[硕士论文精品]衰落信道下ieee802[1].11协议性能研究

摘要摘要近年来，无线局域网以其便捷、灵活、成本低和易于扩展等优点，得到广泛的关注和发展并在多个行业得以应用。而IEEE8021L协议作为实际上的无线局域网标准，如何提高其网络性能，也吸引着越来越多的研究者们的目光。因此，对IEEE80211MAC层协议的性能分析和改进一直是学术界研究的重点。本文首先简要介绍了IEEE80211提出的背景、概念、优势、应用前景，然后详细分析了莱斯信道下带捕获效应的DCF机制性能，并针对于速率自适应无线网络，提出了新的改进措施。大部分已有的分析模型都是建立在理想信道的假设基础之上，即当没有冲突发生的时候可以成功发送和接收数据。近几年，在衰落信道下的IEEE80211DCF的性能分析模型的建立越来越引起研究者们的重视。在一个节点有限的单跳无线网络模型中，本文分析了在莱斯信道下，捕获效应对于IEEE8021L协议的影响。在马尔可夫链模型下，利用冲突概率作为桥梁，把捕获效应的影响简便的加入到了稳态发送概率的计算中，并求出了在莱斯衰落信道下的网络的饱和吞吐量。结果表明，考虑捕获效应时，无论是基本的接入机制还是RTSCTS机制吞吐量皆有提高，特别是当采用前者时捕获效应尤为明显。IEEE8021L标准在物理层提供了对多种发送速率的支持，然而在MAC层却没有规定速率自适应的方法。本文提出了一种MDCWSMULTIUSERDIVERSITYCONTENTIONWINDOWSELECTION算法，并利用OAR算法有效利用信道条件，可以显著地提高网络吞吐量。中心设置一个多用户分集竞争窗口，当各个发送节点接到中心发送的BEACON信号以后，通过信道估计来判断自己当前信道情况，来选择是否去竞争这个信道和所要竞争的窗口。同时，由于在BEACON信号中已经规定了回复信噪比阈值，这就增加了成功选择高速信道的概率，而在信道相关时间内的高速数据传输更是保证了高的吞吐量。关键词IEEE80211；MAC捕获效应；速率自适应；MDCWSABSTRACTPERFORMANCESTUDYOFLEEE80211PROTOCOLUNDERFADINGCHANNELABSTRACTRECENTYEARSHAVESEENTHEGROWINGPOPULARITYOFWIRELESSLANFORITSCONVENIENCE，FLEXIBILITY,LOWCOSTANDEASINESSTOBEEXTENDED，ANDMOREENTERPRISESSTARTTOUSEITBECAUSEOFITSFACILITYANDMOBILITYIEEE80211PROTOCOLSASTHEDEFACTOSTANDARDFORTHEWIRELESSLOCALNETWORK，AREATTRACTINGMOREANDMORERESEARCHERSTOSTUDYHOWTOIMPROVEITSNETWORKPERFORMANCETHEREFORE，MORESCHOLARSAREDEVOTINGTORESEARCHINGANDFURTHERIMPROVETHEPERFORMANCEOFITINTHISTHESISWEBRIEFLYINTRODUCEDTHEBACKGROUND，CONCEPTS，ADVANTAGESANDAPPLICATIONFUTUREOFTHEIEEE80211PROTOCOLINTHEFIRSTPARTTHENINTRODUCEDINDETAILTHEIEEE80211DCFWITHCAPTUREEFFECTINRICIANFADINGCHANNELANDPROPOSEANEWSCHEMEFORRATEADAPTIVEWIRELESSLANSMOSTOFTHEPREVIOUSANALYTICALMODELWEREBASEDONTHEPERFECTWIRELESSCHANNELASSUMPTION，ANDASSUMEDTHATASTATIONLOCATEDWITHINTHETRANSMISSIONRANGEOFTHETRANSMITTERCANCORRECTLYRECEIVETHEMESSAGEWHENNOCOLLISIONOCCURSINRECENTYEARS，THEPERFORMANCEANALYSISFORIEEE80211DCFUNDERTHEWIRELESSFADINGCHANNELMODELHASATTRACTEDALOTOFATTENTIONWITHAFINITENUMBEROFTERMINALS，THEIMPACTOFCAPTUREEFFECTINRICIANFADINGCHANNELONTHEPERFORMANCEOFIEEE80211DCFISPRESENTEDFORTHEFIRSTTIMEBYMEANSOFTAKINGTHECOLLISIONPROBABILITYASALLINTERMEDIATEVARIABLEINTHEMARKOVCHAINMODEL，THECAPTUREEFFECTISADDEDINTOTHESTATIONARYTRANSMISSIONPROBABILITYTHENTHESATURATETHROUGHPUTWITHCAPTUREEFFECTINRICIANFADINGCHANNELISPRESENTEDWITHTHECONSIDERATIONOFCAPTUREEFFECT，THETHROUGHPUTOFTHENETWORKESPECIALLYWITHTHEBASICACCESSSCHEMEISSIGNIFICANTIMPROVEDTHECURRENTIEEE80211PHYSONLYDEFINEDATATYPEONSOMEPARTICULARTRANSMISSIONRATES，BUTINMACLAYER,THERATEADAPTATIONALGORITHMISNOTSPECIFIEDIEEE80211MULTIRATEMECHANISMOARCANBETTERUTILIZEWIRELESSCHANNELCONDITIONS，BASEDONWHICHWEPROPOSEDAMDCWSSCHEMETOIMPROVETHEOVERALLTHROUGHPUTOFTHENETWORKSTHECENTERNODESETAMULTIUSERDIVERSITYCONTENTIONWINDOWAFTERRECEIVINGTHEBEACONSIGNALFROMCENTER,EVERYNODEWILLCHEEKIFTHECURRENTCHANNELCONDITIONSATISFACTORYTHEREQUIREDSNR，WHETHERITISNECESSARYTOCOMPETETHECHANNELANDWHICHSLOTTOSELECTFORTHEBEACONCARRIEDTHELIMITEDREPLYSNR，THEPROBABILITYTOSELECTABETTERCHANNELISINCREASEDANDHIGLLRATETRANSMISSIONINTHECOHERENCETIMEPROMISEDTHEHIGHTHROUGHPUTKEYWORDSIEEE80211；MAC；CAPTUREEFFECT；RATEADAPTIVE；MDCWS大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文塞落信道工星星星墨Q2坯这性能婴究。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名立虽聋至蕴学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定，即大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库中国学术期刊光盘版电子杂志社、中国学位论文全文数据库中国科学技术信息研究所等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于保密口在年解密后适用本授权书。不保密口请在以上方框内打“论文作者签名椭导师签名磺日期卅年歹月WEL衰落信道下IEEE80211协议性能研究第1章绪论11课题背景近十年，从来没有一个产业在中国能有如此迅速的发展，无线网络以其不可比拟的优越性，日渐表现出它在人们生活中不可替代的地位。所谓通信，就是要快速，准确和安全地把信息从信源传送给信宿。人们总是希望能在任何时候，任何地方实现与任何人通信。这种要求和需要，正是人们在追求摆脱缆线实现通信的完全自由化，无线移动通信正是实现了人类的这一梦想。由于它的普及和应用，大大推动了相关理论和技术的发展。同时，无线信道条件十分恶劣，必须采用最先进的技术才能保证系统可靠工作，达到应用的要求。正是由于这些因素促使通信理论与技术发展到了目前这一空前光辉的时期。无线局域网WIRELESSLOCALAREANETWORK，缩写为WLAN是指采用无线传输媒介的计算机局域网络，是计算机网络技术和无线通信技术结合的产物。它采用电磁波作为介质在空气中传播信息。它提供了一种使用无线多址信道的有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段。无线局域网可以作为传统有线网络的延伸，在某些环境下也可以替代传统的有线网络。对比有线网络，无线局域网的特点非常显著【”】可移动性技术发展带来了通信设备的便携性，用户可以在任何地方实时地访问信息，自由地变换位置，没有缆线的限制，这给人们带来了极大的方便。布线简便由于不需要布线，消除了穿墙或过天花板布线的繁琐施工，因此安装容易，建网时间可大大缩短。易于扩展WLAN有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样WLAN就能胜任从只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络，而且，只需要增加接入点就可以轻松实现网络的扩展，远没有有线网络那么复杂。成本降低在物理布线特别困难的地区，选择无线网络不但可以轻松实现，而且会大量降低网络成本。特别是一些古老建筑和文化遗产，无线网络几乎是唯一选择。而且长期来说，对于网络改造和扩展，比有线网络更加容易，节省费用。第1章绪论由于无线网络的以上诸多优点，使它适用于所有需要可移动数据处理或无法进行物理传输介质布线的领域。最近几年里，无线局域网已经被广大用户作为一般目的的网络连接来使用，广泛应用于大学校园、公司、机场、医疗、安全、房地产和公共事业等多个领域，与人们的生活息息相关。12国内外研究现状为了让WLAN技术能被更广泛的接受和使用，必须建立一种统一的标准【4】【51，以确保各厂商生产的设备都能具有更高的兼容性与稳定性。这些标准定义了无线通信的物理层PHYLAYER以及媒体接入控制层MACLAYER。各种新标准的迅速发展，展现了无线局域网领域旺盛的创造力和无限的发展机遇。WLAN现有的标准有很多，例如IEEE8021L、HIPERLAN、BLUETOOTH等。其中应用最为广泛的标准是基于IEEE80211协议的系列标准。1987年由IEEE8024组在IEEE802委员会中进行了对于无线网络的研究。最初的兴趣是想开发一个使用等同于令牌总线MAC协议的基于ISM的无线网。在进行了一段时间的合作后，研究者发现令牌总线不适合控制无线电介质，因为它会导致无线电频谱不能被充分利用，于是在1990年，IEEE802决定成立一个新的工作组IEEE8021L，专门从事无线网络的研究并开发一个MAC协议和物理介质标准。最初的80211项目认证需求书规定“所提议的WLAN标准的作用范围是为局域内固定的、便携式和可移动站点的无线连接开发的规范。项目认证需求书进一步说“该标准的目的是为自动机械、设备以及需要迅速配置的站点提供无线连接，它们可以是移动的、手持式的或局域内可以安装在移动车辆上。“80211是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于实现办公室局域网和校园网中用户的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2MBPS。由于它在速率和传输距离上都不能满足用户日益增长的需求，IEEE又相继推出了8021LB，80211A和802119三个新标准。IEEE8021LB工作于24GHZ频带，使用直序扩频方式和补偿编码键控，物理层支持55MBPS和L1MBPS两个新速率。它的传输速率可因环境干扰或传输距离而变化，在L1MBPS、55MBPS、2MBPS、1MBPS之间切换，而且在2MBPS、1MBPS速率时与IEEE80211DSSS直接序列扩频系统交互操作，但不能与1MBPS和2MBPS的8021LFHSS跳频扩频系统交互操作。衰落信道下IEEES0211协议性能研究IEEE80211A工作于5GHZ的频带，它采用OFDM正交频分复用技术，物理层速率可达54MBPS，这就基本满足了现行局域网绝大多数应用的速度要求。而且，对数据加密方面，采用了更为严密的算法。但是，IEEE80211A芯片价格昂贵、空中接力不好、点对点连接很不经济。空中接力就是较远距离点对点的传输。需要注意的是，IEEE80211B和工作在5GHZ频带上的IEEE8021LA标准不兼容。2002年，IEEE试验性地批准一种新技术IEEE802119，使无线网络传输速率可达54MBPS。802119是对8021LB的一种高速物理层扩展，同8021LB一样，8021LG工作于24GHZISM频带，但采用了OFDM技术，可以实现最高54MBPS的数据速率，与80211A相当；并且较好地解决了WLAN与蓝牙的干扰问题。802119与已经得到广泛使用的80211B是兼容的，这是8021LG相比于80211A的优势所在。还有其他一些新的协议，比如IEEE80211I是IEEE为了弥补80211脆弱的安全加密功能WEP，WIREDEQUIVALENTPRIVACY而制定的。IEEE在2004年1月宣布组成一个新的单位来发展新的80211标准IEEE8021INT61，其资料传输速度估计将达300MBITS以上需要在物理层产生更高速度的传输率，此项新标准应该要比8021LB快上50倍，而比8021LG快上10倍左右。80211N也将会比目前的无线网络传送到更远的距离。总之，现在的IEEE8021L已经发展成为一个大家族。表11IEEE80211中的其它标准TAB1111HEOTHERSTANDARDSOFIEEE8021L标准名称发布日期标准内容IEEE802ILC2003符合80211的MAC桥接IEEE8021LD2001根据各国无线电规定做的物理层调整IEEE8021LE2005支持OOS的MAC层IEEE8021IF2003AP的互连IEEE8021LH2003无线覆盖半径的调整，室内和室外IEEE80211I制订中安全和鉴权方面的补充IEEE8021IN制订中高速无线局域网第1章绪论13无线局域网的信道特性无线局域网的工作频率属于微波波段，与有线介质相比，无线介质带宽低并且具有广播的特性。由于无线介质无束缚并其传播特性比有线网络要复杂的多，掌握电波传播对任何无线网络来说的都是提供合理设计、部署和管理策略的基础。无线电波的传播与特定的场所密切相关，并且会根据地形、工作频率、移动速度、干扰源和其他动态因素发生明显的变化。通过一些参数和数学模型描述无线信道的准确特性【91，对于预测信号的覆盖范围、可达到的传输速率、可选信号的特定性能属性和接收方案、分析不同系统的干扰和决定所要通信的节点和通信方式都十分重要。移动无线信道的主要特征是信道强度关于时间和频率的变化，这种变化大致可以分为如下两种类型L、大尺度衰落LARGESCALEFADING它是由随距离而变化的信号路径损耗和由建筑物、山脉等大型障碍物的阴影造成的，当移动台运动的距离与小区尺寸相当时，就会出现通常与频率无关的大尺度衰落。2、小尺度衰落SMALLSCALEFADING它是由发射机与接收机之间的多条信号路径的相长干扰CONSTRUCTIVEINTERFERENCE和相消干扰DESTRUCTIVEINTERFERENCE造成的，当空间尺度与载波波长相当时，会出现小尺度衰落。图11大尺度衰落和小尺度衰落关系FIG11THERELATIONSHIPBETWEENLARGESCALEFADINGANDSMALLSCALEFADING衰落信道下IEEE8021L协议性能研究有线传输环境通常是静态平稳的、可预测的，无线信道由于各种因素的影响，呈现出很强的随机时变特性。无线信道的这种随机性和时变性大致可以分为三类路径损耗PATHLOSS主要是距离和频率的函数；阴影效应SHADOWING“主要是由于传输环境的地形起伏、建筑等障碍物对电波的屏蔽作用引起；衰落FADING它是由于无线移动环境中特有的多径现象造成的。实测表明，这三种效应表现在不同的距离范围。从无线系统工程的角度看，前两种效应属于大尺度效应，主要影响无线通信的距离或者无线区的覆盖范围，通过合理的天线布局等设计可以消除其不利影响，大尺度衰落效应通常以接收信号的平均功率出现。而后一种效应属于小尺度效应，在数十个波长范围或者极短的时间内呈现快速剧烈的随机起伏，从而严重影响信号传输质量，并且不能通过前述的简单手段消除。本文讨论的频率自适应主要是针对信道衰落的自适应。电磁波传播的机制是多种多样的，但总体可以归结为反射、绕射和散射。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，可能会遭遇各种复杂的地形和传播途径，并且有很大的时变性存在。总体来说根据无线信道的时变衰落性主要由以下因素造成多径传播由于信道中存在反射物体和散射物质，消耗了信号能量以及造成了相位和时序的变化，从而导致多束被传输的信号先后到达接收天线。这些相位和幅值不同的多径信号分量使信号强度产生波动并导致信号失真。另外多径传播还延长了信号从发端到接收端的所需传输时间，并且还将导致符号间干扰。移动速度由于多普勒DOPPLER频移，接收端相对发送端的移动将导致随机频率调制。多普勒频移的正负性取决于接收端相对发送端的移动方向。周围环境的速度如果无线信道环境中存在移动的物体，也将产生时变的多普勒频移。若该物体的移动速度超过接收端的移动速度，则信道中的衰落主要由该物体移动引起；反之，若接收端的移动速度较大，则信道周围环境的移动产生的影响可忽略，仅仅考虑接收端的移动造成的影响。信号的传输带宽如果传输信号的带宽大于多径信道的“带宽“，则接收信号也许会存在失真，但信号强度衰落不明显，甚至可以忽略。信道的带宽可由相第1章绪论干带宽COHERENCEBANDWIDTH来表征，相干带宽特指多径信道用最大的频率差进行度量，在该频率范围内信号的幅值有很大的相关性。如果传输信号的带宽相对信道来说是窄带的，则信号的幅度变化很剧烈，但信号不存在明显的失真。因此，在多径信道中信号的带宽也会导致衰落。根据信号参数如带宽、符号周期等与信道参数如均方根延时扩展、多普勒频移扩展等之间的关系，不同的传输信号将导致不同的衰落。传输信号、信道的性质以及移动速度的不同，无线信道中的时间散射或频率散射将产生四种完全不同的影响。多径特性引起的时间色散，导致了发送信号产生平坦衰落或者频率选择性衰落；多普勒频移将导致频率色散和时间选择性衰落。小尺度衰落基于多径时延扩展平坦衰落L、信号带宽符号周期小尺度衰落基于多普勒扩展、厂L快衰落慢衰落1、高多普勒扩展1、低多普勒扩展2、相干时问符号周期3、信道变化快于基带信号变化3、信道变化慢于基带信号变化图12小尺度衰落类型FIG12TYPESOFSMALLSCALEFADING14本文的主要工作和组织结构141本文目的MAC层是无线局域网链路层的核心和关键，传统的无线MAC协议的设计一般都假设理想的无线信道传输环境，而实际的无线传输环境复杂多变。本文的目的就是要针对无线网络的特点，并结合课题的研究方向，在现有对理想信道下MAC层DCF协议研究的基础上，加入对实际信道情况的考虑和可能产生的捕获效应。衰落信道下IEEES0211协议性能研究在一些实际的传输过程中，莱斯信道往往比瑞利信道更加普遍。因为在实际情况中，信号的发送方和接收方之间经常会存在一条直接的传输信道，所以以莱斯信道为基础建立模型应该更加合适并且准确。通过在GIUSEPPEBIANCHI建立的MARKOV模型10】上稍加修改，本文分别针对基本接入机制和RTSCTS机制进行了理论分析和仿真。目前的IEEE8021L标准在物理层提供了对多种发送速率的支持，然而在MAC层却没有规定速率自适应的方法。这里我们对于PCF机制，提出了一种新的多用户分集方法，利用OAR算法【1有效利用信道条件，在保证信道相关时间的情况下，选择出较好的信道，并以超帧形式发送多组数据，从而提高网络的吞吐量。特别适用于在节点比较多的网络中，不但能够选出更好的信道，而且对网络的公平性没有影响。最后通过MATLAB建立了仿真模型进行系统仿真。142本文组织结构本文共分为4章。第1章首先概述课题的研究背景和意义，讲述了对无线网络研究的重要性。并简单介绍了8021L标准和无线信道的一些基本特性。最后提出了本文目的和本文组织结构。第2章主要介绍了无线局域网的信道模型，并对IEEE80211MAC层的两种协调机制进行了说明，最后简单介绍了下NS仿真软件。第3章首先介绍了DCF的马尔科夫链模型，然后在此基础上考虑捕获效应。最后在MATLAB和NS2上面进行了仿真和分析。第4章针对速率自适应的特点，并结合本课题的研究方向，着重对80211A的物理层对速率自适应的支持方面进行了介绍。并提出多用户分集竞争窗口选择算法，然后详细分析了该算法的实现流程和相关具体环节。最后通过仿真对整个算法的吞吐量等方面进行分析并得出相关结论。第2章无线局域网基础第2章无线局域网基础21无线信道的建模无线信道由于其复杂性在很大程度上限制了无线通信系统的性能。它可以是恒参信道，也可以是变参信道，其特性与特定的场所密切相关，并且会根据地形，工作频率，移动速度，干扰源以及其他不确定因素发生明显的变化，因此，要想准确地预测和描述其特性是相当困难的。一般情况下，我们根据实际的传播测量数据，用统计分析的方法对无线信道建模，通过数学模型和主要参数来描述信道的准确特性【12】【13】。在无线通信中，最简单的信道模型是高斯白噪声模型。它比较精确地逼近许多实际无线通信系统的真实信道情况，因此，在无线通信系统中起着十分重要的作用。然而，在移动通信和室内无线通信中，还要考虑由于周围山丘、树木、河流、建筑等地形和其他原因对于电磁波的反射和散射等情况，如果再考虑上在发送方和接收方具体的小环境，机器可能有的热噪声，天线周围的干扰等等，情况就会变得更加复杂。处理传输信道特性的基本途径有两种。一种是用理论分析的方法，如用射线追踪法直接求解传输方程。用这种方法得到的传播模型称为理论模型或者确定性模型。另一种是采用统计的方法来建立信道的传播模型并进行验证。基于这种方法的传输模型称为经验模型。表征无线信道特性的参数也有很多，主要有传播衰落、时延扩展和相干带宽、多普勒扩展和相干时间、衰落分布、衰落速率或衰落持续时间等。211自由空间传播模型自由空间是一个理想的信道传播模型，它用于预测发送机和接收机之间完全无阻挡的视距路径时接收信号的场强，属于大尺度衰落。电波没有被吸收，也没有反射、绕射、折射和散射等现象，只是因为距离的增大而衰减，产生传播损耗。当天线发射后电磁波会以球状散开向各个方向传播，自由空间的接收功率P，可以由FRIIS公式得到呻掰21衰落信道下IEEF,80211协议性能研究D就是传播的距离，也就是相当于电磁波传播的球半径。G，和G，分别是发射天线和接收天线的增益大小。入是载波波长，单位为M，可以通过C矿求得，C是自由空间种的光速，是天线载波频率。一是发射功率，而L是于传播无关的系统损耗因子。这里接收功率和距离的平方成反比，也有把它定义为路径损耗因子刀，由特定的无线传播环境决定，例如在自由空间，刀值为2，如果收发天线之间存在障碍物体，刀值可能会变的很大。对不同的无线局域网传播环境，其典型值的大小不尽相同。在移动无线系统中，经常发现P，在几平方公里的典型覆盖区内要发生几个数量级的变化。因为接收电平的动态范围比较大，经常以DBM或者DBW为单位来表示。所以自由空间传播模型又可表示为荆10109EDO120109寺像幼。式中而为近地距离，用来做接收功率的参考点。在大范围的无线蜂窝网络，参考点距离通常选择为1公里，而对于无线局域网等小范围网络，参考点距离通常为一米。212阴影效应当电波在传输路径上遇到起伏地形、高大建筑物、树林等障碍物阻挡的时候，。会产生绕射现象，在电磁波的阴影区出现电场强度的波动，其中值呈缓慢变化。这种现象称为阴影衰落或慢衰落。慢衰落的衰落速度主要决定于传播环境，比如地形的高度、起伏、分布、位置和密度等。但也与电磁波的频率有关，如频率较低的电磁波的绕射能力较强。阴影衰落为中尺度传播模型。考虑阴影衰落之后，需要对自由空间的传播损耗公式做修正，在上面叠加一个随机变化分量EDLOLOGP，D020LOG鲁X23式中，X是一个取决于衰落分量分布的随机变量。对大量的实测数据进行统计分析表明这个随机变量服从对数正态分布，其概率密度函数PDF为出，去唧_譬眨4，第2章无线局域网基础式中，标准偏差吼与载波频率和地形有关，一般情况下，在宏蜂窝中典型值为8DB，微蜂窝中为413DB，随频率提高而略微增加。213多径效应多径衰落是多条路径的信号因为在接收端幅度和相位不同在叠加后造成，由于各条路径的相位是因路径条件变化而引起的随机变化，因而多径衰落是随机。其衰落曲线变化较快，所有又称为快衰落。无线信道的多径导致小尺度衰落效应的产生。三个主要效应表现为L、短距和短时传播后信号强度的急剧变化。2、同的多径信号上，存在着时变的多普勒频移所引起的随机频率调制。3、传播时延引起的时间弥敖。多径特性引起的是时间色散，导致了发送信号产生平坦衰落或频率选择性衰落。如果移动无线信道的带宽大于发送信号的带宽且在带宽范围内具有恒定增益及线性相位，则接收信号就会经历平坦衰落过程，这种衰落是最常见的一种。在平坦衰落的情况下，发送信号的频谱特性在接收机处保持不变。平坦衰落信道即幅度变化信道会引起深度衰落，因此在深度衰落期间需要增加20DB或30DB的发送功率，以获得较低的误比特率，平坦衰落信道瞬时增益分布对设计无线链路非常重要，最常见的幅度分布是瑞利分布。本论文中主要讨论的就是平坦衰落信道。而频率选择性衰落的建模比平坦衰落信道的建模更困难，这是因为必须对每一个多径信号建模，而且必须把信道视为一个线性滤波器。为此要进行带宽多径测量。造成频率选择性衰落的原因是信道具有恒定增益且线性相位响应带宽小于发送信号带宽。由于这种信道并非本文讨论重点，所以这里也就不多做介绍。如果把多径信道看作一个线性时变系统，则其冲激响应是一个随机过程。研究多径信道的特性，就是研究此随机过程的统计特性。下面针对瑞利衰落和莱斯衰落两种比较典型的信道进行分卡斤【14】【15】。1、移动无线信道中，瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接收包络统计时变特性的一种分布类型。假设载波频率是WC，且不考虑噪声影响，信道中存在多条散射路径，每条路径对应着各自的时延O和幅值变化，等效于附加一个随机变化的幅度乘性因子口玎F，则接收信号R0的表达式有衰落信道下IEEE80211协议性能研究，F巳FS卜LFRE军QFG，一吒RE。帆I一。叼C25，RE军口。REJ心。GR一，P肌REL吒FE叽“。GF一FK0LLJJGF是信号的包络，【】表示衰落信道中接收信号的等效基带信号。经过化简，用护F比LF代入，假设甙力1，即传送的是等幅载波。分析其中一条信号分量有口。FP一以，其复数形式可以写成吒FP一旭。2QFC。S色FJA。FSIN幺F26以TJYNF式中，蜀F与L力是彼此正交，同理，合成包络口FE一州则可表示成F口一以XF】，F27式中XF以T，YF艺T28当以的值比较大，且各个多径分量的功率相差较小，只T在O2X均匀分布，则XO与Y力趋向均值为0的正态分布。则其包络的幅值，服从瑞利分布舯丁孝唧砉邮，泣9，【0，O21210，201MBPS1MBPS1MBPFH3MBPS图22IEEE80211协议结构FIG22THESTRUCTUREOFTHEIEEE80211PROTOCOL第2章无线局域网基础221帧间隙和握手机制IEEE8021L协议为了保证通信之间的同步和各个节点之间的协调，在协议中主要使用了三种帧间隙IFS，它可以提供基于优先级的访问控制1、SIFSSHORTINTERFRAMESPACE应用SIFS的帧优先级最高，具有这种优先级的帧包括控制帧ACK，CTS，分段发送的MPDU的第二以及以后的各子段。另外，在PCF模式下，终端对轮询的响应也使用SIFS。SIFS计算的时间是从前一帧的最后一个信号结束到下一帧的头信号被监测到的时间。当传送多帧交换序列时，一旦站点获得信道使用，随后的帧交换序列在传输期间保持最紧密的问隔，阻止了其他帧间隔大于SIFS的各帧的竞争，从而保持其优先级地位。2、PIFSPOLLINTERFRAMESPACEPIFS仅仅用于工作在PCF模式下的终端，在进入CFP无竞争期时，终端采用PIFS帧间隔优先竞争无线信道，一旦终端利用载波监测机制监测到信道空闲大于PIFS时，便可以直接发送无竞争业务。3、DIFSDFSINTERFRAMESPACE最长的IFS，具有最低的优先级，用于异步帧竞争接入的时延。在DIFS模式下，终端采用DIFS间隔传输数据帧或管理帧，一旦终端通过载波监测到上一帧成功发送并接收后，当信道空闲大于DIFS时长，终端便可占用信道发送帧。DLFS竞争蘅口DIFSPIFSSIFS介质忙LL嬲避窗口下一帧，1RL啼匪时间推迟接入时隙”“。图23IFS和退避的图解FIG23IFSANDDEMOOFTHEBACKOFF下面具体结合上面对时隙的说明来分析两种最常用的握手机制衰落信道下IEEE80211协议性能研究图24基本接入机制与RTSCTS机制FIG24BASICACCESSSCHEMEANDRTSCTSSCHEME1、基本接入机制也就是两次握手机制，它是一种最简单的握手机制，只有DATA和ACK的发送。各个节点如果想占用信道，一旦检测到信道空闲，就直接发送DATA数据到信道中。接收方如果成功接到数据，就会回复自己的ACK确认帧给发送方，这个时候发送方就可以确认自己的数据已经成功发送出去。而如果超过了一个DIFS的时间没有收到来自接收方的确认信号，发送方则会认为发送失败，进行数据的重传，重新等待信道进入空闲。但是由于可能存在隐终端问题，隐终端因听不到发送节点的发送而可能向同样的接收节点发送数据，造成在接收节点处发生冲突。其他节点图25两次握手机制的CA协议FIG25TWOWAYHANDSHAKINGSCHEMEOFCAPROTOCOL时问第2章无线局域网基础2、RTSCTS机制上文提到基本接入机制不能解决隐藏终端问题，所谓隐藏终端问题，就是在无线网络中存在的一个特有问题。在一个竞争发送的无线网络中，各个站点需要能够准确地确定网络的情况，是处于繁忙状态还是处于空闲。当两个节点的无线信号发送范围不能互相覆盖的情况下，如果它们和同一个中心进行通信，两者虽然都能够知道中心的存在，但是检测不到彼此，也就是无法在物理测量信道的时候检测到对方在发送信号。于是会认为此时信道处于空闲状态，可以发送数据，则同时会向中心发送数据，或者在对方和中心通信之时，企图与中心建立连接。因而造成信道的干扰和数据的发送失败。为了解决这一问题，IEEE80211标准在MAC层上引入了一个可选的RTSCTS选项。RTSCTS机制的工作原理是发送方在向接收方发送数据之前，即在信道空闲一个DIFS之后，不是立即发送数据，而是首先发从一个RTS帧，以申请对信道的占用，当接收站点收到RTS信号后，立即在一个短帧隙SIFS之后回应一个CTS帧，告知对方已经准备好接收数据。双方在成功交换RTSCTS信号后才开始真正的数据传递。从而保证了多个不可见的发送节点同时向同一接收站点发送数据时，实际只有收到回应给自己的CTS帧的站点才有权发送数据，避免了冲突。即使有冲突发生，也只是在发送RTS帧的时候，这种情况下，由于收不到接收方的CTS消息，各节点都会重新开始竞争信道，直到成功为止。这样发送方才可以畦蝎匝圈，发送方时间生丑盘型生B，接收方时间一DIFS一争打窗口NAVRTS其他节点NAVCTS时问NAV数据帧图26四次握手机制的CA协议FIG26FOURWAYHANDSHAKINGSCHEMEOFCAPROTOCOL衰落信道下IEE范80211协议性能研究保证发送数据和接收ACK确认帧而不会造成数据的冲突，间接解决了隐藏终端问题。由于RTSCTS需要占用网络资源，所以也会带来额外的网络负担，一般在网络比较繁忙和数据帧长度较大的时候使用。222分布式协调机制DCF协议是基本的MAC协议，在ADHOC网络和带固定设施网络的超帧竞争期CP中CONTELLTIONPERIOD使用，支持异步服务。它使用简单的CSMACA算法。如果一个站点有一个MAC要发送，他先监听介质。如果介质空闲，站点可以发送，否则站点必须等待，直到现在的传输完毕，才能进行传输。DCF不包括冲突检测功能，因为在无限局域网上监测冲突是不现实的，介质上的信号的动态范围很广，所以发送站点不能有效地识别出是噪音信号还是自己传输的信号。而CSMACA采用的就是基本接入机制和RTSCTS机制两种。为了保证此算法顺利又公平的运行，DCF包含上文讲到的一系列的帧间隙来实现优先级机制。使用IFS的CSMA访问规则如下1、欲发送的站点先监听介质，如果介质空闲，它就再等待一段相当于一个IFS的时间，看介质是否依然空闲，如果是，这个站点就可以立即发送。2、如果介质忙不管是在站点开始监听时发现介质忙，还是IFS时间内发现介质忙，站点就推迟自己的传输而继续监听，直到当前传输结束。3、一旦当前的传输完毕，站点再延迟一个IFS，如果介质在此时间内保持忙状态，站点使用二进制指数退避算法并继续监听介质，如果介质空闲，站点就可以传输了。和在以太网中一样，二进制指数退避算法提供了一种处理重负荷的方法，如图27所示，如果一个站点试图发送，并发现介质是忙的，它就等待一段时间后再次尝试。每次发送数据之前，站点都会从退避窗口中按照均匀分布随机地选取一个值，然后把从这个值的大小进行递减。第一次发送和成功发送之后，窗口的大小为初始发送窗口。如果没有发送成功，说明网络繁忙，则站点就会按指数方式扩大窗口，随着退避窗口的扩大，重复的发送失败导致越来越长的退避时间，和更低的发送概率，以降低网络的负荷。下章对于此退避机制还将有具体的数学分析。第2章无线局域网基础酎27指数避避机制凼解FIG27DEMOOFEXPONENTIALBACKOFFSCHEME223点协调机制IEEE80211的DCF机制只能提供异步数据服务，为了能提供延迟受限的服务802LI在DCF的基础上定义了点协调功能PCFL。但是，PCF必须工作在有接入点AP的条件下，并通过接八点轮询各移动节点来控制媒体访问。因此，PCF只能工作在带有基础设施的网络中，此时局域网中的任何两个无线节点之M的通信必须经过AP的转发。PCF建立在DCF的基础上，由接入点AP的点协调器POINTCOORDINATOR来决定当前哪一个节点有权发送数据。点协调器将访问时间分裂为超帧周期SUPERFRAMEPENOA。每个超帧周期又包括一个非竞争周期CFP和一个竞争周期CP。在竞争周期，PCF使用同DCF一样的访问机制。而在非竞争周期，PCF的点协调器对具有较高优先级的节点依次进行轮询。在PCF中，点协调器通过发送一个BEACON帧和NAV机制来取得对媒体访问的绝对控制权。BEACON帧采用PIFS作为帧间距，由于PIFS比DIFS小，因此其它无线节点在这个间隔内都不可能发送数据，在同数据帧的竞争中，BEACON帧能够得到比数据帧更高的优先级。另外，每衰落信道下IEEE80211协议性能研究个节点都可以根据超帧周期推算出超帧的预定开始时刻。每当这一时刻到来，点协调器以外的任何节点，都会将NAV值设置成CFPMAXDURATION，这个值指示超帧的最大长度。这就保证了，除了点协调器和当前正在传输的节点外，其它任何节点都不会在此期间接入信道。PCF是DCF之上实现的一个可供选择的访问方式，其操作包括集中轮询。点协调在发出轮询时使用PIFS。因为PIFS比DIFS小，点协调功能能够获得介质并且在它轮询和接收响应时把所有的异步帧都排除在介质之外。但是，注意到，控制帧如RTS、CTS和ACK所采用的帧间距是SIFS，SIFS要比PIFS更小，因此，BEACON帧并不能打断正在传输的过程，而必须等待到当前的传输完成后才能介入。发送信标后，中心控制器等待至少一个SIFS间隔，开始发送下面的某一种帧1、数据帧这种帧是由中心发送给某个特定的节点，如果中心没有收到确认的ACK帧，就会在无竞争期内的PIFS间隔后重发这个帧。中心可以向所有节点发送单个的、广播的和多点传送的帧，包括那些处于可轮询的节能模式的节点。2、CF轮询帧中心向某个特定的节点发送此帧，使其可以使用信道向任何目的端发送一个帧。如果轮询到的节点没有数据要发送，那么它也需要发一个空数据帧。如果没有收到应答，那么只有等下次再次被轮询到才能再发。3、数据CF轮询帧在这种情况下，中心向一个节点发送一个数据帧，并就发送无竞争帧轮询该节点，这样可以降级系统开销。4、CF结束帧用于确定竞争期的结束。在极端情况下，考虑以下事件，有一个无限局域网的配置如下对时间敏感的通信由点协调来控制，而其他竞争的通信都用CSMA来控制访问，点协调可以用ROUNDROBIN方式向所有配置为轮询的站点发送轮询，轮询发出后，被轮询的站点可以在SIFS间隔后来响应，点协调者如果收到了响应就在PIFS间隔后来重新轮询；如果在预期的回路时间内没有收到响应，点协调者就发出一个轮询。如果上面规则得到了实现，点协调就可以用连续轮询的方式来排除所有的异步数据。为了防止这种情况发生，定义了一个超级帧SUPERFRAME的间隔，在此间隔的开始部分，由点协调者采用ROUNDROBIN的方式向所有配制成轮询的站点发出轮询，随后点协调者就在超帧余下的时间内空闲，允许一段被竞争的时间用于异步时间。第2章无线局域网基础23NS简介对于如何验证网络协议的正确性和进行相关性能测试，人们提出了很多方法，目前最广泛使用的方法就是通过虚拟环境进行模拟仿真。NS2是最流行的进行网络模拟的软件之一，已广泛被科研院所和各大高校用于进行网络分析、研究和教学。它支持众多的协议，并提供了丰富的测试脚本20乏21。NS2，即NETWORKSIMULATORVERSION2，是面向对象的、离散事件驱动的网络环境模拟器，主要用于解决网络研究方面的问题。NS2提供了无线或有线网络上的TCP、路由、多播等多种协议的模拟。NS2仿真软件起源于1989年的REAL网络模拟器。1995年，DARPA支持的VINT项目的核心部分，由UCBERKELEY、USCISI、LBL等大学和实验室联合开发。其目的在于构造虚拟的网络模拟平台，提供一系列模拟工具并实现新的网络协议的设计与开发。在此基础上，LAWRENCEBERKELEYNATIONALLABORATORY的网络研究组开发了NS的第一个版本NSL。随后，在NSL的基础上，UCBERKELEY发布了NS版本2，即NS2。NS2一直以来都在吸收全世界各地研究者的成果，包括UCB、CMU等大学和SUN等公司的无线网络方面的代码。与NS2类似的软件有OPNET，这是一个商用的网络模拟软件，它能够针对各款交换机和路由器来搭建网络；与之相比，NS2是一个免费的软件，它可以在WINDOW讥烈上运行，并且所有源代码公开，对于进行网络的研究和扩展非常方便，所以在学术界更多的是采用NS2来做模拟。231离散事件模拟器NS2是一个离散事件模拟器。离散事件模拟，是几种常用的系统模拟模型之一。简单的说，事件规定了系统状态的改变，状态的修改仅在事件发生时进行，否则，不执行任何模拟计算。因此，与时间相关的设置仅在事件发生时进行，否则，不执行任何模拟计算。与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟器的计算效率得到了很大的提高。在一个网络模拟器中，典型的事件包括分组到达、时钟超时等。模拟时钟的推进由事件发生的时间量确定。模拟处理过程的速率不直接对应着实际的时间。一个事件的处理可能又会产生后续的事件，例如对一个接收到的衰落信道下IEEE80211协议性能研究分组的处理触发了更多的分组的发送。模拟器所做的就是不停的处理一个个事件，直到所有的事件都被处理完毕或者某一特定的事件发生为止。NS2的核心部分是一个离散事件模拟引擎，NS2中有一个“调度器SCHEDULER“类，负责记录当前时间，调度网络事件队列中的事件，并提供函数产生新事件，指定时间发生的事件。NS2主要做两件事，一方面，具体协议的模拟和实现，利用程序设计语言，有效率的处理字节，报头等信息，应用合适的算法在大量的数据集合上进行操作。另一方面许多网络中的研究工作都围绕着网络组件和环境的具体参数的设置和改变而进行的，在短时间内快速的开发和模拟出所需要的网络环境，模拟环境的建立和参数信息的配置只需要运行一次。232丰富的构件库有了离散事件模拟引擎，原则上用户可以对任何系统进行模拟，而不限于通信网络系统。用户可以自己完成对所要研究的系统的建模工作，编写各种事件的处理代码，然后利用这个离散事件模拟器来完成对这个模型的模拟。然而，这样做不能发挥NS2的优势，不符合NS2设计者的本意。针对网络模拟，NS2已经预先做了大量的模拟化工作。NS2对网络系统中一些通用的实体已经进行了建模，例如链路、队列、分组、节点等，并用对象来实现了这些实体的特性和功能，这就是NS2的构件库。相对于一般的离散事件模拟器来说，NS2的优势就在于它有非常丰富的构件库，而且这些对象易于组合，易于扩展。用户可以充分利用这些已有的对象，进行少量的扩展，组合出所要研究的网络系统的模型，然后进行模拟。这样就大大减轻了进行网络模拟研究的工作量，提高了效率，图28给出了NS2构件库的部分类层次结构。NS2的构件库所支持的网络类型包括广域网、局域网，移动通信网、卫星通信网等，所支持的路由方式包括层次路由、动态路由、多播路由等。NS2还提供