無線局域網(wǎng)WLAN中MAC層和PHY層

1、WLAN中MAC子層接入技術(shù)的研究在WLAN中完成該功能的是數(shù)據(jù)鏈路層DLC的介質(zhì)訪問控制MAC子層?？梢哉f，WLAN的網(wǎng)絡性能完全取決于MAC子層的接入?yún)f(xié)議。所以，制定適當?shù)腗AC子層規(guī)范，根據(jù)網(wǎng)絡業(yè)務特征有效地配置信道資源，提高無線資源的使用效率，提高系統(tǒng)的容量和傳輸質(zhì)量，是未來WLAN研究的重要課題。一.引言: 移動計算網(wǎng)絡的解決方案可以分為兩種：廣域方案和局域方案。廣域方案主要是依靠無線蜂窩數(shù)據(jù)通信網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)作為移動計算的物理網(wǎng);而局域方案WLAN由于具有更高的傳輸速率和更低的通信成本，可作為有線局域網(wǎng)LAN的擴展和替代，而顯得格外的引人注目。 WLAN都以多路復用信道作為通信的基

2、礎(chǔ)，這樣與采用點到點連接的網(wǎng)絡相比，存在一個關(guān)鍵的技術(shù)問題：當信道的使用產(chǎn)生競爭時，如何分配信道的使用權(quán)。在WLAN中完成該功能的是數(shù)據(jù)鏈路層DLC的介質(zhì)訪問控制MAC(medium access control)子層?？梢哉f，WLAN的網(wǎng)絡性能(吞吐量、時延等)完全取決于MAC子層的接入?yún)f(xié)議。所以，制定適當?shù)腗AC子層規(guī)范，根據(jù)網(wǎng)絡業(yè)務特征有效地配置信道資源，提高無線資源的使用效率，提高系統(tǒng)的容量和傳輸質(zhì)量，是未來WLAN研究的重要課題。二. MAC接入機制的分類 MAC層的中心論題是相互競爭的用戶之間如何分配信道資源。多個終端共享同一信道資源的方法稱為信道接入方式，或稱多址方式。在無線局域

3、網(wǎng)中MAC子層常用的多址機制可以分為以下三類：1.隨機競爭類，如Aloha系列。隨機競爭類的協(xié)議一般使用公共信道，連接在這條信道上的終端都可以向信道發(fā)送廣播信息。如果終端需要發(fā)送，它以某種方式競爭信道的使用權(quán)，一旦得到使用權(quán)立即發(fā)送，所有的終端都能接收到發(fā)自任一終端的信息，如果檢測到是發(fā)給自己的就接受，否則拋棄。2.按需分配類(或稱預約類、無競爭類)，如token ring等。這種方法的原則是網(wǎng)絡按某種循環(huán)順序詢問每個終端是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，如果有則立即發(fā)送，否則網(wǎng)絡立即轉(zhuǎn)向下一個終端。輪詢的特點是各分站可以公平地獲取信道訪問控制權(quán)，適用于通信業(yè)務量隨時間變化，且這種變化又難以預測的情況。這種多址

4、方式操作簡單易于實現(xiàn)，在一般的實時分布式測控系統(tǒng)中獲得了廣泛應用。3.固定分配類，如FDMA、TDMA、CDMA等。它們的原則是把共享的一條信道分割成若干個相互獨立的子信道，每個子信道又分配給一個或多個用戶專用。 以上三類多址接入技術(shù)分別適用于不同的通信業(yè)務。對于以話音業(yè)務為主，通信量穩(wěn)定的網(wǎng)絡，固定分配類可以提供可靠的服務,同時又保持很高的信道利用率。按需分配類，不存在信息的碰撞，但是通常需要一個專用信道，所有的用戶在該信道上以固定分配或隨機接入的方式提出呼叫申請，適用于通信業(yè)務量隨機變化且難以預測的情況。固定分配和按需分配適合于對實時性要求高的業(yè)務，而隨機競爭類更適用于間歇性工作的用戶發(fā)送

5、非時延敏感性的業(yè)務。三.各類多址方式的優(yōu)劣淺析 固定分配方式如時分多址(TDMA)和頻分多址(FDMA)等，固定地將信道劃分為不同的子信道分配給各個用戶。這種分配方法是面向信道的，適用于比較連續(xù)的流業(yè)務，如語音業(yè)務，而當用戶不發(fā)送信息時，分配給它的信道將白白浪費。 CDMA是固定分配方式和隨機分配方式的結(jié)合，它有著一些顯著的優(yōu)點，如零信道接入時延，帶寬利用率高和良好的統(tǒng)計復用特性，而且使用CDMA技術(shù)能夠在很大程度上降低隱藏終端問題的影響。但是它的缺點是傳輸速率限制和基站復雜性高。 隨機接入方式是一種競爭方式的多址接入技術(shù)，適合于強突發(fā)性業(yè)務，ALOHA是一種簡單的隨機接入方式，當業(yè)務量較重時

6、，容易發(fā)生業(yè)務流碰撞。而載波偵聽多址訪問CSMA技術(shù)使整個信道帶寬為所有用戶共享，只有當信道空閑時，才允許用戶發(fā)送信息，這種方式降低了碰撞發(fā)生的概率。而CSMA/CA將時間域的劃分與幀格式緊密聯(lián)系起來，保證某一時刻只有一個終端發(fā)送，實現(xiàn)了網(wǎng)絡系統(tǒng)的集中控制。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(Request To Send/ Clear To Send)短信息握手機制。像多址接入沖突預防協(xié)議MACA(Multiple Access Collision Avoidance)、MACAW(MACA的改進型)、FAMA(Floor Acq

7、uisition Multiple Access)等主流的MAC子層協(xié)議都使用了RTS/CTS短分組。 按需分配方式為用戶保留了帶寬，用戶考慮到自己對帶寬的需求向網(wǎng)絡提供明確信息。網(wǎng)絡根據(jù)用戶業(yè)務的數(shù)據(jù)長度分配帶寬，當用戶處于空閑期時，分配給該用戶的帶寬將分配給其它的用戶。通過按需分配帶寬，網(wǎng)絡帶寬資源的浪費減少到最小，也沒有由于資源競爭而浪費的帶寬以及由此產(chǎn)生的時延，從而可以達到很高的信息吞吐率。一種簡單的按需分配方式是由中央控制器輪流詢問各個用戶，當用戶需要發(fā)送信息時，由中央控制器分配帶寬，這就要求中央控制器的穩(wěn)定性相當高。 必須指出，多址方式還與網(wǎng)絡的通信方式密切相關(guān)。預分配方式或爭用方

8、式對點對點(只有一個目的終端)的通信方式較適用，但單純的爭用方式對廣播型(有多個目的終端)的通信方式并不適用，因為一次爭用信道，難以保證多個目的終端都能順利接收，但若采用爭用和預約相結(jié)合的辦法就可行了。總而言之，一種好的MAC子層協(xié)議應在以下方面達到折中：1.公平、有效地分享帶寬資源;2.獲得盡可能高的吞吐量;3.時延盡可能的小。四.當前幾種主流WLAN系統(tǒng)的多址接入機制。1.802.11 802.11是IEEE(Institute of Electronic and Electrical Engineers)于97年推出的WLAN的協(xié)議標準， 該標準考慮了兩種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡BSS

9、和獨立網(wǎng)絡IBSS。BSS是IEEE 802.11結(jié)構(gòu)的基本功能模塊，它覆蓋的地理區(qū)域類似于蜂窩通信網(wǎng)中的蜂窩。在BSS內(nèi)，任一終端可與任一其它終端直接建立通信過程。每個BSS中有一個終端作為接入點AP接入分布系統(tǒng)DS，并通過DS與其他BSS相連，形成擴展業(yè)務群ESS，也可以通過DS和PORTAL與其他有線LAN相連。而IBSS是由BSS內(nèi)的一組終端組成，是完全無中心的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。802.11的MAC層的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示： 其中，DCF是無線網(wǎng)絡對共享媒體的一種訪問控制功能，其核心是CSMA/CA，包括載波檢測(CS)機制、幀間間隔(IFS)和隨機退避(random back-off)規(guī)程。對

10、802.11而言，網(wǎng)絡中所有的終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時，都要按照CSMA/CA的媒體訪問方法接入共享媒體，也就是說需要發(fā)送數(shù)據(jù)的終端首先要監(jiān)聽媒體，以便知道是否有其它終端正在發(fā)送。如果媒體不忙，則可以進行發(fā)送處理，但不是馬上發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而是由CSMA/CA分布算法，強制性地控制各種數(shù)據(jù)幀相應的時間間隔(IFS)，只有在該類型幀所規(guī)定的IFS內(nèi)媒體一直是空閑的方可發(fā)送。如檢測到媒體正在傳送數(shù)據(jù)，則該終端將推遲競爭媒體，一直延遲到現(xiàn)行的傳輸結(jié)束為止。在延遲之后,該終端要經(jīng)過一個隨機退避時間重新競爭對媒體的使用權(quán)。退避時間的設置：退避時間按下面的方法選擇后，作為遞減退避計數(shù)器的初始值。退避時間=INTCW&

11、#215;Random( )×Slot TimeCW(競爭窗)：在MIB中CWminCwmax中的一個整數(shù);Random( )：01之間的偽隨機數(shù);Slot Time：MIB中的時隙值。 關(guān)于競爭窗CW參數(shù)的選擇，初始值為CWmin，如果發(fā)送MPDU不成功，則逐步增加CW的值，直到CWmax，呈指數(shù)增加，以適應高負載的情況。具體過程如下：1).檢測到媒體空閑時，退避計時器遞減計時;2).檢測到媒體忙時，退避計時器停止計時，直到檢測到媒體空閑時間大于DIFS后重新遞減計時。3).退避計時器減少到0時，媒體仍為空，則該終端就占用媒體。4).退避時間值最小的終端在競爭中獲勝，取得對媒體的訪

12、問權(quán);失敗的終端會保持在退避狀態(tài)，直到下一個DIFS。5).保持在退避狀態(tài)下的終端，比第一次進入的新終端具有更短的退避時間，易于接入媒體。 CSMA/CA的基礎(chǔ)是載波偵聽，802.11根據(jù)WLAN的媒體特點提出了兩種載波檢測方法。一種是基于物理層的載波檢測CS，從接收射頻或天線信號檢測信號能量或根據(jù)接收信號的質(zhì)量來估計信道的忙閑狀態(tài);另一種是虛擬CS方式，通過MAC報頭或RTS/CTS中的NAV來實現(xiàn)。只要其中之一指示媒體正在被使用，媒體就被認為已處于忙狀態(tài)。 以CSMA/CA為基礎(chǔ)的分布協(xié)調(diào)功能(DCF)是MAC的基本訪問方式，DCF只能提供競爭型的異步業(yè)務，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r較大。為了能提供

13、限時服務，MAC協(xié)議還提供了一種不適用于IBSS，用戶可按需選擇的點協(xié)調(diào)功能PCF的訪問方式。PCF建立在DCF基礎(chǔ)上，由BSS內(nèi)接入點AP的中心控制器來決定當前哪一個站有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)。PCF通過DCF以較高的優(yōu)先級來競爭媒體，訪問媒體的優(yōu)先級別是以不同的IFS的長短來決定的。PCF用較短的PIFS，使PCF的業(yè)務優(yōu)先訪問媒體。PCF不象DCF那樣，每個終端用CCA( Clear Channel Assessment )和隨機退避來競爭信道，而是點協(xié)調(diào)器用信標幀BF(Beacon Frame)定義無競爭期CFP來獲得信道，BF是以一定規(guī)則間隔發(fā)送的定時信息幀。BSS內(nèi)的所有終端在每一個CFP的開

14、始，設置它們的網(wǎng)絡配置矢量NAV，告訴所有的終端在該NAV內(nèi)要延遲接入媒體。工作在PCF的BSS中的所有終端都能接收到PCF控制下發(fā)送來的所有的幀，也能夠?qū)c協(xié)調(diào)器發(fā)送的無競爭輪詢CF-Poll 作出響應。被輪詢終端在CPF內(nèi)不使用RTS/CTS，它只發(fā)送一個可達任何目的終端的MSDU，且可以接收到來自下一幀的確認應答。如果數(shù)據(jù)幀不被應答，則CF-Pollable終端將不重發(fā)該幀，除非它再一次被點協(xié)調(diào)器輪詢或它決定在競爭期間重發(fā)。同樣，點協(xié)調(diào)器也不對未確認幀進行重發(fā)，它在下一個CFP內(nèi)根據(jù)注明在輪詢表表頭的終端識別號SID重發(fā)未應答的幀。 如果一個CF發(fā)送幀的目的終端不處于無競爭輪詢狀態(tài)，則該

15、終端按DCF應答規(guī)則應答此次發(fā)送，且點協(xié)調(diào)器在恢復CF發(fā)送之前要等待一個PIFS，再控制媒體。點協(xié)調(diào)器可單獨使用無競爭幀向BSS內(nèi)的終端發(fā)送，無需詢問。由于PCF具有優(yōu)先接入媒體的優(yōu)勢，點協(xié)調(diào)器可在媒體空閑時占有媒體，進入無競爭期，采用輪詢方式在BSS內(nèi)各站來發(fā)送數(shù)據(jù)幀。因此，PCF具有較小的延遲，能促進網(wǎng)絡吞吐量最佳化，更好的支持無競爭的限時業(yè)務，如語音、話音、視頻或多媒體業(yè)務等。2.HIPERLAN/2 HIPERLAN/2是歐洲通信標準協(xié)會ETSI(European Telecommunications Standards Institute)主推的歐洲標準。HIPERLAN/2無線接口

16、采用的是基于時分雙工TDD和動態(tài)時分多址TDMA，所謂動態(tài)即是由接入點AP配置無線資源并動態(tài)調(diào)整MAC幀各部分的結(jié)構(gòu)比例，動態(tài)分配信道，以達到資源的最佳利用。其協(xié)議站結(jié)構(gòu)如下圖： HIPERLAN/2的基本MAC 幀具有2ms的固定時長，它包括廣播信道BCH、幀信道FCH、接入反饋信道ACH、隨機接入信道RCH等傳輸信道。其中，BCH的時長是固定的，每扇區(qū)一個，其他信道的時長則根據(jù)當時的通信情況動態(tài)變化。廣播信道BCH下行傳播有關(guān)傳輸功率級別、喚醒指示器、FCH和 RCH的起始點和長度等信息。幀控制信道FCH詳細描述在當前的MAC幀中資源的分配情況。訪問反饋信道ACH傳輸與前一幀的RCH相關(guān)的

17、應答信息。MT用隨機信道RCH向AP請求分配上行或下行傳輸資源，并傳輸某些RLC 信令信息。每扇區(qū)至少要保證擁有一個RCH，若MT發(fā)來的RR(Resource Request)增加，AP將分配更多的資源給RCH。這些控制信息通過MAC幀進行發(fā)送并且到達所有的MT，MT一直監(jiān)聽并處理來自BCH和FCH的信息，當它嘗試接入RCH后，也要監(jiān)聽相應的ACH，以獲得RG(Resource Grant)。 MT接入RCH的過程是由競爭窗CWa來控制的。第一次接入之前，要產(chǎn)生一個數(shù)字a，并將其置為零。初次嘗試： a=0 CW0 = n256 2a256重發(fā)： a1 CWa = 2a n<2a256n

18、n2a 當在RCH信道進行第a次重發(fā)時，要在1, CWa之間隨機選擇一個參數(shù)ra(若a=0，則ra=1)，然后，MT開始計算MAC幀的RCH的數(shù)目，當數(shù)到第ra個RCH時，MT接入該RCH。若接入成功，a重新置零，以備下次嘗試接入再用;若接入失敗，AP就通過下一幀的ACH告訴MT發(fā)生碰撞，則a=a +1，再重復以上步驟。 AP為了控制資源配置，需要知道自身緩沖區(qū)和MT緩沖區(qū)的配置，因此，MT在RR中要說明自己的緩沖區(qū)狀態(tài)，并根據(jù)傳輸能力來請求資源分配。AP根據(jù)緩沖區(qū)的狀態(tài)和所有的RR信息，按需考慮服務質(zhì)量要求，并公平的分配資源。若RR發(fā)送成功，AP就通過下一幀的ACH告訴MT發(fā)送成功并通過FC

19、H來安排一幀內(nèi)的詳細的資源分配，例如MT應該發(fā)送和接收的時隙。MAC幀結(jié)構(gòu)下圖所示。3. HomeRF 家庭射頻HomeRF技術(shù)是對現(xiàn)有無線通信標準的綜合和改進，無繩電話技術(shù)DECT(Digital Enhanced Cordless Telephone)和WLAN技術(shù)相互融合構(gòu)成HomeRF采用的共享無線應用協(xié)議SWAP(Shared Wireless Access Protocol)。SWAP采用TDMA+CSMA/CA方式，適用于小范圍內(nèi)的多種傳輸業(yè)務類型，并且能夠與公眾交換電話網(wǎng)PSTN和互聯(lián)網(wǎng)進行交互式操作。HomeRF把業(yè)務類型分為三種：交互式語音及其它實時業(yè)務、高速分組數(shù)據(jù)和有優(yōu)

20、先級的流媒體業(yè)務，并根據(jù)業(yè)務的不同要求采用不同的接入機制。對實時性要求不高的數(shù)據(jù)業(yè)務采用CSMA/CA機制，獲得除為話音預留時隙之外剩余時隙的使用權(quán)，其接入方式與802.11中的DCF相一致。而對實時性要求較高的同步全雙工均衡語音服務完全以DECT規(guī)范為基礎(chǔ)，采用TDMA方式和分組預約話音插空技術(shù)以進一步提高網(wǎng)絡容量，滿足對時延的要求。而對實時性要求介于兩者之間的流媒體業(yè)務則采用了UDP/IP協(xié)議，規(guī)定了高級別的優(yōu)先權(quán)并采用了帶有優(yōu)先權(quán)的重發(fā)機制，可隨時占用數(shù)據(jù)信道資源，這樣就確保了實時性流媒體業(yè)務所需的帶寬和低干擾、低誤碼。SWAP最多可以同時支持8個工作在單工、雙工及多播等多種方式的流媒體

21、業(yè)務。HomeRF的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如下圖所示。 TDMA傳輸?shù)恼Z音數(shù)據(jù)需要一個非常規(guī)則的時隙信道，而CSMA/CA機制則以一種不確定的方式搶占時隙，處于競爭狀態(tài)。為了在20ms內(nèi)支持以上兩種數(shù)據(jù)類型的傳輸，SWAP協(xié)議規(guī)定了兩種幀結(jié)構(gòu)以滿足不同業(yè)務類型的需求。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。一種是20ms的超幀(Superframe)，另一種是10ms的子幀(Subframe)，AP根據(jù)是否有語音服務而決定采用哪種幀結(jié)構(gòu)。當網(wǎng)絡中只有數(shù)據(jù)業(yè)務時，HomeRF將使用超幀，在一個跳頻點上的通信時間為20ms，并且采用異步方式。當網(wǎng)絡中有語音業(yè)務時，此時采用10ms的子幀，并增加了一個標志位以同步方式進行通信。無論在哪種幀結(jié)構(gòu)中，大部分的時隙會留給異步數(shù)據(jù)通信，同時根據(jù)激活的話音信道數(shù)目，動態(tài)的為語音業(yè)務預留一部分資源，HomeRF最多可同時支持8路全雙工語音通信，而當有剩余