【正文】 同時(shí)我也感謝我大學(xué)以來所有的任課老師和班主任，正是他們平時(shí)對(duì)我的嚴(yán)格要求為我打下扎實(shí)的計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)；也要感謝所有的同學(xué)們，正是因?yàn)橛辛怂麄兊闹С趾蛶椭?，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)才會(huì)順利完成。他平時(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和孜孜不倦的教誨是我受益匪淺。本文是我在我的導(dǎo)師王明超老師的悉心指導(dǎo)下完成的。 39 致 謝 首先我要感謝我的父母，父母是我最堅(jiān)實(shí)的臂膀，他們所給予我的一切關(guān)愛和支持，是我完成我的學(xué)業(yè)的最大的動(dòng)力和精神源泉。大型配置意味著有很多距離很近的接入點(diǎn)和更多的節(jié)點(diǎn)。這就是說，家庭、 家庭辦公室和小型辦公室的通信和多媒體應(yīng)用能力將得到很大的提高。 Vo WLAN 的部署是個(gè)值得考慮的問題。 IEEE 把語音業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高，以保證語音業(yè)務(wù)嚴(yán)格的低延時(shí)要求。 三 、 IEEE 的應(yīng)用與部署 目前，基于 IEEE WLAN 芯片已經(jīng)出現(xiàn)，而 WiFi 也已經(jīng)為這一技術(shù)推出了商業(yè)化的名稱 —— 無線媒體延展（ WME），以此來規(guī)范 IEEE ，杜絕互操作性差的設(shè)備出籠，從而使無線 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無縫地進(jìn)入 時(shí)代。在ＡＰ控制時(shí)間內(nèi)，當(dāng)一個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 收 到 QoSCF － poll 幀 之 后 ， 被 允 許 以 無 競 爭 突 發(fā) 模 式（ contentionfree burst）連續(xù)地發(fā)送多個(gè) MAC 幀，其接入信道的時(shí)間總和不能超過接入機(jī)會(huì)的時(shí)間限制。通過這種方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)中的調(diào)度器根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)將發(fā)送機(jī)會(huì)和業(yè)務(wù)流聯(lián)系起來。 2．混合協(xié)作模式 38 混合協(xié)作模式（ HCF）的 QoS 保障是基于接入點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間的業(yè)務(wù)量規(guī)范（ traffic specification）協(xié)商 而建立的。 增 強(qiáng) 分 布 式 協(xié) 作 模 式 中 的 幀 間 隔 用 有 優(yōu) 先 級(jí) 區(qū) 分 的AIFS[ACi]=AIFSN[ACi]SlotTime+SIFS 來表示。 在增強(qiáng)分布式協(xié)作模式中，還有一個(gè)重要的概念是仲裁幀間隔（ AIFS）。每個(gè)隊(duì)列都獨(dú)立工作，首先在一個(gè) 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部爭奪傳輸機(jī)會(huì)（ TXOP），獲得傳輸機(jī)會(huì)的隊(duì)列才能真正獲得信道接入的機(jī)會(huì)。在此協(xié)議中，所有業(yè)務(wù)被分為４種接入類別（ access category），并引入了８種業(yè)務(wù)流（ traffic stream）以區(qū)分優(yōu)先級(jí)。 此外，還可以通過差錯(cuò)控制技術(shù)來提高 QoS，比如使用快速自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)（ APQ）、前向糾錯(cuò)（ FEC）等技術(shù)。 4．最大幀長度 AC 算法中，允許高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的最大幀長度大于低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的最大幀長度。 一些算法修改了 IEEE 競爭窗口簡單加倍的算法，比如在ＡＣ算法中，對(duì)于沖突節(jié)點(diǎn)，其競爭窗口的增長算法為 ，其中Ｐｊ即是區(qū)分不同優(yōu)先級(jí)的 計(jì)算因子。 3．競爭窗口 37 競爭窗口的大小和退避時(shí)間有直 接的關(guān)系。 結(jié)合退避算法， DC 算法中同時(shí)引入了兩種退避算法和兩種幀間隔，從而區(qū)分了四種優(yōu)先級(jí)，這兩種幀間隔分別為 PIFS 和 DIFS。 很多增強(qiáng)技術(shù)都涉及退避算法的修改，比如 DC算法使用兩種退避算法分別對(duì)應(yīng)兩種優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)，分布式公平調(diào)度（ DFS）算法也采用多種退避算法等，目的都是通過區(qū)分退避時(shí)間的大小來區(qū)分節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)。只有退避計(jì)數(shù)器遞減至 O 時(shí)，節(jié)點(diǎn)才能真正發(fā)送數(shù)據(jù)。 一 、針對(duì) IEEE MAC 協(xié)議的 QoS 增強(qiáng)技術(shù) 針對(duì) 傳統(tǒng) IEEE 協(xié)議的 QoS 增強(qiáng)主要集中在以下幾個(gè)方面：在分布式協(xié)作模式中，通過修改協(xié)議參數(shù)，比如退避算法、幀間隔、最大最小競爭窗口、最大幀長度等來區(qū)分優(yōu)先級(jí)；在點(diǎn)協(xié)作模式中，通過修改調(diào)度算法等來實(shí)現(xiàn) QoS 的增強(qiáng)。然而，由于 IEEE 技術(shù)并沒有內(nèi)建對(duì) QoS 的支持，使得 IEEE WLAN 在提供音視頻等需要 QoS 保障的業(yè)務(wù)方面遇到極大的挑戰(zhàn)。 35 參考文獻(xiàn) [1] 謝希仁 . 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) (第四版 ). 北京 : 電子工業(yè)出版社 , 2021, 6. [2] 金純，陳林星，楊吉云著 .IEEE 802. 11 無線局域網(wǎng) [M].電子工業(yè)出版社 2021 [3] 潘愛民 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第 4 版） [M] 清華大學(xué)出版社 . 2021 [4] 吳醒峰 董國平 無線局域網(wǎng)中的 QoS 研究 [J] 電子科學(xué)技術(shù)評(píng)論 2021（ 1） [5] 王化宗 基于 IEEE802_11 WLAN QoS 機(jī)制的研究 [D] 山東大學(xué) [6] 翟臨博 無線局域網(wǎng)性能分析 [D] 山東大學(xué) [7] 孫昭 薛小平 無線局域網(wǎng)中服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制研究與實(shí)現(xiàn) [J] 計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ) 2021(7). [8] 陳義 李珺 無線局域網(wǎng)的 QoS 技術(shù)研究 [J] 網(wǎng)絡(luò)與通信 2021(11) [9] 方昀 無線局域網(wǎng) MAC 層 QoS 技術(shù)研究 [D] 西安電子科技大 2021 [10] 張煒 無線局域網(wǎng) MAC技術(shù)及其 QoS 增強(qiáng)的研究 [D] 浙江大學(xué) 2021 [11] 方旭明．移動(dòng) AdHoc 網(wǎng)絡(luò)研究與發(fā)展現(xiàn)狀．?dāng)?shù)據(jù)通信， 2021， ( 4)：15~23． [12] 盧先領(lǐng)，孫亞民等 . Ad Hoc 無線網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)綜述 .計(jì)算機(jī)科學(xué) . 2021,34(10):2427 36 附 錄 無線局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展研究 無線局域網(wǎng)（ WLAN）正在迅速地融入我們的生活。這種新算法能夠有效的改善高負(fù)荷條件下無線局域網(wǎng)系統(tǒng)中語音與視頻等高實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。 在本論文的最后，還對(duì) EDCA 算法提出了一種隨著 BSS 網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流量的增加而動(dòng)態(tài)調(diào)整競爭窗口值的算法。基于 協(xié)議體系，研究了 EDCF、與 HCF 無線局域網(wǎng) MAC 層增強(qiáng)技術(shù)。 34 結(jié)論 本文基于 協(xié)議體系的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)，針對(duì) MAC 層機(jī)制進(jìn)行了較為深入的研究，主要研究工作總結(jié)如下： 對(duì) MAC 層規(guī)范進(jìn)行了研究，介紹了 無線局域網(wǎng)的物理層的分類，功能，協(xié)議體系及關(guān)鍵技術(shù)。在 DCF 模式下，所有的節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)流通過一個(gè)隨機(jī)的避讓算 法以相同的概率訪問媒質(zhì)。 可以看到， DCF的競爭是通過避讓實(shí)現(xiàn)的，而避讓時(shí)間又是由 CW 決定的。 DCF 中使用 RTS/CTS 的 握 33 手協(xié)議來避免非競爭原因?qū)е碌臎_突（隱藏終端導(dǎo)致的沖突）。當(dāng) DCF 偵聽到網(wǎng)絡(luò)空閑長達(dá) DIFS 后，并非直接發(fā)給介質(zhì)訪問，而是在等 待一個(gè)避讓時(shí)間后向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起訪問，其中節(jié)點(diǎn)通過以下公式來獲得避讓時(shí)間： Backoff Time=rand[0， CW]*slottime（ CWminCWCWmax） （式 22） 由于避讓時(shí)間是通過 CW 隨機(jī)選擇的，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的介質(zhì)訪問幾率在具有相同 CW 的前提下大致是相同的，如果數(shù)據(jù)幀發(fā)送失敗， DCF 認(rèn)為幀傳輸發(fā)生沖突，因而通過增大 CW 來延長避讓的時(shí)間，從而避免更多的沖突。因?yàn)轭~外的 RTS 和 CTS 幀會(huì)增加沉余，降低效率，尤其是對(duì)于短數(shù)據(jù)幀，該機(jī)制并不合理。 RTS/CTS 機(jī)制不能用于具有廣播或多播地址的 MPDU，因?yàn)?RTS 幀具有多個(gè)目的地址，相應(yīng)的，會(huì)有多個(gè) CTS 幀來進(jìn)行對(duì)應(yīng)。 由于引入了確認(rèn)和重傳機(jī)制，因此在接 收站可能會(huì)產(chǎn)生重幀現(xiàn)象。這個(gè)過程通常稱為自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求，知道發(fā)送成功或達(dá)到重傳限制為止。工作站在進(jìn)行幀交換的同時(shí)，要完成差錯(cuò)恢復(fù)任務(wù)。 由于干擾和和碰撞等發(fā)送差錯(cuò)，數(shù)據(jù)幀中可能會(huì)有一些比特差錯(cuò)，對(duì)幀序列產(chǎn)生破壞。因此當(dāng)比較長的數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時(shí)，往往也會(huì)采用 RTS/CTS 機(jī)制，可以減少?zèng)_突發(fā)生的時(shí)間。因此，圖中畫出了幾種不同的 NAV 的設(shè)置。若 NAV 結(jié)束（其計(jì)數(shù)器的值為 0），則虛載波檢測認(rèn)為“媒體閑”。非被訪問的站偵聽到 RTS,CTS,和 ACK 等幀并置變量NAV,NAV 根據(jù) RTS/CTS 幀中的“期間域”來假定在當(dāng)前時(shí)間之后的“期間域”中的時(shí)間媒體都是忙的，它用來和物理載波檢測機(jī)制一起判斷媒體的狀態(tài)。 如果發(fā)送者沒有接收到返回的 ACK，則會(huì)認(rèn)為之前的傳輸沒有成功，會(huì)重新傳輸；但是如果只是返回的 ACK 丟失了，之前的 RTSCTS 傳輸非常成功，則重新發(fā)送的 RTS 到達(dá)接收者后，接收者只會(huì)重新發(fā)送 ACK 而不是 CTS，且退避時(shí)間量并不會(huì)增加；如果發(fā)送了 RTS 后，在接收超時(shí)之前都沒有接收到 CTS 或 ACK，那 么退避時(shí)間量就會(huì)增加；當(dāng)接收到 ACK后，退避時(shí)間量就會(huì)減少。 圖 210 為了更好的解決隱藏終端帶來的碰撞問題，發(fā)送站和接收站之間以握手的方式 對(duì)信道進(jìn)行預(yù)約是一種常用地方法。但同時(shí)， A 和 C 互相不在對(duì)方的覆蓋范圍內(nèi)，即 A 和 C 不可直接通信。 隱蔽終端問題是無線網(wǎng)絡(luò)比較棘手的一個(gè)問題，如圖 210 所示?；?DCF 的幀發(fā)送優(yōu)先級(jí)比基于 PCF 的幀發(fā)送級(jí)別低。這種時(shí)間間隔使得中心控制方式的工作站獲得比分布式方式的工作站更高的幀發(fā)送優(yōu)先級(jí)。 幀間間隔（ PIFS）： PIFS 是工作在中心控制方式下的工作站獲得介質(zhì)訪問權(quán)的時(shí)間間隔，它的優(yōu)先級(jí)高于分布式控制方式。 圖 29 （ SIFS）： SIFS 是最短的幀間間隔，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要占用信道并持續(xù)執(zhí)行幀交介質(zhì)忙 SIFS PIFS DIFS 時(shí)間 主機(jī) A 主機(jī) C 主機(jī) D 主機(jī) E 幀 延遲 延遲 延遲 延遲 DIFS 幀 幀 幀 幀 主機(jī) B 已退避時(shí)間 等待退避時(shí)間 30 換時(shí)使用 SIFS，這時(shí)如果有其他節(jié)點(diǎn)要使用信道，必須等待信道空閑并持續(xù)一個(gè)更長的時(shí)間間隔才能參與競爭，從而使用 SIFS 的節(jié)點(diǎn)具有最高的優(yōu)先級(jí)。圖 29 說明了這些幀間間隔。具體來說有： ； ； 。等待時(shí)間長的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)就高于新加入的 節(jié)點(diǎn)，就可以優(yōu)先得到信道，從而維護(hù)了競爭節(jié)點(diǎn)之間一定的公平性 ,如圖 28 所示 . 應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)一個(gè)站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，僅在下面的情況下才不使用退避算法：檢測到信道是空閑的，并且這個(gè)數(shù)據(jù)幀是它想發(fā)送的第一個(gè)數(shù)據(jù)幀。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)競爭信道時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都經(jīng)過一個(gè)隨機(jī)時(shí)間的退避過程，才能占據(jù)信道，這樣就大大減少了沖突發(fā)生的概率。退避時(shí)間的產(chǎn)生方法如下： BackoffTime=Random()╳ aSlotTime （式 21） 其中 Random()是均勻分布在 [0， CW]范圍內(nèi)的隨機(jī)整數(shù)，競爭窗口是介于由物理層特征決定的最小競爭窗口 Cwmin和最大競爭窗口 Cwmax之間的一個(gè)整數(shù)值，即 Cwmin≤ CW≤ Cwmax . aSlotTime 是由物理層特性決定的一個(gè)時(shí)隙的實(shí)際長度值，退避時(shí)間是一個(gè)時(shí)隙為單位的隨機(jī)整數(shù)。為了避免發(fā)送沖突，這是該節(jié)點(diǎn)在發(fā)送前必須經(jīng)過一個(gè)附件的一網(wǎng)絡(luò)分配矢量 =0？ 發(fā)送幀 介質(zhì)忙？ 碰撞？ 監(jiān)聽介質(zhì)（進(jìn)行物理信道評(píng)價(jià)） 開始（有幀需要發(fā)送） Yes No 隨機(jī)退避時(shí)間 Yes Yes No No 28 個(gè)退避周期，將產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的退避時(shí)間，并存入退避計(jì)數(shù)器。 物理信道評(píng)估和 NAV 的內(nèi)容為 WAC 決定信道狀態(tài)提供了足夠的信息，只有二者都認(rèn)為信道空閑時(shí)，才能發(fā)送幀。 NAV 工作起來就像一個(gè)計(jì)數(shù)器， 開始值是最后一次發(fā)送的幀的持續(xù)時(shí)間字段值，然后倒計(jì)時(shí)至 0。這一保留信息向所有站發(fā)布 本站將使用介質(zhì)的信息。物理層控制機(jī)制提供的物理信道評(píng)估結(jié)果發(fā)送到 MAC 層，作為確定信道狀態(tài)信號(hào)的一個(gè)因素。 根據(jù) WLAN 的媒體特點(diǎn)提出了兩種載波檢測方法：一種是物理層的直接載波檢測 CS，另一種是 MAC層的虛擬 VCS。退避結(jié)束后重新開始上述過程。 ： （ 1）載波檢測 CS 機(jī)制： 圖 26 基本的 CSMA/CA 機(jī)制較為簡單。 DCF協(xié)議原理及性能分析 DCF 有兩種工作方式，一種是基本工作方式，即 CSMA/CA 方式；另一源站 媒體空閑 發(fā)送第一幀 SIFS PIFS DIFS SIFS 時(shí)間 目的站 其他站 ACK 時(shí)間 NAV(傳媒忙 ) SIFS PIFS DIFS 發(fā)送下一幀 時(shí)間 有幀要求發(fā)送 延遲接入 等待重試時(shí)間 有幀要求發(fā)送 26 種是 RTS/CTS 機(jī)制。對(duì)于時(shí)間敏感的業(yè)務(wù)，如分組語音，就應(yīng)該使用提供無爭用服務(wù)的點(diǎn)協(xié)調(diào)功能 PCF。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用 CSMA機(jī)制的分布接入算法，讓各個(gè)站通過爭用信道來獲取發(fā)送權(quán)，由圖可知， DCF向上提供爭用服務(wù)。 DCF 是 ，其核心是 CSMA/CA。 DFWMAC 的基礎(chǔ)是 CSMA/CA。