（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80211b协议的无线局域网qos性能分析与改进.pdf

摘要 近年来无线短距离宽带接入已成为接入网的一种重要方式。未来的无 线通信系统要能够方便的、低代价( 功率、复杂性) 的为各种用户提供高 质量的宽带数据业务。这就要求有适合无线信道特性的传输技术和介质接 入技术氍 ii e e e8 0 2 11 b 力、议的无线局域网传输技术就是一种适合室内 尢线* i 趴离多径信道的技术，而无线局域网的介质接入技术为上层的数据 业务提供了支持平台。当前无线局域网技术得到了广泛的研究，因为它具 有很多优点，例如传输速率高、抗多径衰落等。 但是无线局域网还有很多关键的技术有待于进一步完善，例如无线局 域网n jo o s ( 服务质量) 保证。只有解决了这些问题，无线局域网才能成 为未来无线通信系统中的一种可靠的、实用的技术。这篇论文主要研究通 过改变i e e e8 0 2 1 l b 协议中的m a c 层中的冲突避免的回退算法以获得无 线局域网的q o s 性能的提升。 论文首先简要讨论了无线局域网的研究背景，介绍了其关键技术、发 展现状刷趋势，吲时介绍了无线局域网中的q o s 的一些主要性能指标；在 此基础：，文章详细分析协议中回退算法的竞争窗口二进指数增长方法可 能存在的问题和不足，并根据实际对算法进行了一定程度的改进；最后， 论文通过设计相应的网络模型进行仿真，并对仿真结果进行比较，从而得 出网络忭能获得改进的结论。 关键词：i e e e8 0 2 1 1 标准、无线局域网、m a c 、q o s 、回退算法 a b s t r a c t r e c e n t l yi n d o o rw i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s s i n gh a sb e e na ni m p o r t a n t m e t h o do fa c c e s s i n gn e t w o r k f u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r e e x p e c t e dt op r o v i d ec o n v e n i e n tb r o a d b a n ds e r v i c e st b rd i f f e r e n tc u s t o m e r su s i n g t h em i n i m u mp o s s i b l er e s o u r c e s ( p o w e r , c o m p l e x i t y ) t o w a r dt h i st r e n d a n a p p r o p r i a t et r a n s m i s s i o na n dm e d i u ma c c e s st e c h n i q u et h a tm a t c h e st h ei n d o o r w i r e l e s s m u l t i p a t h c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c si s r e q u i r e d i e e e8 0 2 1 l bb a s e d w i r e l e s sl a ni so n eo ft h ep r o m i s i n gt e c h n i q u e st h a tm e e ts u c hr e q u i r e m e n t s w i t hr e a s o n a b l ec o m p l e x i t y , a n di t sm e d i u ma c c e s st e c h n i q u ep r o v i d e saf i n e s u p p o r t i n gp l a t f o r mf o rd a t as e r v i c e so fu p p e rl a y e r s w i r e l e s sl a n h a sr e c e n t l y a c h i e v e dm u c hp o p u l a r i t yd u et oi t sd e s i r a b l ep r o p e r t i e s ，s u c ha si t sh i g hd a t a r a t et r a n s m i s s i o nc a p a b i l i t y , i t sr o b u s t n e s st om u i t i p a t hf a d i n g ，a n ds oo n 1 o w e v e r , t h e r ea r em a n yk e yp r o b l e m so faw i r e l e s sl a ns y s t e ma n d s o l u t i o n so ft h e s ep r o b l e m sm u s tb ea v a i l a b l eb e f o r et h es y s t e mc a l lb eu s e di n f u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e ma sap r o m i s i n ga n dp r a c t i c a lt e c h n i q u e ， s u c ha st h ew i r e l e s sn e t w o r kq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) t h i st h e s i sm a i n l ya i m sa t o b t a i n i n gab e t t e rq o sp e r f o r m a n c ei n aw i r e l e s sn e t w o r kb a s e do nt h ei e e e 8 0 2 11bs t a n d a r d ，b yr e c o n f i g h r i n gi t sb a c k o f fa l g o r i t h m ， f o l l o w i n gab r i e f d i s c u s s i o no ft h eb a c k g r o u n d ，k e yt e c h n i q u e sa n dt r e n d s o fw i r e l e s sl a ni nt h ef i r s tc h a p t e r ，a sw e l la ss o m eb a s i ck n o w l e d g ea b o u t w l a no o s ，d e t a i l e dd i s c u s so nb i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f fi sc a r r i e do u ti nt h e n e x tp a l t a n dac e r t a i nm o d i f i e da l g o r i t h mw i l lb eb r o u g h tf o r w a r d a tt h ee n d o ft h i sp a p e ras i m u l a t i o nw i l lb em a d et ot e s t i f yw h e t h e rt h em o d i f i e db a c k o f f a l g o r i t h mh a st h eb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nb e f o i e k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 11 s t a n d a r d ，w i r e l e s sl a n ，m a c ，q o s ，b a c k o f f a l g o r i t h m 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其它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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 五华盐一 日期：丝i ：! ：型 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本 学位论文不属 本人签名 导师签名 书。 日期 日期 彬、；。“ 二盈氅臣毒啦 ， 前寄 刖罱 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 的出现最早可以追溯到1 9 7 1 年，当时 疆峨t 起j 、。p r i n i v e r s i t yo fi “t a w a i i ) 的研究人员设计了个攮于分组的无线通信网络 a l o l i n l i l ，世址无线局域网得到大规模的推j 1 和应用是在1 9 9 7 年i e e e8 0 2 1 1 工作 组发佛了l 作f2 4 g h z s m 频段，支持速率可达2 m b p s 的i e e e 9 0 2 标准 2 1 2 _ 后， 1 9 9 9 年i e e e8 0 2 1 l 工作组又发布了支持速率可达1 1 m b p s 的i e e e8 0 2 1 l b 标准【3 】，进 一步推动了无线局域网的发展。据美国i n s t a t m d r 统计，2 0 0 2 年无线局域网的全球市 场价触l i 上2 2 亿笼元f 4 1 。 从1 9 9 7 年到现在，经过几年时问的快速发展和很多用户、技术人员的使用研究， 无线局域网最初标准中存在的很多问题和不足也逐步显露出来，比如如何支持更高速 率、q o s 、安全性、移动管理等方面的问题 5 。 准 面 1 2 i e e e8 0 2 t 1 工作组正在制定一些新的标准来补充原有的i e e e8 0 2 1 1 和8 0 2 1 1 b 标 尤线岗域j 叫也是国内外很多研究机构的研究热点，目前研究方向主要有以下几个方 更高速率w l a n 的研究。虽然i e e e8 0 2 1 l b 支持速率理论可达1 1 m b p s ，但实际 吞吐量随着用户的增加下降很快，因此迫切需要兼容性更好、速率更高的无线局域 网产品h 现。基于i e e e8 0 2 1 l a 6 的无线局域网采用o f d m 技术，传输速率可达 5 4 m b p s ，但工作于5 7 2 5 - 5 8 2 5 g h z 频段，与i e e e8 0 2 1 1 b 不兼容，且市场推广也 不好。目前t e e e8 0 2 1l g 任务组正在制定速率可达5 4 m b p s ，工作在2 4 g h z 频段， 与8 0 2 1 l b 兼容的新标准7 1 。 对实时业务支持的研究。研究的方法集中在修改8 0 2 1 l 协议的m a c 层功能以增加 对q o s 的支持。无线局域网中的话音或视频业务通常不会出现在同一个小的b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) 中，对于一个大的b s s 中的话音业务，贝尔实验室的s o b r i n h o 等人提出了种分布式拥塞方案( d i s t r i b u t e dj a m m i n gs c h e m e ) 【8 】以支持a dh o e 结构无线局域网中的分组话音业务试验结果表明，工作速率为2 m b p s 时，可以 支持1 4 个6 4 k b i t s 的话音用户同时使用，此时最大时延不超过1 0 m s 。针对不同 b s s 之i 刚的分组话音业务，h u n g h u a n gl i u 等人提出利用8 0 2 1 1 标准里规定的节 能模式( p o w e r - s a v e dm o d e ) 【9 来支持话音业务，作者通过修改原有b e a c o n 帧中 的t i m 部分以支持带宽分配，仿真表明在良好的信道条件下，误码率不超过l0 5 话帝氓包率不超过1 ，可以达到好的通话效果。另外s r i k a n ts h a r m a 等还提出了一 f i | i 令忡m j ? 、【t o k e nc i r c u l a t e ) 的方法【1 0 】支持q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，令牌在不同 用广”巾循环使用，每个用户可以发送的数据量出令牌所携带的q o s 要求决定。目 前i e e e8 0 2 1l e 任务组正在制定新的标准以增加无线局域网对q o s 的支持，可能 的机制包括e p c f 、e d c p 和h p c f 等1 1 1 。 3 安全机制的研究。i e e e8 0 2 1 1 标准规定了两种认证方式( 开放系统认证和共享密 钥认证) 以及运用r c 4 流加密算法的w e p 安全机制来加强其安全性【2 】。但在认证 方面，丌放系统认证即无认证系统，而共享密钥认证依赖于密钥分配的安全性，这 种认证强度无法适应不断丰富的无线局域网业务需求。w e p 算法本身也被证明安 全性极低，研究人员提出了很多建议来改善无线局域网的安全性，如采用端到端的 认证协议r a d i u s 、基于端口( p o r t ) 的认证协议8 0 2 1 x 、w e p 2 、e s n ( e n h a n c e d s e c u r i t yn e t w o r k ) 等改进方案 1 2 1 3 1 4 】【1 5 】。目前i e e e8 0 2 1 l i 任务组正在制定 新的w l a n 安全机制 1 6 】。 4 移动性的研究。w l a n 的移动性是指“支持用户在不同接入点之间漫游、无需传统 的网络电缆就可以接入网络资源”。w l a n 的漫游主要有子网内漫游和子网外漫游 两乖t 1 5 1 。最初支持子网内漫游的是一些厂商特定的标准，目前i e e e8 0 2 1 l f 正在 制定一个统一的新标准，该标准主要支持“接入点间协议”( i n t e r - a c c e s sp o i n t p r o t o c 0 1 ) ，通过规定接入点之间的交互信息以支持分布式系统功能，并兼容不同厂 商问的a p 1 7 1 。工作在i s o 七层协议的第三层的m o b i l ei p 协议可以支持子网问漫 游 5 】。 九 ：线局域网的研究方丽，我的工作集中在m a c 层，主要是对c s m a c a 的理论 分析以及回退算法的改进。论文的结构是这样的： 第一章介绍了无线局域网的发展背景、关键技术、发展现状和趋势等，同时也简单 介绍了无线局域网的q o s 一些基础知识； 第二章主要分析了i e e e8 0 2 1 1 b 协议中原冲突窗口二进指数增长回退算法的不足， 分h i 产1 1 i 足的原因，并根据实际网络的应用情况对算法进行了一定程度的改进： 第：? 章通过采用o p n e t 网络仿真软件修改了无线局域网m a c 层回退算法，并根 据实际应用的情况设计无线局域网及其承载业务，进行业务仿真。最后根据仿真结果与 原冲突窗口二进指数增长回退算法进行比较，得出结论。 论文的丰耍贡献： 1 通过对冲突窗口二进指数增长回退算法在不同网络情况下性能表现不同，发现其不 足，并且根掘实际情况设计修改了回退算法，通过采用中间变量获得对网络情况的 了解，从而对窗口的大小进行及时调整； 2 采用o p n e t 公司o p n e t 网络仿真工具，修改了无线局域网m a c 层回退算法， 并n 调试成功： 3 通过分析比较修改前后的仿真结果，得出修改后回退算法在延时与吞吐量方箍获得 了好处，但同时在其他的方面却产生了一些性能的下降。通过分析这个问题产生的 原因，重新思考了无线局域网的q o s 性能影响原因，为将来的性能改进指引了方 向。 第一章尤线局域州技术的研究背最 第一章无线局域网技术的研究背景 术州门厄线通信系统要能够方便的、低代价( 功率、复杂性) 的为各种用户提供高 j - ：| 7 j 扎f “、i l ，符，j 兢。要求仃适合尤线信道特性的传输技术和介质接入技术。无线 j - t h 输披小就址 种适合室内无线短距离多径信道的技术，而无线局域网的介质接 入投术为f 层的数据业务提供了支持平台。无线局域网特别是基于i e e e8 0 2 1 l b 标准的 尤线局域m 技术，作为无线通信技术和网络技术的结合，在近年取得了迅速的发展。 本i 一! 、j 儿；鼻h 无线局域网的发展介绍然后以i e e e8 0 2 1 1 b 标准为例，介绍无线 局域忡ir f 蚶日的关键技术，最后一部分给出目前无线局域网标准的制定情况及发展的趋 势 1 1 无线局域网的发展历史 无线蜀域网的m 观于1 9 7 1 年，当时夏威夷大学( u n i v e r s i t yo f h a w a i i ) 的研究人员 设计了个基于分组的无线通信网络。这个称为a l o h n e t 的网络，被认为是世界上最 早的无线j 两域网f 1 1 。 1 9 9 0 年，市场上开始出现工作在9 0 0 m h z 频段的、采用扩频技术的无线局域网产 品，支持速率可达5 0 0 k b p s ，但是由于这个频段上有大量其他通信产品，带宽资源竞争 f 分j “出尤线局域网产品不得不寻找新的频段来提高性能。同年，美国n c r 公司 14 g h z 疋线局域网产品正式进入市场，i e e e8 0 2 1 1 工作组也在n c r 公司的建议下成 立，负责制定无线局域网物理层和介质接入控制( m a c ) 标准。 1 9 9 7 年，i e e e8 0 21 l 工作组发布了工作于2 4 g h z 频段的i e e e8 0 2 1 1 标准，该标 “ ：芰持述：# 为1 m b p s 和2 m b p s ；1 9 9 9 年，i e e e8 0 2 1 1 工作组又发布了i e e e8 0 21 1 b 标 准，该杯准也工作在2 4 g h z 频段，但增加了5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两个支持速率，并且 推习j 了无线以太网兼容联盟( w e c a ) 的成立，以进行无线局域网兼容性测试：同年， i e e e8 0 2 1t 工作组发布了工作在5 g h z 频段，采用正交频分复用( o f d m ) 技术，最高 支持速率为5 4 m b p s 的i e e e8 0 2 1 1 a 标准。 0 lj , i 外厄线局域网市场上主流的产品都是基于i e e e8 0 2 1 1 b 标准，物理层采 用宜接j 手州扩频( d s s s ) 技术。2 0 0 1 年，i e e e 丌始研究i e e e8 0 2 1 1 9 标准，采用o f d m 技术或若p b c c 技术( 可选) ，在2 4 g h z 频段上提供最高5 4 m b p s 的传输速率，目前这 个标准还在制定中。 1 2 无线局域网的关键技术 简i p 拭述r 无线局域网的发展历史后，本节将县体介绍i e e e8 0 2 1 l b 标准中采用的 些关键技术，以便于下一步丌展站点网卡的设计和测试工作。 、。，、j ， i e e e8 0 2 1l 和i e e e8 0 2 1 l b 是i e e e8 0 2 系列标准中的两种，工作在七层协议的物 理层和介质接入控制层上，如图1 1 所示： 应用层 表示层 ；? 工 ，； 传输层上层协议 网络层 少 逻辑链路层 数据链路 一 媒质接入控制 物理层 物理层 8 0 2 系列标 8 0 2 1 1 标 图1 - 1i e e e8 0 2 1l 标准在七层协议中的位置 1 2 1 网络拓扑 i e e e8 0 211 标准支持无中心接入点( a dh o c 模式) 和有中心接i x 点, ( i n f r a s t r u c t u r e 模 式) 两种网络拓扑结构，并且支持由多个有中心接入点网络组合起来形成一个无线局域 网以覆盖更大区域，如图1 2 所示。 图i 2i e 旺8 0 2 1 1 的网络拓扑结构 1 2 1 1a dh o c 结构 图1 2 a 所示为一种对等式( p e e rt op e e r ) 的无线局域网网络，它由两个或两个以 上的无线局域网站点组成，由于不能够与外部其它网络进行通信。所以这种网络结构也 称之为i b s sf i n d e p e n d e n t b s s ) 。在这种网络拓扑中，网卡之间相互识别以建立连接， 数抛传输时；i 能在同一i b s s 内的站点之间进行。 a dh o c 网络也是现在移动通信研究的一个热点，被认为是未来移动通信的拓扑结 构，很多研究机构都在集中研究a dh o c 的路由算法【1 8 】。 1 2 1 2i n f r a s t r u c t u r e 结构 实际i _ l _ 】，更为常用的是每个无线局域网网络中包含一个接入点a p 的i n f r a s t r u c t u r e 结构( 圈1 2 b ) ，又称基本业务集( b s s ) 在这种结构中，站点之间不能够誊接通信t 站点之间以及站点与有线局域网节点之间的数据传输都要经过a p 转发。a p 的主要功 第一章无线局域嘲技术的聊f 究背景 i 蛳e 址九线局域网内数据包转发以及构成无线局域网与有线局域网之间的网桥。 山j 1 人屯线局域网的应用范围，i e e e8 0 2 1 l 在b s s 的基础上规定了分布系统d s i ) i ii b l i t i ( ) 1 1s y s t e m ) 功能，通过d s 功能可以将多个b s s 组成一个扩展业务集e s s ， 川r t j1 、l ；s s 1i ，| j 户川以在从个b s s 漫游到相邻的b s s 的同时保持不问断的数据 f 输，内眨t z l 对于上层的网络协议都是透明的。用户在不同e s s 之间漫游可以采用移 j 幽i l 1 2 1 3 应用于移动运营商的无线局域网拓扑结构 止线域叫与g p r s 、c d m a 技术具有一定的互补性，很多机构丌始研究二者的结 合i j l 此f l t 无线局域网部分又增加了接入控制点a c 等设备，我们可以把这样的无线局 域网结构理解成种原有结构的拓展。图1 3 是一种可能的移动运营商无线局域网的拓 扑结构f 1 9 1 ： 8 0 2 w l a n 接八点a pliw l a n 接入控制点a c u s 、j m 认1 f 1 - 服雏器1ir a d i u s 用户认证肚务器 运忤商汁货结算系统 图1 - 3 移动运营商无线局域网参考结构 1 2 2 传输技术 i e e e8 0 21 1 标准规定了三种物理层定义：直接序列扩频( d s s s ) ，跳频扩频( f h s s ) ， 红外线ci rj 。必hf 有d s s s 和f h s s 这两科t 工作在24 g h zi s m 频段的物理层有实 用价值。这两种物理层都符合f c c 关于使用i s m 频段的有关规定，在频率上满足了大 多数国家关于2 4 g f i z 免许可频段的分配，如表1 1 所示。 国家和地区分配的2 4 g h zi s m 频段 美国 一 2 4 0 0 0 24 8 3 5 g h z 欧洲2 ，4 0 0 0 24 8 3 5 g h z 日本2 4 71 2 4 9 7 g h z 法国2 4 4 6 5 2 4 8 3 5 g h z 西班牙2 4 4 5 2 4 7 5 g h z 中国2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h z * j b b lo u i i u 仲t t e u j 域 u 屿r q a1 t 眦 ，甘r 勺双 比 表i - i2 4 g h zi s m 频段的分配 在q ，幽2 4 g h z 频段是无线局域网、无线接入系统、蓝牙技术设备、点对点或点 对多点扩频通信系统等各类无线电台站的共用频段。符合技术要求的各类无线电通信设 符_ ，i ：! j - ? 4 8 3 5g i t z 频段内与_ ：j i 己线电定位业务及。n p 、科学和医疗等非无线通信设备共 j | _ j 频率，均为主要业务 2 0 1 。 1 2 2 1 跳频扩频f h s s i e e e8 0 2 1 l 的f h 扩频方案是具有7 9 个信道的慢跳频技术，每个信道带宽为 l m h z ，将信道分为三组并规定了相应的跳频序列生成算法，这样就降低不同跳频设备 j 作i | j 籼! i j j 的概率。i e e e8 0 2 1 1 没有硬性规定跳频速度，而是要求厂商和用户根 据需要选择，这是为了使产品可以满足不同国家和地区对i s m 频段不同的规定。例如面 向北美市场的产品一般将跳频速度定为2 5 h o p s s ，也就是每个频率点占用4 0 0 m s 。 f h s s 采用了g f s k 调制。之所以没有采用在a w g n 信道下性能更好的p s k 调制， 是闵为跳频罔样所用的频率合成中很难保持相位相干，同时，当信号在信道中传播时， 信号在一个很宽的带宽上从一个频率跳到另外一个频率，要保持相位相干也很困难，这 也是其它跳频扩频系统通常的选择。在这里g f s k 将信号的2 0 d b 带宽限制在1 m h z 以 内，以满足f c c 关于邻信道干扰的相关规定。针对i e e e8 0 2 1 l 提供的基本速率和增强 速率两种不同的速率，f h 跳频方案采用了两种g f s k 调制方式：2 - f s k 用于支持1 m b p s 的珠小j 生卒：4 - f s k 用于支持2 m b p s 的增强速率。这两种调制方式产生的信号具有相同 的带宽，可以使用相同的射频电路。 就抗f 扰能力而言，跳频系统的优势在于被固定频率的窄带干扰“命中”概率很低， 而接收机前端电路对于邻信道的干扰信号的衰减很大( 相对于d s 扩频系统) ，所以受到 的威胁就要小得多。并且一旦被命中，只需将数据帧在下一个跳频间隔重发。 从助二# 谱密度看，虽然对于其它系统，f h 系统产生的干扰为窄带干扰，但从长时 问看( 夫f3 0 秒) 功率是分布到了整个7 9 m 频带内，这等效于降低了功率谱密度。 1 2 2 2 直接序列扩频d s s s d s s s 是i e e e8 0 2 1 1 里采用的另外一种扩频方案。在数据速率为1 m b p s 和2 m b p s 时，i e e e8 0 2 11 标准规定使用统一的1 1 b i t 长的b a r k e r 码作为扩频序列。在扩频时提供 了1 0 4 d b 的扩频增益。这符合f c c 关于在i s m 频段工作的系统必须具有至少1 0 d b 扩 频增益的规定。 因为p s k 调制技术十分成熟，并且具有十分优异的功率效率，所以i e e e8 0 2 1 l 协 议的d s 于r 频方案采用了p s k 调制。最终生成的扩频调帛4 信号被限制在2 2 m h z 带宽以 内，这心意味着住i s m 频段内最多可以并行传输三路d s 扩频信号。 从抗干扰能力分析，d s 系统在解扩时将窄带干扰信号的频谱扩展到2 2 m h 蠹范围， 这等效于将干扰降低了1 0 4 d b ，。 第一章无线局域罔技术的研究背景 虽然d s 扩频系统对窄带干扰有较强的抵抗力，优于慢跳频的f h 扩频系统。但是 d s 扩频系统的受干扰带宽要远远大于f h 扩频系统，这样当干扰信号较强时，系统仍 将受到影响，并且不能像f h 系统那样将影响限制在一个跳频周期内。 i l j0 二采用的是固定l l b i t 的b a r k e r 码扩频，所以i e e e8 0 2 1 1 协议的d s 扩频系统只 能获得有限的扩频增益，这样也限制了对干扰的抑制能力：另一方面，固定b a r k e r 码也 j ，啦也味? f 糸统厄法支持个以上的用户同信道工作，因此也无法通过码分多址来提高系 统容量。 总的来说，目前使用d s s s 扩频的无线局域网产品是主流，v i n c e n tv e r m e e r 在他的 文章 2 1 罩详细解释了d s s s 的优点。 1 2 3 介质接入控制 i e e e8 0 2 1 lm a c 层定义了两种介质接入机制，一种是d c f ( 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 ) ，另外一种是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 ) 。 p c f 机制是指由a p 来控制介质的接入，可以支持一些话音或者图像业务。 d c f 机制也就是载波检测多址接入冲突避免( c s m a c a ) 方式。以太网也采用 c s m a 机制，c s m a 的基本思路是站点发送数据前，首先检测信道是否忙( 是否有其它 站点正在发送数据) ，信道空闲时才可以发送数据。这种机制在系统负荷不是很大时非 常有效，因为站点可以以最小时延发送数据。但是也存在一个严重的问题，如果两个站 点都检测到信道空闲，则会同时发送数据，从而产生冲突。这种冲突必须在m a c 层就 能够锭现，这样m a c 层就可以重传数据，而不用上层协议。在以太网旱发现冲突使用 的冲突侦听c d 机制，发送端本身就可以侦听到冲突的发生，然后按照指数随机退避 ( e x p o n e n t i a lr a n d o mb a c k o f r ) 机制重传数据。 1 2 4q o s 机制 虻线j j 域嗍没有采用以太网罩的冲突侦听c d 机制，而是使用了适合无线信道的冲 突避免c a 机制。这样做有两个原因：其一c d 机制要求系统是全双工工作，可以同时 收发数据，这对于无线局域网来说，成本太高；其二在无线环境里，无法保证所有站点 之间都能够互相侦听到，而且侦听到信道空闲并不意味着其他站点没有发送数据。无线 局域网发送端发送数据前，首先检测信道，如果信道忙，则推迟发送，如果信道空闲了 d i f sk n q il , m j ，则发送端可以发送数据，当接收端收到数据后，进行c r c 校验检查， 如果没有问题则发送a c k 信号给发送端。发送端在接收到a c k 信号后才能判断没有冲 突发生，如果发送端没有收到a c k 信号，则将重传数据包、在重传一定次数后仍然没 有得到确认，则丢弃该包。正是a c k 的存在使得c a 机制的效率低于c d 机制。 出于无线信道的特点，无线局域网存在着“隐减”站点问题。例如：有三个站点a 、 b 、c ，a 和b 可以通信，b 和c 可以通信，但是a 和c 无法通信，这样即使a 检测到 北京邮l u 人学坝i ：学位论文基于i e e e 2 ii b 标准的无线局域网q o s 性能分折与改进 信道是空闲的，也可能实际上c 正在给b 发送数据，如果此时a 再给口发送数据就会 导致冲突的发生。i e e e8 0 2 1 l 提出了虚拟载波检测( v i r t u a lc a r d e rs e n s e ) 的机制来解 决这个题发送端在发送数掘前首先发送一个镉的r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 控制包 其中包括发送地址，接收地址和接下来交互所用的时间，如果信道空闲，接收端在收到 r t s 后，发送一个响应包c t s ( c l e a rt os e n d ) ，其中包含和r t s 中相同的交互时间。 所有收到r t s 或者c t s 的站点在指定的这段交互时间内把它们的虚拟载波检测指示 n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) 置为有效，利用这个信息加上实际载波检测一起来控 制介质的拔入。返样在上面的例子晕，a 可以接收剑从b 发出的c t s 包，从而获知信 道f 忙，避免了冲突的发生。另外r t s 和c t s 都是短数据包，也降低了冲突发生的可 能。 1 2 5 安全机制 无线崩域网缺乏两个以太网天生具有的安全特性：1 ) 所有的站点必须通过线缆连 接才能够收发数据，2 ) 信号不会泄漏，网络以外的用户无法收到内部的数据。而无线 局域网的信号发射到空间中，任意用户都有可能接收到该信号。 为了实现“与有线局域网相当的安全性”这个目标，i e e e8 0 2 1 l 标准分别提出了 两个相应的措施：认证和加密。对应于有线信道第一个特性，i e e e8 0 2 1 l 规定站点在 接入无线网络之前必须经过一个认证措施以判断站点是否被允许接入。而加密措施则是 要求b s s 内的所有数据都经过加密后传输它可以保证非法设备即使接收到数据后仍然 无法恢复出原始数据。 i e e e8 0 2 1 l 标准规定了两种认证方式( 开放系统认证和共享密钥认证) 。开放系统 认证即无认证系统。共享密钥认证的流程如下： ( i ) 移动台s t a 向接入点a p 发送认证请求数据帧； ( 2 ) 收到认证请求后，接入点发应答帧，其中包含1 2 8 字节的随机询问消息； ( 3 ) 收到应答帧后，移动台用共享密钥通过w e p 方法对询问消息进行加密，然后以认 证帧的格式发给接入点； ( 4 ) 接入点用共享密钥对加密的询问消息解密，并检查是否和原消息一致。如数据一 致，接入点发送认证成功消息给移动台，允许移动台接入b s s 共享密钥认证则依赖于密钥分配的安全性，这种认证强度无法适应不断丰富的无线 局域网业务需求。 i e e e8 0 2 1 i 标准数据加密是运用r c 4i , , l d l 密的w e p 算法。一个w e p 加密的过程 如下： ( 1 ) 接入点a p 用共享密钥初始化b s s 中的每个移动台s t a ： ( 2 ) 信息发送端根据消息的原文( p l a i m e x t ) ，运用c r c 3 2 算法计算完整性检查向量 i c v ( i n t e g r i t yc h e e kv e c t o r ) 并将i c y 附加到消息原文后面： 第一章无线局域网技术的研究背景 ( 3 ) 发送端随机选择一个2 4 位初始向量i v ( i n i t i a l i z a t i o nv e c t o r ) ，将之和4 0 位共享 密钥( s e c r e tk e y ) 连接在一起，输入伪随机码序列发生器p r n c ( p s e u d o r a n d o mn u m b e r g e n e r a t o r ) 产生伪随机序列： ( 4 ) 发送端将p l a i n t e x t + i c v 和伪随机序列进行异或运算，产生加密数据( e i p h e r t e x t ) ： ( j ) 发j 兰端；j 暂i v 放在加密数据丽面，产生实际传送的数据。 w e p 算法本身也被证明安全性极低，研究人员提出了很多建议来改善无线局域网的 安全性，如采用端到端的认证协议r a d i u s 、基于端t ( p o r t ) 的认证协议8 0 2 1 x 、w e p 2 、 e s n ( e n h a n c e ds e c u r i t yn e t w o r k ) 等改进方案。 1 2 6 漫游特性 站点在同一个b s s 中的移动是i e e e8 0 2 1 l 无线局域网的一个很自然的特性，无需 做出特别的规定和说明。 在不同的b s s 之间移动台的漫游是一个相当复杂的问题。在同一个e s s 之间的漫 游涉及到不同a p 之间的站点管理和信息传递问题，但只要将d s 功能确定后就可以在 无线局域网的体系范围内解决，并且可以做到对高层网络协议完全透明，所要解决的就 是不同厂家产品的兼容性问题。 由于在不同的e s s 之间的漫游部分超出了局域网的地址管理的能力，所以无法对 上层的网络协议做到完全透明，需要上层协议做出相应的补充规定才能有效的支持各种 应用 1 3 目前无线局域网的标准制定情况 i e e e8 0 2 1 l 工作组目前正在努力使w l a n 技术朝着数据速率更高、功能更多、应 用更加安全的方向发展。其中比较重要的工作包括： 1i e e e9 0 2 1 1 9t 作组诈在丌发在2 4 g h z 的频段提供与i e e e8 0 2 1 1 a 相近数据传输 速率的w l a n 标准，标准将采用o f d m 和可选的p b c c 技术，支持的数据速率包 括1 2 5 5 11 1 6 1 9 1 1 2 1 8 2 4 3 6 5 4 m b p s ，与8 0 2 1 l b 兼容： 2 i e e e8 0 2 1 1 e 工作组正在开发增强的8 0 2 1 l m a c 协议，以提供q o s 的支持，从而 可以传输诸如语音、视频这类对定时要求严格的应用，可能的机制包括e p c f 、e d c p 和h p c l ：等： - 3 i e e e8 0 2 1 l f 工作组正在丌发w l a n 无线站点在接入点之划漫游的协议，使w l a n 无线站点的应用更加灵活； 4 i e e e8 0 2 1 li 工作组正在开发新的w l a n 安全机制，希望能够采取新的技术提高安 令傩i 前f 在对包括i e e e8 0 2 1 x 协议在内的很多提案进行评估： 下表为目前i e e e8 0 2 1 1 系列标准的制定情况： ! ! 竺竺：些仝三竺! ：兰丝些兰 苎! ! 竺鸶苎墼：! 生塑堡塑垄垡塑璺竖塑堡竖竺塑兰塑 掷议层标准 一 内容状态 m a tj ，：8 1 1 2l i m a lw l a n 公弛m a c 机制 1 9 9 7 年标撞化 8 0 2 l l e增强8 0 2ii m a c 机制挺供：q o s 、服务类别、增强安全和i f 在标准化 认自i ：机制、考虑增强d c f 和p c f 的效牢 8 0 2 l l l 接入点问拂议( 1 a p p ) ，规定接入点之间必要的交互信息，正在标准化 以支持8 0 21 1 分布系统功能，并使小矧j 商的接入点兼容 8 0 2 i i i增强的安伞和认i 砷l 制正在标准化 物理层8 ( 1 2l i d s s s2 4 g h z 频段直接序列扩频( b a r k e r 码)1 9 9 7 年标准化 8 0 2 1 1 b 24 g h z 频段直接序列扩频( b a r k e r 码，c c k ) 1 9 9 9 年标准化 8 0 2 l l a 5 g h z 频段o f d m1 9 9 9 年标准亿 8 0 2 1 1 224 g h z 频段o f d m ，p b c c 口j 选萨相：标准化 8 0 2 i l d管制区域坐新。定义物理层的需求( 情道化、跳频模式等)2 0 0 1 年标准化 和其他需求，以便8 0 21 i w l a n 能在当前标准不支持的地区 ( 区域) 工作 8 0 2 l ih 8 0 2 1 l a 频i 普和发射功率管理( 主要用于欧洲) 正在标准化 8 0 2l i w n g研究8 0 2i1 标准与e t s i b r a n 和m m a c 均接受的全球一已经启动 毁的w l a n 公共接u 托他8 0 2i i r r ms g研究通过无线资源管理增强8 0 2 i l 标准的性能 已经启动 8 0 2 i i ，h t s g研究对8 0 21i 增强以提高吞吐速率尚未启动 表l 一2 目前i e e e8 0 21 l 系列标准的制定情况 1 0 - 第一。帝i e e e8 0 2ii 冲突避免m 迟算法的研究 第二章i e e e8 0 2 1 1 冲突避免回退算法的研究 无线电传输功率限制所造成的低带宽使得无线局域网中带宽成为非常宝贵的资源， + c ：l u e 啪矧t q ? sh 1 户的增加。存i e e e 8 0 2 1 1m i 2 - h 录用分布式协调功能d c f 随机回 退一定j 这个机制来解决信道竞争问题，这种 仪容易导致有效带宽资源的浪费。 圮其匙以- h 络负倚非常高的情况下，不断的冲突j 成j 大量信道带宽的损失。本章中， 作者将通过列d c f 回退算法进行一些改动，以协：u 嘲：网络高负荷时无线局域网( 除非 特别蜕i 扎本章以后出现的“无线局域网”都足指牡j ii e e e8 0