毕业论文-无线局域网性能分析及仿真(基于rtscts-dcf)

毕业设计1目录1绪论111无线局域网的概述112无线局域网的发展及研究现状113本论文的章节安排32无线局域网80211MAC层421IEEE80211MAC协议概述422IEEE80211MAC中的主要技术4221虚拟载波监听技术4222帧优先级的设置5223随机退避机制5224节能管理523IEEE80211MAC的网络工作方式6231DCF接入方式6232PCF接入方式824二进制指数退避算法的不公平现象825两种工作方式的对比和局限性926结论103IEEE80211MAC层性能分析1131MAC协议的性能指标11311吞吐量S11无线局域网性能分析及仿真2312总业务量G11313帧平均传输时延D11314饱和吞吐量1232RTS/CTSDCF协议性能分析12321RTS/CTSDCF机制原理12322基本模型15323RTS/CTS接入方式1533RTS/CTSDCF存在的问题1734RTS/CTSDCF的改进算法思想174RTS/CTSDCF机制的仿真1941网络仿真软件1942RTS/CTS机制的仿真20421仿真思路20422仿真模块介绍2043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11绪论11无线局域网的概念无线局域网WIRELESSLOCALNETWORK，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。12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、3G2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/PHYLAYER）以及媒介存取控制层（MEDIAACCESSCONTROL/MACLAYER）。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IEEE80211、HIPERLAN、BLUETOOTH等。其中应用最为广泛的标准是基于IEEE80211协议的系列标准。1990年IEEE802标准化委员会成立IEEE80211无线局域网WLAN标准工作组。IEEE80211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24GHZ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80211系列标准中，涉及物理层的主要有4个标准80211、80211B、80211A、80211G5。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80211B无线局域网设备、80211A无线局域网设备等。（1）IEEE8021180211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80211B，80211A和80211G三个新标准。（2）IEEE80211BIEEE80211B工作于24GHZ频带，使用直序扩频方式和补码键控，物理层支持55MBPS无线局域网性能分析及仿真2和11MBPS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11MBPS、55MBPS、2MBPS、1MBPS之间切换，而且在2MBPS、1MBPS速率时与IEEE80211DSSS直接序列扩频系统交互操作，但不能与1MBPS和2MBPS的80211FHSS（跳频扩频）系统交互操作。（3）IEEE80211AIEEE80211A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，IEEE80211A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，IEEE80211B和工作在5GHZ频带上的IEEE80211A标准不兼容。（4）IEEE80211G2002年11月15日，IEEE试验性地批准一种新技术IEEE80211G，使无线网络传输速率可达54MBPS。80211G是对80211B的一种高速物理层扩展，同80211B一样，80211G工作于24GHZISM频带，但采用了OFDM技术，可以实现最高54MBPS的数据速率，与80211A相当；并且较好地解决了WLAN与蓝牙的干扰问题。80211G与已经得到广泛使用的80211B是兼容的，这是80211G相比于80211A的优势所在。由于80211G标准尚未完成，而符合80211A标准的产品已经出现，相信80211A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，80211、80211B、80211A、80211G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/CACACOLLISIONAVOIDANCE，冲突避免，这有别于传统以太网上的CSMA/CDCDCOLLISIONDETECTION，冲突检测，CSMA/CA相关内容在80211标准中定义，80211B、80211A、80211G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8023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。CSMACA使用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。除了80211、80211B、80211A、80211G这四个标准涉及物理层外，为了促进80211A在欧洲的推广发展，与ETSI的HIPERLAN/2竞争，IEEE又提出了80211H标准，在80211A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80211A在欧洲推广发展的需要，符合欧洲有关管制规定的要求。80211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80211E、80211F、80211I等标准。80211E增强了80211MAC层，为WLAN应用提供了QOS支持能力。80211E对MAC层的增强与80211A、80211B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80211系统的应用范围，使得WLAN也能够传送语音、视频等应用。80211F标准定义了一套称之为IAPPINTERACCESSPOINTPROTOCOL的协议，以实现不同供应商的接入点AP间的互操作性。谈到80211I标准，就不能不提到8021X标准。8021X标准完成于2001年，它是所有IEEE802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。80211I是对80211MAC层在安全性方面的增强，它与8021X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，80211系列标准中，还有一个80211D标准，80211D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80211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313本论文的章节安排本论文主要针对无线局域网IEEE80211标准MAC层RTS/CTSDCF7协议进行研究。共分四章第一章，对无线局域网及IEEE80211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IEEE80211MAC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，IEEE80211MAC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/CTSDCF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/CTSDCF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42无线局域网80211MAC层IEEE80211MAC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。IEEE80211MAC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80211MAC协议，重点分析二进制指数退避算法的不足。21IEEE80211MAC协议概述IEEE80211协议族的MAC层协议和IEEE8023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IEEE8023协议中，是由一种称为载波侦听多路接入/冲突检测（CARRIERSENSEMULTIPLEACCESSWITHCO11ISIONDETECTION，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80211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，IEEE80211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CARRIERSENSEMULTIPLEACCESSWITHCOLLISIONAVOIDANCE，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。IEEE80211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，80211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DISTRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTION，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POINTCOORDINATIONFUNCTION，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POINTCOORDINATOR，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。22IEEE80211MAC中的主要技术221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。IEEE80211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NAVNETWORKALLOCATIONVECTOR，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小于此时间则利用此时毕业设计5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。222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。IEEE80211中有四种帧间隔，其长度由小到大依次分别是SIFSSHORTINTERFRAMESPACE，PIFSPCFINTERFRAMESPACE，DIFSDCFINTERFRAMESPACE，EIFSEXTENDEDINTERFRAMESPACE。如图1所示。DIFSPIFS介质忙SIFS图21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。223随机退避机制退避时间选取如下TCWRANDOMSLOTTIME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CWMAX。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。224节能管理由于在移动环境下对笔记本计算机节能的要求，IEEE80211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IBSS11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623IEEE80211MAC的网络工作方式在MAC层，80211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22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ADHOC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22IEEE80211协议基本框架231DCF接入方式80211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（NETWORKALLOCATIONVECTOR,NAV）实现。NAV是一个倒计时计数器，当倒计时为0时，虚拟载波检测就认为介质处于空闲。所以，虚拟载波点协调功能（PCF）分布式协调功能（DCF）毕业设计7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23所示。图23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。IEEE80211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（BACKOFFPROCEDURE）。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80211MAC层的退避算法由以下公式决定BACKOFFTIMERANDOMASLOTTIME21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CWMINCWCWMAX。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值的无线局域网性能分析及仿真8序列是从CWMIN到CWMAX的一个二进制指数增长的数列减一，即BACKOFFTIMERANDOMASLOTTIME21NCW22整个算法称为二进制指数退避（BINARYEXPONENTIALBACKOFF,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IEEE80211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READYTOSEND，接收站回复CTS帧CLEARTOSEND，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。RTS/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RTSORCTS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。232PCF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（INFRASTRUCTURENETWORK）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（POLLINGREQUEST）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。24二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。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。毕业设计9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221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21，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CWMINCWCWMAX。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（CW2N1）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，CW0CWMIN,CWMCWMAX。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MINK1,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。25两种工作方式的对比和局限性DCF机制作为IEEE80211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IEEE80211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IEEE80211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，IEEE80211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1026结论IEEE80211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，IEEE80211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113IEEE80211MAC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。31MAC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。311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NLBPS（比特/秒）。另外，也可以用信道传输速率RBPS对吞吐量归一化，归一化的吞吐量由S表示，即0SLSNNTR。式中LTR为每帧在信道上的发送时间。如果在信道上帧不发生碰撞，且帧间间隙为零的话，信道将被最大限度的使用，这时NLR，即吞吐量1S。相反，如果信道上所有的帧均发生碰撞，即成功传输的帧数N0的话，吞吐量降到最小值0S。312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，SG；当G大于等于信道速率时，S1。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。313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。无线局域网性能分析及仿真12314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。32RTS/CTSDCF协议性能分析IEEE80211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，DISTRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTION），第三种方法称为点协调功能（PCF，POINTCOORDINATIONFUNCTION）。IEEE80211MAC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IEEE80211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。321RTS/CTSDCF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31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31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32暴露终端问题为了解决隐藏与暴露终端问题9，80211定义了两个控制包RTS（REQUESTTOSEND）和CTS（CLEARTOSEND），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IEEE80211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80211参数配置中，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33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（NETWORKALLOCATIONVECTOR），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（CLEARTOSEND）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33RTS/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。当然，如果在B和A的RTS/CTS交互过程中，C因为正在接收别的站点的数据而未能监听到RTS/CTS帧，则C可能仍然存在隐藏或暴露问题。在使用RTS和CTS来避免隐藏终端和暴露终端问题的情况下，冲突只可能发生在开始发送RTS的时候。两个或更多的站点可以在同一时刻开始发送RTS或是其它数据分组。使用RTS/CTS会导致不可忽略的额外开销，从而导致带宽的浪费和较高的延迟。因此，RTS阈值（THRESHOLD）可以决定什么时候使用另外的机制（基本上是在较大的帧长度），和什么时候不用这种机制（帧长较短）。因为，如果数据帧的长度较小，比如小于100字节，使用RTS/CTS反而可能降低网络的吞吐率、增加通信延迟，因此在IEEE80211中RTS/CTS使用与否是可选择的12。由于无线环境的复杂性，RTS/CTS机制仍然不能完全保证数据帧的正确接收。这里有无线信道本身的误码的原因，也有其它站点的干扰原因。那么，在帧长度相同的情况下，无线链路出现错帧的可能性比有线链路要高的多。在位出错率相同的情况下，帧长度较短的话，帧的出错率会降低。因此，IEEE80211提供了帧分段（FRAGMENTATION）模式，如图34所示。但是，用户数据的分段机制对用户应该是透明的。图34IEEE80211的用户数据的分段模式如图34所示，发送方首先发送一个RTS控制分组。这个RTS分组的DURATIONFIELD包括第一个分段和其应答包传输所需要的所有时间。其它站点收到RTS，设置NAV；数据的接收方发送CTS，其它站点再次调整NAV，这些都与前面所讲的相同。分段模式的新的特点就是它在FRAG1中包括了另外一个持续时间值。这个DURATIONFIELD包括第二个分段和毕业设计15其应答包的传输时间。然后，FRAG1的接收方在SIFS间隔后，直接用ACK1应答。这个ACK1预留了下一次传输所用的时间。如果FRAG2不是要传输的最后一个分段，它应该为第三个连续的传输预留信道。如果是最后一个分段，接收方应答第二个分段，但是不再预留信道。在ACK2后，所有的站点在等待DIFS间隔之后，都可以再次竞争对介质的访问权。322基本模型假设存在M个移动主机，在DCF机制下，任何一次发送过程，都要经历碰撞期C和成功发送期S两个过程。碰撞期由若干个冲突发送过程组成，每个冲突发送过程都由空闲期开始，在这个期间，主机定时器重新开始倒记时，一旦有主机定时器归0，则开始发送过程。但是有可能会产生冲突，空闲表示这段冲突时间冲突发生以后,根据DCF机制所有的主机会等待一个间隔时间,重新开始下一次发送过程,直到没有冲突发生,即进入成功发送期这个期间,主机将成功发送数据帧,如图1所示。IDLECOLLISIONDIFSCOLLISIONPERIODSUCCESSPERIOD图41发送过程的时序设TV为成功传送一次数据的平均时间,数据帧的长度M一般服从指数分布,即采用指数为Q的几何分布,M的单位为时隙SLOT设系统的吞吐量为,SIFS和DIFS为相应帧长,为传播时延,ACK为辅助帧长则系统的吞吐量表示如下/MTV31TVECES322ESMSIFSDIFSACK33其中EC的表达比较复杂,假设在冲突期内经历了N次冲突,COLL表示冲突数据帧长度,IDLE表示退避时间长度1ECENECOLLDIFSEIDLEEN34吞吐量与下列3个参量有关退避时间服从指数P的几何分布数据帧长度服从指数Q的几何分布站点个数M323RTS/CTS接入方式RTS/CTS接入方式下性能的推导于基本接入方式下相似，只是冲突期的结果更为复杂一些。在IEEE80211协议当中，对于两种接入方式的切换有一个参数来权衡，即_RTSTHRESHOLD，当MPCU的长度低于该参数的时候，MAC层会采取基本接入方式，反之采用RTS/CTS方式。这里设物理层速率为R，时隙的大小为SLOTT，则_RTSTHRESHOLD化成时隙后的大小为_,SLOTTRTSTHRESHOLDRT。同基本方式下一样，首先从成功期的长度无线局域网性能分析及仿真16分析开始。在纯粹的RTS/CTS接入方式下43SMSIFSDIFSRT