n t e n t i t y l卜一 l a m a c6 u b l a y q r 一 y l e r p 孵8 a p p h y s i c a l l 融c ps u b l a y e r 卜 a i 睡a f 毫a g e m 雹n t 奄l l卜一 y p m d s a p e e n t l 幻i 建 p m d s u b l a y e 扩卜 图2 2 i e e e8 0 2 11 的层次模型 m a c 子层通过m a c 层服务接入点( m a cs e r v i c ea c c e s sp o i n t ，m a cs a p ) 向逻辑链路控制( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，l l c ) 实体提供传送m a c 服务数据单 元( m a cs e r v i c ed a t au n i t ，m s d u ) 的服务、数据安全性服务以及m s d u 排 序等服务。其核心是基本的m s d u 传输功能。 p h y 层和m a c 层都有各自的层管理实体，其中p l m e ( p h y s i c a ll a y e r m a n a g e m e n te n t i t y ) 是物理层管理实体，m l m e ( m a cs u b l a y e rm a n a g e m e n t e n t i t y ) 是m a c 子层管理实体。在两个层管理实体之上，是概念上的站点管理 实体( s t a t i o nm a n a g e m e n te n t i t y ，s m e ) ，它不属于标准的一部分，只与具体实 现有关，用来确保个站点正常的功能实现。s m e 通过m l m es a p 和p l m es a p 两个服务接入点来控制和操作层管理实体。 2 3i e e e8 0 2 1 1 的p h y 层 于1 9 9 7 年推出的最初的i e e e8 0 2 1 1 标准工作于2 4 g h z 频段，物理层采 用红外、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 ) 或跳频扩频 ( f a s ts e r v i n gs t a t i o ns w i t c h i n g ，f s s s ) 技术，共享数据速率最高可达2 m b p s 。 此后，在1 9 9 9 年相继推出了i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 1 b 两个标准。 i e e e8 0 2 。1 1 a 工作于5 8 g h z 频段，它采用正交频分复用( o r t h o g o n a l 6 f 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 ，o f d m ) 技术，共享数据速率最高可达5 4 m b p s 。 i e e e8 0 2 1 1 b 工作于2 4 g h z 频段，采用直接序列扩频和补码键控，共享数据 速率最高可达1 1 m b p s 。i e e e8 0 2 1 l a 虽然可以达到较高的速率，但成本较高， 而且工作在5 8 g h z 频段，与遵循i e e e8 0 2 1 l b 标准的节点不兼容。按照无线 网络技术的发展态势，用户迫切需要在2 4 g h z 频段有更高的接入速率支持。 于是，i e e e 在2 0 0 3 年又推出了i e e e8 0 2 1 l g 。它实现了2 4 g h z 频带下的 多种数据传输速率，传输速率范围为6 m b p s 一 5 4 m b p s ，与8 0 2 1 1 a 相当。其调 制技术支持i e e e8 0 2 1 1 b 的补偿码键控和 e e e8 0 2 1 1 a 的o f d m ，同时支持分 组二进制卷积码( p a c k e tb i n a r yc o n v o l u t i o nc o d i n g ，p b c c ) 技术。i e e e8 0 2 11 9 兼容i e e e8 0 2 1 1 b 的节点，也较好地解决了与同工作在2 4 g h z 频段蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 设备的干扰问题。i e e e8 0 2 1 l g 的推出大大促进了i e e e8 0 2 1 l 在产业界的发展。 与i e e e8 0 2 11 a b g 相对应，欧洲电信标准化协会( e u r o p e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d i z a t i o ni n s t i t u t e ，e t s i ) 的宽带无线电接入网络小 组也在制定h i p e r ( h i g hp e r f o r m a n c er a d i o ) 接入标准，即h i p e r l a n 。目前已 推出h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 。其中h i p e r l a n l 对应i e e e8 0 2 1 1 b ，而 h i p e r l a n 2 与i e e e8 0 2 1 1 a 具有相同的物理层。 为了促进i e e e8 0 2 1 1 a 在欧洲的推广发展，与e t s i 的h i p e r l a n 2 竞争， i e e e 又提出了i e e e8 0 2 1 1 h 标准，在i e e e ：8 0 2 1 1 a 基础上增加自动频率选择 ( d y n a m i cf r e q u e n c ys e l e c t i o n ，d f s ) 和发送功率控制( t r a n s m i s s i o np o w e r c o n t r o l ，t p c ) 功能，使i e e e8 0 2 1 l a 符合欧洲有关管制规定的要求，便于在 欧洲推广发展。 2 4i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层 数据链路层是由l l c 和m a c 两个子层组成的。i e e e8 0 2 家族中的l l c 子层采用的是i e e e8 0 2 2 标准。通用的l l c 层向上层协议屏蔽了下层协议的 差别，这是8 0 2 协议族的一个主要特点。8 0 2 。1l 协议的无线复杂性也由l l c 完 全屏蔽。因此无线传输导致的各种问题就要在p h y 和m a c 层中处理，尤其是 在m a c 层中处理。这决定了i e e e8 0 2 11 的m a c 协议具有相当的复杂性。 p c f 点协谰助缝魄竞争耀势)竞争黢务 d c f 分奄式游谣秘能 图2 3i e e e8 0 2 1 1 标准的m a c 层结构 7 2 。4 1 信道接入 m a c 层为用户在不可靠的媒介上提供可靠的数据传输。i e e e8 0 2 1 l 标准 的m a c 层结构如图2 3 所示，它规定了两种接入方式：分布式协调方式，是基 本的接入方式，作用于竞争期( c o n t e n t i o np e r i o d ，c p ) ，用于各站点公平地竞 ，争信道。点协调方式( 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 ) 建立在d c f 的基础 之上的，为可选方式，工作于无竞争期( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，c f p ) ，用于 多站点依次有序地接入信道。 i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层使用四种不同的帧间隔时间( i n t e rf r a m es p a c e ， i f s ) 来实现信道接入。这四种i f s 按照从短到长的顺序依次为：s i f s 、p i f s 、 d i f s 和e i f s 。其中s i f s 是最小帧间隔，用于源站点和目的站点的帧交换之间； p i f s 用于p c f 接入方式；d i f s 用于d c f 接入；e i f s 用于差错处理。后文用 s i f s 、p i f s 、d i f s 和e i f s 分别表示相应的帧间隔时间长度。 系统使用超帧来划分时段，一个超帧内的时间安排如图2 4 所示，c p 和 c f p 总是交替出现。a p 每间隔一定的时间就发送一个特定的b e a c o n 帧，开始 一个c f p ，b e a c o n 帧包含了本次c f p 结束的时间，c f p 结束后就进入c p 阶段， c p 和c f p 是交替进行的。如果在预期的时刻信道忙，a p 将在信道空闲后等待 p i f s 时间再发送，因此造成c f p 的实际长度受起始影响而不固定。p i f s 比d i f s 具有更高的接入优先级，保证了a p 能获得信道。 。 c 降脚砌跏删 ： ：数嬲耐锄r l 。n 礤c f p 一 c o 蝴妊翻铲倦嚣p 嚣俐c o 嘲翻r 昭mp 孽商喇 c f 瓢心翊 c 嗣嘧群i 数搠p 删 。8 | 瞪| 鼢 l 热 i晰 8 | 附 缈虢彬璐鳓田 8 ；8 掌幽髓f 国彝箍 些露鍪鍪懑琵笼翟一盖酝糍渤蠡螽蠡蓬碰涵翻巍盔醯缓珑赫蕊女目2 翟鞠l 溺磁醯蠡荔盔酝缢盔磁玉盔；0 瀚 图2 4c f p 与c p 的交替关系 d c f 规定了两种机制：两次握手的基本接入( b a s i ca c c e s s ) 机制和可选 的四次握手的r t s c t s 机制。二者都基于载波监听多址访问碰撞避免( c a r r i e r s e n s em u l t i a c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 机制和二进制指数退避算 法。 在i e e e8 0 2 1 1 标准中，c s m a 协议中的载波监听，既可以在物理层进行， 也可以在m a c 层进行。在p h y 层，节点对p h y 层的空中接口进行载波监听， 当接收到相对信号强度超过一定的门限数值时就可判断是否有其它的节点在信 道上发送数据。 在m a c 层，i e e e8 0 2 1 1 标准采用了一种虚拟载波监听( v i r t u a lc a r r i e r s e n s e ，v c s ) 机制，即通过让发送终端将它要占用信道的时间( 包括接收终端 发回确认帧所需的时间) 通知给所有其他的终端，以便使其他所有终端在这一 段时间内都停止发送数据。这样就大大减少了发生碰撞的机会。“虚拟 是表示 其他终端并没有监听信道，而是由于其它终端收到了发送节点的通知而不发送 数据。这种效果好像是其他终端都监听了信道。“源节点通知 就是在其m a c 帧 首部的第二个字段“持续时间”中填入了该帧在传输结束之后还要占用信道的 时间。当一个终端检测到正在信道中传送的m a c 帧首部的“持续时间”字段 时，就调整自己的网络分配向量( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ，n a v ) 。n a v 指 出了必须经过多少时间才能完成这次传输，从而使信道转回空闲状态。因此， 信道处于忙态，或者是由于物理层的载波监听检测到信道忙，或者是由于m a c 层的虚拟载波监听机制指出了信道忙。 i 翔m s o l a t ba g 饼豫滔w f l e e im 目目那玎 i 誊蠹静嚣d i f $ 引擎s c o 摊t e n t i o nw i n d o w i d i f s 。 p i f s r ” fb u s yt d e d b m s f s f 坤赫撕棚删 fn e 娥f r a 嗍 7 i l 。s i o l l i 嬲 1 1 。d e f e r a c c e s s s e l e c ts l o ta n di ) e c m m e m tb 蜮o f f 舔l o n g 图2 5b a s i ca c c e s s 的接入时序 b a s i ca c c e s s 的接入时序如图2 5 所示。数据包首次接入信道之前先检测信 道是否空闲d i f s ，若是，则直接传输；反之等到信道空闲d i f s 后进入退避过 程。退避计数器的取值为： b a c k o f fn 所e = r a n d o m ( ) a s l o t t i m e( 2 1 ) 式中a s l o t t i m e 是系统设定的时隙长度，它取决于具体的物理层；r a n d o m ( ) 是在 i o ，c w 一1 l 之间服从均匀分布的随机数，c w 为竞争窗口( c o n t e n t i o nw i n d o w ) 长度。它的取值从c 开始，此时退避阶段( b a c k o f fs t a g e ) 为0 。每经历一次 碰撞退避阶段加1 ，竞争窗口长度变为原来的2 倍，直到达到c 哪= 2 ”c w m 为 止，聊为最大退避阶段，此时再经历碰撞，退避阶段和竞争窗口的长度都保持 不变。当发送成功，或者达到重传次数限制时，c w 恢复到c 既i 。每经历一次 9 空闲时隙，退避计数器的值就减l ，当信道忙时，退避计数器的值保持不变， 直到信道空闲d i f s 后，才继续减数。当退避计数器的值减到0 时，数据包将 被发送。 r t s c t s 机制是为了缓解隐藏终端和暴露终端问题、减少碰撞损失而引入 的一种四次握手机制。其接入时序如图2 6 所示。它与b a s i ca c c e s s 的区别有 两方面： ( 1 ) r t s c t s 在进行数据帧交换之前，发送端和接收端先进行r t s 帧和c t s 帧的交换，而b a s i ca c c e s s 则是直接的数据帧和a c k 帧的交换。 ( 2 ) 虚拟载波侦听机制中，n a v 的设置不同。r t s c t s 机制下，r t s 帧和 c t s 帧都是广播控制帧，除通信双方外的其它站点根据接收到的r t s 帧或c t s 帧决定n a v 的取值。这样，尽管隐藏终端( 处于接收方通信范围之内、发送方 通信范围之外的站点) 只侦听到c t s 帧，暴露终端( 处于发送方通信范围之内， 接收方通信范围之外的站点) 只侦听到r t s 帧，但是都可以正确设置其n a v 值，避免冲突。 潍p b同 _ 一 s i f $ b 一 s 萨8 l 硎。 ”丽 r l t a k m l c t s 叶 隅 如一鸸 r n a y m r s ) l n a y c t s ) f 0 撇 搿嬲8 l t d t t 湃& l i r a o c t e t c u r , r e m a i n i n g v a l u e i 玎b e 8 n 图2 6r t s c t s 机制的接入时序 二】互二曼! 匪 露钧钧鹕 i tlti| d 下i mc 阿嘲d f l 旺 e 盼r e p e t i t i o ni n t e r v a l _ 一 图2 7b e a c o n 和c f p l o 由于d c f 并不提供任何延时或带宽的保证，因此难于满足部分对延时和带 宽敏感的应用的q o s 要求。为此i e e e8 0 2 1 l 标准还定义了种可选的访问方 法p c f 用以支持用户终端的面向连接、无竞争的数据帧传送。 p c f 模式提供无需竞争的帧传送，无线局域网处于p c f 模式的时间段叫做 无竞争期c f p 。a p 在监听信道空闲了p i f s 后，在c f p 开始时获得信道的控 制权来实施p c f ，如图2 7 所示。 在c f p 期间，可轮询的( c f p o l l a b l e ) 终端被a p 轮询。终端收到轮询后 等待s i f s 就发送自己的数据。为了轮询终端，a p 必须保持一个轮询列表。a p 以一个b e a c o n 帧来开始c f p 。如果c f p 期间的业务量不大，或是a