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基于Systemview 的无线局域网系统设计
1 前言
IEEE 802.11 MAC层提供了多种服务，同时它也定义了两种不同的介质接入的方法：分布式协调功能（DCF）和点协调功能（PCF）。其中PCF接入由于需要接入点协调整个覆盖区域内的站点，故使用较少。MAC层给站点提供信道的接入和数据的传输，这就直接关系到整个网络信道资源的合理分配和利用，从而影响到网络的性能表现。虽然在物理层上新的技术不断推出，但是发展相对缓慢的MAC层技术却极大地制约了无线网络的性能提升。IEEE 802.11 MAC本身协议存在着诸多的不足。例如，协议的本身是想提供对所有站点的公平信道接入[3]。但是，由于协议设计上的一些不足，导致了信道接入的公平性问题。在本章中，将分别从协议开销、发送失败的原因以及介质接入的公平性问题[10]三个方面详细分析802.11MAC协议，重点分析二进制指数退避算法的不足。
2 无线局域网的研究现状
近年来，随着无线局域网标准、技术的发展，无线局域网产品逐渐成熟，无线局域网得到了业界及公众的热情关注，无线局域网的应用也逐渐发展起来。相对于Bluetooth、3G[2]等无线技术，无线局域网正成为当前无线领域中一个引人关注的热点。
为了让WLAN技术能够被广为接受和使用，必须要建立一种统一的标准，以确保各厂商生产的设备都能具有兼容性与稳定性。这些标准定义了无线通讯的物理层（physical/PHY layer）以及媒介存取控制层（Media Access Control/MAC layer）。各种新标准的迅速发展，展现了无线局域网领域旺盛的创造力和无限的发展机遇。WLAN现有的标准有很多，例如：IEEE 802.11、HiperLAN、Bluetooth等。其中应用最为广泛的标准是基于IEEE 802.11协议的系列标准。
1990年IEEE802标准化委员会成立IEEE 802.11无线局域网(WLAN)标准工作组。IEEE 802.11无线局域网标准工作组任务为研究1Mb/s和2Mb/s数据速率、工作在2.4GHz开放频段的无线设备和网络发展的全球标准，并于1997年6月公布了该标准，它是第一代无线局域网标准之一。该标准定义物理层和媒体访问控制(MAC)规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。在802.11系列标准中，涉及物理层的主要有4个标准：802.11、802.11b、802.11a、802.11g[5]。根据不同的物理层标准，无线局域网设备通常被归为不同的类别，如常说的802.11b无线局域网设备、802.11a无线局域网设备等。
（1）IEEE 802.11
802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于实现办公室局域网和校园网中用户的无线接入，业务主要限于数据存取，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用户日益增长的需求，IEEE又相继推出了802.11b，802.11a和802.11g三个新标准。
（2）IEEE802.11b
IEEE802.11b工作于2.4GHz频带，使用直序扩频方式和补码键控，物理层支持5.5 Mbps和11 Mbps两个新速率。它的传输速率可因环境干扰或传输距离而变化，在11 Mbps、5.5 Mbps、2 Mbps、1 Mbps之间切换，而且在2 Mbps、1 Mbps速率时与IEEE802.11 DSSS(直接序列扩频)系统交互操作，但不能与1Mbps和2Mbps的802.11 FHSS（跳频扩频）系统交互操作。
（3）IEEE802.11a
IEEE802.11a工作于5GHz的频带，它采用OFDM(正交频分复用)技术，物理层速率可达54Mbps，这就基本满足了现行局域网绝大多数应用的速度要求。而且，对数据加密方面，采用了更为严密的算法。但是，IEEE802.11a芯片价格昂贵、空中接力不好、点对点连接很不经济。空中接力就是较远距离点对点的传输。需要注意的是，IEEE802.11b和工作在5GHz频带上的IEEE802.11a标准不兼容。
（4）IEEE802.11g
2002年11月15日，IEEE试验性地批准一种新技术IEEE802.11g，使无线网络传输速率可达54Mbps。802.11g是对802.11b的一种高速物理层扩展，同802.11b一样，802.11g工作于2.4GHz ISM频带，但采用了OFDM技术，可以实现最高54Mbps的数据速率，与802.11a相当；并且较好地解决了WLAN与蓝牙的干扰问题。802.11g与已经得到广泛使用的802.11b是兼容的，这是802.11g相比于802.11a的优势所在。由于802.11g标准尚未完成，而符合802.11a标准的产品已经出现，相信802.11a将会得到较快发展，在一定程度上占据先机。在MAC(媒体接入控制)层，802.11、802.11b、802.11a、802.11g这四种标准在媒体访问控制(MAC)层均采用的是载波侦听多路访问／避免冲突CSMA/CA(CA：Collision Avoidance，冲突避免)，这有别于传统以太网上的CSMA/CD(CD:Collision Detection，冲突检测)，CSMA/CA相关内容在802.11标准中定义，802.11b、802.11a、802.11g直接沿用。由于在RF传输网络中冲突检测比较困难，所以该协议用避免冲突检测代替在802.3协议使用的冲突检测，使用信道空闲评估(CCA)算法来决定信道是否空闲，通过测试天线口能量和决定接收信号强度RSSI来完成。CSMA／CA使用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。
除了802.11、802.11b、802.11a、802.11g这四个标准涉及物理层外，为了促进802.11a在欧洲的推广发展，与ETSI的HiperLAN/2竞争，IEEE又提出了802.11h标准，在802.11a基础上增加自动频率选择(DFS)和发送功率控制(TPC)功能，以适应802.11a在欧洲推广发展的需要，符合欧洲有关管制规定的要求。
802.11是MAC层标准的基础，在此基础上，为了满足在安全性、QoS等方面的进一步要求，IEEE相继提出了802.11e、802.11f、802.11i等标准。
802.11e增强了802.11 MAC层，为WLAN应用提供了QoS支持能力。802.11e对MAC层的增强与802.11a、802.11b中对物理层的改进结合起来，就增强了整个系统的性能，扩大了802.11系统的应用范围，使得WLAN也能够传送语音、视频等应用。
802.11f标准定义了一套称之为IAPP(Inter-Access Point Protocol)的协议，以实现不同供应商的接入点AP间的互操作性。
谈到802.11i标准，就不能不提到802.1X标准。802.1X标准完成于2001年，它是所有IEEE 802系列LAN(包括无线LAN)的整体安全体系架构，包括认证(EAP和Radius)和密钥管理功能。802.11i是对802.11 MAC层在安全性方面的增强，它与802.1X一起，为WLAN提供认证和安全机制。
除了上面已说明的标准之外，802.11系列标准中，还有一个802.11d标准，802.11d标准定义了一些物理层方面的要求(诸如信道化、跳频模式等)以适应802.11设备在一些国家应用时这些国家无线电管制上的特殊要求。
总结
IEEE 802.11的介质访问控制主要有两种工作方式：DCF和PCF。DCF是以分布式控制方式实现介质访问控制，以CSMA/CA为主，以RTS/CTS消息交换机制为辅。PCF是靠网络中心控制站(AP)实现中心控制方式。DCF和PCF这两种方式交替工作，通过不同帧间隔的优先级机制，实现不同类型帧的介质访问优先级。由于无线环境难以检测到冲突，IEEE 802.11的冲突检测由物理层的载波冲突检测和介质访问控制层(MAC)的虚拟载波监听实现。虚拟载波监听使用的是时间预留的方法预测信道的忙闲状况。网络在得知网络忙闲信息后通过随机退避算法减小冲突。
本文我们主要研究分析分布式协调算法(Distribute Coordination Function: DCF)，这是无线局域网MAC协议中主要的算法。它引入了很多重要概念，例如帧间间隔(Inter Frame Space: IFS)，时隙等，但是其基本的设计思想有一些不准确的地方，在IEEE802.11中，分布式协调功能DCF的一些机制与算法并不能有效的解决信道拥塞问题，带来了有效带宽资源的浪费。DCF的RTS/CTS短帧交换传输方式是针对“隐藏终端”问题设计的。
最后对RTS/CTS算法进行了仿真，仿真结果证明了RTS/CTS算法比CSMA/CA算法取得了更佳的性能。但是DCF算法还需要继续完善，在以后的研究中，将着重于算法的继续改进，如应用层不同业务服务质量要求的实现，改进算法在实际网络环境中的应用，以及解决恶意站点干扰问题，以期获得更好的性能表现。
参考文献：
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