IEEE802.11MAC层的功率管理及部分功能实现

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近年来,能够高速率、低成本的接入因特网的无线局域网技术已成为研究热点。IEEE802.11是目前比较流行的宽带无线接入标准,但其核心技术仍为国外所掌握,所以,对此项技术进行深入的研究和开发是非常必要的。大多数的移动设备由于其移动性只能采用电池供电,而电池的容量又受移动设备体积大小的限制,因此,降低能量消耗是无线网络协议中最重要的设计目标之一。本文深入研究了IEEE802.11MAC协议,指出了IEEE802.11无线网络中的能耗组成及其原因;详细分析了现有的功率管理机制对网络性能的影响,并介绍了几种IEEE802.11MAC层节能模式(PSM,Power Save Mode)的改进和扩展机制,指出了他们相对于PSM的优势、缺陷及适用范围;最后提出了一种基于ARM9和uCOS-II的站点MAC层的软件实现方法,为功率管理机制的实现打下了基础。经过对无线网络中能量消耗的分析,发现额外能量的消耗主要来自于偷听和错误载波侦听,而导致它们的原因是无线传播媒介固有的特性和IEEE802.11为避免碰撞采用的CSMA/CA机制,为了降低能耗,IEEE802.11在MAC层定义了节能模式,但经过本文的分析发现,该模式会导致网络性能的降低,主要表现在访问Web网页时的延迟和VoIP等实时业务的服务质量得不到保障。论文分析了几种对PSM的改进和扩展机制,得出了以下结论:BSD机制能够将RTT延迟限定在一个给定的范围,能够解决Web访问的延时问题,但不适合实时业务的传输。UPSD机制是专为VoIP等实时性强的业务而设计的功率管理机制,但没有对Web访问的延迟做处理。APSM将下行数据的延迟控制在下行数据到达间隔之内,适合于网页浏览、语音视频、电子邮件等综合业务,但它对IEEE802.11原有的帧类型进行了修改,其算法相对复杂。E-idling和O-idling是纯粹为减少能耗而提出,当发现站点在偷听或错误载波侦听时,采取强制关闭其收发信机的方式来减少能耗,但付出了丢包率增加的代价。本文在最后提出的基于ARM9和uCOS-II的站点MAC层实现方案目前已完成站点数据收发的初步实现,包括在发送端将需要发送的数据成帧、分段、排队、退避、校验、发送以及接收端STA的接收、校验、缓冲、重组等操作。由于尚未和物理层及LLC层联合调试,采用了MAC层自身闭合测试的方法来验证所做的工作。
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