【正文】 采用 OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)，物理層速率可達 54Mbps，這就基本滿足了現(xiàn)行局域網(wǎng)絕大多數(shù)應(yīng)用的速度要求。而且，對數(shù)據(jù)加密方面，采用了更為嚴密的算法。但是， 芯片價格昂貴、空中接力不好、點對點連接很不經(jīng)濟。空中接力就是較遠距離點對點的傳輸。需要注意的是， 和工作在 5GHz 頻帶上的 標準不兼容。（4）2022 年 11 月 15 日，IEEE 試驗性地批準一種新技術(shù) ，使無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可達 54Mbps。 是對 的一種高速物理層擴展，同 一樣， 工作于 ISM 頻帶，但采用了 OFDM 技術(shù)，可以實現(xiàn)最高 54Mbps 的數(shù)據(jù)速率，與 相當；并且較好地解決了 WLAN 與藍牙的干擾問題。 與已經(jīng)得到廣泛使用的 是兼容的，這是 相比于 的優(yōu)勢所在。由于 標準尚未完成，而符合 標準的產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)，相信 將會得到較快發(fā)展，在一定程度上占據(jù)先機。在 MAC(媒體接入控制)層，、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(wǎng)上的CSMA/CD(CD:Collision Detection，沖突檢測)，CSMA/CA 相關(guān)內(nèi)容在 標準中定義，、 、 直接沿用。由于在 RF 傳輸網(wǎng)絡(luò)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 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。CSMA／CA使用 RTS、CTS 和 ACK 幀減少沖突。除了 、 這四個標準涉及物理層外，為了促進 在歐洲的推廣發(fā)展，與 ETSI 的 HiperLAN/2 競爭，IEEE 又提出了 標準，在 基礎(chǔ)上增加自動頻率選擇(DFS)和發(fā)送功率控制(TPC)功能，以適應(yīng) 在歐洲推廣發(fā)展的需要，符合歐洲有關(guān)管制規(guī)定的要求。 是 MAC 層標準的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)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 、 等標準。 增強了 MAC 層，為 WLAN 應(yīng)用提供了 QoS 支持能力。 對MAC 層的增強與 、 中對物理層的改進結(jié)合起來，就增強了整個系統(tǒng)的性能，擴大了 系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，使得 WLAN 也能夠傳送語音、視頻等應(yīng)用。 標準定義了一套稱之為 IAPP(InterAccess Point Protocol)的協(xié)議，以實現(xiàn)不同供應(yīng)商的接入點 AP 間的互操作性。談到 標準，就不能不提到 標準。 標準完成于 2022 年，它是所有 IEEE 802 系列 LAN(包括無線 LAN)的整體安全體系架構(gòu)，包括認證 (EAP 和 Radius)和密鑰管理功能。 是對 MAC 層在安全性方面的增強，它與 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， 系列標準中，還有一個 標準，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(yīng) 設(shè)備在一些國家應(yīng)用時這些國家無線電管制上的特殊要求。 本論文的章節(jié)安排本論文主要針對無線局域網(wǎng) IEEE 標準 MAC 層 RTS/CTSDCF[7]協(xié)議進行研究。共分四章：第一章，對無線局域網(wǎng)及 IEEE 協(xié)議的一系列標準進行了簡單的介紹，并對無線局域網(wǎng)的發(fā)展狀況、研究應(yīng)用進行了描述。第二章，主要介紹無線局域網(wǎng) MAC 層。首先闡述了無線局域網(wǎng) IEEE MAC 協(xié)議的基本概念，其次介紹了 MAC 層的主要技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)工作方式，其中著重強調(diào)了幀間間隔、退避機制的工作原理，以及基本訪問機制和 RSC/TS 訪問機制的基本原理。第三章，是本文的重點， ，IEEE MAC 層協(xié)議性能分析，首先簡單描述了評價MAC 協(xié)議的性能指標，其次再對 RTS/CTSDCF 機制作了詳細的說明和深入的分析，并采用時間分析模型研究 DCF 信道接入方式，討論影響 DCF 性能的關(guān)鍵參數(shù)。通過模型分析討論了原協(xié)議存在的問題，隨后提出 RTS/CTSDCF 算法的改進思想，用來減少沖突、提高信道利用率。第四章，在前三章的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)性能進行仿真驗證，以仿真軟件 MATLAB 為基礎(chǔ)，搭建仿真平臺。在該仿真平臺下，仿真出了系統(tǒng)吞吐量的變化，驗證了理論分析模型。2 無線局域網(wǎng) MAC 層IEEE MAC 層提供了多種服務(wù)，同時它也定義了兩種不同的介質(zhì)接入的方法：分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）和點協(xié)調(diào)功能（PCF） 。其中 PCF 接入由于需要接入點協(xié)調(diào)整個覆蓋區(qū)域內(nèi)的站點，故使用較少。MAC 層給站點提供信道的接入和數(shù)據(jù)的傳輸，這就直接關(guān)系到整個網(wǎng)絡(luò)信道資源的合理分配和利用，從而影響到網(wǎng)絡(luò)的性能表現(xiàn)。雖然在物理層上新的技術(shù)不斷推出，但是發(fā)展相對緩慢的 MAC 層技術(shù)卻極大地制約了無線網(wǎng)絡(luò)的性能提升。IEEE MAC 本身協(xié)議存在著諸多的不足。例如，協(xié)議的本身是想提供對所有站點的公平信道接入[3] 。但是，由于協(xié)議設(shè)計上的一些不足，導(dǎo)致了信道接入的公平性問題。在本章中，將分別從協(xié)議開銷、發(fā)送失敗的原因以及介質(zhì)接入的公平性問題[10]三個方面詳細分析 協(xié)議，重點分析二進制指數(shù)退避算法的不足。 IEEE MAC 協(xié)議概述IEEE 協(xié)議族的 MAC 層協(xié)議和 IEEE 中的以太網(wǎng)協(xié)議非常相似，都是在一個媒體之上支持多個用戶來共享這一媒體資源，具體做法是由數(shù)據(jù)發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)前先進行網(wǎng)絡(luò)的可用性檢查。在 協(xié)議中，是由一種稱為載波偵聽多路接入/沖突檢測（Carrier Sense Multiple Access with Co11ision Detection，CSMA/CD)的機制[1]來完成各個用戶之間的協(xié)調(diào)的，這個協(xié)議解決了在 Ether 上的各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如何在公共的線纜上進行傳輸?shù)膯栴}，利用它檢測和避免當兩個或兩個以上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要同時進行數(shù)據(jù)傳送時發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)上的沖突。而由于無線信道的特性，在 無線局域網(wǎng)協(xié)議中，沖突的檢測在無線通信系統(tǒng)中是無法辦到的。鑒于這個差異，IEEE 協(xié)議族標準對 CSMA/CD 進行了一些調(diào)整，采用了新的載波偵聽多重接入/沖突避免( Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)機制。CSMA/CA 機制可以利用握手的方式來解決隱藏終端[14]的問題，同時也利用 ACK 信號來避免沖突的發(fā)生。也就是說，只有當客戶端收到網(wǎng)絡(luò)上返回的 ACK 信號后才能確認送出的數(shù)據(jù)己經(jīng)正確到達目的。IEEE 協(xié)議族所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)包括異步的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以及對傳輸時延有著嚴格要求的各種實時業(yè)務(wù)，例如語音業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)。為了適應(yīng)異步數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和實時業(yè)務(wù)各自不同的特點， 協(xié)議族規(guī)定了兩種不同的 MAC 層訪問機制，一種是分布式協(xié)調(diào)功能( Distributed Coordination Function，DCF)，被設(shè)計用來傳輸異步數(shù)據(jù)，同時也是支持 PCF機制的基礎(chǔ)。DCF 機制可以應(yīng)用于所有的站點，無論其拓撲結(jié)構(gòu)是基本網(wǎng)絡(luò)配置還是BISS：另一種訪問機制稱為點協(xié)調(diào)功能 ( Point Coordination Function，PCF) ，是可選的，它只可用于基本網(wǎng)絡(luò)配置的拓撲結(jié)構(gòu)。PCF 的工作原理主要為輪訓(xùn)機制，即由一個點協(xié)調(diào)器( Point Coordinator， PC)來控制令牌的循環(huán)。本文所作研究以 DCF 為基礎(chǔ)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)不使用 PCF 工作模式。 IEEE MAC 中的主要技術(shù) 虛擬載波監(jiān)聽技術(shù)由于天線半雙工的工作方式和信號空間傳播的復(fù)雜性，無線網(wǎng)絡(luò)相對于有線網(wǎng)絡(luò)更易發(fā)生沖突，這個問題在物理層難以解決。IEEE 在 MAC 層通過使用虛擬載波監(jiān)聽技術(shù)[8]解決了這個問題，每個工作站維護一個網(wǎng)絡(luò)分配矢量 NAV(Network Allocation Vector)，用 NAV 來指示網(wǎng)絡(luò)的忙閑狀態(tài)，每個發(fā)送站在發(fā)送幀時估計網(wǎng)絡(luò)忙的時間，即NAV，并把這一時間信息裝入幀頭，其他站接收到此幀后如發(fā)現(xiàn)本地 NAV 小于此時間則利用此時間更新本地 NAV。各個工作站通過這種虛擬載波監(jiān)聽技術(shù)和物理層的載波監(jiān)聽技術(shù)來判斷網(wǎng)絡(luò)的忙閑狀況。 幀優(yōu)先級的設(shè)置CSMA/CA 算法要求發(fā)送的幀之間有一定的間隔，當介質(zhì)空閑一定時間后才能嘗試訪問介質(zhì)。 中有四種幀間隔，其長度由小到大依次分別是 SIFS(Short interframe space)，PIFS(PCF interframe space)，DIFS(DCF interframe space)，EIFS(Extended interframe space)。如圖 1 所示。 DIFS PIFS 介質(zhì)忙 SIFS 圖 21 幀間隔SIFS 主要用于確認或響應(yīng)幀的獲得介質(zhì)訪問權(quán)的時間間隔。PIFS 主要用于中心控制方式，無競爭期的站點獲得介質(zhì)訪問權(quán)的時間間隔。DIFS 用于分布控制方式，競爭期的站點獲得介質(zhì)訪問權(quán)的時間間隔，這種時間間隔使得工作于 PCF 方式下的工作站獲得比工作于 DCF 方式下工作站享有更高的幀發(fā)送優(yōu)先級。EIFS 是工作于 DCF 方式下，用于FCS 值錯誤導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)錯誤的情況下作為等待時間，為接收站發(fā)送確認(ACK)幀提供足夠的時間。通過不同的幀間隔,不同優(yōu)先級的幀能獲得相應(yīng)的介質(zhì)訪問優(yōu)先權(quán)。 隨機退避機制退避時間選取如下：T=CWR an dom()S lot Ti me其中 Random()是隨機數(shù)，SlotTime 是總傳播時延， CW 是競爭窗口,它是 SlotTime 的整數(shù)倍。CW 在 CWmin 和 CWmax 之間選擇，當一幀進入發(fā)送緩存時 CW 初始化為CWmin，以后每次嘗試重傳后 CW 加倍直至 CW max。在退避狀態(tài)下，檢測到信道空閑時退避計時器開始計時，其間如檢測到信道忙，則退避計時器停止計時，直至信道空閑時間大于 DIFS 后計時器恢復(fù)計時。在這種機制下，當多個站延遲并進入隨機退避狀態(tài)后，退避值最小的站將在競爭中獲得介質(zhì)訪問權(quán)；在競爭中失敗的站會保持退避狀態(tài)直到下一個 DIFS。這樣在下一次競爭中這些站可能會比新進入退避的站有更短的退避時間，避免了有的站永遠不能獲得介質(zhì)訪問權(quán)的可能。 節(jié)能管理由于在移動環(huán)境下對筆記本計算機節(jié)能的要求，IEEE 規(guī)定了節(jié)能的工作模式。工作在節(jié)能模式的工作站有兩種工作狀態(tài)：睡眠狀態(tài)和喚醒狀態(tài)。睡眠狀態(tài)的工作站關(guān)閉收發(fā)器以節(jié)約能耗。在擴展服務(wù)集(ESS)無線局域網(wǎng)之中，由 AP 緩存發(fā)往節(jié)能站的數(shù)據(jù)，節(jié)能站在一定時間間隔內(nèi)蘇醒以便接收信標幀，并判斷有沒有被緩存的數(shù)據(jù)。在獨立基本服務(wù)集(IBSS)[11]網(wǎng)絡(luò)中，沒有 AP 提供緩存服務(wù)，向節(jié)能站發(fā)送數(shù)據(jù)的站需事先發(fā)送提醒接收的控制幀，節(jié)能站定時被喚醒以檢查有沒有需要接收的數(shù)據(jù)，如果有就發(fā)送質(zhì)詢幀,發(fā)送站接收到質(zhì)詢幀立即發(fā)送該數(shù)據(jù)幀。 IEEE MAC 的網(wǎng)絡(luò)工作方式在 MAC 層， 標準定義了兩種不同的接入方式：分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）和點協(xié)調(diào)功能（PCF） 。前者支持無競爭型實時業(yè)務(wù)及競爭型非實時業(yè)務(wù)，后者建立在前者工作方式之上并且僅支持競爭型非實時業(yè)務(wù)，如圖 22 所示。分布式協(xié)調(diào)功能中，各個站點地位平等，采用競爭的方式來共享共同的信道，故在無中心的 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中，采用分布式協(xié)調(diào)功能。而點協(xié)調(diào)功能需要一個管理整個網(wǎng)絡(luò)的中心結(jié)點，整個網(wǎng)絡(luò)中信道的分配由中心結(jié)點完成，不存在沖突，故在基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。但由于管理機制的引入導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的管理變得更加復(fù)雜，反觀競爭的方式卻簡單實用，因此，在現(xiàn)有的接入網(wǎng)中，也多采用分布式協(xié)調(diào)功能。 提供無競爭 服務(wù) 提供競爭服務(wù) 并作為 PCF 的基礎(chǔ) MAC 協(xié)議 圖 22 IEEE 協(xié)議基本框架 DCF 接入方式 中的分布式協(xié)調(diào)功能是一種基于分布式控制的競爭式共享介質(zhì)方法，采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問（CSMA/CA）技術(shù)[5]。在該技術(shù)中，所有站點偵聽信道的同時決定是否發(fā)送報文，并在發(fā)生沖突后采用二進制指數(shù)退避（BEB）算法進行沖突避免。同時，所有成功接收報文的站點都要立即返回一個正確確認（ACK）報文給源站點。如果超過一定的時間沒有 ACK 到達的話，源站點會安排重傳。DCF 比較簡單，健壯性較好，在實際應(yīng)用中獲得了廣泛支持。標準規(guī)定 DCF 是節(jié)點的默認工作方式。（1）載波偵聽機制CSMA/CA 機制里，載波偵聽是非常重要的技術(shù)。載波偵聽在發(fā)現(xiàn)介質(zhì)空閑時，站點就可以啟動介質(zhì)競爭過程，競爭信道。與有限局域網(wǎng)中的完全依賴物理層實現(xiàn)不同，在無線網(wǎng)絡(luò)中，除了物理檢測方式，還采用了虛擬載波偵聽機制，用邏輯方法對信道的占用情況進行預(yù)測。信道占用預(yù)測——虛擬載波偵聽不是通過介質(zhì)上的信號情況來偵聽載波，而是從MAC 幀中攜帶的相關(guān)信息來實現(xiàn)一種邏輯預(yù)測，簡