【正文】 個新課題。 并且還在論文的最后對無線局域網 MAC 層機制提出了改進方案。無線局域網是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。但有線網絡在某些場合要受到布線的限制：布線、改線工程量大；線路容易損壞；網中的各節(jié)點不可移動。隨 著 Inter 上的實時多媒體業(yè)務（如視頻、音頻等）越來越多，在無線網絡中傳輸這些業(yè)務的需求也越來越大，這也就對無線網絡的性能和服務質量提出了更高的要求。 在論文初期，我從互聯(lián)網、相關畢業(yè) 論文及與無線局域網有關的書籍中查閱了大量的資料，對論文的主要內容有了自己的構思。所以本文在第二章中對無線局域網的物理層和 MAC 層的協(xié)議和關鍵技術做了一定的分析研究。 7 第一章 緒論 無線局域網概述 20世紀末，個人計算機（ PC）因為 Internent 的興起變成熱門商品。為了實現無所不在的計算，移動計算成為了現代計算機通信領域一個引人注目的新課題。移 動計算技術的應用非常廣泛，可應用于軍事，工業(yè)和民用等許多方面。無線局域網 (WLAN)順勢而生?？梢?WLAN 的普及，產品增多，價格下降，市場需求急速增長。學術界相繼提出 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex),MIMO(MuliInput MultiOutput, UWB(Ultra WadeBand)等無線傳輸技術理論，隨著研究工作的不斷深入與擴展，部分新技術已經納入新的無線通信標準，甚至已經開始實現商業(yè)應用。目前無線局域網領域的兩個典型標準是 系列和 HiperLAN 系列標準。它并不是用來取代有線局域網的，而是用來彌補有線局域網的不足之處，以達到網絡延伸的目的。射頻無線電波主要使用無線電波和微波，光波主要使用紅外線。 安裝容易，使用簡便，組網靈活，無線局域網可以將網絡延伸到線纜無法連接的地方，并可方便的增減、移動和修改設備。 無線局域網可用于物理布線困難或不適合進行物理布線的地方，并以經濟的方式快速進行物理布線。無線局域網采用無線信道進行通信，而無線信道是一個不可靠的信道，存在著各種各樣的干擾和噪聲，從而引起信號的衰落和誤碼，進而導致網絡吞吐性能的下降和不穩(wěn)定性。因此，無線局域網的一個重要發(fā)展方向就是提高系統(tǒng)的傳輸帶寬和系統(tǒng)容量。由于無線電波不能局限于網絡設計的范圍內，所以存在著被竊聽和被惡意干擾的可能性。 圖 11 站也稱主機或終端，是無線局域網的最基本的組成單元。它的基本功能是完成非 AP 的站對分布式系統(tǒng)的接入訪問和同一 BSS 中的不同站之間的通信聯(lián)絡。 WLAN 的拓撲結構可以從幾個方面來分類。單個 BSS 稱為單區(qū)網，多個 BSS 通過 DS互連構成多區(qū)網。但是當站點數過多時，信道競爭成為限制網絡性能要害。一個基礎結構除DS外，還包含一個或多個 AP 及零個或多個端口。 A站 B 站 基本服務集（ BSS） 13 圖 13 無線局域網的協(xié)議體系 無線局域網的邏輯結構 ： 完整的網絡結構包括自上而下的各個層次，但無線網絡僅僅工作在OSI/RM 的下三層，如圖 14 所示，無線調制解調器（ Modem）或無線電臺只具備物理層的功能； WLAN 可以包括物理層和數據鏈路層的功能，只有WWAN 才具有網絡層的功能。其中 RF傳輸標準以跳頻和直接序列擴頻為基礎，工作在 頻段。該標準是對 IEEE 的一個補充，采用補充編碼鍵控（ CCK）調控方式，以及點對點模式和基本模式兩種運作模式。該標準也是 IEEE 的一個補充，擴充了標準的物理層，采用正交頻分技術與 QPSK 調制方式，可提供 25Mbps 的無線 ATM 接口和 10Mbps 的以太網無線幀結構接口，支持多種業(yè)務如語音、數據和圖像等。采用了兩種調制方式，包括 中采用的 OFDM 與 中采用 CCK，做到與 和 兼容。 WiFi聯(lián)盟計劃采用 標準作為 WPA 的 第二個版本，并已于 2021年初開始實行。 在 ，通常把相對復雜的物理層又進一步劃分為物理層會聚過程子層（ PLCP） 、物理媒體依賴子層 (PMD)和物理層管理子層 (PLME)。物理層管理子層進行信道選擇和協(xié)調。 此外 還定義了一個管理子層，其主要把任務是協(xié)調物理層和 MAC 層之間的交互作用。室外應用主要有園區(qū)網（如校園網、醫(yī)院網、社區(qū)網等）和較遠距離的無線網絡連接（用無線網橋、無線路由器等設備）以及更遠距離的網絡中繼。 另外一類適合無線局域網應用的場合是需要臨時組網和難以布線的地方，如災難恢復、短時間的商用系統(tǒng)和大型會 議等，以及軍事、公安等專用網。 WLAN 有三種應用方式，即 WLAN接入網、網絡無線互聯(lián)和定位。無線局域網系統(tǒng)的物理層內容主要解決適應 WLAN信道特性的高效而可靠地數據傳輸問題，并向上層提供必要的支持與響應。 ，如擴展與瑞克接收技術、多載波技術、分集技術、功率控制技術和智能無線技術等。 物理層層次結構 從縱向的層次結構來看， WLAN 物理層包括三個功能實體，如圖 21所示： 19 圖 21。 MAC 層發(fā)出指示后， PLCP 就開始準備需要傳輸的 MPDU（媒體協(xié)議數據單元），并為 MPDU 附件包含物理層發(fā)送器和接收器所需信息的字段 。 PMD 子層 PMD 子層在 PLCP 子層之下，直接面向無線介質，定義了兩點和多點之間通過無線媒介收發(fā)數據的特性和方法，為幀傳輸提供調制和解調。狀態(tài)指示信息在 標準中指的是信道空閑估計 CCA，它可以是載波檢測（ CS）、能量超過門MAC 層管理 PHY 層管理 MAC 層 PHY SAP PLCP 子層 PMD SAP PMD 子層 物理層 20 限和能量超過門限與載波檢測中的任意一種。 WLAN物理層分類情況如圖 22 所示： 圖 22 目前，無線局域網采用的傳輸媒體主要有兩種，即無線電波與紅外線。物理層的選擇取決于實際應用的要求。 PMD 子層 PMD 子層的功能是定義了兩個或者更多的站點之間通過無線媒體發(fā)送和接受數據的特點和具體實現方法。 無 線 局 域 網 絡 是 一 種 能 支 持 較 高 數 據 傳 輸 速 率（ 154Mbit/s），采用微蜂窩，微微蜂窩結構的自主管理的計算機局域網絡。 使用了 CCK調制技術來提高數據傳輸速率，最高可達 11Mbps。 22 PBCC 也是單載波調制，但它與 CCK 不同，它使用了更多復雜的信號星座圖。 技術 關于 OFDM 系統(tǒng)較完善的概念是 Weinstein 和 Ebert 在 1971 年提出的。 MAC 層結構 MAC 層概念 多址接入技術是解決在網絡中多個用戶如何高效共享一個物理鏈路的技術，它涉及多址信道的分割、接入方式、分配策略和控制機制等多方面內容，是無線通信網的關鍵技術之一。 網絡的性能（吞吐量、時延等）主要取決于 MAC 子層的接入協(xié)議，而且系統(tǒng)的頻譜利用率、系統(tǒng)容量、小區(qū)結構設備的復雜度和成本等也受 MAC 協(xié)議的影響。 評價 MAC 協(xié)議的性能指標或設計 MAC 協(xié)議需要考慮的技術要求主要有吞吐率、延遲、公平性和穩(wěn)定性等。隨機接入 MAC 協(xié)議適合于強突發(fā)性業(yè)務。但必須看到，時延、隱藏終端和暴露終端是 WLAN 固有的問題，目前主要的解決方法是采用 RTS/CTS 短信息握手機制。 在 無線網絡中， MAC 層功能較復雜，它主要包括 MAC數據業(yè)務接口、 MAC 控制狀態(tài)機、 MAC 管理業(yè)務接口、 MAC 管理業(yè)務機和分布式業(yè)務接口等功能模塊，如圖 24 所示。分布式業(yè)務從分布式系統(tǒng)接收業(yè)務請求，并將有關的請求傳到 MAC 控制狀態(tài)機。這些業(yè)務用來為主機的管理服務。 的無線媒體接入協(xié)議稱為“基于分布方式的無線媒體訪問控制協(xié)議 DFWMAC”。它 包括載波檢測 CS機制，幀間間隔 IFS 和隨機退避規(guī)程。在下面論文中將分別介紹兩種協(xié)調功能。其過程是這樣的：當檢測到信道空閑期間大于某一 IFS 后立即開始發(fā)送幀；否則，延遲接入直到檢測到需要的 IFS，然后選擇退避時間進入退避。 物理層和虛擬載波監(jiān)聽機制可以讓 MAC 層監(jiān)聽介質處于繁忙還是空閑狀態(tài)，見 27 圖。 MAC幀的持續(xù)時間字段，如果監(jiān)聽到的值大于當前的網絡矢量（ NAV）值，就用這一信息更新該工作站的 NAV。 （ 2） 隨機退避機制： 當一個節(jié)點需要幀發(fā)送時，要調用載波偵聽來確定信道的忙 / 閑狀態(tài)，如果信道忙，他將推遲直到信道處于空閑狀態(tài)的時間達到一個 DIFS長度。 一個節(jié)點執(zhí)行退避過程時， 在每一個時隙中偵聽信道的狀態(tài)，如果信道閑，則將退避時間計數器減 1；如果信道忙，則退避時間計數器就凍結（即不再遞減），直到偵聽到信道處于連續(xù)空閑達到 DIFS 時間，退避過程重新被激活，繼續(xù)遞減、當退避計數器遞減到 0 時，節(jié)點就可以執(zhí)行發(fā)送。除此以外的所有情況，都必須使用退避算法。每一種間隔均定義了上一個發(fā)送的幀的結束標記到下一個發(fā)送幀的開始標記之間的時間。這類工作站一旦監(jiān)聽到介質空閑，就可以進行無競爭的通信。 （ EIFS）： 所有基于 DCF的工作站采用 EIFS的間隔 —— 在不正 確的 PCS 值導致錯誤的幀接收情況下作為等待時間。當 A 和 C 同時監(jiān)測到信道空閑時，會同時發(fā)送數據，從而在 B 處引起沖突，這就是隱蔽終端問題。 采用 RTS/CTS 的握手機制，同時也引入 ACK 確認機制確保傳輸的正確性。 RTS 和 CTS 幀以及數據幀和 ACK幀的傳輸時間關系如圖 211 所 示，在除源站和目的站以外的其他站中，有的在接收到 RTS 幀后就設置其網絡分配向量 NAV，有的在接收到 CTS幀或數據幀后才設置其 NAV。根據 協(xié)議的描述，對是否采用RTS/CTS 機制有三種方案：一直采用 ；永遠不用；當幀長超過門限時采用。差錯回復一般在一段時間間隔之后，如果收不到來自目的站的響應消息，則重發(fā)該幀。協(xié)議利用幀中的 MPDUID 域來防止重復幀。 的 QoS 局限性 的 DCF[4]作為一種典型的 CSMA 訪問機制，其訪問可分為 3 步：偵聽、競爭、避讓。作為對載波偵聽技術的補充， RTS/CTS 協(xié)議通過 4 次握手，保證了發(fā)送節(jié)點和接受節(jié)點的數據幀的傳送過程中沒有其他節(jié)點進行干擾，從而避免了沖突。隨著網絡中節(jié)點和數據的增加，數據幀的沖突概率增加， CW 也隨之增加，帶來的是數據延遲的增加、吞吐量和網絡利用率的下降。并且分別對 EDCA 和DCF 及 HCF 和 PCF 協(xié)議做了比較。 但是由于 MAC 層涉及的內容相 當的廣泛與復雜，并且 MAC 層的需求有時是相互排斥的，必須根據具體的需求作出折中選擇，所以 WLAN 的 MAC層研究在將來仍將是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。為了增強 IEEE 的 QoS 性能人們已經做了大量的工作，本文即是對以前的工作進行總結，并介紹了 IEEE 其應用和部署。因此，退避時間越短，則節(jié)點接入信道的時間越短，節(jié)點也就有了接入信道的更高優(yōu)先級。同樣在 AC演算法中也引入了不同的 DIFS 來區(qū)分優(yōu)先級。而在虛擬 MAC（ VMAC）算法中，不同優(yōu)先級業(yè)務的最大競爭窗口和最小競爭窗口的值都不相同。 二 、 IEEE 協(xié)議 為了有效地支持 QoS， IEEE 任務組提出了 。如果有兩個隊列同時獲得傳輸機會，則通過一個調度器來根據優(yōu)先級調度一個隊列接入信道。每個接入類別隊列的退避算法為 Backoff＿ aime[ACi]＝ rand(1,CW[ACi]SlotTime ，其競爭窗口計算為： newCW[ACi]=(oldCW[ACi}=1PF) 1。 值得注意的是，在 IEEE ，接入點可以隨時控制信道，這個時間段稱為控制接入狀態(tài) （ CAP）。 基于 WLAN 的無線多媒體業(yè)務將因為 標準的推出而變得更加有效，比如支持 VoIP 的 WiFi 手機和基于 ／ b／ g＋ 的 Vo WLAN 技術。單接入點環(huán)境下的 會是 的絕對增強。在這種環(huán)境下，增強分布協(xié)作模式將會因為更多的沖突使得性能大幅下降，而在混合協(xié)作模式中，各個接入點的互操作將變得非常重要。從論文的選題、研究思路和確定、論文的撰寫到 修改的整個過程中，王老師都傾注了大量的心血和精力。最后特別感謝無錫工藝職業(yè)技術學院對我的大力栽培 此致 敬禮 2021年 5月