（通信与信息系统专业论文）ieee+80211无线局域网性能分析.pdf

原创性声明 y 1 0 6 6 6 2 2 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：翌塞! l 墨尘翌日期：丝丑幺蛰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：翌塾丝瑾导师签名勉日期：丝磁叁丝 山东大学硕士学位论文 中文摘要 近年来，由于无线局域网具有使用方便，组网迅速，以及高可靠性等优点， 因此得到了飞速的发展。人们对无线局域网的研究也就成为了近年来网络研究中 的一个热点。由于i e e e8 0 2 1 1 无线局域网采用无线信道进行数据传输，因此会 产生冲突以及各种干扰。为了解决无线信道对数据传输带来的问题，局域网采用 了载波监听多路访问机制，但是这种机制引入了很多额外的控制帧。这些额外开 销的出现，使人们更加关心8 0 2 1 1 局域网实际的吞吐量性能。因此出现了很多分 析局域网性能的数学模型。 本文从分析8 0 2 1 1 无线局域网性能的基本模型入手，在深入分析现有的各种 数学模型的基础上，针对它们的不足，利用条件概率和马尔可夫链的数学工具， 提出了一种改进的在非理想信道条件下分析无线局域网饱和吞吐量性能的数学模 型。这个模型考虑了信道“捕获”和退避“冻结”等问题，同时采用条件概率建 立了数学模型。在i e e e8 0 2 1 l b 无线局域网定义的不同数据速率下，利用该模型 对基本访问机制和r t s c t s 访问机制进行了分析。 该模型适用于理想和非理想信道下各种不同传输速率的8 0 2 1 1 无线局域网的 性能分析。仿真表明该模型的计算结果精确，并与仿真结果相吻合。 关键词：8 0 2 1 l ；无线局域网：饱和吞吐量；条件概率。 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t h lt l l er e c e n ty e a r s 。w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k s ( w l a n s ) h a v ear a p i dd e v e l o p m e n to f t h e i rc o n v e n i e n c e 。q u i c k l ye s t a b l i s h m e n ta n dh i g hc r e d i b i l i t y t h e s ea d v a n t a g e sm a k e t h er e s e a r c ho nw i r e l e s sl o c a ln e t w o r k sb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r ti n t h ef i e l d so f n e t w o r k s b e c a u s eo fd a t at r a n s m i s s i o no fi e e e8 0 2 1 lw l a n su s i n gaw i r e l e s s c h a n n e l c o l l i s i o na n di n t e r f e r e n c ea r en o ta v o i d a b l e 。w l a n su 辩ac a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s sm e c h a n i s m , w h i c hl e a d st om o r ec o n t r o lf r a m e s ，t os o l v et h ep r o b l e m s b r o u g h tb yaw i r e l e s sc h a n n e l b e c a u s eo f t h eo v e r h e a d , p e o p l ea r ei n t e r e s t e di nt h er e a l t h r o u g h p u t p e r f o r m a n c e o f 8 0 2 i iv n - , a n s t h e b m a n ya n a l y 缸m o d e l s a p p e a r w ec o m p a r e da n da n a l y z e dt h ea n a l y t i cm o d e l sw h i c hh a da p p e a r e dc o m p r e h e n s i v e l y t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft h e s em o d e l s 。w ep r o p o s eai m p r o v e dm o d e lt o e s t i m a t et h es a t u r a t i o nt h r o u g h p u to fi e e e8 0 2 11 f o ral o s s 5 , c h a n n e l t h i sm o d e l ， i n v o l v e di nc a p t u r ee f f e c t sa n db a c k o f ff r e e z i n gp r o c e d u r e s ，i sb a s e do ne l e m e n t a r y c o n d i t i o n a lp r o b a b i l i t ya r g u m e n t s t h e nt h ep a p e ru s e st h sm o d e lt oa n a l y z et h e p e r f o r m a n c e o f t h e b a s i ca c c 龉s a n d r t s c t sa c g e s $ m e c h a n i s m s o f i e e e 8 0 2 1 i b 1 1 1 i sm o d e l w i t hd i f f e r e n td a t ar a t e s ，a p p l i e st ob o t hi d e a lc h a n n e la n dl o s s yc h a n n e l c o n d i t i o n si np e r f o r m a n c ea n a l y s i so fi e e e8 0 2 1 lw l a n s s i m u l a t i o nr e s u i t ss h o w t h a tt h ea n a l y s i sa c c u r a t e l yp r e d i c t st h es a t u r a t i o nt h r o u g h p u t k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 1 1 ；w i r e l e s sl a n s ；s a t u r a t i o nt h r o u g h p u t ；c o n d i t i o n a l p r o b a b i l i t y 2 山东大学硕士学位论文 符号说明 w l a n a p b s s m s s e s s m a c d c f p c f n 戳 c s m 腓 c w s s 璩s d s e i f s p 吣 p c 砥s | c x s s s r c v c s c r c n s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k a c c e s sp o i n t b a s i cs e r v i c es e t i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t e x t e n d e ds e r v i c es e t m e d i a a c c e s sc o n t r o l d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n n e t w o r k a l l o c a t i o nv e c t o r c a i t i e l s e n s e m u l t i t l ea c c e s s c o i l i s i o na v o i d a n c e c o n t e n t i o nw i n d o w i n t e rf r a m e s p a c e s h o r ti n t e rf r a m es p a c e d c fi n t e rf r a m es p a c e e x t e n d e di n t e rf r a m e s p a c e p 四i n t e rf r a m es p a c e p o i n tc o o r d i n a t o r r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d s t a t i o ns h o r tr e t r yc o u n t v i r t u a lc a r r i e rs e n s e c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k n e t w o r ks h n u l a t o r 无线局域网 接入点 基本服务集 独立服务集 独立服务集 媒体访问控制 分布式协调功能 中心协调功能 网络分配矢量 载波侦听多路访问 ，冲突避免 竞争窗口 帧问间隔 短帧间间隔 d c f 帧间间隔 扩展的帧间间隔 p c f 帧间间隔 点协调器 请求发送，响应发送 站点短重传计数 虚拟载波侦听 循环冗余码校验法 网络仿真器 山东大学硕士学位论文 引言 随着计算机网络和无线通信技术的发展，以及i n t e r n e t 应用和各种便携机、 p d a ( p e r s o n a ld a t aa s s i s t a n t ) 等移动智能终端使用的日益增长，无线网络的发 展异常迅速，它给广大用户提供了诸多便利( 随时随地自由接入i n t e r n e t 、能享受 更多的、安全且有保障的网络服务) 。与有线网络相比，无线局域网具有以下优点 i i 卅： 安装便捷：一般在网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响最大的就是 网络布线旋工工程。在施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线架管。而无线局域 网最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接 入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。 使用灵活：在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。 而一旦无线局域网建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入 网络。 经济节约：由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未 来发展的需要，这就往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展 超出了设计规划，又要花费较多费用进行网络改造，而无线局域网可以避免或减 少以上情况的发生。 易于扩展：无线局域网有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样无线 局域网就能胜任从只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络，并且能够 提供像“漫游( r o a m i n g ) ”等有线网络无法提供的特性。 由于无线局域网具有多方面的优点，所以发展十分迅速。在最近几年里，无 线局域网已经在医院、商店、工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广泛应 用。 由于无线网络的节点具有移动性，拓扑结构动态变化，信道资源有限，链路不 稳定，功率受限，因此，传统有线网络中的一些协议或机制不能很好地适用于无 线网络，针对无线网络本身的特点，主要有以下问题需要进行研究铲” 多跳无线网络中的路由协议； 4 山东大学硕士学位论文 t c p 在无线网络中的性能及公平性问题； 隐藏终端和暴露终端问题； 无线网络中的服务质量( q o s ) 保证，包括q o s 路由、资源预留、区分服务、 信令机制等； 移动终端的能源管理； 物理层、m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层的协议性能及改进。 对于无线网络中的大多数问题来说，如公平性、t c p 性能、隐藏和暴露终端等 问题，其根本原因在于无线信道共享。因此，近年来，无线网络m a c 层协议的性 能和改进方面的问题一直是研究的热点。 本文的研究目标是提出一种改进的在非理想信道条件下分析无线局域网饱和 吞吐量性能的数学模型，能够准确的计算出无线局域网在实际运行情况下可以达 到的吞吐量。为了达到这个目标，已经有很多科研工作者做了大量的工作。我们 首先对他们提出的模型进行了深入分析研究，针对它们的不足，提出了自己的改 进的数学模型，并通过仿真对这个改进的模型进行了验证，证明了改进的模型可 以精确的计算出网络的饱和吞吐量。 论文的主要安排如下： 第一章主要介绍了无线局域网的一些基本知识，包括组成、结构、相关的i e e e 8 0 2 11 系列协议及其m a c 层协议等； 第二章介绍了已经出现的对无线局域网进行性能分析的数学模型； 第三章是整篇论文的重点，提出了一种改进的分析无线局域网性能的数学模 型； 第四章对提出的数学模型进行了仿真验证； 第五章为结束语，对整篇论文进行了总结，并今后的工作进行了展望。 5 山东大学硕士学位论文 第一章无线局域网概述 1 1 无线局域网的网络构件 无线局域网由无线接入点a p 、无线网卡n i c 、无线网桥及配套软件组成。一个 w l a n 内的所有用户都具有一个可以实现无线连接的无线网卡，它们通过一个称为 a p 的无线h u b 组成无线局域网络，两个或多个局域网络通过无线网桥连接起来。 1 无线网卡( n i c ) 无线网卡是高频、宽带无线组网设备。它通过采用载波监听访问协议把无线 终端连接起来。目前无线网卡规格可分为p c m c i a ，i s a p c i ，u s b 等几种 2 访问节点( a c c e s sp o i n t ) 无线访问节点a p 主要用于w l a n 子网中，是无线子网的基站。它们是多个 r l a n 站点组网时，作为子网核心必不可少的设备，提供子网内无线设备的组网。同时 它也实现w l a n 和有线局域网之间的桥接，把无线网络与有线网络连接起来。功能 包括桥接，移动管理，节能管理和同步。 3 无线网桥( w i r e l e s sb r i d g e ) 无线网桥是为使用无线( 微波) 进行远距离点对点网间互联而设计。它是一种 在数据链路层实现l a n 互联的存储转发设备，可用于固定数字设备与其它固定数字 设备之间的远距离、高速无线组网。特别适用于城市中的远距离高速组网和野外 作业的临时组网。 只实现链路层功能的无线网桥是透明网桥，而具有路由等网络层功能、在网 络层实现异种网络互联的设备叫无线路由器，也可作为第三层网桥使用。 4 无线网关( w i r e l e s sg a t e w a y ) 无线网关，也叫无线协议转换器，它在传输层实现网络互联，是最复杂的网 间互联设备，仅用于两个高层协议不同的网络互联。 无线网关通过不同设置可完成无线网桥和无线路由器的功能，也可以直接连 接外部网络，如w a n ，同时实现a p 功能。 6 山东大学硕士学位论文 1 2i e e e8 0 2 1 1 伽无线局域网 1 2 1i e e e8 0 2 1 1 系列协议 1 9 9 7 年6 月，i e e e 组织推出了无线局域网标准i e e e8 0 2 1 1 。该标准定义 了物理层和介质访问控制层规范，它可以支持的数据速率为l l d b p s 和2 m b p s ，工作 在2 4 g h z 频段。 由于8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 组织又 相继推出t 8 0 2 1 l a “”和8 0 2 1 l b “”两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于 物理层。 i e e e8 0 2 1 1 a 扩充了8 0 2 1 1 标准的物理层，规定物理层工作在5 g l t z 频段，在 射频采用多载波调制技7 卜正交频分复用( o f d m ) 调制技术来传输数据，支持的 速率有6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、4 8 和5 4 m b p s 。 由于8 0 2 1 l a 标准的速率要求并不容易实现，因此i e e e 组织又推出了8 0 2 1 l b 标准。与8 0 2 1 1 的物理层相比，这个标准仍然是工作在i s m 波段的2 4 g h z 频段，但 除了1 m b p s 和2 m b p s 外，还支持5 5 m b p s 和l l m b p s 两个新速率。8 0 2 1 l b 在与原来的 8 0 2 1 1d s s s 技术兼容的基础上，融入了补码键控( c c k ) 的调制方式，将数据速率 提高到l l m b p s 。另外，还采用了一种可选的编码方案：分组二进制卷积码( p b c c ) 方 式。因为这种方式能提高3 d b 的编码增益，所以使得当站工作在5 5 和l l m b p s 时， 能提供更好的性能。但是，8 0 2 1 l b 标准不能与8 0 2 1 l a 兼容。 由于8 0 2 1 1 a 并1 1 8 0 2 1 l b 标准互不兼容，8 0 2 1 l g “8 草案标准应运而生。它规定 8 0 2 1 l b 为必备的执行模式，同时规定o f d m 为必备的调制技术，在2 4 g h z 波段提供 8 0 2 1 l a 的速率，并提供可选模式c c k o f 咖和p b c c 一2 2 方式。通过采用两种调制方 式，既达到了用2 4 6 h z 频段实现i e e e8 0 2 1 l a 规定的数据传输速率，也确保了与 i e e e 8 0 2 1 l b 产品的兼容。 另外，i e e e 组织还制定t 8 0 2 1 l e ，8 0 2 1 l h ，8 0 2 1 l i ，8 0 2 1 l j 等标准“”。 1 2 2i e e e8 0 2 ”网络拓扑结构 i e e e8 0 2 1 1 网络由移动终端( s t a ) 和无线接入点( a p ) 组成，它们相互作用形 成一个无线l a n ，使得移动终端的移动性对高层协议透明。i e e e8 0 2 1 1 标准支持 7 山东大学硕士学位论文 两种拓扑结构“”“”：独立基本服务集( i b s s ) 网络和扩展服务集( e s s ) 网络。这些网 络使用一个基本构件块，8 0 2 1 l 标准称之为基本服务集( b s s ) ，它提供一个覆盖区 域，使b s s 中的站点保持充分的连接。一个站点可以在b s s 内自由移动，但如果离 开了b s s 区域就不能与其他站点建立直接连接了。 当一个8 s s 内的所有终端都是移动终端并且和有线网络没有连接时，该b s s 称 作独立基本服务集( i b s s ) ，如图1 1 所示。i b s s 中的所有移动终端都可以相互自 由通信。i b s s 是最基本的8 0 2 i1 无线局域网，至少包括两个无线站点。i b s s 没有 中继功能，一个移动终端要想和其他移动终端通信，必须处在能够直接通信的物 理范围之内。因为i b s s 不需太多规划就能被快速建立，所以常常被称为特别网络 ( a dh o cn e t w o r k ) 。 图1 - 1a dh o c 网络 当一个k s s 中包含无线接入点( a p ) 时，由a p 和分布式系统( d i s t r i b u t i o n s y s t e m ) 相互连接就可以组成扩展服务集( e s s ) ，如图1 - - 2 所示。无线接入点除了 本身是一个独立的终端之外还提供对分布系统的接入服务。在这种网络中，所有 的移动终端通过a p 相互通信。a p 既为本b s s 提供中继功能，还提供了对分布式系统 的接入。如果b s s 中的一个移动终端要和其他移动终端通信，数据将首先被发送到 源端所在的b s s 的a p ，然后由a p 通过分布式系统转发到目的端所在b s s 的a p ，再由 这个a p 发送到目的端。这样a p 起到了缓存发往当前正处于节能模式的移动终端的 数据的作用。 8 山东大学硕士学位论文 图1 - - 2 带有基础设备的无线网络 1 2 3i e e e8 0 2 1 l 协议参考模型 i e e e8 0 2 1 1 协议主要由物理层和数据链路层的m a c 子层组成，其中物理层又 分为物理层汇聚( p l c p ) 子层和物理层媒质依赖( p m d ) 子层。i e e e8 0 2 11 协议参考 模型如图i - - 3 所示。参考模型中各层之间、管理实体之间以及层与管理实体之间 主要通过服务访问点进行访问，利用服务原语彼此建立联系。l l c 层通过m a c 服务 访问点与对等的l l c 实体进行数据交换。本地, m a c 层利用下层的服务将一个m s d u 传 给一个对等的m a c 实体，然后再由该对等m a c 实体将数据传给对等的l l c 实体。 r 1 i l l c i m a c p h y m a cm a cl a y e r s u b l a y e r 卜+ m a n a g e m e n t p l c ps u b l a y e r v + m a n a g e m e n t g l e a m y e e n r t i p m ds u b l a y e r + 图l 一3i e e e8 0 2 i i 协议参考模型 1 3i e e e8 0 2 1 1 卧c 层协议 s t a t i o n m a n a g e m e n t i e e e8 0 2 i i 规定在m a c 层采用两种介质访问方式：分布式控制方式 ( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，d c f ) 和中心控制方式( p o i n tc o o r d i n a t i o n 9 山东大学硕士学位论文 f u n c t i o n ，p c f ) 。其中，d e f t 作在竞争期( c p ) ，p c f 工作在非竞争期( c f p ) ，这两 种工作模式的关系如图1 - - 4 。如果没有特别说明，都认为后面研究的无线局域网 采用分布式控制方式( d c f ) 。 图1 _ 4i ) c f 与p c f 的关系图示 1 3 1 分布式控制方式( f ) c d n h 瞳h 喇舳瞬陀f 分布式控制方式是物理层兼容的工作站和访问节点( a p ) 之间自动共享无线介 质的访问协议，是8 0 2 1 1m a c 层采用的主要的访问协议。8 0 2 1 1i ) c f 采用具有冲 突避免的载波监听多路访问( c s 姒c a ) 协议”“进行无线介质共享。 1 3 1 1c s 一 ，肌 载波监听机制； 物理层和虚拟载波监听机制可以让m a c 层监听介质处于繁忙还是空闲状态，见 图1 - - 5 。物理层控制机制提供的物理信道评估结果发送到m a c 层，作为确定信道状 态信息的一个因素。 1 0 山东大学硕士学位论文 开始( 有帧需要发送) 图卜5c s 姒c a 的控制方式流程图 m a c 层控制机制利用帧中持续时间字段的保留信息实现虚拟监测机制。这一保 留信息向所以站发布本站将使用介质的消息。m a c 将监听所以 i a c 帧的持续时间字 段，如果监听到的值大于当前的网络分配矢量( n v ) 值，就用这一信息更新该工作 站的n a v n a v i 作起来就像一个计数器，开始值是最后一次发送的帧的持续时间 字段值，然后倒计时至0 。当n v 的值到达0 ，且物理层控制机制表明有空闲信道时， 这个工作站就可以发送帧了。 物理信道评估和n a v 的内容为m a c 决定信道状态提供了足够的信息，只有二者 山东大学硕士学位论文 都认为信道空闲时，才能发送帧。 随机退避机制： 当一个节点需要发送帧时，要调用载波侦听机制来确定信道的忙闲状态，如 果信道忙，它将推迟直到信道处于空闲状态的时间达到一个d i f s 长度。为了避免 发送冲突，这时该节点在发送前必须经过一个附加的退避周期，将产生一个随机 的退避时间( b a c k o f ft i m e ) ，并存入退避计数器，如果退避计数器中己经包含有 一个非0 的值，那么就不再执行产生随机退避时间的过程。退避时间的产生方法 如下： b a c k o f f r i m e = r a n d o m o x a s l o t t i m e 其中r a n d o m ( ) 是均匀分布在 o , c w 】范围内的随机整数，竞争窗口 ( c o n t e n t i o nw i n d o w ，c l r ) 是介于由物理层特征决定的最小竞争窗口c 1 。和最大 竞争窗口c 之间的一个整数值，即c 1 c w c w e 。a s l o t t i m e 是由物理 层特性决定的一个时隙的实际长度值，退避时间是一个以时隙为单位的随机整数。 一个节点执行退避过程时，在每一个时隙中侦听信道的状态，如果信道闲， 则将退避时间计数器减l ；如果信道忙，则退避时间计数器被冻结( 即不再递减) ， 直到侦听到信道处于连续空闲状态达到d i f s 时间，退避过程重新被激活，继续递 减。当退避计数器递减到0 时，节点就可以执行发送。当多个节点同时竞争信道时， 每个节点都经过一个随机时间的退避过程，才能占据信道，这样就大大减少了冲 突发生的概率。另外，通过采用退避过程中的冻结机制，使得被推迟的节点在下 一轮竞争中无需再次产生一个新的随机退避时间，只需继续进行计数器递减，那 么，等待时间长的节点的优先级就高于新加入的节点，就可能优先得到信道，从 而维护了竞争节点之间一定的公平性。 山东大学硕士学位论文 s 鼬 6 蛳i b l m u o n b l m l l a n s l m l o m d i 秘 口h h ，一 f h m h hb 酬 。1 _1 4f 憎m i i 呐 垡蚺鼬兰 lf r l o w h 蛔 i d h - ir m a m 棚 晔 _ if m_ _ h 。h _ 一 a m i 由_ - c 明啊w h 口b m 曲o l f i r m m h l m m m u l m 图1 - 6 退避机制工作原理 图1 - 6 显示了退避过程。在节点a 发送时，节点b ，c ，d 都有帧要发送，等待 信道连续空闲d i e s 时间后，进入退避阶段，每个节点在c l r 内随机产生一个退避 时间。因为节点c 所产生的退避时间最短，它的退避计时器最先减至0 ，从而开始 发送帧，同时节点b 和d 的退避计时器被冻结。在节点c 的传送过程中，节点e 也有帧要发送，进入等待过程。信道空闲d i e s 后，节点b 和d 的退避计时器解冻， 节点e 产生随机退避时间。因为节点d 的退避计时器最先减至0 ，所以节点d 获得 发送机会。 每个节点都要维护一个c w 参数，c w 的初始值为c w 0 。当一个节点发送失 败时，该节点的c w 就会增加一倍，以后，该节点每次因发送失败而重传时，c w 都会增加一倍，即c w = 2 4 ( c 1 ：i ，血+ d - l ，其中m 为重传次数。当c w 的值增加到 c w 。时，再连续重传时c w 的值将保持为c w 。不变，直到该节点发送成功，或 者达到了最大重传次数限制，c w 将被重新置为c 矸o 。 这样就带来了一个公平性问题：对于一个发送成功的节点来说，当它要继续 发送新的帧时，它的退避计数器是从最小范围内选取的，这使得它选取一个小退 避值的概率远远大于其它节点，尤其是当其它节点因多次发送失败而使得退避窗 口很大。从而使退避值的选择范围很大时。所以，一个发送成功的节点发送新的 帧时很可能要优于发送失败节点对帧的重传。 1 3 1 2 差错恢复机制 由于干扰和碰撞等原因，可能对帧序列产生破坏，因此，工作站在进行帧交 山东大学硕士学位论文 换的同时，要完成差错恢复任务。差错恢复通常包括一段时间间隔之后，如果收 不到来自目的工作站的响应信息，则对帧进行重发。这个过程通常称为自动请求 重发( a r q ) ，常用于响应帧不可识别的情况。 为了控制重发的次数，m a c 层对短帧和长帧区别对待，分别设定了各自的最大 重传次数，当达到最大重传次数后如果发送再次失败，工作站将丢弃此帧。 1 3 1 3 帧间间隔 8 0 2 1 1 协议定义了工作站访问介质的几种时间间隔标准，并提供了多种访问 优先级。图l 一7 说明了这些帧间间隔。每一种间隔均定义了上一个发送的帧的结 束标记到下一个发送帧的开始标记之间的时间。 d i f s ：1 ；p i f s ：一l 卜忙陉一7 w f m l 图1 7 各种帧问间隔 ( 1 ) 短帧间间隔( s i f s ) ：s i f s 是最短的帧间间隔，当一个节点需要占用信道并 持续执行帧交换时使用s i f s ，这时如果有其它节点要使用信道，必须等待信道空 闲并持续一个更长的时间间隔才能参与竞争，从而使用s i f s 的节点具有最高的优 先级。s i f s 主要用于确认帧a e k ，响应帧c t s 以及一个分段序列中第二个分段之后的 子帧等的发送。 ( 2 ) p c f 帧间间隔( p i f s ) ：p i f s 是工作在中心控制方式下的工作站获得介质访 问权的时间间隔，它的优先级高于分布式控制方式。这类工作站一旦监听到介质 空闲，就可以进行无竞争的通信。这种时间间隔使得中心控制方式的工作站获得 比分布式方式的工作站更高的帧发送优先级。 ( 3 ) d c f 帧间间隔( d i f s ) ：所有工作在分布式控制方式下的工作站都使用d i f s 来发送数据帧和管理帧。基于d c f 的帧发送优先级比基于p c f 的帧发送级别低。 ( 4 ) 扩展帧间间隔( e i f s ) ：所有基于d c f 的工作站采用e i f s 的间隔在不正 1 4 山东大学硕士学位论文 确的p e s 值导致错误的帧接收情况下作为等待时问。 1 3 1 4r t s c t s 隐藏终端问题是无线网络比较棘手的一个问题，如图1 - - 8 所示。a 、b 、c 分别 为三个无线节点，a 和c 都在b 的覆盖范围内，因此a 与b 、c 与b 之间均可互相通信。 但同时，a 和c 互相不在对方的覆盖范围内，e p a 与c 不可直接通信。当h 和c 同时监 测到信道空闲时，会同时发送数据，从而在b 处引起冲突，这就是隐蔽终端问题。 图1 - 8 隐蔽终端问题 为了解决这种隐蔽终端问题，d c f 可利用请求发送( r e q u e s tt os e n d ，r t s ) 和 清除发送( c l e a rt os e n d ，f i r s ) 两个控制帧来进行信道预约。这种机制是可选的， 但是每个i e e e8 0 2 1 1 协议网络中的节点都必须支持此功能，以保证可以响应r t s 帧。 在等待一个d i f s 及退避计数器指向零时，发送站首先发送一个r t s 帧，r t s 帧的优先级与其它数据帧相同。r t s 帧中包含数据帧的接收站地址和整个数据传输 的持续时间。在这里，持续时间指的是传输整个数据帧和其应答帧的所有时间。 收到这个r t s 帧的所有节点都跟据其持续时间域( d u r a t i o nf i e l d ) 来更新自己的 n a v 。 接收站在收到r t s 帧之后，等待一个s i f s 之后，用一个c t s 帧进行应答。c t s 帧内也包含持续时间域。所有接收到f i r s 帧的节点必须再次更新各自的n a v 。收到 r t s 和f i r s 的节点集合不一定完全重叠，那么在所有发送站和接收站覆盖范围内的 节点都会收到通知，在发送信息之前必须等待一段时间，即信道在这段时间内被 唯一的分配给了抢占到信道的发送站及其接收站。 山东大学硕士学位论文 在发送站和接收站进行了r t s c t s 握手之后，经过一个s i f s ，发送站开始传输 数据帧。接收站在收到数据帧之后等待一个s i f s ，用a c k 帧进行应答。此时传输过 程已经完成，发送站及接收站覆盖范围内的节点中n a v 值指向零，各节点进入下一 轮信道争用。工作原理如图i - 9 所示。 舻：嗣 l 帑丌硼 _ 叫h | h | 叫m朝糟艄慨稠 l 脚霄鸭l| i 毒柏啪* 鼬哺妊 m w0 叮暗 d - r 0 a _ 矗埘 - d 一 图1 9r t s c t s 访问机制工作原理 同时，由于r t s 帧的长度比较短，所以即使发生冲突，冲突的时间也比较短。 因此当比较长的数据帧要发送时，往往也会采用r t s c t s 机制，可以减少冲突发生 的时间。根据8 0 2 i i 协议的描述，对是否采用r t s c t s 机制有三种方案：一直采用； 永远不用；当帧长超过门限时采用。 1 3 2 中心控制方式( p c f ) 中心控制方式( p c f ) 是优先级高于分布式控制方式( d c f ) 的访问方式，提供对 无线媒质的无竞争访问。在这种工作模式下，置于访问节点( a p ) 中的中心控制器 ( p c ) 控制来自工作站的帧的传送。工作站均在p c 的控制下获得对媒质的有限访问。 中心控制器在其发出的查询帧中使用p i f s ，因为p i f s 小于d i f s ，因而中心控制器 总是能获得对介质的访问并且在其发送查询帧、接收响应时，把异步通信全部都 锁住。p c 在每一个无竞争期开始，都对介质进行监测。如果介质在p i f s 间隔之后 仍然空闲，p c 就发送一个包含无竞争期各项参数的信标( b e a c o n ) 帧。在含有a p 的 b s s 中，信标帧用于保证相同物理网络中工作站的同步，它包含时戳( t i m e s t a m p ) ， 所有工作站都利用时戳来更新计时器，8 0 2 i i 定义其为时间同步功能( t s f ：t i m i n g s y n c h r o n i z a t i o nf u n t i o n ) 计时器。工作站接收到信标帧后，利用c f 参数设置中 1 6 山东大学硕士学位论文 的c f p m a x d u r a t i o n 值更新它们的n a v 。该值向所有工作站通知无竞争期的长度，直 到无竞争期结束才允许工作站获得对介质的控制权。 发送信标帧后，p c 等待至少一个s l f s 间隔，然后发送下列帧之一：。 ( 1 ) 数据帧：这种帧直接从p c 发往某个特定的工作站，如果p c 没有收到接收端 返回的确认帧( a c k ) ，它就会在无竞争期内的p i f s 问隔后重发该帧。除了这种单点 传输的数据帧，p c 还可以向所有的终端( 包括处于节能模式下的终端) 发送广播帧， 因为所有处于节能模式下的终端每隔t i m ( t r a f f i ci n d i c a t i o nm a p ，业务指示表) 时间都要转入活动状态接收p c 发出的信标帧 ( 2 ) 无竞争轮询帧：p c 向某个工作站发送无竞争轮询帧，授权该工作站可 以向任何其它目的终端发送数据。如果被轮询的工作站没有数据要发送，它就发 送一个空数据帧。如果该站没有收到己发送数据的确认帧，则必须在被p c 再次轮 询时重发未被确认的帧。 ( 3 ) 数据帧十无竞争轮询帧：p c 向某个工作站发送数据，并轮询其是否有数据 发送，这样可以减少因分两次发送和确认带来的系统开销。 ( 4 ) 无竞争结束帧：这种帧用于确定竞争期的结束。 工作站可以选择是否被p c 轮询，它在a s s o c i a t i o nr e q u e s t ( 连接请求) 帧的功能信 息字段的c f - p o l l a b l e ( 可轮询c f ) 和c f p o l l _ e q u e s t 中表明自己能否被轮询和是 否要求被轮询。工作站可以通过重新连接请求来改变现有的连接属性，表达是否 愿意加入轮询队列。p c 维护着一个轮询队列，每个非竞争期p c 至少会发送一次 c f p o l l ，从而使队列中的工作站都有可能被p c 轮询。 1 7 山东大学硕士学位论文 第二章ie e e8 0 2 11g a c 层性能分析的数学模型 近年来，无线网络m a c 层协议的性能方面的问题一直是研究的热点。针对 8 0 2 i im a c 层主要采用的d c f 访问机制，很多专家和学者提出了很多方法进行性 能分析。这些方法可以比较准确的计算出8 0 2 i i 无线局域网的吞吐量性能，同时 还对今后无线局域网的发展起到了积极的影响。目前，对i e e e8 0 2 i id c f 进行 性能分析采用的方法有很多。其中，以马尔可夫链为基础的分析方法是目前主流 的分析方法。 2 1 以马尔可夫链为基础的数学模型 b i a n c h i 首先提出采用二维马尔可夫链的数学模型嘲对i e e e8 0 2 儿无线局域 网进行饱和吞吐量分析。此数学模型假定信道是理想的且不存在隐藏终端，同时 局域网内站的数目阼是确定的，每个站在任何时刻都有数据要发送，即网络处在饱 和状态下，各个站的发送队列始终是非空的。令f 表示某个站在一个随机时隙要发 送数据的概率，这个概率不依赖于所使用的访问机制( 即基本访问机制或r t s c t s 访问机制) 。然后，通过研究发生在任意选取的一个时隙内的事件，分别将基本访 问模式或r t s c t s 访问模式下的吞吐率表示为概率f 的函数。 2 1 1 帧发送概率 定义为最小退避窗口。令m 为最大退避阶数，则最大退避窗口为2 “在 退避阶数j 【o m 】，退避窗口的值为w = 2 j w 。令随机过程j ( f ) 表示某一个站在时 刻f 在退避阶数【o m 】中的取值，令随机过程b ( t ) 为某一个站在时刻t 的随机退避 值，将在 0 ，w 一1 】中以等概率随机选取。再在一个数据包传输的过程中，不管经历 了多少次重传，都假设有独立的冲突概率p ( 常量) 显然，w 和 越大，此假 设就越准确。p 是条件冲突概率，指一个在信道上传输的数据帧面临的冲突概率。 此时，就可以把二维过程 s ( f ) ，6 ( f ) ) 看作时间离散的马尔可夫链，其状态转移图见 图2 1 。 1 8 山东大学硕士学位论文 ( a - p ) w o ( i - p ) w o ：i 蔓阿一_ ( 巡兰y 弋唑：! ) 图2 1 二维马尔可夫链状态转移图 根据8 0 2 1 1 协议的规定，此模型的非零的一步状态转移概率为： 七( o ，1 配一1 ) ，f ( o ，m ) 七k ：鼢：麓i 船 亿， ( 0 ，孵一1 ) ，( 1 ，m ) 。 七( o 既一1 ) 其中，第一个公式表示正常退避状态下，在每个时隙的开始，窗口值减1 而 阶数不变；第二个公式表示发送成功后，站点为下一个新的数据帧启动退避过程， 此时退避阶数为0 阶，退避计数器在0 到最小退避窗口之间随机选择；第三个公 式表示在第f 一1 阶因为冲突而导致发送失败后，退避阶数加1 ，退避窗口增加一 倍，新的退避计数器在0 到新的退避窗口之间随机选择；最后一个公式表示退避 窗口达到协议规定的最大值时，如果发生冲突而导致发送失败，退避窗口将保持 不变令= 烛p j ( f ) = 6 0 ) = _ | 】，i e ( o ，m ) ，七( o w 1 ) 表示l a r k o v 模型的稳 态分布，可得： 1 9 一搿黜一 p 山东大学硕士学位论文 b ；, o = p i = 焉铲等( o 盱1 ) ( 2 2 ) 令f 为每个站点的发送概率，则可得到表达式： ，一亡l l 1 一p “1 f = i = o 岛o _ 昔，一， ( 2 3 ) 冲突概率p 可以理解为，在一个时隙内，除了当前节点正在发送外n - 1 个节 点中至少有一个也在发送的概率，即有： p = l 一( 1 一f r 。 ( 2 4 ) 联合公式( 3 3 ) 和( 3 4 ) ，可以解出冲突概率p 和发送概率f 。 2 1 2 系统吞吐量的计算 令s 表示系统归一化的吞吐量，采用信道成功传输信息的时间和总时间的比来 计算。在一个指定的时隙，假设至少有一个数据包要传输的概率为昂，因为甩个 站都竞争信道，所以 己= 1 一( 1 一f ) 4 ( 2 5 ) 设信道上的数据包传输成功的概率为只，即在至少有一个站在传输数据的条 件下只有一个站传输数据包的概率，所以 只= 竿=