（通信与信息系统专业论文）改进的ieee80211+dcf性能分析模型.pdf

原创性声明 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，均己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： 西筵翊 日 期：塑! 翌：，12 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：妃垒过盟导师签名：燃日期：翟堕 一 山东大学硕士学位论文 目录 中文摘要l a b s t r a c t 2 第一章绪论3 1 1 无线局域网简介一3 1 2 课题意义及论文安排一6 第二章无线局域网m a c 层协议简介及研究现状8 2 1 无线局域网m a c 协议概述8 2 2 无线局域网m a c 层两种控制方法8 2 2 1 分布式协调功能9 2 2 2 点协调功能1 2 2 3 无线局域网m a c 层协议性能分析现状1 3 2 3 1 采用马尔可夫链模型分析1 4 2 3 2 采用排队论分析1 4 2 3 3 采用仿真实验分析15 第三章饱和状态下的i e e e 8 0 2 11d c f 性能分析一l6 3 1 分析模型l6 3 2 性能分析2 0 3 2 1 饱和吞吐量一2 0 3 2 2 平均帧传输时延2 3 3 3 仿真验证2 4 第四章非饱和状态下的i e e e 8 0 2 1 1 d c f 性能分析一2 8 4 1 分析模型2 8 4 2 求状态转移图中转移概率q 与p 。3 1 4 3 利用更新过程求系统吞吐量3 3 4 4 仿真验证3 4 山东大学硕士学位论文 第五章总结与展望3 8 5 1 总结3 8 5 2 展望3 8 参考文献3 9 致 射一4 4 攻读硕士研究生期间发表的论文4 5 2 t 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 1 a b s t r a c t 2 c h a p t e rip r e f a c e 3 1 1i n t r o d u c t i o no f w l l n s 3 1 2s i g n i f i c a n c ea n da r r a n g e m e n to f t h ep a p e r 6 c h a p t e ri ii n t r o d u c t i o no fw l a n sm i a cp r o t o c o la n d t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n 8 2 1i n t r o d u c t i o no f w l a n sm a c p r o t o c o l 一8 2 2t h et w oc o n t r o lm a t h o r do f w l a n sm a cp r o t o c o l 8 2 2 1d c f 9 2 2 2p c f 1 2 2 3t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no f w l a n sm a c p r o t o c o l 一1 3 2 3 1a n a l y s i sw i t hm a r k o vc h a i n sm o d e l 1 4 2 3 2a n a l y s i sw i t hq u e u i n gm o d e l 1 4 2 ：；3a n a l y s i sw i t hs i m u l a t i o n 11 ； c h a p t e ri i ip e r f o r m a n c ea n a l y s i so fi e e e 8 0 2 1ld c fu n d e rs a t u r a t e ds i t u a t i o n 一16 3 1a n a l y s i sm o d e l 1 6 ：；2p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 2 0 ：；2 1s a t u r a t e dt h r o u g h p u t 2 0 3 2 2a v e r a g ep a c k e td e l a y 2 3 3 3v e r i f i c a t i o no fs i m u l a t i o n ：! z l c h a p t e ri vp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fi e e e 8 0 2 1 1d c fu n d e ru n s a t u r a t e ds i t u a t i o n 2 8 4 1a n a l y s i sm o d e l ：1 8 4 2r e s o l u t i o no f qa n d p 。3 1 4 3r e s o l u t i o no f p e r f o r m a n c ew i t hu p d a t ep r o c e s s 3 3 4 4v e r i f i c a t i o no fs i m u l a t i o n 3 4 c h a p t e rvs u m m a r ya n do u t l o o k ：； 5 1s u m m a r y 3 8 5 2o u t l o o k 3 8 r e f e r e n c e s 3 9 a c k n o w l e d g e m e n t s 4 4 p a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gt h eg r a d u a t es t u d y 4 5 3 山东大学硕士学位论文 4 山东大学硕士学位论文 中文摘要 近几年，随着无线通信技术的飞速进步，i e e e8 0 2 1 1 无线局域网迅猛发展， 无线局域网以其组网方便，移动性和可扩展性好，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，无线局域网在各种不同环境下的性能也成为人们 关注的焦点。 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网采用共享的无线信道进行信息传输，因此存在一些与 有线网络不同的问题，如：远近效应，隐藏终端问题，捕获效应等问题，而解决 这些问题的媒体访问控制技术是影响无线局域网性能的重要因素，因此对无线局 域网的m a c 层研究也日益增多。如何准确有效的分析中的吞吐量和时延等一直是无 线局域网中的研究重点。 目前，对i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网m a c 层的性能分析研究大致可以分为三类： 采用马尔可夫链模型分析；采用排队论模型分析；采用仿真实验分析。本文采用 马尔可夫链模型，为了提高分析的精确性，首先考虑发送成功的站点可能连续发 送和重传次数限制的影响，给出了分析非理想信道下i e e e8 0 2 1 ld c f 性能的改进 二维马尔科夫链模型，用该模型对i e e e8 0 2 1 ld c f 访问机制进行分析，求出饱和 吞吐量和平均分组时延表达式。其次考虑系统到达率为非饱和时，对上述模型加 以改进，对非饱和系统中吞吐量与到达率的关系进行分析，用n s 仿真分别验证了 其准确性。 关键词：8 0 2 i i ；无线局域网；二维马尔可夫链模型；吞吐量；平均分组时延 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 , 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 ea c h i e v e dat r e m e n d o u sa m o u n to fg r o w t h w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di na l l a r e a so fs o c i e t ya n d b e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a rb e c a u s eo fi t sc o n v e n i e n c 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 es 锄et i m e ，p e o p l eh a v ef o e u s o 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 sl o c a l n 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 11w 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 ri n f o r m a t i o n t 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 s 诵t l lt h ew i r e dn e t w o r k s ，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 em e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) t e c h n o l o g y w h i c hd e a l sw i t ht h o s ep r o b l e m sp l a ya ni m p o r t a n tr o l eo ft h ei m p a c to ft h ep e r f o r m a n c eo ft h e w i r e l e s sl a n s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nm a cl a y e ro fw i r e l e s sl a ni si n c r e a s i n gr a p i d l y a n g l i c i z i n gt h et h r o u g h p u ta n dd e l a ya c c u r a t e l ya n de f f e c t i v e l yh a s b e e nt h ew i r e l e s sl a nr e s e a r c h p r i o r i t i e s c u r r e n t l y , t h ei e e e 8 0 2 11w i r e l e s sl a nm a cl a y e rp e r f o r m a n c ea n a l y s i sc a nb ed i v i d e di n t o t h r e ec a t e g o r i e s ：a n a l y s i su s i n gm a r k o vc h a i nm o d e l ；a n a l y s i su s i n gq u e u i n gt h e o r ym o d e l ；a n a l y s i s u s i n gs i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fa n a l y s i s ，t h i sp a p e r , c o n s i d e r i n g i m p a c t so fb o t hf i n i t er e t r yl i m i ta n ds u c c e s s i v et r a n s m i s s i o n ，p r o p o s e sai m p r o v e db i d i m e n s i o n a l m a r k o vc h a i n sm o d e lf o re s t i m a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fi e e e 8 0 2 11d c ff o ran o n - i d e a lc h a n n e l a n dt h e n ，u s i n gt h ei m p r o v e dm o d e l ，a n a l y z e st h ep e r f o r m a n c e so fi e e e 8 0 2 11d c fw i r e l e s sl a n s ， d e r i v i n gt h ee x p r e s s i o n so ft h es a t u r a t i o nt h r o u g h p u ta n dt h ea v e r a g ep a c k e td e l a y t h e nu s i n gt h e m o d e la b o v e ，t h er e l a t i o n s h i po fn o n s a t u r a t e dt h r o u g h p u ta n da r r i v a lr a t ei sa n a l y z e d t h er e s u l t s f r o mt h em o d e la r ev e r i f i e db ys i m u l a t i o n k e yw o r d s ：8 0 2 1 1 ； w l a n ； b i d i m e n s i o n a lm a r k o vc h a i n sm o d e l ；t h r o u g h p u t ； a v e r a g e p a c k e td e l a y 2 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 随着无线通信技术和i n t e r n e t 应用的飞速发展，移动智能终端用户数量的迅 速增长，人们对无线环境下提供数据服务的需求变得非常迫切。越来越多的用户 希望能够随时随地以无线方式接入i n t e r n e t 并享受快速安全的网络服务。无线局 域网以其安装便捷、组网灵活、易于迁移和扩展等优点，成为无线通信与计算机 网络相结合的新兴发展方向之一，并迅速发展成为计算机网络中一个至关重要的 组成部分，它的应用领域也在飞速地扩大，目前，无线局域网已经在布线困难、 人员流动频繁、移动办公和需要方便、快速构建网络等环境中广泛应用。 1 1 无线局域网简介 1 9 7 1 年，夏威夷大学的a l o h a n e t 研究项目首次将网络技术和无线通信技术结 合起来，a l o h a n e t 通过星型拓扑将中心计算机和远程工作站连接起来，提供双向 数据通信。远程工作站之间通过中心计算机相互通信。1 9 8 5 年美国联邦通信委员 会( f c c ) 授权普通用户可以使用i s m ( 工业、科学和医药，i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ， a n dm e d i c i n e ) 频段，这一举措大大推动了8 0 2 1 1 无线网络技术商业化过程。此后， 随着微电子和无线通信技术的发展，无线局域网越来越受到人们重视。到了8 0 年 代末，i e e e8 0 2 项目执行委员会决定成立i e e e8 0 2 1 1 工作组负责制订无线局域网 的标准，1 9 9 7 年版的i e e e8 0 2 11 1 标准制订完成，其后又增加了三个补充部分， 分别称为8 0 2 1l a 2 、8 0 2 1 l b 3 和8 0 2 1l g 5 。随着无线通信技术的不断发展 和消费者无线应用需求的不断提高，同时用户也提出了一些新的需求，如增加无 线网络的安全性，支持声音、视频等对于时延和抖动比较敏感的应用。为了适应 这些新需求，i e e e8 0 2 1l 委员会又成立了一些新的工作组，这些工作组的任务就 是改进i e e e8 0 2 1 1 协议，制订能满足新的应用需求的协议标准，如i e e e 8 0 2 1 l i 7 ，i e e e8 0 2 1 l e 4 和i e e e8 0 2 1 i n 8 3 等，这一系列标准的制订促进 了i e e e8 0 2 1 1 无线网络的快速发展。 i e e e8 0 2 11 无线网络按网络拓扑结构可分为如下三类 l 基础网络( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k s ) 3 山东大学硕士学位论文 在基础网络中，a p ( a c c e s sp o i n t s ) 作为中心站点中继所有的通信，a p 既保证 了与各s t a ( s t a t i o n s ) 之间的无线通信，同时还负责与有线网络中的设备的桥接， 任何s t a 都不能和其他s t a 直接通信。一个a p 与其通讯范围内的所有移动节点构成 一个基本服务集b s s ( b a s i cs e r v i c es e t ) ，b s s 内的所有移动节点都与a p 连接、通 讯。当移动节点离开某一个b s s 而进入另一个b s s 时，通过a p 之间的信息交换，可 以使移动节点不受妨碍地继续通讯。由于接入点a p 可控制所属s t a 对网络的访问， 当网络负载增大时，网络性能不致于剧烈恶化。其缺点是a p 故障易导致整个网络 瘫痪。 2 自组织网络( a dh o cn e t w o r k s ) 在自组织网络中，s t a 之间直接通信而不需要中继，s t a 不仅具有普通移动终端 所需的功能，而且具有报文转发能力。这些s t a 组成独立基本服务集 i b s s ( i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t ) ，i b s s 通常是用来在移动站间建立较短的 通信，当通信结束时，i b s s 也就解散了。因此，自组织网络具有无中心、自组织、 拓扑动态变化等特点，抗毁性好、组网容易且费用低。但由于自组织网络无法接 入到有线网络中，只能独立使用。 3 无线m e s h 网络( w m n ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ) 无线m e s h 网络是基础网络与自组织网络的结合，是一种高容量、高速率的分 布式无线网络。8 0 2 1 l s 草案中将无线节点分为m e s h 类节点和非m e s h 类节点。m e s h 类节点包括只提供路由的m p ( m e s hp o i n t ) ，提供s t a 的接入服务的m a p ( m e s h a c c e s sp o i n t ) 以及提供与外网互联的m p p ( m e s hp o i n tp o r t a l ) 。非m e s h 类节点包括简 单的s t a 节点。与基础网络不同的是，无线m e s h 网络中的每个m p 都具备路由选择 的功能，而且每个节点只与其邻近节点进行通信，m p 既是业务的使用者又是业务 的提供者，即它具有数据的转发功能，可以向网络中的其它节点转发它所接收到 的数据包，因而无线m e s h 网络也是一种自组织和自管理网。而相对于自组织网络 来说，w m n 网络大多数节点基本静态不移动，不用电池作为动力，拓扑变化较 小。 无线局域网的特点如下： 移动性好。无线局域网不需要通过固定的传输线路进行通信，因此摆脱了许多线 4 山东大学硕士学位论文 路方面的束缚。因此与传统有线局域网相比较具有移动性好的优势。 扩展性强。无线局域网的配置方式非常多，可以根据需要进行灵活选择。同时， 由于在无线网络中没有过多的位置限制，只要终端设备所处的位置能够接收到信 号，就可以灵活地设置无线终端设备来对原有网络实施扩展。 与传统网络之间的兼容性好。无线局域网在数据链路层所采用的协议为载波侦听 多路访问冲突避免( c s m a c a ) 介质访问协议。它与标准以太网及目前的主流网络 操作系统是兼容的，因此无线网络用户已有的网络软件可以不做任何修改就能够 在无线网络上运行。 易于安装。无线局域网的安装工作非常方便，可以免去或者减少网络布线的工作 量。同时安装无线局域网的过程少去了不少审批环节，因此使无线局域网的安装 周期也相对缩短。 可携带性好。无线系统不需要铺设线路，它可以实现方便快速的网络接入。 传输速率相对较低。无线局域带宽较窄，理论上的数据传输速率最大只能达到 5 4 m b i t s ，所以只能适合中小型公司使用。从数据传输的角度来看，无线局域网 相对于传统局域网还存在很大的差距，这些差距正随着协议的不断完善而缩小。 通信盲点问题。无线网络存在盲点，在盲点处无线网络的通信很困难，甚至根本 无法进行信息传输。 安全问题。无线网络与有线网络的最大不同就是无线网络的通信范围不受网络布 局的限制，只要能够收到无线网络的信号，就可以与之进行通信。这就为无线网 络的应用带来了比传统有线网络更为严重的安全问题。有时无线网络的安全问题 可能会成为束缚无线通信网络快速发展的一个致命原因。 干扰问题。由于无线局域网中的信道是开放的空间，所有活动用户共享其无线信 道，有限范围内的多个用户交互信息时将使无线信道产生严重的冲突现象。这种 有多个用户并发传输导致数据包的冲突产生，影响系统的性能。所以要有一整套 协议、设备解决冲突干扰问题。 5 山东大学硕士学位论文 1 2 课题意义及论文安排 随着无线局域网应用的推广，对i e e e 8 0 2 1 1 无线网络协议的研究也在不断深 入，其中，m a c 协议一直是研究的主要技术难点之一。媒体访问控制( m a c ) 负责 节点接入无线信道，并为上层提供快速、可靠的报文传送支持，是报文在信道上 发送和接收的直接控制者。因此信道接入协议对信道状态的感知是最快的，对无 线局域网的性能起着决定性的作用。因此如何准确的分析m a c 层协议中无线局域 簟 网的吞吐量和时延等一直是无线局域网中的研究重点。 近年来已有大量文献对无线局域网m a c 层性能进行分析，主要有马尔可夫链 模型和排队论模型。这些模型大都假设是理想信道，没有考虑连续发送的影响， 系统工作在饱和状态下，但是在实际的系统中，无线信道中存在着各种干扰和衰 落、损耗等现象，因此对非理想信道下的性能分析是非常有必要的；另外，在实 际的网络环境中系统经常工作在非饱和情况下，因此非饱和状态下的无线局域网 的性能分析也成为近年来研究分析的重点。一些文献对非饱和的系统性能进行了 分析，但有的假设条件不符合实际情况，有的分析方法有误。 文本的目的是针对已有文献中的不足，提出了改进的分析模型，使得对网络 性能的分析更加精确，更贴近协议，为以后的研究奠定了理论基础；同时，对网 络性能准确的分析可以有效地指导现实网络的设计和规划。本文首先对非理想信 道下的二维马尔可夫链分析模型提出了改进，用于对饱和情况下的网络性能进行 分析；其次对非饱和情况下马尔可夫链分析模型的推导过程进行了改进，推导出 正确的冲突概率表达式，并第一次利用更新过程得出了吞吐量与到达率的直接关 系表达式。最后分别用i i s 仿真软件进行了验证。 本论文内容具体安排如下： 第一章介绍了无线局域网的发展历史、现状，无线局域网的特点及本文研究的 具体内容与意义； 第二章介绍无线局域网的组成结构及相关知识，重点介绍了i e e e 8 0 2 11 m a c 层 协议的内容及已有的相关分析方法； 第三章针对已有的二维马尔可夫链模型，考虑了发送成功的站点可能连续发送 和重传次数限制的影响，给出了分析非理想信道下i e e e8 0 2 i id c f 性能的改进二 6 山东大学硕士学位论文 维马尔科夫链模型，用该模型对i e e e8 0 2 1 1d c f 访问机制进行分析，求出饱和吞吐 量和平均帧时延表达式。并通过仿真加以验证。 第四章利用二维马尔可夫链模型分析了在分组到达为非饱和情况下的分组碰 撞概率和系统吞吐量，并通过仿真加以验证； 第五章对全文进行总结，并提出未来的研究方向。 7 山东大学硕士学位论文 第二章无线局域网m a c 层协议简介及研究现状 2 1 无线局域网m a c 协议概述 m a c 协议是用来描述和实施网上各工作站的多址接入，以解决网中节点应以 怎样的规则共享介质才能保证满意的网络性能的问题的。m a c 是局域网的关键技 术之一，局域网的网络性能( 如吞吐量、延迟性能) 主要取决于所采用的m a c 协 议。为了尽量减少数据的传输碰撞和重传发送，防止各工作站之间无序地争用信 道，无线局域网中采用了与以太网相类似的c s m a c a ( 载波侦听多路访问冲突避 免) 协议。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，保证 在某一时刻只能有一个工作站发送数据，通过这种方式实现网络系统的集中控制。 无线局域网存在与传统局域网不同的问题，这些问题对无线局域网的m a c 层提出了 特殊的要求，如捕获效应，隐藏终端现象等。隐藏终端( h i d d e ns t a t i o n ) 现象 是指两个相反方向工作的工作站要利用一个中心接入点进行连接，这两个工站都 能够侦听到中心接入点的存在，而互相之间则可能由于障碍或者距离原因无法感 知到对方的存在。这样在两个节点同时向中心节点发送数据时，导致发送至中心 节点的信号都丢失了。隐藏节点现象大多发生在大型单元中，这将带来效率损失， 并且需要错误恢复机制。捕获效应( c a p t u r ee f f e c t ) 广泛的存在于现实环境中。 在实际的无线环境中，由于收发节点距离或随机衰落的差异造成接收信号的功率 不同，或者由于到达时间的不同，节点有可能从碰撞的信号中捕获到功率最强的 或者先到达的信号，从而能提高系统吞吐量。 鉴于上述问题，在i e e e 8 0 2 1 l 标准中载波侦听多路访i - 2 ( c s m a c a ) 机制利用 i a c k 信号来避免信道冲突情况的发生，在这种机制中，只有当客户端收到网络上 返回的a c k 信号后才能够确认传送的数据已经正确到达目的地。 z 2 无线局域网m a c 层两种控制方法 i e e e8 0 2 1 lm a c 层定义了两种访问控制方法：点协调功能( p c f ，p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 和分布式协调功能( d c f ，d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n 山东大学硕士学位论文 f u n c t i o n ) 。d c f 为竞争型的信道访问机制，支持异步数据传输等异步业务，所有 要传输数据的用户均拥有平等接入网络的机会；p c f 为无竞争的信道访问机制，有 中心控制点进行集中控制。p c f 方式位于d c f 方式之上，d c f 方式是p c f 方式的基础。 在i e e e8 0 2 1 1 中，通过定义了几种帧间隔( i f s ，i n t e r f r a m es p a c e ) 时间标准 以提供对介质访问的优先级。一个节点通过载波侦听机制确定介质处于空闲状态， 并且持续空闲达到特定的间隔时间时才能进行发送。d c f 和p c f 涉及到三个不同的 间隔时间，从长到短依次是：d c f 帧间隔时间d i f s ，p c f 帧间隔时间p i f s ，最短帧 间隔时间s i f s 。如下分别介绍分布式协调功能和点协调功能。 2 2 1 分布式协调功能 在i e e e8 0 2 1 i m a c 层协议中，分布式协调功能d c f 是最基本的信道共享机制， 无论是在基础网络中，还是在自组织网络及无线m e s h 网络中，d c f 都需要在所有节 点中执行。分布式协调功能是一种基于载波侦听多路访问冲突避免( c s m a c a ， c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 的随机访问方法， d c f 是基于具有冲突检测的载波侦听多路存取方法，无线设备发送数据前，首先要 检测一下线路的忙闲状态，如果空闲，则立即发送数据，并同时检测有无数据碰 撞发生。这一方法能协调多个用户对共享链路的访问，避免出现因争抢线路而无 法通信的情况。这和方式在共享通信介质时没有任何优先级的规定。d c f 包括载波 检测机制、帧间间隔( i f s ) 和随机避让规程。对i e e e8 0 2 1 l 协议而言网络中所 有的终端要发送数据时，都要按照c s m a c a 的介质访问方法接入共享介质，也就是 说，需要发送数据的终端首先侦听介质，以便知道是否有其他终端正在发送。如 果介质不忙，则可以进行发送处理，但不是马上发送数据帧，而是由c s m a c a 分布 算法，强制性地控制各种数据帧相应的时间间隔，只有在该类型帧所规定的i f s 内 介质一直是空闲的方可发送。如检测到介质正在传送数据，则该终端将推迟竞争 介质，一直延迟到现行的传输结束为止。在延迟之后，该终端要经过一个随机退 避时间重新竞争对介质的使用权。退避时间按照如下方法进行选择，并将其作为 递减退避计数器的初始值。 退避时间= i n t c w * r a n d o m 0 * s l o tt i m e 9 山东大学硕士学位论文 其中，c w 为竞争窗，初始值为c w u ，如果发送数据不成功，则逐步以指数形式增 加c w 的慎，直到c 哌。为止。其过程如下： 1 ) 检测到介质空闲时，退避计数器递减计时。 2 ) 检测到介质忙时，退避计数器停止计时，直到检测到介质空闲时间大于d i f s 后 重新递减计时。 3 ) 退避计数器减少到o 时，介质仍为空，则该终端就占用介质。 4 ) 退避计数器最小的终端在竞争中获胜，取得对介质的访问权；失败的终端会保 持在退避状态，直到下一个d i f s 。 分布式协调功能提供基本接入方法( b a s i ca c c e s sm e t h o d ) 和可选的r t s c t s ( r e q u e s tt os e n d c l e a rt os e n d ) 接入方法两种信道访问模式。 在基本接入方法中，一个节点要发送数据帧时，首先通过侦听信道确定是否有 其它节点正在发送数据。如果信道是空闲的并持续d i f s 时间，这个节点就开始发 送。如果信道被侦听到是“忙状态，这个节点将峰持侦听直到信道空闲一个d i f s 时间，然后产生一个随机的退避时间，并保存在一个计数器中。随后，在每个时 隙中，如果信道为空闲状态，退避时间计数器将减1 ，直到退避时间计数器减到0 时，这个节点开始发送数据帧；在退避过程中，如果在某个时隙中信道上有其它 节点发送，退避时间计数器将被冻结，退避过程暂时中断，直到信道重新变成空 闲状态并持续d i f s 时间后再次被激活。目标节点成功收到一个数据帧后，经过一 个s i f s 时间后，向源节点发送一个确认帧( a c k ) ，如果源节点在超时( a c kt i m e o u t ) 设置的时间内收至s j a c k ，则认为数据帧发送成功，否则，认为数据帧发送失败并进 行重发。如图2 1 所示。 l o d l f s 数据 s i f s a c k d i f s 竞争窗口 延迟时问延迟之后的避i , k m l f 目 图2 1 山东大学硕士学位论文 在r t s c t s 接入方法中，一个节点需要发送一个数据帧时，等待信道空闲并持 续d i f s 时间，经过退避时间后，该节点将先发送一个短帧r t s ，目标节点收至u r t s 后，将在s i f s 问隔后返回一个c t s 帧，源节点只有成功收到这个m s 后才能进行数 据帧的发送。m s 和m s 帧中都包含着到本次数据帧发送完成所需的持续时间，其 它能够收至u r t s 或c t s 的节点将根据这个持续时间信息修改其网络配置矢量 n a v ( n e t w o r ka 1l o c a t i o nv e c t o r ) ，并在该段时间内保持沉默。因此r t s c t s 访问 方法能够在一定程度上解决隐藏节点问题。如图2 2 源主机 目的丰机 其他主机 d 仆n 康西磊 s l f sl s l f s s 鸸卜i a c k d l f s 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 延迟时问 图2 2 在r t s c t s 的系统中，工作站b 会在s i f s 时间间隔内发送r t s 帧，这个帧包含的 时间可以用来定义发送数据和返回确认帧所需要的时间长度，能接收工作站b 信号 的接入点和其他所有工作站都会被告知工作站b 需要在特定的一段时间内来占用 这个传输介质。每一个收到信息的工作站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，那么就没有工作站能发送信 息。然后，接入点用清除发送( c t s ) 来回应工作站b ，以此来告诉在该接入点所 能接收到该信息的所有工作站，现在的传输介质正在被占用，他们必须要暂停数 据的发送。在接收至u c t s 帧后，工作站b 就将继续发送信息，其过程如图2 3 山东大学硕士学位论文 无线 无线 终端b 终端c 图2 3 r t s c t s 机制的优势在于能够较早的感知碰撞的发生，从而快速的从碰撞中 恢复。由于r t s 和c t s 都是很短的帧，因此，在发送了r t s 之后，发送方只需要等待 较短的时间，就可以判断能否收n c t s ，进而判断是否需要重传。而在没有该机制 时，发送方必须至少等待传输整个数据帧以及a c k 的时问。数据帧的长度通常是r t s c t s 帧的几倍甚至几十倍。 当然，r t s c t s 机制也有其劣势，它可能会导致不可忽略的额外开销，从而 带来带宽的浪费和较高的延迟。因为如果数据帧的长度较小，比如小于1 5 0 字节， 传输r t s c t s 的开销会高于传输数据的开销，造成吞吐率的下降、通信延迟的增 加。因此，标准中规定了一个参数，称为r t s 阈值( t h r e s h o l d ) ，对于超过r t s 阈值 长度的数据帧采用r t s c t s 机制，而对于没有超出r t s 阈值长度的数据帧则不采用 该机制。 2 2 2 点协调功能 p c f 是在d c f 的基础上定义的可选功能。p c f 需要有一个接入点来控制介质访问， 并轮询无线站点。p c f 建立在d c f 基础上，由接入点a p 的中心控制器来决定当前哪 一个站点有权发送数据。p c f 通过d c f 以较高的优先级竞争介质。访问介质的优先 级别是根据不同的i f s 的长短来决定的，p c f 通过较短的p i f s ，使p c f 的业务优先访 1 2 山东大学硕士学位论文 问介质。p c f 不像d c f 那样，每个节点用c s m a c a 和随机退避算法来竞争信道，而是 由点协调器使用信标帧b f ( b e a c o nf r a m e ) 定义无竞争期c f p ( c o n t e n t i o nf r e e p e r i o d ) 来获得信道。b f 是以一定规则间隔发送的定时信息帧。b s s 内的所有节点 在每一个c f p 的开始，设置它们的网络配置矢量n a v ，告诉所有的节点在该n a v 内要 保持沉默。工作在p c f 的b s s 中的节点都能接收至u p c f 控制下发送来的所有的帧，也 能够对点协调器发送的无竞争轮询( c fp o l l ) 做出响应。被轮询节点在c f p 内不使 用r t s c t s ，它只发送一个可达任何目的节点的m s d u ( 姒cs e r v i c ed a t au n i t ) ， 且可以接收到来自下一帧的确认应答。如果数据帧不被应答，则节点将不重发该 帧，除非它再一次被点协调器轮询或它决定在竞争期间重发。同样，点协调器也 不对未确认帧进行重发，它在下一个c f p 内根据注明在轮询表表头的节点识别号 s i d 重发未应答的帧。如果一个c f ( c o n t e n t i o nf r e e ) 发送帧的目的节点不处于无 竞争轮询状态，则该节点将按照d c f 应答规则应答此次发送，而且点协调器在恢复 c f 发送之前要等待一个p i f s 时间后，再对介质进行控制。点协调器可单独使用无 竞争帧向b s s 内的节点进行发送，而无需询问。在一个基本服务集中，如果打开p c f 功能，则由p c f 和d c f 来分享控制信道的使用，这样会使介质访问控制变得非常复 杂。此外，当处于p c f 工作方式时，接入点将一个一个询问客户端以获取数据，客 户端只有在被轮询到的时候，才能从接入点收取数据。由于p c f 处理每个客户端的 时间和顺序是固定的，所以可以保证一个固定的延迟。但p c f 的不足之处是它的可 伸缩性较差