（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80211b的无线语音性能研究.pdf

中文摘要 摘要：随着无线局域网技术和v o l p ( v o i c eo v e ri p ) 技术的不断发展，利用无线网络 来传输i p 语音的技术( v 0 w u 蝌，v o i c eo v e rw l a n ) 成为近些年研究的热点。但 是由于传统的i p 网络采用的是“尽力而为 的服务机制，以及无线网络有限的带 宽资源的限制，使得无线网络在传输实时的语音业务时服务质量不能得到保障。 本文评估了无线局域网v o l p 的传输效率，提出了8 0 2 1 l b 网络不适合传输i p 话音 的观点，并且从理论和实验两个方面对v o l p 容量进行计算和测量，根据实验结果 提出了一个呼叫接入控制方案。本文的研究对v o w l a n 技术的应用有指导意义， 提出的呼叫接入控制方案对保证会话的服务质量有着实际意义。 虽然应用i e e e8 0 2 1 l b 网络传输语音的技术已经得到了广泛的应用，但它本 身的传输效率十分低。绝大部分的8 0 2 1 l b 设备采用d c f 方式竞争信道。d c f 平 等的对待语音和数据业务，对实时性较高的业务并没有优先服务，导致对延时和 丢包率敏感的语音业务的服务质量得不到保障。i e e e8 0 2 1 1 b 的m a c 层采用 c s m c a 的媒体接入方式，这种方式导致了系统的利用率比较低。本文从分析影 响v o w l a n 效率的因素入手，考虑到系统的利用率过低以及建设成本过高的问题， 提出了在i e e e8 0 2 1 l b 网络中并不适合传输基于d c f 方式v o i p 的观点。为了证 明这个观点，文章首先分析了理想情况下系统的v o i p 容量。由于实际网络中会存 在各种类型的背景数据流，这些数据流会影响v o 口的性能，文章进一步从时延和 丢包率两个角度分析计算了在不同大小的背景数据流情况下v o i p 的容量。 为了验证理论分析的结果，本文通过搭建实际的测量环境测量了不同背景流 量下v o i p 的容量，得出的实验结果与理论分析值相符，证明了文章的结论。 文章以实验的结论为基础提出了一种基于通信容量的呼叫接入控制方案。该 方法能够保证正在进行通话的用户的服务质量，避免因为系统中用户过多而造成 所有用户服务质量下降，平衡了用户服务满意度与系统资源利用最大化的矛盾， 对于维护系统稳定性，防止系统过载具有非常重要的意义。 本文中有图2 0 幅，表5 个，参考文献2 8 篇。 关键词：i e e e8 0 2 1 l b ；无线局域网；v o w l a n ；系统利用率；呼叫接入控制 分类号：t p 3 9 3 j e 京交通叁堂亟堂位途塞垦墨! b ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sl a n t e c h n o l o g ya n dv o i c eo v e ri p ( v o l p ) t e c h n o l o g y , u s i n gw i r e l e s sn e t w o r kt ot r a n s m i tv o i c eo v e ri pb e c o m e sah o t r e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h er e c e n ty e a r s h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a li pn e t w o r k s b e s t - e f f o r t s e r v i c em e c h a n i s ma n dt h el i m i t e db a n d w i d t ho fw i r e l e s sn e t w o r km a k et h ew i r e l e s s l a nu n a b l et og u a r a n t e et h eq o so ft h er e a l t i m e a p p l i c a t i o n ss u c h 弱v o i c e t h i s t h e s i se v a l u a t e st h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo fv o i c eo v e rw i r e l e s sl a n ，p r o p o s e sa v i e w p o i n tt h a t8 0 2 1l bn e t w o r k si sn o ts u i t a b l ef o rt r a n s m i t i n gi pv o i c e ，c a l c u l a t e sa n d v a l i d a t e st h ev o l pc a p a c i t yf r o mb o t ht h e o r i e sa n de x p e r i m e n t s ，a n dg i v e san e wc a l l a d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m eb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s n es t u d yi nt h et h e s i sh a s s o m eg u i d i n gm e a n i n gt ot h eu s eo fv o w l a n ，t h ec a cs c h e m eh a sp r a c t i c a l s i g n i f i c a t i o no ng u a r a n t e e i n gt h eq o so ft h ec a l l a l t h o u g ht h et e c h n o l o g yo fu s i n gi e e e8 0 2 i l bw i r e l e s sn e t w o r k st ot r a n s m i ti p v o i c eh a sb e e nw i d e l yu s e d ，i t st r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yi sv e r yl o w m o s to f8 0 2 1 l b d e v i c e sa d o p td c ft oc o n t e n df o rt h ec h a n n e l d c ft r e a t st h ev o i c ea n dd a t ae q u a l l y , a n dd o e sn o tp r o v i d ea n ya c c e s sp r i o r i t yt ot h ev o i c ea p p l i c a t i o n t h e s em a k ei td i f f i c u l t t og u a r a n t e et h eq o so ft h ev o i c ea p p l i c a t i o nw h i c hi ss e n s i t i v et od e l a ya n dp a c k e t s l o s tr a t i o n em a c l a y e ro fi e e e8 0 2 1 l bu s e sc 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 ep r o t o c o la n dt h i sr e s u l ti nt h el o wu t i l i z a t i o nr a t eo ft h es y s t e m n e p r e s e n tt h e s i sa n a l y z e st h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ee f f i c i e n c yo ft h ev o w l a n c o n s i d e r i n gt h el o wu t i l i z a t i o nr a t ea n dt h eh i g hc o s t so fc o n s t r u c t i n gaw i r e l e s sl a n ， t h et h e s i sd r a w sac o n c l u s i o nt h a ti ti sn o ts u i t a b l et ot r a n s m i tv o i c eo v e ri et h a ti sb a s e d o nt h ep r i n c i p l e so fb a s i ca c c e s ss c h e m eu n d e rd c fi nt h ei e e e8 0 2 1 l bn e t w o r k s i n o r d e rt op r o v et h ev i e w p o i n t ，t h et h e s i sg e t st h ev o l pc a p a c i t yi nt h ei d e a ln e t w o r k e n v i r o n m e n tb yt h e o r e t i c a la n a l y z i n g r n l ev a r i o u sk i n d so fb a c k g r o u n df l o wi nt h er e a l n e t w o r k sw i l la f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ev o i c eo v e rw l a n n i st h e s i sf u r t h e r c a l c u l a t e st h ec a p a c i t yo fv o l pu n d e rt h eb a c k g r o u n df l o ww i t hd i f f e r e n tr a t e ，f r o mt h e p e r s p e c t i v eo fd e l a ya n dp a c k e t sl o s tr a t i o i no r d e rt ov a l i d a t et h er e s u l t sf r o mt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h et h e s i sm e a s u r e st h e c a p a c i t y o ft h ev o w l a nw i t hd i f f e r e n tb a c k g r o u n df l o wb ys e t t i n gu pat e s t i n g n e t w o r k t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sm a t c ht h et h e o r y a n dt h i sp r o v e st h ec o n c l u s i o no f t h et h e s i s t h et h e s i s p r o p o s e sac a l la d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m et h a t i sb a s e d 咖t h e c o r n m u n i c a t i o i lc a p a c i t y ，u s i n gt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t t h ec a c s c h e m ec a n m a i n t a i nt h eq o so ft h eu s e r sw h o a r eu n d e rs e r v i c ee f f e c t i v e l y , a n da v o j dad e e l i n ei n t h eq o sf o rt o om a n yu s e r s t h ec a c s c h e m es o l v e st h ec o n f l i c tb e 铆e e nt h es e r v i c 弓 s a t l s f a c t l 锄o fu s e ra n ds y s t e mr e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，k e e p st h es y s t e ms t a b l e ，i m p r o v e s t h es y s t e mc a p a c i t y , a n da v o i d st h es y s t e m o v e r l o a d t h ep r e s e n tt h e s i sc o n t a i n s2 0 p i c t u r e s ，5t a b l e sa n d2 8r e f e r e n c e s k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 1 l b ；w l a n ；v o w l a n ；s y s t e m u t i l i z a t i o l l ：c a a d m i s s i o nc o n t r o l c l a s s n o ：t p 3 9 3 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 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：鸯大痧艮 导师签名：之 签字日期：2 岬8 年6 月【j 日签字日期：嘭邡年, 9 1 7 1 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表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：奄t 匆 签字日期：2 彻8 年6 月 lf 日 5 5 致谢 本论文的工作是在我的导师赵永祥副教授以及陈常嘉教授的悉心指导下完成 的，赵永祥副教授和陈常嘉教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的 帮助和影响。在此衷心感谢三年来赵永祥老师对我的关心和指导。 赵永祥老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向赵永祥老师表示衷心的谢意。 赵永祥老师和陈常嘉老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的师兄师姐们给了我很大的支持，向 郑毅师兄和张敏、危婷师姐等表示感谢：我的同学於晓川、谢倩垄等同学对我论 文中的m a t l a b 分析以及数学建模的研究工作给予了热情帮助，感谢他们在平时学 习和生活中给与我的支持和帮助。我的论文完成过程中也得到了华为3 c o m 公司 的支持与帮助，感谢他们为我提供实验设备，公司的郭晓老师和张宇翔老师在我 实验中给与了我很多帮助和指导，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 我的每一点进步都凝刻着他们支持与关爱，在这里对我的家人表示衷心的感谢! 感谢所有关心和帮助我的人! 1 引言 1 1 研究背景 随着科学技术的发展，用移动终端来获得各种多媒体服务已成为未来无线网 络发展的必然趋势。由于硬件技术和信号传输、处理等底层技术的飞速发展，无 线传输的带宽越来越大、数据传输速率也越来越高，这使得在无线终端上进行高 质量多媒体通信成为可能。作为无线通信的一个重要组成部分，无线局域网技术 在近年来也得到了高速发展，并获得了广泛应用。w l a n 技术的不断进步和无线 设备的日益普及给人们的生活带来了极大方便的同时，人们希望w l a n 能够提供 像有线l a n 一样稳定高效的服务。在以往的有线以太网中，由于丰富的带宽资源 和高效的信息传输，人们对网络的服务质量没有太多的关注。而在无线网络中， 有限的带宽资源与复杂多变的信道特性导致的高误码率，限制了那些对带宽、时 延有较高要求的视频、语音等多媒体实时业务在w l a n 中的应用。在无线网络日 益普及的今天，能否提高服务质量并支持多业务，是直接影响其进一步发展的关 键而又紧迫的问题。 目前针对无线局域网的研究的主要方向集中在如下两个方面，一是无线网络 各主要技术环节的深入研究和性能的进一步改善，比如说优化协议提高效率等； 另一个就是在无线网络应用领域的拓展，比如研究更多的基于无线网络的应用业 务等。坤语音技术是在i p 网络上以数字分组方式传输语音的技术，它实现了电话 网与数据网的结合并使在口网上实现多种业务综合成为可能。m 语音技术应用于 无线网络上的技术我们称之为v o w l a n 技术，它拓展了无线局域网的应用。 虽然利用i e e e8 0 2 1 1 无线网络来传送口语音的技术得到了广泛的应用，但 是v o w l a n 技术的应用还面临着许多问题，其中如何提高无线网络中系统的传输 效率、通信容量、系统的利用率以及如何保证已经存在的v o i p 的服务质量等问题 有待于做更深一步的研究。本文的研究工作就是在这样的背景下开展的。 1 2 研究现状 现在研究无线网络应用i p 语音技术的文献有很多，但是侧重点各有不同。目前， 研究i e e e8 0 2 1 1 的d c f 协议支持语音通信的能力的技术日趋成熟。c r o wb p & k i m j g 的文章【1 1 只研究了支持1 m b p s 和2 m b p s 的物理层；k o p s e la 和w o l i s za 的文章嘲 研究了范围更广的数据率和变化的信道条件，但是该文中度量的单位是平均信道 访问时延，而不是信道的通信容量；s m a v a t k u ln 和c h e nyi j j 计算 i e e e8 0 2 1 1 a 网络的通信容量，并考虑到了播放缓存的分组丢失，但不足之处是只考虑了一种 时延限制条件；傅鹤岗和周振东【碍j 通过数学建模的方法对理想状态下i e e e8 0 2 1 1 b 无线局域网的v o i p 通信容量做了分析和计算，但这篇文章只考虑了理想情况的容 量，对外界的干扰没有考虑，具有局限性。此外，一些针对应用层、网络层以及 m a c 层v o l pq o s 的研究成果国内外也有很多文章。 在提高v o l p 在w l a n 上传输容量方面，文献【5 】提出了一种优化轮询机制的方 法来提高w l a n 的p c f 模式下实时媒体的传输容量。在d c f 模式下，涉及提高 w l a n 中v o l p 传输容量的方法的文献很少。 许多关于v o l p 的容量计算的文章都是分析了理想情况下的系统通话的容量， 但是很少有文章考虑了当系统中存在背景数据流时v o i p 容量的分析与计算。考虑 到当前实际网络情况，这种分析和计算是非常必要和迫切。随着网络应用的不断 发展，在我们现实的网络中会存在着越来越多的背景数据流，比如说b t 下载数据 流、兀甲数据流、h t m 数据流或者一些相关协议数据流等，这些背景流对v o i p 的容量及其性能肯定会存在着很大的影响，而这正是本篇文章的一个创新点。 1 3 研究意义 本文主要对无线网络中的v o i p 性能作了理论推导和实验评估，并根据测量的 结果提出了一个会话接入控制的方案。得出的结论对无线网络环境下i p 语音的应 用有一定的指导意义，得出的会话接入方案有助于保证已经存在于网络中的话音 的服务质量，对v o i p 在无线网络中的进一步应用有一定的借鉴作用。 与传统电话相比，v o i p 有一个致命的缺点，就是语音服务质量无法得到保证。 这是由于口网最初设计的目的是为传输数据，采用的是面向无连接的“尽力而为 的传输体制；而实时语音数据和普通数据有着不一样的特性，实时语音数据要求 网络传输能保证较高的实时性和连续性。虽然最新的i e e e8 0 2 1 1 e 协议标准提供 了对服务质量的基本支持，但是无线多媒体传输的o o s 涉及到包括多媒体数据编 码技术、传输网络的各层和终端节点等多个网络元素，现有的协议远不能满足人 们对多媒体应用的质量需求。加之无线信道带宽资源有限、干扰因素多、误码率 较大以及多媒体应用的实时性要求高，数据传输量大等特点，在无线局域网上实 现质量可靠的多媒体服务仍然是一个很有挑战性的课题。因此，本文的主要目的 就是通过研究系统的v o l p 容量以及系统的实际传输效率等方面，来分析在8 0 2 1 1 b 网络中传输基于d c f 方式v o l p 的方案的可行性。通过实际测量无线网络中在存在 2 着不同的背景数据流的情况下i p 的容量对论文提出的观点作验证。根据测量结 果研究会话的接入控制机制，以便保证已经存在的会话的服务质量，有一定的理 论意义和实际意义。 1 4 本文的工作和结构安排 本文通过理论分析和实际测量相结合，重点研究了在8 0 2 1 l b 网络下语音的性 能。本文的主要工作有：分析了影响无线语音传输效率以及v o l p 容量的因素，进 而分析在8 0 2 1 l b 网络中传输基于d c f 方式i p 的方案的可行性。计算了理想状 态下v o i p 的容量，从延时和丢包率两个方面定性的分析背景数据流量大小和v o l p 性能及容量之间的关系。为了验证理论分析的结果，本文通过搭建实际的网络对 v o i p 容量进行了测量，并对实验中的相关方案作了分析和比较。本文最后根据实 验的结果提出了一种能够保证正在通话用户的服务质量的呼叫接入控制方案。 本文具体的结构安排如下： 第一章绪论部分，提出了课题的研究背景、研究现状和以及论文的研究意义。 第二章介绍了无线局域网的组成架构，i e e e8 0 2 1 1 协议的基本知识，分析了 物理层结构及特性，并详细介绍了m a c 层介质访问方式p c f 等。随后文章对i p 通信系统做了一下初步的介绍，分析了影响、b i p 服务质量的各种因素等。本章还 介绍了v o w l a n 的体系结构以及提高v 0 i p 话音质量的相关技术。 第三章从分析v o w l a n 的效率入手，分析了影响无线传输效率的主要因素， 引出了本文的论点。为了论证该论点，文章分别计算推导了在理想状态下以及存 在背景数据流的情况下系统可以传输v o i p 数目的最大值，并通过计算分析了编码 器的选择以及封装间隔长短的选择对系统容量的影响。 第四章首先介绍了测量通信容量的思路，依次提出了产生i p 话音数据流和产 生背景数据流的几个解决方案，并且对各种方案的优缺点作了比较。最后介绍了 实验的测量环境和测量过程，对测量结果作了分析总结，并且根据实验的测量结 论提出了一个保证话音质量的呼叫接入控制方案。 第五章对全文作了总结，并对本课题发展的前景作了展望。 3 2 无线局域网与v o w l a n 概述 近些年来，随着信息高速的传递以及个人数据通信快速的发展，越来越多的 移动产品相继出现，标志着人们对快捷数据访问的需求不断增加。为了实现使用 户在任何时间、任何地点都能实现数据通信的目标，要求原有的数据通信要完成 从有线到无线、从固定到移动、从单一的业务向多媒体业务发展的转变。传统的 有线网络已无法满足人们的需求，无线局域网应运而生。而随着无线局域网的应 用越来越广泛，i e e e8 0 2 1 1 等相关的技术规范也越来越成熟。 无线局域网技术与v o l p 技术的结合产生了v o w l a n 技术。v o w l a n 是对有 线的v o i p 系统的扩展，是传统的模拟和数字语音通信的又一替代解决方案。它的 优点是无线语音与数据应用以无线的形式汇聚，并且终端具有可移动性。 本章将介绍无线局域网的组成架构，以及i e e e 8 0 2 1 1 的物理层和介质访问控 制层的相关规范，并且对v o w l a n 的原理以及影响v o l p 话音质量的因素做了介 绍。 2 1 无线局域网的组成 2 1 1i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的网络组件 一个完整的i e e e8 0 2 1 1 的体系结构。其中包含了以下组件： 1 ) 工作站( s t a ：s t a t i o n ) ：s t a 是可以漫游于不同的b s s 之间，实现移动通信 的活动终端。s t a 必须在通信前后与对方进行解除身份认证，并且还需要 在信息发送之前将其加密，以防窃听，最后s t a 还要进行m a c 层业务数据 单元的传送。 2 ) 基本服务集( b s s ：b a s i cs e r v i c es e 0 ：b s s 是8 0 2 1 1w l a n 的基本组成部分， 它提供了一个覆盖区域，使得其内部的s t a 保持充分连接。b s s 的有三种组 成方式：即集中控制方式、分布对等式和集中制式与分布对等式相结合的方 式。 3 ) 分布系统( d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ：d s 用来连接多个b s s 。不同b s s 内的 s t a 之间的通信必须通过d s ，它要执行发送业务将信息传送给目的s t a 所 在b s s 的a p ；若目的s t a 位于网外，d s 则启动集成业务，将信息通过p o r t a l 传给目的站。 4 ) 网络访问接入点：a c c e s sp o i n t ) ：a p 兼具s t a 和d s 功能。数据和控制 4 信息通过a p 在b s s 和d s 之间传送，它还兼具网管的功能。 5 ) 扩展服务组( e s s ：e x t e n d e ds e r v i c es e o ：e s s 通过a p 和d s 把多个b s s 连 接起来，从而实现了不同b s s 内的s t a 的相互通信。这种配置是多区w l a n 的一种应用模式，加入d s 和a p ，就可任意扩展网络的复杂程度。 6 ) 逻辑接入点( p o r t a l ) ：信息通过p o r t a l 从一个非w l a n 协议系统进入w l a n 扩展网络的分布系统中，从而实现w l a n 与非w l a n 的结合。 2 1 2i e e e8 0 2 1 1 无线局域网组网类型 i e e e8 0 2 1 1 网络的基本要素是基本服务集，它是由一组相互通信的结点组成。 结点的通信在一个基本服务区域内进行，并且该区域是由无线媒介的传播特征所 决定的。当结点处在这个基本服务区域时，它可以和b s s 内的其它节点进行通信， 基本服务集b s s 一般分为3 种类型 7 1 ：独立服务集( i b s s ：i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c e s e 0 、基础框架服务集( i n f r a s t r u c t u r eb s s ) 以及扩展服务集( e b s s ：e x t e n tb s s ) 。 1 ) 独立服务集 i b s s 没有中枢链路基础结构，它至少包括两个无线工作站。在允许的范围内 s t a 之间可以直接进行通信，它需要太多规划就能迅速建立，所以这类网络又称 为自组l 网( a dh o c 网络) 。这种工作模式适合于在有线网络不存在或者根本就不需 要使用有线网络的任何地方来实现快速、简单地组建无线网络。它的缺点是无线 工作站只能相互通信，而不能对有线网络进行访问。这种结构如图21 所示。 2 ) 基础框架服务集 和i b s s 不同的是基础框架网络有一个接入点a p ，a p 负责基础框架网络内的 所有通信，包括在同一个服务区域内的结点之间的通信。在一个基础框架网络内， 如果一个s t a 和另一个s t a 之间进行通信，则通信必须分两步：首先，发送方把 数据发给a p ，然后再把收到的数据包转发给目的s t a 。因为所有的通信都经过 a p ，所以基础框架网络的服务区域变为结点可以从a p 进行数据传输的区域。尽 管基础框架模式比a dh o c 模式下的结点直接通信占用了更多的传输资源，但是这 种模式也有它自身的优点，如控制结点处于休眠模式等。这种结构如图2 _ 2 所示。 5 s t a 多q s t a s t a a dh o c 网络模型 图2 _ 1 独立服务集示意图 f i g 2 _ 1i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t s t a s t as t a 图2 _ 2 基础框架服务集示意图 f i g 2 _ 2i n f r a s t r u c t u r eb a s i cs e r v i c es e t 3 ) 扩展服务集结构 单独一个服务集b s s 在一个小的办公室或家庭环境下己经足够了，但是它们 却不能覆盖更大的网络区域。为了提高网络的无线服务区域，8 0 2 1 1 通过采用分 布式系统把多个a p 相互连接起来的方法，构成一个扩展服务集，并且在实际网络 环境中，类似于蜂窝电话系统，为了提供持续、不间断的a p 覆盖区域，e s s 内的 每个b s s 覆盖区域是相互重叠的。在一个e s s 内的结点，尽管它们不属于同一个 b s s ，但相互之间仍可以通信。这种结构如图23 所示。 6 e s s 扩展服务集结构 图z - 3 扩展服务集示意图 f i g 2 - 3e x t e n tb a s i cs e r v i c es e t 2 2i e e e8 0 2 1 1 系列协议 2 2 1i e e e8 0 2 1 1 系列协议标准的发展过程 1 9 9 7 年6 月，i e e e 组织推出了无线局域网标准e e8 0 2 1 1 8 】1 9 】【1 0 】。该标 准定义了物理层和介质访问控制层规范，它可以支持的数据速率为1 m b p s 和 2 m b p s ，工作在2 4 g h z 频段。 由于8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 组织又 相继推出了8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于物理 层。 i e e e8 0 2 1 l a 扩充了8 0 2 1 1 标准的物理层，规定物理层工作在5 g h z 频段，在 射频采用多载波调制技术一正交频分复用( o f d m ) 调制技术来传输数据，支持的速 率有6 ，9 ，1 2 ，1 8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 和5 4 m b p s 。 由于8 0 2 1 1 a 标准的速率要求并不容易实现，因此i e e e 组织又推出了8 0 2 1 l b 标准。与8 0 2 1 1 的物理层相比，这个标准仍然是工作在i s m 波段的2 4 g h z 频段， 但除了1 m b p s 和2 m b p s 外，还支持5 s m b p s 和l l m b p s 两个新速率。8 0 2 1 1 b 在与 原来的8 0 2 1 1d s s s 技术兼容的基础上，融入了补码键控( c c k ) 的调制方式，将数 据速率提高到l l m b p s 。另外，还采用了种可选的编码方案：分组二进制卷积码 7 ( p b c c ) 方式。因为这种方式能提高3 d b 的编码增益，所以使得当站工作在5 5 和 l l m b p s 时，能提供更好的性能。但是，8 0 2 1 l b 标准不能与8 0 2 1 1 a 兼容。 由于8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 b 标准互不兼容，8 0 2 1 l g 草案标准应运而生。它规定 8 0 2 1 l b 为必备的执行模式，同时规定o f d m 为必备的调制技术，在2 4 g h z 波段 提供8 0 2 1 1 a 的速率，并提供可选模式c c k o f d m 和p b c c 2 2 方式。通过采用两 种调制方式，既达到了用2 4 g h z 频段实现i e e e8 0 2 1 l a 规定的数据传输速率，也 确保了与i e e e8 0 2 1 1 b 产品的兼容。 另外，i e e e 组织还制定了8 0 2 1 l e ，8 0 2 1 l h ，8 0 2 1 l i ，8 0 2 1 1 j 等标准。表2 - 1 给 出了8 0 2 1 1 系列标准之间的比较，如下所示： 表21i e e e8 0 2 1 1 系列标准的比较 t a b l e 2 _ lc o m p a r i s o no fi e e e8 0 2 1 1s e r i e ss t a n d a r d 8 0 2 1 1 系列标准的比较 8 0 2 1 1：8 0 2 1 l b8 0 2 1 l a 8 0 2 1 1 9 l 发布时间 1 9 9 71 9 9 91 9 9 92 0 0 3 l 使用频段；2 4 g h zi2 4 g h z ：5 g h z j 2 4 g h z ； 红外线、使用c c k 的 c c k ，o f d m ，： ；物理层 f h s s 、d s s sd s s s ；0 f d m p b c c 物理层数据 速率io 1 7 2 m b p s 上l1 m b p s i 5 4 m b p s 5 4 m b p s ， ；实际数据速 率：0 - 2 m b p s6 m b p s3 1 m b p s2 2 m b p s ； 在2 1 m b p s 一 兼容 ；速率时兼 不兼容：8 0 2 1 1 a 和 ；兼容性；容8 0 2 1 l8 0 2 1 1 b ：8 0 2 1 l b i数据、图语音、数语音、数据 业务数据像 据、图像、图像 2 2 2i e e e8 0 2 1 1 系列协议的体系结构 1 1i e e e8 0 2 1 1 物理层i 训 i e e e 8 0 2 1 1 协议主要由物理层和数据链路层的m a c 子层组成，其中物理层又 分为物理层汇聚协议( p l c p ：p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o c e d u r e ) 子层和物理层媒 质依赖( p m d ：p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ) 子层。图2 - 4 给出了物理层的参考模型。 参考模型中各层之间、管理实体之间以及各层与管理实体之间主要通过服务访问 点进行访问，利用服务原语彼此建立联系。l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 层通过m a c 服务访问点与对等的l l c 实体进行数据交换。本地m a c 层利用下层的服务将一 个m s d u 传给一个对等的m a c 实体，然后再由该对等m a c 实体将数据传给对 8 等的l l c 实体。 w l a n 物理层主要实现三种功能或操作，即发送、接收和状态检测( 向上层提 供状态指示信息) 。状态指示信息在i e e e 8 0 2 1 1 标准中指的是信道空闲估计 c c a ( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ) ，它可以是载波检测( c s ) 、能量超过门限、能量超 过门限与载波检测中的任意一种，这三种功能都是p m d 子层在p l c p 子层的控制 下完成的。 m a c 层 m a c 层p h ys a p 管理 p l c p 子层 t p h y p m ds a p 物 层管理 墨 p m d 子层 图24 8 0 2 1 1 物理层参考模型 f i g 2 - 4r e f e r e n c em o d e lf o r8 0 2 1 1p h y s i c a ll a y e r 2 ) i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层 由于在无线网络中无法检测数据帧的碰撞冲突，所以i e e e8 0 2 1 1 协议使用 c s m a c a ( c a r d 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 na v o i d a n c e ，载波侦听多址接 入冲突避免) 机制进行信道竞争接入。在c s m a c a 机制下，目的站点对数据帧使 用a c k 应答帧进行确认，源站点只有收到a c k 后才认为发出的数据被目的站点 接收。应答机制在处理无线问题时非常有效，但同时也增加了额外开销。下面小 节将对8 0 2 1 l m a c 层作详细的介绍。 2 3i e e e8 0 2 1 1m a c 简介 2 3 1m a c 层的功能 i e e e8 0 2 1 1m a c 是局域网的关键技术之一，局域网的网络性 甘- 匕b ( 如吞吐量、 延迟性能等) 完全取决于所采用的m a c 协议。 当发送数据时，m a c 层要完成以下任务：首先它按规则从l l c 层接收数据， 然后执行媒体访问规程，查看网络是否可以发送；一旦网络可以发送，它将给数 9 据附加上一些控制信息，把数据及控制信息以规定的格式( 一般称作帧) 送往物理 层。 当接收数据时，m a c 层要完成以下任务：首先它从物理层接收到数据帧并检 查数据帧中的控制信息，从而判断是否发生传输错误。如数据正确，则去掉控制 信息后把其送至l l c 层。 m a c 层发送和接收数据流程如下图所示： 准备好要发 送的数据 蒜 完整传输帧至 物理层 至物理层 图z - 5m a c 层发送数据与接收数据的流程 f i g 2 jf l o wo fs e n d i n ga n dr e c e i v i n gd a t af o rm a cl a y e r i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层提供两种介质访问方式：分布协调功能( 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 ) 和中心协调功能( 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 ) 。其中d c f 是基于c s m a c a 协议的强制方式，各个站点通过竞争得到 发送权。p c f 为可选方式，它使用集中控制方式，用类似轮询的方式使各个站点 得到发送权，p c f 是在a p 中实现集中控制的。由于p c f 只是m a c 层一种可选的 介质访问方式，其实现比较复杂，目前还没有得到大规模的部署。这主要是由于 一方面d c f 接入机制配置比较简单，另一方面p c f 机制存在一些尚未解决的问题， 如信标帧传输延时的不确定性和轮询站点发送数据帧时间长度的不确定性等，并 且在支持实时业务q o s 方面还存在一定的问题。因此，本文不对p c f 下的v o i p 进行进一步研究。图26 给出了d c f 和p c f 之间的关系，下一节中我们将重点介 绍一下d c f 的具体原理。 1 0 用于非竞争服务 p c f 点协调功能 用于 是p i d c f 分布式协调功能 争服务 的基础 图2 _ 6d c t 与p c f 竞争机制之间的关系 f i g 2 - 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd c fa n dp c fc o m p e t i t i o nm e c h a n i s m s 2 3 2 分布式协调功能d c f d c f 采用载波侦听多路访问冲突避免( c s m a c a ) 的媒体接入方式，可以形象 地比喻为“先听再说”。每个节点( s t a ) 在发送数据前要先检测信道是否空闲，如果 信道空闲则准备发送m a c 业务数据单元( m s d u ) 。如果2 个s t a 同时检测到信道 空闲并开始发送数据就会发生冲突，为此，8 0 2 1 1 定义了冲突避免( c a ) 机制和二 进制指数随机退避机制来降低发生冲突的概率。d c f 共有两种接入控制机制：即 基本接入机制和请求发送清除发送( r t s c 璐) 接入机制。基本接入机制采用带 有二进制指数退避的c s m a c a 的方式竞争信道，其具体原理会在下一章具体介 绍，下面重点介绍一下r t s c t s 接入机制的原理。 为解决c s m a 方式引起的“隐藏节点”问题，8 0 2 1 1 定义了请求发送清除发送 机制。隐藏站点( h i d d e ns t a t i o n ) 是无线网络的一个很重要的问题，隐藏站点是指站 点之间由于无法检测其它站点的发送情况而误以为信道空闲，同时发送导致形成 碰撞。导致系统丢包率和延时增大，严重影响了系统的服务质量( q o s ) 。 r t s 凹s 接入机制的基本原理是：在传送数据帧以前s t a 先发送一个短r t s 帧，接收方接收到r t s 后立即发送一个c