IEEE802.11论文

IEEE802.11论文（共7篇）

IEEE802.11论文 篇1

技术性组织电气电子工程师协会(IEEE)宣布批准IEEE 802.11ac TM-2013,目的是在无线局域网(WLAN)上实现更高的多用户传输量。IEEE802.11ac规范增加了80 MHz和160 MHz两个信道带宽,其中包括适用于灵活信道配置的连续和非连续160 MHz信道。其增加了形式为256 正交幅度调制(QAM)的更高阶的调制,将数据速率提高了33%。数据速率的进一步倍增则是通过将空间流数量提高至最大(8 个)实现的。此IEEE802.11ac修订版还引了入新技术,可为多个并发下行链路传输提供支持,该技术被称为“多用户,多输入,多输出”(MUMIMO)。通过使用智能天线技术,MUMIMO技术能够更有效地使用频谱,提高系统容量,并借助支持多达4个同步用户传输减少延迟。

IEEE802.11论文 篇2

1997年IEEE802.11标准的制定是无线局域网发展的里程碑, 它是由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。IEEE802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层, 其物理层标准主要IEEE802.11b, IEEE802.11a和IEEE802.11g。

1.1 IEEE802.11b

1999年9月正式通过的IEEE802.11b标准是IEEE802.11协议标准的扩展。它可以支持最高11Mbps的数据速率, 运行在2.4GHz的ISM频段上, 采用的调制技术是CCK。但是随着用户不断增长的对数据速率的要求, 最高速率11Mbps (实际值为550~600KB/s) 已经不能满足用户的需求。而且CCK调制方式就不再是一种合适的方法了。因为对于直接序列扩频技术来说, 为了取得较高的数据速率, 并达到扩频的目的, 选取的码片的速率就要更高, 这对于现有的码片来说比较困难;对于接收端的RAKE接收机来说, 在高速数据速率的情况下, 为了达到良好的时间分集效果, 要求RAKE接收机有更复杂的结构, 在硬件上不易实现。

1.2 IEEE802.11a

为了满足人们对数据速率的要求, 随后IEEE委员会又推出了IEEE802.11a。IEEE802.11a工作5GHz频段上, 使用OFDM调制技术可支持54Mbps的传输速率。IEEE802.11a工作频段是5GHz, 而IEEE802.11b工频段是2.4GHz。因此, 在同一个网络中, 这两个是互不兼容的。另外由于在日常生活中, 许多电子设备都是基于2.4GHz频段工作的, 这样IEEE802.11a工作频段的5GHz就比IEEE802.11b工频段是2.4GHz有很好的抗干扰优势, 但这同时也预示了802.11a的灭亡。由于频段较高, 使得802.11a的传输距离大打折扣。

1.3 IEEE802.11g

为了解决上述问题, 为了进一步推动无线局域网的发展, 2003年7月802.11工作组批准了802.11g标准, 新的标准终于浮出水面成为人们对无线局域网关注的焦点。IEEE802.11工作组开始定义新的物理层标准。

1.4 IEEE802.11n

IEEE已经成立802.11n工作小组, 以制定一项新的高速无线局域网标准802.11n。802.11n工作小组是由高吞吐量研究小组发展而来的, 该工作小组计划在2003年9月召开首次会议。

IEEE802.11n计划采用MIMO与OFDM相结合, 使传输速率成倍提高。另外, 天线技术及传输技术, 使得无线局域网的传输距离大大增加, 可以达到几公里 (并且能够保障100Mbps的传输速率) 。IEEE802.11n标准全面改进了802.11标准, 不仅涉及物理层标准, 同时也采用新的高性能无线传输技术提升MAC层的性能, 优化数据帧结构, 提高网络的吞吐量性能。

2 IEEE802.11无线局域网拓扑结构

IEEE802.11无线局域网有两种主要的拓扑结构, 即自组织网络 (也就是对等网络, 即人们常称的Ad-Hoc网络) 和基础结构网络 (Infrastructure Network) 。

2.1 自组织网络

自组织型WLAN是一种对等模型的网络, 它的建立是为了满足暂时需求的服务。自组织网络是由一组有无线接口卡的无线终端, 特别是移动电脑组成。这些无线终端以相同的工作组名、扩展服务集标识号 (ESSID) 和密码等对等的方式相互直连, 在WLAN的覆盖范围之内, 进行点对点, 或点对多点之间的通信, 如图1所示。

组建自组织网络不需要增添任何网络基础设施, 仅需要移动节点及配置一种普通的协议。在这种拓扑结构中, 不需要有中央控制器的协调。因此, 自组织网络使用非集中式的MAC协议, 例如CSMA/CA。但由于该协议所有节点具有相同的功能性, 因此实施复杂并且造价昂贵。

2.2 基础结构网络

基础结构型WLAN利用了高速的有线或无线骨干传输网络。在这种拓扑结构中, 移动节点在基站 (BS--Base Station) 的协调下接入到无线信道, 如图2所示。

基站的另一个作用是将移动节点与现有的有线网络连接起来。当基站执行这项任务时, 它被称为接入点 (AP) 。基础结构网络虽然也会使用非集中式MAC协议, 如基于竞争的802.11协议可以用于基础结构的拓扑结构中, 但大多数基础结构网络都使用集中式MAC协议, 如轮询机制。由于大多数的协议过程都由接入点执行, 移动节点只需要执行一小部分的功能, 所以其复杂性大大降低。

在基础结构网路中, 存在许多基站及基站覆盖范围下的移动节点形成的蜂窝小区。基站在小区内可以实现全网覆盖。在目前的实际应用中, 大部分无线WLAN都是基于基础结构网络。

3 IEEE802.11无线局域安全技术

在无线局域网被广泛采用之前, 最需要解决的就是网络安全问题。为了解决无线局域网中的网络安全问题, 为此IEEE802.11主要应用了三项安全技术来保障无线局域网中数据传输的安全。

3.1 SSID (Service Set Identifier) 技术。

该技术可以将一个无线局域网分为几个需要不同身份验证的子网络, 每一个子网络都需要独立的身份验证, 只有通过身份验证的用户才可以进入相应的子网络, 防止未被授权的用户进入本网络。

3.2 MAC (Media Access Control) 技术。

应用这项技术, 可在无线局域网的每一个接入点 (AP———Access Point) 下设置一个许可接入的用户的MAC地址清单, MAC地址不在清单中的用户, 接入点 (Access Point) 将拒绝其接入请求;

3.3 WEP (Wired Equivalent Privacy) 加密技术。

因为无线局域网络是通过电波进行数据传输的, 存在电波泄露导致数据被截听的风险。WEP安全技术源自于名为RC4的RSA数据加密技术, 以满足用户更高层次的网络安全需求。

同时, 为了满足更高安全性的需要, 随后又推出了端口访问控制技术 (IEEE802.1x) 和可扩展认证协议 (EAP) 。在2003年又发展出来了WPA (Wi Fi Protected Access) 技术。另外IEEE802.11工作组又开发了新的安全标准的IEEE802.11i, IEEE 802.11i将为无线局域网的安全提供可信的标准支持。

3 IEEE802.11无线局域网应用

无线局域网的应用范围非常广泛, 如果其应用划分为室内和室外的话, 室内应用包括大型办公室、车间、智能仓库、临时办公室、会议室、证券市场;室外应用包括城市建筑群间通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制与管理网络、银行金融证券城区网、矿山、水利、油田、港口、码头、江河湖坝区、野外勘测实验、军事流动网、公安流动网等。

总之, 随着人们对自由的渴望, 对无线的需求, 在可预见的未来, 无线技术将会有更好的发展。

摘要：无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频 (RF) 技术, 取代旧式的双绞铜线构成局域网络, 提供传统有线局域网的所有功能, 网络所需的基础设施不需再埋在地下或隐藏在墙里, 能够随需要的移动而移动。这些年来, 无线网在全世界将有较大的发展。无线局域网应用越来越多, 它将扩展有线局域网或在某些情况下取而代之。可以预期, 在未来信息无所不在的时代, 无线网将依靠其无法比拟的灵活性, 可移动性和极强的可扩容性, 使人们真正享受到简单、方便、快捷的连接。

关键词：802.11,无线局域网,移动性,网络拓扑结构

参考文献

IEEE802.11论文 篇3

无线局域网是计算机与通信技术高度结合的产物,随着技术的不断更新与发展,IEEE小组又相继推出了802.11a、02.11b、802.11g和802.11n等若干个新标准。

802.11n可以将WLAN的传输速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps,提供到300Mbps甚至高达600Mbps。得益于将MIMO(多入多出)与OFDM(正交频分复用)技术相结合而应用的MIMO OFDM技术,提高了无线传输质量,也使传输速率得到极大提升。

根据802.11协议组建的无线网络是由很多个网络接入点(Access Point,以下简写作AP)组成的。但是因为每个AP功率受限,所以它们只能负责覆盖自己周边的一小块区域。其覆盖半径一般不超过100米。但是因为无线网络用户应该被允许在整个网络覆盖的区域内自由移动,所以网络必须协调所有的AP为用户提供无缝的接入服务。因为802.11协议在设计之初没有考虑用户移动性,所以目前在用户进行AP切换的时候会出现很大的延时,严重影响一些实时性较强的会话。所以如何切实降低AP切换延时对于802.11无线网络的推广和发展有着重要的意义。

1 IEEE 802.11无线局域网的基本架构

无线局域网(Wireless LocalArea Network,WLAN)是20世纪90年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网络[1]。无线局域网是在有线局域网的基础上发展起来的,它使计算机具有可移动性,能快速、方便地解决有线方式不易实现的网络信道的连通问题。20世纪90年代以来,为了达成任何人在任何时间、地点实现数据通信的目标,无线局域网的概念经历了从被提出到具体化、商业化的过程。无线局域网的发展和成熟很大程度改变了人们的生活。

IEEE802.11无线局域网包括无线终端(STA)和无线接入点(AP)[2],一个BSS内只有无线终端时为独立基本服务集(IBSS),如图1所示。

当一个BSS中包含无线接入点(AP)时,由AP和分布式系统(Distribution System)相互连接就可以组成扩展服务集(ESS),如图2所示。

2 802.11无线局域网漫游协议

2.1 IEEE 802.11f

IEEE 802.11f标准又被称为IAPP(Inter-Aeeess Point Protocol)协议,它的主要功能是便于扩展服务集ESS的创建和维护,支持802.11移动站点在AP间的移动,保证每个移动站点在确定时刻与AP间只有一个连接关系[3]。

2.2 IEEE 802.11i

为了减少漫游所需要的时间,IEE802.lli提出了预认证技术[4]。预认证的核心思想就是利用当前AP作为通信隧道,STA与目标AP进行认证,然后缓存协商好的主密钥PMK,等到客户移动到那个AP的时候只进行密钥协商便可

以节省认证的时间[5]。

2.3 IEEE 802.11r

IEEE 802.llr协议可以让Wi-Fi设备在接入点之间快速漫游,从而提高企业局域网中VoIP的性能。新的802.llr标准被称为快速基本服务设置转换(Fast Basic Service Set Transition)。IEEE 802.llr使得STA与目标AP能在较短的时间内建立安全连接并完成Qos资源分配,因此能保证Wi-Fi设备在两个接入点之间的迁移时间少于50毫秒,从而满足语音漫游的标准[6]。

3 随机扫描技术在无线局域网漫游中的应用

标准的802.11的漫游决策中,工作站会根据AP信号的强度来进行漫游,当工作站检测到AP信号强度低于制定阀值的时候,工作站便会搜索其他的AP,进而对信号强度良好的AP进行重新连接,使工作站能够在AP之间进行无缝漫游[8]。

典型的无线终端在AP点之间的漫游过程如图3所示。无线终端一开始与AP1连接,信号强度随着终端原理AP1而逐渐衰弱,于是工作站必须执行漫游程序,才能达到AP之间的无缝转换。

整个漫游过程分为三个阶段,分别为通道扫描阶段、身份认证阶段与重新连接阶段,如图4所示。

标准的802.11只会在目前的AP信号衰弱到某一临界值时,才开始扫描并寻找其他的AP信号,并且要超过一个标准值后才会确定漫游的目标。这种机制有效的克制了乒乓效应,但是漫游效率却不高。

IEEE 802.11无线局域网的AP会周期性的发送Beacon广播包,任何工作站接受到Beacon包后就知道该AP点的存在,IEEE 802.11中定义Beancon包的发送间隔时间为100ms。由于每个AP的Beancon间隔都是相等的,于是其他通道的AP点所发送的Beacon包,会在无线终端所在AP的Beacon间隔之内。

随机扫描机制利用AP周期性传送Beacon包的特性,在Beacon间隔这段时间内切换至其他通道搜寻AP,无线终端以连接AP所传送的Beacon包为基准,收到Beacon包后,根据特定的时间切换至其他通道,监测一段时间之后,再返回原来连接的通道,如图5所示。

随即扫描的基本原理是将原本一个Beacon间隔的监听时间切割成多个区段,然后根据随即排列的区段顺序,依次在每个Beacon间隔中完成该区段的扫描,当无线终端保持在原来连接的通道时,仍然与AP进行通信,当切换到其他通道时,则进行监听Beacon包,搜索信号强度满足要求的AP。无线终端以随即扫描进行漫游时,不会出现被动式扫描那样严重的延迟,可以使用较多的区段数目,来得到更低的延迟。由于Beacon包广播的周期性,分散于数个Beacon间隔的区段扫描,可以组成一个完成的Beancon间隔,因此随即扫描可以正确的收到其他通道AP广播的Beacon包。整个随即扫描的过程如下:

1)连接AP的信号强度过低,启动随即扫描程序。

2)将可扫描的通道集合随即排序,建立一个随机的通道顺序。

3)每当选择一个新的扫描通道,无线终端产生随机的区段顺序。

4)无线终端根据区段顺序,切换至欲扫描的通道等候Beacon包。

5)在区段扫描的过程中搜索到信号强度满足要求的AP,对新AP进行身份认证与重新连接,并结束随机扫描程序。

6)如果没有搜索到AP且该通道的区段扫描已经完成,转第2步,对下一个通道进行扫描。

7)如果第2步中通道顺序的通道都完成扫描仍没有搜索到AP,则转到第1步重新产生随机的通道顺序。

4 试验结果分析

利用网络模拟软件ns-2来完成实验的模拟,ns-2模拟的环境设置如表1所示。

数据包的延迟、抖动率和传输速率分别如图6、图7和图8所示。

采用随机扫描技术后,无线终端在漫游时的延迟、抖动率和传输速率比标准的802.11协议均有较大改善。

5 总结

为了解决通道扫描所造成的严重延迟,提出了随机扫描机制。实验结果表明,持续的随机扫描,对于高速移动的无线终端,能使整体性能较为稳定。使用ns-2模拟软件对该方法进行模拟,进一步证实了该方法的有效性。

参考文献

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[6]Bianchi G.Performance analysis of the IEEE802.11distributed coordination function[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communi-cations,2000,18(3):535-547

IEEE802.11论文 篇4

DCF方式下,WLAN的吞吐量和接入时延随着网络中的活动节点(Active Nodes)数和初始竞争窗口大小(CWmin)而变化[2],系统的初始竞争窗口大小由物理层特性决定,例如使用直接序列扩频时,CWmin为31;使用跳频扩频时,CWmin为15[3]。也就是说,在DCF协议中,初始竞争窗口是固定的,并不能随着网络中竞争节点数的多少而变化。根据网络中活动节点数的变化来动态调整初始竞争窗口的值,是改进DCF性能的一种行之有效的方法[4,5,6]。但目前获得网络中的活动节点数目都是基于某种估计算法获得的。这些估计算法不能精确地反映网络中真实的活动节点数,所计算出的优化初始竞争窗口大小也不会很精确,如果初始窗口设置不正确,对网络性能的影响将会很大。参考文献[7]提出了增加初始窗口为63,并在退避到最大窗口时,将最大窗口置为初始窗口来参与竞争,这在一定程度提高了系统的公平性,但此算法也增加了冲突发生的概率。本文提出的优化竞争窗口的算法用OPNET软件[8]进行了仿真,与原有算法及参考文献[7]中的算法相比,在吞吐量及时延上都有良好的改善。

1 DCF的二进制退避机制和竞争窗口的分析

DCF协议基于载波监听多路访问/冲突避免(CSMA CA)机制实现有竞争的信道共享。当一个节点需要发送帧时,要调用载波侦听机制来确定信道的忙/闲状态,如果信道忙,它将推迟,直到信道连续处于空闲状态达到分布协调功能的帧间间隔DIFS(Distributed Coordination Function Interframe Space)时间,为了避免发送冲突,这时该节点在发送前必须经过一个附加的退避周期,产生一个随机的退避时间(Backoff Time),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,则不再执行产生随机退避时间的过程。

产生退避时间的方法如下:Backoff Time=Random()*aSlotTime其中,Random()是均匀分布在[0,CW]范围内的随机整数,CW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CWmin≤CW≤CWmax。aSlotTime是由物理层特性决定的一个时隙的实际长度值,对于DSSS(直接序列扩频),一个时隙的长度是20μs。每个节点在发送数据前,监听信道的状态,如果信道闲,则将退避时间计数器减1;如果信道忙,则退避过程将被推迟,退避时间计数器被冻结。当终端检测到信道的空闲时间≥DIFS时,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。图1显示了退避过程。

节点A发送时,节点B、C、D都有帧要发送,等待信道连续空闲DIFS时间后,进入退避阶段,每个节点在CW内随机产生一个退避时间。因为节点C所产生的退避时间最短,它的退避计时器最先减至0,开始发送帧,节点B和D的退避计时器被冻结。在节点C传送过程中,节点E也有帧要发送,进入等待过程。信道空闲DIFS后,节点B和D的退避计时器解冻,节点E产生随机退避时间。因为节点D的退避计时器最先减至0,所以节点D获得发送机会。

由图1可以看出,每一个节点都要维护一个CW参数,CW的初始值为CWmin。在帧的第一次传输时,CW等于最小竞争窗口CWmin。当一个节点发送失败时,说明当前的网络负载较大或者链路状况不好,该节点的CW就会增加一倍。以后,该节点每次发送失败而重传时,CW都会增加一倍,即CW=2m(CWmin+1)-1,其中m为重传次数。当CW的值增加到CWmax时,即2m(CWmin+1)=(CWmax+1),再重传时CW的值将保持CWmax不变,直到该节点发送成功,或者达到了最大重传次数限制,CW将被重新置为CWmin,CW的变化方式如图2所示。

竞争窗口越大,随机退避机制解决冲突的能力就越强,因为使用较大的竞争窗口时,选择相同的随机退避时间的可能性很小。这样一方面,在轻载的情况下,小的竞争窗口保证了较短的延迟;另一方面,在重载的情况下,随机等待时间随着冲突产生次数的增加呈指数递增,降低了冲突的概率。竞争窗口达到CWmax后不再增长,保证了网络在重载情况下的稳定。当帧成功发送或者重传次数超过限制而被丢掉时,竞争窗口被置为CWmin。这种机制称为二进制指数退避(Binary Exponen-tial Backoff)。

2 改进的方法

通过以上分析,可以看出竞争窗口的大小决定了退避的时间,进而影响了吞吐量和接入时延。本文的优化算法通过合理设置窗口的大小,针对发生冲突时退避时间迅速增加的弊端,并综合考虑到公平性的问题,从以下四个方面对现有算法进行优化。

(1)增加最小的竞争窗口。参考文献[9]中指出对不同的网络节点数,存在一个最优的竞争窗口使网络的时延最小,网络中有10个竞争节点时,将初始竞争窗口设为63,介质访问的时延最小;而50个竞争节点时,初始窗口设为127,介质访问的时延最小。但参考文献[9]中没有综合考虑到窗口对吞吐量的影响,本文通过仿真发现,在站点数多或少的情况下,将初始窗口设为127时,应用本算法,在吞吐量和时延上都有良好的改善。

(2)增加最大的竞争窗口。通过前面的分析可知,如果竞争窗口较小,则发生冲突的概率将增加,优化算法增加了最大窗口,将其设为1 054。

(3)优化退避算法。原有的二进制退避算法,退避的时隙增加过快,呈指数增长,但递减较慢,即当检测到信道空闲时间≥DIFS时,退避计数器做减1操作,这样将导致再次接入的时延增加,优化算法采用较温和的方法:当发生冲突时,max_backoff=max_backoff*1.5+1,这样做的目的是当发生冲突时,使退避时间量的增加较为缓慢。

(4)当重传后竞争窗口超过最大竞争窗口时,将站点的竞争窗口恢复为最大窗口的一半,即512。这样当一个站点遭遇连续多次冲突后,增加其竞争信道的概率,提高系统的公平性。参考文献[7]中超过最大竞争窗口后,直接将站点的竞争窗口恢复为最小窗口,这样虽然在一定程度上提高了公平性,但同时也加剧了冲突。

上述改进的算法中,(1)、(2)保证了竞争窗口有一个较大的范围,降低了可能发生的冲突,(3)保证了退避时间增加较为缓慢,减小了再次接入的时延,(4)解决了一个站点遭遇连续多次冲突后再次接入信道的能力,提高了公平性。

3 性能仿真及对比

本文使用OPNET软件虚拟建立一个基本的Adhoc网络模型[10],每个无线节点的通信范围设为100 m,采用的网络拓扑结构为所有无线节点都分布在边长为100 m×100 m的四方区域内,即任意一个节点都处在其余所有节点的通信范围之内,也就是说,网络中任意两个节点之间能直接进行通信。这样网络中不存在隐藏节点。本文仿真了20个站点和80个站点时系统的吞吐量和时延。图3是包括20个无线节点的一个网络拓扑,其中,node_0~node_19是无线节点。

在仿真实验中,采用DSSS的参数(默认),见表1。

OPNET提供了ON—OFF的建模机制,在ON期间生成数据包,每个包的大小和包间隔可以按照某种分布函数来确定,在OFF期间不发送数据包。按照表2设置网络的业务参数。

仿真结果如图4~图7所示。

从图4~图7的仿真曲线图可以看出,改进后的算法在20个站点及80个站点时在时延和吞吐量方面都有良好的改善,验证了其性能。

本文详细地分析了DCF方式的工作机制和竞争窗口对接入时延及吞吐量的影响,针对现有算法的不足提出了一种优化竞争窗口的算法,仿真了20个站点及80个站点工作时的吞吐量及接入时延,相比现有算法和参考文献[7]中的算法,改进的算法提高了吞吐量,降低了接入时延。

参考文献

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IEEE802.11论文 篇5

IEEE802.11是在1997年由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。IEEE的802.11标准由很多子集构成,它详细定义了WLAN中从物理层到MAC层(媒体访问控制)的通信协议。该系列中的802.11b,802.11a和802.11g都已经崭露头角,尤其是802.11g,它的产品普及率最高,在众多的标准中处于先导地位。IEEE802.11在MAC层(媒体访问控制)定义了两种信道接入技术,不同的信道接入技术对网络的性能有不同的影响,因此在设计研究过程中需要根据网络性能的实际要求来选择不同的信道接入技术。本文既是研究不同的信道接入技术对网络性能的影响。给网络设计提供重要依据。

2 IEE802.11信道接入技术

2.1 分布式访问方式(DCF)

IEEE802.11中的分布式协调机制是一种基于分布式控制的竞争式共享介质方式,采用带冲突避免的载波监听多路访问技术。DCF机制主要采用两种方法进行帧的传输,基本接入机制以及请求发送/清除发送(RTS/CTS)机制【5】。

在分布式协调机制中,站点在开始发送新的数据前必须首先监听介质。如果介质上已有信息正在传输,则此站点将不会发送本地信息。如果两个或者更多的站点同时传输,则有可能导致碰撞,从而造成发送失败。因此为了避免冲突,站点在开始发送之前先监听介质。如图1所示,当一个站点检测到物理信道空闲时间超过一个DCF帧间距(DIFS)之后,站点进入退避状态,每个站点维护一个退避计时器,当退避计时器为0时,站点发出请求发送(RTS)信号。如果在规定时间内没有允许发送(CTS)信号返回,则站点认为发生了冲突从而使竞争窗口加倍,选择新的退避计时器重复上面的操作。

在无线通信系统中,由于发送信号的泄漏,在发送的时候很难进行检测,因为无线信道信号的强度变化范围非常大,所以就无法采用冲突检测的方式。所以,只能是在发送前,先检测一下,也就是载波监听。载波监听是非常重要的技术,载波监听在发现介质空闲时,站点就可以启动介质竞争机制,竞争信道。主要有两种方式,一种是物理(直接)载波监听,还有一种是虚拟(间接)监听,前者是从MAC帧中携带的相关信息来实现的一种逻辑上的预测,即每个帧携带发送站下一个帧将持续时间的信息,其它有关联的各个站点根据这个信息对信道是否占有进行预测。如果某个站点没有监听到持续时间字段,站点只能通过物理层检测;后者通过接收信道的能量强弱来确定。因为物理监听的方式下,无线信道不稳定,信号变化强度大,所以,通常采用虚拟的方式,就是利用帧中持续时间的保留信息,该信息包括将要使用信道的时间和其他控制信息。CSMA/CA是有冲突避免的载波监听型多址接入协议。它是对CSMA的另一种改进方法。它不仅支持全连通的网络拓扑,同时支持部分连通的网络拓扑。

其中CSMA/CA信号流程如图2所示。其工作原理如下:某工作站在发送信息之前,检测信道是否空闲以及空闲时间是否大于IEEE802.11DCF规定的帧间隔时间,如果否,该STA就延迟接入,直到当前的传输结束。之后,也就是一次成功传输完成刚结束,这时碰撞发生率最高,因为所有待发送的STA都延迟等待这一时刻的到来,为进一步减少碰撞,工作站选择随机避退(back off time)再次延迟接入,在检测信道的同时倒数back off time计数器,直到其值为0,这时,如果其它工作站选择的back off time更短,它就赢得了信道占用权,文中所述的STA又检测到信道忙,只好再次延迟接入,否则,若信道空闲,发送信息。

2.3 中心网络控制方式(PCF)

PCF【5】是一种可选优先级的无竞争的介质访问方法,以DCF控制机制为基础,由中心控制器AP控制各个站点的数据帧传送,所有站点都服从中心站点的控制。在PCF协议中,AP通过向相关的移动站发送轮询消息,依次对这些移动站进行轮询。如果AP需要将数据发送至正被轮询的移动站,那么数据可包含在轮询消息中。如果轮询的基站需要将数据发送至AP,则可将数据包含在轮询响应消息中。在适当情况下,确认信息(确认收到了上一个来自AP的数据帧)也可包含在响应消息中。

由于DCF只能提供尽力而为(Best effert)的服务,没有任何QOS保证。为了提供延迟受限的服务,IEEE802.11提供了可选的PCF机制。PCF只能在有中心协调点(一般由接入点担任)的架构式网络中使用。PCF以DCF为基础,在DCF之上实现。图3是PCF和DCF的关系示意图。

点协调机制是优先级高于分布式协调机制的访问方式,提供对无线媒质的无竞争访问。在这种工作模式下,置于访问站点(AP)中的中心控制器(PC)控制来自工作站的帧的传送。工作站均在PC的控制下获得对媒质的有限访问。中心控制器在其发出的查询帧中使用PIFS,因为PIFS小于DIFS,因而中心控制器总是能获得对介质的访问并且在其发送查询帧、接收响应时,把异步通信全部都锁住。PC在每一个无竞争期开始,都对介质进行监测。如果介质在PIFS间隔之后仍然空闲,PC就发送一个包含无竞争期各项参数的信标(Beacon)帧。在含有AP的BSS中,信标帧用于保证相同物理网络中工作站的同步,它包含时间戳(Timestamp),所有工作站都利用时戳来更新计时器,802.11定义其为时间同步功能计时器。工作站接收到信标帧后,更新它们的NAV。该值向所有工作站通知无竞争期的长度,直到无竞争期结束才允许工作站获得对介质的控制权。发送信标帧后,PC等待至少一个SIFS间隔,然后发送下列帧之一:

1.数据帧:这种帧直接从AP的中心控制器发往轮询表中的某个站点,如果PC没有收到接收端返回的确认帧(ACK),会在无竞争期内的PIFS间隔后重发该帧。中心控制器可以向所有的站点发送广播,单播以及多播帧。

2.无竞争轮询帧:PC向某个工作站发送无竞争轮询帧,授权该工作站可以向任何其它目的终端发送数据.如果被轮询的工作站没有数据要发送,它就发送一个空数据帧。如果该站没有收到己发送数据的确认帧,则必须在被PC再次轮询时重发未被确认的帧。

3.数据帧+无竞争轮询帧:PC向某个站点发送数据,而这个站点恰好是轮询列表中即将被轮询到的,那么为了降低系统开销,可以发送这种类型的帧,以便使轮询和数据传输同时进行。

4.无竞争结束帧:这种帧用于确定竞争期的结束。站点可以选择是否被PC轮询,可以在连接请求帧(Association Request)中的特殊信息字段CF一Pollable项中表明是否希望被轮询,某个站点可以通过发包Reassoeiation Request帧来改变自己的可轮询性。Pe维护着一个轮询队列,每个非竞争期PC至少会发送一次CFPoll,从而使队列中的工作站都有可能被PC轮询。对于点协调机制,其Qos支持也具有很大的局限性:由于竞争期站点发送的数据长度不能控制,使得下一个目标信标传输时间的信标发送产生延迟;而在非竞争期被轮询的站点发送的数据大小也不可控,因此站点的传送时间也不易被接入点控制;接入点的轮询调度算法过于简单,同样没有区分业务类型。

3 OPNET平台中的仿真设计实现

3.1 仿真设计

3.1.1 建立基本模型

从OPNET自带的物件拼盘中选择wireless_lan_adv作为基本模型,然后使用可移动的器件wlan_station_adv(mob)作为接入节点,设置15个节点来进行仿真。应用配置物件用来配置不同的业务。在PCF中选择mobile_node_0作为接入点。只需将该节点的PCF Functionality设为Enabled。

3.1.2. 设置网络规模

范围设定为o f f i c e,网络大小设定在100m*100m。

3.1.3 设置业务参数

采用ON-OFF业务,在ON期间产生数据包,每个包的大小和包间隔可以按照某种分布函数来确定,在OFF期间不发送数据包。设置Start time为constant(1.0),ON的平均持续时间为exponential(10),OFF的平均持续时间为exponential(90),包平均到达的间隔为exponential(1.0);每个数据包的大小为exponential(1024)(字节)。

3.1.4. 配置WLAN中的输入接口参数

DCF方式如图5所示,PCF方式如图6所示:

3.1.5 收集统计量并处理图像

在收集统计量时统一对节点mobile_node_3收集统计量,要收集的统计量有throughput(吞吐量)、data dropped(丢包率)、delay(传输时延)、网络负载以及单个节点的发送速率,接收速率等等。

在设置仿真参数时仿真持续时间为1天,随机数为128(seeds)。

最后是运行仿真处理图像。直接采用Optimized仿真核心,这样调试信息就会省略掉,从而提高仿真速度。对仿真得到的曲线取平均值处理,便于后面总结结论研究。

从图8我们可以看出就WLAN LOAD性能参数来讲,PCF站点和DCF站点的负载是差不多的。这是因为两种方式的节点产生的数据包几乎是差不多的。其实这也是期望中的结果,因为PCF相对于DCF的优势在其负载上并不是很明显。

从图7可以看出两种方式的吞吐量是非常相似的,甚至是某些峰值点所出现的时间都很类似,只出现了一点的时间差。这也是我们所期望的,因为,尽管时延不同,但是在目前的负载水平上,其媒介的状态并没有达到“饱和”,换句话说,也就是不管是PCF源节点还是DCF源节点所发送出来的数据包,迟早会到达目的节点的。

稳定、可靠、高效是我们对网络的基本要求。丢包率反应网络的可靠性。从图11中可以看出,DCF方式的平均丢包率要高于PCF方式,但是在延迟方面,DCF方式则较PDF方式有明显的优势,这也与理论分析一致。DCF是基于竞争的,在节点数较少的情况下,延迟较小,吞吐量较大。在丢包率也即可靠性方面PCF较DCF方式有很大提高,这也正是音频、视频等多媒体数据对网络传输安全性能的要求。所以,在以处理音频、视频等多媒体数据为主要对象的网络环境中,PCF较DCF更为可靠。

从图12可以看出,在吞吐量相同的情况下,PCF协议在延迟方面要优于DCF。对于时间敏感的实时性业务,如分组话音和多媒体业务,应使用无争用服务的点协调功能PCF协议。但是大多数情况WLAN的默认配置采用DCF而不是PCF。因为DCF基本上能够满足传送数据业务的服务要求,而PCF采用轮询的方式,增加了开销,所以带宽利用率较DCF低。因此实际应用中,若业务在丢包率许可的范围内,还是应考虑采用DCF协议。

但是PCF的主要缺点是扩展性较差,因此只是一种可选的接入方式,通常与DCF一起使用。DCF是802.11系列标准中最重要的信道接入方式,它使普通的节点和AP都相互竞争来接入无线信道,因此它适用于对时延不敏感的数据业务,如Email和FTP等。PCF必须依赖于固定的基础设施(如AP),而DCF则不需依赖任何固定的基础设施,是唯一能够用于Ad hoc网络的信道接入方式。

4 总结

本文在介绍了WLAN中MAC层的DCF功能和PCF功能的基本原理的基础上,利用了先进的网络仿真工具OPNET架构起仿真模型,并且对二者在网络负载,端到端时延,以及吞吐量等网络性能的统计特性进行了仿真。仿真结果表明,在以处理音频、视频等多媒体数据为主要对象的网络环境中,PCF较DCF更为可靠。采用PCF的站点由于使用无竞争轮询机制在某些性能方面是优于采用DCF功能的站点的,但是PCF功能是基于基础网络的,要实现PCF功能还要在专门的基站或AP上装有软件PC(Point Coordinator)。如果对于大型网络,采用PCF功能还是可以很好的提高整个网络的性能的。这样为用户使用提供了可靠的依据。

参考文献

[1]钟章队.无线局域网[M].北京:科学出版社,2008

[2]王文博,张金文.OPNE Modeler与网络仿真[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[3]李馨,叶明.OPNET Modeler网络建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社:6～18,2006.

[4]周慧.OPNET网络仿真及其应用研究[C].武汉:武汉科技大学,2009.6

[5]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004

[6]李楠,岳佳.无线局域网关键技术与应用[J].山西电子技术,2008,(06):59-60

[7]王文波.IEEE802.11DCF协作MAC接入机制研究[C].北京:北京邮电大学,2009.2

[8]及晓梅.关于IEEE802.11协议MAC层DCF机制的研究与改进[C].天津:天津大学,2004:21-22

IEEE802.11论文 篇6

WLAN和BT共存问题产生了大量的研究和电子工程业的兴趣。不同的解决方案被提出,例如在文献[1]有4种不同的解决方案被建议:

1)自适应分割而动态调整WLAN数据包大小以便尽量减少与BT的网络时间碰撞的机会;

2)Adaptive Frequency Hopping(AFH)或自适应跳频)用于减小WLAN与BT频率碰撞的机会;

3)第3层流控制,修改WLAN驱动程序使能快速切换而实现时间分享;

4)MAC层的协调,让WLAN与BT的MAC层交换信令以便分享时间。所有这些方案使用BS FEC编码方案,但在文献[2]建议使用RS作为前向纠错方案。我们将用MATLAB进行仿真并对这两种WLAN纠错方案在BT与AWGN(Additive White Gaussian Noise)环境下的性能进行比较。

2 仿真

先用MATLAB程序来模拟在BT和AWGN环境下WLAN的性能。MATLAB程序的输入参数包括WLAN数据传输率,Eb/No范围,数据包错误率限制,数据包长度(以字节为单位),SIR(Signal to Interference Ratio)范围,RS输入参数其中包括bits per symbol(2～16范围之内)和可修改错误数量(1～2m-1范围之内)。BT干扰源的数量也是必要的参数。MATLAB程序的输出是数据包错误率(PER)和每比特能源与噪声密度比(Eb/No)。关于使用MATLAB做通信方面的仿真或实验请参考文献[4]。仿真结果收集、绘制如图1。

3 结果解释

从图中的曲线可以看出蓝牙干扰的影响。该曲线不是编码通常的“瀑布”或凸曲线而因受BT的影响变为凹或浴缸形状。还注意到对前四种数据传输速率就是6Mbps,9Mbps,12Mbps和18Mbps。在这底数据传输速率BS编码表现明显优于RS编码,但在更高的数据速率时BS编码有明显的恶化而未能实现基准性能。

从图1.1、图1.2和图1.3可以看出,使用BC能在底SIR(分别等于-16dB和-8dB)和半码速率条件下达到基准PER=0.01性能标准而3/4码速率在SIR=0dB也达到基准性能。因此可以得出结论:半码速率的BS编码比3/4码速率BS编码强一些。

RS编码在底数据传出率显的比较差,当SIR在最低值时未能达到基准性能(见图1.1～图1.4)。

4 结论

总体来说如果WLAN设备目标环境是高数据速率(比如超过54Mbps)环境而很可能要与BT共存,则设备制造商应该考虑使用RS coded OFDM来替代通常使用的BS coded OFDM。

摘要：使用WiFi(Wireless Fidelity)IEEE 802.11b/g协议的无线局域网(WLAN)技术已经成为PC和笔记本电脑的标准而正在快速扩散到PDA(Personal Digital Assistant)和其它便携式设备。与此同时,蓝牙作为耳机,麦克风连到各种个样的无线设备的串口线的替代品已经越来越普遍。这两种无线协议都工作于2.40至2.48GHzISM(工业,科学和医疗)射频带。WiFi使用12个带宽为22MHz重叠的频道其中一个,而蓝在带宽为79MHz范围跳频[3]。因此,无论WiFi正在使用哪个频道两个系统间会存在互相干扰和共存的问题导致数据吞吐量的降低。实现IEEE802.11 WLAN协议的设使用FEC(Foward Error Correction)纠错技术来减轻于其它无线网的干扰。在该文中,我们将对RS(Reed Solomon)编码与BS(Binary Convolutional)编码使用于解决WLAN于BT共存问题的相对有效性进行一个调查并作出结论。

关键词：无线局域网,蓝牙,RS,BS,干扰,共存

参考文献

[1]Ophir,L.,Y.Bitran,and I.Sherman.WI-FI(IEEE802.11)and bluetooth coexistence:Issues and solutions.2004.Barcelona,Spain:In-stitute of Electrical and Electronics Engineers Inc.,Piscataway,NJ08855-1331,United States.

[2]Anyaegbu,M.,Performance of Reed Solomon Coded IEEE802.11g Wireless LAN in a Bluetooth Environment,in School of Electronic and Electrical Engineering.2006,University of Leeds:Leeds.

[3]Performance of IEEE802.11WLANs in a Bluetooth environment Chiasserini,C.F.Rao,R.R.,Wireless Communications and Network-ing Conference,2000.WCNC.2000IEEE

IEEE802.11论文 篇7

本文基于OMNe T++平台[3]及INET框架[4]设计开发了IEEE 802.11g多用户智能天线系统仿真平台。OMNe T++是由布达佩斯大学通信工程系开发的一个开源的、基于组件的、模块化的开放仿真平台, 提供了一个离散事件仿真环境, 仿真的推进由消息来驱动。该平台采用C++和NED语言编写, 前者定义了基本模块, 后者实现了基本模块的组合并形成仿真网络。INET框架提供了常见的协议模块, 例如以太网、802.11等等。

本文的802.11g多用户系统仿真平台扩展了INET框架中的802.11g协议模块, 引入实际的物理层多天线链路信号处理单元, 能够进行802.11g上下行的多用户智能天线系统仿真。以下对本平台的具体设计进行介绍。

1 802.11g多用户系统仿真平台概述

1.1 系统仿真总体流程

系统仿真平台根据OMNe T++的设计思想进行开发, 其模块化的设计方式便于维护和扩展。平台中的网络实体包括一个AP以及若干个Hosts, 在AP和Hosts中都包括链路层 (MAC) 和物理层 (PHY) , 同时也有相应的信源 (Application) 和信宿 (Sink) 模块。需要指出的是, 本平台在系统仿真中嵌入了链路级处理, 平台中将系统级处理和链路级处理分开, 接口设计在物理层, 其接口模块为Ieee80211Radio Model SA (详见下文介绍) , 该模块负责实现系统级和链路级的接口, 从系统级模块中获取链路处理信息 (如包格式、信噪比、信号干扰功率比等等) , 再传递给链路处理模块进行数据包的发送生成和接收检测。

图1 给出了系统仿真上行处理的流程, 其中左半部属于系统仿真处理, 右半部属物理层链路信号处理。Hosts的应用层产生数据包, 经过链路层和物理层的处理后, 由AP接收并到达AP的信宿, 总体控制由Channel Control模块完成, 而物理层多天线链路的信号处理则通过接口模块完成。

1.2 系统仿真平台模块

系统仿真网络实体包括一个AP以及若干个Hosts, 分布在网络场景中的特定位置。另有一个全局的Channel Control模块用于节点间的无线空口数据包的广播分发。仿真场景如图2 所示。

AP和Hosts的内部结构如图3 和图4 所示, 二者具有类似的内部组成, 只有业务源模块不尽相同, 其中:

“wlan”:是网络实体的核心模块, 实现了MAC和PHY的功能;

“clisa”及“cli”:分别对应AP和Hosts中的业务源。该业务源以一定的速率产生数据包并发送给“wlan”。二者的不同在于Hosts中的业务源只产生一种信宿的数据包, 该信宿就是AP;而AP中的业务源会产生对应于多个Hosts的多个信宿的数据包。

“sink”:信宿, 对成功接收到的数据包进行统计并得到吞吐率。

“mobility”:节点移动性管理模块, 在本平台中用来配置节点的地理位置。

“notification Board”:通知消息分发模块, 用于节点内部的消息通知, 例如物理层的radio状态, 信道空闲状态等等。

“wlan”模块的组成如图5 所示, 仿真中涉及到的主要是其中的“mac”和“radio”模块, 分别对应MAC层和PHY层的功能实现。

上述模块与模块之间有一定方向的箭头进行连接, 每个连接都表示一个消息传递的方向。例如, mac模块和radio模块之间存在双向连接, 既实现MAC层向PHY层的数据下发, 也实现PHY向MAC的数据上报;而radio模块只有单向的箭头, 用来接收信道传递的空口数据, 而其发送的过程则是通过网络中全局的Channel Control模块对所有节点进行广播。

OMNe T++是采用消息驱动的仿真机制, 业务源产生的数据包就是一种特定的消息, 只要有数据包不断的产生, 仿真就能够不断的向前推进, 直到用户设定的仿真时间到达为止。

2 系统仿真平台功能特性

本平台支持的链路层和物理层的关键特性如下:

(1) 802.11 协议的CSMA/CA竞争机制:采用INET中的有限状态机, 其状态转换如图6 所示。

3 系统仿真平台实现

平台中各个模块的核心功能采用C++代码实现。下面将给出平台中的MAC层、物理层、信源以及数据包的具体实现。3.1 仿真平台MAC层实现

平台中Ieee80211Mac SA类是MAC层的实现, 该类继承自INET框架中的Ieee80211Mac, 用于MAC层的处理。其处理方法沿用了INET框架自带的MAC处理模块, 重写了handle With FSM (c Message *msg) 方法, 以简化ACK接收处理。MAC的类继承关系如图7 所示。

3.2 仿真平台PHY层实现

物理层的关键特性在仿真平台中分为两个层次实现。第一层次是Radio SA类, 继承自INET框架的Radio类, 用于处理上下层的消息收发逻辑、自定义的干扰生成、发送数据包的封装、接收机的解调信息预处理等等;第二层次是Ieee80211Radio Model SA类, 继承自INET框架的Ieee80211Radio Model类, 用于物理层的实际信号处理, 提供系统仿真平台与链路处理代码之间的接口, 传递发送和接收数据流并返回解调结果。物理层的类继承关系如图8 所示。

3.3 仿真平台信源实现

信源模块在Ether App Cli类和Ether App Cli SA类中实现, 前者是INET自带的信源模块, 配置于Host的应用层, 后者继承自Ether App Cli, 配置于AP的应用层。信源模块用于数据包的生成, 是仿真的原始驱动力。与原INET自带的信源模块Ether App Cli相比, 本平台扩展后的Ether App Cli SA模块通过重写initialize () 初始化函数以及其他相关的消息处理接口, 可支持多个信宿的数据包同时生成, 使得AP可以向多个Host同时发送数据包, 便于仿真下行的网络性能。类继承关系如所示。

3.4 仿真平台数据包实现

仿真平台中的数据包本身也是消息的一种, 因此带有消息的一切特征。在INET框架中自带的物理层数据包是AirFrame, 为了支持链路信号处理, 需要对其进行扩展, 在数据包中增加实值的数据流符号。本平台的Air Frame SA类继承自Air Frame, 在其中增加了类型为System指针的sys Tx成员, 保存发送时经过编码、调制、模数转换以及采样处理之后的实值数据流符号, 接收机在收到数据包后便可以对符号流进行相应的信号处理。数据包的类继承关系如图10 所示。

4 结语

本文基于OMNe T++平台和INET框架, 设计了用于IEEE802.11g系统协议的多用户多天线系统仿真平台, 该平台采用模块化方式设计, 将系统仿真处理与链路多天线信号处理通过一定的接口耦合, 保证了仿真的精确性。该平台能够提供系统吞吐率、时延性能分析, 可作为无线局域网性能评估的有效的分析工具。

参考文献

[1]IEEE Std 802.11g-2003.Part 11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, FurtherH igher Data Rate Extension in the 2.4 GHz, 2003

[2]IEEE Std 802.11a-1999.Part 11:wireless LAN medium accesscontrol (MAC) and physical layer (PHY) specifications:High-speedphysical layer in the 5 GHz, 1999

[3]OMNe T++Discrete Event Simulator, https://omnetpp.org/