1、北京郵電大學碩士學位論文無線局域網MAC層協議的性能研究 姓名:李政東申請學位級別:碩士 專業:通信與信息系統 指導教師:尹長川20050320托寨郵電丈學瑚七掌鏈論文 接婺 無線局域網MAC層協議的性能研究摘要無線兩域霹是瓣年代計纂橇瓣絡與無線遭信技術獯結合的產 物,它提供了使用無線多址信道的一種有效方法來支持計算機之間的 遴信,著為通信酶移動化、個人他秘多媒蔣鵑波耀提供了潛在麓手段。 無線局域網作為當前通信技術發展的一個熱點方向,人們在這一領域 戰臻究方興未艾。本瓣論文主要對802。ll燹線蜀域網中豹MAC鼷 協議進行了探討和研究。在介纓背景知識稠比較現有技術的基礎上,本文酋先相細細闡述

2、了無線傳輸的特點以及這些特點對于運屬在無線網絡中的gAC協漢 的影響。然后對現有的各種運用在無線網絡環境中的Ml!Lc協議進行姻 絨總結,通過仿真,分析了這些隧祝競爭MAC協議豹性麓鞠特點,討 論了適用于在無線局域網下的MAC協議。對于目前處于主流地位的 802。ll祿難中酶MAC層耬秘瑾爨黲關鍵技術進霉亍了詳纓介紹。在以上研究的基礎上,本文對82.11的MAC層所采用的 eS瑟盎/,啜+躲S/e霉S+Aei(貉議進行了耋點分析,建立了基于該耱議的傍 真模型,描建了仿真平臺,深入地探討了此協議在WLAN中的性能及 實用性;蘧點分析了協議的吞吐量、時延及抗隱藏終端潤題的性能, 探討了協議中有關算

3、法的選擇和參量的設鬣對協議性能的影響。 通過對不同條件下的仿真的結果進行分析和比較表明,北京帥IU大學碩士學位論文 摘要 CSMA/CA+RTS/CTS+ACK協議具有吞吐量大、時延小、抗隱藏終端、帶 終端能能力強的特點。最后提出了提高協泌性能的原則。關鍵詞:802.1IWLAN,OFDM,MAC協議,CSMA/CA北京郵電大學碩士學位論文 ABSTRACT RESEARCH 0N MAC PROTOCOLS FOR WLANABSTRACTWireless Local Network(WEAN,as the combination of the computer network and th

4、e wireless communication technology developed from 90s,provides a effective method in using wireless multiple access channel to support the communication between computers,and also provides a latent method for communication mobilization, individualization and multimedia application.Currently,WLAN,as

5、 a hot spot of communication,attracts many researchers discussing and focusing their research on this field。This paper mainly focuses on the MAC protocols in wireless network。At first,the paper described the characteristics of wireless transition and the influences from those characteristics on the

6、MAC protocols used in wireless network,and then summed up the current MAC protocols used in wireless network environment.Some simulations had been made to evaluate the capacity of MAC protocol:how the system performance will be influenced by different kinds of MAC protocol,and which is the best for

7、WLAN.This paper also introduced the key technology of MAC layer and PHY layer used in the 802.1l in detail。靶衷海電丈學顫士學垃論文 ABSTRAeT Based on the former research and deeply analyzing the CSMA/CA+RT￥/CTS+ACK protocol,a simulation model was established and implemented.By means of the proposed model,we pro

8、vided a throughput and delay performance evaluation of both accessmechanism of DCF.This paper had also given the simulation result for the efficiency of the protocol tO handle the hidden terminal problem.At last,this paper discussed the impacts of different parameters that are chosen on the performa

9、nce ofthe protoc01.Simulation results have shown that the CSMA/CA+RTS/CTS+ACK protocolCan achieve higher throughput,lower delay and better capacity to solve the hiddenterminal problem.At last,we proposed the principles to improve the protocols capability.Keywords:802。1IWLAN,OFDN,MAC protocol,CSMA/CA

10、獨創性(it飼新性聲明本人聲明所至交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知,除了文中特別加以標法秘致謝中所羅列的蠹容良羚,論文孛不 包含其他人已經發表戚撰寫過的研究成槊,也不包含為獲得北京郵電大學或其他 教彎懿擒戇學鏈或誕書瑟搜建蓬熬毒|糕。每我一囂工佟戇弱愨黠本磅究瑟皴戇任 何貢獻均已在論文中作了明確的說明并襲示了謝意。申謗學位論文與資辯若育不實之處,本人承擺一甥蠼關舞任。本久簽名; 舀期:關于論文使黑授權的說明學位論文作者完全了解匏京郵亳大學有關保留和使用學位論文的規定,邵:研究生猩校攻讀學位期間論文工作的知識產權單位屬北京郵電大學。學校露權保 韶并向豳家有必部

11、門躐機構送交論文的復印件和磁盤,允許學位論文被查閱和借 閱;學?？梢怨緦W健論文熬全都或部分瞧窖,可戩兔讒采髑影印、蟪印竣其它 、鬟制手段保存、匯編學位論文。(保密的學位論文在解密后遵守此規定保密論文注釋:本學位論文屬于保密在年解密題適用本授權強。非保密論 義注釋:本學位論文不屬子保密范圍,邋用本授權書。本人簽名:導攀簽名: 日期:基贛:北京郵電大學碩士學位論文 無線局域網MAC層協議的性能研究 第一章緒論無線局域網(Wireless LAN,以下簡稱WLAN是90年代計算機網絡與無線 通信技術相結合的產物,它提供了使用無線多址信道的一種有效方法來支持計算 機之間的通信,并為通信的移動化、個人

12、化和多媒體應用提供了潛在的手段。隨 著個人數據通信的發展,功能強大的便攜式數據終端以及多媒體終端的廣泛應 用,為了實現任何人在任何時間、任何地點均能實現數據通信的目標,要求傳統 的計算機網絡由有線向無線,由固定向移動,由單一業務向多媒體發展,更進一 步推動了WLAN的發展。近年來,隨著無線局域網標準、技術的發展,無線局域 網產品逐漸成熟,無線局域網得到了業界以及公眾的熱情關注,無線局域網的應 用也逐漸發展起來。相對于藍牙、3G等無線技術,無線局域網正成為當前無線 領域中一個引人矚目的熱點。l_I無線局域網的概念無線局域湖(Wireless LAN的概念怒相對于傳統意義上的有線硒域網(LAN 蠢

13、富瓣。有線怒域霹羲是我銷囂蔫常見懿羆嗣毫纜、光終黎雙絞線佟為數據黲羧 介質的網絡。裔線局域蹭無法實現可移動的弼絡通信,在某些情蕊下述存在著布 線繁瑣、線路容易損壞、對地形要求高、嶷裝復雜等缺陷。無線局域網是指無霈 稚線期采用無線傳輸夯質就W實現計算楓之間互聯靜網絡,它是在有線局域網基 礤上發震超來靛,它不僅愚蠢線是域露載於充,囂萎蒸逡靂范靄廣泛,不毽琵諺 替代傳統的物理布線,而且譙傳統布線無法解決的環蟪或行業,都能夠方便地組 熬無線網絡。豳前基于IEEE802.1la標準,采用正交頻分復用(OFDM編碼方案 數無線是域霹敬物理層速攀弼迭54Mb/s,是跬支撐接送廣播級豹我滲頻數握。 可以預見,

14、無線局域網授術不僅將在廣曦系統的辦公自渤億和智艙純中發揮積極 的作用,而且墩將可能在視街頻數據的傳輸中得到應用。此外,無線局域網已能 夠懣過與廣域網楣結合的形式提供移動曩聯網的多媒體業務。無疑,在今后的網 絡發震串,無線髑壤舞將戳窀蠡冬褒速健埝艉力霸靈潺鑲發攆重要癸蠲。I.2無線局域網的研究現狀IEEE802。II委員會-7=1997年6囂翻定窶全球第一個無線爨壤列耩準 IEEE802.i l。相繼推出了新的離速標準802.i Ib和802.11a兩個新櫥準,而且在 前不久又推出了相當于前二者的混合標準802.1lg,使得WLAN的速度又向前邁 逃了大步;瓣蔻豹無線弱域強效拳已經櫻當戎熟,速率

15、也從IMbps增長到了北京郵電大學碩士學位論文 無線局域網MAC層協議的性能研究54mbps。隨著標準的發展與無線網絡產品的成熟,未來的無線局域網將會在通信 的移動化、個人化和多媒體業務的提供等領域得到進一步的發展。將于2005年 夏季完成的802.1le標準,用于定義優先級,并為數據、語音和視頻流量提供基 本的OoS水平。下面對幾種流行的無線局域網標準做個介紹。802.1l是目前占據主流地位的無線局域網協議。和其他IEEE802標準一樣,802.11協議主要是在ISO協議的最低兩層(物 理層和數據鏈路層進行了一些規定。任何局域網的應用程序、網絡操作系統或 者是像TCP/IP、Novell N

16、etware都能夠在802.11協議上兼容運行。802.11定義了兩種類型的設備,一種是無線終端站(也就是前文中所說的無 線用戶節點,另一種稱為無線接入點(Access Point,AP,其作用是提供無線 和有線網絡之間的橋接。無線接入點類似于蜂窩無線網絡中的基站,可以將多個 無線終端站聚合到有線的網絡上。802.1l定義了兩種模濺:infrastructure模式和ad hoc模式。搬infrastructure 模式中,無線網絡至少有一個和有線網絡連接的無線接入點,和一系列豹無線終 端菇。這釋醞黌或妥一個慕零駐務集會(Basic Service Set,BSS。BSS建802。ll 中最基

17、本的縭構模塊,一個BSS所覆蓋的區域被稱為旗本服務區域(Basic Service Area,BSA,BSA與蜂窩移動系統中的蜂窩概念類似。兩個或多個BSS構成的 予麗稱之燙擴攫躡務集會(Extended Service Set,ESS,ESS姆其中敷BSS統一 起來組成一個分布系統(Distribution System,DS。Ad hoc模式(也稱為點難點 模式peer to peer模式或IBSS Independent Basic Service Set是一種802.11中的 簡單的系統構成方式,以這靜方式連接熟設備之間疊攘之闋可以纛接進行通信, 褥無蔫經過一個無線接入煮來與毒線嬲絡進

18、行連接。這釋方式辯予譽需要謗闋餐 線網絡中的資源,而只需腰實現無線設備之間互相通訊的環境中特別有用。 2.HomeRF簡介HomeRF王終組成立予1997年,麓由美囂家震射頻委雖會鎂搏熬。它成立 的技術與商般動機和其張幾項技術十分相似,其宗翳邂在消費者熊夠承受的前撬 下,建設家臌語音、數據內聯網。HomeRF工作組予1998年制定了共享無線訪 婀協議(Shared Wireless Accass Protocol,SWAP。該協議主要針對家庭無線局 域閼,采用篾純的IEEE802.11謗談標潦秘DECT。Home RF工摻綴菸王俸頻率 為2.4GHz,支持語音和數精業務的傳輸。3.HIPERL

19、AN2簡介HiperLAN2是鴦集團薅費老、公共幫家糕鄂凌提撰無線摟入裂因特兩翻來來多媒镕, 即實時視頻服務。由歐洲電信標準化擠會(ETSI的寬帶無線魄接入兩絡(BRAN小組著手制北京郵電大學碩士學位論文 無線局域網MAC層協議的性能研究定已推出HiperLANl和HiperLAN2a有人稱HioerLAN2代表目前發展階段的晟先進的 WLAN技術,有人也耪淇為是下一代高速WLAN技術的標準,其工作在5GHZ,速率可達 54Mbps。而且作為一種標準,特別是在歐洲它得到了業界的廣泛支持。1.3本論文的主要工作及章節安排無線局域網是當前通信技術發展的個重騷方向。而其無線的傳輸方式使運 髑在無線霹

20、終上豹MAC臻毒義具鸞l睪多獨特熬。羧蒺。戈了瀵怒來親愛線囂域網懿 備種發展需求,需要對當前使用中的MAC協議進行細致的分析與改進。本論文的 工作主要集中在鱺下方蟊:生要簪究無線網絡靜各種隧橇接入方式,重點磷究稻 分析IEEES02.1la無線局域網MAC層機制的性能,勢且考慮到未來無線網絡的 發展,提出了能夠滿足未來實時業務的蘢線局域網gAC的實蕊方式。詳細闋述了戈線傳輸鮑特點(包括信道特點,傳輸特意以及運用中出現 的獨特問題,以及這些特點對于運用在無線阿絡中的MAC協議的各種 影穩;對現有的無線網絡中的多址接入方式滋行歸納總結,對它們進行了理論 分析和性能彷真,學習對簇入褥議的磷究和分析翡

21、方法;詳細介紹了靼前處于主流地位的802.11標凇中的物理層和姒c協所采 用的熒鍵技術;建立傍真模裂,攢建債真平臺;在該諺嶷乎臺下,磺究IEEE802.1la DCF 機制吞吐髓性能和時延特性,研究對蒙包括es姒/CA+ACK和 eS淞/e矗+R薯S/口S+矗el(粳鍘;戮究參數磚吞睦爨蛙熊莘曩霹廷特性驄影確, 主要研究隱藏終端、退避算法等對協議性能的影響,最終找到能使網絡 往能豢佳盼參置靜設置。章節安排如下:第二章介紹了花線傳輸的特點以及這些特點對予運用強無線網絡中的撇c 秘議熬鑫靜影響;第三章重點研究了802.1la無線局域網的物理層和凇C層的關鍵技術,重點 對物理漂懿0FDM技術農泓C屢

22、戇DCF接入稅鍘避褥了詳細瓣述;第四章是本文藏點,搭建仿真平臺,研究802.1l無線周域網MAC層DCF機 制的一陡能,勢對DCF梳秘的仿寞緒栗與辱爭析請諗,深捌豹探喜寸了撬豫藏終端靜閡 題。第五章對全文進行了總結,對以后的工作傲了展攫。北京郵電太學碩士學位論文 無線局域兩MAC層協議的性艟耕巍 第二章無線鼴絡中所使用贊接入協議本章主要介紹無線網絡的特點和無線網絡中的一些常見的隨機接入協議,通 過對無線網絡環境和無線信道的研究。以及對幾種常見的隨機接入鎊議在無線網 絡環境下羧熊豹貧囊分輯,來說弱農無線環凌下辯這些贅漢逐行改遴靛警要瞧。2.1無線局域網中傳輸媒介特性無線傳輸媒介盼特性使得對于舞線

23、蜀域颼巾的MAC協議的設計上與有線網 絡中的撇c協議膏很太躺差別,并且燮有挑戰性。這些無線健輸媒介的特性在于 鞋下方瑟;半雙工操俸:與有線通慣系統不同,柱光線通信系統中,如果一個禿線 通信節點要程發送數據鷦同時進行數攢接收是非常豳藤的。因為袋用半 瑟王懿儔輸方式,無線帶煮在發送靜辯談籠法撿潮爨凌囂線落遂上發生 的沖突,因此以太網中所使用的沖突梭測的方式在這里是不可彳予的。作 為解決辦滋,所有運用強無線網絡中的姒C協議郡嘗試采用沖突避免機 制柬降低沖突的可能。時變信道;受到發生在既線信道上的反射、桁射和散射現象的影響,無 線節點接收到的信號是隨時間而變化的,接收信號的能爨也會隨著辯間 囂發生改變

24、。這耪現象稱為澈線信邀上黝多徑傳播。為了優化程辯疑鏈 鼴上的傳輸旗麓,無線通信廣泛采用攆學麓略。焱發信道熬錯:由于對變倍邀以及變化的信號能蘸,無線通信中存在的 蓑錯比有線通信中的多褥多。由突發糕麓錯引起鵑差錯可以使用以下技 術來減少;爨小的傳輸。閹包結構、囂囪糾鐿編碼斌是鬟發機制。使鬻在 鑣鼴層的整發機制是一種廣泛采用的策略。許多協議利用接收節點程接 副發送節點發采的信息之后,發送確認消息(ACK來檢測可能出現的數 攢穆差鑲。載波檢測的佼鬣相關性:在自由空間中傳輸的信母強度是按照所傳播的 距離的平方進行衰減的。當肖無線節點在進行發邀時,只有在一定范國 內瓣螢意才能梭測曩委鍵發送中戇繁煮在無線績

25、邋土豹蕊息。遮秘毒節 點位置有關的載波檢測引越了以下三種情況;奪隱藏帶點;當一個光線節點在接收節點的檢測范鼷肉,而不在發送 節點鶼梭濺范圍囊裁稱該無線繁點為發送節豢豹黲藏葦點。4北京郵電大學碩士學位論文 無線局域網MAC層協議的性能研究奪暴露節點:暴露節點現象與隱藏節點現象是相互對應的。當一個無 線節點在發送節點的檢測范圍內,而不在接收節點的檢測范圍內, 就稱其為暴露節點。審捕獲:當同時有兩個無線節點向同一個節點發送信息時,如果接收 節點可以無差錯地接收其中一個無線節點發來地信息,這種情況就 叫做捕獲。2.2無線媒介通信要考慮的問題由于在使攥瓣戇彝捷廷窮滾上戇差異,囂線逶痿還遴捌了一些在蠢線逶

26、售孛 不存在的問題,遺些問題如下:無線頻率分配:無線網絡的操作要求所有的用戶節點采用相同的頻率進 亍無線通信。合理地淹所有豹用戶帶點的各種請球分配可翅靛無線頻率 資源楚穗當耗瞻懿一個過程。沖突、干擾和可靠性:無線通信中的沖突通常感由于多個無線節點同時 在相同豹頻段上試圖進行發送而造成的。這是出于在無線信邋被占用的 囂侯,獲騫蕤毒鼗爨爨要發送懿無緩節轟罄在等特無線穰遙上靛筵鑫結 束,并鼠這些無線節點都試圖在這個傳輸結束的時候,在無線信道上開 始進行自己的傳送。逸樣如果有多個節點都在j靛行等待,這燎無線節點 就有可戇在棱輸結裘的囂寸候互相串突。除此之終,無線信道土豹沖突也 可髓盤蓊謠所說靜“豫藏節

27、點”袋象弓|怒。予撓迸可莪是多餃襄落現象 的結果,其明顯的表現就是在接收端信號幅度和相位的隨機抖動。一般 而言,遇信信道的可靠性是由平均比特錯誤率(BER來衡最的,無線通 覆霹敦逶避塞羲重發謗隸(矗鞠葶曩籬自緩錯綴褥(FEC寒撼怒霉纛縫。 安全性:在有線阿絡中,由于傳輸的媒質可以譙物理上被保護起來,這 樣就能夠比較容易地控制對網絡的訪問。而在光線網絡中,豳為傳輸媒 質是暴藏在公共環境串豹,安全熄鶼保證就較為豳難。在實際盛溺中, 無線逶僚遙常是采震盍秘密靜方法寒縑證數據傣送豹慈密犍豹,毽這會奩 增加費用并降低系統的總體性能。但是另一方讞,由于無線邋信中傳輸 范圍的限制,對于傳輸范圍以外的節點而言

28、,冤線通信有驁獨特的安全 。睦絳涯。電源漓耗:般而畝,連接在有絨網絡上的設備都可以壹按得到電網的 電源供威,因此不存猩電源不足的問題。而無線設備為了保證可移動性 或是可攜嚳性,遙常采再電澹供憊。這樣,無線設備載必須考慮如何節 省電源消耗,以延長設備鵑使瘸辯閹。她京郵電大學碩士學位論文 禿線局域網MAC盛協議韻性能研究電磁輻射與人體髓康:關于無線遺信孛斡彀波輻射對于人缽健康的影響 靜磷巍一壹在迸靜強中,雖然囂翁并沒有關鼉=這方覆弱蔽娥性文耄,毽 是_|】rLAN也必須考慮降低電磁輻射的問題。移動憔:與處在固定地點使用的肖線網絡設備相比,無線網絡設備的優 勢藏嶷予莢移動豹鑫由牲。毽戴,無線逶信寨綾

29、懿設計主瓣考慮瑟移動 用戶猩服務區域邊界所進行的切換以及路由城務。吞吐綴:理想的WL&N傳輸速率臌當與有線網絡相當,但是豳予實際應用 上的一鎏約束以及露限的可用帶寬,一般WEAN只能支持l一20髓/s斡傳 輸速率。另井,灸了交簿多個佼輸溺霹透行,程WLAN靜實際應蕉孛經常 采用擴頻技術。2.3無線MAC協議的捧熙及其性髓標準在一個出定數爨的無線通信終端搿組成的燹線蒜統中,掰霄終端共事閽樣 靜無線媒分向中央驀站迸移不同鼗務懿傳邀。這樣就辯要一個麓予賺介控蒂I協議 (艟Ac的避程來為各個終端分配送使用的無線媒介資源,避免在媒介上發嫩沖 突。為了謬倦提出黥馨耱備樣靜協議,磐須理解MAC傍議靜

30、備稀檬礁。延對,襻 蛙量,公平性,對多媒體的支持,以及穩定性是廣泛使用的比較MAC協議性熊的 標準。對襲落的健壯性和電源消耗怒比較光線MAC協議的額外標準。下面是莢于 遂些栝黢黲簿短接述:延時:延時是數據包在姒c瀲列中的數據所周的平均時間,特別愚指從 進入隊列到傳送完畢所用的時間。延時島般務特性是決定延時的兩個躺 素,鬻_l避在魄較苓越格議戇避辯性能霹,應該蹩在懲櫸豹救務特性鵑條 件下靜。裕髖鬢;吞吐麓魑信道容爨掰予傳輸的部分。MAC協議孽秘的是在盡鬟 小魏緩入延黲瓣襲孛下讓露睦爨盡量大。勉巢饋惠平均P蹴特,傳送一 個包的平均時閨題1秒,僚邀容量是e魄特每秒,這樣釋睦囊l虢治 n=P/TC。公

31、平性;如累沒有任何節煮鑭麓使用媒介鶼優先投時,我fj就稱這個鹺Ac 協議建公平馳。注意這里撩納魑澍信遂髓公平使熏,不簧與韭務本身掰 含宥的優先權榴混淆。在支特多媒體業務的情況下,公平性指的遐W以 農該嫩務所支派婀信道上分配帶寬。6北京郵電大學碩士學位論文 無線懇域弼MAC震轔議豹性能研究穩定性:一個穩定的系統懸能夠在大部分數據流量小予信道容豢的條件 下,建瓣跨怒逶痿遵容蠢瓣數據渡量逡蟹處理戇系筑。對衰落的健粒性:無線信邋是時變和驀錯傳播的。倍道衰落會在短時間 內引起節點之間線路不穩。對一個健牡的系統來說,這種信道的缺陷不 瘦該葶l起不穩定戇表褒。電源消耗:太部分無線設施對電池功率進行了限制,因

32、此對無線MAC協 議來說,節銷功率和提供對節電特性的支持是很重爨的。爻雩多媒俸戇支持:遮羞譜密,撬菝窩數攥閼終懿逐步綾一,MAC捺議需 要支持多媒體的業務。這櫸協議就需要一種機制橫掰不同業務的不同的 延時要求,米處理不同的數據包,接入優先權和時序安排是兩種常用的 方法。接入俊寵權逮過授警菜些節點囂贏的使用媒套魏權限來提供不嗣 的服務,時廖安排可|;王攤供時延幫抖動保證。2.4常爝盼無絞撇e接入協議從上面的探討中,我們可以得到這樣的緒論。無線傳輸媒介與有錢傳輸媒介 存旋著緩多茲不瓣之處,這鏊麓暴使褥在蠢線鼴絡中搜麓豹淞e終議完全不適翔 予憑線嘲絡環穗之中。困詫無線黼絡中的MAC協議在設計上與有線

33、網絡中的MAC 協議有很大的羲剩。光線MAC協議可以根據其設計的網絡結構分為兩大類:分布式MAC協議和集 中蕊MAC協議,逐胃馭進一疹舞鏊羧節熹懿攮份方式分菇瓣撬接入揍議,繯誕接入 協議和混和接入協議。所有的分布式鼢c協議都是隨機接入協議,本文主要研究 分前式隨機接入協議。(I分布式姒e協議中的i申突避炱技術程隨機接入協議中,節點翱曩競爭對媒介的使用權。當只有一個節點試圖發 送僚惠時,數強髓髓夠成功德傳邋密去。滋閼瓣霄尼個節患試整發送數瓣,藏會 產舷沖突。除了ALOHA協議乏外,所有的分布濺毓c協議都題基于載波偵l!盱和沖 究避免機制的。栽波偵聽是辮對物避信道濺杼梭測,確定無線信道中魁否有正在

34、 摶遴豹數據。囊予載波鰒驏鶼傻鬻攘關性,隳藏節煮嬲爨囂螢點這掰秘現象在 CSMA協議中是頻繁出現的。發送節點有可髓發璃不到張接收節點楚發生的沖突, 因此接收節點需婺將沖突信息傳送給發送節點。但是由予惡線系統懸泛佟在半雙 工模式下,發邀麓點在進行傳輸的閹對是接收不到接收節點所發出的沖突信息7豹,這虢需簧使瑤氆發送匏頻段乏矯的儲道來饞輸霞饋信惠,或者怒讓發送節點 停止發送來接收反饋信息。大部分分布式MAC協議都采用沖突避兔技術來熄使沖 突的可鼴f生最小化。沖突避免技術在這璧可以使用兩種機制:一種怒帶外傳輸反 饋痿患,另一秘就是握手。帶外信號沖突避免(Collision Avoidance with

35、 Outof-Band Signaling:聚音多蓬接入(Busy Tone Multiple Access,BTMA是一耱使焉帶舞忙鬻信號 來解決傳輸中的隱藏節點隨程的一種方式。在逸種方式中,任何檢測到無線信道 上存在傳送中的信息的節煮都會猩傳輸頹段乏井的一個特定忙音僚道上廣播一 個忙啻償號,任何接收到虻音信號的無線節點都不會豢試進鏜新的數據發送。這 樣在以發送節點為圓心,2R半餃的區域內的所有無線節點都不會發送數據(R 是無線節燾熬發送鼷湊。霹以季劐,雖然遽秘方式瓣決了了憋藏繁點數瓣囂, 但同時也增加了暴露節點的數目。RIB黼(ReceiverInitiatedBusy Tone Mult

36、iple Access。RIBTK& 方式中,無線絮點只肖在確認自己是接收節點的情況下才會農忙音僚道上廣播忙 嗇。這樣,只有在按收節點周圍R半絳以內的無線節點才被捕制發送。但在 獲lBT淞中,磐點必須在躲避之最才能確認叁纛是否憋接收磐點,這樣就霹縫囂 臻一段時間才能產生忙音。在這種情況下就引起了沖突可能性的提瀚和系統流量 麴洚強。冒戳器委,牧翡聲生一整啻多煮揍入方式并沒毒完余灣滁瓣藏節燕,只 是使暴露節點的數目最小化了。攮手控制沖突避免(Collision Avoidance with qontrol Handshaking:瀋突避受多重接入(Multiple Access with

37、Collision Avoidance,融瓢饅靂 三重握手機制來解決隱藏節點問題。有鬻耍發邀的無線節點會先發送一個請求發 送(Require To Send,RTS短數搖包,所有雀該節纛禱贛蔻蠢蠹豹無線麓熹髏 聽到這個RTS,就會推遲它們本節點的傳輸。目的節點在收到這個RTS數據包之 后,會曬復一個清除發送(Clear To Send,eTa短數據包,所有在舀的節點傳 輸范圍內的節點俊瞬到這個CTS艇數據鏹愛,墩會接遲騫己豹健輸。當發送結點 收到由目的節點所發出的CTS后,虢認為已經獲得了倍遒的使用權并開始進行傳 瓣。這耱握手橇割完全潰臻?疆藏肇點璦象。下藩夯綏最俸薄耱分毒式MAC綏議。(2D

38、FlrNACDFWNAC(Distributed Foundation Wireless MAC,DFWNAC是從沖突避免多重接入 機制發展而來的,是運用在IEEE802.11無線局域網標準中的基本接入協議。其傳輸過程是 RTSCTS-DATA-ACK,本文將在以后的章節中對該協議性能進行重點研究。8北京郵電大學碗士學位論文 無線局域弼MAC層協議的性能研巍(3EY-NPMA淤滁屢綴一無龍撂優先權多重接入(Elimination Yield-Non-preemptivePriority MuItiple Access,EY-NPMA協議怒用于歐洲所提出的HIPERLAN標準 鱈蕊遂接入秘漢。H

39、IPERLAN是分布式網絡的黼速(24曬/s無線局域網標準。協議的處理如 下:光線節點在發送數攆之前,先對佟輸信邀偵薛相當予箕傳送1700魄特的孵 閶。如果在這段時闖中,信道上沒有發生任何傳輸,無線節點就認為信邀是空閑 的并殷立即汗始發送數攥。如果在這段時間中無線節點偵昕到信邂上有數據正程 進行贊輸,管點裁會遴蟹閣步,簿季每裂當茲鍵羧豹最蓐黠剡,再按以下準剡競爭 無線信道。該協議的隨機信道按入分為三個階段:優先級別階段(用于確定傳輸 優先綴,競爭除段(同樣優走綴貔無線節煮耱互避季競爭>,費羧輸致(在竟擎 階段中獲勝的無線節點進行數搬傳輸。其中的競爭階段分成兩個子階段:消除 階段和屈服階段

40、。在消除階段中,每個節熹持續會進行撩續一袋隨秘slot辯籬 (這個持續的戇枧數是由地理分布來決定豹發送。在消除階段結束之后,無線 節點開始監聽信邀。如果這個時候信邋上有數據進行傳輸,節點就會放棄其傳輸 嘗試。翔聚這個髓談蔫遂是空闋豹,諺點裁送入磊媛黔毅。在囂鼴羚段燮,節點 簸爨倍遴一段涎凝戇slot瓣耀。鱺聚在這段瓣闖愿,售邋上沒囊傳簸避行,螢 點就會開媲霧寵成鑫邑熬健轅。出予么個慧點等特酌對閩都是蟪楓選擇的,因】墩 簌競爭階段中肖一個節點獲勝并進彳亍傳輸的概率燕很大的,其余的無線節點都會 等到這個獲勝的節點的傳輸完成之后爵對信邋進行下一次的競爭。(4常覓鵓陡瓿接入贅議豹襤鏈分援典型熬隧規囊爭

41、類MAC按議有Aloha、CSMA及ISMA等。本節犍對這幾種協 議進行討論?？椪姝h境秘條件:奪分組通信系統:假設每個用戶的性能都髓一樣的。而且每個用戶終端都裔一 個FIFO緩沖耱。FIFOX分為有限長度釋禿隈睪乏度蘺釋。著緩滓器長發畜隈, 警緩攤囂滾茲時候,薪產生靜贛載會羧蒜棄。逡霹瀲稔鴦“孵鹺麴塞”。葶曩 傳輸鐨誤怒不一樣瓣概念。信邋摸黧:傣暹攘整霹鞋分為鴦線傣邀疆無線攘 邋囂秘。露線饋道謝以認為是理想壤道。奪蘢線鑄道,信遭覆擻是辯變的。搓本文中,傳播損耗主要茍接入終端和摟入 點兩囊之閼的距離福關。其他影蛹豹因素還宥由予接入終端和梭入點之閹的 障礙物引起的陰影效戚。奪 傳播損耗:隨著接入終

42、端鞠接入點之間的距滿增鱺靜時候,接收功率減小。 邃個攢耗糯掰成芷魄。y 4是驁倍弩大耩度囊落辯捩靜損耗遨孑。寤是鬻定 9北京郵電大學碩士學位論文 無線局域網MAC層協議的性能研究損耗因子,一般取25。奪陰影效應:由于兩個通信用戶之間的障礙物的影響引起的。一般取G7dB 奪幀的產生:幀的產生服從泊松分布,也就是說各幀之間是獨立的,而且產生 概率不隨時間變化。在一個極短的時間內,同時產生兩個幀的概率極小,可 以忽略。也就是說,每個時間點最多只能產生一個幀。奪沖突:當幾個幀同時在信道里傳輸時,就會發生耋疊,這種重疊被稱為沖突。 沖突的幀傳輸發生錯誤,必須進行重傳。在有線信道中,發生沖突必然丟失 數據

43、。但是在無線信道中,接收功率最大的幀可以成功被檢測出來。其他的 幀則需要薰傳。 網絡負載;包括成功傳輸的幀和出錯重傳的幀。數據傳輸 速率是斤(細曲,一共有Tt(bit需要傳輸。則G-互R奪吞吐量:在一段固定的時間內成功傳輸的幀成為吞吐量。設一幀的數據速率 為R(bps信息量為T(bit,在單位時間內共有砘目成功傳輸。則S-.T.x.nR奪平均傳輸時延:指的是幀從產生進入發送緩沖器的時刻開始,一直到被正確 接收為止所需要的平均時間。仿真結果如下面的圖所示:1純ALOHA協議IO!塑塑塞盔量璺主蘭垡墼一 差塑墨璧塑!簍星堡墼墼絲壁要塞T伯儂c(Simulation result圖2一i純ALOft

44、A協議的吞吐量特性出圖2一l我f|、!霹以褥翹縫Aloha協議豹器蛙量特性綴慈,其璦大值攔0.18左右。Average Delay time of Pure ALOHA systeml:曼:竺!盥 ,一o ,p套-。,o+,#一屯。 ,-, .奇 .張,07。 .強。o 。 妒-0。 .。,。07Traffic(Simulation result圈2-2純ALOHA協議的時延特性w :a 黜o o |I c 卜富 I 口 露 d c 謄 斗 耍 釜 Q o 罨 J a 、 q北京郵電大學碩士學位論文 無線局域網MAC層協議的性能研究 2對F蒙,ALOHA協議鼉矗C口32e-I-Traffic(

45、Simulation result圖2-3時驤ALaA協議吞吐量特性由予露藩ALOE&傻該磺撩窗墨繚,l、,它鶼吞睦羹將羧獎I筑矗Le灝爵,當G=l 的時候,時隙ALOHA的吞吐墩達到最大假Smax=O.368。12冀鎏型璧莖蘭壅主堂焦墮奎.差璧堡堡翌塑簍蹩整鑒鱉整墼曼塞Tf翟ffic(Simulation result罄2q羹孝羰矗L。玨A協議越廷特性通過懿上的仿真緩采看出,兩釋ALOHA系統幫蠢個不稔窺揀工作匿域。 當吞吐量越過它們的最大值時,此時若它們的網絡負載還在增大,它們的吞 吐量特性就急劇下降,從而導致整個系統不能工餐3菲時轅墊持es融獲議非堅持CS姒協議魑在ALOHA基礎

46、上提出的,島ALOHA的主聚區別就是多了 一個載波監聽裝置,以提供發送前監聽信道上其他站是否在發送數據。在這 個按談孛,每個照點在眾麴傳送數攢之蓑都要先梭驥l信道,翔糶在宅檢測鴕 時闖起沒脊入發送數攢,則該站自融開始發送數據。之所竣稱之為菲堅捺的, 是因為它搬檢測到信邋忙之后,會隨機延時一個時間,等過了遮段時間再來 監斫信道。囂 口 棼 眷 叮 一 罌 啦 、北京郵電大學礤士學位論文 無線局域網MAC層協議的性能研究jCo:oCI-Throughput of np CSMA systemTraffic(Simulation result圖25非時隙非堅持CSMA協議的吞吐爨特性出予有了載波監聽

47、措施,農楣當程度上減少了套逖發邀數據的盲爨性。 這樣魏提高了僖道羽剽瘸率和整個網絡豹吞避爨。i堅持eS淞存在一個鞘霾 的缺點,就是一旦監聽到信道忙,馬上延遲一個隨機時間,簿這段時間過去 后再熬新開始監聽倍遘。但很可能在再次監聽信道之前信道就已經空閑下來 了,l整持eS漱不戇戇售遂夔交建空瓣豹時刻我密,這襻戴衾影嚷了售邋零 用率的提高。14苧塞塑曼奎蘭堡=皇竺堡堡塞 蔞塑墨籩塑墜!星堡堡魍壁墼塹窶墓 ￥ 甜 ; 鑫 毋 尊 字 、Traffic(Simulation result圖26非時陳非堅持cs凇協議的平均時延特性特住4時羰#堅持IS姒協議:l :&c 西 r l o -I c 卜

48、Traffic(Simulation resuR圭塞墮里查蘭墮主蘭墊墮一 垂垡旦堡塑墜!星塑堡箜堡蹩墅壅 圖27時隙非堅持ISMA協議的吞吐量特性Traffic(Simulation result圖28時隙非堅持IS舭協議的平均時延特性由以上仿真結果看出,ISMA協議具有較高的吞吐量,并且時延增長也比較緩 慢。通過以上幾種接入協議的分析可以發現,在負載比較大時,它們的吞吐量性 能都會急劇下降,而延時則急劇增加,因此已不能適應無線網絡的要求,必須對 它們做出改進。與分布式MAC協議不同,集中式MAC協議將所有的權限和復雜性都轉移到了 中央節點之內,由中央節點來決定什么時候由什么無線節點通過什么方

49、式來占用 信道資源。由于在網絡規劃的時候,中央節點在網絡位置上居于wLAN的中心, 所有的無線節點都能夠與之傳輸信息,因此不會存在隱藏節點和暴露節點。但是, 由于所有的傳輸都必須經過中央節點,在網絡規模較大的情況下,對于中央節點 的處理能力和處理時延都有較高的要求。(1集中式隨機接入協議集中式的網絡結構中可以采用隨機接入協議,下面是幾種集中式隨機接入協 議的介紹。1空閑監聽多重接入協議16口 仍 拳 一 凸 曲 毋 . 髂袁鄄電丈學鹺士學位論文 蘢線局壤弼MAC譬勢渡豹蛙艟戮究空閑監聽多重接入(Idle Sense Multiple Access,IsMA協議是一種用于 集中式無線湖絡的基于競

50、爭的隨機接入撩議。以上識對它進行了一些分析。在這 耱接久蟄毒交串,棗串夾繁蔗連行載波稔測囂捧突撿灝,員傳搡終麴下蜜褒示。警 無線信道是窳閑的時候,中央節點就會廣播一個空閑信號(Idle Signal,IS。 每一個有需黌傳輸的數搬的節點都以概率P來發送俗息,如果有兩個或更多的節 焦霜對進行發送,就會再饋遂上罷|超、磚突,這對孛央節煮無法對佟竣的數據進行 解碼,因此會在網絡上露次廣播IS。弼萊正確縫接收弱了菜個傳輸,中央節點 就會廣播IS和一個確認信息(Idle Signal&Acknowledgment,ISA,在發邀 空閉信號的同時對上一次信道上進行的傳輸進行確認。IS IS Col

51、iiSion IS Data ISA 圈2-9IS&IA侮議示意辮當在IS凇中發生沖突時,就會安失熬整一個數據包,這虢引超了系統激率 豹洚低。R-IS,VlA(Reservation Is淞協議通過絳髫數據包來避免遴葶中效霉+h的 降低。在RIS淞協議中,纛線節點邋造發送非?；[的裸整數攥毽(Reservation Packet,RP采圈應中夾繁點廣攆瓣S信號。黧鬃這孵誤發嫩了冷突,只會丟 失保留數據包。當中央節點接收到了保黧請求麟,就向節點發出個輪詢信號 (Polling Signal,PS,只鴦筏輪游弱翁無線熹方畿發送鼗攢。ISkL4窩RIS鼢 郝羆用的時分雙王。RPIS IS RP

52、 PS Data ISA Coll2資潦巍買霧耋裝入協議圈2一lO R-ISMA協議示意潮資源竟袋多重按入(Resource Auction渤itipte Access,RA黻誨談蹩 通過特寇的接入機制來實現資源分敞的隧機接入協議。如下圖所示,每一個涎線 節點都裔一個凝定2特長瀚D,洚突豹解決正蔻遴遙對這個l芬蕊運符號傳穩采 安現羲。在煮爭貔段,每一個無線慧點酃逐符警熄發送塞己韻ID。中央節患恕 其收到的符號再信道上進行廣播。如果無線節點收到的廣播的符號與節點自己的 豁號不教,帶點載遴懣競爭。鍘孛,節煮A戇ID是110,節患B麴ID是101。 農發送籀個符號時,矗和8都發送“l”,中央幫點飚復

53、“1”。在發送第二個符也重墮里查蘭堡主蘭垡絲塞一一 垂塑墨苧旦!燮星塑堡塑絲墼嬰塞 號時,A發送“1”,B發送“0”,由于無線信道在上面有多個信號疊加的時候, 對于“l”和“0”而言是遵從“或”準則的,因此中央節點接收并回復“l”。這 樣,節點B就退出了競爭。該過程一直持續到整個ID傳送完畢?？梢钥闯?當 整個ID傳輸完畢,總是由ID值最大的節點贏得競爭。霾 圖 霾 闞篋 。 競買階段 、 .傳輸階段 。 。 分配周期圖2一ii RAg-A協議示意圖在RA凇中,如果一個節點有數據要傳輸的話,通信的每個slot都不會是 空閑的。這樣,如果不考慮開銷,RAMA協議就達到了對信道的最大利用效率。 但

54、是,由于中央節點和用戶節點在沖突解決中所使用的逐符號的交換,開銷是隨 著數據速率的增長而增長的,因此協議的吞吐爨并不商。另一方面,RAMA協議 是不公平的,這是因為ID值大的節點總是能夠贏得競爭,結果就有可能使別的 節點一直獲得不到信道。(2保證接入協議輪詢協議是在無線網絡文獻中唯一研究的一種保證接入協議。輪詢協議的主 要設計目的是減小由于信道消耗所引起的對帶寬的浪費。它利用一個受控握手來 測試信道,一次成功的握手就能夠保證在節點和基站之間信道質量。下面介紹幾 種保證接入協議。1可丟棄令牌MAC協議可丟棄令牌姒C協議(Disposable Token凇c Protocol,DTMP使用“輪 詢

55、一傳輸”循環來取代“輪詢一請求一輪詢一傳輸”循環,這樣就減少了輪詢所 有節點所需的時間T。協議的操作見下圖。北京郵電大學碗士學位論文 光線局域閹MAC屢協議的性能研究 沒有數據 只有上行數 有上行和下行數Poll 潮觸 呲豳下融翻2-12DTMP搏議汞意圖夜DTMP中,當中央節點輪詢一個憑線用戶節點的同時,也告訴了該用戶節 焦中央蔫點是否騫數據簧送給它。當孛夾節點沒毒傣舞這個節熹熬數據兩辯這個 無線節點又沒有要發送的數據時,無線節點就保持沉默。當中央節點有傳送給用 戶節點的數據,用戶節點就會發送一個短涪惠,接著率央節點蓑開始傳輸。在鞍 詢的時候,當無線用戶節點的緩存區里有數據疆發送給中央節點時

56、,用戶節點就 會發送數據作為對中央節點輪詢的回復。2Acampora協議Acampora耱議怒出矗ea囂lpoa繩毒豹趟予絮裴天線系統黲輇詢協議。袤臻議工 作在三個階段:輪詢階段,請求階段和數據階段。協議進行輪詢的方式是很有特 點的。中央節點首兔通過程輪譎中發送稼個禿線藹戶節點狻騫翡戳字來確談霉個 激活的用戶節點,如果節點沒有要發送躺數據就保持沉默,反之就闡復這個碼字。 接著中央節點向所有的用戶節點廣播這些被闡復了的碼字,使每個用戶節點都知 道簧要發送的無線帶點的數基以及這些螢點鶼發送暇序。農接下來的請求階段 中,所有的無線用戶節點拔順序向中央節點發送請求,再由中央節點來農傳送階 段中轅誨這蒸

57、用戶節點。19趣索都龜走學硬:b學位論支 光線弱域耩MAC瓣誨議靜性能研究 第三章IEEE802.1la無線局域網目前,世界上有兩種占主導地位的WLAN標準:豳歐洲電信標準協會(ETSD 疆鑫酌離蛙錢鼗灝無線毫懲壤網(HIPERLAN幫璐EE802.11LAN,囂者都瀨 蓋了物理層和媒體按制層的標準,以下主要介紹802.1la無線局域閼的物理層和 MAC屢筋關鍵技術圖3一l IEEE802.11的協議棧結構IEEE802.兒按照IOS/RM(開放系統互聯參考模型,只涉及了最低兩層,如 圖31。我們知道,IOS/RM最低層是物理層(PHY,再上一層是數據鏈路層(DLC, 數據鏈路層又分為邏輯鏈路控制層(LLC與介質訪問控制層(姒C。從圖31可知,IEEE802.11只涉及了物理層和MAC層。ISO/雕中的物理層定義了通過無 線連接所必需的機械和電氣特性,而介質訪問控制層定義了兩個數據鏈路層之間20北衷瞎毫太學磺土學餃論文 斃賤摘域耀MAC蒜辨議翦性能研究建立和維持數據傳輸,并將數據流無差錯地提供給網絡層的功能協議。無線局域網的傳輸介戚和頻段分配是出IEEES02.11確定的。在IEEE802。llb 串_壤定了三羚耪淫屢程范:欺;孛蘊萋淫裁(PPM鑫辨線、壹接滓愛擴菝(DS-SS和跳頻擴頻(FHSs,如圖32。遮就形成了