（计算机应用技术专业论文）无线局域网媒体接入控制（mac）协议的研究与改进.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 近年来 随着无线技术和 i n t e r n e t的发展 对可携带 可移动计算机的需求 不断增长 而无线局域网汉i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k w l a n 以其高灵活性 健 壮性 等优点 被广 泛应 用 现有的 标准 有i e e e 8 0 2 1 1 h i p e r l a n b l u e t o o t h 等 应 用最为广泛的是 i e e e 8 0 2 1 1 e 如何使终端高效 公平地共享有限的信道资源 是无线局域网媒体接入控制 m a c 协议需要首先解决的核心问题 在复杂环境下 常规的 m a c机制难以保证较 好的性能 因此 研究对网络环境有一定适应能力的自适应m a c 技术具有重要的意 义 本文基于系统性能分析与优化 对无线局域网的多种自适应m a c 技术进行了较 深入的研究 关键字 无线局域网 媒体接入控制 自 适应算法 吞吐率 abs tract wi t h t h e r e c e n t d e v e l o p m e n t o f w i r e l e s s t e c h n o l o g y a n d i n t e r n e t t h e r e q u i r e m e n t s o f p o r ta b l e c o m p u t e r s a r e f a s t i n c r e a s i n g a n d wl a n w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k i s u s e d w i d e l y t o m e e t t h e s e d e m a n d s b e c a u s e o f i t s h i g h fl e x i b i l i ty a n d r o b u s t n e s s t h e r e a r e m a n y e x i s t i n g s t a n d a r d s n o w s u c h a s i e e e 8 0 2 1 1 h i p e r l a n a n d b l u e t o o t h e t c b u t i e e e 8 0 2 1 1 i s m o s t w i d e l y u s e d t h e m a i n t a s k o f m e d i u m a c c e s s c o n t r o l m a c p r o t o c o l i s t o e ff i c i e n t l y s h a r e l im i t e d w i r e l e s s c h a n n e l a m o n g d i s t r i b u t e d s ta t i o n s c o n v e n t i o n a l m a c m e c h a n i s m c a n h a r d l y p r o v i d e g o o d p e r f o r m a n c e i n a c o m p l e x e n v i r o n m e n t c o n s e q u e n t l y i t i s m e a n i n g f u l t o d e v e l o p m a c t e c h n iq u e s w i t h a d a p t i v e a b i l i ty f o r n e t w o r k e n v i r o n m e n t b a s e d o n p e r f o r m a n c e a n a l y s i s a n d o p t i m i z a t i o n o f s y s t e m t h i s d i s s e r ta t i o n f o c u s e s o n a d a p t i v e m a c t e c h n o l o g i e s f o r wl a n j i a n g z h i j u n c o m p u t e r a p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y d i r e c t e d b y a s s o c i a t e p r o f e s s o r h u c h a o j u k e y wo r d s wi r e l e s s l a n me d i u m a c c e s s c o n t r o l a d a p t i v e a l g o r i t h m t h r o u g h p u t 七 口口 尸明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 无线局域网媒体接入控制 m a c 协议的研究与改进 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间 在导 师指导下进行的研究工作和取得的研究成果 据本人所知 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 为获得华北电力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 二 t k 冷 林 户1 久口期 咚 衬 述些 书 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有 权保管 并向 有关部门 送交学位论文的原件与复印件 学校可以 采用影印 缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文被查阅 或借阅 学校可以 学术交流为目 的 复制赠送和交换学位论文 同 意学校可以 用不同方 式在不同媒体上发表 传播学位论文的全部或部分内容 潜密的学位论文在解密后遵守 此规定 作者签名 态l k导师签名 日期 v v r 4 华北电力大学硕士学位论文 1 1 2无线局域网的相关标准 无线局域网采用无线的方式实现终端间的连接 与有线局域网相比更加复杂 对其的研究也相对滞后 近年来 一系列标准的推出 大大地促进无线局域网的研 究与发展 目 前 无线局域网的标准有很多 主要包括电子电气工程师协会 i e e e 制定的 8 0 2 1 1系列和欧洲电信标准化协会 e t s i 制定的高性能无线局域网 h i p e r l a n 标准 另外还有面向个人区域网络 p a n 的蓝牙 b l u e t o o t h 标准和面向 家庭应用的h o m e r f 1 1 2 1 i e e e 8 0 2 1 1 系列 目 前应用最为广泛的w l a n 标准是i e e e 8 0 2 1 1 系列 1 9 9 0 年7 月 i e e e 8 0 2 标 准化委员会成立 8 0 2 1 1无线局域网标准工作组 专门负责制订无线局域网物理层 p h y 和媒体接入控制 m a c 层的协议标准 1 9 9 7 年 6 月该工作组颁布了8 0 2 1 1 第 一版本 1 9 9 9 年又推出了改进版本 此后陆续发布了多个的扩展版本 旨在数据速 率 安全性 移动性等方面加强w l a n 的性能 在 8 0 2 1 1 系列标准中 涉及物理层 的有 4个标准 8 0 2 1 1 8 0 2 1 1 b 8 0 2 1 1 a 8 0 2 l i g 这 4个标准的工作频段 信号调制方式以及支持的数据发送速率都不尽相同 8 0 2 1 1 规定的物理层有直接序 列扩频 d s s s 跳频扩频 f h s s 红外线 i r 8 0 2 1 1是该工作组颁布的最早版 本 它的传输速率 1 2 m b p s 工作频段为 2 4 g h z i s m频段 8 0 2 l l b增加t补码 键控 c c k 调制 将传输速率提高到 l l m b p s 8 0 2 1 1 a工作在 5 g h z u n i i 频段 通过正交频分复用 o f d m 进一步将峰值速率提高到 5 4 m b p s 8 0 2 l i g也采用 o f d m 调制技术 工作在 2 4 g h z 频段 可提供 5 4 m b p s 传输速率 但强制保留原 8 0 2 l l b 所采用的d s s s c c k 的调制方式 因而能够兼容8 0 2 l l b 它们的比较见表 1 1 表1 1 wl a n相关标准比 较 8 0 2 1 18 0 2 l l b8 0 2 1 l a8 0 2 l l g 物理层d s s s f h s s i r d s s so f d mo f d m m a c层c s m a c ac s m a c ac s m a c ac s m a c a 频带2 4 g h z 9 0 0 m h z2 4 g h z 5 g h z2 4 g h z 传输速率1 2 m b p s1 2 5 5 1 1 m b p s6 5 4 m b p s最高可达5 4 m b p s 编码调制 g f s k f o r f h d p s k f o r d s d b p s k d q p s k c c k b p s k q p s k q a m c c k 主要缺点传输速率有限 对于很多紧急应 用速率不够 通信距离最短 共存的网络数有 限 主要优点通信距离较远 应用较广 通信距离较远 传输速率最高 提供较高的数据 速率 华北电力大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 1 还有多个扩展版本 分别在不同方面加强w l a n的性能 如8 0 2 i l e 的目的在于增加q o s 能力 8 0 2 1 1 i 重在加强安全性 8 0 2 l l f 则是改善8 0 2 1 1 协 议的切换机制 使用户能够在不同的无线信道或接入设备间漫游 正在制定中的 8 0 2 1 i n 将提供最高达3 2 0 m b p s 的传输速率以及更加完善的q o s 管理 1 1 2 2 h i p e r l a n 系列 h i p e r l a n由e t s i 提出 其系列包括四种标准 h i p e r l a n 1 h i p e r l a n 2 设 计用于户内无线骨干网的h i p e r l i n k 以 及为固定户外应用访问有线基础设施而设计 的h i p e r a c c e s s 目 前较有影响的是 h i p e r l a n 2 工作在 u n i i 频段 采用 o f d m 物理层和t d m a t d d 工作方式 提供高达5 4 m b p s 的传输速率 当终端需要发送数据 时 首先采用时隙a l o h a 机制在随机接入信道向a p 发送资源请求信息 如果碰撞 a p 在下一帧通告碰撞 如果资源请求信息发送成功 则 a p 通知终端在哪一个时隙 发送数据 h i p e r l a n 2 与8 0 2 i l a 的主要区别在m a c 子层 h i p e r l a n 2 标准采用了很多的先进技术 如面向连接的数据链路层 自 动频率 管理 节能管理 q o s 支持 安全性和移动性支持 然而 h i p e r l a n 只是在欧洲得 到业界的大力支持 加之产品推出较慢 影响不如工 e e e 8 0 2 1 1 系列 1 2无线局域网的m a c 技术研究 无线局域网以多路复用信道作为通信的基础 如何分配信道的使用权是需要解 决的关键问题 在w l a n中完成该功能的是数据链路层 d l c的m a c 子层 在共享媒 体的通信网络中 网络的性能 如吞吐率 接入延迟和公平性等 在很大程度上依 赖于所使用的m a c 协议 所以 制定合适的m a c 子层规范 以有效地配置信道资源 提高无线资源的使用效率 提高系统的容量和传输质量 是w l a n 研究的重要课题 1 2 1 m a c 技术的目标 不同于有线网络 无线环境下的m a c 技术将要面对更多的问题 例如 有线网 络中很容易实现的冲突检测 在无线网络中却只有采用冲突避免 无线信道的数据 传输也不如有线方式可靠 误码率将大大高于有线网络 在有线环境下不存在隐藏 终端和暴露终端的问题 在无线网络中 它却是导致网络性能恶化的重要因素 无 线网络 尤其是在分布式方式下 终端的移动会导致网络拓扑结构的变化 这也会 给m a c 的设计带来问题 无线局域网m a c 技术的目 标就是要在如此复杂多变的环境下 尽可能地提高传 输媒体的利用率 并保证一定的接入公平性 根据应用场景的不同 对m a c 技术还 可能有更多的要求 如提供节能 数据验证与保密支持等 通常情况下 m a c协议 还需要与上层协议 如路由协议 密切配合 以期达到更好的网络整体性能 3 华北电力大学硕士学位论文 目前 无线局域网常用的m a c 机制主要有固定分配 按需分配和随机竞争三类 其中固定分配和按需分配适合于对实时性要求高的业务 而随机竞争类更适用于间 歇性工作的用户发送非时延敏感型的业务 从使用信道的情况来看 m a c机制又有 单信道和多信道之分 多信道m a c机制对终端的硬件设备要求很高 而单信道 m a c 机制则相对容易实现 本文对之将给予更多的关注 1 2 2 研究历史 m a c 技术是无线网络的关键技术 一直以 来 得到了研究人员的广泛关注 1 9 7 5 年k l e i n r o c k 和t o b a g i 提出了 载波检测机制上的隐 藏终端问 题 作为第一个解决 方案 b t m a 协议引入了忙音信号 将信道分成数据信道和控制信道 数据信道用于 传输数据 控制信道用于传输忙音信号 终端在发送之前要检测控制信道上的忙音 信号 在发送的同时要在控制信道上设置忙音信号 而其它终端在检侧到数据信道 上有数据发送时 也要在控制信道上发送忙音信号 因此 b t m a 能减少隐藏终端带 来的影响和碰撞的概率 却使暴露终端问题更加严重 降低了信道的利用率 作为b t m a 协议的一个变种 r i b t m a 协议试图缓解暴露终端问题 终端只有在 发现自己是数据的接收方时才在控制信道上发送忙音信号 显然 从发送方发出数 据到接收方设置忙音信号这段时间里 仍然有可能发送冲突 w c d 协议结合了b t m a 协议和r 工 一 b t m a 协议的特点 将忙音信号分成传输忙音和 接收忙音两种 当一个无线终端在数据信道上发现数据传输 它就发送传输忙音信 号 当它发现自己是数据发送的接收目 标时 就停止发送传输忙音信号 转而发送 接收忙音信号 因此w c d 协议能在防止隐藏终端干扰的同时 又降低了暴露终端的 数目 所以其性能要优于 b t m a协议和 r i b t m a 协议 类似的协议还有d b t m a 等 这些协议都假定无线终端有额外的载波侦听硬件设备 能够在数据信道和控制信道 上独立的发送和接收而互不影响 因此这些协议的实用性受到一定的影响 与此同时 研究人员也设计出一些没有采用单独忙音信道的m a c 方式 m a c h 协 议通过在发送方和接收方之间引入数据信道内的握手信号来避免冲突的产生 一个 终端在发送数据之前先发送一个r t s 帧通知接收方 后者在正确收到这个请求并认 可的情况下回送一个c t s 帧 然后 发送方在同一个信道上开始数据发送 其它检 测到r t s 帧或者c t s 帧的终端都要延迟发送自己的数据 m a c a 协议提高了信道的利 用率 降低了发送数据时发生冲突的概率 通过采用r t s c t s 握手机制 协议解决 了隐藏终端的问题 但是研究表明 m a c a协议使用的二进制指数退避 b e b 算法会 引发公平性问题 针对m a c a 协议的不足 b h a r g h a v a n 等人提出了m a c a w协议 为了增加数据传 输的可靠性 m a c a w协议使用了载波检测机制 以此降低 r t s控制帧发送时的冲突 4 华北电力大学硕士学位论文 概率 m a c a w协议还使用了 r t s c t s d s d a t a a c k的握手机制 增加了两个控制 帧 a c k 和d s a c k 帧可以缩短发送方检测数据发送不成功的时间 终端在发送数据 帧之前 首先向其它终端发送控制帧 d s来通告将来 a c k帧的出现 从而降低冲突 发生的概率 m a c a w协议的另一个优点在于能够有效地缓解公平性问题 进一步提 高了吞吐率 它规定每个终端负责在将要发送的数据帧中存放当前的退避计数器 值 其它终端收到这些数据帧之后 根据数据帧中携带的退避计数器值来调整自己 的退避计数器 通过这种方法 在通信范围之内的所有终端将会使用相同的退避计 数来竞争信道 从而达到更好的公平性 在退避算法方面m a c a w 协议使用的退避算 法是乘性增加线性减少 m 工 l d 算法 要比b e b 算法的公平性更好 f a m a 协议是m a c a w 协议的一个改进版本 它要求一个终端在发送数据时必须确 认对无线链路的占用 在 f a m a协议中 终端轮询它相邻的终端是否要向它发送数 据 如果被轮询的终端有要发送的数据 这些被轮询终端将在执行相应的冲突避免 算法之后 开始向轮询终端发送数据 否则轮询终端将继续轮询其它相邻的终端 f a m a 协议适用于周期性比较强的应用环境 在实用性上有一定的局限性 现有的无线局域网标准 包括 i e e e 8 0 2 1 1 和 h i p e r l a n等 都是在这些 m a c 协议的基础上发展起来的 研究过程中产生的一些机制 如 r t s c t s 握手 a c k 响 应帧 载波检侧和退避算法等等也被 w l a n标准采用 事实证明 这些机制能够解 决隐藏终端问题 提高无线链路上数据发送不成功的检测速度和降低发送冲突的损 失 1 2 3现有协议的m a c 机制 工 e e e 8 0 2 1 1和 h i p e r l a n都支持对等式和中心式的网络拓扑结构 在 i e e e 8 0 2 1 1 的对等式网络中 终端之间是完全对等的 工作在完全分布式的模式下 h i p e r l a n 的对等式网络则有所不同 它虽然支持终端间的直接数据交换 但网络的 资源却是集中控制的 从这一点来看 h i p e r l a n 在分布式应用环境下会受到一定的 限制 i e e e 8 0 2 1 1 系列标准规定了两种m a c 模式 分布式协调功能 d c f 和点协调功 能 p c f 两者均基于载波侦听多址接入 冲突避免 c s m a c a 机制 其中 d c f 是协 议规定的基本信道接入方式 p c f 则是可选方式 d c f是构成 i e e e 8 0 2 1 1 无线局 域网的基础 支持分布式的应用环境 结合目前协议标准的应用情况 本文把 i e e e 8 0 2 1 1 d c f 作为研究无线局域网m a c 机制的基础 分布式协调功能所采用的c s m a c a 媒质访问机制如图 1 2 所示 终端a e 共 享信道资源 终端a的数据传送完毕后 终端b c d 都侦听到信道空闲 开启回 退计数器 终端 c首先回退到零 因而获得信道 发送数据 终端 b d暂停回退 5 华北电力大学硕士学位论文 计数器 直至终端c 的数据发送完毕后 再次开启竞争 当终端e 希望发送数据时 为了避免冲突和恶性竞争 需要产生随机回退偏移 当回退计数器递减到零 信道 仍然空闲时 才发送数据 di f s 1一 址 门8 日 c k o f f 一习 一 州f 二 尸一门1 曰崖 翔 目 黔 j一 f 二 c w 门 吮 佃 州 f 二 cw ll l 二 卜 j 竺 竺 j陌 州 cw 脚鞠撇脚脚 c w 竞争窗口 匕 碑回退 图 1 一 zc s 以 c a f r m 帧 翻雷 圈 剩余回退 信道访问机制 dcf 采用物理 虚拟载波侦听 退避机制 帧间间隔以及r t s c ts机制等技术 来保证数据可靠 有效地在无线信道上传输 减少碰撞 提高网络性育旨 1 2 3 1载波侦听机制 传输介质中使用的物理层载波侦听机制构成了分布式协调控制的最下层基础 在实际中 为了避免单纯依靠物理层机制可能带来的不确定问题 比如会受到阴影 效应的影响 还采用被称为虚拟载波侦听的机制 虚拟载波侦听是通过网络分配 矢量 n a v 来实现的 这是因为nav 具备网络中最新媒质传输协调安排信息 n a v 是 避免冲突产生的备用方式 即如果物理检测机制这时正好处于无效状态 那么 n av 就能提供正确的系统信息以避免碰撞的发生 所以 只有在物理检测机制和n av 都 同时表示出媒质空闲时 终端才能发送自己的数据 1 2 3 2退避过程 分布式协调功能要求终端在传送一个数据包之前 或者成功传送一个数据包之 后需要继续发送时都必须执行一个退避过程 在这个退避过程中 终端会放弃对媒 质的占用 而退避的具体时间是一个随机数 以便降低终端发送的碰撞概率 并能 在多个终端同时对媒质提出占用请求时公平分配使用机会 对随机延迟时间的量度 d cf 采用了离散时间刻度 即延迟时间以时隙口为单 位 同时 d c f还采用二进制指数退避算法 b e b 在发送数据包时 延迟时间在 比 牙一 1 之间均匀选取 平被称为竞争窗口 它跟某个特定包的传送失败次数有关 对于第一次发送尝 试 牙 c 礼1 c 氏1 被 称为最小竞争窗口 在每次发送失 败之后 尸乘2 直到甲 c 不气 欲 2 而 t叽访 m 被 称为 最大 退 避等 级 同 时 终端 将选 择的 6 华北电力大学硕士学位论文 随机延迟时间赋值给延时计数器 之后 当终端监测到信道空闲每超过一个口 延 时计数器减 1 当监测到信道忙时 延迟计数器保持 并在信道空闲时间等于d i f s 时重新激活延时计数器 当延迟计数器值等于0 时 终端发送数据包 在图2 中也 给出了d c f的 退避过程 6 c w 和c w 的 值和具体的物理媒质有关 在 i e e e 8 0 2 1 1 中 其建议值如表1 2 所示 表 1 2 i e e e 8 0 2 1 1 对不同物理层规范的建议值 p h y叮 c w c w f h s s 5 0 尸 s 1 61 0 2 4 d s s s 2 0 产 s 3 21 0 2 4 i r 8 产 s 6 41 0 2 4 1 2 3 3帧间间隔 i f s 按照i e e e 8 0 2 1 1 的规定 在两个连续帧之间必须要有一个时间间隔 例如 短帧帧间间隔 s i f s存在于任何两个连续帧之间 而不管这两个帧是什么类型 在 d c f 模式下 d c f 帧间间隔d i f s 是存在于d c f 终端之间的时间间隔 因此 任何d c f 终端必须在媒质空闲达到d i f s 后才能发送数据 类似的 p c f 帧间间隔p us 是一 个终端能运行p c f 的最小时间间隔 dips 巡 茗 竞争窗 口 退遨窗口下 抽 彭迟接入 只有当媒质 和递 空用时才选择时晾 减退通时间 图1 3帧间间隔的关系 设置不同的帧间间隔 可以 实现不同的 系统优先级 i e e e 8 0 2 1 1 规定了 三种 访问优先权 由高到低依次是 1 s h o r t 优先级 需要立即响应业务的优先级 其帧间间隔为s i f s p i f s s i f s 如图1 3 所示 华北电力大学硕士学位论文 1 2 3 4 r t s c t s 机制 d c f 规定了两种接入方式 基本方式和 r t s c t s方式 对于两次握手的基本方 式 接收方在收到数据包后 等待一个s 工 f s 即向发送方发送a c k 对收到的数据包 进行确认 如果发送方在规定的时间内未收到接收方的确认 a c k 发送方将按上述 的退避策略重传该数据包 对于四次握手的 r t s c t s方式 发送方在发送数据之前应先发控制帧 r t s 接 收方收到r t s 在s i f s 时间后用控制帧c t s 对r t s 进行确认 发送方在收到确认的 c t s 后 发数据包 接收方在收到数据包后 用a c k 确认 如图 1 4 所示 在 r t s 帧和c t s 帧中 携带有该次发送过程将要占用信道时长的信息 该信息能被正侦听 信道的其它终端读取 并用其对网络分配矢量 n a v 进行更新 n a v 中包含了信道将 持续忙的时间信息 因此 只要终端能监听到r t s 帧和c t s 帧的任意一个 它便能 在发送前进行合理的延迟 从而有效地避免碰撞 在r t s c t s 方式下 只有r t s 帧 会发生碰撞 而 r t s帧的长度比较短 因此 r t s c t s 方式能有效减少碰撞的持续 时间 改善系统性能 另外 r t s c t s 方式能有效解决隐藏终端问题 s i f s s i f s s i f s d i f s 盗 几七 吨 数口 刁 加 之 曲m 没 叹升众 念 子 八 c k夔 c t s 夏 恳 n a c u r t s 一房 止 二一 n a v 二 c t s 二 c h a n n e l a c c e s s d e la y e d m e d i u m a c c e s s 图1 4 r t s c t s 方式下的发送过程 终端也可以工作在 d c f的混合方式下 当数据包长度大于 r t s门限时 使用 r t s c t s方式传送 否则使用基本方式传送 这为终端灵活选择发送方式提供了便 利 1 2 4 研究现状 尽管工 e e e 8 0 2 1 1 的m a c 协议在无线局域网已经得到了应用 但大量的研究表 明 i e e e 8 0 2 1 1 标准的m a c 协议仍然存在以下一些问题 1 m a c协议消除冲突的速度比较慢 在终端数目 增大时 无线链路的利用率 会迅速下降 华北电力大学硕士学位论文 2 标准中规定的b e b 算法总是对最近成功发送的终端有利 公平性不好 尤 其是在网络负载比较重的时候 3 m a c协议没有提供数据传输在优先级方面的区别 不能提供业务的服务质 量保证 4 m a c协议在终端切换 a p方面的支持不理想 导致切换过程中报文丢失 并影响上层通信协议的性能 为此 人们在多个方面对i e e e 8 0 2 1 1 提出了改进方案 下面分析几个重要方 面的改进方案 并试图从中找到可在其中进一步拓展的研究思路 1 2 4 1吞吐率性能 寻求吞吐率的最大化是m a c 协议设计的终极目 标 尽管工 e e e 8 0 2 1 1 己 经实用 但研究人员仍然在努力改进它 以尽可能地提高吞吐率性能 网络中的冲突是导致吞吐率性能下降的主要原因 一旦冲突发生 如果能尽快 消除冲突 并减少退避引起的信道空闲 就能 够提高吞吐率 f c r算法 2l 正是基于 这样的思想来实现的 当无线信道上发生冲突之后 f c r算法不仅仅要求冲突涉及 的终端增大竞争窗口 而且每一个处于延迟发送状态的终端也增大竞争窗口 这样 可以加快消除冲突的速度 当终端发现信道在一段比较长的时间内保持空闲状态 f c r算法要求终端使用指数递减的方法来减小退避计数器的值 从而缩短信道处于 空闲状态的时间 但 f c r会引发比 d c f更加严重的公平性问题 为此引入了 s c f q 算法来 对之做改进 限 制终端最大连续发 送时间 形成了f s f c r 算法 12 1 另外 如 果终端能对信道上竞争 拥塞情况进行估计 并自 适应地调整接入策略 也可以减 小碰撞 提高网络性能 这也正是d c c 的主要思路 3 1 i e e e 8 0 2 1 1标准中给出了网络参数的典型值 对于大多数的应用环境 它们 未必就是最佳值 可以预见 动态的调整网络参数对提升协议性能有一定的帮助 在这方面 m i c h i g a n大学的d a j i q i a 等人近来连续地提出了多个方案 1 通过动 态地选择数据链路层上数据帧的分段门限和物理层工作模式来提高网络的净吞吐 量14 5 1 2 基于d c f 提出了p m a c 协议 6 1 其关键在于根据数据流量的权重和竞争 信道的 终端数来调整竞争窗口的 大小 3 在d c f 基 础上提出了u m a v 协议17 1 主要思 想是利用新的轮询模式来减少竞争信道的终端数 同时用均衡退避算法取代 b e b 并根据竞争信道的终端数来设置竞争窗口 i e e e 8 0 2 1 1 d c f规定终端在两次连续的发送过程之间必须进行退避 如果允 许一次发 送过程传输更多的数据包 无疑 将提高 信道的 利用率 d c f 机制18 7 就是按 这个思路设计的 以提高 t c p协议在 ra n上的性能 d c f 十 机制的特点在于一次信 华北电力大学硕士学位论文 道竞争后 连续发送数据过程中收发双方可以交换 从而适应了t c p 协议的需要 1 2 4 2优先级机制 在 i e e e 8 0 2 1 1标准提出之后 为了支持优先级 并提高保障服务质量 q o s 的能力 i e e e 又提出了8 0 2 he 标准 针对这两个标准 研究人员提出了很多分析 与改进方案 一个思路就是通过调整m a c 参数以实现不同的优先级 i m a d a a d 等人分析了四 种基于i e e e 8 0 2 1 1 d c f的区分 服务方案 9 川 基于竞争窗口 增大比 例 基于最小 竞争窗口 基于 d 工 f s 基于最大数据帧长度 分析和模拟实验表明基于d i f s的方 案能够提供严格的优先级关系 要优于其它方案 这与 i e e e 8 0 2 1 1 e的设计思路 是一致的 文献 1 2 对基于帧间间隔 i f s 的优先级方案做了理论分析 p 3 d c f协 议 1 13 为每个数据包计算d i f s 及优先级 在不影响网 络吞吐率的同时 可以 满足实 时业务的要求 文献 1 4 的分析表明 改变初始竞争窗口 可以 容易地实现不同类 型业务之间的相对区分 以i e e e 8 0 2 i l e 中e d c f 为基础的a e d c f 机制 1 5 1 通过调整 竞争窗口的大小为不同类型的数据流提供相对的优先级 调整的决策过程结合了应 用程序的要求和网络的当前状况 仿真结果表明 a e d c f能减少冲突 提高网络有 效吞吐率 这也说明 调整竞争窗口的大小对冲突的消除有决定性的作用 以d c f 为基础的p c c 方案1 16 是一种基于 优先级的 竞争控制方案 它要求每个终 端在待发送数据流的优先级高于当前正在发送的数据流的优先级时才能竞争信道 的使用权 从而减少了竞争信道的无线终端的数目 但 p c c需要 a p根据无线链路 的流量信息动态地调整当前发送操作的优先级 而且它的冲突消除速度比较慢 退避算法对网络性能有较大的影响 修改退避算法也可以支持优先级 文献 1 7 1 8 提出了 i e e e 8 0 2 1 1 d c f网络环境下基于退避机制的优先级方案 其思想是通 过不同的退避参数 如最小退避窗口 退避窗口增长因子 最大退避级别 来实现 不同的优先级 作为d c f 的改进版本 e d c f 能够为不同优先级的数据流提供不同级别的吞吐率 和延时 e d c f 能为实时业务提供比较高的优先级 但仍然难以保证实时要求 因此 应该引 入轮询机制 1 9 另外 e d c f 应该增添一些接入控制或调度策略 才能更好地 满足实时业务的要求和带宽分配的公平性 2 0 1 1 3本文创新点 无线局域网有着广阔的应用前景 它不需要基础设施的支持 能以灵活的方式 迅速组网 在战场 救灾抢险等紧急场合下有着不可替代的重要作用 也可用于移 动会议 家庭联网等 以分布式无线局域网为基础的 a d h o c网络 传感器网络 1 0 华 韭 电 世 主 学 鲤 竺丝丝兰一一一一一一一一一一一一 利用终端间的数据转发 可以 覆盖更大的通信范围 为通信提供更多的便利 无线局域网的设计面临复杂的技术问题 如网络拓扑结构动态变化 无中心协 调者等 其中的一个关键问题就是如何解决好媒体接入控制 在中心式的m a c 协议 如i e e e 8 0 2 1 1 p c f 中 中 心控制器的集中管理为实现一些接入控制算法 信道预 留 调度算法 节能管理等提供了便利 也能够达到比较理想的性能 在分布式的 环境下 没有固定的基础设施 网络中的终端都处于对等的地位 没有谁为网络的 运行情况负责 只是简单的竞争信道并发送自己的数据 这时要实现网络的优化 引入优先级机制等 就会面临很多的困难和挑战 因此 研究对环境有一定适应能 力的自 适应m a c 技术具有重要意义 本文主要研究无线局域网的m a c 技术 并在自 适应m a c 机制设计上做了大量有 益的探索 主要的创新点归纳如下 1 以i e e e 8 0 2 1 1 d c f 网络为目 标研究了无线局域网m a c 协议的吞吐率性能 分析混合方式网络的行为 给出了混合方式网络的饱和吞吐率和r t s 门限的关系 分析显示 存在一个最佳的r t s 门限 使得网络的饱和吞吐率最大 从最小化一次 发送过程的平均时间出发 可以给出计算对应于最大饱和吞吐率的最佳r t s 门限的 数值计算方法 2 研究无线局域网吞吐率的优化方法 提出了一种优化吞吐率的r t s 门限自 适应调整算法 s a d a 按照该算法 终端可利用统计数据计算出当前的最佳 r t s 门限 并做相应调整 从而使得整个网络的饱和吞吐率最大 仿真实验表明 该算 法具有较好的性能 3 研究无线局域网的自 适应退避机制 提出了带优先级的退避算法 p b a o 该算法的基本思想是让终端在侦听信道的同时 统计其它终端成功的数据发送 当 终端有数据需要发送时 根据统计数据和自 身的优先级计算一个合适的竞争窗口 p b a使得终端在选择竞争窗口时对网络有一定的自 适应能力 以减少碰撞 提高网 络的性能 并实现信道容量在不同终端间按优先级的比例进行分配 仿真发现 p r a 在分布式无线局域网中表现出很好的性能 1 4 全文内容安排 第一章为绪论 首先介绍了无线局域网的特点及相关协议标准 然后介绍无线 局域网m a c 技术的研究情况 包括技术目 标 研究历史 现有协议标准中的m a c 机 制以 及该领域的研究现状 最后分析了无线局域网m a c 技术研究的意义与难点 并 引出本文的创新点 第二章归纳了 w l a n系统中 影响系统吞吐率的诸多因素 包括隐蔽终端和捕 1 1 华北电力大学硕士学位论文 获效应 信道申请机制 终端数量 各种开销 分组长度 传输速率及其混合分布 同频段其他系统千扰等 并对参数的影响效果进行了仿真 针对多小区 w l a n的特 点 进一步分析了小区交迭 非对称抑制 频率分配等影响因素 并进行了系统仿 真 这些分析有助于 w l a n规划设计过程中更全面地考虑各种因素的影响 更好地 保证系统性能 第三章和第四章分析了分布式无线局域网m a c 协议的数据传输能力以及相关的 自 适应优化算法 第三章讨论无线局域网m a c 协议的吞吐率性能以及优化算法 以i e e e 8 0 2 1 1 d c f为目 标进行了深入研究 通过分析混合方式网络的行为 找到一次成功发送持 续的平均时间和一次碰撞持续的平均时间 进而给出了混合方式网络的饱和吞吐率 和r t s 门限的关系 分析显示 存在一个最佳的r t s门限 使得网络的饱和吞吐率 最大 从最小化一次发送过程的平均时间出发 给出了计算最佳 r t s 门限的数值计 算方法 在此基础上 提出了一种优化吞吐率的r t s门限自 适应调整算法 s a d a a 终端根据统计数据就可以计算出当前的最佳r t s 门限 并做相应调整 从而使得整 个网络的饱和吞吐率最大 最后用仿真实验验证了本章的理论分析与s a d a 算法 第四章研究无线局域网的自 适应退避机制 提出了带优先级的退避算法 p b a e 该算法的基本思想是让终端在侦听信道的同时 留意其它终端成功的数据发送 并 在本地维护一个统计表 表中记录各个终端的优先级 以及按优先级加权后的已 成 功发送数据量 当终端有数据需要发送时 就可以根据统计表中的数据和自身的优 先级来计算一个合适的竞争窗口 竞争窗口的计算是基于这样的原则 己发送数据 量高于网络平均水平的终端 选择较大的竞争窗口 反之则选择较小的竞争窗口 如此操作 终端在选择竞争窗口时对网络有一定的自 适应能力 不仅可以减少碰撞 的概率 提高网络的性能 还可以实现信道容量在不同终端间按优先级的比例进行 分配 本章给出了在 i e e e 8 0 2 1 1 d c f协议环境下的仿真实验 以对比分析 p b a与 b e b的性能 最后 对全文的工作进行了总结 华北电力大学硕士学位论文 1 0 2 0 终端效 i k价 a 无隐蔽终端环境 叫叫叫耐词司司刀州叫叫针词f碱 性口邑盛泪仲翻城 一日 鹤i c c s ma o e t a 一r t s i c t s 二乙二二二二二二二二二二七二 一0 0 7助 0 0 a 宙会盔 铃翻朴辫哄 1 0 2 0 终端 数 it 个 b 有隐蔽终端环境 一日 翻加c s r n ti 心八 一r 下 伙 丫 启 二二二二二二二二二翻 二二二二二 匆 0 20 1 图2 6移动终端数量对系统吞吐率的影响 2 1 5 帧头帧尾 帧间间隔 握手信令开销 为了完成数据分组传输 需要增加额外的开销 上层分组递交到m a c 层时会封 装 m a c头和尾部校验f c s 再向下递交到 p l c p 层时封装 p l c p 头和前导码 在采用 c s m a c a 机制的网络中 用户侦听到d 工 f s 长的信道空闲后 判断此时信道可用 为 了避免冲突随即启动随机回退计数器 在回退期间如果无其他用户抢占 信道 则发 送数据帧 收端在s i f s 时间间隔后发回a c k 确认 见图2 6 a 在采用r t s c t s 机 制的网络中 还要再增加握手信令的开销 见图 2 6 b 所有这些帧头开销 帧间 间隔 握手信令开销都导致实际吞吐率低于标称值 传输速率越高 开销所占的比 华北电力大学硕士学位论文 例越大 这是由于各种开销的时长是固定的 并不随用户传输速率而改变 m a c 头尾 除外 为了传输相同长度的数据分组 低传输速率用户需占用很长的信道时间 高传输速率用户却只占用很短的信道时间用于数据净荷传输 如此对高传输速率用 户而言 较大比例的时间用于了各种开销 因而传输效率较低 因此开销与数据净 荷的相对比例决定了传输效率 仿真分析见2 1 6 节 蓦 b 汗琴 导9a 口 布 k m 力 f r a me 产 产 产 n ac a 采用c s m a c a 的帧传输周期 n 到 y 瞥 yframe 州h ack b采用r t s c t s 的帧传输周期 图2 7帧传输周期内的时序 2 1 6分组长度 由图2 7 可知 进行数据分组传输时 无论数据净荷的多少 所花费的帧头开 销 帧间间隔 握手信令开销是一定的 因此数据净荷长度越长 则信道利用率越 高 一 娜 一一一一 自 自臼 口 止1口 口移j 自口自 召 室才燕路公吻埃陇 t 5 1 1 5 2 2 s c 旧 r 分组长度 a 采用 c s m a c a 3 石 k b y t e s 的机制 s t 5 华北电力大学硕士学位论文 m 七 p 氏5 即 兔 帅 2 m b p 一s mb o s 刁 神叨 f 月 通 臼j 山刃月 色月念 哥翻禅哪喊 匕 二洲 一一一 么 ls 图2 8 i i s 2 2 名a 3 5 4 4 e c s r 分组长度 k b y t e s b 采用r t s c t s 的机制 分组长度 传输速率对吞吐率的影响 在仿真中我们只放置一个终端 通过 a p与固网建立 c b r业务连接 吞吐率随 c b r分组长度变化的仿真结果见图 2 8 图中各种速率的曲线均显示 增加分组长 度可以使系统吞吐率逐步上升 逼近理论上限 由于r t s c t s 机制比b a s i c c s m a c a 机制多使用了握手信令 增加了额外开销 因此图2 8 b中的吞吐率值比图2 8 a 中相应的吞吐率值要低 需要注意的是 此处只有一个终端 无隐蔽终端现象 而 在存在大量终端的实际系统中 用户在发送分组时无法得知是否发生了碰撞 只有 整个分组发送完毕后 用户未收到确认信号才能发现碰撞的存在 因此分组长度越 长 则碰撞导致的信道浪费越严重 由此可知 并不能根据图2 8 认为分组长度越 长越好 2 1 7传输速率 从图2 8 中我们也可发现用户的m a c 层的传输速率极大影响着吞吐率 传输速 率越大 吞吐率越高 但数据分组长度一定时 低传输速率用户的吞吐率可以逼近 其标称值 而高传输速率用户的吞吐率则远远低于其标称值 例如分组长度为 2 0 0 0 b y t e s 时 图2 8 b 中1 m b p s 用户的吞吐率可以达到0 9 m b p s 逼近标称值 而 1 1 m b p s 用户的吞吐率只能达到5 2 m b p s 远低于标称值 这是因为高传输速率 用户在传送周期内 只需要很短的时间来发送数据净荷 而低传输速率用户发送相 同长度的数据净荷却要占用很长的时间 上例中 1 1 m b p s 用户用 2 6 6 m s 完成一次 传输周期 其中只有 4 6 的时间用于数据净荷传输 1 m b p s用户使用的传输周期长 度是1 3 8 m s 其中8 9 的时间用于数据净荷传输 因此高传输速率用户的吞吐率高 却远小于其标称值 华北电力大学硕士学位论文 2 1 8各种传输速率用户的混合分布 在w l a n 实际环境中 各用户由于距离a p 的位置远近不同 接收到的信号功率 强度不同 因而会工作在不同的传输速率上 实验表明当部分用户工作在较低速率 时 所有用户的吞吐率都急剧下降 仿真中我们将两个终端 m t i 和m t 2 放置在a p 附近 其中m t 2 工作在 1 1 m b p s m t i传输速率可变 吞吐率随 m t i传输速率而变化的结果见图 2 9 图中 当 m t 1 设置在 1 1 m b p s时 两终端有着相同的吞吐率 将 m t i 的传输速率降低到 5 5 m b p s 后 高传输速率用户m t 2 的吞吐率随之下降 并仍然和低传输速率用户m t i 保持一 致 将m t 1 的速率进一步降低到2 m b p s 1 m b p s m t