（电路与系统专业论文）80211+dcf的性能评估和优化.pdf

摘要 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网( w l a n ) 是目前广泛使用的无线接入方式，已在 “热点”地区大量铺设，某些区域还出现了蜂窝式的大面积覆盖。w l a n 与方 兴未艾的w i m a x 以及第三代移动通信( 3 g ) 业务有重叠，也有互补，共同构 建了联结世界的无线网络。 8 0 21 1 标准包含了不同的物理层传输规范和共用的媒体接入控制层( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议。8 0 2 1 1 的m a c 层协议以分布协调功能( 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 ) 为基础，但d c f 的效率有明显的不足：一方面， 信道利用率随着竞争站点数增加明显下降；另一方面，在普遍使用的基础架构基 本服务集( i n f r a s t r u c t u r eb s s ) 中，接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 处上下行带宽严 重不对称，也降低了实际利用率。 本文针对这两个问题，提出了较为完整的改进方法。首先，将独立b s s ( i n d e p e n d e n tb s s ，i b s s ) 中的b i a n c h i 模型扩展到基础架构b s s 以构建饱和条 件下d c f 的完整数学模型。其次，确定了d c f 对应不同站点数的最优初始竞争 窗，尤其在基础架构b s s 部分，得到了信道利用率和 二下行带宽控制的联合最 优解。最后，为了动态估计站点数，提出了a p 端通过m a c 地址统计的估计方 法。通过动态设置a p 和站点的最优初始竞争窗，实现了d c f 的信道利用率优 化和上下行带宽比例。 关键词：无线局域网：8 0 2 1 l ：性能评估；上下行带宽控制；自适应优化；站点 数估计 中图分类号：t p 3 9 3 1 a b s t r a c t 1 e e e8 0 2 11i sak i n do fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) ，w h i c hh a sb e e n w i d e l yd e p l o y e di n “h o ts p o t ”z o n e s ，i ns o m ec a s e s ，i n f r a s t r u c t u r ef o r ml i k ec e l l u l a r n e t w o r kh a sb e e nc o n s t r u c t e dt oc o v e rl a r g e ra r e a w l a np r o v i d e ss i m i l a ra n d c o m p l e m e n t a r y s e r v i c e sa s e m e r g i n g w i m a xa n d3 g t h e s ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r et h eb r i d g e sc o n n e c t i n gt h ew o r l di nt h ef u t u r e t h e8 0 2 11f a m i l yc o n t a i n ss e v e r a lp h y s i c a ll a y e rs p e c i f i c a t i o n sa n dc o m m o n m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c 0 1 h o w e v e r ，d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ( d c f ) ，w h i c hi st h ec o r ef u n c t i o no f8 0 2 11m a c ，i sn o te n o u g he f f i c i e n t t h e p e r f o r m a n c eo fd c fd e c r e a s e sw h e nt h en u m b e ro fc o m p e t i n gs t a t i o n si n c r e a s e s m e a n w h i l e ，s e v e r ea s y m m e t r i cb e t w e e nu p l i n ka n dd o w n l i n kb a n d w i d t he x i s t si n a c c e s s p o i n t ( a p ) i np o p u l a r i 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 ( b s s ) ，w h i c h c o m p r o m i s e st h eu s a b l et h r o u g h p u t i nr e g a r d i n gt ot h e s et w op r o b l e m s ，as e to fm e t h o d sa r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r f i r s t ，ac o m p l e t em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd c fi ns a t u r a t i o nc o n d i t i o ni sp r e s e n tb y e x t e n d i n gb i a n c h i m o d e lo fi n d e p e n d e n tb s st oi n f r a s t r u c t u r eb s s s e c o n d ， o p t i m i z e di n i t i a l c o n t e n t i o nw i n d o wv a l u e sf o rd i f f e r e n ts t a t i o nn u m b e r sa r e c a l c u l a t e db a s e do nd c fm o d e l e s p e c i a l l y ，b o t hc h a n n e lu t i l i z a t i o nr a t i oa n d d o w n l i n k u p l i n kb a n d w i d t hc o n t r o la r ec o n s i d e r e di ni n f r a s t r u c t u r eb s s t h i r d ，a s t a t i s t i cm e t h o df o rm a ca d d r e s s e sa ta ps i d ei sp r o p o s e dt oe s t i m a t es t a t i o nn u m b e r t h ec h a n n e lu t i l i z a t i o na n dd o w n l i n k u p l i n kr a t i oo fd c fi si m p r o v e db yd y n a m i c a l l y a d j u s t i n gi n i t i a lc o n t e n t i o nw i n d o wo fa pa n ds t a t i o n st oo p t i m i z e dv a l u e s k e yw o r d s ：w l a n ；8 0 2 11 ；p e r f o r m a n c ee v a l u a t i q n ；d o w n l i n ka n d u p l i n k b a n d w i d t hc o n t r o l ；a d a p t i v eo p t i m i z a t i o n ；s t a t i o nn u m b e re s t i m a t i o n 第1 章无线网络与8 0 2 1 1 标准族简介 这是一个互联的时代。 无线技术的迅猛发展使得人们之间的联系比以往任何时候都要紧密。无线网 络将人们从电缆的束缚中解放了出来，信息拈手可得，移动生活、移动办公逐渐 由概念转为现实。一方面，无线网络展示了巨大的市场前景，另一方面，多样化 的传输也对无线网络技术提出了越来越高的要求。因此，无论在工业制造领域还 是学术研究领域，无线网络都成为关注的热点。 为了理清无线网络的脉络，在这一章中首先回顾无线网络的历史演变，了解 一下身边有哪些无线网络，然后对本文的研究对象i e e e8 0 2 1 1 标准族做简单介 绍。 本文中，无线网络指采用无线电波为传输载体的分组网络，不包括脱胎于传 统电信的移动通信网络。 1 1 无线网络的历史与现状 无线传输并不是新兴事物，利用无线信号传递信号可以追溯到1 9 世纪的莫 尔斯电码和马可尼电报。二战时期，美国陆军曾经开发出一种特别的无线电信号 传输技术，这种技术相对传统无线电技术在数据加密方面有了很大的改善，被美 军及其盟军广泛采用。1 9 7 1 年，夏威夷大学( u n i v e r s i t yo f h a w a i i ) 的研究人员 创造了第一个基于分组传输的无线电通讯网络，被称为a l o h a n e t ，被认为是 最早的无线局域网。这个网络包括了7 台计算机，采用双向星型拓扑横跨四座夏 威夷的岛屿，中心计算机放景在瓦胡岛上。a l o h a n e t 的开发者之一b o b m e t c a l f e 后来成为以太网( e t h e m e t ) 协议的设计者之一，现代的无线局域网也 汲取了许多以太网的技术优点。 由于市场和成本的因素，从a l o h a n e t 以后二十年，无线网络发展缓慢。 上世纪九十年代开始，随着人们对于信息获取和移动办公的需求，无线网络重新 登上了历史舞台。一方面，摩尔定律驱动下的半导体技术使得成本低廉的小型无 线收发器成为可能；另一方面，计算机和半导体厂商积极推广基于无线的网络接 入技术，涌现出各种标准和联盟组织。w i f i ，b l u e t o o t h 方兴未艾，z i g b e e ，u w b ， w i m a x 等又粉墨登场。无线网络从最初的桌面接入，简单的数据业务发展到如 今大规模蜂窝式铺设，支持多种业务流的q o s 服务，大有和新兴的第三代移动 通信( 3 g ) 分一杯羹的趋势。在未来的第四代移动通信( 4 g ) 的发展，移动通 信和因特网有望出现大融合，无线网络也将成为人类传递信息的主干道之一。 1 2 无线网络的分类 无线网络也可以和有线网络的分类方法类似，按照覆盖范围分为无线身体域 网、无线个域网、无线局域网、无线城域网和无线广域网( 如图1 1 ) 。【2 1 mq o m5 0 0 m2 0 - - 5 0 k m 覆盖范围 图11 无线网绍分类图 无线身体域网( w i r e l e s sb o d ya r e a n e t w o r k ，简称w b a n ) 覆盖范围1 - 2 m ，主要覆盖人体范围，科幻小说中的可穿戴计算机各个部件 之阳j 就通过w b a n 网络进行互联。虽然至今为止还没有出现成熟的商用可穿戴 计算机，但蓝牙耳机等w b a n 部件已经成为时尚年轻人的宠爱。 无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，简称w p a n ) 覆盖范围1 l o m ，覆盖单个房间范围。现代个人计算机提供丰富接口的同时 也带来了令人眼花缭乱的连接电缆。为了简化设备互联，工程师们希望使用短距 离无线通信来代替有线电缆。i e e e8 0 2 1 5 工作组负责w p a n 的标准制定，主流 的标准包括8 0 2 1 5 1 ( 蓝牙) ：8 0 2 1 5 3 a ( 用于高速率传输的u w b w i r e l e s s u s b ) ； 8 0 2 1 5 4 ( 低成本低速率传输的z i g b e e ) 。另外，传统的红外( i r d a ) 通信也属 于w p a n 的应用场景中。 目前，蓝牙( b l u e t o o t h ) 是这一领域中最成功的种。从i 9 9 9 年蓝牙特殊 兴趣组( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 成立到2 0 0 4 年发布蓝牙标准2 0 版， 蓝牙始终以应用为导向，涵盖了语音传输，无线打印，传真等多个方面。蓝牙协 议栈的丰富也带来了可观的实现复杂度和较高的成本。在许多应用领域，并不需 要很复杂的传输协议，成本是第一因素。这时z i g b e e 作为低成本无线传输的解 决方案迅速发展起来，它的预期成本只有蓝牙的1 0 左右。z i g b e e 的目标市场 是智能家电，传感器网络和工业控制，由于它的协议栈简单灵活，且充分考虑连 接性，可以实现较为复杂的拓扑结构。 w i 。f i 、蓝牙和z i g b e e 都运行在拥挤的“工业、科学和医疗”( i n d u s t r i a l ， s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ，简称i s m ) 频段，互相之间干扰在所难免，比如w i f i 和蓝牙的互相干扰就困扰了学术界和工业界好几年。另一方面，多媒体传输消耗 大量的带宽，已有无线网络物理层技术都无法达到有线网络的带宽。这时，六十 年代起雷达通信中所用的超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，简称u w b ) 技术进入了无 线网络领域，2 0 0 2 年美国联邦通信委员会( t h eu s f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n s c o m m i s s i o n ，简称f c c ) 批准了u w b 民用的申请。u w b 利用极短的脉冲在频 域上的宽带效应，可以在短距离传输每秒上百兆比特的数据流。并且，由于u w b 信号在频谱上分布很广，功耗极低，因此不会对现有其他无线网络造成干扰。最 近，蓝牙将u w b 技术纳入了物理层规范，将蓝牙的应用场景和u w b 的宽带传 输技术组合起来。 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，简称w l a n ) 覆盖范围至数百米，是有线局域网的替代和扩展。随着个人计算机的诞生和 发展，上世纪8 0 年代末期开始出现现代意义上的无线局域网，当时摩托罗拉公 司开发出了第一代商用无线局域网。上世纪九十年代无线局域网标准百花齐放， i e e e8 0 21l ( w i f i ) 、h o m e r f ( 最高传输速率为2m b p s ) 和工作在5 g h z 频 段的h i p e r l a n 争夺市场。九十年代后期8 0 2 ，1 l b g 等后续标准的推出，使得 传输速率有了大幅度的提高。另外，采用8 0 2 1 1 技术的i n t e l 迅驰架构也在市场 上取得了巨大的成功，8 0 2 1 1 网络深入人心。至此8 0 2 1 l 产品全面占据了市场， 这场无线局域网标准之争以w i f i 的全胜而告终，w i f i 也成为w l a n 的代名词。 无线城域网( w i r e l e s s m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ，简称w m a n ) 覆盖范围可达数十公旱，也称为提供“最后一英肇”的宽带无线网络接入技 术，i e e e8 0 2 1 6 工作组负责这类网络的标准制定。2 0 0 2 年，工作于l o 一6 6g h z 频段的初始8 0 2 1 6 标准发布，但是只能进行视距( l i n eo f s i g h t ，简称l o s ) 传 输。后续的8 0 21 6 a 加入了较低的2 1 lg h z 频段，可以支持非视距( n l o s ) 传 输。2 0 0 4 年，包含了8 0 2 1 6 a b c 等补充内容的8 0 2 1 6 。2 0 0 4 标准发布。2 0 0 5 年， 旨在加强移动性支持的8 0 2 1 6 e 标准发布，这是商业事实上的8 0 2 1 6 标准。8 0 2 1 6 网络的设计目标是5 0 英里范围内能提供7 0 m b p s 的带宽，可以同时满足v o l p ， 视频传输和因特网接入等要求。8 0 2 1 6 还努力将网状网( m e s hn e t w o r k ) 技术加 入到标准中去。网状网中的每个节点都是一个路由器，经过多跳的无线接力传输， 可将数据传输到目的地。采用无线介质构成骨干网络，可以便捷地实现热区的无 线快速组网。 无线广域网( w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k ，简称w w a n ) 覆盖范围更广，目前还没有相关的技术。 1 38 0 2 1 1 标准族 i e e e8 0 2 1l ，也称为w i f i ，是i e e e 制订的无线局域网( w l a n ) 标准族， 包含了物理层和m a c 层的规范。目前8 0 2 1 1 包括了六种物理层调制技术，分别 在a 、b 和g 子标准中定义，8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 l g 工作于2 4 gi s m 频段，而8 0 2 1 1 a 工作于5 g h z 频段。 表1 1 3 1 按照字母排序列出了子标准或工作组的名称及主要特性。 表11 i e e e8 0 2 1 1 标准族 i e e e8 0 2 i l 初始版本，支持1 m b p s 和2 m b p s ，使用24 g h zi s m 频带； i e e e8 0 2 ，11 a 5 4 m b p s ，5 g h z 频带； i e e e8 0 2 1l b 对于初始标准的增补，增加对5 5 m b p s 年1 1 m b p s 的支持； i e e e8 0 2 1l d是8 0 2 1 1 b 使用其他频带的版本，以满足少数国家无线电管制的要求； 限e e8 0 2l 【e 增加对q o s 的支持包括突发式传输； l e e e8 0 2 | 1f 支持a p 间漫游的通信提案( 1 a p p ) ，于2 0 0 5 年被1 e e e 否决： i e e e8 0 2 1i g 5 4 m b p s ，2 4 g h z 频带，向后兼容8 0 2 11 b ； 5 g h z 频带，支持动态信道频率选择( d c s d f s ) 和传输功率控制( t p c ) ， i e e e8 0 2 h 以满足欧洲的要求； i e e e8 0 2 11 i 增强的安全性； i e e e8 0 21 1 i e t 本地区的一些扩展； 旺! e e8 0 21 l k 无线资源测量扩展； l e e e8 0 2 】l m 协议维护； l e e e8 0 2 1ln 更高带宽的传输技术； i e e e8 0 2 11 p w a v e 车辆环境中的无线网络： i e e e8 0 21 1r 快速漫游： i e e e8 0 21 1se s s 规模的m e s h 网络； i e e e8 0 2 1 l t 无线性能预测； i e e e8 0 21 l u 与非8 0 2 1l 网络如蜂窝网络的互联； i e e e8 0 21 1 v 无线网络管理； i e e e8 0 2 11 w 受保护的管理帧： i e e e8 0 2 11 y 基于竞争的协议。 注意：8 0 2 1 1 f 和8 0 2 1 i t 目前是推荐提案，还没有标准化。其中8 0 2 ，1 l ( a ，b ，g ，n ) 是整个协 议族的基础标准，描述了物理层和m a c 层编码。 下面对部分重要子标准作简单介绍，从中也可以看出8 0 2 1 1 标准发展的轨 迹。 8 0 2 1 1 初始标准 这是第个i e e e8 0 2 1 1 标准，于1 9 9 7 年发布，1 9 9 9 年修订，支持1m b p s 和2m b p s 两种传输速率。物理层包含了射频( 2 4g h zi s m 频段) 和红外( i r d a ) 两种模式，其中射频采用跳频和直序扩频技术。跳频采用g f s k ( g a u s s i a n f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 调制，支持1m b p s 速率，直序扩频采用b p s k ( b i n a r y p h a s es h i f tk e y i n g ) 和d q p s k ( d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 调制， 支持lm b p s 和2m b p s 速率：红外工作在8 5 0 9 5 0 n m 波段，也支持lm b p s 和2 m b p s 传输速率。标准的媒体访问控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，简称m a c ) 层使 用c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l 邱l ea c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 协议进行信道 冲突检测，有别于以太网的c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o n d e t e c t i o n ) 协议。由于传输速率不能满足实际需求，8 0 2 1 l 初始协议很快就被后 续的补充协议所取代。 8 0 2 1 l b 8 0 21l b 是目前最为成功的无线网络标准之一，i e e e 于1 9 9 9 年批准了这项 标准，典型采用低增益的全向天线。采纳c c k ( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ) 调制方式后，可以提供最高至l lm b p s 的传输速率，当信道条件较差时，可以将 传输速率降低为5 5m b p s 、2m b p s 或1m b p s 。8 0 2 1 l b 将频段分为1 4 个频道， 但其中只有3 个频道完全没有重叠( 通常为l ，6 和1 1 ) 。8 0 2 1 1 b 通常采用点 对多点的组网方式，即一个a p ( a c c e s s p o i n t ) 管理多个客户端的数据传输，并 使用与相邻网络不重叠的频道以避免干扰。 8 0 2 1 l a 1 9 9 9 年，采用5g h z 频带的8 0 2 1 l a 标准被i e e e 批准。8 0 2 1 l a 避开了拥 挤的i s m 频带，并提供了5 4 个频道( 1 2 个非重叠频道) ，所以无论从减少干扰 还是带宽来讲，都是不错的选择。但8 0 2 1 l a 无法兼容已经大量应用的8 0 2 1 1 b 系列产品，而且在美国以外的其他地区，5g h z 的频带并不是可以随意使用，需 要无线电管理部门协调批准，这造成了8 0 2 11 a 在实际使用中很难拓宽市场。目 | j i 已有被同样拥有高带宽但兼容1l b 的1 l g 替代的趋势。 8 0 2 1 l g 2 0 0 3 年，第三个包含物理层和m a c 层编码的标准8 0 2 1 1 9 获得批准，这个 标准工作在2 4g h zi s m 频带，向后兼容8 0 2 b ，但是由于物理层增加了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 ) 调制方式，传输速率可达5 4m b p s 。 目前市场上已经有许多支持8 0 2 1 1b g 双模，甚至8 0 2 1 1a b g 三模的无线网卡 和a p 。 8 0 2 1 1 n 虽然8 0 2 1 l a g 能够提供5 4m b p s 的理论带宽，但在高速发展的网络应用面 前仍显得捉襟见肘，于是i e e e 于2 0 0 4 年成立了t g n 任务组，研究目标带宽为 5 4 0m b p s 的高速无线网络技术。m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术被 引入到w l a n 中来，利用空间分集复用来提高信号传输速率和距离。2 0 0 6 年1 月i e e e 通过了8 0 2 1i n 的草案。 8 0 2 1 l i 由于无线网络天生的开放性和脆弱性，安全问题越来越受人们的关注。无线 局域网中的安全概念主要分为访问控制与信息加密两部分，前者主要有s s i d ( s e r v i c es e t i d e n t i t y ) 机制保证，但这种手段十分脆弱，完全可以通过窃听或者 欺骗方式获得；至于后者，在8 0 2 1 1 初始标准的链路层中，采用了w e p ( w i r e d e q u i v a l e n t p r i v a c y ) 加密协议，但是这种协议存在严重的缺陷，可以轻易的被破 译和修改。因此i e e e 不得不在8 0 2 1 x 标准的基础上为加强安全制订新的标准。 8 0 2 1 x 标准完成于2 0 0 1 年，它是所有i e e e8 0 2 系列局域网的整体安全体系架 构，包括认证和密钥管理功能。8 0 2 1 l i 是对8 0 2 1 lm a c 层在安全性方面的增强， 它与8 0 2 1 x 一起，为w l a n 提供认证和安全机制。 8 0 2l l e 与8 0 2 - 3 网络类似，8 0 2 ，1 1 在m a c 层也采用j - c s m a 机制，提供突发性访 问支持。在这种模式下，无线站点( m o b i l es t a t i o n ，简称s t a ) 在每次传输数据 前必须要竞争信道，从长期来看，每个站点获取信道的机会是均等的，保证了公 平性。但是随着多媒体技术的发展，v o l p 和流媒体的出现，没有权重的信道分 配反倒影响了某些关键业务的实时性。因此如何在信道分配上提供更多的级别， 成为q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的关键。在8 0 2 1 l 初始协议中，提供了分布式协 议功能( 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 ，简称d c f ) 和点协调功能( p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，简称p c f ) 两种m a c 机制。d c f 允许多个站点在没有统 一出调的情况下竞争信道，与传统c s m a 协议类似；而p c f 为8 0 2 1 1 的可选功 能，由一个协调者( 通常a p 担任这个角色) 轮询各个站点，并通过它传输数据。 应该说p c f 的初衷是为了对q o s 提供一定的保证，但是由于p c f 设计的不够合 理，随着轮询列表中站点数的增加，开销急剧上升，效率非常低，所有在实际产 品中，没有厂商去实现它。 i e e e 在8 0 2 1 1 e 中增强这两种协调模式的功能来支持q o s ，保证与目前的 8 0 2 1 1 标准的向后兼容性。d c f 增强功能，即增强型分散协调功能( e d c f ) ， 引入了传输流种类的概念。扩展p c f 方法称为混合协议功能( h c f ) 。一个混 合控制器在无争用期间( c f p ) 轮询各站点，赋予一个开始时间和一个最大传输 持续期。 8 0 21 l r 8 0 2 1 l r 任务组是为提供快速安全的切换而成立。无线网络旨在摆脱有线的 束缚，移动性自然成为一个重要的特性。v o i p 是要求快速切换a p 的主要应用 场景，为了不中断语音，切换延时必须在2 0 毫秒以下。仅依赖三层的m o b i l ei p 技术，不可能将切换延时降到这么低，必须要有m a c 层的支持。8 0 2 1l 初始标 准中，允许站点在一个e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 区域内移动，但是没有指出 具体实现的方式。在没有优化的情况下，e s s 区域中不同a p 之间的切换是硬切 换，在极端的情况下耗时达1 分钟左右。8 0 2 1 1 r 支持在切换目标a p 上预先完成 认证和q o s 申请，为快速漫游做好准备。 8 0 2 1 1 s 传统8 0 2 1 1 基础架构的骨干网络是有线局域网，无线部分只是负责终端接 入，以替代网络电缆。但是有线网络的铺设成本较高，周期较高，拓扑结构也难 以随着需求改变。因此与8 0 2 1 6 类似，研究人员也希望借助m e s h 技术，利用无 线媒体作为骨干网络传输介质，实现多个a p 的自组织，自配景。 1 48 0 2 1 1 网络的基本组件 1 4 1 分布系统与骨干网络 分布系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，简称d s ) 当若干个a p 协作覆盖较大范围区域时，a l p 间必须通过某种方式进行通信， 这就是d s ，d s 在8 0 2 ，1 1 标准中是一个逻辑概念，一般情况下它是指a p 连接的 局域网。如果a p 之间通过无线网桥连接，或者采用m e s h 方式通连接，那么这 种无线网桥或者无线m e s h 网络就起到d s 的作用。 骨干嘲络( b a c k b o n en e t w o r k ) a p 大部分情况是作为网桥接入有线局域网中的，主干的有线局域网就称为 骨干网络，与分布系统的关系如图1 2 所示。 1 4 2 网络类型 幽128 0 2 1 1 中的分布系统与骨干网络 8 0 2 1 1 网络的基本组件称为基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ，简称b s s ) ，指 一组互相通信的移动终端。b s s 有两种类型( 如图1 3 所示) ，独立b s s ( i n d e p e n d e n tb s s ，简称i b s s ) 和基础架构b s s ( i n f r a s t r u c t u r eb s s ，简称为 b s s ) 。 ( a ) i b s s 吲1 38 0 2 ”中的b s s ( b ) 基础架构b s s 通婚( = 。百、j 每残，延)五a 砣义“义、b s s 4 ，) p 卜 幽148 0 2 ，1 1 中的e s s i b s s 也称为a dh o cb s s 。i b s s 中没有中央调度节点，其中任意两个站点可以不 通过第三者直接通信。 i n f r a s t r u c t u r eb s s 这是使用最为普遍的一种拓扑结构，在i n f r a s t r u c t u r eb s s ，a p 担任协调者 的角色，并将自己的m a c 地址作为本b s s 的标识b s s i d ，节点之间不能直接 通信，所有数据必须通过a p 。 e s s 8 0 211 允许将多个b s s 区域通过骨干网络互联成个更大的覆盖区域，称 为扩展服务集( e s s ) ，如图1 4 。为包含四个b s s 的e s s ，在同一个e s s 内的 站点可以互相通讯，可以实现自由移动，平滑切换。组成e s s 有许多要求，比 如d s 必须属于同一链路层域，同一i p 网段。 1 58 0 2 1 1 网络仿真软件 为了进行网络协议的仿真，支持事件驱动的仿真软件必不可少。目前，常见 仿真软件主要有s e a w i n d 、o p n e t 、n s 2 和g l o m o s i m 等，但大多为价格昂贵 的商业软件，不适合用于教学和科研。n s 2 t 5 作为开放源代码的通用网络仿真工 具，支持各类有线无线网络中传输层到链路层多种协议，己被网络协议研究者 们广泛使用，本文的网络仿真也是基于n s 一2 来完成。 n s 。2 是1 9 8 9 从r e a ln e t w o r ks i m u l a t o r 发展而来，1 9 9 5 年得到d a r p a v i n t 项目的支持而迅速成长。如今n s 2 得到d a r p as a m a n 计划和n s f c o n s e r 计划的支持，也得到了u c bd a e d e l u s 项目，c m um o n a r c h 项目和s u n 公司等学术界和业界的支持。 n s 。2 采用cr p 和o t c l 双语言开发，c + 高效，但是不易变化：o t c l 执行速 度慢，但是可以方便的改变参数进行反复运行，并可以在某种程度上和用户进行 交互。 第2 章i e e e8 0 2 。1 1 协议 在这一章中，首先分析无线网络中的m a c 协议的特点，然后对8 0 2 1 l 的 m a c 协议做简单的介绍，为后面的性能分析做准备。为了准确计算m a c 帧在 物理信道上的传输时间，本章的最后会对m a c 帧物理层封装机制作简单的介绍， 但不涉及具体的物理层通信技术。 2 1 无线网络中的m a c 媒体接入控制( m a c ) 层位于o s i ( o p e ns y s t e m si n t e r e o n n e c t i o n ) 模型的 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 的下半层，介于逻辑链路控制( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ， 简称l l c ) 层和物理层的中间( 图2 1 ) 。m a c 层的功能主要包括1 6 】： 界定帧的开始结束和结构： 通过校验机制来确定传输的正确性； 加入发送者和接收者的m a c 地址； 给出多个站点使用物理信道的接入规则。 网络层 j l l c lp a c k e t i 一 匝竭函亚菘蔽匝瓦 v 物理层 ( a ) m a c 层的位置( b ) m a c 帧的结构 图2 1m a c 层在o s i 模型中的位置 最为著名的局域网m a c 协议当属i e e e8 0 2 r 3 以太网的c s m a c d 规则。多 个站点共享使用物理信道时，每个站点在发送前首先监听信道是否忙碌，如果信 道空闲即发送；如果信道忙碌，则继续等待：如果发送时恰好其他站点也发送就 会发生碰撞，站点进入二进制指数退避( b i n a r ye x p o n e n f i a lb a c k o f f ) 重发过程， 如果重发次数超过一定阈值，则放弃当前帧的传输并通知上层协议。由于有线信 道中，碰撞可以被共享信道的所有站点检测到，一旦发现碰撞，站点立即停止未 完成的传输，阻尽快结束碰撞。 但是无线物理信道与有线信道存在如下差异【7 】，因此在m a c 协议设计上也 有所不同。 无线信号没有固定边界； 0 容易受到外部信号的干扰，通信可靠性差； 无线网络动态的拓扑结构； 无线信号传输范围有限，即每个站点无法听到其他所有站点( 如隐蔽终端问 题) ； 传播特性具有时变性和非对称性。 以太网的m a c 协议是没有确认机制的，如果发送失败，则等待上层协议处 理。因为如果对每一帧都确认传输是否成功，这样显得开销过大( 信道很多时间 花在确认信号的传输上) 。但是相比有线信道，无线信道的误码率( b e r ) 和丢 包率( p l r ) 较高，完全靠上层协议来处理丢包，效率和实时性都无法保证，因 有必要在无线网络的m a c 层引入确认机制。除了不可靠的通信质量，无线信号 有限的传输范围还给无线网络的m a c 协议设计带来了隐蔽终端和暴露终端问 题。 如图2 2 ( a ) 所示，圆圈表示各个站点的覆盖范围。站点a 和站点c 传输和 监听范围都只到站点b ，a 和c 互相“够不着”也“听不到”对方。当a 和c 都要往站点b 传输数据时，首先监听信道，如果没有发现其他传输才进行传输。 但由于a 和c 无法感知对方的发送，因此a 和c 的数据在站点b 处有可能发生 碰撞而造成传输失败。此时称站点a 和c 互为隐蔽站点。相反的问题也存在， 如图2 2 ( b ) 所示，当站点b 有数据要发送给站点c 时，站点a 也有数据发送给 非b 的其他站点如d ( 在b 的传输范围之外) ，由于b 监听到信道忙碌，不必 要地取消了给c 的发送，但其实b 向c 的发送可能不会影响a 的发送，这时称 站点b 为暴露终端。一个设计良好的无线网络m a c 协议必须考虑和尽量解决以 上的问题。 ( a ) 隐蔽终端( b ) 暴露终端 图22隐蔽终端与暴露终端问题 2 28 0 2 1 1 的m a c 协议 8 0 2 1 1 标准中提供了d c f 和p c f ( 可选) 两种m a c 接入机制。d c f 基于 载波检测多路访问冲突避免( c s m a c a ) 规则，是一种分布式的m a c 协议， 即不存在中心调度，所有站点按照一样的算法争用信道。d c f 包含b a s i c 和r t s ( r e q u e s tt os e n d ) c t s ( c l e a rt os e n d ) 两种方式，其主要特色有： 采用r f s c t s + n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) 机制来解决隐蔽，暴露终端 问题，减少站点冲突； 采用分段机制和a c k 机制来提高传输可靠性和减少高层协议的重发开销： 采用b e b 退避方式： 采用不同长度的传输时隙来提供优先级。 2 2 1b a s i c 方式 b a s i c 方式( 图2 3 ) 中，当一个站点想要发送数据时，首先监听信道，如 果信道空闲超过一个闽值( d i f s ) ，则启动发送程序。如果发送成功，接收端 将立即回复发送端一个确认帧( a c k 帧) ；如果发生冲突或者传输失败( 没有 收到预想中的a c k ) ，则进入b e b 重发过程。显然b a s i c 方式没有解决暴露终 端问题，但是相比后面介绍的r t s c t s 开销小，适用于数据帧较短，信道条件 较好的情况。 十一硼 一。 翻瓣嚣 站点1o 耥 站摄2 黼圆黼一 甜 ； 站点1 麟 图238 0 2 1 1 d c f 中的b a s i c 方式 2 2 2r t s i c t s 方式 与b a s i c 方式不同，r t s c t s 方式( 图2 4 ) 下的一次传输需要两次握手。 站点发送数据帧前，会首先发送一个请求发送( r t s ) 的短帧，其中包含完整传 输所需的时问( n a v ) ，发送端信号覆盖范围的其他站点听到这个r t s 后，在 这段时间内暂停争用信道，为之后的传输创造“安静”的环境。接收端在收到 r t s 后，立即回复一个允许发送( c t s ) 的短帧，其中也含有类似的“预约” n a v ，那么在接收端信号覆盖范围内的其他站点也不会对即将进行的数据传输 产生干扰。这种利用r t s c t s 完成信道预约的过程很大程度上解决了暴露终端 和隐蔽终端问题( 不是完全解决，因为r t s 本身还是可能发生碰撞，但相比数 据帧，r 7 r s 短的多，碰撞的可能性也小很多) ，只是带来了额外的通信开销，适 用于数据帧较长，信道较为拥挤的情况。8 0 2 1 1 为了提高长帧的传输成功率，设 定了一个阀值r t s t h r e s h o l d ，超过这个长度的帧将使用r t s c t s 方式。 黉强 芦 ，赫、， 圆融一 爨r i _ 1 嚣鼷_ o 瓤” 牲 ￥l 嬲i 捌巧! i 耐驽6 黼” 幽2 48 0 21 1 d c f 中的r t s c t s 方式 为了支持大数据量的突发传输( 一个站点连续传输) ，8 0 2 1 1 还提供了分段 传输机制( 图2 5 ) ，将一个超长帧分为几个小段( f r a g m e n t a t i o n ) ，分别确认。 分段机制只需要重传失败的小段，因此提高了整体吞吐量。类似的，8 0 2 1 1 通过 分段阈值( f r a g m e n t a t i o n t h r e s h o l d ) 来开启这个功能。 站点j 网l 咖蜘2l目 黼2 | 豳i 阉 糊 6 狮 列咚 掺l黔 i!i |i| _ 黻! 卜瓣箨铀3 + 教蛳3 确。曩 站点1 e蝌b 嘲2 掣缈姆鬟j | 【。叠薯叠 菇点2 懋鬻缀黧黧黧麓簸鬻隧懋黧黼囝脚 图2 5 ( a ) b a s i c 方式中的分段机制 蜘皓q f s 站点1 习 o 螂州 | 蛔9 m 阳2 l 一 站点2 阉 继 黼 0 轴一 s4 5is话蟠i 露 i 。赫0 鬈 置i j ， 站点t