（通信与信息系统专业论文）ieee+80211无线局域网性能分析及qos改进.pdf

山东大学硕士论文 摘要 f 无线网络通信作为新兴的通信技术在日常生活中的作用越来越大。近 年来尤其是无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能与传统以太网 相比还有一定距离，因此如何提高和优化无线局域网的性能就显得十分重 要。 多媒体应用也对无线局域网的性能提出更高的要求( f f o 女n 带宽、丢失 率、迟延和抖动) 。利用无线信道进行通信容易受到干扰，衰落等因素的影 响，这对于多媒体应用来说是十分不利的。i e e e8 0 2 1 l 规定的d c f ( 分布 控制方式) 和p c f ( 中心控制方式) 分别适用于非实时业务和实时业务。然 而p c f 与d c f 两种控制方式的同时使用会导致性能的下降”，并且对于 高突发性的实时业务来说，使用分布式控制方式比中心控制方式效率更高 1 ”j 。目前分布式介质访问控制方式解决q o s ( 服务质量) 问题的方法主要 是通过对不同q o s 需求的业务进行优先级的划分，并采取相应的调度策略， 以满足相应的服务质量。 列于无线局域网来说，公平性也是一个难以解决的问题1 9 1 。面向不同 的应用提供不同的服务质量需要一个公平的调度机制，有些应用例如语音 和视频对时延和抖动敏感而对分组丢失率有一定的容忍，另些应用如数 据对时延和抖动没有要求而对分组丢失率有较高要求。为了解决不同的服 务质量等级的需要，公平调度机制对每个流引入了权重的概念，权重是调 度机制给每个流给予的动态带宽保证。i 本文采用文献i2 ”的方法对无线局域囱的性能进行分析和仿真，并得到 丁i e e e8 0 2 1 1 b 规定的四种不同速率下实现高吞吐量的帧长度和r t s c t s 使用门限值。本文归纳了已经提出的关于q o s 介质访问控制算法，指出其 中的不足，通过改进d c f 的退避机制得到了提高q o s 性能的新算法 楚鱼参轮迦笺鎏a 该算法能够有效的改善实时业务的时延和抖动性能，兼 顾了业务流之间的公平性，同时不降低系统的吞吐量性能。该算法和现有 i e e e8 0 2 11 协议兼容。 关键词：无线局域网、介质访问控制、服务质量 山东大学硕士论文 a b s t r a c t w i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sa r e a n e m e r g i n gt e c h n o l o g y a n da r e b e c o m i n ga ne s s e n t i a lf e a t u r eo fe v e r y d a yl i f e w l a ni s t h em o s tp o p u l a r t e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s b u tt h ep e r f o r m a n c eo fw l a n i ss t i l lw o r s et h a n t r a d i t i o n a le t h e r n e ts oi ti s v e r yi m p o r t a n tt o e n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo f u 7 l a n ， m u l t i r a e d i aa p p l i c a t i o n si m p o s er e q u i r e m e n t so ns o m ec o m m u n i c a t i o n p a r a m e t e r s ，s u c ha sb a n d w i d t h ，d r o pr a t e ，d e l a ya n dj i t t e r i no r d e rt ow o r k p r o p e r l 3 ，u s i n gm u l t i m e d i ai nam o b i l ee m i r o n m e n ts h o w s ac r i t i c a ls i t u a t i o n ， d u et ot h ep r o p e r t i e so fr a d i ol i n k s ，s u c ha s i n t e r f e r e n c e ，f a d i n ge t c i e e e 8 0 211 s p e c i f i e s d c f ( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t e f u n c t i o n ) a n dp c f ( p o i n t c o o r d i n a t ef u n c t i o n ) d c fi su s e df o rn o n er e a l t i m es e r v i c e sw h i l ep c fi s u s e df o rr e a l - t i m es e r v i c e st h ec o o p e r a t i o nb e t w e e np c fa n dd c fm o d e sc a n l e a dt o p o o rp e r f o r m a n c e f o r r e a l t i m es e r v i c e s d i s t r i b u t e dc o n t r o li s m o r ee f f i c i e n tt h a nc e n t r a l i z e dc o n t r o li nt h ec a s eo fh i g h l yb u s t yt r a f f i c n o w t h er e s o l u t i o no fd i s t r i b u t e dm e d i aa c c e s sc o n t r o lt or e s o l v eq o si st od i v i d e t h et r a f f i ci n t os e v e r a lc l a s so f p r i o r i t y w e a n a l y z e a n ds i m u l a t et h e p e r f o m r a n c e o fw l a nf o l l o w i n gt h e m e t h o d so ft h ep a p e r w ea l s op r o v i d et h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r so fi e e e 8 0 211bo f4r a t e i n c l u d i n gf r a m el e n g t ha n dr t s c t st h r e s h o l de x c e p to f t h ei n f l u e n c eo fh i d d e ns t a t i o n f a i r n e s si nw i r e l e s sm e d i u m si sa c h a l l e n g i n gp r o b l e mf ”a f a i r s c h e d u l i n gp o l i c yi sr e q u i r e dt os u p p o r td i f f e r e n t i a t e dq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e m so fd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s s o m ea p p l i c a t i o n ss u c ha sv o i c ea n d v i d e oa r e d e l a y s e n s i t i v e a n d r e q u i r e a g u a r a n t e e d s h a r eo fb a n d w i d t h a l l o c a t e dt ot h e md a t a a p p l i c a t i o n s c a nt o l e r a t el o s s e sa n dc a n a d a p t t o v a r i a t i o n si na v a i l a b l eb a n d w i d t h t oa t , c o a n tf o rs u c hd i f f e r e n t i a t e d0 0 s 3 r e q u i r e m e n t s ，f a i rs c h e d u l i n gp o l i c i e si n t r o d u c ea n o t i o no f w e i g h t sa s s o c i a t e d w i t he a c hf l o w t h ew e i g h to faf l o wi sam e a s u r ed y n a m i cs h a r eo f b a n d w i d t h t h es c h e d u l e rp r o m i s e st oa l l o c a t et ot h ef l o w i nt h i sp a p e rw ed i s c u s st h ee x i t i n g8 0 2 11 ，a n di n t r o d u c es o m es e r v i c e d i f f e r e n t i a t i o ni n t o8 0 2 1 1p r o t o c o l s 。a tl a s tw ep r o p o s en e wm e c h a n i s m s d i s t r i b u t e dp o l l i n gs c h e d u l i n g ( d p s ) t h ei d e ai sm o d i f yt h ed c fb a c ko f f m e c h a n i s mt oe n h a n c ei t s q o sa n df a i rp e r f o r m a n c e s a c c o r d i n g t ot h e s i m u l a t i o nr e s u l tt h en e wm e c h a n i s mc a ne n h a n c et h eq o sp e r f o r m a n c eo f w l a n b y d e c r e a s ej i t t e ra n dd e l a yo ft i m eb o u n d e dt r a f f i cw h i l ew o n ti m p a i r t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e t h ed p s i sc o m p a t i b l ew i t hi e e e8 0 21tw l a n k e y w o r d s ：w l a n ，m a c ，q o s 4 山东大学硕士论文 引言 无线网络通信技术作为新兴的通信技术在日常生活中的作用越来越 大。近年来尤其是无线局域网技术发展迅速，其中以i e e e 的i e e e 8 0 2 1 l 和e t s i 的h i p e r l a n 标准为代表。这两种标准都对无线局域网的物理层 和介质访问控制层进行了规范。 无线局域网技术和有线以太网技术相比，带宽较窄，传输速率较低 ( i e e e8 0 2 1 l b 最高速率1 1 m b p s ，1 e e e8 0 2 1 l a 最高速率5 4 m b p s ) ，因 此如何提高和优化无线局域网的性能就十分重要。 多媒体应用也对无线局域网提出了更高的要求，例如带宽、丢失率、 迟延和抖动。利用无线信道进行通信容易受到干扰，衰落等因素的影响， 这对于多媒体应用来说是十分不利的。i e e e8 0 2 1 1 规定的d c f ( 分布控制 方式) 和p c f ( 中心控制方式) 分别适用于非实时业务和实时业务。然而 p c f 与d c f 两种控制方式的同时使用会导致性能的下降口，并且对于高 突发性的实时业务来l 兑，使用分布式控制方式比中心控制方式效率更高 1 3 5 。目前分布式介质访问控制方式解决q o s ( 服务质量) 问题的方法主要 是通过对不同q o s 需求的业务进行优先级的划分，并采取相应的调度策略， 以满足相应的服务质量。 对于无线局域网来说，公平性也是一个难以解决的问题【9 】。面向不同 的应用提供不同的服务质量需要一个公平的调度机制，有些应用例如语音 和 见频对时延和抖动敏感而对分组丢失率有一定的容忍，另一些应用如数 据对时延和抖动没有要求而对分组丢失率有较高要求。为了解决不同的服 务质量等级的需要，公平调度机制对每个流引入了权重的概念，权重是调 度机制给每个流给予的动态带宽保证。 本文采用文献f 2 8 1 的方法对无线局域网的性能进行分析和仿真，并得到 了1 e e e8 0 2 1 1 b 规定的四种不同速率下实现高吞吐量的帧长度和r t s c t s 使用门限值。本文归纳了已经提出的关于q o s 介质访问控制算法，指出其 中的不足，通过改进d c f 的退避机制得到了提高q o s 性能的新算法 山东大学硕士论文 新算法分布式轮询算法。该算法能够有效的改善实时业务的时延和 抖动性能，兼顾了业务流之间的公平性，同时不降低系统的吞吐量性能。 该算法和现有i e e e8 0 2 1 l 协议兼容。 本文的结构如下： 第一章对i e e e8 0 21 1 无线局域网的拓扑结构和介质访问控制方式进 行介绍，第二章讨论了i e e e8 0 2 1 1 b 在四种速率下的吞吐量性能，第三章 通过对i e e e8 0 2 1 1 b 的性能仿真得出了实现高吞吐量的帧长度和 r t s c t s 使用门限值，第四章介绍了几种提供区别服务的介质访问控制方 式，第五章提出分布式轮询算法并给出了仿真结果。 6 第一章i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网概述2 第一节无线局域网的拓扑结构 i e e e8 0 2 1 1 标准支持两种拓扑结构：独立基本服务集( i b s s ) 和扩 鼹服务集( e s s ) 这两种拓扑结构都使用同一个基本构件基本服务集 ：b s s ) 。 一、基本服务集( b s s ) b s s 是i e e e8 0 2 1 1 拓扑结构的基本构件。一个b s s 定义为在一个单 网络控制方式( 例如d c f 或p c f ) 控制下的一组工作站。一个b s s 内 的 作站能直接同这个b s s 中的其他工作站宜接通信。 二、独立基本服务集( i b s s ) 图1 1i b s s 的组成结构 b s s 是i e e e8 0 2 ，1 1 无线局域网中最基本的结构。在i b s s 结构里多 个工作站能直接在一个b s s 范围内组成一个自组( a d h o c ) 网， 所有通信直 接在各个工作站之间进行。其传输的范围受到信号传播距离的限制，工作 站的数量也受信道容量的限制。 山东大学硕士论文 三、扩展服务集( e s s ) 1 分布系统( d s ) 的概念： 为了延长通信距离和拓展网络，i e e e8 0 2 1 l 引入了d s 。d s 是连接各 个b s s 的构件，各个b s s 通过a p 接入d s 。d s 能够连接i e e e8 0 2 3 以 火网、i e e e8 0 2 4 令牌总线网、i e e e8 0 25 令牌环网、f d d i 等等。 2 扩展服务集( e s s ) 与i b s s 相反，e s s 能够扩大工作站的数量和扩展通信的范围，e s s 由 b s s 、a p 和d s 组成。e s s 使用a p 通过d s 连接各个b s s 。e s s 能够让 无线网用户访问有线网络( 比如因特网) ，这是通过一个端口( p o r t a l ) 器 件实现的。端口是一个连接i e e e8 0 2 1 l 和其他网络的逻辑实体。假如被连 接的是i e e e8 0 2 x 网络，端口的作用类似网桥可以扩展网络，进行帧格 式的转换( 如图1 2 所示) 。 图1 2e s s 的拓扑结构 山东大学硕士论文 ! ! ! ! ! ! 墨! 寡! ! ! ! ! 量置! 烹苎曼暑墨! 鼍葛! 詈曼! 鼍攀皇詈置! = 皇篁詈皇= ! ! 掌詈詈詈皇世置一 第二节i e e e8 0 2 1 1 的介质访问控制( m a c ) 概述 i e e e8 0 21 1 m a c 综合了两种工作方式：中心控制方式( p c f ) 和分布 控制方式( d c f ) 。前者支持无竞争型实时业务，后者建立在前者工作方式 之上并且仅支持竞争型非实时业务，( 如图1 3 所示) ，两种工作方式共享带 宽协调工作( 图1 4 ) 。 ff ，匝画互叵 了f 二叭。f i 长度可调缩短的竞争 n a v 圈圈豳豳薹螽囹 图】4 p c f 和d c f b = 信标帧 山东大学硕士论文 p c f 工作在无竞争期( c f p ) ，d c f 工作在竞争期( c p ) 。在c f p 开始 时，如果信道空闲时间大于p i f s ，则p c f 通过帧优先权机制获得信道访问 权，否则c f p 延迟到检测到信道空闲时间大于p i f s 才能获得信道访问权， 因此c f d 的起始点是可变的，这时d c f 业务自动延迟到c f p 之后才能访 问信道。 一、分布控制方式( d c f ) 分布控制方式( d c f ) 基于c s m a c a ( 载波监听多路访问碰撞避免) ， 并以r t s c t s 消息交换机制作为辅助的介质访问方式。 发送方操作： 如果检测道信道空闲，等至空闲时间超过一定的帧间隔时间( d i f s ) ， 然后发送一帧( 图1 4 ) 。如果监测到信道忙则等待至信道空闲。当空闲 时间大于d i f s ，利用退避算法计算随机退避时间并选择发送时隙。其问如 果没有监测到其他站发送数据，则当发送时隙到达时开始发送数据，其间 如果监测到其他站发送的数据则停止退避计时器，直到信道空闲再次超过 d i f s 时恢复退避计时。 发送方发送数据后等待返回确认帧( a c k ) ，如果确认帧接收超时或接 收错误则认为发生碰撞( 即其他站也在同一时隙发送数据) 。碰撞后发送方 通过重传退避算法修改竞争窗口，经过重新退避后重新发送数据，重传超 过一定次数则丢弃这一帧。发送站在确认帧超时时间范围内接收到确认帧 就认为发送成功。 接收方操作： 如果接收到的数据目的站地址是本站并且接收c r c 校验正确，就返回 发送方一个确认帧，否则丢弃这一帧。 二、p c f ( o o 心控制方式) p c f 协议基于轮询机制，在这种工作方式下，中心控制器( a p ) 控制 所有工作站的帧的传送，在每一个无竞争期的开始通过信标( b e a c o n ) 帧 设置所有工作站的网络分配矢量( n a v ) 达到取得介质访问控制权的目的。 希望提供无竞争服务的工作站向a p 发出请求，经许可后被列入轮询 1 0 山东大学硕士论文 ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! = ! ! 一 队列。a p 按照优先级向轮询队列中的工作站发出轮询帧，此时被轮询站可 以发送数据，接收站通过返回确认帧确认成功传输。 发送站 接收站 其它州 圈1 5 信道空闲时的发送过程 第三节i e e e8 0 2 1 l m a c 采用的主要技术 一、虚拟载波监听技术 由于天线的半双工的工作方式和信号空间传输时延较大，无线网络相 对于有线网络更易发生碰撞。在物理层这个问题难以解决， i e e e s 0 2 1 1 在m a c 层通过使用虚拟载波监听技术解决这个问题。每个工作站维护一 个网络分配矢量( n a v ) ，用n a v 来指示网络的忙闲状态，每个发送站在 发送一帧时估计网络忙的时间( 发送占用信道的时间+ 返回a c k 时限) ， 即n a y , 并把这一时间信息装入帧头，其他站接收到此帧后如果发现本地 n a v 小于帧头中的n a v ，则利用此n a v 更新本地n a v 。各个工作站通过 这种虚拟载波监听技术和物理层的载波监听技术来判断网络的忙闲状况。 山东大学硕士论文 二、帧优先级的设置 。d 1 f s k 一 ! ； i p i f s： i r 一 ； 时间 圈1 6 帧间隔 c s m a c a 算法要求发送的帧之间有一定的间隔，当介质空闲一定时 矧后才能尝试访问。i e e e s 0 2 1 l 中有四种帧间隔，其长度由小到大依次分 别是s i f s ( s h o r t i n t e r f r a m es p a c e ) 、p i f s ( p c f i n t e r f r a m es p a c e ) 、d i f s ( d c f i n t e r f r a m es p a c e ) 、e i f s ( e x t e n d e d i n t e r f r a m es p a c e ) 。( 如图1 6 所示) s f s 主要用于确认帧或响应帧获得介质访问权的时间间隔。 p i f s 主要用于中心控制方式无竞争期时的工作站获得介质访问权的时 间间隔。 d i f s 用于分布控制方式竞争期的工作站获得介质访问权的时间间隔。 e i f s 是工作于d c f 方式下用于f c s 值错误导致接收数据错误的情况 下发送前等待的时间间隔。 通过不同的帧间隔，不同优先级的帧能更获得相应的介质访问优先权。 三、随机退避机制 i e e e8 0 2 1 1 的退避时间( b a c k o f f ) 选取如下： b a c k o f f = c w r a n d o m ( ) s o t t i m e 其中r a n d o m ( ) 为【o ，1 】之间的随机数，s l o t t i m e 为时隙时间，c w 为竞争 窗口。c w 在c 纾和c 降，眦之间选择，当一帧进入发送缓存时c w 初始化 为c 降，以后每次尝试重传后c w 加倍直至c 辟，m 。 在退避状态下，检测到信道空闲时退避计时器开始计时，其间如检测 山东大学硕士沦文 到信道忙，则退避计时器停止计时，直至信道空闲时间大于d i f s 后退避计 时器恢复计时。在这种机制下当多个站延迟并进入随机退避状态后，退避 时阃最小的站将在竞争中获得介质访问权；在竞争中失败的站会保持退避 状态直到下一个d i f s 。这样在下一次竞争中这些站可能会比新进入退避的 站有更短的退避时间，避免了有的站可能永远不能获得介质访问权的可能。 四、r t s c t s 消息交换机制 无线网络比较难解决的一个问题是隐藏工作站问题( 即发送站检测不 到另一个站也在发送数据，因而在接收站发生碰撞) 。如图1 7 所示，工作 站c 在工作站a 和工作站d 的信号传播范围之内，而工作站d 在工作站a 的信号传播范围之外。当工作站a 向工作站c 发送数据时，而工作站d 检 测不到工作站a 发出的数据而认为信道空闲也发送数据，这时在接收站c 就发生了碰撞( 如图1 7 所示) 。 c t s 一 图1 7 隐藏工作站的情况 r t s 囫区域1 圆区域2 圆两区域重叠部分 为了解决隐藏工作站问题，i e e e8 0 2 1 1 m a c 引入了r t s c t s 机制， 在此机制下每个站在访问介质时，获得介质控制的站并不是直接发送数据 帧而是向接收站发送r t s 帧( r e a d y t os e n d ) ，接收站回复c t s 帧( c l e a r t o s e n d ) ，其他非r t s 目的站的站点接收到r t s 帧之后读取其中的传输时间 预留信息旭就是网络分配矢量( n a y ) ，并据此更新本地n a v , 收到c t s 帧的非c t s 目的站也同样读取其中的n a v 并更新本地n a v ，这样无论是 位于发送站信号传播范围的站还是位于接收站信号传播范围的站都能了解 山东大学硕士论文 介质忙闲状况，解决了隐藏工作站问题，其工作过程如图1 8 所示。 送站f i 矗-田 m s ，。4 上0 & 站 r 制s5 目 i l l 、 7 d i f s 芒站 n a v f r t s ) n a v ( c t s ) 延迟接入 图1 8 五、分段技术 i e e e 8 0 2 1 1 m a c 支持分段技术，通过分段能够将较长( 超过 f r a g m e n t a t i o n _ t h r e s h o l d ) 的帧分成若干个短帧来分别传输。一旦工作站得 到介质访问权就能够持续发送同一个m p d u ( 介质访问控制协议数据单 元) 的各个分段。每个分段传输成功收到接收站的a c k 帧之后，等待一个 帧间隔s i f s ，然后发送下一个分段帧。这样除非其中发送失败( 在规定时 限内没有收到a c k 帧) ，发送过程将持续至所有分段发完( 如图1 9 所示) 。 分段技术提高了长帧的传输可靠性。一个分段的丢失不会导致整个 m p d u 的重发。 山东大学硕士论文 发送 接收 s i f ss i f ss i f ss i f ss i f ss i f sd i f s + 黯 卜+ 副 叶 刮 斗卜一 压 c k lc k 2 c k 0 其它站 n a v ( c t s )i n a v ( 分段1 ) n a v ( 分段0 )山a v ( 2 ) 图19 分段传输过程 5 一塑圣塑型兰童一 第二章i e e e8 0 2 1 1 协议理论分析 在c s m a 协议和c s m c d 协议的性能分析1 m 中都假定工作站数目 无穷大，业务量服从泊松分布，每个工作站处理的都是突发业务。对于i e e e 8 0 2 1 1 协议而言采用这种分析方法较为困难。在文章【2 8 1 中使用了一种新 的方法，建立了一个有限数目m 个工作站，每个工作站一直有数据需要发 送的模型，并对这个模型的性能进行分析。 一、性能分析思路： 建立一个分析模型，引入一个p 持续的i e e e8 0 2 1 l 协议，当该协议的 、f 均退避时间和原协议相同时，两个协议的性能将十分接近，通过计算得 出该协议的性能理论极限值，从而得出1 e e e8 0 2 1 ld c f 的理论性能最大 值。 二、性能分析步骤： 1 建立p 持续的i e e e8 0 2 1 1 协议分析模型【川 2 通过动态调整p 使新协议性能达到理论最大值 此时应满足户。= m ( 2 1 ) 其中t 、为平均虚拟时间长度，而为平均消息长度。 无线局域网参数设置( 参照i e e e8 0 2 1 l b ) s i f s 1 0 u s e c d i f s5 0 , u s e e 时隙2 0 a s e e 比特率 1 m b p s ，2 m b p s ，5 5 m b p s ，1 1 m b p s 传输时延 1 “s e c m 2 ，5 ，1 0 c 3 1 c 阡，m “ 1 0 2 3 6 山东大学硕士论文 ! ! ! - ! ! ! = ! ! ! ! ! i ! 目! ! ! e j 目! ! 目e ! _ e ! 引理一： s m + 2 r + s 1 f s + a c k + d i f s 其中s 为在i e e e8 0 2 1 1 无线局域网中一次成功传输所需要的时间 m 为消息长度 r 为无线局域网中两个工作站之间的最大传播时延 证明见 5 1 由引理当网络中只有一个发送站时，= e s 】+ e b 。】，因此有 2 f + 丽+ s i f s + a c k4 - d 1 f s + e b i e b ， 硼( c 。一1 ) 2 假设分组长度服从概率为q 的几何分布 分组长度为i 的概率为： p p a c k e t l e n g t h = f ) 2 q , - i ( 1 一q ) i 1 f f 为时隙数) 这时平均消息长度为： 而2 m ，( 1 - g ) ( r ，为时隙长度) 当一个以上的工作站同时发送数据时，会产生碰撞，因此虚拟传输时间就 包括一次成功传输时间和碰撞时间以及碰撞产生退避的信道空闲时间( 如 图2 1 ) 1【iii 碰撞d i f s碰撞d i f e 奄桕佶捻时 图2 1 s 间 lli 空闲时隙成功传输时问 山东大学硕士论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! e ! ! ! ! ! ! ! = ! ! 自= ! e = 一 因此虚拟退避时间可以整理为下式 r ，= e l 芝( i d l e _ p ，+ c o i l 。+ f + d i f s ) l + e 1 d l e p n , * i 】+ 【s 】( 2 2 ) l 卢1 j 其中i d l e p ，为第f 个空闲时段，c o i l ，为第j 个碰撞时段，n 。为碰撞次 数 在i e e e8 0 2 ，1 1 协议中，次碰撞时间长度等于碰撞的最大帧长度，因 此碰撞工作站数和帧长度的分布以及退避算法有关，空闲时段也与退避算 法有关。 我们设，为一次成功传输时重发的次数，每次退避时间分别为 目，占：，占，) 每次退避所选的竞争窗口为 c m c ，c w , 我们假设每次尝试访问信道时以p 的概率发送，且令p = l ( e b 】+ 1 ) 引理二： 研剀= ( e c w 】1 ) 2 其中e c w 为平均竞争窗口 证明： 研b 】= e b 1 c w e h 】p c w e 。 = o e b i c w e h 】= e ( c w 一1 ) 2 i c w e 】 e 【b 】= e ( c w - 1 ) 2 1 c w e 】p c w e h = ( e c 卜1 ) 2 h = o 其中既为一次成功传输经历h 次碰撞的竞争窗口的集合 重写2 2 式得到 r ，= 。】 e 【c 。f 门+ f + d i f s + e 1 d l e p 】( e 【。】+ 1 ) + e 【s 】( 2 - 3 ) 然后我们假设e c w 已知推导出上式中的e 1 d l e p 】，e n 。】和e c o l l 引理三： 假设退避概率为p 。：，。! 堑! 圣童兰垦兰! 窒三三，。，。，。，。：，。一 驯= 嚣第一 【c b ， = i 二i i _ = = | ；i 了_ = l i 。l i o t ；i 而 喜 n ， c 一p 。“。) ” ) 一警 删叫，= 等等山。 证明： 1 ) e n ， 的计算 曩。，= p 发送站：发送站 = l 塑二等兰主笋 4 ， 并且 民。= j p 发送站= 1 i 发送站1 ) = 号鞯 ( 2 巧) 从( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 推出在一个虚拟时f u j 段中碰撞的分布 p n ：= i 、= p ：o 。? p s 。，i = 0 1 2 从而推出e n 。 2 ) e i d l e p 的计算 p 在一个时隙内没有发送) = ( 1 _ p ) ” p 在一个时隙内至少有一个站发送) = 1 一( 1 一p ) ” 这样就有 e 删e p = r ，。- ，一( ，一p ) ” 善卜 ( ，一p ) ” 。= r 呈矗j ；f r ，“ 3 ) e c o l l 的计算 因为i e e e8 0 2 1 1 协议没有碰撞检测，碰撞时间决定于最长的碰撞 帧。 c o l l2 m a x l l ，l 2 一，三叱) 又因为厶假设服从几何分布 p n 。，= i n 。 1 ) 2 垃! 二 1 一【( 1 一p ) ”+ m p ( 1 一p ) ”1 ( 2 7 ) p c o l l = ”叫| v 。= h ) = p m a x l l ，- ，。) = = ( 1 - q “) ”一( 1 - q “) “ ( 2 - 8 ) 由( 2 - 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) 式得到e c o l l 】 下面对参数p 进行推导 1 竞争窗口均值的估计 我f l n 用迭代算法构造一个序列 e c w ” ，月= o ，1 2 ) ，e c w 】 是这个序列的极限，e c w 的值由e c w 扣1 逼近得出，其中 ie c w 卜e c w 圳 i 5( p 埘1 ) 7 ( 1 一p ：爿1 )j + 1 2 5 5 ，5 1 1 ，1 0 2 3 表2 2 竞争窗口 为了得到下一次迭代竞争窗口均值，需要知道竞争窗口大小的分布 下面通过引理四给出。 引理四 尸 c 渺”“) = c = 1 p 乏! 刍，：爿77 2 罗尘；3 ，4 其中c = 3 1 c 形= 6 3 c 胍= 1 2 7 c 胍= 2 5 5 c 眠= 5 1 1 c 以= 1 0 2 3 山东大学硕士论文 证明 p c w “= x ) = p c w o “= x i c w o “e h ) p c w “e h ) 其中p c w ”1 = x i c w ”1 e ) 由表2 3 给 h = 0h = 1h = 2h = 3h = 4h = j ， j 5 p c w ”1 = 3 1 i c w ( i + 】) 邑 】2】31 4l 5 1 j p c w ”1 = 6 3 i c w ( i + 1 ) e ) o1 21 31 4l 5 1 j p c w ”1 1 = 1 2 7lc w ( i + 1 ) e oo1 31 41 5 1 j p c w “”= 2 5 5ic w ( i + 1 ) e )o ool 41 5 1 j p c w = 5 1 i l c w ( i + 1 ) e h oooo1 5 1 j p c w ”= 1 0 2 3 l c w ( i + 1 ) e 】 000o0 ( ，一5 ) j 表2 3 我们用七表示指定工作站连续传输成功次数，墨表示第，次成功传输花费时 间。 ( + 1 ) k 。删 以泖。“k e 卜! 野豇意i = 石 注意到l 骢( ， 日。：。m 。l k ) = p 崭= e l 我们现在得到 叩恤扣芝群沼， 又因为【：篇”】+ 1 = ( 1 ( 1 一p 豺) ) 由( 2 - 7 ) 推出( 2 - 5 ) 这样由t 2 - 4 ) 和引理四我们得到了y ( e 【c 形( ”，】) 完整的定义。 下表给出竞争窗口的估计值 m = 2 3 4 0 6 0 4 5 8 m = 3 3 79 4 9 8 2 l m 2 = 5 4 52 5 1 7 7 0 m = 1 0 6 1 7 0 2 3 17 表2 4 结论： e ( 2 - 1 ) ( 2 - 3 ) 和引理三我们得到( 2 - 8 ) p 2 幽。+ 塑鼍尝华骅 e c o l l + r + d i f s 嗍s 】 m p 。“1坳( 1 _ “ 。 ( 2 8 ) 通过计算竞争窗口均值，p 并利用前面的算法我们得到了i e e e 8 0 2 1 1 d c f 的吞吐量性能上限。 下面给出了在三种网络状况下( m = 2 ，m = 5 ，m = i o ) 的吞吐量性能： 图2 2 图2 5 分别为传输速率为1 m b p s 、2 m b p s 、5 5 m b p s 、11 m b p s 时帧长 度和吞吐量性能的关系。 山东大学硕士论文 ee _ 日_ _ _ e ! ! 目l l j ! ! ! ! ! ! s e ! _ = e ! = i m b p s r h r o u g h l ，u t f 1 9 00 0 0 0 8 00 0 t x j 7 00 ( 1 ( x j 6 00 0 0 0 5 0 0 0 0 0 4 0o ( y j o m ) 0 0 ( ) 0 2 00 0 0 0 j 0o t j ( h l 00 0 ( h 1 m = 5 ，一 i 三7 ， 么 二一一 。 i | f ( x j ( i o叭5 0 0 0 0 0 0 0ls i h k i二0 ( 1 0 0二5 0 0 0 t h r o u g h p u t ( i ； 0 0 ，0 0 0 0 8 00 【h 【l 7 0o ( k m 6 00 0 ( j ( j 5 00 0 0 0 4 00 0 0 0 3 00 0 0 0 2 00 0 0 0 1 00 0 0 0 00 0 0 0 图2 2 2 m b p s m = 5 ，一一 l l i 乏 ，一 - i l f f f r a m e l c 图2 3 2 4 h c b ”“lx1 0 3 山东大学硕士论文 s 5 m b p s h r o u g h p t n ( ) 8 u ( r 1 0 0 7 0o o q o 6 00 0 0 0 5 0 m h m 4 0 州1 0 l i ) l 【 c l 二f 】【 ( i ( ) l ( j j 州l j f “j 1 fj j 叫i f ( if “i j i j 5 0 t j ( d o 4 l 0 t ( 卅 3 00 0 0 0 2 00 0 0 0 1 00 0 ( 呦 ( ) 0 l i ( m m = 2 ，e 曼 f = ：= l m ：5 酗爿i ， 岁7 汐 瓣 涛 图2 4 1 1 m b p s o 多岁 三：) 一 m 。5 柏- i ，、7 ， ， z 掌 ； 1 图2 5 2 5 山东大学硕士论文 通过以上分析得出下列结论： 1 ) p 坚持的模型性能是i e e e 8 0 2 1 1 协议性能的上限。 2 ) 当m 增大时，网络性能下降。这是由于m 增大导致平均竞争窗口的 增大，从而延长了平均退避时间。 3 ) 使用短帧时网络效率较低，这是由于短帧更易受到协议开销( 例如： d i f s ，s i f s ，a c k 等开销) 的影响。 4 ) 当工作在1 m b p s 、2 m b p s 时，其帧长度分别大于3 0 0 字节、6 0 0 字节， 网络效率较高且受帧长度的影响较小。 当工作在5 5 m b p s 、1 1 m b p s 时，其帧长度分别大于1 5 0 0 字节、3 0 0 0 字节时( i e e e8 0 2 1 1 规定最大帧长度为2 3 4 6 字节，不使用w e p ) ， 网络效率较高且受帧长度的影响较小。 当帧长度分别小于这些门限值时，网络效率较低且受帧长度的影响较 大，帧长度越小效率越低。 些垒鳖丝生垒坠一 第三章i e e e8 0 2 1 1 协议的仿真分析 影响i e e e8 0 21 1 性能的主要因素有传输速率、r t s c t s 的使用门限、 分组的长度，隐藏工作站和信道干扰等因素。我们不考虑隐藏工作站和信 道干扰的影响，主要对能够提升网络性能的传输速率、r t s c t s 使用门限、 分组长度的因素进行研究，找到优化网络性能的参数设置。 仿真工具采用加州大学伯克力分校的网络仿真软件n s 2 1 b 9 。 仿真网络类型为目前应用最广泛的i e e e8 0 21 1 b 无线局域网。 假定业务类型服从泊松分布。 以下仿真参数的设置如图3 1 图3 1 仿真参数的设置4 i参数名 参数值 s i f s 】o u s p i f s3 0 u s l i d i f s5 0 u s is l o t t i m e2 0 u s c c a1 5 u s r x t x t u r n a r o u n dt i m e5 u s p r e a m b l e l e n g t h 1 4 4 u s p l c p h e a d e r l e n g t h 4 8 u s c w m i n 3 l c w m a x1 0 2 3 d a t a r a t e 1 m b p s ，2 m b p s ，5 5 m b p s ，1l m b p s 山东大学硕士论文 ! ! ! e ! e | ! ! ! ! _ j ! 自! ! ! 自!