（计算机应用技术专业论文）无线局域网接入算法公平性的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工科、计算机应用技术 研究方向：计算机通信与网间互连技术 作 者：2 0 0 7 级硕士研究生蕉缝 指导教师：童韵副塾拯 肿1 1 1 11 11 1 1 r l ml l l f f l r j i jr l j iiilii i i f y 17 5 4 8 8 8 题。目：无线局域网接入算法公平性的研究 英文题目：r e s e a r c ho nf a i r e n e s so f a c c e s sm e t h o di nw i r e l e s sl a n 主题词：无线局域网，退避算法，优先级，接入点 k e y w o r d s ：w l a n ，b a c k o f fa l g o r i t h m ，p r i o r i t y , a p 南京邮i u 人学硕 ：研究生学位论文 摘要 摘要 近几年，i e e e8 0 2 1 l 无线局域网得到迅速的发展，并已经被广泛的应用于人们的工作 和生活中。同有线网络相比，无线局域网的性能还是有很多不足，这除了其物理传输介质 的固有特点之外，m a c 协议是一个非常重要的因素。因此，对i e e e8 0 2 1 1m a c 层的性 能分析和改进具有非常重要的研究意义和应用价值。 通过研究i e e e8 0 2 1 1 协议，发现在网络拥塞情况下，8 0 2 1 1 协议的接入算法使得整 个网络的公平性比较差。针对这一问题，引入一种新的退避方法- - i d l es e n s em e t h o d ：该 算法根据空闲时隙个数动态地调整节点竞争窗口的大小c w ，并且每个节点拥有相同竞争 窗口，这种方法不但提高了网络的吞吐量而且极大地的提高了网络的公平性。并对i d l e s e n s em e t h o d 在网络节点少时竞争窗口偏大和a i d m 控制算法收敛速度和精确度等不足做 了一定的改进得到ei d l es e n s em e t h o d 。 同时，针对严重影响了无线局域网的性能的接入点瓶颈问题，进行了分析，并在ei d l e s e n s em e t h o d 基础上提出了改进方案e ( a p ) i d l es e n s em e t h o d ：通过提高接入点的优先 级从而解决了接入点的瓶颈；司题。理论分析和仿真结果证明这种方案可以有效提高无线局 域网的整体性能。 关键词：无线局域网，退避算法，优先级，接入点 南京邮电大学硕l j 研究生学位论文a b s t m c t a b s t r a c t i e e e8 0 2 1ib a s e dw i r e l e s sn e t w o r k sa r eb e c o m i n g i n c r e a s i n g l yp r e v a l e n ti nr e s e n ty e a r s t h e p e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sn e t w o r k si se x p e c t e dt ob ew o r s ec o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lw i r e d n e t w o r k si ng e n e r a l h o w e v e r , p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o ni sn o to n l yc a u s e db yi n h e r e n tw i r e l e s s c h a r a c t e r i s t i c s ，b u ta l s od u e t ot h ei n e f f i c i e n c i e sw i t h i nt h e m a c ( m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ) p r o t o c 0 1 a sar e s u l t ，t of u r t h e ri m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fi e e e8 0 2 11b a s e dn e t w o r k s ，i t r e m a i n sn e c e s s a r yt os t u d ya ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fi e e e8 0 2 11m a c p r o t o c 0 1 o nt h es t u d yo f8 0 2 11d c f , t h e r ei sas e r i o u s p r o b l e mo ff a i r e n e s si nt h ec o n g e s t i o n e n v i r o n m e n t i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e m ，an e wb a c k o f fa l g o r i t h mn a m e di d l es e n s em e t h o d i si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h i sm e t h o do b s e r v et h en u m b e ro fi d l es l o t sb e t w e e nt w o t r a n s m i s s i o na t t e m p t st oa j u s tv a l u eo ft h ec o n t e n t i o nw i n d o wc wa n de a c hn o d eh a sas i m i l a r v a l u eo f t h ec o n t e n t i o nw i n d o wc w h o w e v e r , t h ev a l u eo f + h ec o n t e n t i o nw i n d o wi st o ob i g w h e nt h en o d e si ss m a l la n dt h ea c c u r a c y a n dc o n v e r g e n c es p e e do ft h ea i m di sn o tg o o di nt h e i d l es e n s em e t h o d t or e s o l v et h i sp r o b l e ma ne n h a n c e dm e t h o db a s e di d l es e n s em e t h o dc a l l e d ei d l es e n s em e t h o di sp r o p o s e di nt h i sp a p e r s i n c e t h ew i r e l e s sa pi sab o t t l e n e c k i nw l a n s t h i sb o t t l e n e c ke f f e c t i v e l yc a u s e ss e r i o u s p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nw i h i nt h en e t w o r k i nt h i sp a p e r , t h ea pb o t t l e n e t w o r kp r o b l e m si n w l a n si sa n a l y z e da n da na p p r o a c h ec a l l e de ( a p ) i d l es e n s em e t h o di sp r o p o s e dt oa l l e v i a t e t h i sp r o b l e m v a r i o u st h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dr e l a t e ds i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d sc a ni n d e e di m p r o v ed c f p e r f o r m a c ei nw l a n k e yw o r d s ：w l a n ，b a c k o f fa l g o r i t h m ，p r i o r i t y , a p i i 。 ，。 一 。4。 南京邮电大学顾 ：研究生学位论文 缩略词 缩略词 r a p i a c k b e b c s m a c a c t s c w d c f d i f s f i f t p i e e e m a c n a v p c f i s s i f s e i f s a p p l c p a i m d c w d s s s 缩略词 英文全称 中文 w l a na u t h e n t i c a t i o na n d p r i v a c y 无线局域网鉴别和保密 i n f r a s t r u c t u r e基础结构 a c k n o w l e d g e确认 b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f f二进制指数退避算法 c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t h 载波侦听多点接入冲突 c o l l i s i o na v o i d a n c e 避免 c l e a rt os e n d 准备接收 c o n t e n t i o nw i n d o w竞争窗口 d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n 分布式控制 d i s t r i b u t e di n t e rf r a m es p a c ed c f 帧间隔 f a i r n e s si n d e x 公平指数 f i l et r a n s p o r tp r o t o c o l 文件传输协议 i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s 美国电气及电子工程师 e n g i n e e r s学会 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l 媒体接入控制 n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r 网络分配向量 p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n点协调功能 r e q u e s tt os e n d请求发送 s h o r ti n t e rf r a m es p a c e 短帧间隔 e x t e n d e di n t e rf r a m es p a c e 扩展帧间隔 a c c e s sp o i n t 接入点 p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o c e d u r e 物理层会聚协议 a d d i t i v ei n c r e a s e m u l t i p l i c a t i v e 一 线性增乘性减控制算法 c o n e c t i t i v ew i n d o w d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m i i i 竞争窗口 直接序列扩频 南京邮电大学硕l j 研究生学位论义 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 缩略词i i i 目：录i v 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 应用前景3 1 3 研究对象及创新点5 1 4 本文内容安排6 第二章无线局域网m a c 协议概述7 2 1 m a c 协议的功能7 2 1 1 分布式协调功能( d c f ) ：8 2 1 2 点协调功能( p c f ) ：j 1 3 2 2m a c 协议的性能指标1 4 2 2 1 吞吐量1 4 2 2 2 公平性：15 2 2 3 时延! - 1 6 2 3 相关研究1 6 2 3 1d c f 性能分析1 6 2 3 2d c f 协议的相关改进1 7 2 4 本章小结，1 9 第三章m a c 协议分析与改进2 0 3 1 随机退避机制2 0 3 2 空闲时槽感知的算法- - i d l es e n s em e t h o d 2 2 3 3i d l es e n s em e t h o d 的改进ei d l es e n s em e t h o d 2 9 3 3 1 竞争窗口的改进2 9 3 3 2a i m d 控制算法的改进3 1 3 4 接入点问题3 3 t v 南京邮i 乜人学硕i ：研究生学位论文目录 3 5 提高接入点优先级算法3 5 3 5 1 提高接入点优先级过程3 5 3 5 2 吞吐量的变化3 7 3 6 本章小结3 8 第四章仿真与分析4 0 4 1 吞吐量：4 l 4 1 1ei d l es e n s em e t h o d 吞吐量变化4 l 4 1 2 使用e ( a p ) i d l es e n s em e t h o d 后吞吐量变化4 3 4 2 公平性4 5 4 3 延迟性4 6 4 4 本章小结4 7 第五章总结与展望4 8 5 1 小结一4 8 5 2 展望4 9 致谢：5 0 参考文献j _ 5 1 已发表论文：5 5 v 南京邮电人学硕l j 研究生学位论义 绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 无线局域网【1 1 是以无线信道作为传输媒介的计算机网络，是一种区别于传统的有线方 式连接的数据通信系统。在无线局域网中，个人计算机与个人计算机，个人计算机与集线 器之间，以及打印机与集线器之间，以无线的方式进行连接。无线局域网的传输介质是电 磁波，与以往有线网络中的双绞线、同轴电缆或者光缆等传输介质相比，数据通过电磁波 进行传输是无线局域网中的计算机可以更方便的移动，从而能够解决有线网络中的一些问 题。 为了解决各种无线局域网设备互连的问题，美国电机电子工程师协会嘲( i e e e ) 推出 了i e e e8 0 2 1 l 无线协议标准。和其它i e e e8 0 2 标准一样，8 0 2 “主要工作在i s o 协议 的最低两层，也就是物理层和数据链路层【3 】如图1 1 ，它规定了统一的介质访问控制( m a c ， m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层协议和物理层协议。 8 0 28 0 2 1 8 0 2 2 逻辑链路毽( 乙乙乙一 结构篱琏 8 0 238 0 2 58 0 2l l 8 0 2 。38 0 2 5 8 0 2 1lm a e m a cm a c 8 0 2 1 l8 0 2 1 l8 0 2 ，l l a8 0 2 1 l b 8 0 2 1 l g f h s sd s s so f d md s s se r p 8 0 2 38 0 2 5 图卜l8 0 2 11 模型和o s i 模型的对照关系 8 0 2 1l a 扩充了8 0 2 1l 标准的物理层，规定该层使用5 4 g h z 的频段。其优势在于采用 该标准的无线局域网产品采用正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 的多载频调制技术，传输速率范围为6 - a b p s 到5 4 m p s 。在1 9 9 9 年9 月，i e e e 又提出了8 0 2 1 1 b 协议，用来对8 0 2 11 协议进行补充，协议主要在物理层上进行了一些改 动，加入了高速数字传输的特性和连接的稳定性，8 0 2 1 l b 在8 0 2 1 1 的1 m b p s 和2 m b p s 速 率下又增加了5 5 m b p s 和1 i m p s 两个新的网络传输速率。8 0 2 1 1 9 标准在原有8 0 2 1 1 b 的 南京邮l 包人学顾f ：研究生学位论文 绪论 基础上向前迈进了一步，采用了新的调制解调方式，通信速率可达到5 4 m b p s ，是8 0 2 1 1 b 标准的5 倍。但是以上协议主要对物理层进行了改进，m a c 层协议都是相同的。2 0 0 5 年 底i e e e8 0 2 1 1 e 正式成为标准，8 0 2 1 1 e 是i e e e 为满足服务质量方面的要求而制定的 w l a n 标准，它增加了对服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的定义。还有一些相关标准， 如：8 0 2 1 1 f 是为解决漫游问题而制定的接入点之间的协议；8 0 2 1 l i 标准对无线局域网安 全做了相应的扩展等等。 无线局域网从拓扑结构角度可以分为两类：带有基础设施的无线局域网( w l a n ， w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k s ) ( 单跳无线局域网) 和不带基础设施的无线自组织网( a dh o c n e t w o r k ) ( 多跳无线网络) 如图1 2 。 图1 - 2 带有基础设施的无线局域网和无线a dh o c 网络 在带有基础设施的无线局域网中，基站( b a s es t a t i o n ) 或者接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 负责无线局域网与有线网络的桥接。一个基站或者接入点与其通讯范围内的所有无线节点 构成一个基本的服务集( b s s ，b a s i cs e r v i c es e t ) ，b s s 内的所有无线节点与接入点连接， 通讯。当无线节点离开一个b s s 而进入另一个b s s 时，通过接入点之间的信息交换，可 以使无线节点不受妨碍的继续通讯。 不带基础设施的无线自组织网( a dh o cn e t w o r k ) 是一种独立的基本服务集( i b s s ， i n d e p e n d e n tb s s ) ，在可以直接通信的范围内，i b s s 中任一节点间可以直接通信而不需接 入点转接，其拓扑结构可以随时间动态变化，每个节点既是主机又具备路由功能，负责发 现并维护通往其它节点的路径。 有些文献中，把无线局域网( 包括带基础设施的和不带基础设施的) 统称w l a n 。本 文研究的对象主要是第一种类型带有基础设施的无线局域网。为了区分这两种结构，本文 用w l a n 特指带有基础设施的无线局域网，用a dh o c 网络特指不带基础设施的网络。 2 南京邮l 乜人学颂 ：研究生学位论义 绪论 决定无线局域网信道分配的协议属于数据链路层的子层，称为媒介访问控制m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层，m a c 层在局域网中的作用很重要。m a c 协议主要的功能 是规划媒介的使用，这个是通过信道接入机制实现的。一种信道接入机制是通过规范使用 信道，在节点间划分主要资源、无线信道的一种方法。这种接入机制能告诉节点什么时候 传输，什么时候被预期来传输数据。信道接入机制是m a c 协议的核心。 i e e e8 0 2 1 l 标准定义的分布式协调功能d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 实现 简单、性能优良，已经成为当前使用最广泛的一种无线局域网接入协议。8 0 2 1 1 d c f 是一 种基于时隙退避的c s m a 类型的接入协议，主要采用了一种二进制算法b e b ( b i n a r y e x p o n e n t i a lb a c k o f f ) 的退避机制，但是这种算法在网络吞吐量，公平性，时延等方面的性 能有待提高。所以针对传统接入算法的不足，许多研究者提出了很多不同的退避算法来完 成对信道的接入，这些算法在系统吞吐量、公平性、时延等各有特点，这些不同特点将在 第二章作详细介绍。 1 2 应用前景 在8 0 2 1 1 和w a p i 的【4 9 1 日益成熟和普及、安全性和稳定性提升明显的基础上，采用组 网灵活的无线局域网快速实现热点区域的数据网络覆盖技术应运而生( 4 9 1 ，无线局域网在热 点区域的带宽、应用优势明显，运营商规模行点普遍展开，无线局域网展示出广阔的市场 前景。 在应用上，传统媒体时代( 平面) 平面媒体、电视、广播、语音通话、短信等已逐步 向互联网( 宽带交互式通信) 时代转移，出现了如w w w 、电子邮件、既是通讯( q q 、 m s n ) 、协同办公、网上购物、视频通话、v o i p 、远程教学、流媒体等应用。在终端上， 大尺寸屏幕、综合性应用、高速数据接入( w i f i 己成为标准配置，且协议已大范围支持 8 0 2 1 l g ，最高可达5 4 m b p s ，部分已经开始支持8 0 2 1 l n ，速率可达1 0 8 m b p s ) 、通信协议 组合出现( 8 0 2 3 + 8 0 2 1l x 、3 g + 8 0 2 1 l x ) ，同时国内w a p i ( w l a na u t h e n t i c a t i o n a n dp r i v a c y i n f r a s t r u c t u r e ) 产业链也同益成熟。在技术上，w i f i 内置到芯片，低功耗的解决方案已实 现将自己的个人移动互联网真正随身携带。 因此，对于运营商来说，w l a n 业务具有重要的战略地位，w l a n 技术已成为移动 通信( 手机) 和计算机通信( 互联网) 的交汇点，具有不可质疑的市场潜在空间，w l a n 建设的关键是如何实现将现有网络与无线局域网及运营有效的结合起来，快速在热点区域 形成网络覆盖、业务覆盖、用户覆盖。将无线局域网的建设作为无线带宽的重要组成融入 到整个无线宽带网建设中即实现w l a n + 3 g 融合建设发展，有效实现3 g 忙区数据流量的 南京邮电大学硕l 研究生学位论义绪论 分流，充分发挥w l a n 建设成本优势，降低3 g 投资，通过统一的窄带拨号和宽带a d s l 、 l a n 、w l a n 等互联网业务的统一认证、计费、结算和管理平台，发挥捆绑优势稳定现有 客户，并提升用户感知。 在w l a n 建设组网上，为降低施工难度，加强后期的管理、维护控制能力，增加网 络组网的灵活性，其组网更趋向于由传统的胖a p 组网向瘦a p 组网( a c + a p ) 过渡，实 现对网络整体的统一管理和运营。 在网络建设上，3 g 网络是建设在蜂窝架构上的，最适于支持移动环境中的数据服务， 可向用户提供了全网络覆盖的移动性，但受制于宝贵的频点资源，且3 g 新建和扩容成本 高昂，其可提供用户使用的带宽非常有限，且无法有效解决用户高度集中区域的数据需求。 随着3 g 用户数据业务量的快速上升，移动互联网仅依靠3 g 网络来承载“宽屏终端”的 “无线宽带业务”已捉襟见肘。相反，w l a n 做为用户集中的热点区域的数据解决方案， 能很好地提供高流量的数据服务，研究w l a n 网络覆盖范围和移动能力，就能看出 w l a n 并不是、也不可能成为3 g 的竞争对手，w l a n 的低带宽价格和有限的覆盖范围， 使其成为3 g 网络的一个很好的补充。单位带宽下w l a n 的建设成本大约是3 g 的1 5 到 1 1 0 ，且终端早已支持w i f i 或w a p i ，w l a n 无论在局端设备还是终端设备都具备明显 的成本优势，将长期与3 g 网络并存。 在业务提供上，3 g 和w l a n 在业务提供能力和网络覆盖上具有很强的互补性，w l a n 将作为3 g 网络的补充，特别是在室内的场景下，w l a n 可以做有效的数据分流，节省运 营商室内覆盖的投资。3 g 网络在室外广阔的范围提供中高速数据业务，w l a n 在局部热 点区域提供高速数据接入，通过疏导热点的数据流量，提升网络质量，改善用户体验。如 在学校，在有线未覆盖的区域，采用w l a n 能有效地支持多媒体交互式教学等高带宽业 务，在商场、街道等公共区域能通过3 g 的广覆盖实现适时业务的使用，如网上炒股、移 动办公。 虽然目前3 g + w l a n 终端仅限于笔记本电脑和数据卡，但随着政策的放宽，手机提供 的话音及其他3 g 业务将在未来逐步成为3 g + w l a n 的重点市场，各运营商已经开始推进 3 g + w l a n “融合”的组网方式。例如，c + w 、t d + w l a n 业务的相继出现，在终端、业 务上融合了w l a n 和3 g 功能但由于目前运营商的w l a n 和3 g 网络采用分开建设的方 式，用户在网络切换时候需要手动选择，无法做到平滑漫游，运营商目前还处于初级融合 阶段。随着融合的深入，w l a n 和3 g 两者的融合，更为重要的体现是满足用户通过w l a n 接入时能够访问移动网络中的增值业务。 另外，现在，新型网络“物联网的发展正在如火如荼的进行着，而无线局域网是实 4 两京邮i u 人学坝l 研冗生学位论义绪论 现“物联网”必不可少的基础设施，安置在动物、植物、机器和物品上的电子介质产生的 数字信号可随时随地通过无处不在的无线局域网传送出去。而运营商建设的以3 g 为主体、 以w l a n 为重要补充的无线宽带数据网将成为“物联网”的最佳承载平台。 w a p i 作为中国自主知识产权w l a n 技术的代表，在未来的“物联网”发展前景更为广 阔。w a p i 的技术核心是三元对等鉴别，接入点和终端都有数字证书作为独立的身份标识， 完全可以满足“物联网”概念中对“物”身份识别的需要，是r f i d 等射频身份识别技术还未 完全成熟的情况下最理想的低成本实现方式。而且其安全架构在“物联网”领域内也有非常 大的发展前景，嫁接射频身份识别功能后也可以成为中国自主知识产权的r f i d 技术的基 础。 1 3 研究对象及创新点 i e e e8 0 2 1 l 系列标准是应用最广泛的无线局域网标准，其m a c 层协议通过对竞争窗 口的控制调整每个竞争节点接入信道之前的退避时间，来减小不同竞争节点之间发生冲突 的概率。但是i e e e8 0 2 1 1 系列标准原有的m a c 层协议中的指数退避算法及其参数使得无 线局域网在吞吐量和公平性方面都存在一定的局限性，尤其在网络节点数量较大时尤为明 显：另外针对带有接入点的无线局域网，所有节点只能和接入点直接通信，无线节点间的 相互通信必须通过接入点转发，接入点和其它无线节点一样都需要竞争信道，而且具有相 同的优先级，这就导致接入点成为无线局域网的瓶颈，从而降低了网络性能。 本论文的创新点如下： 针对带有接入点的无线局域网引入一种新的退避力法：空闲时槽感知的方法( i d l e s e n s em e t h o d ) ，并对i d l es e n s em e t h o d 进行了一定的改进得到ei d l es e n s em e t h o d ，接着 针对接入点成为无线局域网的瓶颈问题，通过进一步的改进方法e ( a p ) i d l es e n s em e t h o d 提高接入点的优先级，从而得到较高的吞吐率及一定的公平性。 传统的m a c 协议采用二进制指数退避算法避免坩蓬，当节点成功传输数据后或者企 图传输数据的次数达到极限值，就将它的竞争窗口重设为它的最小竞争窗e 1 。然而竞争窗 口的重设机制会引起竞争窗口的很大变化，每个节点在重新传输数据之前都将它们的竞争 窗口设为最小值，这对于重负载网络来说，会造成它的竞争窗口太小，将导致更多的冲突 发生，降低整个网络的性能。 i d l es e n s em e t h o d 的退避方法根据空闲时槽的数目动态地调整竞争窗口的大小，对每 个节点来说，它的最佳竞争窗口相对于空闲时槽是收敛的，因此每个节点可以根据连续空 闲时槽数目确定一最佳竞争窗口，从而提高整个网络的吞吐量和公平性。但是i d l es e n s e 5 南京邮电大学硕l 研究生学位论文绪论 m e t h o d 在竞争节点相对比较少的情况下通过a i m d 控制算法得到的竞争窗口过大，并且 a i m d 控制算法精确度和收敛速度不高，针对这些不足，在i d l es e n s em e t h o d 基础上提出 了改进：ei d l es e n s em e t h o d 。 另外针对接入点的瓶颈问题，在ei d l es e n s em e t h o d 的基础上进行了改进：e ( a p ) i d l e s e n s em e t h o d ，通过对接入点和其它无线节点设置不同最优空闲时隙个数的目标值，从而 使接入点得到较小的竞争窗口，提高了接入点的优先级，最终提高整个网络的吞吐量。 1 4 本文内容安排 第一章绪论。首先对本文的研究背景以及应用前景做了概述，接着描述了本文的研究 对象和创新点。 第二章无线局域网m a c 协议概述部分。分别描述了m a c 协议的特征、性能指标以 及面临的问题和挑战。对目前对m a c 协议的一些研究和改进做了分类，分析了每一类中 较有代表性的m a c 协议的优缺点。 第三章m a c 协议的分析和改进。针对传统退避机制，引入一种新的退避方法i d l e s e n s em e t h o d ，i 并对i d l es e n s em e t h o d 退避算法做了一定的改进：ei d l es e n s em e t h o d ，针 对接入点的瓶颈问题，提出了e ( a p ) i d l es e n s em e t h o d ，提高了接入点的优先级，最终 提高整个网络的性能。本章先对传统的退避算法原理及特性进行阐述并进行理论指导，接 着对i d l es e n s e m e t h o d 原理进行了解释，针对不足之处提出改进措施并进行分析，然后对 无线局域网接入点瓶颈问题进行理论分析、量化，并对新的改进方法进行理论分析。 第四章对第三章的内容进行模拟验证。首先介绍n s 2 网络模拟系统，然后对仿真结果 进行性能分析，验证改进的新算法。 第五章是对全文的总结并对将来工作做出展望。 6 南京邮电大学硕t ： i j f 究生学位论文第二章无线局域网m a c 协议概述 第二章无线局域网m a c 协议概述 对于无线局域网而言，由于频率资源的限制，如何控制对共享信道的接入，将是数据 链路层的一个特殊子层媒体接入控制( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层的主要任 务。从技术上讲，m a c 层处在无线局域网协议栈的底层，m a c 层协议设计的好坏，直接 影响到了其上层协议的运行，一个好的介质访问控制协议应该是简单的、有效利用信道的， 对网上各站点用户是公平合理的。本章将介绍m a c 协议应具备的功能以及评价m a c 协 议的指标，并通过对一些改进算法机制分析研究，为下文针对m a c 协议的改进提供理论 基础。 2 1 姒c 协议的功能 按照o s i 模型介质访问控制( m a c ) 功能应归于数据链路层介质访问控制子层管理， 它的主要功能是进行合理的信道分配，解决信道竞争问题，介质访问控制( m a c ) 决定局 域网的主要性能【4 1 。 m a c 协议的首要任务就是控制介质访问。i e e e8 0 2 1 1 中定义了两种控制介质访问的 方法( 1 ) 分布式协调功能( d c f ，d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ；( 2 ) 点协调功能( 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 ) 。d c f 只提供异步数据服务，而p c f 既提供异步数据服务，也 提供延迟受限的服务，此时需要一个接入点来控制介质访问，避免冲突。m a c 协议的基 本体系结构如图2 1 所示 ： 捉 图2 - 1i e e e8 0 2 1 l m a c 协议的基本框架 7 南京邮电大学硕i ：研究生学位论义第二章无线局域l 旬9m a c 狮议 c 述 在i e e e8 0 2 1 l 中，为了尽量避免碰撞，所有的站在完成发送后，必须等待一段很短 的时间( 继续监听) 才能发送下一帧，这段时间通称是帧间间隔( i f s ，i n t e r f r a m es p a c e ) 通过定义不同的帧间隔时间i f s 来区分对介质访问的优先级。i f s 的长短取决于该节点打 算发送的帧的类型。高优先级需要等待的时问短，因此可先获得发送权，而低优先级帧就 必须等待较长的时间。若低优先级的节点还没来得及发送，而其它的高优先级已发送到媒 体，则媒体变为繁忙状态，因而低优先级的帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰 撞的机会。下面是几种常用的i f s ： s i f s ( s h o r ti f s ) ：s i f s 是最短的i f s 。当节点获得信道控制权，为了帧交换序列继 续保持信道控制，这时就使用s i f s ，提供最高优先级。 p i f s ( p c fi f s ) f 当节点在p c f 模式下，为了在非竞争周期开始时获得信道访问控 制优先权而使用的。一旦在这个时间内侦听到信道空闲，就可以进行中心控制方式的无竞 争的通信。 d i f s ( d c fi f s ) ：节点在d c f 方式下传输数据帧和管理帧使用的时间间隔。如果载 波侦听机制确定在正确接收到帧之后的d i f s 时间间隔中，信道是空闲的，而且退避时间 已经过期，节点将进行发送。 e i f s ( e x t e n d e di f s ) ：d c f 方式下用于接收数据错误的情况下等待时间，可以给发送 站点足够的时间提出出错理由，并重新发送出数据。 这些帧间间隔从时间长度上决定的优先级顺序为：s i f s p i f s d i f s e i f s 。 2 1 1 分布式协调功能( d c f ) 在i e e e8 0 2 1 1 m a c 协议中，分布式协调功能d c f 是最基本的信道接入机制。无论 是独立的基本服务集( i b s s ) ，还是无基础设施的网络( a dh o c 网络) ，d c f 都需要在所 有节点中执行。 d c f 是一种基于载波侦听多点接入碰撞避免c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s w i t hc o l l i s o na v o i d a n c e ) 策略的随机接入机制，它包括访问模式：基本访问方法( b a s i c a c c e s sm e t h o d ) 和可选的r t s c t s ( r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d ) 访问方法【5 1 。 ( 1 ) 基本访问方法 在基本访问方法中，如图2 2 节点b 要发送数据帧时，首先通过侦听信道确定是否有 其它节点正在发送数据。如果信道是空闲的并持续d i f s 时间，这个节点就开始发送。如 果信道被侦听到是忙状态，这个节点将坚持侦听直到信道空闲一个d i f s 时间，然后产生 一个随机的退避时间( b a c k o f f t i m e ) ，并保存在一个计数器。随后，在每个时隙中，如果 8 南京邮i 乜人学硕l 二研究生学位论文 第二章无线局域网m a c 协议慨述 信道为空闲状态，退避时间计数器将减l ，直到退避时间计数器减到0 时，这个节点丌始 发送数据帧；在退避过程中，如果在某个时隙中信道上有其它节点发送，退避时间计数器 将被冻结( f r e e z e ) ，退避过程暂时中断，直到信道重新变成空闲状态并持续d i f s 时间后 再次被激活。目标节点c 成功收到一个数据帧后，经过一个s i f s 时间后，向源节点b 发 送一个确认帧( a c k ) ，如果源节点b 在超时( a c k - t i m e o u t ) 设置的时间内收到a c k ， 则认为数据帧发送成功，否则，认为数据帧发送失败并进行重发。 l b回。 一 | ；b ；l i d il 回d a t a | ： ： ：li ： ：i _ _ _ l _ j l 一- _ l ： 图2 - 2d c f 的基本访问模式 基本访问方式访问方式中存在隐藏站问题如图2 - 3 ( a ) 矛d 暴露站问题如图2 - 3 ( b ) 。图2 3 中画有4 个无线移动站，并假定无线电信号传播范围是以发送站为圆心的一个圆形面积。 图2 - 3 ( a ) 表示站b 和d 都想和c 通信。但a 和c 相距较远，彼此都接收不到对方发 送的信号。当b 和d 检测不到无线信号时，就以为c 疋j 二闲的，因而都向c 发送自己的 数据。结果c 同时收到a 和c 发来的数据，发生了碰撞。可见在无线局域网中，在发送 数据前未检测到媒体上有信号还不能保证在接收端能够成功接受到数据。这种未能检测出 媒体上已经存在的信号的问题叫做隐藏站问题。 图2 - 3 ( b ) 给出了另外一种情况。站b 向a 发送数东；而c 又想和d 通信。但c 检测 到媒体上有信号，于是就不敢向d 发送数据。其实b 向a 发送数据并不影响c 向d 发送 数据。这就是暴露站问题。在无线局域网中，在不发生干扰的情况下允许同时多个移动站 进行通信。 9 南京邮电大学顾。 ：研究生学位论文 第一二章无线局域网m a c 协 义概述 ( a ) 隐藏站问题 ( b ) 暴露站问题 图2 - 3 隐藏站和暴露站 ( 2 ) r t s c t s 访问方式删 r t s c t s 即发送允许协议，是发送站和接收站之间以握手方式对信道进行预约的一种 常用方法，主要来解决d c f 基本访问方式存在的隐藏站问题。 解决隐藏