[硕士论文精品]无线局域网mac层协议研究与改进

无线局域网MAC层协议研究与改进摘要无线局域网MA以其独特的特点在现代生活中得到广泛应用，但其传输速度慢的缺点始终是阻碍WLAN进一步发展的瓶颈。如何提高无线局域网的传输速度已成为当前无线技术领域的一个热门课题，本论文就是围绕这一课题而展开的。本论文从IEEE80211无线局域网协议的基本理论出发，从理论和实践两方面对无线局域网IEEE8021LNMAC层性能进行了深入的研究。本文的主要内容分为六个部分第一部分简单介绍了无线局域网的历史背景，协议标准，相关技术等。通过分析无线局域网的的优势特点，展示了其广泛应用的趋势，而对于其传输速度受限的缺点的阐述，也奠定了本论文的研究方向。第二部分详细阐述了无线局域网的组成原理。首先我们介绍了无线通信的特点，其次介绍了WLAN的组成结构，重点介绍了拓扑结构。第三部分介绍了IEEE80211协议标准，从帧结构和帧类型具体说明，重点介绍了MAC层接入机制和增粗技术，其中重点阐述了聚合的思想，并重点分析分割聚合的可行性与有效性。第四部分提出了基于分割聚合的两种根据信道环境自适应调整分割聚合包长的方法基于查表的自适应分割聚合策略和基于自动传输率后退协议的自适应分割聚合策略。讨论了最佳分割包长专题，并重点阐述了两种改进协议的思想和实施。第五部分搭建YNS2仿真平台，利用网络流量模TRR具IPERT对8021LNMAC层性能以及改进后的协议进行了仿真，给出从理论到实践的深入分析，确定改进后的MAC协议在吞吐量的提升上都起到了一定的作用，并辅以典型办公室和工业环境下的实地测量，对改进后MAC协议进一步验证。最后对该论文作出的贡献进行了总结，并提出未来研究方向。关键词帧聚合IEEE80211分割聚合自适应MAC层RESEARCHANDIMPROVEMENTON【ACI。AYEROFWLANABSTRACTWIRELESSLOCALAREANETWORKWI_ANTECHNOLOGYISWIDELYUSEDANDBECOMESMOREANDMOREPOPULARBUTTHERAPIDDEVELOPMENTOFWLANHASNOTYETBROKENTHEBOTTLENECKTHATTHELOWTRANSMISSIONSPEEDHINDERSTHEFURTHERDEVELOPMENTOFWLANTHUS，THISPAPERCONCENTRATESONHOWTORAISETRANSMISSIONSPEEDOFWLANWHICHISANATTRACTIVETOPICINTHEFIELDOFWIRELESSRESEARCHTHISARTICLEMAINLYFOCUSESONIEEE80211STANDARDSANDDOSOMERESEARCHONIEEE8021LNMACLAYERFROMBOTHTHEORYANDPRACTICETHEREARESIXPARTSINTHISTHESISFIRST，HISTORYANDKEYTECHNOLOGIESASWELLASDEVELOPMENTOFWLANAREPRESENTEDBYANALYZINGITSADVANTAGES，WLANWILLSUREBEUSEDMOREWIDELYBUTITSLOWSPEEDISALSOINTRODUCEDASSHORTCOMINGANDITISALSOWHATWECONCERNSECONDLYWEINTRODUCETHESTRUCTUREOFWLANATTHEBEGINNINGWEINTRODUCETHECOMMUNICATIONCHARACTERISTICANDTHENMAINLYSHOWWLANTOPOLOGYSTRUCTURETHIRD，80211MACPROTOCOLISINTRODUCED，INCLUDINGFRAMESTRUCTUREANDTYPES，ESPECIALLYMACACCESSMECHANISMDCFANDPCFASWELLASTECHNOLOGIESWHICHCANIMPROVEMACPERFORMANCETHENWEGIVEANALYSISOFAGGREGATIONANDFRAGMENTATIONFATHEN，TWOMEANSBASEDONADAPTIVEFAISPRESENTEDONEISADAPTIVEFABASEDONLOOKUPTABLELTAFAANDTHEOTHERISAFABASEDONARFAREAFAOPTIMALFRAGMENTSIZEISALSOSHOWNMOSTIMPORTANT，WEINTRODUCEDETAILSABOUTTHETWOMEANSABOVEFOLLOWING，WESIMULATEWITHNETWORKSIMULATIONTOOLNS2ANDIPERF，ANDTHENGIVEOUTSIMULATIONRESULTSASWELLASANALYSIS，ANDGIVEMEASUREMENTRESULTSINBOTHOFFICEANDINDUSTRIALENVIROMENTSBOTHSIMULATIONSANDMEASURMENTSPROVETHETWOMEANSOFNEWMACPROTOCOLRAISETHETHROUGHPUTOFWLANSYSTEMLAST，SUMMARIZINGTHECONTRIBUTIONOFTHISTHESISANDDIRECTIONOFFURTHERRESEARCHKEYWORDSFRAMEAGGREGATIONIEEE80211MACADAPTATIONAGGREGATIONFRAGMENTATION独创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，论文中不包含其他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。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。本人签名日期堕竺堕主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。非保密论文本人签名导师签名于保密范围，适用本授权书。只期坐兰兰日期竺二呈竺北京邮电人学硕士研究生学位论文第章绪论第一章绪论11无线局域网的历史与现状无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专业角度讲，无线局域网就是通过无线信道来实现网络设备之间的通信，并实现通信的移动化、个性化和宽带化。通俗地讲，无线局域网就是在不采用网线的情况下，提供以太网互联功能。它利用射频技术RF，取代旧式的双绞铜线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设备不需再埋在地下或隐藏在墙里，也能移动或变化。因此无线局域网主要是无线计算机通信网络。无线局域网的历史，即是无线通信历史和计算机通信的历史。无线通信的历史非常悠久，但无线计算机通信的历史却并不长，尤其是充分发挥无线通信的“可移动”特点的无线计算机通信则是上个世纪90年代才出现的事情。无线局域网具有安装方便、移动性高、保密性强、抗干扰性好和维护容易等优点，作为有线网络的延伸和补充，可以在传统有线网络难以实施的场所进行网络覆盖。无线局域网具有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，无线局域网能胜任从只有几个用户的小型局域网到成百上千用户的大型网络。由于无线局域网具有众多优点，所以发展迅速并得到广泛的应用。111无线局域网的历史【1L无线网络的初步应用，可以追溯到五十年前的第二次世界大战期间，当时美国陆军采用无线电信号做资料的传输。他们研发出了一套无线电传输科技，并且采用相当高强度的加密技术。当初美军和盟军都广泛使用这项技术。这项技术让许多学者得到了灵感，在1971年时，夏威夷大学UNIVERSITYOFHAWAII的研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络，这被称作ALOHANET的网络，可以算是相当早期的无线局域网络WLAN。这最早的WLAN包括了7台计算机，它们采用双向星型拓JBBIDIRECTIONALSTARTOPOLOGY，横跨四座夏威夷的岛屿，中心计算机放置在瓦胡岛OAHUISLAND上。从这时开始，无线网络可说是正式诞生了。虽然目前几乎所有的局域网络L州都仍旧是有线的架构，不过近年来无线网络的应用却北京邮电人学硕十研究生学位论文第一章绪论日渐增加，主要应用在学术界像是大学校园、医疗界、制造业和仓储业等，而且相关的技术也一直在进步，对企业而言要转换到无线网络也更加容易、更加便宜了。1979年，瑞士IBMRUESCHLIKON实验室的GFELLER，首先提出了无线局域网的概念，他采用红外线作为传输媒体，用以解决生产车间里的布线困难，避免大型机器的电磁干扰。但是由于传输速率小于1MBS而没有投入使用。1980年，加利福尼亚惠普实验室HPPALOALTOLABS的FERREA，从事了一个真正意义上的无线局域网项目的研究。在这个项目中，传输媒体为900MHZ频段的无线电波，用声表面波器件SAWDEVICES实现了直接序列扩频DIRECTSEQUENCESPREADSPECTRUM调制，传输速率可达100KBS，MAC层的接入方式为载波侦听多址接入CSMA，这是现有的IEEE80211系列标准中MAC协议的基础。此项目虽然是在FCC【美国】联邦通信委员会的实验许可协议的指导下进行的，但由于没能从FCC处获得需要的频段而最终流产。此后的几年间，许多公司都想在无线局域网方面有所作为如CODEX和MOTOROLA公司曾试图在173GHZ频段上实现无线局域网，但都因为频段的问题而不能如愿以偿。112无线局域网相关技术12I1IEEE80211系列协议IEEE80211是在1997年由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。IEEE80211规定了无线局域网在24GHZ波段进行操作，这一波段被全球无线电法规实体定义为扩频使用波段。1999年8月，80211标准得到了进一步的完善和修订，包括用一个基于SNMP的MIB来取代原来基于OSI协议的MIB。另外还增加了两项内容，一是8021LA，它扩充了标准的物理层，频带为5GHZ，采用QFSK调制方式，传输速率为6MBPS54MBPS。它采用正交频分复用OFDM的独特扩频技术，可提供25MBPS的无线ATM接EL和10MBPS的以太网无线帧结构接口，并支持语音、数据、图像业务。但是，采用该标准的产品目前还没有进入市场。另一种是80211B标准，在24GHZ频带，采用直接序列扩频DSSS技术和补偿编码键控CCK调制方式。该标准可提供11MB6S的数据速率，还能够根据情况的变化，在ILMBPS、55MBPS、2MBPS、1MBPS的不同速率之间自动切换。它从根本上改变无线局域网设计和应用现状，扩大了无线局域网的应用领域，现在，大多数J一商生产的无线局域网产品都基于8021LB标准。此后开发的802119在24G频段使用OFDM调制技术，使数据传输速率提高到20MBPS以上；IEEE802119标准能够与80211B的WIFI系统瓦相连通，共存在同一AP的网络里，保障了后向兼容性。这样原有的2北京邮电人学硕士研究生学位论文第一章绪论WIAN系统可以平滑的向高速无线局域网过渡，延长了IEEE80211B产品的使用寿命，降低用户的投资。表11IEEE80211X标准一览表嘲80211X舰范规范内容说明802N初始规范，确立24GHZ频段、2MBPS传速，及FIISS调频、DSSS扩频等干扰方式。8021LA5GHZ频段，最高速率54MBPS。80211B24GHZ频段，最高速率11MBPS。8021LC成立T作小组TASKGROUP，意在制定无线桥接运作标准，但最后将标准追加到既有的80211I，成为80211D。8021LD追加跨国白适应机制，透过自动扫描机制，调整至该幽度、地域所允许的频段、功率。8021IE追加频宽、流最管理机制，即OOSQUALITYOFSERVICE，让影像传输功能即时、定量，让多媒体应用具有顺畅度，WIFI联盟将此称为WMMWIFIMULTIMEDIA。8021LF追加IAPPINTERACCESSPOINTPROTOC01协定，顾名思义是无线存取点ACESSPOINTAP间的沟通协议以实现跨AP覆盖区的漫游ROAMING效果，让用户端能平顺、无形的切换存取区域。80211924GHZ频段，最高速率54MBPS。8021LH与欧规的HIPERLAN2进行协调的修订标准，冈应欧洲、美国于5GHZ频段上的规则、运用差异。类似的还有80216WIMAX，其80216B即是为了与WIRELESSHUMAN协调所制定。80211I存取与传输安全机制，由于此标准未定案前，WIFI联盟L三先行新代提出比WEPWIREDEQUIVALENTPRIVACY更高防护力的WPAWIFIPROTECTEDACCESS，冈此8021LI也被称为WPA2。8021LI欧洲与美凼在5GHZ以上的频段运用FI同，日本也同样4I同，日本从49GHZ开始运用，功率也不同，例如同为515GHZ525GHZ频段，欧洲允许200ROW功率，日本仪允许160ROW。为应日本区域的运用差异而制定的8021LJ。8021LK无线资源管理，让频段BAND，信道CHANNEL，载频CARDER等更灵活的调整、调度，使有限的频段在整体心用效益上获得提升。802111由于11L宁样与安全规范的11I容易混淆，冈此放弃编列使用。80211M对过去的标准进行维护。80211N提升速率。目标突破100MBPS。802110针对VOWLANVOICEOVERWLAN制定，更快速的无线跨区切换，以及让语音VOICE比数据DATA自更高的传输优先权。8021LP针对短距离传输及工具如火车等内使用_自的制定，最初的设定是在300M传输距离内能自6MBPS速率。80211Q制定支援VLANVIRTUALLAN，虚拟区域嘲络的机制。8021LR漫游表现提升，允许更快的区间切换，用户可更快的漫游。8021LS制定与实现目前最先进的MESH网络，提供自主性L蟾SELFCONFIGERING、自主性修复SELFHEALING等能力。现在正在开发中的IEEE8021LN计划将WLAN的传输速率从8021LA和8021LG的54MBPS增加至108MBPS以上，最高速率可达320MBPS，成为IEEE8021LB、3北京邮电人学硕士研究生学位论文第。章绪论8021LA、8021LG之后的另一场重头戏。和以往的80211标准不同，8021LN协议为双频工作模式包含24GHZ和5GILZ两个工作频段。这样8021LN保障了与以往的8021LA、B、G标准兼容。IEEE8021LN计划采用MIMO与OFDM相结合，使传输速率成倍提高。另外，天线技术及传输技术，使得无线局域网的传输距离大大增加可以达到几公里并且能够保障100MBPS的传输速率。IEEE8021LN标准全面改进Y80211标准，不仅涉及物理层标准，同时也采用新的高性能无线传输技术提升MAC层的性能，优化数据帧结构，提高网络的吞吐量性能。2蓝牙规范BLUETOOTH蓝牙规范是由SIG特别兴趣小组制定的一个公共的、无需许可证的规范，其目的是实现短距离无线语音和数据通信。蓝牙技术工作于24GHZ的ISM频段，基带部分的数据速率为1MBITS，有效无线通信距离为10100M，采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术采用自动寻道技术和快速跳频技术保证传输的可靠性，具有全向传输能力，但不需对连接设备进行定向。其是一种改进的无线局域网技术，但其设备尺寸更小，成本更低。在任意时间，只要蓝牙技术产品进入彼此有效范围之内，它们就会立即传输地址信息并组建成网，这一切工作都是设备自动完成的，无需用户参与。3HOMERF6示准在美国联邦通信委员会FCC正式批准HOMERF标准之前，HOMERF工作组于1998年为在家庭范围内实现语音和数据的无线通信制订出一个规范，即共享无线访问协议SWAP。该协议主要针对家庭无线局域网，其数据通信采用简化的IEEE80211协议标准。之后，HOMERF工作组又制定了HOMERF标准，用于实现PC机和用户电子设备之间的无线数字通信，是IEEE80211与泛欧数字无绳电话标准DECT相结合的一种开放标准。HOMERFB示准采用扩频技术，工作在24GHZ频带，可同步支持4条高质量语音信道并且具有低功耗的优点，适合用于笔记本电脑。4HYPERLAN2标准2002年2月，ETI的宽带无线接入网络BROADBANDRADIOACCESSNETWORKS，BRAN小组公布J“HIPERLAN2标准。HIPERLAN2标准由全球论坛I12GF开发并制定，在5GHZ的频段上运行，并采用OFDM调制方式，物理层最高速率可达54MBITS，是一种高性能的局域网标准。HYPERLAN2标准定义了动态频率选择、无线小区切换、链路适配、多波束天线和功率控制等多种信令和测量方法，用来支持无线网络的功能。基于HYPERRF标准的网络有其特定的应用，可以用于企业局域网的最后一部分网段，支持用户在子网之间的LP移动性。在热点地区，为商业人士提供远端高速接4北京邮电大学硕十研究生学位论文第一一章绪论入因特网的服务，以及作为WCDMA系统的补充，用于3G的接入技术，使用户可以在两种网络之间移动或进行业务的自动切换，而不影响通信。113无线局域网的应用基于无线局域网具有的诸多优点，它可广泛应用于下列领域1接入网络信息系统电子邮件、文件传输和终端仿真。2难以布线的环境老建筑、布线网难或昂贵的露天区域、城市建筑群、校园和工厂。3频繁变化的环境频繁更换工作地点和改变位置的零售商、生产商，以及野外勘测、试验、军事、公安和银行等。4使用便携式计算机等可移动设备进行快速网络连接。5用于远距离信息的传输如在林区进行火灾、病虫害等信息的传输；公安交通管理部门进行交通管理等。回专门工程或高峰时间所需的暂时局域网学校、商业展览、建设地点等人员流动较强的地方；利用无线局域网进行信息的交流；零售商、空运和航运公司高峰时间所需的额外工作站等。7流动工作者可得到信息的区域需要在医院、零售商店或办公室区域流动时得到信息的医生、护士、零售商、白领工作者。8办公室和家庭办公室SOHO用户，以及需要方便快捷地安装小型网络的用户。12无线局域网的发展趋势80211系列协议是由IEEE制定的，目前居于主导地位的无线局域网标准。HOMERF主要是为家庭网络设计的，是80211与DECT的结合。HOMERF和蓝牙都工作在24GHZISM频段，并且都采用跳频扩频FHSS技术。因此，HOMERF产品和蓝牙产品之间几乎没有相互干扰。蓝牙技术适用于松散型的网络，可以让设备为一个单独的数据建立一个连接，而HOMERF技术则不像蓝牙技术那样随意。组建HOMERF网络前，必须为各网络成员事先确定一个惟一的识别代码，因而比蓝牙技术更安全。80211使用的是TCPIP协议，适用于功率更大的网络，有效工作距离比蓝牙技术和HOMERF要长得多。与此同时，无线局域网有很多局限性，主要体现在带宽或传输速率的提高上。5北京I|电人学硕十研究生学位沦文第章绪论从标准上看，丰要是在物理层的改进或扩充方面，如IEEE80211的最大传输速率只有12MBS，为了解决这一速率问题，IEEE于2003年组建了80211TGN工作组来制订8021LN标准。8021LN的丰要机制在于通过MAC接口，支持高数据率，并提高频谱效率，为无线HDTV传输以及企业和零售业用户所处的密集无线网络环境提供超高速数据流。在克服无线局域网其他局限性方面也得到了相应的完善和发展，这些部分分别体现在许多标准草案上。无线局域网有宽带高速化、快速移动性支持、多媒体QOS保证、安全性、可靠性、小型化、大覆盖、节能、经济性等发展趋势。图11使用8021LG产品应用示意图【4JK豢国II。|。渗_”。靛辩嚣ZG孵鬻黑隧T”口拯绣瘫图12使用80211N产品应用示意图【41醚北京邮电人学硕士研究生学位论文第一章绪论本文所关注的8021LN主要是负责提高无线局域网的数据速率，其目标是从MAC层观察，使其数据速率达到100MBS以上，并且使得多媒体应用更为自如，如图11和12。为了达到这一目的，8021LN对物理层和MAC层都作了改进，我们主要关注MAC层的改进，进一步改善系统性能。13论文工作安排本文主要针对IEEE80211协议进行研究，尤其专注于8021LN，深入研究8021LNMAC层协议和性能，并提出改善系统性能的改进协议，通过仿真和测试进行验证。本论文内容具体安排如下第一章介绍了WLAN的特点和优势，并围绕相关技术、协议、应用以及发展趋势展开；第二章重点介绍无线局域网的组成结构以及通信特点；第三章介绍了80211基本MAC层协议和MAC层性能改善技术；第四章提出了改进后的协议，讨论了最佳分割长度；第五章并对改进后的协议进行了仿真、测试与分析；最后对全文进行总结，并提出未来的研究方向。7北京邮电人学硕十研究生学位论文第二章无线局域网的组成原理第二章无线局域网的组成原理21无线局域网的通信特点无线传输媒介的都有特性使得对于无线网络中的MAC协议的设计上与有线网络中的MAC协议有很大区别，并且更具有挑战性。这些无线传输媒介的独特特性在于以下方面PJ半双工模式在无线通信系统中，对于一个无线通信节点要同时收发数据是非常困难的。原因是，当无线节点进行发送的时候，发送的信号能量有很大一部分泄露到了接收路径。然而一般情况下，泄露信号的能量会远大于接收信号能量，这样节点在进行发送的时候是无法同时接收信号的。所以，无线网络上行和下行需要采用时分双工或者频分双工的方式。然而正是因为这种半双工的传输方式，无线节点在发送的时候无法检测到无线信道上发牛的冲突，因此以太网中所使用的冲突检测的方式在这里是不可行的。于是，所有运用在无线网络中的MAC层协议都尝试采用冲突避免机制来降低冲突的可能。重发机制使用在链路层的重发机制是一种广泛采用的策略。由于时变信道以及变化的信号能量，无线通信中存在的差错比有线通信要多得多。在有线通信中差错通常是由于随机噪声所引起的。而无线信道上的差错经常是发生在无线信道发生衰落时，更小的传输包结构、前向纠错编码或是重发机制。作为解决办法，通常采用重发机制。许多协议利用接收节点在接到发送节点发来的信息后，发送确认消息ACK来检测可能出现的数据包差错。如果发送节点在发送之后没有收到来自接受节点的ACK消息，发送节点就会认为发送的数据在传输的过程中丢失了，已经发送了的数据包就会经过一段时间之后的等待被再次重发。载波检测的位置相关性在自由空间中传输的信号强度是按照所传播的距离的平方进行衰减的。这样对无线媒介上的载波检测结果就是发送节点和检测节点之间位置的一个函数。即是说，在无线媒介中，当有无线节点进行发送时，只有在一定范围内的节点才能检测到正在发送中的节点在无线信道上的信息。这8北京邮电大学硕十研究生学位论文第_章无线局域网的组成原理种与节点位置有关的载波检测引起了一下三种情况隐藏节点当一个无线节点在接收节点的检测范围内，而不在发送节点的检测范围内就称该无线节点为发送节点的隐藏节点。如图21节点A正在向节点B发送数据，而节点A在节点C的检测范围之外。因此当节点C对信道进行检测时，就会错误地认为无线信道是空闲的。当节点C开始发送数据时，就会与节点B所接受的数据相互干扰。在这种情况下，节点C就是节点A的隐藏节点。由此可见，隐藏节点可能会造成无线数据传输中的冲突。暴露节点暴露节点现象和隐藏节点现象是相互对应的。当一个无线节点在发送节点的检测范围内，而不在接收节点的检测范围内，就称其为暴露节点。在下图中，当节点B尝试与节点A通信时，节点C可以检测到节点B发出的信号，因此当其对信道进行检测的时候，会认为信道是被占用了的。但事实上，与节点C相关的任何传输，都不能达到节点A，因此都是不会引起通信冲突的。在这种情况下，节点C本来可以与节点B的检测范围之外的无线节点并行的进行通信，而却没有利用好可利用的无线信道资源。这种情况下，节点C就是节点B的暴露节点。如果一个系统没有尽量减少暴露节点，其信道带宽就没有得到充分利用。捕获当同时有两个无线节点向同一个节点发送信息时，如果接收节点可以无差错地接收其中一个无线节点发来的消息，这种情况就叫做捕获。例如在下图中，当节点A和节点D同时向节点B发送数据时，节点B所接收到的节点D的信号强度远大于节点A的信号强度，并且在节点A在传送数据的同时能够无差错的将节点D所传来的信息进行解码。捕获能够提高协议的性能，但是会引起节点之间占用信道的不公平性离基站距离近的有更多机会。为防止这种情况发生，无线MAC协议要保证对各个无线节点的公平性。、，T，、，T9北京邮电大学硕十研究生学位论文第二章无线局域网的组成原理图21载波检测的位置22无线MAC协议性能标准媒介控制协议MAC的作用就是来为各个终端分配送使用的无线媒介资源，避免在媒介上发生冲突。在这样一个有若干的无线通信终端所组成的无线系统中，所有终端共享同样的无线媒介向中央基站进行不同业务的传送。为了评估提出的各种各样的协议，必须理解MAC协议的各种标准。延时，吞吐量，覆盖范围，公平性，兼容性，对多媒体的支持以及稳定性是广泛使用的比较MAC协议性能的标准。对衰落的健壮性和电源消耗是比较无线MAC协议的额外标准。下面是关于这些标准的简短描述延时延时是数据包在MAC队列中的数据所用的平均时间，特别是指从进入队列到传送完毕所用的时间。吞吐量吞吐量是信道容量用于传输的部分。换句话说也是单位时间的传输量即传输速率。MAC协议的目的是在尽量小的接入延时的条件下让吞吐量尽量大。如果信息平均P比特，传送一个包的平均时间是T秒，信道容量是C比特每秒，这样吞吐量就是RPTC。兼容性通常也叫做向前兼容性，协议是不断推出的，但是用户之前的产品，甚至是不同协议的几种产品，那么新协议就要求有效的支持并兼容向前的几种协议，比如8021LN向前兼容8021LBGE等。兼容性也是考查协议的一个重要标准。23无线局域网的组成结构【1】IEEE8021LX体系结构包括几个部分，这几个部分相互作用，达到提供能够对网络上层进行站点STASTATION移动性透明支持的无线局域网。首先阐述几个基本概念STA、BSSBASICSERVICESET，基本服务集和AP。STA是指接入无线媒介的部分，它包含MAC实体和PHY实体。和有线网络相对应，STA也通常被称作网络适配器或者网络接口卡。站点也称丰机HOST或终端TERMINAL，是无线局域网的最基本组成单元。网络就是进行站间数据传输的，我们把连接在无线局域网中的设备称为站。它包括以下几部分终端用户设备终端用户设备是站与用户的交互设备。这些终端用户设备可以是台式计算机、10北京邮电人学硕十研究生学位论文第一章无线局域网的组成原理便携式计算机和掌上电脑等，也可以使其他智能终端设备，如PDA。无线网络接口无线网络接口是站得重要组成部分，它负责处理从终端用户设备到无线介质间的数字通信，一般是采用调制技术和通信协议的无线网络适配器无线网卡或调制解调器MODEM。网络软件网络操作系统NOS、网络通信协议等网络软件运行于无线网络的不同设备上。客户端的网络软件运行在终端用户设备上，它负责完成用户向本地设备软件发出命令，并将用户接入无线网络。STA可以是移动的，或者是固定的。每个STA都支持站点服务，这些服务包括鉴权AUTHENTICATION、去鉴权DEAUTHENTICATI加、加密PRIVACY和数据传输MSDUDELIVERY，每个IEEE80211STA包括AP，因为AP也具有站点功能都提供SSSTASERVICE。SS被指定为MAC子层实体使用。BSS是IEEE80211局域网的基本构成单元，通常我们把无线局域网所能覆盖的区域范围称为服务区域SERVICEAREA，SA，而把由无线局域网中移动站的无线收发信机及地理环境所确定的通信覆盖区域服务区域称为基本服务区BASICSERVICEAREA，BSA，也常称为小区CELL，它是构成无线局域网的最小单元。在一个BSA内彼此之间相互联系、相互通信的一组主机组成了一个基本业务组BASICSERVICESET，BSS。由于考虑到无线资源的利用率和通信技术等因素，BSA不可能太大，通常在100M以内，也就是说同一BSA中的移动站之间的距离应小于100M。无线接入点APACCESSPOINT无线接入点简称接入点类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。无线接入点是一种特殊的站，它通常处于BSA的中心，固定不动。其基本功能有作为接入点，完成其他非AP的站对分布式系统的接入访问和同一BSS中的不同站间的通信联结。作为无线网络和分布式系统的桥接点完成无线局域网与分布式系统间的桥接功能。作为BSS的控制中心完成对其他非AP的站的控制和管理。北京邮屯大学硕士研究生学位论文第二章无线局域网的组成原理24WLAN的拓扑结构【61无线局域网可分为两大类，第一类是有固定基础设施的INFRASTRUCTURE，第二类是是无固定基础设施的ADHOC，如图22所示。241无中心的对等网络无中心的对等网络也称ADHOC网络，对等网络用于一台无线工作站和另一台或多台其他无线工作站的直接通信，该网络无法接入有线网络中，只能独立使用。分布对等式网络是一种独立BSS，它至少有两个站。它是一种典型的、以自发方式构成的单区间。这种不包括AP的配置称为独立BSSIBSS，在可以直接通信的范围内，IBSS中任意站之间可直接通信而无需AP转接，这种拓扑结构可以用于SOHO，将笔记本和丰电脑相连，或者几个电脑相瓦连接起来以共享文件。如图23由于没有AP，站之间的关系是对等的PEERTOPEER、分布式的或无中心的，且具有报文转发能力。独立的基本服务集可以作为一个ADHOC网络。采用这种拓扑结构的网络一般使用公共广播信道，各站点都可竞争公用信道，而信道接入控制协议大多采用CSMA类型的多址接入协议。网络中的路由信息将会占据大部分的有效信道，从而降低网络的整体效率，适用于用户数较少的工作群。这种网络的显著特点是受时间与空间的限制，每台设备必须能够侦听到任一台其他设备，而这些限制同时也使得IBSS的构造与解除非常方便简单，以至于网络设备中的非专业用户也能很好地操作。NFRASTRUCTURET祭髫够ADHOE秘I靠IZ匕F毋溜爹歹里脯釜脚鹾，一北京邮电大学硕十研究生学位论文第_章无线局域网的组成原理图22无线局域网分类242集中式无线局域网1蛩23无中心的对等网络大多数情况，无线局域网是作为有线局域网络应用的一种扩展。在基础结构网络INFRASTRUCTURE网络中，各无线工作站之间要通过一个或者多个接入点来实现与其他的无线站点或现有的有线局域网相连接进行通信。接入点既保证了各个无线工作站之间的通信，而且无线用户还可以访问有线网络上的服务器或者打印机等设备。仅使用一个接入点的无线网络叫基本服务集BSS，使用多个接入点的两个或者多个BSS无线网络可以连接组成扩展服务集ESS。基础结构网络拓扑中，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制图24。这样，当网络业务量增大时，网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不激烈。由于每个站点只要在中心站覆盖范围内就可以与其他站点通信，故网络中心站点布局受环境约束也很小。此外，中心站为接入有线主干网提供了一个逻辑接入点。其弱点是抗毁坏性差，中心站点的故障容易导致整个网络的瘫痪，L珞“I器INTEMET北京邮电人学硕十研究生学位论文第_章无线局域网的组成原理图24集中式无线局域网并且中心站点的引入增加了网络成本。243中继RELAY或桥接BRIDGING型网络拓扑两个或多个网络LAN或WIAN可以通过无线中继器、无线网桥或无线路由器等无线网络互联设备连接起来。如果中间只通过一级无线互联设备，称为单跳SINGLEHOPN络。如果中间需要通过多级无线互连设备，则称为多跳MULTIPLEHOP网络。采用中继或桥接型网络拓扑也是一种拓展WLAN覆盖范围的有效方法。14北京邮电人学硕士研究生学位论文第三章无线局域网MAC层协议第三章无线局域网MAC层协议根据IEEE80211协议无线局域网媒体访问控制核物理层规范报告L，J，介绍以下MAC层协议。在IEEE8021LX无线网络中，MAC层功能比较复杂，它主要包括MAC数据业务接口、MAC控制状态机、MAC管理业务接口、MAC管理业务机和分布式业务接口等功能模块。此外，MAC层的MIBMANAGEMENTINFORMATIONBASE也包含在MAC的管理功能中，作用是存放MAC的管理信息。AP提供了MAC分布式系统的接口，主要提供分布式业务。分布式业务从分布式系统接收业务请求，并将有关的请求传到MAC控制状态机。与之相反，分布式业务也从MAC控制接收指示INDICATIONS并将其传到分布式系统。MAC控制状态机提供分布式协调功能DCFDISTRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTION和点协调功能POINTCOORDINATIONFUNCTION，提供异步无连接的接入控制，从而有效地利用无线媒体进行通信。31帧结构【8LMAC帧是构成MAC协议和保证有效数据通信的基础。在MAC协议中，共有三种类型的MAC帧，它们分别是数据帧、控制帧和管理帧。IEEE80211MAC帧格式如图31所示。MAC帧内各个字段的具体含义如下。2266626023124ID124FCSI帧控制L持续时间I地址I地址I地址3I序列控制I地址I帧体LI图31MAC帧格式1帧控制域帧控制域的长度为16个比特位，用于在工作站之间发送控制信息。帧控制域的具体内容如图所示。B0BLB2B364B7B8B9BLOBILB12B13B15I协议版本I类型I予类型J去DSL来自DSL多分段L重传L功率控制L多数据LWEPL排序I比特数兰卜I兰，_，北京邮电人学硕士研究生学位论文第三章无线局域网MAC层协议图32帧控制域帧控制域内各字段的具体含义如下1协议版本字段MAC帧的协议版本字段用来表示当前构成IEEE80211MAC协议的版本号。2帧类型字段表明当前的帧是管理帧、控制帧还是数据帧。3子类型字段用来表明3种类型帧中的完成特定功能的帧。4DS目的地址字段和DS源地址字段这两个字段不同取值的具体含义见表31。5更多片段字段，用来表示MAC服务数据单元MSDU是否还有其他分片在后续的帧中。6重传字段具体表示一个数据帧或者管理帧是第一次发送还是重复发送。MAC帧的接收方利用这个字段标识位来确定接收到的帧是否为重复发送的MAC帧。7电源功率管理字段移动站用电源功率管理字段表示其自身的电源管理状态。8更多片段字段AP使用此字段向移动站告知在AP中是否有缓存数据。9WEP字段用来表明帧体是否采用加密算法。当WEP字段设为1时，表示这个MAC帧的帧体已经过WEP算法加密。10顺序字段用来表明传输帧是否使用严格顺序服务类。表31地址字段取值定义表DS目的地址DS原地址具体含义00在同一IBSS中的工作站发往另外一个工作站01发往分布式系统的帧1O从分布式系统发送过来的帧11从一个AP到另外一个AP2持续时间功域该域的具体值包含了为更新网络分配矢量NETWORKALLOCATIONVECTOR，NAV或者关联IDAID的短ID的信息。在节能轮询控制帧中，该域内的数值为发送端工作站的AID，AID的范围为02007在其他类型的帧中，持续时间ID域内的数值表示发送下一个帧的持续时间的值，这个数据可以用来减少虚拟通道的碰撞概率。3地址域IEEE80211无限局域网中一共包括4个地址域，他们被用来实现系统所需具备的透明移动性和对组播帧进行过滤的机制。地址域内有不同类型的地址，这些类16北京邮电人学硕士研究生学位论文第三章无线局域网MAC层协议型主要包括BSS标识符BSSID、以及源地址SOURCEADDRESS，SA、目的地址DESTINATIONADDRESS，DA、发送站地址TRANSMITTERADDRESS，TA和接收站地址RECEIVERADDRESS，RA等地址类型。4顺序控制域顺序控制包括下面两个具体字段序列号字段为每个被传送的MSDU顺序分配一个12比特的序列号，而分片号字段则为一个分片组中的每一个MSDU片段分配一个4比特的分片号。5帧体MAC帧的主体部分都包含特定数据帧和管理帧相关的信息。在无线局域网中传输的MAC帧中，有一些帧的帧体是空的。通常这些MAC帧都是控制帧和管理帧。一般而言，数据帧的帧体用以承载具体的MSDU或MSDU的一个片段。还有一种帧体为空的零数据帧，这种特殊的数据帧来测试信道，这样就可以用比较小的开销来达到测试信道的目的。6帧尾MAC帧的尾部，通常被称为帧校验序列FCS字段，它的长度是32个比特位。它包含了对前面帧头和帧体应用CCITI“CRC32生成多项式运算后得到的结果。IEEE80211中使用的生成多项式和IEEE8023中使用的生成多项式是相同的。下式给出了通用的32位CRC生成多项式的表达式。GX1一X32石26石23工22Z16石12工11工10工8工7Z5石4工2Z131FCS是下面两项做模2和的补码。1XX31X30Z29X1被GX模2除的余数，K是被计算字段的字节数。2所计算字段的内容被作为多项式看待和X32相乘后再被GX除后的余数。FCS字段从多项式的最高次项系数开始传输。作为一个典型的操作过程，在传输端最初的余数都被预置为1，最后再根据被计算字段被GX除的结果来修正，该余数的补码和从最高位开始，作为FCS字段被传输。在接收端，最初的余数被置为全1，收到的计算字段和FCS比特位，被GX除后得到唯一的余数值，以防止传输错误。32MAC帧类型在80211协议中主要包含3种类型的MAC帧控制帧、管理帧和数据帧。从17北京邮电人学硕十研究生学位论文第三章无线局域网MAC层协议MAC帧的角度出发，可以简单得把MPDU认为是所渭的数据帧。通过对添加了帧头和标识的数据帧进行交换就能保证在站之间进行原始信息交流。但是，只有MAC数据帧而不具备另外两种类型的MAC帧，则MAC层是很不完整的。这两种MAC帧就是控制帧和管理帧。控制帧的功能主要是在数据帧交换过程中完成握手处理和定时处理，而管理帧则丰要完成通信实体之间的登记管理过程。总而言之，MAC层的控制帧和管理帧联合起来一起协助完成数据帧的有效和可靠传递。321数据帧数据帧的丰要功能是传送信息如MSDU到目标站，数据帧的结构如图33所示。22666264图33数据帧结构帧中各个字段的含义如下1地址域内的数值与帧控制域中的TODSFRONLDS字段取值的关系，见表32。表32地址域和TODSFROMDS字段关系表TODSFROMDS地址1地址2地址3地址4O0目的地址源地址BSSID未使用O1目的地址BSSID源地址未使用10BSSID源地址目的地址未使用11接收站地址发送站地址目的地址源地址2地址域内容的具体含义地址1一般是接收站的地址；地址2一般是数据传输发起站的地址。3帧体内容帧体由MSDU或其分片组成，数据帧中的子类型空数据帧中的帧体为0，CFACK、CFPOU和CFACKCFPOU的帧体也为0。4数据帧内BSSID的确定如果该站是AP，或与AP相连，BSSID就是当前正被包含于AP的STA所使用的站的地址；如果该站是一个IBSS的一个组成部分，那BSSID就是该IBSS的BSSID。5在无竞争期间发送的数据帧，持续时间域被设为32768；在竞争期发送的数据帧，持续时间域的设置依照如下准则如果地址1字段包含组地址，该值设为0。如果一个帧的帧控制域中“更多片段”字段设为0，则该值设为传输一个ACK帧所需要时间加上一个SISF间隔的值；如果帧控制域中的“更多片段”字段设为1，则18北京邮电大学硕十研究生学位论文第三章无线局域网MAC层协议该值设定为传输下一个数据帧的部分所用时间加上两个ACK帧时间加上3个SISF间隔时间。322控制帧控制帧用于站与AP之间建立连接和认证后，控制帧主要为数据帧的发送提供辅助功能，如图34所示。请求发送发送确认数据发送数据接收站发送数据站应答图34控制帧提供发送和接收站之间的同步控制帧中帧的子类型如下1RTS帧发送站向接收站发送数据之前将发送RTS帧。2CTS帧接收站收到RTS后将向发送站返回一个CTS帧以确认发送站有发送数据帧的权利。3ACK帧接收站收到正确的帧后，将向发送站发送ACK帧以确定该帧被正确接收。4PSPOLL帧节能轮询帧当站收到节能轮询帧后，会更新NAV。5CFEND帧无竞争期结束帧中心控制器发送此帧用来表明中心网控方式下无竞争期的结束。6CFENDCFACK帧无竞争期结束应答帧接受站收到CFEND帧后，向中心控制器发送此帧表示已经正确收到CFEND帧。323管理帧管理帧主要用于对网络的管理以及负责在站和AP之间建立初始的通信，提供连接和认证服务，管理帧的结构如图35所示。226662M之3124图35管理帧结构示意图管理帧内的帧体由固定域和信息元素组成。帧体中固定长度的、必须的帧体元19北京邮电人学硕十研究生学位论文第三章无线局域网MAC层协泌素被定义为帧体中的固定域；可变长度的、必须的帧体元素和所有可选的帧体元素被定义为帧体中的信息元素。1、固定域I认证算法号域用来指明被认证工作站和AP之间所采用的算法，0表示开放系统认证算法；1表示公用密钥认证算法。2认证序列号域用来表明认证进行的状态。3信标间隔域用来指明发送两个信标间隔的时间单元数。4容量信息域包含了一系列的子域用来表明所需要的或者建议使用的容量。5当前AP地址域用来标明当前AP地址于是站点当前连接的AP的MAC地址。6监听间隔用来表明工作站每隔多少时间单位被唤醒以监听信标管理帧。7原因代码用来表明解除认证等管理帧的产生原因。8关联标识符ASSOCIATIONID，AID是在连接期间由AF分配给工作站的值，此值在02007之间。9状态代码在响应管理帧中使用，表明一个被请求的操作成功与否。如果某个操作是成功的，状态代码被设为0；如果操作是成功的，状态代码被设为O；如果操作失败，状态代码表明失败原因。10时间戳是工作站发送帧时的时间值。2、信息元素管理帧中的子类型及功能