毕业设计（论文）无线局域网MAC层机制研究

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1、无锡工艺职业技术学院毕业设计论文设计题目： 无线局域网MAC研究 系 部： 电子信息系 学生姓名： 专业班级： 计信（专 ）081 学 号： 指导教师： 2011年5月无线局域网MAC层机制研究摘要： 作为计算机网络和无线通信相结合的产物，无线局域网WLAN成为了当下日益流行的无线接入方式。IEEE802.11标准是国际普遍认可的无线局域网标准，它能很好的支持数据业务的传输，占有较大的市场份额。无线局域网MAC层是控制和协调无线节点访问网络介质的关键协议子层。如何在有限的网络资源和不稳定的物理介质的前提下在MAC层提供有效服务，成了无线网络研究界的一个新课题。在这个技术背景下，本文针对IEEE

2、802.11无线局域网系统的媒体接入(MAC:Media Access Control)层支持技术进行了研究。在分析了IEEE802.11协议的基础上，对最初的两种接入机制PCF和DCF做了一定的描述。本文不仅对EDCF（Enhanced Distributed Channel Access）和HCF的协议原理做了详细的介绍，而且还将它们分别与DCF和PCF的性能做了比较。并且还在论文的最后对无线局域网MAC层机制提出了改进方案。关键词：无线局域网;WLAN;服务质量MAC层 Wireless LAN MAC layer TechnologyAs a computer network and

3、the combination of the wireless communication, wireless LAN WLAN became present increasingly popular wireless access mode. International standard is widely accepted by IEEE802.11 the wireless local area network standard, it can be a very good support data business transmission, occupy the bigger mar

4、ket share. Wireless LAN MAC layer is control and coordination of the wireless network media node visit key agreement son layer. How in the network resources and limited the physical media instability in the MAC layer under the premise of provide effective services, became a wireless network issue41

5、a new subject. In this technical background, based on the wireless local area network system IEEE802.11 Media Access (MAC: Media Access Control) layer support technology is studied. On the analysis on the basis of IEEE802.11 agreement to the first two, PCF access mechanism and done some description

6、DCF model. This paper not only EDCF (Distributed to any Access) and to the principle of agreement HCF described in detail, and will they respectively with the performance of PCF DCF model and were compared. And also in paper finally to the wireless local area network MAC layer mechanism presents the

7、 improvement plan. Keywords: wireless LAN WLAN service quality MAC layer目 录前言5第一章 绪论71.1 无线局域网概述71.2 无线局域网的基本概念81.3 无线局域网特点91.4无线局域网的组成原理111.5 无线局域网的协议体系131.6 无线局域网的应用与发展趋势16第二章 IEEE802.11物理层和MAC层规范182.1 IEEE802.11物理层结构182.1.1 IEEE802.11 物理层概念182.1.2 IEEE802.11物理层层次结构182.1.3 IEEE802.11物理层分类202.1.4 I

8、EEE802.11物理层协议202.1.5 IEEE802.11物理层关键技术212.2 IEEE802.11 MAC层结构222.2.1 IEEE802.11 MAC层概念222.2.2 IEEE802.11 MAC协议23结论34参考文献35附录36致谢39前言 在这个“网络就是计算机”的时代，伴随着有线网络的广泛应用，以快捷高效，组网灵活为优势的无线网络技术也在飞速发展。无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专业角度讲，无线局域网利用了无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个性化和多媒体应用提供了可能。通俗地说，无线局域网（Wireless l

9、ocal-area network，WLAN）就是在不采用传统缆线的同时，提供以太网或者令牌网络的功能。 通常计算机组网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆，构成有线局域网。但有线网络在某些场合要受到布线的限制：布线、改线工程量大；线路容易损坏；网中的各节点不可移动。特别是当要把相离较远的节点连接起来时，敷设专用通信线路的布线施工难度大、费用高、耗时长,对正在迅速扩大的联网需求形成了严重的瓶颈阻塞。无线局域网就是解决有线网络以上问题而出现的。 由于近几年，IEEE 802.11无线网络得到了迅速的发展，并已经被广泛地应用在人们的工作和生活中。随着Internet上的实时多媒体业务（如视频、音频等）越来

10、越多，在无线网络中传输这些业务的需求也越来越大，这也就对无线网络的性能和服务质量提出了更高的要求。同有线网络相比，无线网络在性能和服务质量方面还有很大差距，这除了其物理传输介质的固有特点之外，实现介质共享的MAC层协议是一个非常重要的因素。因此，对IEEE 802.11 MAC协议的性能分析和改进，以及与MAC有关的服务质量问题的研究具有非常重要的现实意义。所以我这次论文选择的题目是无线局域网MAC层QOS技术研究。在论文初期，我从互联网、相关毕业论文及与无线局域网有关的书籍中查阅了大量的资料，对论文的主要内容有了自己的构思。随着人们生活水平的不断提高，为了实现“任何人（Whoever）在任何

11、时候（Whenever）的任何地方（Wherever）与任何人（Whomever）进行任何方式（Whatever）”的通信目标，无线局域网应运而生，并且在现在及未来的社会中得到广泛应用。所以本文首先对无线局域网的基本概念，特点，组成原理，协议体系，应用及以后的发展趋势做了粗略的介绍，使得大家对无线局域网先有一个大概的了解。虽然无线局域网有很多优点，但是由于无线局域网的传输信道所用的介质为电磁波，这使得无线信道的传输误码率明显增高，即使没有分组冲突，分组数据丢失率也会显著增大；由于电磁波的频率资源有限使得WLAN的传输速率和通信容量受到限制；由于无线信道存在着衰落，因此会出现许多影响通信的问题，

12、比如远近效应，暴露终端和隐藏终端等。所以本文在第二章中对无线局域网的物理层和MAC层的协议和关键技术做了一定的分析研究。随着无线局域网越来越广泛的应用，随之而来的问题也渐渐显露出来：WLAN只能提供“尽力而为”的服务，对一些机制没有保障，在负载重的情况下，会有较大延迟的出现，提高服务质量迫在眉睫。所以本文在第三章介绍了无线局域网MAC层的增强技术，对EDCF和HCF协议原理进行了分析。在论文的最后一章，提出了对无线局域网MAC层机制的改进方案。第一章 绪论1.1 无线局域网概述20世纪末，个人计算机（PC）因为Internent的兴起变成热门商品。由于信息技术的不断推陈出新，加上服务内容的日新

13、月异，使得上网变成一种全球同步流行的活动。而能够摆脱网线的束缚，让信息能够实时地传递到使用者的手中成为了当务之急，这意味着我们已经开始步入了所谓的“后PC时代”。“后PC时代”的三大核心概念是：无所不在的计算（Ubiquitous Computing）,注意力经济（Attention Economy）和自由软件（Free Software）或叫开放源代码（Open Sources）。为了实现无所不在的计算，移动计算成为了现代计算机通信领域一个引人注目的新课题。它将给信息产业带来一场深刻的变革，并在越来越多的领域中发挥不可替代的作用。移动计算就是利用计算机技术和电信技术为用户提供移动的计算环境和

14、新的计算模式。其作用在于将有用，准确的信息及时传递。移动计算技术的应用非常广泛，可应用于军事，工业和民用等许多方面。 在后PC时代，通信领域最流行最关键的三个方面就是随心所欲（Ubiquitous）,宽带（Broadband）和无线（Wireless）。互联网业务的发展推动了市场对宽带网络的需求，宽带用户数量在全球呈现出非常强劲的增长态势。另一方面，随着无线通信特别是移动通信的发展，办公室和家庭信息化的推广，以及互联网的普及，计算机和外设的不断增加，迫切需要构筑一种能够随时随地，随心所欲的宽带无线网络。无线局域网(WLAN)顺势而生。它不但满足了用户在多种移动状态下获取网络信息的强烈需求，也符

15、合当今社会人员流动性大，工作生活节奏紧张的发展趋势。同时无线通信技术也具有网络部署迅速便捷的特点，能够灵活方便的为用户提供服务。据Dataquest公司报道，2002年大约20%的笔记本电脑具有WLAN的功能；2004年这一比列提高到了31%，2007年则提高到了68%。可见WLAN的普及，产品增多，价格下降，市场需求急速增长。据In-Stat市场调研公司报道，世界WLAN系统产品的销售额2001年为17.7亿美元；2002年为24亿美元；2003年为35亿美元；而到了2005年则到了52亿美元，年均增长率为32%，并且继续保持着高速增长的良好态势。 随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移

16、动数据，移动计算机及移动多媒体的第三代移动通信系统开始兴起：像CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA等相应的标准也应运而生。除公用电信领域的移动通信网之外，IEEE802.11体系HiperLAN标准体系的无线局域网，IEEE802.16体系的无线城域网等多种标准体系也在蓬勃发展。学术界相继提出OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex),MIMO(Muli-Input Multi-Output, UWB(Ultra WadeBand)等无线传输技术理论，随着研究工作的不断深入与扩展，部分新技术已经纳入新的无线通信标准，甚至已经开始实现商业

17、应用。 现在我们对通信提出的要求是传统的计算机网络由有线向无线转变；由固定像移动转变；由单一业务向多媒体业务转变，顺应这需求的无线局域网技术得到了普遍的关注，我们也有理由相信WALN的明天会更好。1.2 无线局域网的基本概念顾名思义，无线局域网WLAN就是在局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络。它有以下特点：1.WALN是一种能在几十米到几公里范围内支持较高数据速率（如2Mb/s以上）的无线网络，可以采用微蜂窝,微微蜂窝结构，也可以采用非蜂窝（如AdHoc）结构。目前无线局域网领域的两个典型标准是IEEE802.11系列和HiperLAN系列标准。2.无线局域网的适应性很强，它是有线网

18、在建筑物和校园之间的延长和变通，无线网络通过使用无线通信技术在空中传送和接受数据，最小限度的使用有线连接，通过简单的配置使网络移动，并同移动用户进行数据通信。3.无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它采用无线多址接入的有效方式支持计算机之间的通信，并为通信的移动化，个人化和媒体应用提供了实现的手段。它并不是用来取代有线局域网的，而是用来弥补有线局域网的不足之处，以达到网络延伸的目的。无线局域网将有线网络的输出，移动访问和配置的灵活性很好的结合起来，提供了一种灵活、方便的联网方案。4.无线局域网的主要应用范围有：在移动工作环境下，向移动计算机用户提供访问信息网络资源的服务；应用于临

19、时组网和难以布线的场合，如灾难恢复，短时间的商用系统和大型会议；可作为有线局域网的无线延伸（补充），也可以作为LAN的无线互连（替代）。5.无线局域网采用的传输媒体或介质分为射频无线电波和光波两大类。射频无线电波主要使用无线电波和微波，光波主要使用红外线。因此，无线局域网可分为基于无线电的无线局域网（RLAN）和基于红外线的无线局域网两大类。1.3 无线局域网特点无线局域网利用空中的电磁波代替传统的缆线进行信息传输，可以作为传统有线网络的延伸、补充或代替。相比较而言，无线局域网具有以下优点：1.移动性“无线”就意味着可能移动，无线局域网的明显优点是提供了移动性，通信范围不再受环境条件的限制，这

20、样就拓宽了网络传输的地理范围，在有线局域网中，各站点的距离在使用铜缆（粗缆）是被限制在500M内，即使采用单模光缆也只能达到3Km，而无线局域网中间两个站点间的距离可达到50Km，无线局域网系统能够为用户提供实时的无处不在的网络接入功能，使用户可以很方便地获取信息。2.灵活性安装容易，使用简便，组网灵活，无线局域网可以将网络延伸到线缆无法连接的地方，并可方便的增减、移动和修改设备。无线局域网的组网方式灵活多样，可以通过基础结构接入骨干网，也可以自组网；可以组成单区网和多区网，还可以在不同网间移动。3.可伸缩性 在适当的位置放置或添加接入点或扩展点，就可以满足扩展组网的需要。4.高带宽无线局域网

21、使用的无线频率可以处于开放频段，例如2.4GHZ的ISM频段，最大带宽可达11MHZ。5.经济性无线局域网可用于物理布线困难或不适合进行物理布线的地方，并以经济的方式快速进行物理布线。然而，无线局域网并非完美无缺，也有许多面临的问题需要解决，这些局限性实际上也是无线局域网必须克服的技术难点。这些局限性有些是低层技术方面的问题，需要无线局域网设计者在研发过程中加以考虑；有些则是应用层面的问题，需要使用者在应用时加以克服和注意。以下是无线局域网的局限性：1.可靠性有线局域网的信道误比特率可优于10-9，这样就保证了通信系统的可靠性和稳定性。无线局域网采用无线信道进行通信，而无线信道是一个不可靠的信

22、道，存在着各种各样的干扰和噪声，从而引起信号的衰落和误码，进而导致网络吞吐性能的下降和不稳定性。此外，由于无线传输的特殊性，还可能产生“隐蔽终端”、“暴露终端”和“插入终端”等现象，影响系统的可靠性。2.带宽与系统容量由于频率资源有限，无线局域网的信道带宽远小于有限网的带宽。由于无线信道数有限，即使可以复用，无线局域网的系统容量通常也要比有线网的容量小。因此，无线局域网的一个重要发展方向就是提高系统的传输带宽和系统容量。3.覆盖范围无线局域网的低功率和高频率限制了其覆盖范围。为了扩大覆盖范围，需要引入蜂窝或微蜂窝网络结构，或者通过中继与桥接等其他措施来实现。4.安全性无线局域网的安全性有两方面

23、的内容，一个是信息安全，一个是人员安全。由于无线电波不能局限于网络设计的范围内，所以存在着被窃听和被恶意干扰的可能性。5.干扰外界干扰可对无线通信和无线局域网设备形成干扰，无线局域网系统内部也会形成次干扰；同时，无线局域网系统还会干扰其它无线系统。因此，在无线局域网的设计与使用时要综合考虑电磁兼容性能和抗干扰性能，并采用相应的措施。1.4无线局域网的组成原理无线局域网的组成结构：无线局域网的物理组成或物理结构如图1-1所示，由站（STA）、无线介质(WM)、基站(BS)或接入点(AP)和分布式系统(DS)等几部分组成。BS/AP无线介质站站分布式系统图1-1站也称主机或终端，是无线局域网的最基

24、本的组成单元。无线局域网中的站之间可以直接相互通信，也可以通过基站或接入点进行通信。无线介质是无线局域网站与站，站与接入点之间的通信的传输介质。无线接入点类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。它的基本功能是完成非AP的站对分布式系统的接入访问和同一BSS中的不同站之间的通信联络。分布式系统是用来连接不同BSS的通信信道。无线分布式系统通过AP间的无线通信取代有线电缆来实现不同BSS的连接。无线局域网的拓扑结构：WLAN系统结构由几个部件组成，它们之间相互作用而构成了WLAN，并使STA对上层而言具有移动透明性。WLAN的拓扑结构可以从几个方面来分类。从物理拓扑分类看，有单区网(SC

25、N)和多区网（MCN）之分；从逻辑上看，WLAN的拓扑主要有对等式、基础结构式和线型、星型、环型等；从控制方式方面来看，可分为无中心分布式和有中心集中控制式两种；从与外网的连接性来看，主要有独立WLAN和非独立WLAN。BSS是WLAN的基本构成模块。它有两种基本拓扑结构或组网方式，分别是分布对等式拓扑和基础结构集中式拓扑。单个BSS称为单区网，多个BSS通过DS互连构成多区网。1.分布对等式拓扑分布对等式网络是一种独立的BSS（IBSS），它至少有两个站。它是一种典型的、以自发方式构成的单区网。在可以直接通信的范围内，IBSS中任意站之间可直接通信而无需AP转接，如图1-2所示由于没有AP，

26、站之间的关系是对等的、分布式的或无中心的。但是当站点数过多时，信道竞争成为限制网络性能要害。因此，比较适合于小规模，小范围的WLAN系统。A站B站基本服务集（BSS）图1-22.基础结构的集中式拓扑 在WLAN中，基础结构包括分布式系统媒体（DSM）、AP和端口实体。同时，它也是ESS的分布和综合业务功能的逻辑位置。一个基础结构除DS外，还包含一个或多个AP及零个或多个端口。因此，在基础结构WLAN中，至少要有一个AP。只包含一个AP的单区基础结构网络如图1-3所示。AP是BSS的中心控制站，网中的站在该中心站的控制下与其他站进行通信。APSTA1STA3STA2有线局域网图1-31.5 无线

27、局域网的协议体系无线局域网的逻辑结构：完整的网络结构包括自上而下的各个层次，但无线网络仅仅工作在OSI/RM的下三层，如图1-4所示，无线调制解调器（Modem）或无线电台只具备物理层的功能；WLAN可以包括物理层和数据链路层的功能，只有WWAN才具有网络层的功能。无线网络高层协议层网络层数据链路层物理层高层协议层网络层数据链路层物理层终端用户A终端用户BWWANWLAN图1-4无线局域网的协议体系：1.IEEE802.11X无线局域网协议体系：a.IEEE802.111990年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11WLAN标准工作组。IEEE802.11(又称Wi-F：无线保真)

28、是在1997年6月由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准，该标准定义了物理层和媒体访问控制（MAC）规范。物理层定义了数据传输的信号特征和调制格式，同时定义了两个RF传输方法和一个红外线传输方法。其中RF传输标准以跳频和直接序列扩频为基础，工作在2.4000-2.4835GHZ频段。IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据访问，速率最高只能达到2Mbps。由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，所以更常用的是IEEE 802.11的高速扩展协议IEEE 802.11b、IEEE 802.1

29、1a以及IEEE 802.11g。b.IEEE 802.11b1999年9月IEEE 802.11b被正式批准，该标准规定的WLAN工作频段在2.4-2.4835GHZ,数据传输速率达到11Mbps，传输距控制在50-150英尺。该标准是对IEEE 802.11的一个补充，采用补充编码键控（CCK）调控方式，以及点对点模式和基本模式两种运作模式。数据传输速率可以根据实际情况在11Mbps、5.5 Mbps、2 Mbps2和1Mbps之间自行切换，它改变了WLAN的设计状况，扩大了WLAN的应用领域。采用IEEE 802.11b的WLAN产品广泛应用与办公室、家庭、宾馆、车站、机场等众多场所，但

30、是由于许多WLAN的新标准的出现，IEEE 802.11a和IEEE 802.11g更是备受业界关注。c.IEEE802.11a1999年，IEEE 802.11a标准制定完成，该标准规定WLAN工作频段在5.15-8.825GHZ，数据传输速率达到54Mbps（Turbo），传输距离控制在10-100米。该标准也是IEEE 802.11的一个补充，扩充了标准的物理层，采用正交频分技术与QPSK调制方式，可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，支持多种业务如语音、数据和图像等。IEEE 802.11a标准是IEEE 802.11b的后续标准，其设计初衷是取代80

31、2.11b标准。然而工作于2.4GHZ频带并不需要执照的，该频段属于工业、教育、医疗等专用公开频段，但是工作于5.15-8.825GHZ频带是需要执照的，因此一些公司仍没有表示对802.11a标准的支持，而是更加看好最新的混合标准802.11g。d.IEEE802.11g该标准具有IEEE 802.11a的传输速率，高于IEEE 802.11b的安全性。采用了两种调制方式，包括802.11a中采用的OFDM与IEEE802.11b中采用CCK，做到与802.11a和802.11b兼容。虽然802.11a较适用于企业，但WLAN运营商为了兼顾现有802.11b设备投资，目前802.11g的产品已

32、广泛投入使用。e.IEEE802.11iIEEE802.11i标准结合了IEEE802.1x中的用户端口身份验证和设备验证，对WLAN MAC层进行了修改与整合，定义了严格的加密格式和鉴权机制，以改善WLAN的安全性。IEEE802.11i新修订标准主要包括两项内容：“Wi-Fi保护访问”（WPA）技术和“强健安全网络”（RSN）。Wi-Fi联盟计划采用802.11i标准作为WPA的第二个版本，并已于2004年初开始实行。数据的安全是WLAN设备制造商和WLAN网络运营商应该首先考虑的头等工作，所以IEEE802.11i标准在WLAN网络建设中是相当重要的。f.IEEE802.11e/f/hI

33、EEE802.11e标准对WLAN MAC层协议提出改进，以支持多媒体传输，并支持所有WLAN无线广播接口的服务质量保证（Qos）机制。IEEE802.11h用于802.11f定义了访问节点之间的通讯，支持IEEE802.11的接入点互操作协议（IAPP），还用于802.11a的频谱管理技术。在IEEE802.11系列标准中，通常把相对复杂的物理层又进一步划分为物理层会聚过程子层（PLCP）、物理媒体依赖子层(PMD)和物理层管理子层(PLME)。PLCP子层将MAC帧映射到媒体上，主要进行载波侦听的分析和针对不同的物理层形成相应格式的分组。PMD子层用于识别相关媒体传输的信号所使用的调制和编

34、码技术。完成这些帧的发送。物理层管理子层进行信道选择和协调。MAC层也分为MAC子层和MAC管理子层。MAC子层负责访问机制的实现和分组的拆分与重组。MAC管理子层负责ESS散步管理、电源（节能）管理，以及链接过程中的链接、解除链接和重新链接等过程的管理。此外IEEE802.11还定义了一个管理子层，其主要把任务是协调物理层和MAC层之间的交互作用。IEEE802委员会给出的局域网的协议体系如图1-5所示，它由一系列的标准协议构成.LLCMAC站管理MA管理PHY管理802.11FHSS802.11a802.11IR802.11g802.11DSSS802.11bDLLPLCPPMD图1-51

35、.6 无线局域网的应用与发展趋势无线局域网的应用非常广泛，应用方式也很多。总体上分，无线局域网主要有室外应用和室内应用。室内应用主要有家庭或小型办公室应用（SOHO）和大型办公室、企事业单位、工业或商业等。室外应用主要有园区网（如校园网、医院网、社区网等）和较远距离的无线网络连接（用无线网桥、无线路由器等设备）以及更远距离的网络中继。某些部门网或专用网会有室外的应用。公共无线局域网接入是近两年来发展的新的应用模式，它借助于现有的广域网络，如中国电信公共数据网、公共移动网（GSM、GPRS、CDMA2000-1X等），构成广大区域的无线ISP(WISP)。当前的构造方式主要是在热点场所部署无线局

36、域网。另外一类适合无线局域网应用的场合是需要临时组网和难以布线的地方，如灾难恢复、短时间的商用系统和大型会议等，以及军事、公安等专用网。组成一个临时的WLAN，最典型的应用是Ad hoc网（完全可移动方式）。通常是一群具有便携式终点的用户为会议或其他目的的聚集到一起，需要在无法预料的距离间构筑一个临时性的WLAN。从支持移动性的角度来看，目前的无线局域网还只能用于不移动或慢速移动的用户或业务，可能会在不久的将来开发出适合高速移动的无线局域网。WLAN有三种应用方式，即WLAN接入网、网络无线互联和定位。前两类应用已经比较普遍，而WLAN定位应用是近几年才发展起来的，是与无线广域网的定位类似的一

37、种应用方式。WLAN定位不仅可以单独应用，而且可以将其与其他应用结合起来，进一步促进WLAN的应用。第二章 IEEE802.11物理层和MAC层规范2.1 IEEE802.11物理层结构2.1.1 IEEE802.11 物理层概念IEEE802.11物理层简介：无线局域网物理层是空中接口的重要组成部分，它为WLAN系统提供无线通信链路。无线局域网系统的物理层内容主要解决适应WLAN信道特性的高效而可靠地数据传输问题，并向上层提供必要的支持与响应。WLAN物理层是一个无线通信系统，WLAN信道为无线信道，而无线信道的主要特征就是误码率较高（可靠性低）和带宽受限（传输容量受限）。为了保证通信的完整

38、性与传输的可靠性，提高无线链路的质量，必须提供一定的措施或技术来检测和纠正在无线传输过程中可能出现的错误。这些手段可以分为两类：1.作为传输链路一部分的机制，主要是克服多径等现象用的数字调制技术，包括差错控制编码在内的编码技术、均衡与交织技术和无线系统等。2.用在物理层上的算法和机制，如扩展与瑞克接收技术、多载波技术、分集技术、功率控制技术和智能无线技术等。在无线局域网物理层上，通过高效的编码、交织、调制技术和有效的无线技术等来降低误码率，提高信道容量，这是提供WLAN Qos保证的最低层和最基本的技术。但由于无线频谱受限，它能达到的效果也是有限的。无线局域网物理层的性能主要由传输容量（以传输

39、速率标称）、传输质量（以误码性能和可用度指标体现）、信道利用率或频带利用率（单位频带的信息传输速率）和覆盖范围等技术指标来衡量。2.1.2 IEEE802.11物理层层次结构从纵向的层次结构来看，WLAN物理层包括三个功能实体，如图2-1所示：MAC 层管理PHY 层管理MAC层 PHY SAPPLCP子层 PMD SAPPMD子层物理层图2-1。1.物理层管理实体PLMEPLME与MAC层管理相连，执行本地物理层的管理功能。2. 物理层会聚过程PLCP子层PLCP子层是MAC层与PMD子层或物理层介质的中间桥梁，他与MAC层通过物理层访问点（PHY SAP）利用原语进行通信。PLCP子层规定

40、了如何将MAC层协议数据单元（MPDU）映射为合适的帧格式用于收发用户数据和管理信息。MAC层发出指示后，PLCP就开始准备需要传输的MPDU（媒体协议数据单元），并为MPDU附件包含物理层发送器和接收器所需信息的字段。在IEEE802.11x标准中，将这种附加有PLCP字段的MPDU称为PLCP协议数据单元（PPDU）。PPDU的帧结构提供了站点之间的异步传输，因此，接收站点的物理层必须对每个单独的即将到来的帧同步。PLCP子层与PMD子层通过PMD子层访问点（PMD SAP）利用原语进行通信，控制发送和接受功能。3.物理介质依赖PMD子层PMD子层在PLCP子层之下，直接面向无线介质，定义

41、了两点和多点之间通过无线媒介收发数据的特性和方法，为帧传输提供调制和解调。IEEE802.11x标准定义了DSSS PMD/FHSS PMD/IR PMD)等三种PMD。其中，DSSS PMD又有三种高速扩展，分别对应IEEE802.11a/b/g三个物理层标准扩展。WLAN物理层主要实现三种功能或操作（三种状态机），即发送、接受和状态监测（向上层提供状态指示信息）。状态指示信息在IEEE802.11x标准中指的是信道空闲估计CCA，它可以是载波检测（CS）、能量超过门限和能量超过门限与载波检测中的任意一种。这三种功能都是PMD子层在PLCP子层的控制下完成的。2.1.3 IEEE802.11

42、物理层分类WLAN物理层传输方式涉及无线局域网采用的传输媒体、选择的频段和调制方式等内容。而这些内容决定了WLAN物理层的分类。WLAN物理层分类情况如图2-2所示： WLAN物理层无线电波微波射频（RF）窄带宽带非扩频扩频直扩（DS）跳频（FH）正交频分复用（OFDM）光波红外线（IR）可见光图2-2目前，无线局域网采用的传输媒体主要有两种，即无线电波与红外线。对于采用无线电波作为传输媒体的无线局域网依调制方式不同，又可分为扩展频谱方式与窄带调制方式。2.1.4 IEEE802.11物理层协议无线局域网的PHY层分为两类：一类是IEEE802.11的基本型WLAN物理层协议；另一类是高速扩展

43、协议，主要有802.11a/b/g。对于基本型的物理层协议，有三种传输方式，即跳频扩展频谱（FHSS）方式、直接序列扩展频谱（DSSS）方式和红外线方式。物理层的选择取决于实际应用的要求。跳频扩频和直接序列扩频是通信技术中两种常用的扩展频谱技术，用以提高无线信道的利用率和数据通信的安全性。目前大多数基于IEEE802.11b的无线局域网产品的物理层介质工作在2.4000-2.4835GHZ的无线射频频段（ISM频段），采用直接序列扩展频谱技术以提高高达11Mbps的数据传输速率。其中，DSSS系统包括以下三个协议子层：1.DSSS PLCP子层DSSS PLCP子层提供了一个MPDU与PPDU

44、转换的会聚过程。2.DSSS PMD子层PMD子层的功能是定义了两个或者更多的站点之间通过无线媒体发送和接受数据的特点和具体实现方法。3.DSSS PLME子层PLME的功能是协同MAC管理单元完成本地PHY功能的管理。2.1.5 IEEE802.11物理层关键技术随着无线局域网技术的应用日渐广泛，用户对数据传输速率的要求越来越高。但是在室内等较为复杂的电磁环境中，多径效应、频率选择性衰落和其他干扰源的存在使得实现无线信道中的高速数据传输比有线信道中困难。IEEE802.11无线局域网络是一种能支持较高数据传输速率（1-54Mbit/s），采用微蜂窝，微微蜂窝结构的自主管理的计算机局域网络。其

45、物理层关键技术大致有三种：DSSS或CCK技术、PBCC和OFDM。目前扩频调制技术正成为主流，而OFDM技术由于其优越的传输性能也逐渐成为人们关注的新焦点。1.DSSS调制技术IEEE802.11x中基于DSSS的调制技术有三种：最初IEEE802.11标准制定在1Mbps数据速率下采用DBPSK；如提供2Mbps的数据速率，要采用DQPSK，这种方法每次处理两个比特码元，成为双比特；第三种是基于CCK的QPSK，是11b标准采用的基本数据调制方式。IEEE802.11b使用了CCK调制技术来提高数据传输速率，最高可达11Mbps。但是如果要求传输速率超过11Mbps，CCK为了对抗多径干扰

46、需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。为了推动无线局域网的发展，802.11工作组又引进新的调制技术。2.PBCC调制技术PBCC调制技术是有TI公司提出的，已作为802.11g的可选项被采用。PBCC也是单载波调制，但它与CCK不同，它使用了更多复杂的信号星座图。PBCC采用8PSK，而CCK使用BPSK/QPSK；另外PBCC使用了卷积码，而CCK使用区块码。因此它们的解调过程十分不同。PBCC可以完成更高速率的数据传输，其传输速率为11、22和33Mbps。3.OFDM技术关于OFDM系统较完善的概念是Weinstein和Ebert在1971年提出的。如图2-3所示，其核心思想是利用

47、IFFT将数据流调制在多个子载波上，对信道的频率响应进行分割，使之变成并行、独立近似无记忆的多个子信道。与单载波系统相比，OFDM系统最重要的优越性是能够很好地克服频率选择性信道衰落，另外出于各子信道之间的频谱相互交叠，OFDM系统有着较高的频谱效率，因此OFDM传输技术非常适用于宽带高速无线移动通信。FFT的引入，大大降低了OFDM的实现复杂性。2.2 IEEE802.11 MAC层结构2.2.1 IEEE802.11 MAC层概念多址接入技术是解决在网络中多个用户如何高效共享一个物理链路的技术，它涉及多址信道的分割、接入方式、分配策略和控制机制等多方面内容，是无线通信网的关键技术之一。多址

48、接入技术的一个核心问题是：对于一个共享信道，当信道的使用产生竞争时，如何采用有效的协调机制或服务准则来分配信道的使用权。这就是媒体（信道）访问控制MAC技术，MAC协议就是定义以一定的顺序和有效的方法分配节点访问媒体的规则，是MAC技术的基本内容。严格来讲多址接入与MAC不完全相同，但在计算机通信中，一般用MAC协议来描述和实施各用户的多址接入协议的排队论模型。网络的性能（吞吐量、时延等）主要取决于MAC子层的接入协议，而且系统的频谱利用率、系统容量、小区结构设备的复杂度和成本等也受MAC协议的影响。所以，选择适当的MAC子层规范，根据网络业务特征有效地配置信道资源、提高无线资源的使用率，提高

49、系统的容量和传输质量，是无线网络研究的重要课题。随着现代社会对通信业务要求的不断提高，网络的业务类型越来越趋向多样化，比如短数据、报文、语音业务和流媒体业务等等。为提供相应的QoS保证，优化网络性能，这就对MAC层的接入机制提出了更高的要求，各种接入方式正处于不断的改进和融合之中。评价MAC协议的性能指标或设计MAC协议需要考虑的技术要求主要有吞吐率、延迟、公平性和稳定性等。理想的MAC协议应该具有尽可能小的时延，尽可能高的吞吐率，公平性和稳定性高，可伸缩性以及支持多媒体（QoS）业务等其特性。2.2.2 IEEE802.11 MAC协议MAC协议的选择与设计非常复杂，需要综合考虑网络的结构、

50、节点的数量、业务的类型与要求以及物理层的限制等多方面的因素。WLAN是一种无线网络，而且是一种以突发数据业务为主（同时也可以支持多媒体业务）的分组无线网络，带宽有限，信道环境恶劣，还要支持有中心结构和分布式结构两种类型的网络拓扑，同时还要求具有节能、公平、安全等多方面的功能。随机接入MAC协议适合于强突发性业务。ALOHA是一种简单的随机接入协议，当业务量较重时，容易发生业务流碰撞。而载波侦听多址访问CSMA技术使整个信道带宽为所有用户共享，只有当信道空闲时，才允许用户发送信息，这种方式降低了碰撞发生的概率。而CSMA/CA将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个终端发送，实现

51、了网络系统的集中控制。但必须看到，时延、隐藏终端和暴露终端是WLAN固有的问题，目前主要的解决方法是采用RTS/CTS短信息握手机制。像MACA、MACAW、FAMA等主流的MAC子协议都使用了RTS/CTS短分组。目前，主流的WLAN系统是IEEE802.11X系统和HiperLAN2系统，蓝牙系统、HomeRF系统也都有不少应用。这些WLAN系统的MAC协议，大都是以随机接入为主的混合MAC协议，下面主要分析其协议原理。在IEEE802.11x无线网络中，MAC层功能较复杂，它主要包括MAC数据业务接口、MAC控制状态机、MAC管理业务接口、MAC管理业务机和分布式业务接口等功能模块，如图

52、2-4所示。此外，MAC层的MIB也包含在MAC的管理功能中，它主要用来存放MAC的管理信息。分布式系统分布式业务MAC数据业务MAC管理业务MAC控制状态机MAC管理状态机MACMIBLLC子层管理子层PHY数据业务PHY管理站管理MAC业务接口图2-4由图2-4可知，MAC业务接口从高层或从主机管理实体接受业务请求，根据具体的请求业务分配到MAC的数据业务或MAC管理业务，MAC数据业务和MAC管理业务解释接受到的业务请求，通过相应的信息告知状态机（控制状态机和管理状态机），状态机激发物理层进行有关的业务活动；或者是一个相反的过程。AP提供了MAC和分布系统的接口，主要提供分布式业务。分布

53、式业务从分布式系统接收业务请求，并将有关的请求传到MAC控制状态机。与之相反，分布式业务也从MAC控制接受指示并将其传到分布式系统。MAC控制状态机提供分布式协调功能DCF和点协调功能，提供异步的、无连接的接入控制，从而有效地利用无线媒体进行通信。MAC管理状态机主要提供：MAC、MIB的存取，联络，认证与加密，电源与节能管理以及时间同步等业务。这些业务用来为主机的管理服务。IEEE802.11无线局域网的所有工作站和访问节点都提供媒体访问控制服务，MAC服务是指同LLC在MAC服务访问节点之间进行交换MAC服务数据单元的能力，包括利用共享无线电波或红外线介质进行MAC服务数源站媒体空闲发送第

54、一帧SIFSPIFSDIFSSIFS时间目的站其他站ACK时间NAV(传媒忙)SIFSPIFSDIFS发送下一帧时间有帧要求发送延迟接入等待重试时间有帧要求发送据单元的发送。简单地说，就是利用这样一个协议在不同的机器间传递MAC层数据包并且尽可能地减少冲突和维持网络正常运行。IEEE802.11 MAC层具有以下主要功能：无线媒体访问、网络连接登录、为不同类型的业务提供服务质量以及提供数据验证和保密。IEEE802.11X的无线媒体接入协议称为“基于分布方式的无线媒体访问控制协议-DFWMAC”。DFWMAC的基础是CSMA/CA。它有两种方式，即分布式协调功能DCF和点协调功能PCF，如图2

55、-5所示。DCF是IEEE802.11最基本的媒体访问方法，其核心是CSMA/CA。它包括载波检测CS机制，帧间间隔IFS和随机退避规程。在每个节点使用CSMA机制的分布接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权，由图可知，DCF向上提供争用服务。而PCF是可选的媒体访问方法，它使用集中控制的接入算法（一般在接入点AP实现集中控制），用类似于轮询的方法将发送数据权轮流交给各个站，从而避免了碰撞的产生。对于时间敏感的业务，如分组语音，就应该使用提供无争用服务的点协调功能PCF。在下面论文中将分别介绍两种协调功能。DCF协议原理及性能分析DCF有两种工作方式，一种是基本工作方式，即CSMA/CA方

56、式；另一种是RTS/CTS机制。DCF中的CSMA/CA的工作原理可用图2-6说明，其实质是两次握手的CA机制。1.CSMA/CA方式：（1）载波检测CS机制：图2-6基本的CSMA/CA机制较为简单。其过程是这样的：当检测到信道空闲期间大于某一IFS后立即开始发送帧；否则，延迟接入直到检测到需要的IFS，然后选择退避时间进入退避。退避结束后重新开始上述过程。CSMA/CA的基础是载波侦听。IEEE802.11x根据WLAN的媒体特点提出了两种载波检测方法：一种是物理层的直接载波检测CS，另一种是MAC层的虚拟VCS。物理层和虚拟载波监听机制可以让MAC层监听介质处于繁忙还是空闲状态，见2-7

57、图。物理层控制机制提供的物理信道评估结果发送到MAC层，作为确定信道状态信号的一个因素。网络分配矢量=0？发送帧介质忙？碰撞？监听介质（进行物理信道评价）开始（有帧需要发送）YesNo随机退避时间YesYesNoNo图2-7 MAC层控制机制利用帧中持续时间字段的保留信息实现虚拟检测机制。这一保留信息向所有站发布本站将使用介质的信息。MAC帧的持续时间字段，如果监听到的值大于当前的网络矢量（NAV）值，就用这一信息更新该工作站的NAV。NAV工作起来就像一个计数器，开始值是最后一次发送的帧的持续时间字段值，然后倒计时至0。当NAV的值达到0，且物理层控制机制表明有空闲信道时，这个工作站就可以发

58、送帧了。物理信道评估和NAV的内容为WAC决定信道状态提供了足够的信息，只有二者都认为信道空闲时，才能发送帧。（2）随机退避机制：当一个节点需要帧发送时，要调用载波侦听来确定信道的忙/ 闲状态，如果信道忙，他将推迟直到信道处于空闲状态的时间达到一个DIFS长度。为了避免发送冲突，这是该节点在发送前必须经过一个附件的一个退避周期，将产生一个随机的退避时间，并存入退避计数器。如果退避计数器中已经包含有一个非0的值，那么就不再执行产生随机退避时间的过程。退避时间的产生方法如下：BackoffTime=Random()aSlotTime （式2-1）其中Random()是均匀分布在0，CW范围内的随机

59、整数，竞争窗口是介于由物理层特征决定的最小竞争窗口Cwmin和最大竞争窗口Cwmax之间的一个整数值，即CwminCWCwmax . aSlotTime是由物理层特性决定的一个时隙的实际长度值，退避时间是一个时隙为单位的随机整数。一个节点执行退避过程时，在每一个时隙中侦听信道的状态，如果信道闲，则将退避时间计数器减1；如果信道忙，则退避时间计数器就冻结（即不再递减），直到侦听到信道处于连续空闲达到DIFS时间，退避过程重新被激活，继续递减、当退避计数器递减到0时，节点就可以执行发送。当多个节点同时竞争信道时，每个节点都经过一个随机时间的退避过程，才能占据信道，这样就大大减少了冲突发生的概率。另

60、外，通过采用退避过程中的冻结机制，使得被退避的节点在下一轮竞争中无需再次产生一个新的随机退避时间，只需继续进行计数器递减，那么。等待时间长的节点的优先级就高于新加入的节点，就可以优先得到信道，从而维护了竞争节点之间一定的公平性,如图2-8所示.应当指出，当一个站要发送数据帧时，仅在下面的情况下才不使用退避算法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是它想发送的第一个数据帧。除此以外的所有情况，都必须使用退避算法。具体来说有：a.在发送它的第一个帧之前检测到信道处于忙态；b.在每次的重传之后；c.在每一次的成功发送后。主机A主机C主机D主机E帧延迟延迟延迟延迟DIFS帧帧帧帧主机B已退避时间等待退避

61、时间图2-8 (3)帧间间隔802.11协议定义了工作站访问介质的几种时间间隔标准，并提供了多种访问优先级。图2-9说明了这些帧间间隔。每一种间隔均定义了上一个发送的帧的结束标记到下一个发送帧的开始标记之间的时间。介质忙SIFSPIFSDIFS时间图2-9a.短帧间间隔（SIFS）：SIFS是最短的帧间间隔，当一个节点需要占用信道并持续执行帧交换时使用SIFS，这时如果有其他节点要使用信道，必须等待信道空闲并持续一个更长的时间间隔才能参与竞争，从而使用SIFS的节点具有最高的优先级。SIFS主要用于确认帧ACK，响应帧CTS以及一个分段序列中第二个分段之后的子帧等的发送。b.PCF帧间间隔（P

62、IFS）：PIFS是工作在中心控制方式下的工作站获得介质访问权的时间间隔，它的优先级高于分布式控制方式。这类工作站一旦监听到介质空闲，就可以进行无竞争的通信。这种时间间隔使得中心控制方式的工作站获得比分布式方式的工作站更高的帧发送优先级。c.DCF帧间间隔（DIFS）：所有工作在分布式控制方式下的工作站都使用DIFS来发送数据帧和管理帧。基于DCF的帧发送优先级比基于PCF的帧发送级别低。d.扩展帧间间隔（EIFS）：所有基于DCF的工作站采用EIFS的间隔在不正确的PCS值导致错误的帧接收情况下作为等待时间。2.RTS/CTS隐蔽终端问题是无线网络比较棘手的一个问题，如图2-10所示。A、B、C、分别为三个无线节点，A和C都在B的覆盖范围内，因此A与B、C与B之间均可互相通信。但同时，A和C互相不在对方的覆盖范围内，即A和C不可直接通信。当A和C同时监测到信道空闲时，会同时发送数据，从而在B处引起冲突，这就是隐蔽终端问题。AB C图2-10为了更好的解决隐藏终端带来的碰撞问题，发送站和接收站之间以握手的方式对信道进行预约是一种常用地方法。RTS/CTS机制包括RTS-CTS-DATA-ACK四个过