无线局域网中实时业务性能分析

1、无线局域网中实时业务性能分析无线局域网中实时业务性能分析 冯慧芳2003.11.4提纲 PCF工作机制 模型解析 数值计算和分析PCF工作机制 IEEE 802.11标准定义的两种网络拓扑结构 ：Ad hoc结构和Infrastructure结构 Ad hoc结构Infrastructure结构PCF工作机制 WLAN的媒体接入控制（MAC）机制，它支持两种不同的MAC方案：第一种方案是分布协调功能（DCF, Distributed Coordination Function），它基于传统的CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Accesswith Collision

2、Aviodance)协议，以尽力而为的方式接入信道； 第二种方案是点协调功能（PCF），基于由接入点控制的轮询（poll）方式，主要用于传输实时业务。由于现代通信网络搭载的业务不再是单纯的数据业务，而是包括数据、话音、实时图象的多媒体综合业务，话音和视频这类业务对时间延迟。 PCF工作机制 PCF工作机制：在PCF下, AP发出Beacon表明无竞争阶段（CFP，ContentionFree Period）开始，接着AP以轮询的方式在AP和主机之间进行数据包的交换。 在标志帧发送之后的SIFS（Short InterFrame Space）时间点协调器开始无竞争（CF）传送，发送CF-Poll

3、、Data+CF- Poll、CF-Ack+ CF -Poll或Data+CF- Ack +CF -Poll帧。 PCF工作机制 如果某站从点协调器接收到CF-Poll帧，该站可在SIFS空闲期之后通过发送CF-ACK或Data+CF- Ack+ CF- Poll帧对点协调器予以响应。如果点协调器接收到某站的Data+ CF- Ack +CF- Poll帧，点协调器可发送Data+CF- Poll，CF-Ack+ CF -Poll帧至另一站，其中该帧的Ack部分用于对前一数据帧确认 PCF工作机制S I FSuplinkSTA2D1+Ack图1 PCF下基本的轮询方式downlinkD2+Ac

4、kCF+Ack+Poll(2)CF+Ack+Poll(1)STA1PCF工作机制 很多学者对DCF的性能进行了深入研究,但是对带有轮询策略的PCF性能的研究比较少，而且已有的大部分是测量、仿真的性能分析2-6。 PCF方式下的几种轮询机制Reference: D.A. Eckhardt and P. Steenkiste, Effort-limited fair (ELF)scheduling for wireless networks, in INFOCOM 2000.IEEE, vol. 3,March 26-30 2000, pp. 1097-l 106. Jing-Yuan Yeh,S

5、upport of multimedia services with the IEEE802.11 MAC protocol., ICC 2002. Volume: 1 , 28 April-2 May 2002 : 600 -604PCF方式下的几种轮询机制 Round-Robin Scheme First-In-First-Out Scheme Priority Scheme Priority-Effort-Limit Fair Scheme 本文PCF方式下的轮询机制 在IEEE802.11中没有详细说明在PCF方式下AP采取何种策略进行轮询服务，在本文采用如下的轮询策略：当服务员轮询到

6、某个队列时，首先对高优先级的1类数据包队列（如语音和视频）实行穷尽式服务：即服务员将为该队列中的所有数据包进行服务，包括服务期间到达的新数据包。然后对低优先级的2类数据包队列（如数据）实行限定1服务：即服务员只多对该队列中的一个数据包进行服务。之后再轮询下一站，依次循环进行。 图2 PCF下的轮询方式NullSIFSD21AckD11AckD12Ack切换时间downlinkCF-Poll（1）STA2STA1CF-Ack+Poll（1）CF-Poll（2）uplink服务时间本文PCF方式下的轮询机制 设第i站的第k类数据包每一批按参数 为的Poisson过程到达，表示为 。 k类数据包到达

7、第i站的第n批的数据包数为 ， 为相互独立的随机变量序列，且与 同分布， 。 的概率母函数为 。数学解析数学解析( (模型假设条件)ki,.,2 , 1; 2 , 1, 0),(NikttNkikin1,nkinkikikiaEki)(zPki数学解析数学解析( (模型假设条件) 根据PCF的工作机制，可将传输数据和Ack的时间以及每个SIFS之和看作处理一个包的时间，即服务时间。i站的两类数据包的服务时间 是独立且同分布的随机变量， 服从一般分布。 分布函数的Laplace-Stieltjes变换 。 kiBNikbBEkiki,.2, 1;2, 1,kiB)(*sBkikiB数学解析数学解

8、析( (模型假设条件) 由于无线信道误码率较高，假设数据包重传概率为 ，实际服务时间（包括重传服务时间）是独立且同分布的随机变量 ， ， 分布函数的Laplace-Stieltjes变换为 。 qkiBkikibBEkiB)(*sBki数学解析数学解析( (模型假设条件) 服务员从的i站到第i1站的切换时间是指第i站释放信道到第i1站获得信道的时间，那么传输CF-Poll的时间可包括到切换时间中。 是独立同分布的随机变量， 服从一般分布， ， iRiRrREiNiirR1数学解析数学解析( (模型假设条件) 各站的缓冲区容量足够大，不会产生数据包的溢出。 对同类数据包按先来先服务（FCFS）原

9、则进行。 各站的到达过程、所有的服务时间和切换时间均相互独立。 本文使用的变量符号还有 t时刻在i站的各类数据包数（队长）记为 服务员第m次轮询到i站的时刻记为 为平稳状态下服务员轮询到第j站时第i站的队长。 )(tLki)(mi1122111,NiiNiikikikikiba)(lim)(mLLjkimjki数据包实际服务时间数据包实际服务时间 设某个数据包经过m次传输才成功，则得到m次传输的概率为 。数据包传输失败后返回到缓冲区队列的首位，继续接受服务（重传），所以数据包实际.服务时间包括重传的时间。 1)1 (mqq数据包实际服务时间数据包实际服务时间 设某个数据包经过m次传输才成功，则

10、得到m次传输的概率为 1)1 (mqq)(1)()1()()()1()(*1*11*sqBsBqsBqsBqsBkikimkimmkiki)1 ()(1 ()()1 (02*0*qbsqBsBqdsdBbkiskikiskiki1类数据包队长分析类数据包队长分析 服务员第m+1次轮询到第i站时的数据包数包括： 第m个轮询周期中在所有的切换时间内到达i站的数据包数； 除i站外服务员在所有站服务1类数据包的停留时间内到达站的数据包数； 服务员在各站至多服务一个2类数据包的服务时间内到达站的数据包数。 1类数据包队长分析类数据包队长分析 NjLBNnjnNijNninNjRNniniijjjimjj

11、LkjkijimL1)(11)(111)(111221)(1111)1()1/()()1 ()(12121111jNjjiiiiipbRaLE2类数据包队长分析类数据包队长分析 服务员第m+1次轮询到第i站时的2类数据包数包括： 第m次轮询时该站的2类数据包数； 第m个轮询周期中在所有的切换时间内到达站的2类数据包数； 服务员在所有站服务1类数据包的停留时间内到达站的2类数据包数； 服务员在各站至多服务一个2类数据包的服务时间内到达站的2类数据包数； 减去第m站有可能已经服务了的一个数据包。 2类数据包队长分析类数据包队长分析)1/()1/()(21111222jNjjjjiiiLEbRap)

12、()()1(21)(121)(121)(1222222)(1122mLmLmLiiNjLBNninNjNninNjRNniniiiijjjimjjLkjkiji 1类数据包队长类数据包队长)1)(1)(1/()1)(1 ()(212121211111iiiiiRaL)1/(222iijaRp平均轮询周期平均轮询周期 平均轮询周期应为所有切换时间、各站所有1类数据包的服务时间和每个站至多服务一个2类数据包的服务时间之和： )1/()1)(1)(1/()1 (1 ()(221211221RpbLErCNiiiiiii数值计算与分析数值计算与分析 随着1类数据包到达率的增加，平均队长不断增加，而且2

13、类数据包到达率的增加对平均队长影响很小，00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.501类信元到达率1类信元平均队长2类信元到达率0.12类信元到达率0.4数值计算与分析数值计算与分析 图3表明2类数据包的到达率对平均轮询周期的影响也很小。所以1类数据包的到达率对轮询周期影响较大，这和本文的服务策略相一致。0.000920.000930.000940.000950.000960.000970.000980.050.100.150.200.250.300.350.400.450.502类信元到达率平均轮询周期数值计算与分析数值计算与分析 当轮询终端的数量增加时，轮询周期也在快速增加。这也说明了PCF的一个不利点就是它的伸缩性不是非常