（电路与系统专业论文）基于IEEE80211MAC协议中竞争窗口算法的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 i e e e 8 0 2 1 1 是目前最流行的使用c s m c a 协议的无线局域网标准。i e e e 8 0 2 1l 的基本 媒体访问控制( m a c ) 协议是基于竞争的分布式协调功能( d c f ) 。d c f 定义了两种媒体 接入机制：基本接入方式和r t s c t s 方式。然而这两种机制都分别存在一些问题，影响了 无线网络的性能，造成了一定的信道带宽损失。本文主要研究i e e e 8 0 2 11 m a c 中的d c f 机 制。 本文提出了一种新的基于f c r 的算法e f c r 来调整i e e e 8 0 2 1 1d c f 中的竞争窗口的 大小。主要是注意到在f c r 算法中，它将成功传输数据后的站点的竞争窗口大小设置为初 始窗口而且认为网络处于低负载下。而在e f c r 算法中，站点在每次成功传输数据后，是 将其竞争窗口以概率p 。减小一半，这样可降低碰撞概率，尤其是在站点数目很大的情况下。 另外本文计算出了最佳参数口以及在不同的业务类型中通过选择不同的口值使e f c r 易于 支持优先级服务。而且，文中还提出了一种新的马尔可夫( m a r k o v ) 链模型来分析系统的 吞吐性能。分析和仿真表明e f c r 算法在吞吐量、公平性和能量效率等方面比f c r 算法有 所改进。 关键词：无线局域网载波侦听多址接入碰撞避免竞争窗口分布式协调功能 退避算法马尔可夫链模型 南京邮电大学硕卜研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i e e e 8 0 2 iii st h em o s tp o p u l a rw l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) s t a n d a r db a s e do n c s m a c a ( 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 na v o i d a n c e ) t h ep r i m a r ym e d i u ma c c e s s c o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o lo fi e e e s 0 2 1 ii st h ec o n t e n t i o n b a s e dd 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 ) d c fi n c l u d e st w om e d i u ma c c e s sm e c h a n i s m ，t h a ti s ，t h eb a s i ca c c e s sa n dt h e r t s c t sa c c e s sm e c h a n i s m s b u ts o m ep r o b l e m sw h i c hl i ei nt h e s et w om e c h a n i s m sl e a dt o i n e f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fw i r e l e s sn e t w o r kb a n d w i d t ha n dd e g r a d et h ep e r f o r m a n c eo f8 0 2 11 t h i sp a p e ri sf o c u s e do nd c fm e c h a n i s m sp r o v i d e di ni e e e s 0 2 11 i nt h i sp a p e r ，i tp r o p o s e san e wf c r - b a s e da l g o r i t h mc a l le f c rt oa d j u s tt h ec o n t e n t i o n w i n d o wi ni e e e s 0 2 1 1d c f t h em a i nm o t i v a t i o ni sb a s e do nt h eo b s e r v m i o nt h a tf c r d e c r e a s e st h ec o n t e n t i o nw i n d o wt ot h ei n i t i a iv a l u ea f t e re a c hs u c c e s st r a n s m i s s i o n ，w h i c h e s s e n t i a l l ya s s u m e st h a te a c hs u c c e s s f u lt r a n s m i s s i o ni sa ni n d i c a t i o nt h a tt h es y s t e mi su n d e r l o wt r a f f i cl o a d i n g e f c rt a k e sam o r ec o n s e r v a t i v em e a s u r eb yh a l v i n gt h ec o n t e n t i o nw i n d o w s i z ew i t hap r o b a b i l i t y p a f t e re a c hs u c c e s s f u lt r a n s m i s s i o n t h i sd e c r e a s eb e h a v i o rl o w e r st h e c o l l i s i o np r o b a b i l i t y ，e s p e c i a l l yw h e nt h ec o m p e t i n gn o d en u m b e ri sl a r g e t h ep a p e rc o m p u t e t h eo p t i m a lv a l u ef o r 口i na d d i t i o n ，e f c ri sf l e x i b l ef o rs u p p o r t i n gp r i o r i t ya c c c $ sb y s e l e c t i n gd i f f e r e n tv a l u e so f 口f o rd i f f e r e n tt r a f f i ct y p e s ；m o r e o v e r ，an e wm a r k o vc h a i n m o d e li sd e v e l o p e dt oa n a l y z et h es y s t e mp e r f o r m a n c ei nt e r m so ft h r o u g h p u t t h en u m e r i c a l r e s u l t sf r o mb o t ha n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nd e m o n s t r a t et h a te f c rs i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ff c ri n c l u d i n gt h r o u g h p u t ，f a i r n e s s ，a n de n e r g ye f f i c i e n c y k e y w o r d s ：w l a n c s m a c ac o n t e n t i o nw i n d o wd c f b a c k o f fa l g o r i t h m m a r k o vc h a i nm o d e i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的 地方外，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 含为获得南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。 研究生签名：圭l 空羔日期：堡塑：! ：! l 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：二l 芝 导师签名：监期：三世 南京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1无线局域网( w l a n ) 无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 是计算机间的无线通信网络，相 比有线通信悠久的历史，无线网络的历史并不长，特别是充分发挥无线通信的“可移动性” 特点的无线局域网是2 0 世纪9 0 年代才出现的【2 0 】。 1 9 8 5 年，美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i t t e e ，f c c ) 授权普通用 户可以使用i s m 频段而把无线局域网推向商业化发展。这里i s m 分别取自i n d u s t r i a l ( 工 业) 、s c i e n t i f i c ( 科研) 及m e d i c a l ( 医疗) 的第一个字母，许多工业、科研和医疗设备使 用的无线频率集中在该频段。f c c 定义的i s m 频段为9 0 2 - - 9 2 8 m h z 、2 4 - 2 4 8 3 5 g h z 和 5 7 2 5 5 8 7 5 g h z 三个频段。 国际电子电气工程师协会( i e e e ) 8 0 2 工作组负责局域网标准的开发，如以太网和令 牌环等。1 9 9 0 年1 1 月i e e e 召开了8 0 2 1 i 委员会，开始制定无线局域网络标准。1 9 9 7 年 6 月2 6 日，i e e e 8 0 2 1 l 标准制定完成，1 9 9 7 年1 1 月2 6 日正式发布【1 1 。 1 2 无线局域网的优点 相对于有线局域网，无线局域网有如下的优点【2 1 1 ： 1 移动性 无线网络设置允许用户在任何时间、任何地点访问网络数据，不需要指定明确的访问 地点，因此用户可以在网络中漫游。 2 低成本 使用无线网络可以避免铺设线缆的高成本费用、租用线路的月租费用以及当设备需要 移动而增加的相关费用，所以无线局域网可以极大地降低组网成本。 3 高可靠性 在有线网络中，线缆的故障常常是网络瘫痪的主要原因。使用无线网络技术由于没有 线缆，就彻底避免了由于线缆故障造成的网络瘫痪问题。 另外，无线局域网采用直接序列扩展频谱( d s s s ) 传输和补偿编码健控调制编码技术 进行无线通信，具有抗射频干扰强的特点。同时采用的智能放大器和智能天线产品，具有 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 理想的接收灵敏度，能够提供强大和可靠的无线传输。 4 工作效率 通过无线局域网提高了灵活性、移动性和便利性，结果就是提高了工作效率。 1 3 无线局域网的技术要求 无线局域网与以往的基于蜂窝电话网，专用分组交换网及其他技术的无线计算机通信 相比，有许多本质上的区别。首先无线局域网必须支持高速突发数据业务，在室内使用时 要解决包括多径衰落、相邻子网间串扰等问题。下面列出无线局域网必须克服的技术难点： 可靠性：无线局域网的信道误比特率应尽可能低。 兼容性：应尽可能与现有有线局域网实现兼容。 数据速率：无线局域网至少应具备1 m b p s 以上的数据速率。 通信保密：因无线局域网的数据经无线媒体传输，要求其应有较高的通信保密能力。 移动性：要引入蜂窝或微蜂窝网络结构，扩大覆盖范围和提高频带利用率。 节能管理：为节省便携机内电池的消耗，网络应具有节能管理功能。 小型化、低价格：这是无线局域网能够实用并普及的关键所在。 电磁环境、无线电频段的使用规范：应考虑电磁波的各种损害和影响。 1 4 无线局域网的应用 由于无线局域网的诸多优点，因此发展十分迅速，具有广阔的应用前景和广泛的市场 需求。目前，无线局域网技术已经在多个领域得到了广泛的应用： ( 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、布线困难或露天区域、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。 ( 6 ) 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。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( 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( s o h o ) 用户，以及需要方便快捷地安装小型网络的用户。 1 5 论文安排 本文着重研究无线局域网中基于i e e e 8 0 2 1i m a c 协议中的竞争窗口的算法。论文的第 一章介绍无线局域网的优点和应用等；第二章详细论述了无线局域网的标准、组网结构等； 第三章详细介绍了8 0 2 1 1 m a c 协议：第四章首先提出基于8 0 2 1 1 m a c 竞争窗口的一种 m a r k o v 链模型，列出了一些竞争窗口的算法，然后研究了其中的一种竞争窗口算法( f c r ) ， 并指出其不足；第五章介绍本文提出的改进算法( h f c r ) ，并进行仿真和对比分析；第六 章是全文总结，指出需要进一步研究的方向。 3 南京邮电大学硕七研究生学位论文 第二章i e e e 8 0 2 i1 标准 第二章i e e e 8 0 2 11 标准 2 1i e e e 8 0 2 1 1 标准概述 无线局域网从2 0 世纪9 0 年代出现以来市场的增长一直缓慢，主要的原因是传输的速 率较低且价格昂贵，特别是没有统一标准使得各个厂家的设备缺乏兼容性。针对标准缺乏 的现状，1 9 9 1 年，i e e e 成立了8 0 2 1 1 工作组，经过7 年的努力，1 9 9 7 年i e e e 开发了第 一个国际认可的无线l a n 标准：i e e e 8 0 2 1 1 。 历经十几年的发展，i e e e 8 0 2 1 1 家族已经从最仞的i e e e 8 0 2 1 1 发展到目前的 i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 1 b 、i e e e 8 0 2 1 1 n 等，具体内容如表2 1 所示。 表2 1i e e e 8 0 2 11 各工作组及任务 标准 内容 i e e e 8 0 2 1 lw l a np h y 和m a c 规范( 红外和2 4 g h z 无线电) w l a np h y 和m a c 规范，着重对工作在5 g h z 波段上无线局 i e e e 8 0 2 1 l a 域网物理层进行规范 制定工作在2 4 g h z 频段上的5 5m b p s 和1 1m b p s 高速w l a n i e e e 8 0 2 1l b 物理层和链路层规范 i e e e 8 0 2 1 1 ci e e e 8 0 2 11 m a c 层的桥接操作，现在该标准已经被并入8 0 2 1 l d 原有基于8 0 2 1 1 标准的无线局域网仅能够在几个国家使用，执 i e e e 8 0 2 1l d 行该协议的目的就是为了扩充8 0 2 1 1w l a n 在其他国家的应用 该标准主要目的是为了改进和管理w l a n 的服务质量，保证能 在8 0 2 11 无线网络上进行话音、音频、视频的传输、可视会议、 i e e e 8 0 2 1l e流媒体的传送、增强的安全应用及移动访问应用等8 0 2 1 l 高级应 用m a c 服务质量：该标准的原始部分还包括安全和认证，现在 已经将这部分编入8 0 2 1 1i 工作组的一部分 该标准是为了可以在多个厂商的无线局域网内实现访问互操 i e e e 8 0 2 1l f 作，保证网络内接入点之间信息的互换接入点互用性交互访问 该标准是对工作在2 4 g h z 频段8 0 2 11 b 标准的扩充，其目的就 i e e e 8 0 2 1l g是要制定更高传输速率的物理层规范，通过提高数据率，来增强 8 0 2 1 1 b 兼容网络的性台匕p l l 巴 和l 应用 i e e e 8 0 2 1l h增强型动态信道选择和传输功率控制 i e e e 8 0 2 11 i增强型安全和认证 i e e e 8 0 2 11 j扩展了5 g h z 微波的物理层及m a c 子层标准( 日本) 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i e e e 8 0 2 1 1 标准 i e e e 8 0 2 1 1 k基于无线局域网的微波测量规范 i e e e 8 0 2 11 l i e e e 8 0 2 1l m基于无线局域网的设备维护规范 i e e e 8 0 2 1i n高吞吐量的高速无线局域网规范( 1 0 0 m b p s ) 这里需要提到的是，在i e e e 8 0 2 1 1 x 系列标准中，涉及物理层的标准分别是 8 0 2 1 1 a f o g n ，8 0 2 1 l n 是唯一尚未制定完成的标准，当初制定i e e e 8 0 2 1 l n 的目的是要提 高无线局域网的传输性能，目标是达到1 0 0 m b p s 理论传输速率。 2 2i e e e 8 0 2 1 1 结构和类型 2 2 1i e e e 8 0 2 11 逻辑结构 i e e e 8 0 2 1 1 标准的逻辑结构如图2 1 所示，每个站点所应用的i e e e 8 0 2 1 l 标准的逻辑 结构包括一个单一l l c 层、m a c 层和多个p h y 中的一个【2 2 】。 l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r o ll a y e r ，逻辑链路控制层) 是i e e e 8 0 2 1 1 模型的最高层，提 供与传统数据链路控制协议相似的功能。 l l c m a c 跳频( f h s s )直接序列扩频( d s s s )红外线( i r ) p h yp h yp h ：y 图2 - 1i e e e 8 0 2 1 l 逻辑结构 1 i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层 m a c 层在l l c 层的支持下为共享介质物理层提供访问控制功能( 如寻址方式、访问 协调、帧效验序列生成的检查，以及l l cp d u 定界等) 。i e e e 8 0 2 1 l 标准采用c s m a c a 协议控制每一个站点的接入。关于c s m a c a 协议将在第三章进行讨论。 2 i e e e 8 0 2 1 1 物理层 i e e e 8 0 2 1 1 标准定义了三种不同的物理层：跳频( f h s s ) p h y 、直接序列扩频( d s s s ) p h y 和红外线( i r ) p h y 。 直接序列扩频的基本思想是选用一个伪随机序列( 即p n 序列) 对传送信息直接进行 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i e e e 8 0 2 1 1 标准 调制，p n 序列的速率心远远大于信息传输速率r ，传送信息的频带扩展了r r , 倍，解 扩时可获得r 足倍的信噪比增益。 根据调制方式的不同，直接序列物理层规定以下两个速率： 利用差分四相相移键控( d q p s k ) 调制的2 m b p s ： 利用差分二相相移键控( d b p s k ) 调制的1 m b p s 。 在d s s s 中，将2 4 g h z 的频宽划分成1 4 个2 2 m h z 的信道，邻近的信道互相重叠， 在1 4 个信道内，只有3 个信道是互相不覆盖的，数据就是从这1 4 个频段中的一个进行传 送而不需要进行频道之间的跳越。 与直接序列扩频相比，基于i e e e 8 0 2 11 的跳频p h y 把频段分成若干个跳频信道 ( f r e q u e n c yh o p p i n gc h a n n e l ) ，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列( 即一定的规 律，技术上称为“伪随机码”) 不断的从一个信道“跳 到另一个信道，只有收发双方是 按这个规律进行通信的，而其它的干扰不可能按同样的规律进行干扰。跳频的瞬时带宽是 很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成倍的扩展成宽频带，使干扰可能的影响变得 很小。i e e e 8 0 2 1 1 跳频的载频间隔是1 m h z ，跳频频率是十分之一秒一次。由于载频在一 秒内要跳十次用户如果不知道确切的跳频序列，根本无法对传输进行侦听，这无形中起 了加密的作用。 红外线物理层描述了一种在8 5 0 n m - 9 5 0 n m 波段运行的调制类型，用于小型设备和低 速应用软件。这种红外线物理层的基本数据速率是利用1 6 p p m ( 脉冲位置调制) 的1 m b p s 速率和利用4 p p m 的2 m b p s 的增强速率。基于红外线设备的峰值功率被限定为2 w 。 2 2 2i e e e 8 0 2 11 的主要部件 i e e e 8 0 2 11 网络包含4 个主要物理部件，如图2 2 所示【10 1 ，它们是： 1 ) 分布式系统 当几个a p 连接在一起构成一个更大的网络覆盖区域时，它们必须连接在一起以便跟 踪终点的移动。分布式系统是i e e e 8 0 2 1 1 的逻辑部件用来转发数据帧到其目的地。 i e e e 8 0 2 1 1 没有为分布式系统指定特定的技术方式，在很多商业化的产品中，分布式 系统通常由桥接功能的引挈和分布式系统介质组成。这个分布式介质作为主干网络在接入 点a p 之间进行帧的中继，因此，分布式系统也可简称为主干网络。在几乎所有的商业化 产品中，以太网通常作为主干网络技术来使用。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i e e e 8 0 2 1 1 标准 j i ； 玉j 夕皇 口 堪 幡 懈 拇 隶 图2 - 2i e e e 8 0 2 1 l 主要部件 2 ) 接入点a p i e e e 8 0 2 1 1 帧要想通过分布式系统传送到其它地方就必须进行类型转换，比如分布式 系统是i e e e 8 0 2 3 以太网，则转换方式为i e e e 8 0 2 1 1 一一i e e e 8 0 2 3 帧。称之为接入点的 a p ( a c c e s sp o i n t ) 就执行着无线有线间的桥接功能，当然a p 也含有其它功能，但桥 接功能是最主要的。 3 ) 无线媒介 为了把帧从一个终端节点传送到另一个终端节点，i e e e 8 0 2 1 1 标准使用无线媒介并且 定义了不同的物理层，比如为了支持i e e e 8 0 2 1 1 m a c 层，从一开始定义的两种射频物理 层和红外线物理层，到基于新标准的o f d m 物理层等。 4 ) 终端节点 建造网络的目的就是在终端节点之间进行数据传送。终端节点是含有无线网络接口的 计算设备，典型的终端节点一般是带有电池的膝上笔记本或手提电脑等。 2 2 3i e e e 8 0 2 1 1 拓扑结构 在i e e e 8 0 2 1 1 网络中，有以下四种拓扑结构： 独立基本服务集( i n d e p e n e n tb a s i cs e r v i c es e t ，i b s s ) 网络； 基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ，b s s ) 网络； 扩展服务集( e x t e n ds e r v i c es e t ，e s s ) 网络； e s s ( 无线) 网络。 i e e e 8 0 2 1 1 网络的基本要素是基本服务集( b s s ) ，它是由一组相互通信的节点组成， 节点的通信在一个基本服务区域进行，并且该区域是无线媒介的传播特征所决定。当节点 处在这个基本服务区域时，它可以和b s s 内的其它节点进行通信，基本服务集b s s 一般 分为3 种类型： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i e e e 8 0 2 1 1 标准 1 独立基本服务集( i b s s ) i b s s 没有中枢链路基础结构，它至少包括两个节点组成。在允许的范围内站点之间可 以直接进行通信，它不需要太多规划就能迅速建立，所以这类网络又称为自组网( a dh o c 网络) ，或又称为分布式无线网络。如图2 3 所示。 垒 图2 - 3i b s s 网络结构 i b s s 网络在没有预先存在的基础通信设施的环境下，各个无线节点彼此通信。在这种 网络结构中，无线节点之间以分布式的方式相互通信，网络中不存在某个节点进行中央管 理，这样就不会因为某个无线节点关机或是移出通信范围而造成整个系统传输上的问题。 在i b s s 网络中，由于没有一个特定的无线节点来将所需传输的数据从一个频段转移到另一 个频段，所以所有的数据发送与接受都使用的同一频段。这样按照无线网络的双工方式的 划分，所有的a dh o e 网络使用的都是时分双工方式。通常，分布式无线网络要求网络中任 意两个无线节点均可直接通信。在通信的时候，一般使用公用信道，各个无线节点都可竞 争使用公用信道，其媒体接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议大多采用载波监 测多址接入( c a r t i e rs e n s i n gm u l t i p l ea c c e s s ，c s m a ) 类型的多址接入协议。这种网络结 构的优点是抗毁性好、建网容易、而且费用比较低。但是当无线网络中的用户数( 无线节 点数) 过多时，对公用信道竞争成为限制网络性能的首要问题。并且为了满足任意两个无 线节点之间都可以直接通信，网络中无线节点的布局受环境限制较大，因此这种拓扑结构 比较适用于用户节点数目相对较少的情况使用。 2 基础实施服务集( i n f r a s t r u c e t u r eb s s ) 和i b s s 不同的是基础实施网络有一个无线接入点a p ，a p 负责基础实施网络内，如果一 个站点和另一个站点之间进行通信，则通信必须分为两步：首先，发送方把数据发给a p ， 然后a p 把收到的数据包转发给目的站点。因为所有的通信都经过a p ，所以基础实施网络 的服务区域变为节点可以从a p 进行数据传输的区域。尽管基础实施模式比a dh o e 模式的节 点直接通信占用了较多的传输资源，但是这种模式也有它自身的优点【3 2 】，如控制节点处于 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i e e e 8 0 2 1 1 标准 休眠模式等。 在基础实施网络模式中，节点必须和a p 建立连接( a s s o c i a t e ) 才能获得网络服务。连 接过程是节点加入8 0 2 1 1 网络的过程。包括信道搜索、加入、链路认证和连接等步骤，它 在逻辑上相当于节点用网线与以太网相连的过程，另外，在这类模式中，连接过程总是由 终端节点主动发起的，a p 可以选择接收或拒绝该连接，一个a p 可以支持多个节点通信， 节点个数受系统吞吐率大小控制。终端节点的连接过程如图2 4 所示【3 6 1 。 未鉴定通知 状态l ( 未鉴定、 未连接) 鉴定成功ii 未鉴定通知 状态2 ( 已鉴定、 未连接) 熊上f 未连接通知或重新连接士 状态3 ( 已鉴定、 已连接) 图2 4 节点与a p 连接过程状态转换图 基础实施网络也称为l a s t h o p l 网络或集中式无线网络，通常是一种使用无线方式连接网 络终端的有线网络。在这种结构的网络中，由无线接入点将整个网络的无线部分和有线部 分结合在一起。无线接入点以广播方式发给所有无线节点的下行数掘是可以被整个无线网 络中的所有的节点所接收到的，而无线节点发往无线接入点的上行线路信道是由所有节点 共享的。中央节点( 无线接入点) 的存在使得在制定m a c 协议上有着极大的灵活性。例如， 无线接入点可以根据节点所传输的业务对q o s 的具体要求来进行接入。集中式无线网络既 可以工作在时分双工模式下也可以工作在频分双工模式下。在这种网络中，所有的无线节 点对网络的访问均由无线接入点控制。这样，当网络中的业务量增大时，网络吞吐性能及 时延性能的恶化情况并不剧烈。由于每个无线节点只需在无线接入点的通信覆盖范围内就 可与其它无线节点通信。所以相较分布式无线网络而言，集中式无线网络布局受环境因素 的限制较小。 基础实施网络拓扑结构的弱点是抗毁性差，无线接入点的故障容易导致整个网络瘫痪， 而且无线接入点的引入增加了网络的成本。在实际应用中，这种结构的无线局域网往往与 有线主干网络结合起来使用，这时，无线接入点就充当无线局域网与有线主干网的转接器。 其网络结构如图2 5 所示。 9 | i nr _ | r9r * 捌2 - 5 基础实施网络结构 3 扩展服务集( e s s ) 单独一个服务集b s s 在一个小的办公室或家庭环境下已经足够了，但是它们却不能覆 盖更大的网络区域，为了提高网络的无线服务区域，i e e e 8 0 21 1 通过采用分布式系统( d s ) 把多个a p 相互连接起来的方法构成一个扩展服务集( e s s ) 。并且在实际网络环境中， 类似与蜂窝电话系统，为了提高持续、不间断的a p 覆盖区域，e s s 内的每个b s s 覆盖区 域是相互重叠的，如图2 - 6 所示。在一个e s s 内的节点，尽管它们不属于同一个b s s ，但 相互之间仍可以通信。 至空堡 垒。黛芍i 垒笛 p pi ( t o “s 8 9 4 l l j ” 幽2 - 6e s s 网络结构 另外还存在一种网络类型，叫e s s ( 无线) 网络。无线方式的e s s 网络如图2 7 所示， 这种方式与e s s 类似，也是出多个b s s 网络组成，所不同的是网络中不是所有的a p 都连 接在有线网络上，而是存在a p 没有连接在有线网络上。该a p 和距离最近的连接在有线 网络上的a p 通信，进而连接在有线网络上。当一个地区有w l a n 覆盖盲区且在附近没 有有线网络接口时，此时采用无线的e s s 网络可以增加覆盖范围。但是需要注意的是当 前大部分的a p 不支持无线的e s s 网络，只有一部分支持该功能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i e e e 8 0 2 11 标准 一 鲁磊二 。“- 一。圆 图2 7e s s 网络( 无线) 结构 2 3 无线局域网的互联结构 根据不同局域网的应用环境与需求的不同，无线局域网可采取不同的网络结构来实现 互联。常用的具体有如下几种【3 】： ( 1 ) 网桥连接型：不同的局域网之间互联时，由于物理上的原因，若采取有线方式 不方便，则可利用无线网桥的方式实现二者的点对点连接，无线网桥不仅提供二者之间的 物理与数据链路层的连接，还为两个网的用户提供较高层的路由与协议转换。 ( 2 ) 基站接入型：当采用移动蜂窝通信网接入方式组建无线局域网时，各站点之间 的通信是通过基站接入、数据交换方式来实现互联的。各移动站不仅可以通过交换中心自 行组网，还可以通过广域网与远地站点组建自己的工作网络。 ( 3 ) h u b 接入型：利用无线h u b 可以组建星型结构的无线局域网，具有与有线h u b 组网方式相类似的优点。在该结构基础上的w l a n ，可采用类似于交换型以太网的工作方 式，要求h u b 具有简单的网内交换功能。 ( 4 ) 无中心结构：要求网中任意两个站点均可直接通信。此结构的无线局域网一般 使用公用广播信道，m a c 层采用c s m a 类型的多址接入协议。 无线局域网可以在普通局域网基础上通过无线h u b 、无线接入站( a p ) 、无线网桥、 无线m o d e m 及无线网卡等来实现，其中以无线网卡最为普遍，使用最多。无线局域网的关 键技术，除了红外传输技术、扩频技术、网同步技术外还有一些其他技术，如：加解扰技 术、无线分集接收技术、功率控制技术和节能技术等。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章无线局域网的m a c 协议 第三章无线局域网的m a c 协议 3 1m a c 协议 3 1 1m a c 协议的类型 媒体访问控制( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议简称m a c 协议，是用来描述和 实施网上各站点的多址接入，以解决网中节点应以怎样的规则共享媒体才能保证满意的网 络性能的问题的。它涉及多址信道的分割、接入方式、分配策略和控制机制等多方面内容， 是局域网的关键技术之一，局域网的网络性能( 如吞吐量、时延性能、公平性等) 完全取 决于所采用的m a c 协议【3 】3 。 为了在给定的频段上实现多个站间的无线通信，常常需要划分出若干个子信道，以使 各站之间可同时通信。这种在一个固定频段上实现多个子信道的技术称为复用技术。另一 方面，多个站点共享一个固定频段进行通信的技术又称为多址接入技术。复用技术和多址 接入技术的区别在于复用是多路基带信号在基带信道上进行的，而多址接入是多个站点发 射的射频信号进行的射频信道共享。 在计算机通信中，用m a c 协议来描述和实施网上各站点的多址接入。常用的m a c 协 议主要有三类：固定分配类，如f d m a 、t d m a 、c d m a 等；随机竞争类，如a l o h a 、c s m a 等；预约类( 又叫做按需分配类) ，如令牌传递多址接入、查询选择多址接入等2 2 1 。 固定分配类m a c 协议 固定分配类m a c 协议把共享的一条信道分割成若干个相互独立的子信道，每个子信 道又分配给一个( 或多个) 用户节点专用。目前主要有三种多址接入方式实现固定分配类 m a c 协议，即频分多址接入( f d m a ) 、时分多址接入( t d m a ) 、码分多址接入( c d m a ) 。 这三种多址接入方式的原则是把共享的一条信道( 或线路) 分割成若干个相互独立的子信 道，每个子信道又分配给一个( 或多个) 用户节点专用。 随机竞争类m a c 协议 随机竞争类m a c 协议使用的传输媒体一般是广播式信道，连接在这条广播式信道上 的节点都可以向信道发送广播信息。如某节点有信息要发送，它将以某种方式竞争信道使 用权，一旦得到使用权便将信息发送出去：所有的节点都能接收到任一节点发送的消息， 如果检测出是发送给自己的则接收下来，否则丢弃。 随机竞争多址接入指如果有多个站点要求发送，则使用相互竞争的方式争夺信道使用 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章无线局域网的m a c 协议 权。这样，不可避免地发生信道中多个帧的碰撞。随机竞争类m a c 协议旨在制定竞争信 道的规则，研究如何避免碰撞的方法，尽可能提高吞吐特性与延迟特性。典型的随机竞争 类m a c 协议有a l o h a 、c s m a 及b a m a 等。 按需分配类m a c 协议 这种方法的基本原理是，网络按某种循环的顺序询问每个节点是否有数据发送，如果 有数据，则立即发送，否则网络转向询问下一个节点。依询问方式的不同，这种方法又可 以分为集中式控制和分布式控制两种类型。在集中式控制方法中，网中存在一个中心站， 由该站完成对网中各节点的询问控制过程；而在分布式控制方法中，网中各节点都有责任 按某种确定的规划对询问控制过程进行管理。常见的按需分配类m a c 协议有查询选择法 多址接入协议，令牌传输法多址接入协议等。这种协议特别适用于环形拓扑的网络结构。 由于它可保证最大传输时延的要求，故适用于对时延要求高的网络业务环境。 3 1 2m a c 协议的几个重要性能指标 一个m a c 协议在使用中是否可行? 如何对其性能作出定量的评估? 这对于设计、使 用协议非常重要。下面引入几个描述m a c 协议的重要指标【2 4 1 ：吞吐量、平均传输时延和 公平性等。理想的m a c 协议应该具有尽可能小的时延，尽可能高的吞吐量、公平性以及 支持多媒体( q o s ) 业务等特性。 ( 1 ) 吞吐量( s ) 当在信道上发生传输碰撞及传输错误时，必然导致帧的丢失，这时信道时间被浪费。 显然，信道时间浪费的程度可以反映m a c 协议的优劣。我们把单位时间内在信道上成功 传输的信息量定义为吞吐量。假设帧长为固定，长度为，比特，其单位时间内成功传输的 帧数为聆，则吞吐量可表示为n l b p s 。通常，用信道传输速率r ( b p s ) 对吞吐量归一化， 则归一化的吞吐量用表示，即 s ：丝：n t ( 3 1 ) r 这里r = 二r 为每帧在信道上的发送时间。 如果在信道上帧不发生碰撞，其帧间隙为零的话，信道将被最大限度地使用，这时 n l = r ，即吞吐量s = 1 ；相反，如果信道上所有的帧都发生碰撞，即成功传输的帧数门= 0 的话，吞吐量为最小值s = 0 。 ( 2 ) 平均传输时延( d ) 某一帧从进入缓冲器的时刻开始，至成功到达目的站点接收缓冲器的时刻为止的一段 1 3 南京邮电大学硕七研究生学位论文第三章无线局域网的m a c 协议 时间，称为该帧的传输时延。当某帧被成功地传输时，其延迟时间主要由发送等待时间( 即 为获得信道使用权的等待时间) 和该帧在信道上的传输时间组成。如果发生碰撞或传输错 误，延迟时间还包括由于重传而带来的延迟时间。由于每帧的传输时延可能不同，一般取 一帧的平均传输延迟作为帧延迟的量度。通常用一帧的传输时间( t ) 对平均传输延迟归 一化，该平均传输延迟用符号d 表示。 假设每帧从一产生就立即被发送到信道( 也就是说，发送等待时间为零) ，并且必定 一次发送成功。如果忽略信号在信道上的传播时延，则平均传输延迟最小，即d = l 。通常 随着总业务量的增加，发送等待时间及重传延迟会增大，导致平均传输延迟增大。 ( 3 ) 吞吐量特性和时延特性 对于一个给定的m a c 协议而言，可用吞吐量总业务量关系，即s g 关系来表示 吞吐量随总业务量的变化关系，该关系称为吞吐特性或吞吐量特性。理想的s g 关系应 为 s ：gg1(3-2) 【1 g l 也就是说，当g 小于信道传输速率时，在理想情况下，s = g ；而当g 大于等于信道 传输速率时，因为吞吐量不可能大于信道传输速率，故理想的吞吐量s = l 。在实际情况下， 如对随机竞争类多址接入协议而言，当g 较小时，s 可能随g 的增加而增加，但是当g 增 加到一定程度时，由于帧的碰撞导致s 减小。如果此时不采取措施减小g ，则由于大量的 重传帧和新产生的帧会使g 急剧增大，最后使系统瘫痪，即s = 0 。 另一方面，也可以用平均传输时延吞吐量关系来表征一个m a c 协议的延迟特性。 当s 较小时，因为发送等待时间较小，故平均传输时延也较小；当s 逐渐增大时，由于帧 在发送缓冲器内等待时间增加，平均传输时延也增大。 ( 4 ) 公平性( f ) 如果有多个用户要接入信道，而m a c 协议没有显示出对如何用户具有倾向性，则说 这个m a c 协议是公平的。具有公平性的m a c 协议可以使各个用户公平地共享信道资源 和带宽资源。 m a c 协议的公平性也可以用于解决具有不同优先级的业务。如果支持多媒体业务，则 公平性表现在分配的带宽正比于其数量。 ( 5 ) 支持多媒体 随着语言、视频和实践网络的融合，m a c 协议支持多媒体业务十分必要。协议需要基 于不同应用的帧处理机制，这些应用对延迟的要求各不相同。两种常用的方法是接入优先 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章无线局域网的m a c 协议 级( a c c e s sp r i o r i t y ) 法和接入预定( s c h e d u l i n g ) 法。接入优先指某些网络服务享有比其 它服务更高接入信道的优先权。接入预定可保证限定的延迟。 3 2c s m a 协议 在局域网中，站点可以检测到其它站点在干什么，从而相应地调整自己的动作。网络 站点侦听载波是否存在( 即有无传输) 并相应动作的协议被称为载波侦听协议( c a r d e rs e n s e p r o t o c 0 1 ) 。c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p e a c c e s s ) 协议是一种改进的随机竞争类m a c 协议， 在实际中得到广泛应用。 3 2 1c s m a 协议的工作原理 当任意一站点有帧要求发送时，首先限制帧的发送时刻，即虽然帧的产生是随机的， 但仅在某些特定的时刻才允许把它们发送出来。我们把信道传输时间按帧长丁为单位分成 一个一