（通信与信息系统专业论文）ieee80211dcf无线局域网性能分析.pdf

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传输，无线传输信道的不可 靠性决定了无线局域网的性能会受到冲突、干扰等各种因素的影响，因此对于无 线局域网性能的研究具有重要的意义。 目前，对于i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网性能的研究普遍使用二维马尔可夫链模型。 为提高分析模型的精确性，本文考虑网络传输过程中的实际环境因素影响，在已 有分析模型的基础上，给出了分析非理想信道非饱和状态下i e e e8 0 2 1 1d c f 性能 的改进的二维马尔科夫链模型，用该模型对i e e e8 0 2 1 li ) c f 访问机制进行分析， 求出饱和吞吐量表达式，并对非饱和系统中吞吐量与到达率的关系进行分析，其次 考虑重传次数和退避阶数对网络性能的影响，在原有模型的基础上对其进行分析， 计算出不同的重传次数与退避阶数的饱和吞吐量，最后用n s 仿真分别验证了其准 确性。 关键词：8 0 2 1 l ；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 a b s t r a c t ：i nt h er e c e n ty e a r s ，、析mt 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 n t e c h n o l o g y , t h ew i f 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 s a m o u n to fg r o w t h w h , 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 la r e a s o 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 rb c 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 y a n de x t e n d i b i l i t y a tt h es 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 e p e r f o r m a n c eo f t h eg r u e l e s sl o c a ln e t w o r k su n d e r a n yd i f f e r e n te n v i r o n m e n t s b e c a u s eo ft h ed a t at r a n s m i s s i o no f ；e e8 0 2 11w l a n s u s i n ga w i r e l e s sc h a n n e l ， i t su n r e l i a b i l i t yd e c i d e st h a tt h ep e r f o r m a n c eo f 亿a n sw i l lb ea f f e c tb yav a r i e t yo f c o l l i s i o n sa n di n t e r f e r e s o t h er e s e a r c ho fp e r f o r m a n c eh a sb o o o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t n l cm o s to fr e s e a r c ho f 亿a n sb a s eo nb i a n c h i sb i d i m e n s i o n a lm a r k o vm o d e l a tp r e s e n t 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 gi m p a c t s o fp r a c t i c a ls e t t i n gi nt h ep r o c e s so ft 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 1ld c ff o ra n o n - i d e a lc h a n n e li nn o n - s a t u r a t e dc o n d i t i o n sa 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 l r e l e s sl a n s ，d e r i v i n gt h e e 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 t t h e nu s i n gt h em o d e la b o v e ，t h er e l a t i o n s h i p o 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 s a n a l y z e d s e c o n d l y , c o n s i d e r i n gt h e i m p a c t so fb a e k o f fa n dr e t r yd e p e n d so nt h eo r i g i n a lm o d e la n dg e tt h es a t u r a t e d t h r o u g h p u ta b o u tt h ed i f f e r e n tb a e k o f fa n dr e t r y i nt h ee n d , t h er e s u l t sf r o mt h em o d e l a r cv e r i f i e db ys i m u l a t i o n k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 11 ；w t r e l e s sl a n s ；t h r o u g h p 吐b i d i m e n s i o n a lm a r k o v c h a i nm o d e l ； 2 山东大学硕士学位论文 上- j 一 刖 吾 近年来，随着无线局域网标准、技术的发展，无线局域网产品逐渐成熟，无 线局域网的应用也逐渐发展起来。随着1 9 9 7 年i e e e 8 0 2 1 1 1 1 标准的制定完成以及 后来又相继提出的8 0 2 1 1 a 2 、8 0 2 1 1 b 3 、8 0 2 1 1 9 1 5 1 、8 0 2 1 1 i 7 、8 0 2 1 1 e 4 1 6 、 和8 0 2 1 1 n 8 等协议标准，无线局域网技术已摆脱了过去那种互不兼容的状态，从 而能为无法采用有线系统安装的领域提供可靠地、移动的网络互联方案。 与有线局域网相比，无线局域网具有移动性好、安装容易、使用简单、 组网灵活、可伸缩性强以及经济性好等优点。 当然，无线局域网还面临着许多问题： 一是可靠性问题。无线局域网采用无线信道进行通信，而无线信道是一个不 可靠信道，存在着各种各样的干扰和噪声，从而引起信号的衰落和误码，进而导 致网络吞吐性能的下降和不稳定。此外，由于无线传输的特殊性，还可能产生搿隐 藏终端 、“暴露终端 、“插入终端 等问题，影响系统的可靠性。 二是干扰问题。外界干扰可对无线信道和无线局域网设备形成干扰，无线局 域网系统内部也会形成自干扰；同时，无线局域网系统还会干扰其他无线系统。 三是安全性问题。无线局域网的安全性主要是指信息安全，即保证信息传输 的可靠性、保密性、合法性和不可篡改性；但无线网络的通信范围不受网络布局 的限制，只要能够接受到无线网络的信号，就可能与之进行通信，这就带来了比 较严重的网络通信安全问题。 无线局域网的m a c 层协议主要是采用分布式协调功能( d c f ) 和点协调功能 ( p c f ) ，以及介于两者之间的混合协调功能( h c f ) 。d c f 是最基本的媒体访问方 法，因此对基于d c f 的无线局域网网络性能分析具有重要的意义，本文的重点也 是对d c f 进行分析。 由于频谱资源有限，无线局域网的信道带宽远小于有线网的带宽，因此分析 和研究无线局域网网络性能就具有十分重要的意义。吞吐量和时延作为无线局域 网的性能的两个重要的指标，有着非常重要的研究价值。国内外许多文献都基于 3 山东大学硕士学位论文 吞吐量和时延对无线局域网网络性能进行分析和研究，这些分析模型大部分假设 理想信道、饱和状态。但在实际的网络传输环境中，由于无线局域网采用无线信 道进行通信，而无线信道是一个不可靠信道，存在着各种各样的干扰和噪声，从 而引起信号的衰落和误码，进而导致网络吞吐性能的下降和不稳定，同时网络系 统不可能一直工作在饱和状态下，因此分析非理想信道所产生的误码以及非饱和 状态下对网络性能的影响具有重要的理论意义和实用价值，通过这些研究分析， 可以使我们对于现实的网络传输环境中的无线局域网有更深入的了解。近年来， 国内外许多文献都对无线局域网的性能进行了分析，分析的重点主要是在尽可能 接近实际网络传输环境的情况下对无线局局域网的吞吐量进行分析，本文正是在 这些文献的基础之上，首先分析了非饱和状态，非理想信道产生的误码对网络性 能的影响，提出了改进的二维马尔可夫数学模型，得到了吞吐量与到达率的关系 表达式；然后又分析了退避阶数与重传次数对非理想信道下的网络性能的影响。 并分别利用n s f 9 j 仿真软件对理论结果进行仿真验证。 论文的主要安排如下： 第一章主要简要介绍无线局域网相关的基本知识。 第二章主要介绍了m a c 协议的基本知识以及协议性能分析的现状。 第三章主要是利用二维马尔科夫链模型，针对非理想信道和非饱和状态下对 无线局域网的性能进行分析，给出了改进的分析模型，推导出吞吐量表达式，最 后应用n s 仿真软件仿真验证。 第四章利用非理想信道下和分组到达为非饱和的情况下，考虑退避阶数和重 传次数的影响，对无线局域网的性能进行理论分析，推导出吞吐量表达式，并通 过仿真进行验证。 第五章是对本文进行总结，提出存在的不足，并对将来的研究做出规划和打 算。 4 山东大学硕士学位论文 第一章无线局域网概述 无线局域网是指以无线电波、激光、红外线等无线媒介来代替有线局域网中 的部分或全部传输媒介而构成的网络。它不仅可以作为有线数据通信的补充和延 伸，而且还可以与有线网络环境互为备份。 8 0 2 11 网络包含四种主要物理组件 5 0 ： 一是工作站( s t a t i o n ) 。构建网络的目的是为了在工作站问传送数据。所谓 的工作站( s t a t i o n ) ，是指配备无线网络接口的计算设备。 二是接入点( a c c e s sp o i n t ) 。8 0 2 1 1 网络所使用的帧必须经过转换，方能 被传递至其他不同类型的网络。具备无线至有线( w i r e l e s s t o w i r e d ) 的桥接功 能的设备称为接入点( a c c e s sp o i n t ，简称a p ) ，接入点的功能不仅于此，但桥接 ( b r i d g i n g ) 最为重要。 三是无线媒介( w i r e l e s sm e d i u m ) 。8 0 2 1 1 标准以无线媒介( w i r e l e s sm e d i u m ) 在工作站之间传递帧。 四是分布式系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 。当几个接入点串联以覆盖较大区 域时，彼此之间必须相互通信以掌握移动式工作站的行踪。分布式系统 ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 属于8 0 2 1 1 的逻辑组件，负责将帧转送至目的地。分 布式系统是接入点问转发帧的骨干网络。因此通常就称为骨干网络。 无线局域网有下面几种拓扑结构 1 0 1 1 ： 1 基本服务集( b a s i cs e r v i c es e t ，简称b s s ) 基本服务集b s s 是8 0 2 1 1 网络的基本组件( b u ii d i n gb l o c k ) 由一组相互 通信的工作站构成。在b s s 网络中，需要有一个无线接入点充当中心站，来控制 所有站点对于网络的访问，只要在此中心站通信范围的站点互相之间都可以进行 通信，同时此中心站可以为接入有线网络提供一个接入点，但是这种网络拓扑结 构的抗毁性比较差，一旦中心站出现故障，就会导致整个网络瘫痪。在实际的应 用中一般利用中心站作为无线网与有线网的转接器。 2 独立基本服务集( i n d e p e n d e n tb s s ，简称i b s s ) 山东大学硕士学位论文 i b s s 是一个独立的b s s ，没有接入点作为连接的中心，两个可以相互直接通 信的站点就可以构成i b s s 网络，所以这种网络又可以称为对等网( p e e rt op e e r ) 或者非结构组网( a dh o c ) 。在i b s s 网络中，所有的站点共享一个公用的广播信 道，因此个站点要发送数据必须通过竞争信道来进行通信。这种网络结构的优点 是抗毁能力强，并且组网容易，费用低廉。但是当网络用户比较多且业务量比较 大时，信道的竞争对网络性能的影响很大，因此这种网络结构适合用户数量较少， 业务量相对较低的网络规模，所以比较适合临时会议这种为了特定目的而组成的 暂时性网络，持续时间不长，规模较小，目的明确。 3 扩展服务集( e x t e n d e ds e r v i c es e t ，简称e s s ) 扩展服务集( e s s ) 网络是由两个或者多个8 s s 构成的一个单一子网，利用骨 干网络将几个b s s 串联在一起，实现了跨越b s s 范围，满足了大小任意、大范围 覆盖网络的需求。在e s s 网络结构中，b s s 是构成无线局域网的最小单元，近似于 蜂窝移动电话中的小区，但和小区有明显的区别，在e s s 内，不同的b s s 之问相 互连接，所有的接入点使用相同的服务组标识符( s e r v i c es e ti n d e n t i f i e r ，简 称s s i d ) ，通常就是用户所谓的网络“名称 。 6 山东大学硕士学位论文 第二章无线局域网m a c 层协议简介及性能分析现状 一直以来，对i e e e s 0 2 1 1m a c 层协议d c f 的性能分析一直是无线局域网研 究领域的研究热点。国内外对d c f 性能分析研究的文献大部分是采用二维马尔科 夫链的数学模型，有少数一部分文献采用其他模型对d c f 进行性能分析，如排队 模型。这些模型主要是对无线局网的吞吐量进行分析研究。模型一般是基于理想 信道、非理想信道、饱和状态与非饱和状态对无线局域网性能进行分析研究。下 面本文主要针对m a c 层协议以及几种代表性的模型进行简单的介绍。 2 1i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议简介 i e e e s 0 2 1 1 规范的关键在于眦( 媒介访问控制层) 。m a c 位于物理层之上， 负责无线介质的访问，控制数据的传输，负责核心成帧操作以及与有线骨干网络 之间的交互，并提供数据验证和保密。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 ( c a r d e rs e i i s em u l t i p l ea e w e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e ，载波侦听多路访问 冲突避免) 协议来控制对传输媒介的访问。c s m a c a 通信方式能够将时问域的划 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。 无线媒介的访问是由协调功能控制，e e h e m e t 之类的c s 燃a 访问是由分布 式协调功能( 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 ，简称d c f ) 控制。如果需要用到无 竞争服务( c o n t e n t i o n f r c es e r v i c e ) ，则可通过构建于d c f 之上的点协调功能( p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，简称p c f ) 来控制。在各取所需( f r e e f o r - a 1 1 ) 的d c f 与精 确控制的p c f 之间，网络也可以介于两者之间的混合协调功能( h y b r i d c o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ，简称h c f ) 。无竞争服务只于基础结构型网络中提供，不过只要工作站 7 山东大学硕士学位论文 支持h c f ，就可以在网络中提供服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，简称q o s ) 功能。 2 1 1 分布式协调功能( d c f ) 分布式协调功能( d c f ) 是在i e e e s 0 2 1 l 协议标准中规定的访问控制方法， 也是无线局域网最基本的访问方法。该协议采用带冲突避免的载波侦听多址访问 c s m a c a 。分布式协调功能( d c f ) 是最基本的信道共享机制，在所有的无线局 域网工作站上均可以实现，用于无线局域网的网络结构配置中( m s s 、b s s 和e s s ) 。 分布式协调功能d c f 通过使用c s m a c a 和随机退避时间在兼容的物理层之 间实现信道的自动共享。在发送数据前，首先检测介质上是否有其他工作站正在 发送数据，如果介质空闲，则工作站就可以发送数据。c s m a c a 分布式算法强制 规定在连续两次帧发送之间，介质上必须要有一段间隔。将要发送数据的工作站 必须在发送数据前确保在它请求使用介质的时间内介质空闲。如果介质检测表明 处于忙状态时，工作站将推迟其数据发送，直到当前帧发送完毕。在推迟发送后， 或者在成功发送后，需要立即再次发送时，工作站将选择一个随机退避间隔。在 介质空闲时，一般会减少随机退避间隔计数器的值。比如，发送方工作站检测表 明介质空闲，并且在发送数据前完成随机退避后，将与接收方工作站交换短的控 制帧( r t s 帧和c t s 帧) 。另外，所有定向通信采用立即的主动确认( a c k 帧) ， 若没有接受到确认( a c k 帧) ，将会安排重传。 i e e e 8 0 2 1 i m a c 内置了避免冲突的功能，所以工作站会延迟媒介的访问，直 到媒介再度闲置。不同的帧间问隔会为不同类型的传输产生不同的优先次序。其 后的决策逻辑为：当媒介闲置下来时，高优先级的数据所等待的时间较短。因此， 如有任何高优先级的数据待传，在优先级较低的帧试图访问媒介之前，优先级较 高的数据早就将媒介占为己用了。为了维持不同数据传输率的互用性，帧问间隔 的时间都是固定的，与传输率无关。 首先介绍几种帧间隔的( i f s ) 时间，便于后续的解释： 短帧间间隔( s h o r ti n t e r f r a m es p a c e ，简称s i f s ) ：s i f s 为最短的固定的帧间 问隔，在无线局域网上提供了一个最高等级的优先权。当无线工作站已经获取介 质使用权且需要保持完成帧交换序列的持续时间时。应使用s i f s 。s i f s 用于确认 帧( a c k ) 、请求发送清除待发帧( r t s 圮t s ) 、分段突发的第二或后续的m a c 8 山东大学硕士学位论文 i i i i! 协议数据单元( m p d u ) 以及工作站对p c f 任何轮询的响应等。 p c f 帧问间隔( p c fi n t e r f r a m es p a c e ，简称p i f s ) ：p i f s 主要被p c f 使用在 无竞争操作中。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。 d c f 帧问间隔( d c fi n t e r f r a m es p a c e ，简称d i f s ) ：d i f s 是最长的固定帧间 间隔，是竞争式服务中最短的媒介闲置时间，如果媒介闲置时间长于d i f s ，则工 作站可以立即对媒介进行访问。d i f s 由操作在d c f 下的工作站使用，用于发送数 据帧和管理帧。 扩展帧间间隔( e x t e n d e di n t e r f i 狮es p a c e ，简称e i f s ) ：e i f s 并非固定的时间 间隔。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l i 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 e i f s 期间，接收到的无错误的帧使工作站重新同步到介质的实际忙闲状态，此时 e i f s 结束，并在接收完此帧后继续正常的介质访问过程( 利用d i f s ，必要时进行 退避) 。 根据c s m a c a 协议，站点通过随机退避时间来避免冲突的发生【5 5 】。 退避时间( b a c k o f f t i m e ) = i n t ( c w r a n d o m ( ) ) s l o t t i m e 式中，1 n t 表示取整。c w 是竞争窗口参数，取值为c w m i n 到c w m a x 之间 的一个整数；在初始化时，c w 值为c w m i n ；当要发生重传时，c w 应取给定的 队列的下一值，直到最大值c w m a x 为止。r a n d o m ( ) 为0 到l 之间的一个随机 小数。s l o tt i m e 是m i b 中的一变量值，其值的大小取决于物理层，是发射机打开、 空中传播时延与媒介检测响应时间之和。i e e e 8 0 2 1 1 使用二进制指数退避( b e b ) 算法。 当某个想发送数据的站点使用退避算法选择了争用窗口( c w ) 中的某个时隙 后，就根据该时隙的为止设置一个退避计时器( b a c k o f f t i m e r ) 。若在该时隙时问 段内，媒介保持空闲，t i m e r 减l ：若媒介忙，则冻结退避计时器的数值( 即t i m e r 不变) ，并记录下当前值，重新等待媒介变为空闲。在经过时间d i f s 后，继续启 动退避计时器( 从t i m e r 剩下的记录值开始减1 ) ，直到t i m e r 为0 ，开始发送一帧。 这种退避算法的好处在于：上次竞争不到媒介的站点将以越来越短的退避时问进 入下次竞争，避免永远竞争不到媒介的情况。所以说退避算法提供了对媒介公平 9 山东大学硕士学位论文 访问的机制，对高负荷网络起到了稳定的作用。 应当指出，当一个站点要发送数据帧时，仅在下面的情况下才不使用退避算 法：检测到信道是空闲的，并且这个数据帧是它想发送的第一个数据帧。除此以 外的所用情况，都必须使用退避算法。具体来说有： 在发送它的第一帧之前检测到信道处于忙态； 在每次的重传后； 在每一次的成功发送后。 d c f 有两种工作方式：一是基本工作方式，即c s m a c a 方式。其工作原理是 当需要发送数据的站点在发送第一个数据帧之前首先会检测信道是否空闲，如果 信道空闲，并且空闲时间超过d i f s 时间长，站点就立即发送数据，目标站点在正 确接收到数据帧后，在问隔s i f s 时问长后回复确认帧a c k ，以表示正确接收；如 果信道忙，则发送站点继续监听信道，直到检测到信道空闲，并继续监听d i f s 时 间长后，进入竞争窗口，在此竞争窗口下随机选择退避时间进行退避，并将这个 退避时间保存在一个退避计数器中。继续监听信道，若信道空闲，在每个时隙内， 退避计数器将递减l ，一旦退避计数器减到0 ，那么这个站点就开始发送数据；如 果在此退避过程中，其他站点占用信道，则退避计数器暂时停止递减，即退避计 数器冻结，退避过程暂时中断，继续监听信道直到信道空闲并持续d i f s 时间长后， 退避计数器工作并继续递减，直到递减为0 ，站点开始发送数据，若此时又有其他 站点同时发送数据，则产生冲突，冲突后，站点进入下一竞争窗口，窗口值为原 来的两倍，在此窗口值下随机选择退避时间进行退避，以此类推，直到到达最大 竞争窗口，然后不再变化，一直到发送成功或者超过最大重传次数而丢弃。发送 站点在发送数据帧后若在规定的时问内未收到目标站点的a c k 确认帧，发送站点 就会认为发送失败，进入下一级竞争窗口，直到正确接受到a c k 确认帧；若发送 成功，则进入最小退避窗口，继续发送数据在最小退避窗口随机选择退避时问来 竞争信道。 i o 山东大学硕士学位论文 源弘机 d i f s 数据 s i f s a c k d 1 f s 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 二是r t s ，c t s 机制，其工作原理是：发送站点在向接受站点发送数据包之前， 即在d i f s ( d c f 帧间隔) 之后不是立即发送数据，而是代之以发送一个请求发送 r t s ( r e a d yt os e n d ) 控制帧来申请对信道的使用权，并且在此r t s 帧中告知要 占用信道的时间，接受站点在接收到r t s 帧后，立即在s i f s 时间间隔后发送一 个准许发送c t s ( c l e a rt os e n d ) 帧，来告知对方可以发送数据，同样此帧中也 包含发送站点发送数据要占用信道的时间。在发送站点和接受站点周围的站点都 接收到了这个信道占用时间，在这个时间内，其他站点将保持沉默不会发送数据， 这就避免了冲突。在发送站点和接受站点完成r t s 圯t s 交换过程后( 即完成握 手) ，双方开始进行数据传递，这样可以避免隐藏节点的干扰。即使有冲突发生， 也只是在发送r t s 帧时，这种情况下，由于收不到接受站点的c t s 消息，大家 再回头用c s m a c a 协议的竞争机制，分配一个随机退避定时值，等待下一次信 道空闲d i f s 后竞争发送r t s 帧，直到成功为止。这样发送端就可以发送数据和 接受a c k 信号而不会造成数据的冲突。由于r t s c t s 需要占用网络资源而增加 了额外的网络负担，一般只是在那些大数据包上采用( 重传大数据报会耗费较大) 。 整个r t s ，c t s 传输过程会用到好几个帧，实际开始传送数据之间的退避也会消耗 一定的带宽，因此它通常只用在高用户量的环境下以及传输竞争比较显著的场合， 对低用户量的环境而言，通常无此必要。随着8 0 2 1 1 逐渐成熟，隐藏节点已经不 再是问题。在小型、静止的只有几个工作站共享一个接入点的网络里，很少会有 同时进行传输的情况，何况还有不少闲置带宽可供重传之用。在比较大型的网络 环境里，由于覆盖范围内有相当密集的接入点，工作站很有可能坐落在好几个接 入点的共同覆盏范围内。用户可以通过调整r t s 阈值( t h r e s h o l d ) 来控制r t s ，c t s 山东大学硕士学位论文 交换过程，只要帧大于此阈值，r t s ，c t s 交换过程就会进行，反之小于此阈值就 会直接传送帧。 源主机 日的主机 其他主机 d l f 鞠 畏西r 菘i 订 s i f s l lli s i f s s f s 卜了 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 延迟时问 图l 一2r t s c t s 机制时间图 d c f 机制的错误检测与更正是由开始帧交换过程的工作站来担任。一旦检测 到错误，该工作站必须负责重新发送。错误检测是由发送端负责，发送端可根据 确认帧来确定是否帧丢失。每个帧都对应一个重试计数器( r e t r yc o u n t e r ) ，只要 被重发，重试计数器就会累加。工作站有两个重试计数器，分别是短帧( 即长度 小于r t s 阈值的帧) 重试计数器( s h o r tr e t r yc o u n t e r ) 和长帧( 即长度大于于 r t s 阈值的帧) 重试计数器( 1 0 n gr e t r yc o u n t e r ) ，帧重试计数器重零开始，只要 帧传送失败就进行累加。 短帧重试计数器会在下列情况发生时清零：一是之前传送的r t s 得到c t s 响应；二是之前传送的未分段帧得到m a c 层的响应；三是收到广播或组播的帧。 长帧重试计数器在下列情况下清零：之前传送的帧大于r t s 阈值并且得到m a c 层的响应或者收到广播或组播的帧。 除了相应的重试计数器，m a c 会赋予每个帧片段一个最长的“生存时间 ( 1 i f e t i m e ) 。传送出第一个帧片段之后，生存计时器随机启动，一点超过生存时 间，该帧便会被丢弃，因此不会重试其余的帧片段。 2 1 2 点协调功能( p c f ) d c f 只能提供竞争型的异步业务，对数据传输的时延较大。为了能提供时限 服务，m a c 协议还提供了一种不适用于i b s s ，用户可按需选择的点协调功能p c f 的访问方式。基于可选优先级的p c f 提供无竞争的帧传送。在这种工作模式下， 1 2 山东大学硕士学位论文 置于访问节点中的中心控制器控制来自工作站的帧的传送。所有工作站均服从中 心控制器的控制，在每一个无竞争期的开始时间设置它们的n a v ( 网络分配矢量) 值。当然，对于无竞争的轮询( c f p o l l 帧) ，工作站可以有选择地进行回应。 在无竞争期开始，中心控制器首先获得介质的控制权，并遵循p i f s 对介质进 行访问。因此，中心控制器可以在无竞争期保持控制权，等待比工作在分布式控 制方式下更短的发送间隔。 中心控制器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 隔之后空闲，中心控制器就发送包含c f 参数设置元素的信标( b e a c o n ) 帧。工作 站接收到信标后，利用c f 参数设置中的c f p m a x d u r a t i o n 值更新它们的n a v 。这 个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取介 质的控制权。 发送信标帧之后中心控制器等待至少一个s i f s 间隔，开始发送数据帧、c f 轮询帧、数据+ c f 轮询帧或c f 结束帧中的某一种帧。 工作站具有被轮询与否的选择权。它可以在a s s o c i a t i o nr e x l u 髓 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 ) 子字段中表明希望轮询与否。一个 工作站通过发布r e a s s o c i a t i o nr e q u e s t 帧来改变自身的可轮询性。中心控制器维护 着一个轮询队列，轮询队列中的工作站在无竞争期可能会受到轮询。如果轮询队 列按照a i d s 值升序排列，中心控制器至少会发送一次c f 轮询。当工作站正准备 连接到一个访问节点上时，它会通过功能信息( c a p a b i l i t yi n f o r m a t i o n ) 字段的值 表达希望进入轮询队列的愿望。 p c f 并不是例行公事地在d c f 的退避时间里工作，因此，当相互覆盖的中心 控制器使用同一物理( p h y ) 信道时，会有碰撞发生。由多路访问节点组成的基 础网络设施中就存在这类问题。为了减少碰撞，如果进行初始信标发送时遇到介 质忙，中心控制器会利用随即退避时间。 由于p c f 具有优先接入媒体的优势，点协调器可在媒体空闲是占有媒体，进 入无竞争期，采用轮询方式在b s s 内各站来发送数据帧。因此，p c f 具有较小的 延迟，能促进网络吞吐量最佳化，更好的支持无竞争的时限业务，如语音、视频 或多媒体业务等。 在默认状态下，所有符合8 0 2 1 1 标准的工作站都采用分布式协调功能( d c f ) ， 山东大学硕士学位论文 d c f 采用载波监听访问机制，作为一个可选项，你也可以将你的工作站初始化为 可同时采用基于优先级访问的点协调功能( p c f ) 。多数情况下，d c f 已经能够满 足要求，只在要发送音频和视频等限时信息时，才考虑激活p c f 。由于轮询帧的 发送，p c f 会增大网络的系统开销。 2 1 3 混合协调功麓( h c f ) 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。h c f 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。 2 2b i a n c h i 二维马尔科夫模型简介 b i a n c h i 在文献【1 2 】采用二维马尔可夫链分析理想信道下i e e e8 0 2 1 1d c f 的饱 和吞吐量，得到饱和吞吐量的表达式。其模型的获取是基于以下假设条件：一是 信道理想，二是冲突概率是恒定且相互独立，三是不存在隐藏终端且不考虑捕获 效应，四是终端数量是固定的，五是网络处于饱和状态，即每个站点始终有分组 发送，六是重传次数不限制，直到发送成功。当前关于无线局域网的性能分析多 数基于b i a n c h i 提出的模型。 b i a n c h i 等人在文献【1 2 】的基础之上在文献1 1 3 中对i e e e8 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，也为网络性能的分析提供 了更好的思路。 2 3 排队论分析模型简介 文献【1 4 】和【1 5 】分别采用m m l 和g g l 队列建模来分析8 0 2 1 l 无线局 域网m a c 层的性能。文献【1 6 】采用m g l k 队列表示终端m a c 层有限队列 的行为状态。文献【l7 】和文献 1 8 1 则是应用排队论理论对理想信道下的i e e e 8 0 2 1 1d c f 的饱和吞吐量进行分析，提出了一种排队模型，该模型把一个 i e e e s 0 2 1 ld c f 无线局域网描述为一个封闭的排队网络，把每一退避级数作为一 个g g o o 排队队列，把各站进入某一退避级时所选取的退避值作为在相应队列的 1 4 山东大学硕士学位论文 服务时间。该模型通过公式推导先求出网络中总的到达率，并除以站点的总个数， 从而得出单个站点的发送概率。 2 4 基于b i a n e h i 的二维马尔可夫链模型简介 b i a n e h i 的二维马尔科夫链模型是假设信道为理想的情况下，但是在实际的无 线传输过程中，信道衰落、损耗以及噪声干扰等都会对数据的正确发送产生影响， 相对于实际的无线局域网，有必要考虑误码率对饱和吞吐量的影响，文献1 1 9 1 文 献 2 5 1 就是在b i a n e 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，从 而得出非理想信道对网络性能的影响。同时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 在很多的文献都是在研究非饱和状态。文献 2 6 】- 文献【3 3 】对无线局域网的非饱和性 能进行了分析，得到了非饱和状态下无线局域网d c f 性能分析模型。 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。分组时 延为一个分组在m a c 队列中所花费的平均时间，是指从分组进入队列的瞬间直到 发送完成所需要的时间，由于每个分组的传输时延可能不同，因此一般情况下用 平均分组时延这一参数来表示。文献【3 4 】文献 3 9 1 对无线局域网的分组时延进行了 分析。 无线局域网在实际传输过程中，还受到捕获效应、隐藏终端等实际无线环境 中的其它因素的影响。所谓捕获效应，又称远近效应。捕获效应可以提高协议性 能，但会带来带宽的不公平共享( 特别是在有b s a p 的场合) ，离接收点( b s ，a p ) 较近的节点得到较大的带宽，文献 4 0 1 文献 4 4 1 对无线信道中存在捕获效应的无线 局域网和无线a d h o e 网络的性能进行了分析。隐藏终端( h i d d e ns t a t i o n ) 是指在 接收节点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围外的节点。隐藏终端会导致分组 在接收节点处冲突，冲突后发送节点要霞传冲突的分组，这降低了信道的利用率， 对网络的性能产生了一定的影响。文献【4 5 】文献【4 9 在考虑无线局域网中存在隐藏 终端的情况下对其网络性能进行分析。 从上述文献的简介中可以看出，对于i e e e s 0 2 1 1 d c f 无线局域网网络性能 分析的大部分文献都是基于b i a n e h i 提出的二维马尔可夫链数学模型。以二维马尔 山东大学硕士学位论文 科夫链数学模型为基础，考虑非理想信道、隐藏终端、捕获效应、非饱和状态以 及重传次数限制等条件对网络性能进行分析。这些分析较b i a n c h i 的理想信道情况 下的分析更为接近现实的网络传输环境，模型也更为精确。本文也是基于b i a n c h i 的二维马尔可夫链数学模型，充分考虑网络传输的实际环境，针对文献中存在的 不足提出自己的改进方法，分析了非理想信道、非饱和状态、重传受限等对网络 性能的影响，从而提出改进二维马尔可夫模型。 1 6 山东大学硕士学位论文 第三章非理想信道非饱和状态下的无线局域网性能分析 通过第二章的分析可以看出，i e e e 8 0 2 1 1d c f 无线局域网的性能分析主要采 用基于文献【1 2 】提出的二维马尔科夫链的数学模型。但该数学模型的建立是基于以 下假设：一是信道理想，二是冲突概率是恒定且相互独立，三是不存在隐藏终端 且不考虑捕获效应，四是终端数量是固定的，五是网络处于饱和状态，即每个站 点始终有分组发送，六是重传次数不限制，直到发送成功。但是在实际应用的网 络环境中，系统却经常工作在非饱和状态下，因此研究分析非饱和状态下无线局 域网的性能具有重要的意义。文献【2 6 】采用二维马尔可夫数学模型对非饱和状念下 的网络性能的进行分析，但此文中只设置了一个缓冲区，即m a c 队列长度为l ， 当有多个分组到达时，缓冲区产生溢出；文献【2 9 】也采用二维马尔可夫模型，但是 其空闲时间没有时隙化，同时没有考虑非理想条件下，信道误码产生的影响，造 成模型分析不精确。本章在文献【2 9 】的基础上假设缓冲区足够大，即当分组到达为 非饱和时，缓冲区不会产生溢出，将其空闲时间时隙化，考虑非理想条件下，信 道误码产生的影响，提出了改进的二维马尔可夫模型分析方法。 3 1 非理想信道非饱和状态下的分析模型 设网络站点数目为疗，系统工作在非饱和状态下，不存在隐藏终端，不考虑从 捕获效应非理想传输信道，限制最大重传次数和最大退避阶数均为肌，则退避阶 数f 【o ，m 1 。各阶退避窗口最大值为形- l ，其中彬= 2 。w o ，w o 为最小退避窗1 ：3 。 退避值在( 0 形- 1 ) 中等概率选取。用二维随机过程【j ( ，) ，6 ( ，) 】表示t 时刻站点退避计 数器的状态，其中s ( f ) 为退避阶数，6 ( f ) 为退避窗口值。每一站的分组到达自j 隔均 服从参数为屯的指数分布，且缓冲区容量足够大，在非饱和情况下不会产生溢出。 在数据帧发送过程中，新到达帧进入m a c 层发送缓冲区，按照先进先出的规则来 排队等待发送。 因为我们考虑系统工作在非饱和状态时的网络性能，因此在非饱和状态时，系 山东大学硕士学位论文 统并不是时时刻刻有分组数据需要发送，所以我们在这里引进一个等待状态( e ) ， 用这个等待状态来表示当一个分组成功发送后，因系统处于非饱和状态，没有其 他分组数据