（通信与信息系统专业论文）隐藏站点对ieee80211wlan性能的影响.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 近几年来，无线通信技术和局域网技术发展迅速。随着i e e e8 0 2 1 1 标准 的不断完善与发展，无线局域网应用日益广泛。无线局域网以其移动性好、 可扩展性强、组网方便以及传输速率较高等优点被广泛应用于社会各个领 域。与此同时，在不同环境下无线局域网的性能也逐渐成为人们关注的焦点。 i e e e8 0 2 1 1w l a n 采用共享的无线信道进行数据传输，因此存在一些与 以往的有线网络不同的问题，其物理层与m a c 层被认为是不可靠的。如： 远近效应，隐藏终端问题，捕获效应等问题，这些问题对无线局域网的影响 已不容忽视。 为了提高网络分析的精确性，本文重点分析隐藏站点对i e e e8 0 2 1 1w l a n 的性能影响，采用目前普遍使用的二维马尔可夫模型来分析i e e e8 0 2 1 1w l a n 的接入机制，在已有的分析文献基础上，提出一种新的有效计算隐藏站点对网络 性能影响的算法。利用该算法对i e e e8 0 2 1 l 基本访问机制进行分析，并结合网 络的实际情况，考虑非理想信道的影响，有效地计算出不同信道条件下的网络冲 突概率和吞吐量，并运用n s 验证了该算法的正确性。本文针对隐藏站点的影响 提出的分析算法，对于提高网络分析的准确性有一定的理论价值和实际意义。 关键词：隐藏站点；i e e e8 0 2 1 1m a c ；无线局域网；二维马尔可夫链模型； 吞吐量 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dp r o g r e s so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n dl o c a ln e t w o r kt e c h n o l o g yg r o wr a p i d l y w i t ht h ei e e e8 0 2 11s t a n d a r d s c o n t i n u o u si m p r o v e m e n ta n dd e v e l o p m e n t , t h ew 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 e a c h i e v e d i n c r e a s i n g l y w i d c a p p l i c a t i o n s w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k t e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di na l la l e a so fs o c i e t ya n db e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a r b e c a u s eo fi t sc o n v e n i e n c e ，h i g ht r a n s m i s s i o nr a t e ，m o b i l i t ya n de x t e n d i b i l i t y a tt h e s a m et i m e ，p e o p l eh a v ef o c u s e dm o r ea t t e n t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i r e l e s s l o c a ln e t w o r k su n d e ra n yd i f f e r e n te n v i r o n m e n t s i e e e8 0 2 1 1w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k su s et h es h a r e dr a d i oc h a n n e lf o r i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n , s ot h e r ea r es o m ed i f f e r e n tp r o b l e m sw i 廿lt h ew i r e d n e t w o r k s ，i t sp h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e ri sc o n s i d e r e dt ob eu n r e l i a b l e s u c ha s - n e a r - f a re f f e c t , h i d d e nt e r m i n a lp r o b l e m ，c a p t u r ee f f e c ta n ds oo n t h e s ei s s u e sa f f e c t t h ew i r e l e s sl a nc a nn o tb ei g n o r e d i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f a n a l y s i s ，w ec o n s i d e rt h ee f f e c to ft h ep r e s e n c e o fh i d d e nn o d e so nw i r e l e s sl a n s ，、析t l lt h ec u r r e n t w i d e s p r e a du o f t w o d i m e n s i o n a lm a r k o vm o d e lt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea c c e s sm e c h a n i s m o fi e e e8 0 2 11w l a n o nt h eb a s eo ft h ep r e s e n ta n a l y s i sw h i c hh a sb e e nb a s e do n l i t e r a t u r e ，w ep r o p o s ean e wa n de f f e c t i v ea l g o r i t h mt oc a l c u l a t et h ee f f e c to ft h e p r e s e n c eo fh i d d e nn o d e so nw i r e l e s sl a n s 。w i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no fn e t w o r k , u s i n gt h i sa l g o r i t h ma n dc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fn o n i d e a lc h a n n e l ，w ea n a l y z et h e b a s i ca c c e s sm e c h a n i s mo fi e e e8 0 2 11w l a na n dd e r i v et h ee x p r e s s i o n so ft h e s a t u r a t i o nt h r o u g h p u ta n dt h ec o n d i t i o n a lc o l l i s i o np r o b a b i l i t y t h er e s u l t sf r o mt h e m o d e la 他v e r i f i e db yn e t w o r ks i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ei m p a c to fh i d d e nn o d e s a n a l y s i sa l g o r i t h mp r o p o s e df o ri m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fn e t w o r ka n a l y s i sh a sa c e r t a i nt h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e ，rw o r d s ：h i d d e nn o d e s ；i e e e8 0 2 11m a c ；w l a n ；m a r k o vc h a i nm o d e l ； s a t u r a t i o nt h r o u g h 【p u t ； 2 山东大学硕士学位论文 引言 最近几十年来，计算机网络和无线通信技术的发展都十分迅速，作为这两 种快速发展技术的结合体，无线局域网也以异常迅猛的速度得到大力发展和广泛 应用。无线局域网相比于传统的有线局域网，具有可移动性好、便于扩展、容易 安装、与传统有线网络的兼容性好、小巧轻盈便于携带等许多优势，大大推动了 无线局域网在日常生活中的广泛应用。在目前国内运营商提供的接入网基础上， 基于w i f i 技术的无线局域网技术日趋普及，第三代移动通信信号的覆盖范围迅 速扩大，w i f i 热点覆盖数量也急剧增加。现在许多人流密集、客流量大的“热点 地区都提供了w i f i 服务，例如运动场馆、校园、机场、书店、旅馆、休闲娱乐 场所等。在1 9 9 7 年提出了关于8 0 2 1 l 的物理层协议和m a c 层协议之后，i e e e 8 0 2 1 1 1 1 】协议工作组又相继提出了8 0 2 1 l a 2 ，8 0 2 1 l b 3 ，8 0 2 1 1 e 4 6 ， 8 0 2 1 l g 5 ，8 0 2 1 l i 7 1 ，8 0 2 1 1 n 1 8 1 等协议。 随着无线局域网技术的广泛普及和其他一些无线通信技术的大范围应用，通 信各方之间产生的相互干扰问题也越来越严重。而无线局域网技术同传统有线的 以太网技术相比较，带宽又比较窄。因此研究一种有效方便地分析无线局域网的 性能的算法就成为当前许多通信学者的热门课题。无线局域网中存在的隐藏站 点对于网络性能的影响已不容忽视，分析隐藏站点的存在对于网络性能的影 响具有十分重要的理论意义和实用价值。无线局域网通常采用的是无线信道进 行数据的传输，无线信道中存在的信号衰减、延迟失真、噪声以及其他不确定因 素的影响都会导致大量的误码产生，为了更好的符合实际通信网络的环境，如何 有效地分析无线局域网中非理想信道所产生的误码对于性能产生的影响同样具 有十分重要的应用意义。 对上述问题进行研究，可以使我们更加深入的了解现实的网络传输环境中无 线局域网的性能。最近的最近几年来，在国内外已经有很多学者对无线局域网的 性能进行了分析，无线局域网的m a c 层协议主要是采用的两种接入控制方式： 分布式控制方式( d c f ) 和中心控制方式( p c f ) 。目前广泛使用的是分布式控制 方式，大多数文献都是针对d c f 进行了分析，本文也是针对d c f 进行分析。 3 山东大学硕士学位论文 为了提高网络分析的实用性和准确性，本文重点分析了隐藏站点对i e e e 8 0 2 1 lw l a n 的性能影响，采用目前普遍使用的二维马尔可夫模型来模拟分析 i e e e8 0 2 1 1w l a n 的接入机制，在现在已有的分析文献的基础上，提出一种新 的有效计算分析隐藏站点对网络性能影响的算法。利用该算法本文对i e e e8 0 2 1 1 基本访问机制进行了详细分析，并结合网络的实际情况，考虑非理想信道的影响， 有效地计算出网络处于不同信道环境下的系统冲突概率和吞吐量，并运用仿真软 件n s 设置通信场景进行性能仿真，验证了该算法的正确性。 现在主要介绍一下论文内容的相关安排： 第一章主要介绍了与无线局域网相关的基本概念、i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议 的主要内容以及目前的无线局域网的性能分析现状。 第二章着重从接入机制过程中分析了隐藏站点对w l a n 性能的影响，并介 绍了基于二维马尔可夫模型的w l a n 的性能分析方法以及目前已有的几种分析 隐藏站点的算法。 第三章在已有的二维马尔可夫链模型基础上，考虑了隐藏站点对w l a n 的影 响，提出了一种改进的存在隐藏站点的w l a n 性能分析算法，用该算法对i e e e 8 0 2 1 1d c f 访问机制进行分析，求出冲突概率和饱和吞吐量的表达式，并通过仿真 软件n s 加以验证。 第四章在本文提出的改进算法的基础上分析了非理想信道情况下的网络分组 冲突概率以及网络的饱和吞吐量，并通过仿真实验进行验证。 第五章对全文进行大致的总结，并对以后的研究工作进行了展望。 4 山东大学硕士学位论文 第一章w l a n 的相关概述 1 1 无线局域网的基本概念 1 1 1 无线局域网的拓扑结构简介 目前在社会上已经广泛使用的无线局域网的最基本的硬件结构是由站点和 接入点组成。站点( s t ) 可以被理解为是在无线局域网中工作的每一台终端设备。 无论这些工作站点是移动的、固定的还是便携的，在无线局域网中都可以把它看 做是一个工作站点。固定的工作站点可以理解为同在传统以太网中的各种终端设 备是相似的。便携式站点和移动站点之间的主要区别在于便携式站点可以从一个 工作地点转移到另外的一个工作地点，但是在使用时便携式站点的地点是固定 的，就像装有无线局域网网卡的台式计算机一样。而移动站点则是指在移动的过 程中，接入点( a p ) 可以每时每刻都进行切换以便于进行网络访问的工作站点。 例如，在不需要关机情况下就可以快速移动的笔记本电脑就可以被看作是移动站 。： 点。接入点所指的是一个与有线网络进行数据连接的设备，是由硬件设备或者是 计算机软件实现的。接入点可以用来接收数据并且能够将数据发送到无线网卡， 接入点也可以实现无线网络的基础站点和网桥功能，对提供更高的无线安全性和 扩展无线网络服务的物理范围起到了很大的作用。从本质上讲，接入点其实也是 一个站点，只不过接入点的功能除了能够作为一个普通工作站点以外还具有提供 分布功能来实现各基本服务集对分发系统的访问。此外，无线局域网还包括无线 网卡、无线网桥以及其它网路支持部分等硬件结构。 目前广泛使用的无线局域网的拓扑结构 1 2 1 1 3 主要有下面几种： ( i ) 基本服务集网络( b s s ) ： i e e e8 0 2 11 w l a n 结构中的最基本搭建模块 就是基本服务集( b s s ) 。一个基本服务集可以被定义为一组在一个相同的网络 控制方式下的工作站点，他们分布在同一地理区域。在这种结构中，所有设备之 间的通信都是通过接入点实现的，b s s 中的任何一个站点可以和其它站点直接进 行通信。通过接入点，在基础结构模式下的无线设备相互之间或者与有线网络之 间可以进行通信以实现信息共享。在访问接入过程当中，信道传输媒介质量的好 5 山东大学硕士学位论文 坏能够直接影响到数据的传输质量。这其中的主要原因是具有相同的物理层特性 的相邻基本服务集会相互之间产生干扰或者由于多路传输信号发生衰减，从而致 使一部分原本可以被访问到的工作站点变成了隐藏站点。 ( i i ) 独立的基本服务集网络( m s s ) ：i b s s 也是i e e e8 0 2 11 w l a n 中最基 本的网络拓扑结构。在独立的基本服务集网络结构中，所有的工作站点都是可以 直接进行数据通信的。如果不需要其它的基础网络作支持只是把i n t e r n e t 网络 作为通信目的的话，独立的基本服务集可以组成一个对等网络结构或者自组织网 络。独立的基本服务集站点的数量也受信道容量大小的限制，传播范围也会受到 信号传播距离的限制。 ( ) 扩展业务群网络( e s s ) ：按照i e e e8 0 2 1 1 制定的协议标准，接入点可 以通过扩大网络的地理通信范围建立基础网络。接入点提供了为多个基本服务集 网络之间进行连接所需要的网络结点，这样就产生了扩展业务群网络，也被称作 多区w l a n 。扩展业务群网络的通信距离可以达到1 0 0 米。e s s 在初始化过程中， 首先为基础网络定义一个网络服务标识的名称，即e s s i d ，然后所有的无线接入 点都按照e s s i d 进行设置，运行的工作站点通过发送探询请求来定位自己关联的 无线接入点。在多区w l a n 中还设置了无线局域网与传统有线w a l n ( 如以太网 8 0 2 3 、令牌环8 0 2 5 等) 等相互通信连接的端口。并且，在e s s 中，一个基本 服务集中的工作站点可以移动到另一个基本服务集中进行数据通信。 1 1 2 无线局域网的操作过程 w l a n 的操作过程大致上可以分为两个主要的过程：一个过程是将工作站 点加入到b s s ；另一个过程是站点从一个b s s 移动到另一个b s s ，实现小区间的漫 游。 如果一个站点要进行访问现存b s s 则需要以下这几个步骤： 首先，工作站点加电开机处于运行模式中，然后将该工作站点或者是进入睡 眠模式中或者是加入到b s s 小区中。在整个的工作过程中，站点将始终需要获得 同步信号，而该同步信号一般是来自网络中的接入点( a p ) 。工作站点则是通过 主动扫频和被动扫频的方式来获取同步信息。主动扫频的概念是指无线工作站点 在启动或者完成关联操作之后扫描所有的通信频道。再一次扫描过程中，如果站 6 山东大学硕士学位论文 点采用的是一组通信频道来作为其扫描范围的话。若发现某个频道处于的是空闲 状态，那么工作站点就广播探测信号，之后a p 接入点会根据该信号来做出相应 的反应。被动扫描则是指a p 接入点每相隔l o o m s 就会向外发送一个信标信号。 该信号中包含了用于工作站点进行时白j 同步的时间戳，所支持的数据传输速率以 及一些其他的相关信息。当无线的工作站点接收到信标信号以后才会启动整个的 关联过程。 w l a n 使用在无线工作站点中选择了接入点并且与之进行了关联的方式来 有效地防止非法用户的接入，同接入点获取了同步信息之后，二者就开始相互交 换验证信息。验证操作是用来建立所有的合法接入的身份标识，当工作站点经过 验证之后，就开始执行关联操作了，关联操作实际上是实现无线局域网络与传统 有线网络的映射关系，并且把这种映射关系分配给扩展服务集中的所有接入点。 在关联过程当中，无线工作站点与a p 接入点之间会依据不同的信号强弱来协商 进行数据传输的速率。 如果某个工作站点从一个小区切换到了另外一个小区，我们就将这个过程称 之为漫游过程。漫游是指无线工作站点在一组无线接入点之间移动，并且对网络 中的用户提供透明的无缝连接。漫游包括基本漫游和扩展漫游两种。站点从一个 小区移动到另一个小区时，是需要重新建立关联的。当无线工作站点从一个扩展 服务集中的一个基本服务集移动到另外一个基本服务集时，与新的a p 接入点建 立关联的整个过程可以理解为是重新建立关联。重新关联忠实由移动无线工作站 点发起的。i e e e8 0 2 1 1w l a n 的每一个站点都会与一个特定的接入点建立关联 关系。 1 2i e e e8 0 2 11w l a n 的m a c 层协议简介 i e e e8 0 2 1 1 标准规定的数据链路层是由逻辑链路控制子层( l l c ) 和介质 访问控制子层( m a c ) 共同组成的。i e e e s 0 2 1 l 使用的是和协议i e e e 8 0 2 3 完全 相同的l l c 子层，并且与i e e e8 0 2 协议中所规定的使用4 8 位m a c 地址要求也 是完全一样的，这些特点使得实现无线局域网与传统有线网络之间的连接变得非 常方便。i e e e8 0 2 1 l 的m a c 子层与i e e e8 0 2 3 协议的子层非常相似，这两个标 7 山东大学硕士学位论文 准中的相同特征都是要在一个共享的介质上来支持多个终端用户对其资源的共 享。发送信息的终端在发送数据之前要首先对通信网络的信道状况进行侦听，以 检查网络是否处于可用状态。 m a c 协议是用来描述和实施网络上的各个工作站进行通信的多址接入，通 过对网络中结点应采用何种规则共享信道介质进行规定，以保证达到满意的网络 性能。由于通信终端具有移动性以及通信过程使用无线方式作为传输介质等诸方 面特点，无线局域网与有线局域网中的m a c 协议存在很大的差别。无线局域网 采用何种m a c 协议机制在很大程度上决定了网络的通信质量。 无线局域网中采用的是区别于传统以太网c s m a c d 的c s m a c a ( 载波侦听 多路访问冲突避免) 协议防止各个工作站点无序地抢占通信信道，从而尽量减少 数据传输过程中的分组冲突概率和重新发送的次数。在这种新机制中，当一个站 点收到从另一个站点发来的数据帧时，它会向源站点返回一个确认( a c k ) 帧作 为答复。此次交换被作为一个原子单元处理，它不会被其他站点发出的传送打断。 如果因为数据帧被损坏或因为返回的a c k 被损坏，源站点在一个短的时间周期 中没有收到a c k ，它会重发该帧。c s m a c a 通信方式能够将时间域的划分与帧 格式紧密地联系起来，从而保证在网络的某一个时刻只能有一个工作站进行数据 发送。通过这种方式可以实现网络系统的集中控制。 1 3 无线局域网m a c 层接入控制方式 在i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议中，分别使用的是两种工作方式，一种是分布式 控制方式( d c f ) 另一种是中心控制方式( p c f ) 。其中d c f 方式是i e e e8 0 2 1l m a c 层协议中的最基本的介质接入控制方式；这种控制方式利用的是载波侦听 机制，适用于分布式网络，支持具有突发性和随机性的分组数据异步传输业务； 支持无竞争型实时业务和竞争型非实时业务；当用户有需要传输的数据时，每一 个用户拥有的是平等的机会接入网络。而p c f 方式是建立在d c f 工作方式之上 的m a c 层控制机制，仅仅支持的是竞争型的非实时业务，适用于具备中央控制 器的网络。为了提供对介质访问的优先级的判定，在i e e e8 0 2 1 l 协议中，定义 了几种不同的帧问隔( i f s ，i n t e r - f r a m es p a c e ) 时间标准，每一种间隔均定义了上 3 山东大学硕士学位论文 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。通过载波侦听 机制无线局域网中的工作站点可以确定传输介质是否处于空闲状态，并且只有在 持续的空闲时间达到特定的间隔时间之后，才可以进行有效的数据传送。 帧间间隔( i f s ，i n t e r - f r a m es p a c e ) 是帧与帧之间的时间间隙，对于无线局域 网是十分重要的，是传输介质上的一段强制的空闲时间周期。i f s 的划分是按照 对无线介质访问控制提供的不同的优先级来进行的，而不同的等级划分又是按照 其所占用的时间长短来进行的，时间越短的帧间间隔，对应的优先级权限就会越 高。为了在后述章节中能更好的描述无线局域网的m a c 层机制，现简要介绍几 个常用的帧间间隔。 ( 1 ) 最短帧间间隔( s i f s ：s h o r t i n t e r f r a m es p a c e ) ：s i f s 帧间间隔是最短 的时间区段，提供了最高等级的优先权，用来间隔需要立即响应的帧。 当工作站点已经获得无线介质控制权并且需要持续控制以保证完成帧 交换顺序时，会使用到s i f s 。完成一些常用的控制帧如确认帧( a c k ) 、 请求发送清除待发帧( r t s c t s ) 等都属于最短帧间自j 隔。 ( 2 )分布式协同功能帧间间隔( d i f s ：d c fi n t e r f r a m es p a c e ) ：d i f s 是用 来间隔d c f 传送的帧。d i f s 帧间间隔长度是s i f s 帧问间隔与一个系 统时隙的总和。工作于d c f 模式的工作站点使用d i f s 帧间间隔来发 送数据帧和控制帧。一个工作于d c f 模式下的工作站点如果能够正确 接收到数据帧，并且在发送站点d i f s 帧问间隔时隙边界处的载波侦听 显示传输介质处于空闲状态时该接收站点的退避时间已经结束，那么 这个工作站点就可以发送数据帧。 ( 3 )集中协调功能帧间间隔( p i f s ：p c fi n t e r f r a m es p a c e ) ：p i f s 帧间间隔 用来间隔集中式协调功能传送的帧，当某个工作站点向传输介质发出 应用请求得到同意发送的应答回复时会使用到该帧。p i f s 帧间间隔长 度是s i f s 帧间间隔与一个系统时隙的总和。只有工作在p c f 控制方式 下的工作站点会使用p i f s 帧，获得介质访问权的时间间隔，p i f s 的优 先级要高于分布式控制方式。在无竞争时期，有数据待传的工作站可 以等待p i f s 后再加以传送，其优先级高于任何竞争式传输。 ( 4 )扩展帧间问隔( e i f s ：e x t e n d e di n t e r f r a m es p a c e ) ：在d c f 方式下，扩 9 山东大学硕士学位论文 展帧间隔是当物理层指示未能正确含有完整和正确的f c s 的m a c 帧 时使用的。只用在帧传输出现错误时才会用到e i f s 。定义e i f s 是为了 在工作站开始发送前为另一工作站提供足够的时间对该工作站的为正 确接收的帧进行确认。 在介绍了m a c 层的帧间间隔之后，下面详细介绍m a c 层的两种接入控制方 式。 d c f 子层采用一个简单的载波侦听多点接入( c s 呲a ) 算法，是i e e e 8 0 2 1 l 协议规定对m a c 层协议的基本接入机制，接入过程中采用二进制指数退 避方式。其接入的基本原理是：在站点开始发送数据前，首先对信道进行侦听， 如果信道处于空闲状态并且空闲时间超过d i f s ，则站点开始发送数据帧；如果信 道处于忙状态，则继续侦听直到信道空闲一个d i f s 时间，发送站点开始进行退 避。在退避过程中，退避级数7 【o 历】，各阶退避窗口最大值为彬，其中形22 。形， 最小竞争窗口为形= w o2 ，最小竞争窗口为形2 。发送站点的随机退避值 在【口孵j 4 中按照等概率随机选取。发送站点的初始退避级数从第零级开始，发送站 点选择一个随机的退避值，启动退避计数器进行退避，退避计数器以一个系统时 隙为单位进行递减；信道忙时则停止递减，直到重新侦听到信道处于空闲状态且 空闲时间超过d i f s 后才恢复递减。当退避计数器的退避值递减为零时，站点则 开始发送数据帧。如果站点发送数据失败，则退避级自然递增，发送站点进入下 一退避级，退避窗口按照二进制指数方式递增，即退避窗口加倍，站点在该退避 级中重新随机选择一个退避值进行退避。 在d c f 接入机制中分为两种接入方式：基本接入方式和r t s c t s 方式。 在基本接入方式中，一个有数据帧要发送站点，如果信道处于空闲并持续 d w s 时间或者发送站点的退避值递减为零时，就会开始发送数据。接收站点在成 功收到一个数据帧后，等待一个s i f s 时间间隔后，向发送站点回复一个确认帧 ( a c k ) ，如果发送站点在规定的时间内收到确认帧，则判定数据帧发送成功，否 则判定发送数据帧失败，进行数据重发。其它的工作站点接受该数据帧并根据其 持续时问字段调整它们的网络分配矢量( n a v ) ，其中持续时间包括了s i f s 间隔和 响应该数据帧的a c k 帧的传输时间。c s m a c a 的冲突避免是通过一个随机退避 1 0 山东大学硕士学位论文 机制( b a c k o f f ) 实现的，该机制以二进制指数退避算法为基础。其接入过程如图 1 1 所示。 源主机 目的主机 其他主机 d i f s 数据 s i f s a c k d i f s 7 。 竞争窗口 ， 延迟时间延迟之后的避让时间 图1 1 基本机制时间图 在数据传输过程中，因为b s s 中的工作站不能侦听到它自己的传输行为，所 以它们不能检测到冲突的发生。如果冲突产生，源工作站点会继续发送完整的 m p d u ，当m p d u 足够大的时候，大量的信道带宽就会因为传输被破坏的m p d u 而被浪费掉。为了避免这种冲突造成的带宽浪费，i e e e8 0 2 1 l 标准在m a c 上引 入了r t s c t s 机制。在r t s c t s 模式，如图1 2 所示，在信道处于空闲并持续 d i f s 时间或者发送站点的退避值递减为零时，发送站点不是直接发送数据，而是 先发送一个很短的r t s 控制帧来预留信道，接收站点通过向发送站点反馈c t s 帧确认收到正确信息。发送站点收到c t s 帧后才开始发送数据帧，等待对方发送 a c k 信号，以便发送下一帧。在r t s c t s 的机制中，站点发送r t s 帧包含的时 间可以用来携带发送数据和返回确认帧所需要的时间长度，能接收发送站点信号 的接入点和其他所有站点都会被告知发送站点需要在特定的一段时间内来占用 这个传输介质。每一个收到信息的站点都把这个信息放在它的网络分配矢量 ( n a v ) 中。如果网络分配矢量维持的是一个非零值，那么就没有站点能发送数 据。然后，接入点会用c t s 帧来回应发送站点，以此来通知在该接入点所能接收 到该信息的所有站点，现在的传输介质正在被占用，其他站点则不会进行数据的 发送。在接收到c t s 帧后，发送站点将继续发送数据。 山东大学硕士学位论文 源主机 目的主机 其他主机 d i f s i r t s 。 数据 s i f s s i f s 姗sb a c k d i f s 7 n a v ( r t s ) 竞争窗口 n a v ( c t s ) 延迟之后的避让时间 延迟时间 图1 2r t s c t s 机制时间图 由于在r t s c t s 模式下只有在发送r t s 帧会产生冲突，通常情况下，r t s 控制帧都比较短，所以能有效地减少碰撞时间，提高系统的性能。由于需要发送 r t s 帧和c t s 帧，采用r t s c t s 给无线局域网带来了而外的开销。当发送到数 据帧比较短时，这种开销就比较明显。r t s c t s 在发送短消息时增加了很多负担。 为了支持需要近乎实时服务的应用，8 0 2 1l 在标准定义了中心接入控制方式 ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，简称p c f ) ，以提供另外一种无线媒介访问的方式。 点协调功能可以让8 0 2 1 1 网络提过较为“公平”的媒介访问机制。就某些方面而言， 以p c f 访问媒介有点类似令牌式( t o k e n b a s e d ) 媒介访问控制机制，由接入点掌 控令牌。点协调功能提供的是无竞争服务。无竞争周期一开始，接入点就会送出 一个信标( b e a c o n ) 帧，。该标帧中的c f p m a x d u r a t i o n ( 无竞争最大持续期间) 字段，用来标明无竞争周信期最长持续多久。所有收到此信标帧的工作站会将 n a v ( 网络分配矢量) 设定为此时间值，并将d c f 媒介访问排除在这段时间之 外。为了避免干扰，所有无竞争传输会另外以s i f s ( 短帧间间隔) 与p i f s ( p c f 帧间间隔) 加以隔离防护，这两者都比d c f 帧间间隔短，因此在d c f 周期内没 有其他d c f 工作站可以访问媒介。接入点接管无线媒介之后，会根据轮询列表 ( p o l l i n gl i s t ) 分别询问与之相关联的工作站是否有数据待传。在无竞争周期内， 除非关联以轮询帧提出请求，否则工作站不得传送数据。无竞争轮询帧通常简写 1 2 山东大学硕士学位论文 为c f p o l l 。一个c f p o l l 帧代表授权传送一个帧。除非接入点送出多次轮询请求， 否则每次只能传送一个帧。轮询列表所列出的都是无竞争周期内受邀传送帧的特 权工作站。工作站一旦与接入点关联，就会被列在轮询列表中。a s s o c i a t i o nr e q u e s t ( 关联请求) 包含了一个字段，用来表明该工作站能否在无竞争周期内响应轮询。 通常在无竞争周期内，所有传输都只以s i f s 加以间隔。为了确保点协调单元掌 握了媒介控制权，如果经过一段p i f s 时间间隔未得到回复，就会继续询问列表 中下一个工作站。利用p i f s ，接入点得以确保本身持续掌控媒介访问权。无竞争 服务的结束时间不能晚于预定的开始点之后所允许的最长时间，该时间点称为目 的信标传送时间( t a r g e tb e a c o nt r a n s m i s s i o nt i m e ，简称t b t t ) 。点协调单元 也可以送出一个c f e n d 帧，在超过最大持续期间( m a x i m u md u r a t i o n ) 之前终止 无竞争周期( c f p ) 。它可以根据轮询列表的长短、流量负载或者其他接入点认 为重要的因素来作出中止决定。实际产品有时候可以选择性的使用p c f 点协调功 能来交换特定的帧，启用无竞争服务后开始进行帧传送，然后予以中止。 在无线局域网中，所有的无线终端都要被告知使用了轮询方式来替代竞争方 式的时间长度，所以在i e e e8 0 2 1 l 标准中允许无线局域网轮流地使用轮询方式 和竞争方式对信道进行接入，即p c f d c f 共存的方式，也称为混合接入方式。 有些应用需要比尽力传递( b e s t - e f f o r td e l i v e r y ) 更高一级的服务质量，却又不需 要用到p c f 那么严格的时机控制。混合接入方式允许工作站维护多组服务队列， 针对需要更高服务质量的应用提供更多的无线媒介访问机会。 由于p c f 接入机制的可伸缩性较差，当网络规模变大以后，由于轮询的客户 端数量变多，造成网络效率急剧下降。因此，在目前的i e e e 8 0 2 1 l 无线网络中， 很少使用p c f ，基本都是只是采用分布式介质访问方法。本文中的所有研究都是 基于d c f 而进行的。 1 4 无线局域网m a c 层性能分析现状 目前对采用c s m a c a 的分布式协调功能( d c f ) 的i e e e8 0 2 1 1m a c 协议的 分析方法有很多。主要是采用排队论模型和马尔可夫模型两种方式对i e e e8 0 2 1 1 1 3 山东大学硕士学位论文 m a c 层协议d c f 机制的性能的模型研究。 二维马尔可夫模型是由b i a n e h i 在文献【2 0 】中第一次提出的，文献 2 0 】中采用二 维马尔可夫模型分析理想信道下i e e e8 0 2 1ld c f 的网络性能特性，计算出了分 组冲突概率饱和吞吐量的解析公式。该模型的提出为分析网络性能提供了新的思 路和方法。在这之后，b i a n c h i 等人在文献【2 0 】的基础之上又在文献【2 l 】中对i e e e 8 0 2 1 1d c f 进行了分析，在该文献中采用条件概率对网络的性能进行分析，并分 析了发送成功站点连续发送的影响，提高精确度的同时也提出了一个新的分析方 法。 在b i a n e h i 研究工作的基础上，很多学者通过对一些分析方法加以改进，分析 计算出了网络处于饱和负载情况下的系统吞吐量【2 2 】一 4 1 1 。其中，文献【2 2 】一 2 8 】 是在b i a n c h i 模型的基础上对非理想信道下的饱和吞吐量进行了分析。除吞吐量以 外，分组时延也是反映无线局域网性能的一个重要指标，很多文献也对网络的平 均分组时延进行了分析。 网络在实际传输过程中，系统经常工作在非饱和状态下，饱和吞吐量并不能 很好的反映网络传输的真实情况，所以现在也有很多的文献都进行了非饱和状态 下的研究。有一些学者通过对b i a n e h i 分析模型的状态空问进行扩展，增加一个或 多个空闲状态表示终端的非饱和状态，得到了非饱和状态下无线局域网d c f 性能 分析模型。参考文献【4 7 】【5 3 就是通过求解二维马尔可夫模型实现对d c f 的非饱 和状态下的性能分析。文献【5 4 】和文献【5 5 】分析了无线局域网的性能优化问题。 考虑到无线局域利用无线信道的不可靠性以及网络中工作站点的移动性造 成的性能影响，很多学者也在站点的移动性和信道的不可靠性上做了研究。文献 【3 2 - 【4 l 】是在考虑无线局域网中存在隐藏站点的情况下对其性能进行分析，其中 文献 3 3 、 3 8 等主要是考虑隐藏站点的影响，提出关于网络性能分析的算 法，而文献 4 1 则是提出了一种w l a n 中隐藏站点的检测方法，文献【4 2 】【4 6 对无 线信道中存在的捕获效应进行分析，并在无线局域网、无线a d h o e 网络等网络结 构中进行性能计算。这些模型都是尽量逼真的模拟网络的实际情况，为我们更好 的分析和统计无线局域网的性能提供了分析思路和研究价值。 排队论( q u e u e i n gt h e o r y ) 是通过研究各种服务系统中等待现象的概率特征， 从而解决服务系统最优设计与最优控制的一种理论。由于引进了分组交换，排队 1 4 山东大学硕士学位论文 论在设计和分析通信网络中显得更为重要。这是源于在分组交换中通信网络与队 列网络之自j 存在着自然类推的关系。将排队论【1 4 】用于分析通信网络性能已经有 很多年，文献 1 5 - 至- 1 9 都是采用排队论模型进行性能分析的，其中文献 1 5 1 采用 m m i 队列模型分析i e e e8 0 2 1 1m a c 层的网络性能，文献【1 7 】采用排队论模型 表示终端m a c 层有限队列的行为状态进行性能分析，文献【1 8 】和文献 1 9 】则是 在理想信道情况下应用排队论理论对i e e e8 0 2 1 1w l a n 的饱和吞吐量展开研 究。 目前使用比较多的模型是马尔可夫模型。这主要是因为排队论仅仅是从系统 整体上分析网络性能的，对于网络中的一些具体问题无法排队论模型进行分析， 而马尔可夫模型是从站点的角度进行分析，可以具体分析网络的一些细节问题。 本文关于无线局域网的性能分析也是基于文献 2 0 】中提出的马尔可夫模型进行 的，综合考虑了隐藏站点、非理想信道等因素对于网络的性能影响。 对i e e e8 0 2 1 1d c f 性能分析除了采用理论分析模型，还可以通过仿真实验实 现。通过设计不同的实验场景，设置各种不同的实验参数，如数据帧的最大重传 次数，最小竞争窗口大小，网络中节点的数目，网络负载，不同退避机制、数据 分组的大小等参数等。通过实验仿真结果，分析无线局域网的冲突概率、吞吐量、 分组时延等性能。本文在提出的新算法中除了完成理论分析外，也使用了仿真实 验的方式进行了验证。 1 5 山东大学硕士学位论文 第二章隐藏站点对w l a n 的性能影响 2 1 隐藏站点对w l a n 性能影响 发送站点的侦听范围之外，而在接收站点的干扰范围之内的站点被称为是隐 藏站点。隐藏站点问题不可避免，因为并不是所有的站点都在其他站的无线电侦 听范围以内。如图2 1 所示，站点r 不但是位于站点a 的侦听范围之内，也位于 站点b 的侦听范围之内，而站点a 和站点b 都不在对方的侦听范围之内。当站点 a 和站点b 同时想要传送数据到接收站点r 时，由于站点b 不在站点a 的侦听范 围之内，站点b 会认为目前网络中没有数据在发送而同时传送数据到接收站点r 。 这时来自站点a 和站点b 的数据就会在接收站点r 处发生冲突。 图2 1 隐藏站点的原理示意图 2 1 1 基本接入机制下隐藏站点的影响 如同在上一章所描述的，c s m a c a 机制定义了两种信道状态，空闲状态和 忙状态。当站点检测到信道上没有数据传输，就会认为信道处于空闲状态，否则 认为是忙状态。在基本接入机制中，非隐藏站点要发送数据时，可以通过侦听信 道确定是否有其他站点正在发送数据。如果信道是空闲的并持续d i f s 时问，则 该站点开始进行数据传送。如果非隐藏站点侦听到当前信道是处于“忙 状态， 1 6 山东大学硕士学位论文 将继续侦听直到检测到当前信道空闲持续一个d i f s 时间，然后采用二进制退避 机制从退避计数器中选择一个随机的退避时间，进入退避过程。而对于隐藏站点， 在收到目的站点发送的a c k 确认帧之前，都无法正确检测到信道状态。当隐藏 站点有数据要发送时，同非隐藏站点相似，侦听信道进行直接发送或者按照退避 机制进行退避。隐藏站点如果在收到a c k 帧之前完成退避过程，则会发送数据 帧到目的站点，此时就产生了网络冲突。因此对于网络中的隐藏站点，可能产生 冲突的时间长度为发送的数据帧所用的时间。具体的接入过程如图2 2 所示。 翻f s s i f s d i 舟 d e ；矾佩； ；databackoff-v诵ndow i l i i i 吲 i a 永i o n - i l 蜘 确受婴 甲墅叮订 - l r n 。j b f r e e k z 研e 咖 - - - 一1 。h _l i t i m e r v u l n e r a b l e p e