毕业论文-无线局域网性能分析及仿真(基于RTSCTS-DCF).doc

毕业设计 1 目 录 1 绪论 1 1 1 无线局域网的概述 1 1 2 无线局域网的发展及研究现状 1 1 3 本论文的章节安排 3 2 无线局域网 802 11 MAC 层 4 2 1 IEEE 802 11 MAC 协议概述 4 2 2 IEEE 802 11 MAC 中的主要技术 4 2 2 1 虚拟载波监听技术 4 2 2 2 帧优先级的设置 5 2 2 3 随机退避机制 5 2 2 4 节能管理 5 2 3 IEEE 802 11 MAC 的网络工作方式 6 2 3 1 DCF 接入方式 6 2 3 2 PCF 接入方式 8 2 4 二进制指数退避算法的不公平现象 8 2 5 两种工作方式的对比和局限性 9 2 6 结论 10 3 IEEE 802 11 MAC 层性能分析 11 3 1 MAC 协议的性能指标 11 3 1 1 吞吐量 S 11 无线局域网性能分析及仿真 2 3 1 2 总业务量 G 11 3 1 3 帧平均传输时延 D 11 3 1 4 饱和吞吐量 12 3 2 RTS CTS DCF 协议性能分析 12 3 2 1 RTS CTS DCF 机制原理 12 3 2 2 基本模型 15 3 2 3 RTS CTS 接入方式 15 3 3 RTS CTS DCF 存在的问题 17 3 4 RTS CTS DCF 的改进算法思想 17 4 RTS CTS DCF 机制的仿真 19 4 1 网络仿真软件 19 4 2 RTS CTS 机制的仿真 20 4 2 1 仿真思路 20 4 2 2 仿真模块介绍 20 4 3 仿真结果与分析 23 总结 25 谢辞 26 参考文献 27 附录 28 附录 A 外文翻译 原文部分 28 附录 B 外文翻译 译文部分 32 毕业设计 3 附录 C 主要源程序 35 毕业设计 1 1 绪 论 1 1 无线局域网的概念 无线局域网 Wireless Local Network WLAN 顾名思义 是一种利用无线方式 提 供无线对等 如 PC 对 PC PC 对集线器或打印机对集线器 和点到点 如 LAN 到 LAN 连接 性的数据通信系统 WLAN 代替了常规 LAN 中使用的双绞线或同轴线路或光纤 通过电 磁波传送和接收数据 WLAN 执行像文件传输 外设共享 Web 浏览 电子邮件和数据 库访问等传统网络通信功能 与有线局域网相比较 无线局域网具有开发运营成本低 时间短 投资回报快 易 扩展 受自然环境 地形及灾害影响小 组网灵活快捷等优点 可实现 任何人在任何 时间 任何地点以任何方式与任何人通信 弥补了传统有线局域网的不足 随着无线网 标准的制定和推行 无线局域网的产品将更加丰富 不同产品的兼容性将得到加强 现 在无线网络的传输率已达到和超过了 10Mbps 并且还在不断变快 目前无线局域网除能 传输语音信息外 还能顺利地进行图形 图像及数字影像等多种媒体的传输 另一方面 无线局域网虽然以空气为介质 传输的信号可跨越很宽的频段 数据不容易被窃取 保 证了网络传输的安全性 随着无线通信技术的发展和对无线局域网通信速率要求上的不 断提高 无线局域网的标准也在不断发展 总的趋势是数据速率越来越高 安全性越来 越好 服务质量越来越有保证 1 2 无线局域网的发展及研究现状 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 网得到了业界及公众的热情关注 无线局域网的应用也逐渐发展起来 相对于 Bluetooth 3G 2 等无线技术 无线局域网正成为当前无线领域中一个引人关注的热点 为了让 WLAN 技术能够被广为接受和使用 必须要建立一种统一的标准 以确保各 厂商生产的设备都能具有兼容性与稳定性 这些标准定义了无线通讯的物理层 physical PHY layer 以及媒介存取控制层 Media Access Control MAC layer 各种新 标准的迅速发展 展现了无线局域网领域旺盛的创造力和无限的发展机遇 WLAN 现有 的标准有很多 例如 IEEE 802 11 HiperLAN Bluetooth 等 其中应用最为广泛的标准 是基于 IEEE 802 11 协议的系列标准 1990 年 IEEE802 标准化委员会成立 IEEE 802 11 无线局域网 WLAN 标准工作组 IEEE 802 11 无线局域网标准工作组任务为研究 1Mb s 和 2Mb s 数据速率 工作在 2 4GHz 开放频段的无线设备和网络发展的全球标准 并于 1997 年 6 月公布了该标准 它是第一 代无线局域网标准之一 该标准定义物理层和媒体访问控制 MAC 规范 允许无线局域网 及无线设备制造商建立互操作网络设备 在 802 11 系列标准中 涉及物理层的主要有 4 个标准 802 11 802 11b 802 11a 802 11g 5 根据不同的物理层标准 无线局域网设 备通常被归为不同的类别 如常说的 802 11b 无线局域网设备 802 11a 无线局域网设备 等 1 IEEE 802 11 802 11 是 IEEE 最初制定的一个无线局域网标准 主要用于实现办公室局域网和校园 网中用户的无线接入 业务主要限于数据存取 速率最高只能达到 2Mbps 由于它在速 率和传输距离上都不能满足用户日益增长的需求 IEEE 又相继推出了 802 11b 802 11a 和 802 11g 三个新标准 2 IEEE802 11b 无线局域网性能分析及仿真 2 IEEE802 11b 工作于 2 4GHz 频带 使用直序扩频方式和补码键控 物理层支持 5 5 Mbps 和 11 Mbps 两个新速率 它的传输速率可因环境干扰或传输距离而变化 在 11 Mbps 5 5 Mbps 2 Mbps 1 Mbps 之间切换 而且在 2 Mbps 1 Mbps 速率时与 IEEE802 11 DSSS 直接序列扩频 系统交互操作 但不能与 1Mbps 和 2Mbps 的 802 11 FHSS 跳频扩频 系统交互操作 3 IEEE802 11a IEEE802 11a 工作于 5GHz 的频带 它采用 OFDM 正交频分复用 技术 物理层速率 可达 54Mbps 这就基本满足了现行局域网绝大多数应用的速度要求 而且 对数据加密 方面 采用了更为严密的算法 但是 IEEE802 11a 芯片价格昂贵 空中接力不好 点对 点连接很不经济 空中接力就是较远距离点对点的传输 需要注意的是 IEEE802 11b 和 工作在 5GHz 频带上的 IEEE802 11a 标准不兼容 4 IEEE802 11g 2002 年 11 月 15 日 IEEE 试验性地批准一种新技术 IEEE802 11g 使无线网络传输 速率可达 54Mbps 802 11g 是对 802 11b 的一种高速物理层扩展 同 802 11b 一样 802 11g 工作于 2 4GHz ISM 频带 但采用了 OFDM 技术 可以实现最高 54Mbps 的数据 速率 与 802 11a 相当 并且较好地解决了 WLAN 与蓝牙的干扰问题 802 11g 与已经得 到广泛使用的 802 11b 是兼容的 这是 802 11g 相比于 802 11a 的优势所在 由于 802 11g 标准尚未完成 而符合 802 11a 标准的产品已经出现 相信 802 11a 将会得到较快发展 在一定程度上占据先机 在 MAC 媒体接入控制 层 802 11 802 11b 802 11a 802 11g 这四种标准在媒体访问控制 MAC 层均采用的是载波侦听多路访问 避免冲突 CSMA CA CA Collision Avoidance 冲突避免 这有别于传统以太网上的 CSMA CD CD Collision Detection 冲突检测 CSMA CA 相关内容在 802 11 标准中定义 802 11b 802 11a 802 11g 直接沿用 由于在 RF 传输网络中冲突检测比较困难 所以该 协议用避免冲突检测代替在 802 3 协议使用的冲突检测 使用信道空闲评估 CCA 算法来 决定信道是否空闲 通过测试天线口能量和决定接收信号强度 RSSI 来完成 CSMA CA 使用 RTS CTS 和 ACK 帧减少冲突 除了 802 11 802 11b 802 11a 802 11g 这四个标准涉及物理层外 为了促进 802 11a 在欧洲的推广发展 与 ETSI 的 HiperLAN 2 竞争 IEEE 又提出了 802 11h 标准 在 802 11a 基础上增加自动频率选择 DFS 和发送功率控制 TPC 功能 以适应 802 11a 在 欧洲推广发展的需要 符合欧洲有关管制规定的要求 802 11 是 MAC 层标准的基础 在此基础上 为了满足在安全性 QoS 等方面的进一 步要求 IEEE 相继提出了 802 11e 802 11f 802 11i 等标准 802 11e 增强了 802 11 MAC 层 为 WLAN 应用提供了 QoS 支持能力 802 11e 对 MAC 层的增强与 802 11a 802 11b 中对物理层的改进结合起来 就增强了整个系统的性 能 扩大了 802 11 系统的应用范围 使得 WLAN 也能够传送语音 视频等应用 802 11f 标准定义了一套称之为 IAPP Inter Access Point Protocol 的协议 以实现不同 供应商的接入点 AP 间的互操作性 谈到 802 11i 标准 就不能不提到 802 1X 标准 802 1X 标准完成于 2001 年 它是所 有 IEEE 802 系列 LAN 包括无线 LAN 的整体安全体系架构 包括认证 EAP 和 Radius 和 密钥管理功能 802 11i 是对 802 11 MAC 层在安全性方面的增强 它与 802 1X 一起 为 WLAN 提供认证和安全机制 除了上面已说明的标准之外 802 11 系列标准中 还有一个 802 11d 标准 802 11d 标准定义了一些物理层方面的要求 诸如信道化 跳频模式等 以适应 802 11 设备在一些国 家应用时这些国家无线电管制上的特殊要求 毕业设计 3 1 3 本论文的章节安排 本论文主要针对无线局域网 IEEE 802 11 标准 MAC 层 RTS CTS DCF 7 协议进行研 究 共分四章 第一章 对无线局域网及 IEEE 802 11 协议的一系列标准进行了简单的介绍 并对无 线局域网的发展状况 研究应用进行了描述 第二章 主要介绍无线局域网 MAC 层 首先阐述了无线局域网 IEEE 802 11 MAC 协 议的基本概念 其次介绍了 MAC 层的主要技术和网络工作方式 其中着重强调了帧间间 隔 退避机制的工作原理 以及基本访问机制和 RSC TS 访问机制的基本原理 第三章 是本文的重点 IEEE 802 11 MAC 层协议性能分析 首先简单描述了评价 MAC 协议的性能指标 其次再对 RTS CTS DCF 机制作了详细的说明和深入的分析 并 采用时间分析模型研究 DCF 信道接入方式 讨论影响 DCF 性能的关键参数 通过模型分 析讨论了原协议存在的问题 随后提出 RTS CTS DCF 算法的改进思想 用来减少冲突 提高信道利用率 第四章 在前三章的基础上对系统性能进行仿真验证 以仿真软件 MATLAB 为基础 搭建仿真平台 在该仿真平台下 仿真出了系统吞吐量的变化 验证了理论分析模型 无线局域网性能分析及仿真 4 2 无线局域网 802 11 MAC 层 IEEE 802 11 MAC 层提供了多种服务 同时它也定义了两种不同的介质接入的方法 分布式协调功能 DCF 和点协调功能 PCF 其中 PCF 接入由于需要接入点协调整个 覆盖区域内的站点 故使用较少 MAC 层给站点提供信道的接入和数据的传输 这就直 接关系到整个网络信道资源的合理分配和利用 从而影响到网络的性能表现 虽然在物 理层上新的技术不断推出 但是发展相对缓慢的 MAC 层技术却极大地制约了无线网络的 性能提升 IEEE 802 11 MAC 本身协议存在着诸多的不足 例如 协议的本身是想提供对 所有站点的公平信道接入 3 但是 由于协议设计上的一些不足 导致了信道接入的公 平性问题 在本章中 将分别从协议开销 发送失败的原因以及介质接入的公平性问题 10 三个方面详细分析 802 11MAC 协议 重点分析二进制指数退避算法的不足 2 1 IEEE 802 11 MAC 协议概述 IEEE 802 11 协议族的 MAC 层协议和 IEEE 802 3 中的以太网协议非常相似 都是在 一个媒体之上支持多个用户来共享这一媒体资源 具体做法是由数据发送者在发送数据 前先进行网络的可用性检查 在 IEEE802 3 协议中 是由一种称为载波侦听多路接入 冲突检测 Carrier Sense Multiple Access with Co11ision Detection CSMA CD 的机制 1 来完成各个用户之间的协 调的 这个协议解决了在 Ethernet 上的各个网络设备如何在公共的线缆上进行传输的问题 利用它检测和避免当两个或两个以上的网络设备需要同时进行数据传送时发生在网络上 的冲突 而由于无线信道的特性 在 802 11 无线局域网协议中 冲突的检测在无线通信 系统中是无法办到的 鉴于这个差异 IEEE 802 11 协议族标准对 CSMA CD 进行了一些调整 采用了新的 载波侦听多重接入 冲突避免 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA CA 机制 CSMA CA 机制可以利用握手的方式来解决隐藏终端 14 的 问题 同时也利用 ACK 信号来避免冲突的发生 也就是说 只有当客户端收到网络上返 回的 ACK 信号后才能确认送出的数据己经正确到达目的 IEEE 802 11 协议族所传输的业务包括异步的数据业务 以及对传输时延有着严格要 求的各种实时业务 例如语音业务和视频业务 为了适应异步数据业务和实时业务各自 不同的特点 802 11 协议族规定了两种不同的 MAC 层访问机制 一种是分布式协调功能 Distributed Coordination Function DCF 被设计用来传输异步数据 同时也是支持 PCF 机制的基础 DCF 机制可以应用于所有的站点 无论其拓扑结构是基本网络配置还是 BISS 另一种访问机制称为点协调功能 Point Coordination Function PCF 是可选的 它只可用于基本网络配置的拓扑结构 PCF 的工作原理主要为轮训机制 即由一个点协 调器 Point Coordinator PC 来控制令牌的循环 本文所作研究以 DCF 为基础 假设网络 不使用 PCF 工作模式 2 2 IEEE 802 11 MAC 中的主要技术 2 2 1 虚拟载波监听技术 由于天线半双工的工作方式和信号空间传播的复杂性 无线网络相对于有线网络更 易发生冲突 这个问题在物理层难以解决 IEEE 802 11 在 MAC 层通过使用虚拟载波监 听技术 8 解决了这个问题 每个工作站维护一个网络分配矢量 NAV Network Allocation Vector 用 NAV 来指示网络的忙闲状态 每个发送站在发送帧时估计网络忙的时间 即 NAV 并把这一时间信息装入帧头 其他站接收到此帧后如发现本地 NAV 小于此时间则 毕业设计 5 利用此时间更新本地 NAV 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 2 2 2 帧优先级的设置 CSMA CA 算法要求发送的帧之间有一定的间隔 当介质空闲一定时间后才能尝试访 问介质 IEEE802 11 中有四种帧间隔 其长度由小到大依次分别是 SIFS Short interframe space PIFS PCF interframe space DIFS DCF interframe space EIFS Extended interframe space 如图 1 所示 DIFS PIFS 介质忙 SIFS 图 2 1 帧间隔 SIFS 主要用于确认或响应帧的获得介质访问权的时间间隔 PIFS 主要用于中心控制 方式 无竞争期的站点获得介质访问权的时间间隔 DIFS 用于分布控制方式 竞争期的 站点获得介质访问权的时间间隔 这种时间间隔使得工作于 PCF 方式下的工作站获得比 工作于 DCF 方式下工作站享有更高的帧发送优先级 EIFS 是工作于 DCF 方式下 用于 FCS 值错误导致接收数据错误的情况下作为等待时间 为接收站发送确认 ACK 帧提供足 够的时间 通过不同的帧间隔 不同优先级的帧能获得相应的介质访问优先权 2 2 3 随机退避机制 退避时间选取如下 T CW R an dom S lot Ti me 其中 Random 是随机数 SlotTime 是总传播时延 CW 是竞争窗口 它是 SlotTime 的 整数倍 CW 在 CWmin 和 CWmax 之间选择 当一帧进入发送缓存时 CW 初始化为 CWmin 以后每次尝试重传后 CW 加倍直至 CW max 在退避状态下 检测到信道空闲时退避计时器开始计时 其间如检测到信道忙 则 退避计时器停止计时 直至信道空闲时间大于 DIFS 后计时器恢复计时 在这种机制下 当多个站延迟并进入随机退避状态后 退避值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 DIFS 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 避免了有的站永远不能获得介质访问权的可能 2 2 4 节能管理 由于在移动环境下对笔记本计算机节能的要求 IEEE 802 11 规定了节能的工作模式 工作在节能模式的工作站有两种工作状态 睡眠状态和唤醒状态 睡眠状态的工作站关 闭收发器以节约能耗 在扩展服务集 ESS 无线局域网之中 由 AP 缓存发往节能站的数 据 节能站在一定时间间隔内苏醒以便接收信标帧 并判断有没有被缓存的数据 在独 立基本服务集 IBSS 11 网络中 没有 AP 提供缓存服务 向节能站发送数据的站需事先 发送提醒接收的控制帧 节能站定时被唤醒以检查有没有需要接收的数据 如果有就发 送质询帧 发送站接收到质询帧立即发送该数据帧 无线局域网性能分析及仿真 6 2 3 IEEE 802 11 MAC 的网络工作方式 在 MAC 层 802 11 标准定义了两种不同的接入方式 分布式协调功能 DCF 和点 协调功能 PCF 前者支持无竞争型实时业务及竞争型非实时业务 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 2 2 所示 分布式协调功能中 各个站点 地位平等 采用竞争的方式来共享共同的信道 故在无中心的 Ad hoc 网络中 采用分布 式协调功能 而点协调功能需要一个管理整个网络的中心结点 整个网络中信道的分配 由中心结点完成 不存在冲突 故在基础设施架构网络中应用 但由于管理机制的引入 导致网络的管理变得更加复杂 反观竞争的方式却简单实用 因此 在现有的接入网中 也多采用分布式协调功能 提供无竞争 服务 提供竞争服务 并作为 PCF 的基础 MAC 协议 图 2 2 IEEE 802 11 协议基本框架 2 3 1 DCF 接入方式 802 11 中的分布式协调功能是一种基于分布式控制的竞争式共享介质方法 采用带 冲突避免的载波侦听多路访问 CSMA CA 技术 5 在该技术中 所有站点侦听信道的 同时决定是否发送报文 并在发生冲突后采用二进制指数退避 BEB 算法进行冲突避免 同时 所有成功接收报文的站点都要立即返回一个正确确认 ACK 报文给源站点 如 果超过一定的时间没有 ACK 到达的话 源站点会安排重传 DCF 比较简单 健壮性较好 在实际应用中获得了广泛支持 标准规定 DCF 是节点的默认工作方式 1 载波侦听机制 CSMA CA 机制里 载波侦听是非常重要的技术 载波侦听在发现介质空闲时 站点 就可以启动介质竞争过程 竞争信道 与有限局域网中的完全依赖物理层实现不同 在 无线网络中 除了物理检测方式 还采用了虚拟载波侦听机制 用逻辑方法对信道的占 用情况进行预测 信道占用预测 虚拟载波侦听不是通过介质上的信号情况来侦听载波 而是从 MAC 帧中携带的相关信息来实现一种逻辑预测 简单说 就是每个帧携带发送站下一个 帧将持续时间的信息 相关各站点根据这个信息对信道占用进行预测 如果一个站点没 有听到持续时间字段 比如侦听载波时 帧的持续时间字段已经传过 站点只能依靠物 理层检测 虚拟载波侦听利用网络分配矢量 Network Allocation Vector NAV 实现 NAV 是 点协调功能 PCF 分布式协调功能 DCF 毕业设计 7 一个倒计时计数器 当倒计时为 0 时 虚拟载波检测就认为介质处于空闲 所以 虚拟 载波检测技术就是在适当的时候以适当的值设置和更新 NAV 计时器 载波侦听机制融合 了 NAV 的状态和物理层信号侦听的状态来判定信道的忙闲 当任何一个状态表明信道是 忙的话 那么载波侦听机制就认为信道忙 反之 两个状态都表明信道空闲的话 那么 载波侦听机制才认为信道闲 2 基本 CSMA CA 协议 CSMA CA 协议是减少多个共享信道的站点间发生冲突的可能性的机制 由于载波侦 听功能的作用 在信道由忙变空闲的时刻 冲突发生的可能性最大 这是因为多个站点 都可能在等待信道重新变得空闲 这就使得采用随机退避过程从而解决信道竞争冲突的 机制成为必要 这个协议的基本思想如图 2 3 所示 图 2 3 基本机制原理 在每个帧间的时间空闲被称为帧间间隔 IFS 一个共享信道的站点使用载波侦听功 能 并根据特定的时间间隔来决定信道是否空闲 IFS 时间被定义为信道上的时间间隔 而 IFS 的取值也由相对应的物理层来决定 IEEE 802 11 定义了三种 IFS 实际上有第四 种 EIFS 但我们在此不对它作讨论 短帧间隔 SIFS PCF 帧间隔和 DCF 帧间隔 它们的长度依次从短变长 最短的 SIFS 是在控制帧发送之前的时间间隔 它能保证控制 帧拥有最高的优先级发送 PIFS 是 PCF 方式下 AP 轮询帧发送之前的时间间隔 它保证 了 AP 比其他站点有更高的优先级 而 DIFS 是最长的 它是信道空闲的一个判定标志 3 两次握手和退避过程 在 DCF 模式下 当一个站点发送前 它会首先侦听信道 如果信道忙 它就会推迟 传输直到信道变得空闲 空闲之后达到 DIFS 时间后 站点开始退避过程 back off procedure 站点根据退避算法选择一个退避时间 并设置一个退避时间计数器 当信道 是空闲的时候 计数器在每个时间片减 1 如果信道忙 那么计数器停止计数 当计数器 减少到零 站点马上发送报文 当发送报文后 源站点会等待从目的站点返回的 ACK 响 应 如果 ACK 在指定时间内收到 那么就认为报文被成功接收 如果没有收到 ACK 报 文 那么源站点就会返回退避过程并随后尝试重传 4 退避算法 二进制指数退避 802 11 MAC 层的退避算法由以下公式决定 2 1 BackoffTimeRandomaSlotTime 其中 Random 表示从均匀分布的 0 CW 范围中得到的伪随机整数 CW 是竞争窗口 的大小 在特定的物理层参数 CWmin 和 CWmax 之间取值 即 CWmin CW CWmax aSlotTime 是根据物理层而定的单位时间片 竞争窗口 CW 参数初始值为 CWmin 在每次发送 MPDU 失败之后 发送站点重 无线局域网性能分析及仿真 8 传计数器会增加一 只要不大于最大重传计数值 竞争窗口就会在序列中取下一个值 直到达到最大值 CWmax 一旦它达到 CWmax 它会一直保持这个值除非它被重置 CW 值的序列是从 CWmin 到 CWmax 的一个二进制指数增长的数列减一 即 2 2 BackoffTimeRandomaSlotTime 21 n CW 整个算法称为二进制指数退避 Binary Exponential Back off BEB 算法 5 带 RTS CTS 功能的 CSMA CA 协议 无线网络比较难以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 工作站 B 在工作站 A 和工作站 C 的信号传播范围 之内 而工作站 C 在工作站 A 的信号传播范围之外 当工作站 A 向工作站 B 发送数据时 而 工作站 C 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 B 就 发生了碰撞 为了解决这个问题 IEEE 802 11 引入了 RTS CTS 机制 在此机制下每个站在访问介 质时在竞争窗口内随机选择一个时隙 选择时隙较早的站获得介质控制权 获得介质访问 控制权的站并不是直接发送数据分组而是向接收站发送 RTS 帧 Ready to send 接收站回 复 CTS 帧 Clear to send 其他非 RTS 帧目的站的站点接收到 RTS 帧之后读取其中的传输 时间预留信息 也就是网络分配矢量 NAV 并据此更新本地 NAV 收到 CTS 帧的非 CTS 帧目的站也同样读取其中的网络分配矢量并更新本地 NAV 这样无论是位于发送站 传输范围的站还是位于接收站传输范围的站都能了解介质忙闲状况 解决了隐藏工作站 问题 R TS CTS 机制对于带宽效率的影响主要有以下几个方面 解决了隐藏工作点带来的冲突 提高了带宽利用率 利用短控制帧 RTS or CTS 的冲突代替长数据帧的冲突 提高了带宽的利用率 增加的控制帧增加带宽开销 预留空间传输时间可能引起的不必要带宽开销 这在下一章会详细介绍 2 3 2 PCF 接入方式 PCF 是一种集中式的控制方法 在基础设施架构网络 infrastructure network 中 设 置一个协调点采用轮询机制控制所有站点对信道的访问 它保证了无冲突的服务 希望 能更好的应用于实时语音和图像的传输 在 PCF 方式下 一个单独的接入点 AP 控制 了信道 在 AP 中存在一个点协调机制 当系统处于 PCF 方式时 AP 会给每个需要发送的站点安排合适的时间片 保证了时 延方面的要求 由于中心点协调机制的存在 PCF 一般能提供更低的时延 并能够舍弃 其他的冲突控制机制 一个站点要发送和接收数据 必须要得到 AP 的选择和允许 因为 使用了更高级的优先接入 AP 总能发布选择请求 Polling Request 给各个站点用以数据 传输 但是 PCF 只能在有基础设施架构网络中使用 同时 AP 的故障会导致整个网络的瘫 痪 所以给网络的管理上增加了复杂度 应用目前远远没有 DCF 广泛 在本文中不对 PCF 方式进行更多的讨论和研究 2 4 二进制指数退避算法的不公平现象 一个合理设计的信道接入协议应该对共享信道的所有站点提供公平的接入服务 或 者说 尽量对绝大多数站点提供比较公平的服务 在 CSMA CA 协议中 为了避免周期 性的重复碰撞 在一次碰撞过后 所有站点都会推迟一个随机的时间后再次竞争信道 毕业设计 9 这个随机的时间称为退避时间 退避时间直接决定了一个站点得到信道的可能性 退 避时间越短 竞争到信道的可能性越大 所以 一个不合理设计的退避算法就可能导致 信道接入的不公平性 12 在一次成功的发送之后 竞争窗口会立刻回到初始大小 所以 在下一轮竞争中 这些刚刚成功发送了的站点会有更大的机会获得较短的退避时间 从而有更大的可能竞 争到信道 这样 不公平现象就发生了 在 2 2 1 小节中分析了二进制指数退避 BEB 算法的思想 整个算法基于公式 2 1 其中 Random 表示从均匀分布的 0 CW 范围中得 到的伪随机整数 CW 是竞争窗口的大小 在特定的物理层参数 CWmin 和 CWmax 之间 取值 即 CWmin CW CWmax 竞争窗口 CW 参数初始值为 CWmin 并在每次不 成功的发送 MPDU 从而导致发送站点重传计数器增加之后 在序列 CW 2n 1 中取下 一个值 直到达到最大值 CWmax 一旦它达到 CWmax 只要重传次数不大于最大重传 次数 它会一直保持这个值除非它被重置为 CWmin 也就是说 数据帧的发送过程 在 各个状态中转换 回退状态越高 CW 值越大 因此 节点发送的可能性越小 当节点 A 有一帧要发送 它就执行回退过程 再尝试发送 结果可能成功或者失败 如成功 下 一帧就执行同样过程 如失败 则选择更高状态 再次尝试发送 其中 状态 K 值在 0 m 内选择 m 是最大回退状态 CW0 CWmin CWm CWmax 节点 A 在状态 K 时 发送了一帧后 如成功 则 CW 重新设置为 CWmin 如失败 而且重传次数小于最大重传次数 就选择 min k 1 m 作为下一个状态 m 是最大回退状 态 一旦 CW 达到 CWmax 只要 i 不大于最大重传次数 16 它会一直保持这个值除非它 被重置为 CWmin 可以看出 在对竞争窗口 CW 的调整上 BEB 算法在任何情况下都采用了相同的 处理方式 发送成功就返回到初始值 CWmin 发送失败就加倍直到最大值为止 这种 无视当前网络实际情况的算法会导致网络性能的低下 当网络负载很小时 大的竞争窗 口可能会导致信道不必要的空闲 相反 当网络负载很大时 小的竞争窗口可能会导致 更多的冲突和退避 在这两种情况下 信道都没有得到充分有效的利用 2 5 两种工作方式的对比和局限性 DCF 机制作为 IEEE 802 11 无线局域网基本的访问机制 大多数商业产品都支持这种 机制 这种机制支持异步数据传输 在低负载环境下运行较好 而时间限制的服务 如 VOPI 电话 视频会议需要特定的带宽 延迟和抖动 DCF 机制也仅仅支持尽力而为的服 务 没有基于数据流的区分和优先级的规定 不适合实时业务 但无线网络中的一些关 键技术 比如 RTS CTS 分段 重组 17 等等一定程度上进行了性能的弥补 PCF 机制在 IEEE 802 11 无线局域网协议中是一种可选的机制 通过轮询和应答机制 提供无竞争的传输 在某种程度上这种方式类似于令牌网 控制器控制着令牌 使得这 一机制适合特定延迟 抖动要求的传输 PCF 中存在一些问题 首先 中心轮询的方案是 有疑问的 在同一 BSS 中两个无线站点间所有的通信必须通过 AP 这样浪费了信道带宽 当这种流量增加 许多信道资源被浪费 其次 CP 与 CFP 合作模式导致不可预知的信标 延迟 另外 被轮询无线站点的传输时间是难控制的 因为传输的帧大小不固定 引入 了变化的传输时间 并且被轮询站点的物理层速率根据变化的信道状况而改变 针对己有的 IEEE 802 11 无线局域网 MAC 层机制的局限性 需要引入具有 Qos 保证 的 MAC 机制 IEEE 802 11 工作组就是为了保障无线局域网的服务质量而设立 在已有 的 DCF 机制上 再引入轮询机制 把两种机制的优点进行结合 这是对已有的无线设备 进行改进的趋势 无线局域网性能分析及仿真 10 2 6 结论 IEEE 802 11 的介质访问控制主要有两种工作方式 DCF 和 PCF DCF 是以分布式控 制方式实现介质访问控制 以 CSMA CA 为主 以 RTS CTS 消息交换机制为辅 PCF 是 靠网络中心控制站 AP 实现中心控制方式 DCF 和 PCF 这两种方式交替工作 通过不同 帧间隔的优先级机制 实现不同类型帧的介质访问优先级 由于无线环境难以检测到冲 突 IEEE 802 11 的冲突检测由物理层的载波冲突检测和介质访问控制层 MAC 的虚拟载 波监听实现 虚拟载波监听使用的是时间预留的方法预测信道的忙闲状况 网络在得知 网络忙闲信息后通过随机退避算法减小冲突 毕业设计 11 3 IEEE 802 11MAC 层性能分析 近年来 随着无线网络的应用越来越广泛 在无线网络中传输的业务种类也越来越 多 尤其是多媒体业务 如视频 音频 图像等 这些业务大多数是对延迟敏感的 由 于无线网络与有线网络相比 具有链路不稳定 传播速率低等固有的缺点 而且在 MAC 层 所有处于同一通信范围内的节点都要共享信道资源 因此发生冲突的概率比较大 在竞争信道的过程中可能会有较大的延迟 所以说 MAC 层的延迟是影响网络性能的一个 重要因素 3 1 MAC 协议的性能指标 一个 MAC 协议在实用中是否可行 如何对其性能做出定量的估计 这些问题对系统 设计十分重要 评价 MAC 协议的性能指标或设计 MAC 协议需要的技术要求主要有吞吐 量 延迟 公平性和稳定性 15 等 下面主要介绍几个 MAC 协议的指标 吞吐量 S 总 业务量 G 和帧平均传输时延 D 3 1 1 吞吐量 S 当信道上发生传输碰撞和传输错误时 必然导致帧的丢失 这时信道时间被浪费 很显然 信道时间浪费的程度 可以反映 MAC 层协议的优劣 在单位时间内在信道上成 功传输的信息量称为吞吐量 假设帧长固定且长度为 l 比特 且单位时间 以下设为秒 内成功传输的帧数为 n 则吞吐量可表示为 nl bps 比特 秒 另外 也可以用信道传输 速率 R bps 对吞吐量归一化 归一化的吞吐量由 S 表示 即 0S l SnnT R 式中为每帧在信道上的发送时间 如果在信道上帧不发生碰撞 且帧间间隙为 l T R 零的话 信道将被最大限度的使用 这时 即吞吐量 相反 如果信道上所nlR 1S 有的帧均发生碰撞 即成功传输的帧数 n 0 的话 吞吐量降到最小值 0S 3 1 2 总业务量 G 进入信道要求传输的帧可以被分为两类 一类是各站新产生的帧 另一类是由于碰 撞或传输错误要求重传的帧 信道上所有的站在单位时间内所传输的帧的信息量 单位 比特 秒 称为信道的总业务量 显然总业务量等于单位时间内新产生的帧的信息量与重 传帧的信息量之和 与吞吐量类似 也可以用信道传输速率对总业务量归一化 归一化 的总业务量常用符号 G 表示 对于 MAC 协议 吞吐量特性与总业务量密切相关 S 随总业务量的变化特性称为吞 吐量性能 理想情况下 当 G 小于信道速率时 S G 当 G 大于等于信道速率时 S 1 实际上 当 G 较小时 S 可能会随 G 的增加而增大 但当 G 增加到一定程度时 由于碰撞加剧的原因 S 可能会随 G 的增大反而减小 甚至为 0 使系统瘫痪 3 1 3 帧平均传输时延 D 某一帧从进入发送主机的缓冲器时刻开始 至成功到达目的主机接收缓冲器的时刻 为止的一段时间 称为该帧的传输时延 当某帧被成功传输时 其时延时间主要由发送 等待时间 即为获得信道使用权的等待时间 和该帧在信道上的传输时间 T 组成 如果 发生碰撞或传输错误 时延时间还应包括由于重传而带来的时延时间 由于每帧的传输 时延可能不同 一般取一帧的平均传输时延为帧时延的量度 该平均传输时延用符号 D 表示 定义归一化的平均传输时延 D 为一帧的传输时间与平均传输时延的比值 假设每帧从一产生就立即被发送到信道 即发送等待时间为零 并且必定一次发送 成功 如果忽略信号在信道上的传输时间 则平均传输时延最小 通常随着总业务量 G 无线局域网性能分析及仿真 12 的增加 发送等待时间及重传时延会增大 导致平均传输时延增大 3 1 4 饱和吞吐量 这是一个基本性能指标 定义为 11 当负载增加时 系统吞吐量能达到的极限 代 表了系统在稳定状态下能达到的最大负载 众所周知 一些随机接入机制会产生不稳定 的现象 特别是 当负载增加 吞吐量增长到最大值 然而 继续增加负载 就会导致 最终吞吐量的急剧下降 这种结果表明 实际上 对于随机接入机制在最大吞吐量状态 长时间运行是不可能实现的 从而对于这种接入机制来说用最大吞吐量做性能指标是没 有意义的 在系统达到最大吞吐量前 吞吐量随负载增加而增大 但达到最大值后 负载增加 吞吐量急剧下降 最后达到一个基本稳定的值 这个值就是在超载状态下系统达到的饱 和吞吐量值 在仿真运行过程中吞吐量会暂时性的高于饱和吞吐量值 但最终还是会稳 定在饱和值 通常用 饱和吞吐量 这一参数来表征输入负载足够大时系统的吞吐率维 持在一个什么样的程度 3 2 RTS CTS DCF 协议性能分析 IEEE802 11 中定义了三种基本的访问机制 CSMA CA 以及一种解决隐蔽终端问题的 可选方法 最后是提供延迟受限服务的无竞争轮询方法 前两种可以总结为分布式协调 功能 DCF Distributed Coordination Function 第三种方法称为点协调功能 PCF Point Coordination Function IEEE 802 11 MAC 层中最基本的机制是采用 CSMA CA 协议的 DCF 机制 DCF 机制 的性能直接影响到无线局域网的网络性能 DCF 机制中有一些可以选择的参数 用户可 以针对不同的网络情况对之进行调整以提高性能 要正确的调整这些参数 首先必须知 道这些参数和 DCF 机制性能之间的关系 为了便于从理论上得出这些参数和 DCF 机制性 能之间的关系 采用了一种基于竞争窗口的时间分析方法 有效分析了有限站点情况下 网络的流量性能 13 这里 本文将以这种方法为基础 简要分析 IEEE 802 11 的 MAC 层的吞吐量极限 从中 我们可以看到一些协议参数和变量对网络性能的影响 3 2 1 RTS CTS DCF 机制原理 1 隐藏和暴露终端问题 在以太网中 站点依靠接收传输信息来执行 CSMA CD 的载波侦听功能 无线网络 则不同 由于节点移动引起的信道衰落 噪声干扰以及多径效应等因素影响 或者由于 障碍物的存在 两个节点之间不能监听到对方 则这两个节点就互为隐藏节点 如图 3 1 所示 站 A 站 B 站 D 站 A 正向站 B 发送数据包 站 D 也要向 B 发送 由于 D 站在 A 站发送信号的范围外 未侦测到 A 也在向 B 发送数据 故 A 和 D 同时将数据包发送至 B 引起数据包冲突 最终导致发送至 B 的信号都丢失了 这就是 隐藏终端 的问题 隐藏终端 多发生在大型单元中 一般在室外环境 这将带来效率损失 并且需要错 误恢复机制 当需要传送大容量文件时 尤其需要杜绝 隐藏终端 现象的发生 图 3 1 隐蔽终端问题 另外 A 在 B 的传输范围内 C 不在 B 的传输范围内 但是 C 可以侦听到 B 的传输 过程 当 B 向 A 发送信息的过程中 如果 C 有数据要向 D 发送 C 会因为监听到 B 正在 发送信息 而认为信道忙 那么 C 不能向 D 发送 这就是 暴露终端 问题 毕业设计 13 图 3 2 暴露终端问题 为了解决隐藏与暴露终端问题 9 802 11 定义了两个控制包 RTS Request To Send 和 CTS Clear To Send 通过在源节点和目的节点之间进行 RTS CTS 交换的机制 来避免用于存在隐藏节点而导致的丢包 这种机制是可选的 但是每个 IEEE 802 11 网络 中的结点都实现了这些功能 以保证可以响应 RTS CTS 控制分组 2 RTS CTS 协议 RTS CTS 协议即请求发送 允许发送协议 相当于一种握手协议 主要用来解决 隐 藏终端 问题 在 802 11 参数配置中 若使用 RTS CTS 协议 同时设置传送上限字节数 一旦待传送的数据大于此上限值时 即启动 RTS CTS 握手协议 首先 A 向 B 发送 RTS 信号 表明 A 要向 B 发送若干数据 B 收到 RTS 后 向所有基站发出 CTS 信号 表明已准备就绪 A 可以发送 其余基站暂时 按兵不动 然后 A 向 B 发送数据 最 后 B 接收完数据后 即向所有基站广播 ACK 确认帧 这样 所有基站又重新可以平等 侦听 竞争信道了 图 3 3 显示了在源节点和目的节点之间进行 RTS CTS 控制帧交换的过程 如果源节 点要发送一个单播数据包 DATA 那么它在侦听到信道空闲并等待了 DIFS 再加上随机 后退时间 后 源节点首先发送一个 RTS 控制帧 RTS 控制帧和其它数据帧的优先级是 相同的 RTS 帧的头部 Duration 字段中包含有完成数据传输过程所需的持续时间 这个 持续时间指的是传输整个数据帧和其应答包所需要的所有时间 收到这个 RTS 的每个非 目的节点都要根据 Duration 字段来设置各自的 NAV Network Allocation Vector 这个 NAV 指定了每个接收到此 RTS 帧的非目的节点可以试图访问无线介质的最早开始时间 也就是说在 NAV 这段时间内 这些非目的节点不会试图去占用信道 而是保持沉默 直 到源节点与目的节点之完成数据的传输过程 如果目的节点收到 RTS 帧 在等待 SIFS 间隔后 它用一个 CTS Clear To Send 控 制帧进行应答 CTS 帧的头部也包含 Duration 字段 所有接到这个 CTS 的节点必须再次 调整它们的 NAV 源节点接收到 CTS 后 经过一个 SIFS 间隔把 DATA 送出去 目的节 点在接收到 DATA 帧之后再等待一个 SIFS 间隔 返回一个 ACK 帧 这样传输过程就完 成了 这时每个节点 NAV 表明介质空闲 就可以开始下一个传输周期了 这个过程也被 成为 虚拟载波侦听 在这个过程中 接收到 CTS 的节点和接收到 RTS 的节点可能不是同一组节点 这样 在发送方和接收方的接收范围内的所有节点都被通知 它们在访问介质之前必须等待足 够长的时间以等待数据帧传输过程的完成 也就是说 这个机制通过为数据发送节点预 留信道来避免碰撞的发生 从而提高传输性能 在 DCF 功能中 各个移动节点必须在物理 虚拟两种载波监听结果都为零时才能获得 对无线介质的访问权 这就可以在很大程度上减少碰撞的机会 提高传输效率 同时这 种短帧交换的方法可以在很大程度上避免由于隐藏节点的存在造成的数据碰撞 尤其是 在数据帧较长的时候 这种效果更为明显 RTS CTS 短帧交换方式是避免碰撞 提高网 络系统性能的有效措施 尽管短帧交换会带来一定的时间开销 无线局域网性能分析及仿真 14 图 3 3 RTS CTS 握手协议 RTS CTS 也可以部分的解决暴露站点问题 如果在 B 和 A 的 RTS CTS 交互中 C 只 能听到 B 的 RTS 帧而未听到 A 的 CT 帧 C 可以分析原因 A 可能在 C 的覆盖范围之外 或者由于 RTS 帧碰撞而使 A 未发送 CTS 帧 或者 C 在接收 CTS 的过程中又受到其它站 点的干扰 在前两种情况中 C 的发送动作都不会影响 A 的接收 对于第三种情况 C 应该采取保守的但是安全的做法 不进行发送