WLAN第4章无线局域网媒体访问控制协议.ppt

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1、第四章 无线局域网的媒体 访问控制协议,吉林大学 通信工程学院 姜 宏,媒体访问控制(MAC)是局域网的关键技术之一，局域网的网络性能(如吞吐性能与迟延性能)完全取决于所采用的MAC协议。本章介绍媒体访问控制的基本知识，重点讨论适宜于无线通信的随机竞争类媒体访问控制协议的原理及其分析方法，最后介绍IEEE802.11标准的MAC协议DFWMAC（基于分布式的无线媒体访问协议）。,第一节 概 述 本节叙述媒体访问控制协议的基础知识，给出媒体访问控制的分类以及描述、分析这些控制方法的性能参数与模型。一、多路复用与多址接入多路复用技术:在一个固定频段或时间段上实现多个子信道的技术称为复用技术(Mul

2、tiplexing)。主要有FDM（频分复用）、TDM（时分复用）多址接入技术:多个站共享同一物理链路进行通信的技术称为多址接入(Multiple Access)技术。涉及多址信道的分割、接入方式、分配策略、控制机制等。,多址接入的核心问题: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分配信道的使用权，这就是媒体访问控制（MAC，Medium access control）技术。MAC协议：定义以一定的顺序和有效的方式分配站点访问媒体的规则，MAC协议是MAC技术的基本内容。MAC协议的分析常用多址接入协议的排队论模型。例如：M/D/1,二、MAC协议可分为以下三

3、类：(1)固定分配类，如FDMA、TDMA、CDMA等；(2)随机竞争类，如Aloha，CSMA等；(3)按需分配类(或称预约类、无竞争类)，如：Token Ring,PRMA,DAMA等。1固定分配类MAC协议 目前主要有三种多址接入方式实现固定分配类MAC协议：即频分多址接入(FDMA)、时分多址接入(TDMA)及码分多址接入(CDMA)。这三种多址接入方式的原则是把共享的一条信道(或线路)分割成若干个相互独立的子信道，每个子信道又分配给一个(或多个)用户站点专用。,FDMA是在频域上把给定的频段分割成若干个子频段，每个频段表示一个子信道，不同信道在频率轴上是不重叠的；TDMA适合于点对点

4、通信方式是在时域上划分子信道，每个子信道使用不同的时隙，虽然不同子信道在时间轴上互不重叠，但在频率轴上可能重叠；CDMA既不在频域上也不在时域上划分子信道，而是在伪随机码上区分各子信道。选择一组适当的伪随机码，使其相关特性具有良好的正交性，就可用一个伪码来代表一个子信道，这些子信道在频域上和时域上都是重叠的。固定分配类MAC协议适用于实时性要求高的业务或连续的流业务（语音、视频）以及通信量稳定的网络。,2随机竞争类MAC协议 随机竞争类MAC协议使用的传输媒体一般是广播式信道，连接在这条广播信道上的节点都可以向信道发送广播信息。如某节点有信息需要发送，它将以某种方式竞争信道使用权，一旦得到使用

5、权便将信息发送出去；所有的节点都能接收到任一节点发送的信息，如果检测出是发给自己的则接收下来，否则丢弃。站点竞争接入信道，当多个站点尝试发送时，会发生碰撞(Collision)，采用碰撞分解算法（CRA）解决。随机竞争类MAC协议如:Aloha,CSMA/CD,CSMA/CA等。适合间歇式工作的用户发送非时延敏感性的突发业务（IP业务，文件传送业务）。,3按需分配类MAC协议 网络按某种循环的顺序询问每个节点是否有数据发送，如果有数据，则立即发送，否则网络转向询问下一个节点。依询问方式不同，这种方法又可分为集中式控制和分布式控制两种类型。在集中式控制方法中，网中存在一个中心站，由该站完成对网中

6、各节点的询问控制过程。在分布式控制方法中，网中各节点都有责任按某种确定的规则对询问控制过程进行管理。常见的按需分配类MAC协议如：Token Ring（令牌环）,PRMA(分组预约多址接入),DAMA等。这种协议特别适用于环形拓扑的网络结构。由于它可保证最大传输时延的要求，故适用于通信业务量随时间变化且难以预测的情况和对时延要求高的网络业务环境。,以上三类多址接入技术分别适应不同的通信业务:固定分配类和按需分配类适合于如话音、视象等对实时性要求高的通信业务，而随机竞争类更适合于如文件传送等突发性数据业务。固定分配类和随机竞争类适合于点对点通信方式，按需分配类适合于点对多点通信方式。,三、多址接

7、入信道模型 1.广播信道 满足以下条件的信道称为具有N个用户站的广播信道：(1)N个用户站直接挂在该信道上；(2)任一用户站发出的信号可被所有其它站直接收到；(3)信道是半双工的，当且仅当同时只有一个站向信道发送信号时，其它站才能正确收到该信号。下图给出了广播信道模型：,2帧的生成 每个挂在信道上的站各自独立地产生欲发送的数据，这些数据被装成一个一个的帧，然后送到发送缓冲区。并且帧的到达服从泊松分布。,单位时间平均到达帧数。若满足：1)不随时间变化；2)某一帧的到达并不影响其后续帧的到达；3)在任意小的时间段t内到达的帧数要么等于，要么等于。可以证明，对泊淞分布而言，在时间（,t）内到达k个帧

8、的事件概率Pk(t)由下式给出：令a(t)为帧到达时间的概率密度函数，则由上式：,3站的构成与操作 假设挂在信道上的所有的站都具备同等硬件及软件功能，站的个数为N。各站产生的帧首先送入一个先进先出（FIFO）发送缓冲区。如果产生的帧没有设定优先级别，先进入缓冲区的帧先被送往信道发出。4信道质量 实际的信道必然引起传输错误，通常用误比特率BER来衡量信道的质量。在分析MAC协议时，为了简化对多址接入方法的评价分析，假设信道是理想的无差错信道。,5传输碰撞 当两个以上的帧同时被送往信道，这些帧将在时间上重叠，这种现象为帧的“碰撞”。发生碰撞的帧在其碰撞部分信号将破损，其中的数据将丢失。分为整帧碰撞

9、和部分碰撞。在信道是理想的假设条件下，碰撞是唯一引起帧传输错误的原因。当某一帧被发出后，如果信道上不发生碰撞，该帧将成功地到达目的站。在发出碰撞的时间段，数据被丢失，信道处于浪费状态。某一帧发生碰撞或传输错误时，发送站要按照某种算法把该帧重发。对不同的MAC协议，按排重发的机制也不同。,四、有关MAC协议的几个重要性能指标下面引入几个描述MAC协议性能的指标：吞吐量、总业务量、平均传输迟延、公平性和稳定性。1.吞吐量(S)当在信道上发生传输碰撞及传输错误时，必然导致帧的丢失，这时信道时间被浪费。显然，信道时间浪费的程度可反映MAC协议的优劣。单位时间内在信道上成功传输的信息量定义为吞吐量。假设

10、帧长为固定长度l比特，单位时间内成功传输的帧数为n，则吞吐量可表示为nl(bps,比特/秒)。用信道传输速率R(bps)对吞吐量归一化，归一化的吞吐量由S表示，即：S=nl/R=nT 这里，T=l/R为每帧在信道上的发送时间。一般，0 S 1。,如果在信道上帧不发生碰撞，且帧间隙为的话，信道将被最大限度地使用，这时nl=R，即吞吐量S1。相反，如果信道上所有的帧均发生碰撞，成功传输的帧数n=0的话，吞吐量达最小值S0。2.总业务量(G)把欲进入信道要求传输的帧分为两类：一类是各站新产生的帧；另一类是由于碰撞或其它传输错误要求重传的帧。把信道上所有的站在单位时间内要求传送的帧的信息量称为信道的总

11、业务量。显然总业务量等于单位时间内新产生帧的信息量与重传帧的信息量之和。与吞吐量类似，用信道传输速率对总业务量归一化，归一化的总业务量用符号G表示。,3.平均传输迟延(D)某一帧从进入缓冲器的时刻开始，到成功地到达目的站接收缓冲器的时刻为止的一段时间，称为该帧的传输迟延。如果某帧被成功地传输时，其迟延时间等于获得信道使用权所需等待时间+该帧在信道上的传输时间(即T)。如果发生碰撞或传输错误，迟延时间还包括由于重传带来的迟延时间。由于每帧的传输迟延可能不同，一般取一帧的平均传输迟延做为帧迟延的量度，归一化平均传输迟延用符号D表示,D=1.假设每帧从一产生就立即被发送到信道(发送等待时间为零)，并

12、且一定一次发送成功，如果忽略信号在信道上的传播时延，则平均传输迟延最小，即D=1。通常随着总业务量G的增加，发送等待时间及重传迟延会增大，导致平均传输迟延增大。,.公平性（Fairness）对任何要接入信道的用户无倾向性，各个用户公平地共享信道资源和带宽资源。5.稳定性（Stability）由于协议存在开销，系统可以处理比信道最大传输容量大得多的连续源负载。,一种好的MAC协议应在下述方面达到折衷：公平、有效地分享宝贵的带宽资源；获得尽可能高的吞吐量；迟延尽可能小。,吞吐量特性与迟延特性 对一个给定的MAC协议，我们用吞吐量总业务量关系，即SG关系来表示吞吐量随总业务量的变化关系，该关系称为吞

13、吐特性或吞吐量性能。理想的SG关系应为：S=G(G=1)当G小于信道传输速率时，在理想情况下S=G；而当G大于等于信道传输速率时，因为吞吐量不可能大于信道传输速率，故理想的吞吐量S1。在实际情况下，如对随机竞争类多址接入协议而言，当G较小时，S随G的增加而增大，但当G增加到一定程度时，由于帧的碰撞导致S减小，如果此时不采取措施减小G，则由于大量的重传帧和新产生的帧会使G急剧增大，最后使系统瘫痪，即S0。,另一方面，我们用平均传输迟延吞吐量关系来表征一个MAC协议的迟延特性。做为理想迟延特性的例子，如M/D/1排队模型。在这种排队模型中，帧的到达(即进入各发送缓冲器)时间间隔服从指数分布e-t，

14、以先来先出的顺序被发送，并且每帧在信道上的传输时间均为定值且一次传输成功。当S较小时，因为发送等待时间较小，故平均传输迟延也较小；当S逐渐增大时，由于帧在发送缓冲器内等待时间增加，平均传输迟延也增大。而在实际情况下，考虑到帧的重发及为获得信道而付出的开销，平均传输迟延将比M/D/1要大。,第二节 Aloha协议 Aloha协议是随机竞争类MAC协议中最简单、最典型的例子。随机竞争多址接入指如果同时有多个站要求发送，则使用相互竞争的方式争夺信道使用权。这样，不可避免的发生信道中多个帧的碰撞。随机竞争类MAC协议旨在制订竞争信道的规则，研究如何避免碰撞的方法，尽可能提高吞吐特性与迟延特性。典型的竞

15、争类MAC协议有Aloha、CSMA及BTMA等。这里只讨论Aloha协议。Aloha协议又分为纯Aloha、时隙Aloha、SREJ(选择拒绝)-Aloha、R-Aloha(预约)、CDMA-Aloha等。,一、纯Aloha协议1工作原理 纯Aloha协议是一种最简单的竞争型多址接入协议,按下方式工作：当任一站有帧进入其发送缓冲器要求发送时，该站不管信道是否忙，立即将该帧送入信道并发送（即发送等待时间为0）；当发送站检测出自己发送的帧与其它站发出的帧碰撞后，则发送站独立地延迟一个随机时间后再把该帧发送出去；如再发生碰撞，则重复以上过程，直至帧发送成功。,纯Aloha协议,2纯Aloha协议性

16、能-吞吐特性与迟延特性。（推导过程见笔记）(1)吞吐特性纯Aloha协议的吞吐特性很差，最大值仅达0.184。(2)迟延特性 平均传输迟延D的下限Dmin=e 2G。3、纯Aloha协议优缺点：优点：纯Aloha协议简单，不需要任何协调机制；缺点：负载较重时性能不稳定，吞吐量很低。4、纯Aloha协议的碰撞窗口CW：CW=2T，其中，T为帧长。,二、时隙Aloha协议1工作原理 时隙A1oha(Slotted Aloha)协议是纯Aloha的改进。在纯Aloha中，由于每个站都是立即把随机产生的帧发送出去，故从时间轴上看，每帧发送的时刻是任意的，这样导致纯A1oha的碰撞窗口CW为帧长时隙的2

17、倍。如果能设法使该碰撞窗口缩小，显然可使系统的吞吐特性得到改善。基于以上思路，对纯Aloha做如下修改:,限制帧的发送时刻，虽然帧的产生是随机的，但仅在某些确定的时刻才允许把它们发送出去。并且把信道传输时间按帧长T为单位分成一个一个的时间段，把每帧的发送时刻限制在每个时间段的起始时刻。把长度为T的时间段叫做一个时隙(Slot)。这就是所谓的时隙Aloha协议。,时隙Aloha协议,2时隙Aloha协议性能(1)吞吐量特性 吞吐量S的最大值Smax=Ge-G|G=1=1/e=0.368(2)迟延特性 平均传输迟延 D的下限Dmin=1.5eG3、优缺点：优点：时隙Aloha比纯Aloha的吞吐量

18、提高一倍；缺点：需要同步。4时隙Aloha协议的碰撞窗口：CW=T,三、SREJ-Aloha协议,为了解决卫星通信系统中系统把大量时间浪费在帧传输和确认等待上，使时延和吞吐特性变得很差的问题，提出SREJ-Aloha协议。把每个用户要传输的帧排成一列发送，每个帧有自己的分帧头；如果发生碰撞则只重发碰撞损失的帧。优点：传输迟延大大优于纯Aloha和时隙Aloha，吞吐特性介于纯Aloha和时隙Aloha之间。,四、预约 Aloha协议（R-Aloha）,R-Aloha是从时隙Aloha派生而来的，将时隙Aloha与TDMA相结合，进一步提高时隙Aloha的吞吐量。在R-Aloha中，时隙分为竞争

19、（Contention）期和非竞争（Contention-Free）期。在竞争期，用户用非常短的时隙来预约非竞争期，非竞争期用来传输长的消息时隙。使用帧结构，允许N个用户同时在一个信道上发射各自的消息。,预约 Aloha协议,五、CDMA-Aloha协议,多个用户采用不同的码字同时传输，只增加用户间的多址干扰，不影响同时传输成功；帧传输采用时隙Aloha。例如：Aloha+DS/CDMA 扩频Aloha（SAMA）,第三节 CSMA协议CSMA(Carrier Sense Multiple Access，载波监听多址接入)协议），是在Aloha协议的基础上发展起来的随机竞争类MAC协议，由于其

20、性能比Aloha大大提高且算法简单，故在实际中得到了广泛应用。一、CSMA协议的工作原理无论是时隙Aloha还是纯Aloha都不可避免地产生帧碰撞，是由于盲目发送引起的，即各站发送时不考虑目前信道是否已经有帧在发送。CSMA协议实现的思想：每用户发送前先监听信道状态，是否发送则根据信道的状态来决定。如当信道忙碌，则不急于发送，而是先退避一段时间再发送，这样显然减少了发送的盲目性，即“先听后说”。,用户1连续两次先侦听信道（空闲）后发送，用户2在用户1第二次发送时侦听信道（发现忙），采用一定的退避（Back Off）算法延迟后再处理。与Aloha相比减少了帧碰撞几率，但由于传播时延存在掩盖了正在

21、进行的发送，并不能完全消除碰撞。当两用户同时侦听到信道忙，他们退避后的发送时间又有重叠，也同样会造成碰撞。要求传播时延不能太长，适于局域网。,CSMA协议基本操作,载波监听：对于无线网络的一条广播信道来讲，如果信道上有帧存在，则每个用户都可监测到发送数据的载波，从而知道信道处于忙碌状态。这里所谓的载波是广义而言的：当采用基带传输方式时，这里的载波监测指对基带数据的监测；当采用窄带调制传输方式时，载波监测是指对调制载波的监测；当采用扩展频谱传输方式时，载波监测指对伪随机码的监测。,信号传播时延和监测到信道空闲后安排发送时机是影响CSMA吞吐特性的主要参数。在实际应用中，一旦传输媒体和最大传输距离

22、确定，则信号传播时延也就确定，其对CSMA协议性能的影响也是确定的。而发送时机受以下情况影响：(1)若监测到信道是空闲的，如何安排发送时机?(2)若监测到信道是忙碌的，是持续监测信道还是先退避一段时间后再监测?显然，对上述情况的处理不同，可获得不同的发送时机。通常，根据信道忙碌时是持续监测信道还是退避一段时间再监测把CSMA分为持续型CSMA和非持续型CSMA两类。,二、非持续型CSMA,非持续型CSMA可由下列算法描述：第一步：帧到达发送缓冲器，等待发送；第二步：监听信道，如果信道空闲，则发送帧，如信道忙碌，则选择随机时延t开始延时；第三步：延时结束后；转至第二步。这样做的好处是消除大量碰撞

23、。,非持续型CSMA,三、持续型CSMA 当信道忙碌时，持续型CSMA将持续监听信道，直至信道空闲。根据信道空闲后是立即发送，还是以概率p发送，又分为：1-持续CSMA p-持续CSMA,1-持续CSMA,1-持续型CSMA是CSMA技术的最简单形式。1-持续型CSMA可由下列算法描述：第一步：帧到达发送缓冲器，等待发送；第二步：监测信道，如果信道空闲，则（以概率1）发送帧，然后返回第一步；如果信道忙碌，则重新开始执行第二步。,1-持续型CSMA,p-持续型CSMA 对1-持续型CSMA协议而言，如果同时有两个以上的站监测到信道空闲，则必然导致碰撞发生。p-持续型CSMA将减小这种碰撞的可能性

24、。p-持续型CSMA可由下列算法描述：第一步：帧到达发送缓冲器，等待发送；第二步：监听信道，如果信道忙碌，则重新开始执行第二步；如果信道空闲，在0，1区间内选择一个随机数，若 p，则发送帧，然后返回第一步；否则，暂停监测信道，并开始延时；第三步：延时结束后；转至第二步。,p-持续型CSMA,四、Aloha与各种CSMA的性能比较 时隙非持续CSMA具有最大的吞吐量，但是在总业务量G较小时，1-持续CSMA及p-持续CSMA的吞吐量最大。选择合适的p值，可使p-持续CSMA的迟延特性最好。而当S值较小时，1-持续CSMA的迟延最小。无论是哪一种CSMA，其性能都比Aloha的性能有了显著的改善。

25、最大吞吐量Smax有时也被称做信道容量。随着传播时延增大，各种CSMA的Smax 都逐渐减小。从CSMA的工作原理也不难理解这一结论，因为传播时延增大，意味着碰撞窗口增大。在实用中依据实际的通信环境因素，如所用传输媒体、通信范围、业务量大小等，在CSMA的基础之上做些适当的改进，可以得到性能良好且实现简单的MAC协议，如CSMA/CD,CSMA/CA。,第四节 适用于无线传输媒体的MAC协议,资源有限信道为时变信道半双工操作突发信道错误依赖位置的载波侦听鲁棒性对透明公平性低功耗（节能）对移动性的支持,4.1 无线MAC协议面临的问题,无线媒体有着与有线媒体不同的特性，这将会对无线MAC协议带来

26、许多新的挑战。无线媒体是一个开放的共享的广播媒体，多个站点可以采用前述的媒体访问机制同时访问媒体。,依赖位置的载波侦听,在无线媒体中，由于多径传播的原因，信号强度的减少按照距离的指数规律变化。只有在发射机一定距离范围内的用户才能够侦听到信道上的载波。这种依赖位置的载波侦听会在协议中产生下列三种现象：隐藏终端（Hidden Terminal）暴露终端（Exposed Terminal）捕获效应（Capture Effect）,1.隐藏终端问题 在实际应用的无线网中，常常碰到“隐藏终端”问题。所谓隐藏终端问题，指由于地理障碍的影响，使网络中某些站接收不到其它站发射的信号，从而无法通信。隐藏终端位于

27、准备接收的站点范围之内，而在发送站点的范围之外。具体地讲,如图，隐藏终端指工作站B既在A的信号传播范围之内也在C的传播范围之内，而 C在A的信号传播范围之外，当A向B发送数据时，C由于未侦测到A的发送也向B发送数据，A和C同时向B发送数据而引起碰撞，所以，C的发送将干扰B的接收，对于节点A来说，节点C就是隐藏终端。当需要传送大文件时，尤其要杜绝隐藏终端问题。,隐藏终端问题的影响：隐藏终端问题是无线局域网比较棘手的一个问题。采用CSMA协议的无线通信网，由于隐藏终端问题将直接影响载波监测的结果，从而使系统性能恶化。相关文献研究了隐藏终端问题对各种CSMA吞吐性能的影响，其结果是随着隐藏终端数量的

28、增加CSMA的最大吞吐量将减小，当隐藏终端的比例达到总数的一半时，CSMA的吞吐性能介于纯 A1oha与时隙A1oha之间。,2.暴露终端问题暴露终端是与隐藏终端相对的现象，暴露终端在发射站点的范围之内但在接收站点的范围之外。如图，假设节点B准备向节点A发送，节点C可以听到B的发送，但当C侦听信道时认为信道忙而不发送。实际上节点C的发送并不到达A，因此也不干扰节点A的接收。理论上节点C可以同时与B范围之外的另一节点通信。在这种情况下，节点C对节点B来说是暴露节点。如果不尽可能避免暴露节点，频带将被浪费。3.捕获效应问题捕获效应也叫远近效应。当接收站可干净地接收两个（两个发送站都在接收站的接收范

29、围之内）同时发送的帧中的一个时将发生捕获效应。如图，当节点A和D同时向B发送时，由于D比A离B近，从D接收的信号强度比A要强，D发送的信号可被B无误接收，而A不能被B正确接收。捕获效应可以提高协议性能，但会带来带宽的不公平共享。特别在有AP的场合，离接收点AP较近的节点得到较大带宽。,在有线局域网中使用的IEEE 802.3 MAC标准协议是CSMA的改进型。IEEE 802.3 采用CSMA/CD(带碰撞检测的CSMA)协议，是在1-持续CSMA的基础上增加碰撞检测功能，从而使性能大大改善。CSMA/CD的实现思想如下：(1)当发送帧时，仍持续监测信道，一旦发现信道上发生了碰撞，则立即中止该

30、帧的发送；(2)当帧发送结束后，再持续2的时间继续监测信道，如监测不到碰撞，可确认该帧已发送成功，这里指信道最大传播时延。,4.2 带碰撞避免CA（Collision Avoidance）的 无线MAC协议,在有线局域网中，可以根据检测缆线上直流分量的变化，容易地实现碰撞检测。而在无线传输媒体时，由于隐藏终端等问题，发射端很难甚至无法实现CD。,CSMA/CD,下面介绍几种适用于无线传输媒体的MAC协议，即CSMA/CA、BTMA及ISMA协议，这些协议均为CSMA协议的改进型。一、CSMA/CA(带碰撞避免的CSMA)在CSMA的基础上增设某种机制，该机制可使碰撞发生的概率进一步减小，从而提

31、高吞吐性能与迟延性能，这样的协议称做CSMA/CA(CSMA/Collision Avoidance)。当然CSMA/CA仍无法绝对地避免碰撞，但可在原CSMA的基础上进一步使性能改善。,CSMA协议的工作过程,CSMA/CA的实现：一种简单的CSMA/CA：当信道上总业务量很低时，以l-持续CSMA模式工作，而当总业务量较高时切换至p-持续CSMA模式或非持续CSMA模式工作。这样可使CSMA/CA(即综合的CSMA)的性能优于任何一种CSMA。并且信道业务量的统计不难实现。此外，还可对非持续CSMA设置优先级别的方法实现一种CSMA/CA。即对各站设置不同的优先级，当监测到信道忙碌时，以各

32、站的优先级来确定其退避时延的大小，优先级高的站退避时间短，反之退避时间长。另外，介绍一种由发送探询脉冲来减小碰撞概率的CSMA/CA，称这种协议为探询脉冲CSMA/CA。,探询脉冲CSMA/CA：假设CSMA/CA的基础协议是1-持续CSMA。在l-持续CSMA情况下，由于传播时延的存在导致发生碰撞。如果每站在监测到信道空闲时，不是立即发送数据帧，而是在冲突探询窗口之内(传播时延之内)先发送一些探询脉冲序列，每个脉冲的长度都固定一致。当某站未发送探询脉冲时应先监测信道，如果监测到其它站发送的脉冲序列，则可认为其它站在试探信道，为了避免碰撞可先中止发送数据帧。同样，正在发送探询脉冲的站也会监测到

33、不是自己发出的探询脉冲，从而也中止发送数据敏。相反，如果正在发送探询脉冲的站在冲突窗口时间内监测不到其它站发送的探询脉冲，则可认为只有自己在试探信道，故可在冲突探询窗口之后把数据帧发送出去。,碰撞探询窗口大小的选择：碰撞探询窗口大小的选择非常重要，如选得太小，则无法达到避免碰撞的效果；但如选得过大，反而造成吞吐性能及迟延性能恶化。具体探询窗口大小的选择应该合适，应使探询脉冲CSMA/CA的吞吐性能最佳（大）。,BTMA多址接入方式：为了解决隐藏终端问题，相关人士等提出了BTMA(Busy Tone Multiple Access)多址接入方式。BTMA方式要求设置一个中心站，且假定该中心站的信

34、号可到达所有其它站。除了正常的用于发送数据帧的广播信道外，BTMA还要求设置一个下行辅助信道(即由中心站至其它所有站)。当数据信道忙碌时，中心站经由辅助信道把“信道忙碌”的消息广播给所有站。各站靠监测辅助信道来间接地完成CSMA的载波监测功能。,二、BTMA(Busy Tone Multiple Access),除了载波监测功能借助辅助信道实现之外，BTMA的工作原理与CSMA完全相同。不难理解，BTMA的本质仍然是CSMA，只不过是实现载波监测的手段不同而已。由于要借助中心站发送忙碌信息，这意味着增加了传播时延，故其性能与不存在隐藏终端情况下的CSMA相比略有恶化，但却克服了隐藏终端问题。B

35、TMA方式也有几种改进型方案，如RI-BTMA、C-BTMA等，请参阅相关参考文献。,三、ISMA(Idle Signal Multiple Access)ISMA多址接入方式与BTMA方式类似，也可解决无线通信网中的隐藏终端问题。原理：ISMA方式要求网络中设置一个中心站，但不要求设置专用辅助信道。其工作原理如下：当信道空闲时，中心站周期地广播表示信道空闲的短的指示帧。某站如有数据帧等待发送，则需监测信道，如果收到了指示帧，则方可开始发送。为了避免碰撞，可采取类似p-持续CSMA的策略，即当监测到指示帧后，以概率p发送数据帧，而以概率1-p退避。显然，除了监测信道的手段不同之外，ISMA与C

36、SMA本质上相同。由于发送空闲指示帧需耗费信道时间，故其性能比CSMA略有下降。与BTMA相比，由于无需专设辅助信道，实现简单。在有中心拓扑的无线局域网环境下使用ISMA或BTMA可方便地解决隐藏终端问题。,第五节 IEEE 802.11x中的MAC协议 由于无线局域网所用信道的特殊性及其对移动计算的支持等，使MAC协议成为无线局域网研究中一项关键技术。作为一个完善的MAC协议，不仅要给出具体的媒体访问控制方法，而且也要考虑其它技术方面，如节能管理、上层业务适配等。NCR、Symbol、Xircom等公司较早开展了这方面的研究工作，先后提出了适用于无线局域网的MAC协议。1993年11月，IE

37、EE 802.11委员会在综合了NCR、Symbol、Xircom等研究的基础上，提出了“基于分布方式的无线媒体访问控制协议”(DFWMAC)草案。这里只介绍有关的一些概念，概述该协议的轮廓。,一、基于分布方式的无线媒体访问控制协议”(DFWMAC)概述 由前面的讨论知道，无线局域网的最小物理网段是BSA(基本服务区域)，而通过 AP(无线接入站)及有线LAN互连构成的逻辑网段叫做ESA(扩展服务区域)。在BSA内所有站的集合称为基本服务组(BSS)，而在ESA内所有无线站的集合称为扩展服务组(ESS)。ESS由扩展服务组地址ESS-ID标识，BSS由基本服务组地址BSS-ID标识，ESS-I

38、D与BSS-ID两者统一构成了物理网地址(NID)。DFWMAC支持两种类型的无线局域网：(1)自组WLAN：由一个BSS构成，不与现存的其它有线或无线网络发生关联，仅仅覆盖有限的区域，例如一个会议室的范围。,(2)多区WLAN：在由AP与有线LAN组成的网络基盘上把多个BSS互连起来，构成多区WLAN。其中，AP的功能包括：移动管理：当移动站点跨越BSA时，使其仍然保持与网络基盘的连接。节能管理：允许站点工作于节能方式，这时AP需提供帧暂存等服务。同步：使当前与AP连接的所有站的时钟同步。最小多区WLAN的配置也可以是一个BSS，其中AP不与其它AP或有线LAN相连。其目的在于对AP功能的需

39、求(如扩大覆盖范围，支持同步业务等)。从网络互连的角度讲，多区WLAN及其网络基盘构成了一个逻辑网段，该逻辑网段可形成一个子网，例如IP子网。,MAC功能模块结构,DFWMAC的基础是CSMA/CA，在它之上可选择配置能提供无竞争信道访问的接入机制，这就是DFWMAC的中心网控方式(PCF)。在PCF方式中，时间域被划分为超帧格式。在超帧的无竞争期，由中心控制节点(一般是AP)进行轮询，某一时刻仅允许一个站点发送。在竞争期，使用改进的CSMA/CA方式，或称分布接入方式(DCF)。这样，DFWMAC除了能以竞争接入方式支持异步业务外，无竞争的访问方式还可支持同步业务或时限业务。,二、IEEE8

40、2.11x WLAN的MAC帧 协议中的控制特征在MAC帧结构中有所体现。1、帧类型在源和目的STA之间的状态决定了STA之间交换的帧类型。在IEEE802.11X中，通过无线媒体进行直接通信的STA均有认证状态（值为未认证和已认证）和联结状态（值为未联结和已联结）两个状态变量，因此每个远端STA可建立三种本地状态：状态1：初始启动状态，未认证、未联结；状态2：已认证、未联结；状态3：已认证、已联结。,IEEE82.11x WLAN中，定义的帧类型有三类：第一类帧：分为控制帧、管理帧、数据帧；其中，控制帧包括RTS、CTS、ACK、CF-end+ACK、CF-end；管理帧包括试探请求/响应、

41、信标、认证、解除认证、广播业务量指示信息ATIM。第二类帧：只有管理帧；其中，管理帧包括联结请求/响应、重新联结请求/响应和解除联结。第三类帧：分为数据帧、管理帧和控制帧；其中，管理帧包括解除认证和重新认证。控制帧主要是PS-Poll。状态1只允许第一类帧；状态2允许第一、二类帧；状态3允许第一、二、三类帧。,2、帧格式,每个MAC帧由三部分构成：帧头Header可变长度的帧体Body帧校验序列FCS,MAC的通用帧格式,（1）帧控制字段：类型值（b3b2）：00：管理帧 01：控制帧 10：数据帧 11：保留,管理帧：,控制帧：,数据帧：,（2）持续时间/ID,（3）地址字段 有四个。用于表

42、示BSSID,源地址（SA），目的地址(DA)，接收地址(RA)、发送站地址(TA).（4）序列控制字段（5）帧主体字段（6）FCS字段,3、独立类型帧格式,b8-b11,b13-b15值为0的帧。RTS帧格式CTS帧格式ACK帧格式节点轮询帧格式CF-End帧格式无竞争确认帧格式,三、CSMA/CA与DCF DFWMAC有两种访问控制方式：分布协调功能(DCF)和点协调功能(PCF)，二者的基础是CSMA/CA。DCF是IEEE802.11最基本的MAC方式，包括载波检测机制（CS）、帧间隔（IFS）和随机退避（Random Back-off）规程。DCF向上提供争用服务。用于Ad Hoc和

43、Infrastructure网络。PCF是可选的MAC方法，用于Infrastructure网络，集中控制。DFWMAC要求DCF方式必须支持基本的CSMA/CA,可选地支持增强型CSMA/CA,即:CSMA/CA+ACK与CSMA/CA+ACK+RTS/CTS。,1基本的CSMA/CA与访问优先权 DFWMAC采用的基本的CSMA/CA算法：当监测到信道空闲期间大于某一帧间隔(IFS：Inter Frame Space)后立即开始发送帧；否则延迟接入直至监测到需要的帧间隔，然后选择退避时延进入退避；退避结束后重新开始上述过程。基本的CSMA/CA利用物理层提供的载波监测指示信号CS监测信道的

44、忙闲。,DFWMAC规定了三种访问优先权，依优先权不同，IFS亦不同。Short优先级：对需要立即响应业务(如某些控制帧)的优先级。例如，MAC层的ACK帧，或当采用PCF时主机对轮询的响应帧等。该优先级的帧间隔被称为SIFS。PCF优先级：PCF接入方式的优先级。该优先级的帧间隔被称为PIFS。DCF优先级：DCF接入方式的优先级。该优先级的帧间隔被称为DIFS。注意，上述各IPS满足：DIFSPIFSSIFS,2增强型CSMA/CA 为了增强基本CSMA/CA对异步业务传输的可靠性，DFWMAC建议在基本CSMA/CA的基础上使用MAC层确认机制，也就是CSMA/CA+ACK，这样可以在M

45、AC层对帧丢失予以检测并重新发送。此外，为了进一步减小在各种环境下的碰撞概率，源站与目的站在数据传送前交换简短的控制帧,即RTS/CTS帧，它们以Short优先级接入信道。RTS/CTS帧中的 DURATION字段被各站点(目的站除外)用于设置它们的网络分配矢量(NAV；Net Allocation Vector)，以确定信道将被占用多长时间，这样，载波监测的功能可由监测、维护CS及NAV实现。,RTS/CTS协议,RTS/CTS协议相当于一种握手协议，用来解决“隐藏终端”问题。工作站A向B发送数据前首先发送RTS信号，表明A要向B发送数据。B收到RTS信号后，向所有工作站发送CTS信号，表明

46、已经准备就绪，A可以发送，其余工作站暂时“按兵不动”。然后A向B发送数据，B接收完数据后向所有工作站广播ACK确认帧，之后所有工作站平等监听、竞争信道。,图示出了RTS/CTS/DATA/ACK的发送示意图。当使用增强型CSMA/CA时，为了完成一次数据帧的传输，在两站之间可能要交换多个帧。故把图所示的多个帧称作MAC协议数据单元MPDU。,带RTS/CTS 帧的CSMA/CA通信过程,首先，基站A向B发送RTS信号，表明A要向B发送若干数据，B收到RTS后，向所有基站发出CTS信号，表明已准备就绪，A可以发送，其余基站暂时按兵不动，然后，A向B发送数据，最后，B接收完数据后，即向所有基站广播

47、ACK确认帧，这样基站又重新可以平等侦听、竞争信道。当传送帧受到严重干扰时，则必需重传。因此若信息包越大，所需重传的耗费也就越大，如时间、控制信号、恢复机制等;这时，若把大信息包括分割为若干小信息包，即使重传，也只是重传一个小信包，耗费相对较小。因此801.11中规定了信包重整机制，这样能大大提高无线网在噪声干扰地区的抗干扰能力。在多信道漫游机制设置方面，802.11规定，传输频带是在接入设备AP(Access Point)上设置，基本站不需设置固定频带，并且基站具有自动识别功能。基站动态调频到AP设定的频带，这个过程称为扫描。801.11定义了两种模式:被动扫描和主动扫描。被动扫描是指基站侦

48、听AP发出的指示信号，并切换到给定的频带;主动扫描是指基站提出一个探试请求，接入点AP回送一个含频带信息的响应包，基站就切换到给定的频带。,3延迟接入与退避算法如上所述，欲发送帧的站检测到信道忙时就会延迟接入，直到监测到信道空闲时间大于DIFS/SIFS后选择一个退避时间值然后进入退避状态。这样可解决正在处于延迟的多个站间的竞争。退避时间值(Backoff)如下选取：Backoff=INT(CWRandom()SlotTime其中，Random()是随机数。SlotTime表示总传播时延，它取决于物理层实现，由发射机开启时间、媒体传播时延、信道检测的响应时间构成；CW是“竞争窗口”参数，取值为

49、 SlotTime的辈数倍。可事先选定CW的最小值CWmin与最大值CWmax。当一个新帧进入发送缓存时CW被初始化为CWmin，在每次重传尝试之后CW要加倍直到最大值CWmax，这样可提高在高负荷条件下协议的稳定性。,在退避状态下，只有当检测到信道空闲时退避计时器才计时。如果检测到信道忙，则退避计时器将停止计时，直到检测到信道空闲时间大于DIFS后计时器才重新继续计时。这一做法的作用是：当多个站延迟并进入随机退避状态后，Backoff值最小的站将在竞争中获胜，从而获得对媒体的的访问权，在竞争中失败的站会保持在退避状态直到下一个DIFS。这样，这些主站就有可能比第一次进入退避的新站具有更短的退

50、避时间。4重传退避过程当发送了RTS帧后，如果在T1(CTS-Timeout)时间内没有收到CTS，则采用上述退避算法进入重传退避，之后再重新发送RTS。这一过程将持续到RTS重传计数器(RTS-RE-TRANSMIT-Counter)达到其上限值RTS-RE-TRANSMIT-LIMIT为止。,当发送了一个单播数据帧后，如果在T3(ACK-Window)时间内没有收到ACK，则采用上述退避算法重传退避，之后再重新发送数据帧。这一过程将持续到No-ACK重传计数器(No-ACK-RE-TRANSMIT-Counter)达到其上限值No-ACK-RE-TRANSMIT-LIMIT为止。5防止重帧