畢業(yè)設計（論文）IEEE802.11無線局域網媒體訪問控制機制研究

1、ieee802.11 無線局域網媒體訪問控制機制研究 楊千里 摘 要 本文所研究的dfs算法是在無線局域網現有的802.11 mac層訪問機制的基礎 上，運用循環(huán)隊列的思想提出的一種完全分布式的公平隊列調度算法，該算法通過修 改802.11的mac層中的dcf(distributed coordination function)子協(xié)議，實現了在分布式 環(huán)境下控制802.11節(jié)點公平地訪問無線鏈路資源。本文通過仿真對算法進行了分析和研 究，仿真結果表明該方法可以在一定范圍內實現公平隊列調度。 關鍵詞 ieee802.11，無線局域網，分布式協(xié)調功能，點協(xié)調功能，分布式公平調度 abstract

2、dfs algorithm is a type of distributed queue scheduling algorithm. based on the access mechanism of 802.11 mac layer which is recent used in the wireless local networks, dfs algorithm adopts the idea of round robin queue. through modifying the dcf sub- protocol of 802.11 mac layer, it achieve the pu

3、rpose of controlling 802.11 node to access wireless line resource fairly in the distributed environment. in this article, the author did some analyses and researches to this algorithm by simulation. the simulation results show that the dfs algorithm can carry fairly queue schedule in some areas. key

4、words ieee802.11, wireless lan, dcf, pcf, dfs 目錄 abstract.- 1 - 摘要 .- 1 - 引引言言.- 4 - 第第 1 章章緒論緒論.- 5 - 1.1 無線網絡的發(fā)展及研究現狀.- 5 - 1.2 研究內容.- 5 - 1.3 研究意義.- 5 - 1.4 論文的研究方法及結構.- 6 - 第第 2 章章無線局域網介紹無線局域網介紹.- 7 - 2.1 無線局域網的概念.- 7 - 2.2 無線局域網的主要標準.- 7 - 第第 3 章章ieee802.11 標準標準 .- 10 - 3.1 ieee802.11mac 相關技術.-

5、 10 - 3.1.1載波檢測機制.- 10 - 3.1.2 幀間間隙(ifs).- 10 - 3.1.3退避程序.- 10 - 3.1.4 rts/cts 握手協(xié)議.- 11 - 3.2 ieee802.11mac 訪問媒體的機制.- 13 - 3.2.1分布式協(xié)調功能 dcf.- 13 - 3.2.2點協(xié)調功能 pcf.- 15 - 第第 4 章章ieee 802.11dcf 訪問機制改進訪問機制改進.- 16 - 4.1 ieee 802.11dcf 訪問機制改進方法.- 16 - 4.1.1 edcf.- 16 - 4.1.2 dfs .- 16 - 4.1.3 blackburst.

6、- 16 - 4.2 研究方向.- 16 - 4.2.1循環(huán)區(qū)間的選擇和cw 循環(huán)變化的規(guī)則.- 17 - 4.2.2帶寬分配權值的實現.- 17 - 4.2.3分組長度的考慮.- 18 - 4.2.4碰撞.- 18 - 4.2.5dfs算法.- 18 - 第第 5 章章 dfs 接入機制仿真接入機制仿真 .- 20 - 5.1 仿真拓撲與仿真參數.- 20 - 5.2 系統(tǒng)的框架.- 21 - 5.2.1模塊.- 21 - 5.2.2mac模塊.- 22 - 5.2.3、同步調度模塊.- 22 - 5.3 數據流圖.- 22 - 5.3.1主程序流圖.- 22 - 5.3.2同步調度模塊.-

7、 23 - 5.3.3 sta模塊.- 24 - 5.3.4 mac模塊.- 25 - 第第 6 章章dfs 性能分析性能分析 .- 28 - 6.1 公平性仿真.- 28 - 6.2 p1 和 p2 的選擇對算法的公平性的影響.- 29 - 6.3 對網絡吞吐量的影響.- 30 - 總結總結.- 31 - 謝辭謝辭.- 32 - 主要參考文獻.- 33 - 引言 無線局域網(wlan)是通信中新興的一種方式，是有線網絡的延伸，在 wlan 的 應用中，也期望像有線網一樣能夠進行帶寬分配。wlan 目前的主要應用是作為用戶 接入網絡，采用 802.11 媒體訪問控制(mac)協(xié)議，所有接入 w

8、lan 的節(jié)點競爭使用同 一個局域網無線鏈路資源。因此，需要一種隊列調度算法來保證所有節(jié)點訪問無線鏈 路資源的公平性。 dfs算法在無線局域網現有的802.11 mac層訪問機制的基礎上，運用循環(huán)隊列的 思想提出了一種完全分布式的隊列調度算法，該算法通過修改802.11的mac層中的 “分布式協(xié)調功能”(distributed coordination function：dcf)子協(xié)議，實現了在分布式 環(huán)境下控制802.11節(jié)點的公平訪問無線鏈路資源的目的。 第章介紹無線局域網基本知識 第章介紹 ieee802.11 基本知識 第章介紹本文研究的算法 第章仿真程序的系統(tǒng)分析 第章仿真結果分析

9、最后就是總結、謝辭和參考文獻。 第 1 章緒論 1.1 無線網絡的發(fā)展及研究現狀 近年來，隨著無線局域網標準、技術的發(fā)展，無線局域網產品逐漸成熟，無線局 域網得到了業(yè)界以及公眾的熱情關注，無線局域網的應用也逐漸發(fā)展起來。相對于藍 牙、3g 等無線技術，無線局域網正成為當前無線領域中一個引人關注的熱點，對可攜 帶、可移動的計算機或工作站的需求不斷增長。而 wlan（wireless local area network）以其高靈活性、緊急狀況下的健壯性被廣泛應用。無線局域網不僅可以實現 許多新的應用，還可以克服線纜限制引起的不便性，解決某些特殊區(qū)域無法布線的問 題。目前，無線局域網已經被廣大用戶

10、作為一般目的的網絡連接來使用，很多場所都 配置了 wlan，例如：大學校園、公司等。wlan 現有的標準有很多，例如： ieee802.11、hiperlan、bluetooth 等。但是應用最為廣泛的是 ieee802.11。ieee 802.11 的 mac 層訪問機制中最常用的是分布式協(xié)調功能 dcf（distributed coordination function） 。dcf 包含兩種機制：（1）缺省的 csma/ca， （2）一種解決 隱藏終端問題的可選方法。然而這兩種機制都分別存在一些問題，影響了無線網絡的 性能，造成了一定的信道帶寬損失。 1.2 研究內容 802.11 協(xié)議中

11、的 mac 層 dcf 功能完全是分布式控制的模式，其控制節(jié)點的訪問 速率(或者說訪問的頻率)主要有兩個因子： cw 和 backof 時間。backofr 時間是在 (0，cw)這個區(qū)間均勻分布的，所以，如果 cw 較大，則節(jié)點隨機選取得 backof 時間 就可能比較長，就會獲得比較低的訪問媒介的概率；相反，如果 cw 值較小，則 backof 可能選取得較小，這樣就可以獲得比較高的訪問媒介的概率。distributed fair scheduling 算法就是通過修改 dcf 功能，按照一定規(guī)則來動態(tài)改變 cw 的值，使得節(jié) 點訪問媒介的概率能夠按照一定預定的權值分散開來，從而獲得 wl

12、an 中的公平隊列 調度的性能。我的工作就是編寫一個程序仿真 distributed fair scheduling 算法的行為。 1.3 研究意義 隨著計算機技術和數字通信技術的發(fā)展，計算機網絡也逐漸向高速、多業(yè)務、靈 活可變的方向發(fā)展。無線局域網wlan(wireless localarea network)已經成為計算機網 絡技術發(fā)展的熱點，ieee 802.11是無線局域網的國際標準，隨著ieee 802.11協(xié)議的推 廣，不但計算機網絡支持移動技術，很多終端設備也將配有無線接口;另一方面，多媒 體技術的應用對網絡通信的質量提出了很高的要求，在無線網絡的環(huán)境下，如何保證 多媒體通信的q

13、os(quauty ofservice)，包括吞吐量、丟包率、時延、時延抖動等等，已 經成為研究802.11協(xié)議的新方向。 1.4 論文的研究方法及結構 本文采用仿真程序對 802.11edfs 協(xié)議進行了研究。首先全面掌握并理解 dfs 協(xié)議，然后根據自己的理解做出仿真程序。再利用仿真程序對 dfs 協(xié)議的性能進行比 較詳盡的分析和研究。最終通過仿真數據得到性能分析的結果。本文的主要工作如下： 分析 dfs 協(xié)議，并實現了程序的仿真。 本文的第二章詳細的介紹無線局域網；第三、四章詳細介紹 802.11 及 dfs；第五 章對協(xié)議進行分析，并介紹仿真程序的實現機制；第六章對仿真數據進行定量分析

14、， 并通過對數據的分析得到性能分析結果；最后總結全文，并提出將來的工作的方向。 第 2 章無線局域網介紹 2.1 無線局域網的概念 無線局域網(wireless local network，wlan)，顧名思義，是一種利用無線方式， 提供無線對等(如 pc 對 pc、pc 對集線器或打印機對集線器)和點到點(如 lan 到 lan)連接性的數據通信系統(tǒng)。wlan 代替了常規(guī) lan 中使用的雙絞線或同軸線路 或光纖，通過電磁波傳送和接收數據。wlan 執(zhí)行像文件傳輸、外設共享、web 瀏 覽、電子郵件和數據庫訪問等傳統(tǒng)網絡通信功能。 與有線局域網相比較，無線局域網具有開發(fā)運營成本低、時間短，投

15、資回報快， 易擴展，受自然環(huán)境、地形及災害影響小，組網靈活快捷等優(yōu)點。可實現“任何人在 任何時間，任何地點以任何方式與任何人通信” ，彌補了傳統(tǒng)有線局域網的不足。隨著 無線網標準的制定和推行，無線局域網的產品將更加豐富，不同產品的兼容性將得到 加強?，F在無線網絡的傳輸率已達到和超過了 10mbps，并且還在不斷變快。目前無線 局域網除能傳輸語音信息外，還能順利地進行圖形、圖像及數字影像等多種媒體的傳 輸。另一方面無線局域網雖然以空氣為介質，傳輸的信號可跨越很寬的頻段，數據不 容易被竊取，保證了網絡傳輸的安全性。隨著無線通信技術的發(fā)展和對無線局域網通 信速率要求上的不斷提高，無線局域網的標準也在

16、不斷發(fā)展，總的趨勢是數據速率越 來越高、安全性越來越好、服務質量越來越有保證。 2.2 無線局域網的主要標準 為了讓 wlan 技術能夠被廣為接受和使用，必須要建立一種統(tǒng)一的標準，以確 保各廠商生產的設備都能具有兼容性與穩(wěn)定性。這些標準定義了無線通訊的物理層 （physical/phy layer）以及媒介存取控制層（media access control/mac layer） 。各種 新標準的迅速發(fā)展，展現了無線局域網領域旺盛的創(chuàng)造力和無限的發(fā)展機遇。wlan 現有的標準有很多，例如：ieee 802.11、hiperlan、bluetooth 等。其中應用最為廣 泛的標準是基于 ieee

17、 802.11 協(xié)議的系列標準。 1990 年 ieee802 標準化委員會成立 ieee802.1無線局域網(wlan)標準工作組。 ieee802.11 無線局域網標準工作組任務為研究 1mb/s 和 2mb/s 數據速率、工作在 2.4ghz 開放頻段的無線設備和網絡發(fā)展的全球標準，并于 1997 年 6 月公布了該標 準，它是第一代無線局域網標準之一。該標準定義物理層和媒體訪問控制(mac)規(guī)范， 允許無線局域網及無線設備制造商建立互操作網絡設備。在 802.11 系列標準中，涉及 物理層的主要有 4 個標準：802.11、802.11b、802.11a、802.11g。根據不同的物理

18、層 標準，無線局域網設備通常被歸為不同的類別，如常說的 802.11b 無線局域網設備、 802.11a 無線局域網設備等。 ieee 802.11 802.11 是 ieee 最初制定的一個無線局域網標準，主要用于實現辦公室局域網和 校園網中用戶的無線接入，業(yè)務主要限于數據存取，速率最高只能達到 2mbps。由于 它在速率和傳輸距離上都不能滿足用戶日益增長的需求，ieee 又相繼推出了 802.11b，802.11a 和 802.11g 三個新標準。 ieee802.11b ieee802.11b 工作于 2.4ghz 頻帶，使用直序擴頻方式和補碼鍵控，物理層支持 5.5 mbps 和 11

19、 mbps 兩個新速率。它的傳輸速率可因環(huán)境干擾或傳輸距離而變化， 在 11 mbps、5.5 mbps、2 mbps、1 mbps 之間切換，而且在 2 mbps、1 mbps 速率時 與 ieee802.11 dsss(直接序列擴頻)系統(tǒng)交互操作，但不能與 1mbps 和 2mbps 的 802.11 fhss（跳頻擴頻）系統(tǒng)交互操作。 ieee802.11a ieee802.11a 工作于 5ghz 的頻帶，它采用 ofdm(正交頻分復用)技術，物理層 速率可達 54mbps，這就基本滿足了現行局域網絕大多數應用的速度要求。而且，對數 據加密方面，采用了更為嚴密的算法。但是，ieee80

20、2.11a 芯片價格昂貴、空中接力 不好、點對點連接很不經濟?？罩薪恿褪禽^遠距離點對點的傳輸。需要注意的是， ieee802.11b 和工作在 5ghz 頻帶上的 ieee802.11a 標準不兼容。 ieee802.11g 2002 年 11 月 15 日，ieee 試驗性地批準一種新技術 ieee802.11g，使無線網 絡傳輸速率可達 54mbps。802.11g 是對 802.11b 的一種高速物理層擴展，同 802.11b 一樣，802.11g 工作于 2.4ghz ism 頻帶，但采用了 ofdm 技術，可以實現最高 54mbps 的數據速率，與 802.11a 相當；并且較好地

21、解決了 wlan 與藍牙的干擾問 題。802.11g 與已經得到廣泛使用的 802.11b 是兼容的，這是 802.11g 相比于 802.11a 的優(yōu)勢所在。由于 802.11g 標準尚未完成，而符合 802.11a 標準的產品已經 出現，相信 802.11a 將會得到較快發(fā)展，在一定程度上占據先機。 在 mac(媒體接入控制)層，802.11、802.11b、802.11a、802.11g 這四種標準在媒 體訪問控制(mac)層均采用的是 載波偵聽多路訪問避免沖突 csma/ca(ca：collision avoidance，沖突避免)，這有別于傳 統(tǒng) 以 太 網 上 的 csma/cd(

22、cd:collision detection ， 沖 突 檢 測 ) ，csma/ca 相關內容在 802.11 標準中定義，802.11b、802.11a、802.11g 直接沿用。由于在 rf 傳輸網絡中沖突檢測 比較困難，所以該協(xié)議用避免沖突檢測代替在 802.3 協(xié)議使用的沖突檢測，使用信道 空閑評估(cca)算法來決定信道是否空閑，通過測試天線口能量和決定接收信號強度 rssi 來完成。csmaca 使用 rts、cts 和 ack 幀減少沖突。 除了 802.11、802.11b、802.11a、802.11g 這四個標準涉及物理層外，為了促進 802.11a 在歐洲的推廣發(fā)展，與

23、 etsi 的 hiperlan/2 競爭，ieee 又提出了 802.11h 標準，在 802.11a 基礎上增加自動頻率選擇(dfs)和發(fā)送功率控制(tpc)功能，以適應 802.11a 在歐洲推廣發(fā)展的需要，符合歐洲有關管制規(guī)定的要求。 802.11 是 mac 層標準的基礎，在此基礎上，為了滿足在安全性、qos 等方面 的進一步要求，ieee 相繼提出了 802.11e、802.11f、802.11i 等標準。 802.11e 增強了 802.11 mac 層，為 wlan 應用提供了 qos 支持能力。 802.11e 對 mac 層的增強與 802.11a、802.11b 中對物理

24、層的改進結合起來，就增強 了整個系統(tǒng)的性能，擴大了 802.11 系統(tǒng)的應用范圍，使得 wlan 也能夠傳送語音、 視頻等應用。 802.11f 標準定義了一套稱之為 iapp(inter-access point protocol)的協(xié)議，以實現 不同供應商的接入點 ap 間的互操作性。 談到 802.11i 標準，就不能不提到 802.1x 標準。802.1x 標準完成于 2001 年， 它是所有 ieee 802 系列 lan(包括無線 lan)的整體安全體系架構，包括認證(eap 和 radius)和密鑰管理功能。802.11i 是對 802.11 mac 層在安全性方面的增強，它與

25、802.1x 一起，為 wlan 提供認證和安全機制。 除了上面已說明的標準之外，802.11 系列標準中，還有一個 802.11d 標準， 802.11d 標準定義了一些物理層方面的要求(諸如信道化、跳頻模式等)以適應 802.11 設備在一些國家應用時這些國家無線電管制上的特殊要求。 藍牙技術 藍牙（ieee802.15）是一項最新標準，對于 802.11 來說，它的出現不是為了競爭而 是相互補充。藍牙比 802.11 更具移動性，比如，802.11 限制在辦公室和校園內，藍牙 能把一個設備連接到局域網（lan）和廣域網（wan）,甚至支持全球漫游。此外，藍 牙成本低，體積小，可用于更多的

26、設備。但是，藍牙主要是點對點的短距離無線發(fā)送 技術，本質上要么是 rf，要么是紅外線。而且，藍牙被設置成低功耗、短距離，低帶 寬的應用，嚴格來講，不算是真正的局域網技術。 homerf 家庭網絡設計，旨在降低語音數據成本。homerf 也采用了擴頻技術，工作在 2.4ghz 頻帶，能同步支持 4 條高質量語音信道。但目前 homerf 的傳輸速率只有 12mbps,fcc(fedral communications commission)建議增加到 10mbps。 第 3 章ieee802.11 標準 ieee802.11b作為一種高速無線局域網協(xié)議，其最高速率可達11mbps，其mac層媒

27、體訪問有兩種控制方式:第一種方案是分布式協(xié)調功能（dcf，distributed coordination function），類似于傳統(tǒng)的分組網，支持異步數據傳輸等異步業(yè)務，所有要傳輸數據的 用戶擁有平等接入網絡的機會；第二種方案是點協(xié)調功能（pcf，point coordinationfunction），基于由接入點控制的輪詢（poll）方式，主要用于傳輸實時業(yè) 務。mac 子層由dcf和pcf兩部分組成。其中分布協(xié)調功能 dcf是數據傳輸的基本 方式，直接位于物理層之上, 作用于媒體競爭期（cp），所有站點均支持 dcf, 其核 心是 csma/ca 技術。點協(xié)調功能pcf 建立在 dc

28、f 基礎上，工作于非競爭期。兩者 總是交替出現，先由dcf 競爭媒體使用權，然后進入非競爭期（cfp），由 pcf 控 制數據傳輸。該機制的基本內容為：當sta監(jiān)聽信道時，如果發(fā)現信道空閑間隔大于 規(guī)定的幀間間隙(ifs)，則立即開始發(fā)送幀；否則推遲其幀的發(fā)送，直至監(jiān)測到需要的 空閑幀間隔。 3.1 ieee802.11mac 相關技術 3.1.1 載波檢測機制 802.11b的載波檢測包括物理的載波檢測和虛擬的載波檢測，當二者任一報告信道忙， 則信道被認為忙，否則被認為空閑。 物理的載波檢測機制由物理層提供，通過檢測信道是否有信號來實現。虛擬檢測 機制由mac層提供，該機制參考每個sta的n

29、av(網絡分配矢量)實現。nav包含了對 媒體上將要發(fā)生的通信進行預測的信息。802.11b的幀里都有一個時間長度域，該域定 義了信道將要被占用的時間，nav的值就是通過適當算法從這些幀里獲取的。 3.1.2 幀間間隙(ifs) 幀與幀之間的時間間隙被稱作幀間間隙(ifs)。所有使用物理載波檢測的 sta 只 有檢測到信道空閑的時間大于 ifs 后，才認為信道是空閑的。mac 層定義了 4 種不同 的邢以提供對無線媒體訪問的不同優(yōu)先級，它們分別是：sifs，pifs，difs，eifs， 其具體關系為 sifspifsdifseifs。 sifs 用于很緊急的情況下使用，比如應答幀。pifs

30、用于在 pcf 中的新的幀發(fā)送前 使用。difs 用于在 dcf 間新的幀發(fā)送前使用。eifs 用于當 sta 接收到了一個錯誤的 pcs(幀檢測序列)的幀之后，要發(fā)送新的幀之前使用。 3.1.3 退避程序 在媒體由忙變?yōu)殚e的瞬間是沖突的高發(fā)生點，這是因為多個sta可能已經在等待 媒體變?yōu)榭捎?。在發(fā)送幀之前，如果有多個sta在監(jiān)聽信道并且在同一時刻開始計數 difs或者eifs，若此時若沒有退避機制，則當difs或eifs結束后，多個sta將同時使 用信道，結果是多個sta將發(fā)生沖突。所以，在difs或者eifs后加入一隨機延后時間， 使沖突得以盡量避免。 如圖 3-1 所示，為當 sta 有

31、幀要發(fā)送時，則調用載波檢測機制來決定信道的忙閑 狀態(tài)，如果信道忙，sta 將推遲其幀的發(fā)送直至信道空閑時間為 difs 或者 eifs。在 difs 或者 eifs 后，sta 將在幀發(fā)送前產生一個隨機延后時間來推遲發(fā)送時間，如果 sta 的延后時間為非零值，即該 sta 不是第一次參與退避，則該 sta 不允許重新選 擇隨機時間。 該程序的一重要結果是當多個 sta 都推遲傳送并且進入隨機退避，那么選用最小 退避時間的 sta 或者多次參與退避的 sta 將贏得競爭。 3.1.4 rts/cts 握手協(xié)議 rts/cts 協(xié)議即請求發(fā)送/允許發(fā)送協(xié)議，相當于一種握手協(xié)議，主要用來解決 “隱藏

32、終端”問題。在 802.11 參數配置中，若使用 rts/cts 協(xié)議，同時設置傳送上 限字節(jié)數 一旦待傳送的數據大于此上限值時，即啟動 rts/cts 握手協(xié)議：首先， a 向 b 發(fā)送 rts 信號，表明 a 要向 b 發(fā)送若干數據，b 收到 rts 后，向所有 基站發(fā)出 cts 信號，表明已準備就緒，a 可以發(fā)送，其余基站暫時“按兵不動” ，然 后，a 向 b 發(fā)送數據，最后，b 接收完數據后，即向所有基站廣播 ack 確認幀， 這樣，所有基站又重新可以平等偵聽、競爭信道了。 圖 3-2 顯示了在源節(jié)點和目的節(jié)點之間進行 rts/cts 控制幀交換的過程。如果 源節(jié)點要發(fā)送一個單播數據包

33、 data，那么它在偵聽到信道空閑并等待了 difs（再 加上隨機后退時間）后，源節(jié)點首先發(fā)送一個 rts 控制幀。rts 控制幀和其它數據 幀的優(yōu)先級是相同的。rts 幀的頭部 duration 字段中包含有完成數據傳輸過程所需 的持續(xù)時間。這個持續(xù)時間指的是傳輸整個數據幀和其應答包所需要的所有時間。收 到這個 rts 的每個非目的節(jié)點都要根據 duration 字段來設置各自的 nav（network allocation vector） ，這個 nav 指定了每個接收到此 rts 幀的非目的節(jié)點可以試圖訪 問無線介質的最早開始時間，也就是說在 nav 這段時間內，這些非目的節(jié)點不會試 圖

34、去占用信道，而是保持沉默，直到源節(jié)點與目的節(jié)點之完成數據的傳輸過程。 如果目的節(jié)點收到 rts 幀，在等待 sifs 間隔后，它用一個 cts（clear to send）控制幀進行應答。cts 幀的頭部也包含 duration 字段，所有接到這個 cts 的 節(jié)點必須再次調整它們的 nav。源節(jié)點接收到 cts 后，經過一個 sifs 間隔把 圖 3.1 ieee802.11 退避機制 data 送出去。目的節(jié)點在接收到 data 幀之后再等待一個 sifs 間隔，返回一個 ack 幀。這樣傳輸過程就完成了，這時每個節(jié)點 nav 表明介質空閑，就可以開始下 一個傳輸周期了。這個過程也被成為“

35、虛擬載波偵聽” 。 在這個過程中，接收到 cts 的節(jié)點和接收到 rts 的節(jié)點可能不是同一組節(jié)點。 這樣在發(fā)送方和接收方的接收范圍內的所有節(jié)點都被通知，它們在訪問介質之前必須 等待足夠長的時間以等待數據幀傳輸過程的完成。也就是說，這個機制通過為數據發(fā) 送節(jié)點預留信道來避免碰撞的發(fā)生，從而提高傳輸性能。 在 dcf 功能中，各個移動節(jié)點必須在物理/虛擬兩種載波監(jiān)聽結果都為零時才 能獲得對無線介質的訪問權，這就可以在很大程度上減少碰撞的機會，提高傳輸效率， 同時這種短幀交換的方法可以在很大程度上避免由于隱藏節(jié)點的存在造成的數據碰撞， 尤其是在數據幀較長的時候，這種效果更為明顯。rts/cts 短

36、幀交換方式是避免碰撞， 提高網絡系統(tǒng)性能的有效措施，盡管短幀交換會帶來一定的時間開銷。 暴露終端問題 rts/cts 也可以部分的解決暴露站點問題。在圖 3-3 中，如果在 b 和 a 的 rts/cts 交互中，c 只能聽到 b 的 rts 幀而未聽到 a 的 cts 幀，c 可以分析原 因：a 可能在 c 的覆蓋范圍之外；或者由于 rts 幀碰撞而使 a 未發(fā)送 cts 幀； 或者 c 在接收 cts 的過程中又受到其它站點的干擾。在前兩種情況中，c 的發(fā)送動 作都不會影響 a 的接收。對于第三種情況，c 應該采取保守的但是安全的做法，不 進行發(fā)送。 當然，如果在 b 和 a 的 rts/

37、cts 交互過程中，c 因為正在接收別的站點的數 據而未能監(jiān)聽到 rts/cts 幀，則 c 可能仍然存在隱藏或暴露問題。 在使用 rts 和 cts 來避免隱藏終端和暴露終端問題的情況下，沖突只可能發(fā)生 在開始發(fā)送 rts 的時候。兩個或更多的站點可以在同一時刻開始發(fā)送 rts 或是其它 數據分組。 使用 rts/cts 會導致不可忽略的額外開銷，從而導致帶寬的浪費和較高的延遲。 因此，rts 閾值（threshold）可以決定什么時候使用另外的機制（基本上是在較大的 圖 3-2 rts/cts 握手協(xié)議 圖 3-3 暴露終端問題 幀長度） ，和什么時候不用這種機制（幀長較短） 。因為，如果

38、數據幀的長度較小，比 如小于 100 字節(jié)，使用 rts/cts 反而可能降低網絡的吞吐率、增加通信延遲，因此 在 ieee802.11 中 rts/cts 使用與否是可選擇的。由于無線環(huán)境的復雜性，rts/cts 機制仍然不能完全保證數據幀的正確接收。這里有無線信道本身的誤碼的原因，也有 其它站點的干擾原因。那么，在幀長度相同的情況下，無線鏈路出現錯幀的可能性比 有線鏈路要高的多。在位出錯率相同的情況下，幀長度較短的話，幀的出錯率會降低。 因此，ieee802.11 提供了幀分段（fragmentation）模式，如圖 3-4 所示。但是，用戶 數據的分段機制對用戶應該是透明的 如圖 3-4

39、 所示，發(fā)送方首先發(fā)送一個 rts 控制分組。這個 rts 分組的 duration field 包括第一個分段和其應答包傳輸所需要的所有時間。其它站點收到 rts，設置 nav；數據的接收方發(fā)送 cts，其它站點再次調整 nav，這些都與前面所講的相同。 分段模式的新的特點就是它在 frag1 中包括了另外一個持續(xù)時間值。這個 duration field 包括第二個分段和其應答包的傳輸時間。 然后，frag1 的接收方在 sifs 間隔后，直接用 ack1 應答。這個 ack1 預留了 下一次傳輸所用的時間。如果 frag2 不是要傳輸的最后一個分段，它應該為第三個連 續(xù)的傳輸預留信道。如

40、果是最后一個分段，接收方應答第二個分段，但是不再預留信 道。在 ack2 后，所有的站點在等待 difs 間隔之后，都可以再次競爭對介質的訪問 權。 3.2 ieee802.11mac 訪問媒體的機制 3.2.1 分布式協(xié)調功能 dcf（distributed coordination function） dcf 是無線網絡對共享媒體的一種訪問控制功能，其核心是 csma/ca，包括載 波檢測（cs）機制、幀間間隔（ifs）和隨機退避(random back-off)規(guī)程。我們知道總 線型局域網在 mac 層的標準協(xié)議是 csma/cd，即載波偵聽多點接入/沖突檢測 （carrier sens

41、e multiple access with collisiondetection） 。但由于無線站點傳輸時聽不到 信道碰撞，無線產品的適配器不易檢測信道是否存在沖突，因此 802.11 全新定義了一 種新的協(xié)議，即載波偵聽多點接入/避免沖撞 csma/ca（with collision avoidance） 。 一方面，載波偵聽-查看介質是否空閑；另一方面，避免沖撞-通過隨機的時間等待， 使信號沖突發(fā)生的概率減到最小，當介質被偵聽到空閑時，優(yōu)先發(fā)送。csma/ca 的 基本機制如圖 3-5 所示。對 802.11 而言， 網絡中所有的終端要發(fā)送數據時，都要按 圖 3-4ieee802.11

42、的用戶數據的分段模式 照 csma/ca 的媒體訪問方法接入共享媒體，也就是說需要發(fā)送數據的終端首先要監(jiān) 聽媒體，以便知道是否有其它終端正在發(fā)送。如果媒體不忙，則可以進行發(fā)送處理， 但不是馬上發(fā)送數據幀，而是由 csma/ca 分布算法，強制性地控制各種數據幀相應 的時間間隔（ifs） ，只有在該類型幀所規(guī)定的 ifs 內媒體一直是空閑的方可發(fā)送。如 檢測到媒體正在傳送數據，則該終端將推遲競爭媒體，一直延遲到現行的傳輸結束為 止。在延遲之后,該終端要經過一個隨機退避時間重新競爭對媒體的使用權。其中退避 時間的設置：退避時間按下面的方法選擇后，作為遞減退避計數器的初始值。 退避時間=intcwr

43、andom( )slot time cw 是競爭窗口寬度，是介于 cwwin 與 cwmax 之間的整數 random()是隨機函數，它產生的隨機數在0,1中均勻分布 slottime 是由系統(tǒng)決定 的基本延時單位。通常介質在忙的時候，退避延時計數器將停止計時，并將當前值鎖 定作為下一個退避的延時時間。在監(jiān)聽到介質為空時，計數器才開始啟動做遞減計時， 當退避延時計數器為 0 時，通信節(jié)點將發(fā)送數據幀。若有碰撞發(fā)生則將 cw 的值加 倍，并重新計算出一個新的隨機退避時間進行退避延時，若發(fā)生連續(xù)碰撞，cw 的值 將以 2m 倍增加(m 是發(fā)生連續(xù)碰撞的次數)，直到達到最大值 cwmax。這樣做的好

44、 處是當多個通信節(jié)點啟動延遲并進入隨機退避狀態(tài)后，退避時間最小的節(jié)點將在競爭 中獲勝從而獲得對介質的訪問權；在競爭中失敗的節(jié)點則會保持在退避狀態(tài)直到下一 個 difs 結束，這樣就有可能比第一次進入退避的新站點具有更短的退避時間。 為了增強基本 csma/ca 對異步業(yè)務傳輸的可靠性，ieee802.11mac 在基本的 csma/ca 基礎上使用 mac 層確認機制，也就是 csma/caack。圖 3-6 所示是 一個結點訪問介質并發(fā)送數據。這種情況下，接收方直接用一個應答包 （ack，acknowledgement）回答。接收方在等待 sifs 間隔后訪問介質，那么，沒有 其它結點可以在

45、同一時刻訪問介質并導致沖突。其它結點必須等待 difs 間隔和它們 的后退時間。應答包保證了 mac 層上幀的正確接收（在接收方進行 crc 校驗） ，這 對于較容易出錯的網絡環(huán)境（例如無線鏈路）尤其重要。如果在一定的時間內，沒有 返回 ack，發(fā)送方使用上述指數退避算法重傳該幀。重傳幀也必須和其它幀一樣參加 競爭。當然，重傳的次數是有限制的；當最后仍不成功的話，會報告給上層。 圖 3-5csma/ca 介質訪問方法 圖 3-6ieee802.11 的 csma/caack 機制 3.2.2 點協(xié)調功能 pcf（point coordination function） pcf 是可選功能，面向

46、連接，提供無競爭幀傳送。pcf 支持實時性強的業(yè)務，提 供一定的 qos 保證。pcf 依靠點協(xié)調器（pc）來執(zhí)行輪詢，使被輪詢的站點不必競 爭信道就可傳送數據。點協(xié)調器功能由基本業(yè)務群內的接入點完成。基本業(yè)務群內能 在非競爭期間工作的站點稱為 cf-aware 站點。維持輪詢表和決定輪詢順序的方法可 以進行設置。pcf 需與 dcf 共存，邏輯上位于 dcf 之上。非競爭期重復間隔 （cfp 周期）用于決定 pcf 產生的頻率。重復間隔內的一部分時間分配給無競爭業(yè) 務流，剩下的提供給基于競爭的業(yè)務流。非競爭期重復間隔由標志幀(b)初始化。標志 幀由接入點傳送，主要功能之一是同步和定時。非競爭

47、期重復間隔長度是一可調參數， 可隨輸入負荷而變化。如果負載輕，接入點會縮短非競爭期，提供更多的時間給 dcf。 在非競爭期，如果某站由接入點輪詢發(fā)送，該站可直接發(fā)送至同一基本業(yè)務群內的 另一站或另一基本業(yè)務群內的某站。當傳送被引導至另一基本業(yè)務群內的某站時，源 站將幀傳至接入點，由接入點負責通過 ds 將幀轉送至為目的站服務的遠端接入點。 一般在每一非競爭期重復間隔的開始，基本業(yè)務群內的所有站更新其網絡分配向量 至非競爭期的最大值。在非競爭期，站點被允許發(fā)送的唯一機會是回答點協(xié)調器的輪 詢或在接收到一 mac 協(xié)議數據單元之后的 sifs 時間回送 ack。一般在非競爭期 開始時，點協(xié)調器偵聽

48、媒體。如果媒體在 pifs 時間內保持空閑，點協(xié)調器即發(fā)送一 標志幀來初始化非競爭期。 在標志幀發(fā)送之后的 sifs 時間點協(xié)調器開始無競爭（cf）傳送，發(fā)送 cf- poll（no data） ， data 或 datacf-poll 幀。點協(xié)調器可發(fā)送 cf-end 幀來立即終上 非競爭期，這在網絡負載輕或點協(xié)調器元業(yè)務在緩存器中待發(fā)送時很普遍 。 如果某 cf-aware 站從點協(xié) 調器接收到 cf-poll（data）幀，該站可在 sifs 空閑期之后通過發(fā) 送 cf-ack（nodata）或 data cf-ack 幀對點協(xié)調器予以響應。如果點協(xié)調器接 收到某站的 data cf-a

49、ck 幀，點協(xié)調器可發(fā)送 daiacf，ackcf-poll 幀至另 一站，其中該幀的 cf-ack 部分用于對前一數據幀確認。在點協(xié)調器和站點之間將輪 詢和確認 幀結合起來傳送是為了提高效率。如果點協(xié)調器發(fā)送 cf-poll（no data）幀 而目的站無數據幀要發(fā)送，則目的站向點協(xié)調器回送無任務（null function）幀。站點 到點協(xié)調器的幀傳送與此類似。如果點協(xié)調器未接收到已發(fā)送的數據幀的 ack 信號， 則等待一 pifs 時間，然后繼續(xù)對輪詢表中的下一站發(fā)送 某站收到來自點協(xié)調器的輪詢信號時，可發(fā)送一幀至基本業(yè)務群內的其它站。當目 的站接收到該幀時，將 dcf ack 回送到源

50、站。點協(xié)調器在 ack 幀之后等待 pifs 時間，然后發(fā)送任何其它幀。點協(xié)調器也可發(fā)送一幀至某非 cf-aware 站。一旦幀成 功接收，站點將等待 sifs 時間，對點協(xié)調器應答 ack 幀。 第 4 章ieee 802.11dcf 訪問機制改進 音頻和視頻的實時業(yè)務流在網絡傳輸的數據流中的比例越來越重，實時業(yè)務流要 求網絡傳輸媒體能夠保證多媒體業(yè)務 qos。而 802.11 分布式協(xié)調功能(dcf)僅支持非 實時數據業(yè)務。因此必須對 802.11 的 dcf 進行改進。目前有三種改進方案。 4.1 ieee 802.11dcf 訪問機制改進方法 4.1.1 edcf 802.11 e 工

51、作組正在制訂一個 802.11 標準的補充協(xié)議802.11e，802.11e 的目 標是加強 802.11 媒體訪問，提供區(qū)分服務。整個協(xié)議目前還是一個草案。但是一個新 媒體訪問機制 edcf(enhanced dcf)以經被制訂出來。 為了增強區(qū)分服務能力，edcf 提供了種媒體接入類型，不同的類型有不同的 競爭窗口和幀間隙。較高的優(yōu)先級的站點有較小的競爭窗口和幀間隙，這樣一來就可 以優(yōu)先接入媒體。它的出現彌補了 dcf 不區(qū)分接入類型的缺點，為實時業(yè)務提供了較 高的優(yōu)先來保證它傳輸。但 edcf 犧牲了低優(yōu)先級站點的傳輸。 4.1.2 dfs（distributed fair schedu

52、ling） 針對edcf的缺點，又提出了dfs（distributed fair scheduling） ，dfs的主要目標 就是通過修改競爭窗口大小變化的方式來保證各種類型的站點都能公平訪問媒體介質。 對dfs的研究也是本文的研究重點，下面將對它進行詳細的介紹。 4.1.3 blackburst 為了改善實時業(yè)務流在無線局域網的傳輸，貝爾實驗室的sobrinho and krishnakumar 教授提出了一人新方案lackburst, lackburst主要是減少實時業(yè) 務流的傳輸時延。當一個站點要發(fā)送時，先偵聽媒體空閑一個pifs，然后發(fā)送；如果 偵聽到信道忙，則也等一個pifs，進入l

53、ackburst競爭時期，主機用一個一定時長的 能量脈沖bs（black slots）阻塞信道，bs 數值與主機等待信道空閑的時間長成正比。 lackburst理論上可以保證每一次競爭結果只有唯一勝者，最終達到近似時分方式輪 詢式的信道占用。 4.2 研究方向 通過對cw 大小的控制可以直接影響節(jié)點對媒體訪問的概率，控制其獲取的帶寬。 本文提出的dfs算法是通過循環(huán)的方式修改節(jié)點的cw 而實現帶寬的公平訪問的?；?本思路是：讓節(jié)點的競爭窗口在一個動態(tài)范圍變化(設cwcwmin ，cwmax )，每 當節(jié)點成功發(fā)送了一定長的數據之后，就按一定規(guī)則使cw增大，由于大的cw 會使得 隨機選取的bac

54、kof時間可能增大，這樣該節(jié)點下一次競爭媒介的時候就會減少了成功的 概率，從而一定程度上阻止了該節(jié)點不公平的使用帶寬。當cw 增大至某一門限值 cw2后，就讓cw 等于cw1(cw1cw2)，再次獲得相對較高的發(fā)送概率。這樣cw 在一定范圍內循環(huán)變化影響對應節(jié)點訪問媒介的概率，從而達到帶寬公平分配的目的。 4.2.1 循環(huán)區(qū)間的選擇和 cw 循環(huán)變化的規(guī)則 802.11協(xié)議中規(guī)定的cw初始值為一固定值：cw0=cw802.11，本文提出的dwrr 算法改變了cw值的取值，讓它在一個動態(tài)區(qū)間循環(huán)變化，這里選取參數p1和 p2(pl0)，節(jié)點i的競爭窗口cwi變化區(qū)間根據式(1)計算(式中符號“”

55、 表示下取整運 讓cwicwmin,cwmax,因子pl+p2反應了算法中循環(huán)隊列的強度：如果很大，則 區(qū)間長度很大，使得cwi在一個比較大的循環(huán)范圍里變化，這樣就可以獲得比較細小 的帶寬公平化保證，但是另一方面，如果變化區(qū)間太大，就會使得單個節(jié)點的循環(huán)一 次的周期加大，則可能會使得網絡總體帶寬利用率下降(本文的仿真對這個影響做了討 論和分析)。節(jié)點的cw 的值將在區(qū)間cwmin,cwmax上循環(huán)取值。設cwi，k表示節(jié) 點i在發(fā)送了第k幀數據之后cw 的大小，最簡單的cw 變化函數如下： 式(2)中的 是變化步長，它決定cw 的循環(huán)周期。 選取的一個簡單的計算方法就 是選定一個循環(huán)周期，然后

56、再計算步長。例如，設定cw 的循環(huán)周期是t 次，那么可 以令 =int(cwi,maxcwi,min )t) 4.2.2 帶寬分配權值的實現 為了實現對不同服務質量(qos)的控制，算法給不同節(jié)點賦予不同的訪問權值，利 用權值來控制節(jié)點訪問媒介時的帶寬分配的比重。對式(1)進一步修改，獲得了式(3)： 式(3)中的參變量ui是權值的體現。直觀地看，如果兩個節(jié)點的 取值分別為1和2，那么 這兩個節(jié)點cw 的取值區(qū)間將彼此錯開， 取值為1的節(jié)點對應的cw 變化區(qū)間整體要 小于取值為2的節(jié)點的cw 變化區(qū)間，前者可獲得更高的鏈路訪問概率，從而獲得更多 的帶寬。區(qū)間移動的力度由參數 決定，式(3)中設

57、定 為變化區(qū)間長度的一半，這樣考 慮可以使得相鄰的權值產生的變化區(qū)間可以比較好地錯開 參數 的選取方法可以進一 步研究，以獲得更好的區(qū)間劃分策略，為了使本論文論述的主題明確而集中，本文中 將采用式(3)的計算方法，對參數 的進一步深入分析將作為后續(xù)工作繼續(xù)研究。 4.2.3 分組長度的考慮 注意到式(2)中的循環(huán)算法考慮的只是發(fā)送一幀數據后對cw 進行變化，但是沒有 考慮所發(fā)送的幀的長度帶來的影響。如果一個節(jié)點發(fā)送了大分組，那么一次發(fā)送它所 占用的網絡帶寬顯然要大于其發(fā)送小分組的情況基于這一點，我們進一步對節(jié)點cw 取值區(qū)間進行考慮，對節(jié)點i的cw 取值區(qū)間進行動態(tài)調整，使用cwi，min ，

58、k和 cwi，max ， 來標記發(fā)送了第憊幀數據時候cw 的動態(tài)變化區(qū)間的下限和上限，式(4)體 現了這一調整：對于k=0，即系統(tǒng)初始化時，直接由式(3)計算，對于k0，則 在式(4)中l(wèi)i,kl是節(jié)點i發(fā)送的第k一1幀數據的長度，f 。是網絡中數據幀平均長度， scale因子反應的是分組長度的影響力度。如果本次發(fā)送了大于平均幀長的數據幀，那 么下次發(fā)送時，根據式(4)計算出cw 的變化區(qū)間的上限和下限都將增大，從而使得在 此區(qū)間上選取的cw 也變大，于是降低了發(fā)送的概率；如果分組長度很短，那么由式(4)計 算得到的相應的cw上下限將變小，從而提高了下次發(fā)送的概率。f 。應根據對無線局 域網的

59、統(tǒng)計而選取，例如節(jié)點可以偵聽一段時間內網上傳送的數據幀的長度從而動態(tài) 計算這個值，也可以事先由其他專門的工具對網絡業(yè)務進行統(tǒng)計和分析并得出這個值， scale因子可以設置為式(3)中的a的數值。 4.2.4 碰撞 802.11協(xié)議中采用了沖突回避機制，若鏈路發(fā)生擁塞，則將cw 加倍，然后進入下一 次競爭過程。仿真中發(fā)現，802.11的這種指數增長的擁塞處理機制大大影響了本文算法 的性能，特別是當沖突較多時，加倍增加的cw 很快就會破壞試圖通過控制cw 的大 小而實現帶寬分配 的想法。因此，對發(fā)生碰撞之后cw 的變化規(guī)則做了修正，采用線性遞增的方法，見 式(5)： cw =cw+inc (5)

60、式(5)中的inc是每次遞增的量，是一個選定的常量。 4.2.5dfs 算法 綜合考慮式(1)(5),本文提出的 dfs 算法如下: 對于節(jié)點 i,發(fā)送第 k 個數據的時候的如下選取:首先 其變化區(qū)間如下更新: 對于 k=0,即系統(tǒng)開始運行的時候: 對于 k0,則 而 cwi,k 的選擇是 對于 k0,則 如果則令 如果發(fā)生碰撞，cwi,k-1 采用線增加 第 5 章 dfs 接入機制仿真 本章根據 dfs 協(xié)議設計仿真程序并介紹仿真的環(huán)境，對仿真程序進行系統(tǒng)，對主 要功能模塊給出實現代碼。 5.1 仿真拓撲與仿真參數 站點發(fā)送三種業(yè)務流：音頻，視頻，數據。每個站點發(fā)送數據到 ap。 由于物理