毕业论文-无线局域网性能分析及仿真（基于DCF)

毕业设计无线局域网性能分析及仿真摘 要近年来，随着无线技术和Internet的发展，对可携带、可移动的计算机或工作站的需求不断增长。而WLAN以其高灵活性、紧急状况下的健壮性被广泛应用。WLAN现有的标准有IEEE 802.11、HiperLAN、Bluetooth等，但是应用最为广泛的是IEEE 802.11。IEEE 802.11的MAC层访问机制中最常用的是分布式协调功能DCF（Distributed Coordination Function）。DCF包含两种机制：CSMA/CA和RTS/CTS。然而这两种机制都分别存在一些问题，影响了无线网络的性能，造成了一定的信道带宽损失。本文主要讨论了IEEE 802.11 MAC层的分布式协调功能DCF，描述了DCF的协议内容和工作原理。通过分析可知，现行MAC协议的主要缺点是使用二进制增长的机制，DCF以冲突次数作为条件来设计竞争窗口(CW)。由于没有评估信道状态的机制，竞争窗口无法根据网络负载情况自适应的做出调整，因此在多变的网络环境下，网络性能不佳。本文重点分析了DCF机制中基本接入机制的性能的有效性以及回退算法的稳定性。随后，又对改进的DCF基本接入机制使用MATLAB仿真工具进行仿真实验。仿真实验结果显示：系统的网络吞吐量指标随着节点个数的增加而减少，与原协议进行比较，吞吐量和介质访问延迟等性能都有明显的提高。关键词：无线局域网；IEEE 802.11；MAC；分布式协调功能；CSMA/CA；回退算法The performance Analysis and Simulation of Wireless LANAbstractWith the recent development of wireless technology and Internet, there arise increasing demands for portable computers or workstations. And WLAN (Wireless Local Area Network) is used widely to meet these demands because of its high flexibility and robustness. There are many existing standards, such as IEEE 802.11, HiperLAN and Bluetooth etc. But IEEE802.11 is most widely used. IEEE802.11 Wireless LAN standard defines a distributed random access MAC protocol: DCF (Distributed Coordination Function). DCF includes two medium access mechanism, that is, CSMA/CA and access mechanism with RTS/CTS. But some problems which lie in these two mechanisms lead to inefficient utilization of wireless network bandwidth and degrade the performance of 802.11. The thesis is focused on DCF mechanisms provided in IEEE802.11.This paper discusses mainly DCF (Distributed Coordination Function). Through a analysis, we can see that, the main disadvantage of current MAC protocol is that, according to the number of collision, DCF can tune the value of CW. Due to the lack of a mechanism evaluating the channel condition, it can not tune the value of CW adaptively, according to the actual network load. The paper analyzed with emphasis the performance of CSMA/CA in basic access scheme and the stability of the binary exponential backoff algorithm, and the performance of network is enhanced in view of the simulation result. Afterwards, we also employed MATLAB to simulate the new back-off algorithm, the emulation experimental result shows that when the nodes amounts increase, the systems throughput decreases，and comparing with the original standard, the performance, such as throughput and media access delay, has obviously improvement.Key words: wireless LAN；IEEE 802.11；MAC；DCF (Distributed Coordination Function) ；CSMA/CA；backoff algorithm 目 录1 绪论11.1无线局域网概述11.2 无线局域网的研究趋势11.3 无线局域网的MAC机制11.4 本文的主要工作32 IEEE 802.11 MAC协议42.1 IEEE 802.11 MAC的功能和体系结构42.2 IEEE 802.11 MAC层协议52.2.1帧间间隔(IFS)52.2.2指数退避机制62.2.3 CSMA/CA72.3 IEEE 802.11无线局域网MAC关键技术82.3.1 MAC重传(错误恢复机制)82.3.2分段和分段重组技术82.3.3 RTS/CTS82.3.4帧优先级的设置92.4 DCF中的访问机制92.4.1基本访问机制92.4.2 RST/CTS机制103 IEEE 802.11DCF性能分析113.1 IEEE 802.11 MAC协议性能分析方法113.2 CSMA/CA机制下的性能分析123.2.1 时间分析模型123.2.2 基本接入方式133.2.3 二进制指数退避算法分析143.3 DCF协议存在的问题143.3.1 DCF算法的主要缺点143.3.2 DCF算法的改进方向153.4 DCF的改进方法153.4.1改进CW更新规则153.4.2估计信道负载程度163.4.3动态调整参数类163.4.4 DCF算法改进的总结164 DCF基本机制的仿真174.1 MATLAB仿真工具简介174.2基本机制的仿真实现184.2.1 仿真设置184.2.2 仿真模块184.3 改进的基本机制的具体仿真实现214.3.1 基本思路214.3.2 仿真程序分析214.4 仿真验证234.4.1 仿真环境234.4.2 仿真结果分析234.5 小结265 总结与展望275.1 论文工作总结275.2 下一步研究工作27谢辞29参考文献30附录31附录A 外文翻译-原文部分31附录B 外文翻译-译文部分36附录C 主要源程序39451 绪 论1.1无线局域网概述无线局域网(Wireless LAN，简称WLAN)2是90年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它提供了使用无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个人化和多媒体应用提供了潜在的手段。随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端的广泛应用，为了实现任何人在任何时间、任何地点均能实现数据通信的目标，要求传统的计算机网络由有线向无线，由固定向移动，由单一业务向多媒体发展，更进一步推动了WLAN的发展。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以及公众的关注，无线局域网的应用也逐渐发展起来。相对于蓝牙、3G等无线技术，无线局域网正成为当前无线领域中一个引人瞩目的热点。本文所研究的基于IEEE 802.11的无线局域网正是在这样的背景下慢慢发展起来的。目前无线网络技术已相当成熟，广泛应用于各种军事、民用领域。高速无线网络的传输速率己达到54Mb/s，完全能满足一般的网络传输要求，包括传输文字、声音、图象等，甚至可以多路声音、图象并发的传输。无线网络的最大传输距离也达到几十公里，甚至更远。而且随着无线网络的应用领域越来越广，其相应的价格也降下来了，已经是一般企业所能接受的，可以说现在的无线网络在性能、应用范围、价格上完全可以和有线网相媲美，甚至在某些方面超过有线网络。而且无线网络又有其自身的特有优点，一般无线网络安装相对方便，不受地区限制，可以连接有线介质无法连接的地方或者有线介质比较困难的场合，特别适合港口、码头、古建筑群、市中心两幢高楼之间等地方的连接。因此无线网的应用也越来越普遍，越来越受到人们关注。基于无线局域网的迅速发展和广泛应用，本文的研究才更加具有现实意义。1.2 无线局域网的研究趋势由于无线网络的节点具有移动性，拓扑结构动态变化，信道资源有限，稳定，功率受限，因此，传统有线网络中的一些协议或机制不能很好地适用于无线网络，针对无线网络本身的特点，主要有以下问题需要进行研究： 多跳无线网络中的路由协议； TCP在无线网络中的性能及公平性问题； 隐藏终端和暴露终端问题; 无线网络中的服务质量(QoS)保证，包括QoS路由、资源预留、区分服务、信令机制等； 移动终端的能源管理； 物理层、MAC(Medium Access Control)层的协议性能及改进。对于无线网络中的大多数问题来说，如公平性、TCP性能、隐藏和暴露终端等问题，其根本原因在于无线网络MAC层的信道共享。因此，近年来，无线网络MAC层协议的性能和改进方面的问题一直是研究的热点。1.3 无线局域网的MAC机制在WLAN的发展过程中，介质访问控制MAC(Medium Access Control)技术一直是最关键技术之一，是解决在网络中多个用户如何高效共享一个物理信道的技术。MAC协议就是定义以一定的顺序和有效的方式分配节点访问介质的规则。不同于有线网络，无线环境下的MAC技术将要面对更多的问题4。例如，有线网络中很容易实现的冲突检测，在无线网络中却只有采用冲突避免；无线信道的数据传输也不如有线方式可靠，误码率将大大高于有线网络；在有线环境，不存在隐藏终端和暴露终端的问题，在无线网络中，它却是导致网络性能恶化的重要因素。无线网络，尤其是在分布式方式下，终端的移动会导致网络拓扑结构的变化，这也会给MAC的设计带来问题。无线局域网MAC技术的目标就是要在如此复杂多变的环境下，尽可能地提高传输媒质的利用率，并保证一定的接入公平性。针对无线网络中介质共享竞争的问题，随机竞争MAC协议分为两大类：一类是基于ALOHA的无线随机MAC协议，协议中各用户终端不需经过协调各自发送自己的竞争分组；另一类是基于载波侦听(CSMA)的无线随机MAC协议，协议中各用户终端在发送自己的分组之前需要侦听信道。在ALOHA、时隙ALOHA、各种CSMA等MAC协议中，都存在着介质访问冲突，即使在CSMA中要求节点在发送数据之前侦听信道，并且只有在信道空闲时才有可能发送数据，仍然存在发生冲突的可能。假设某节点己经在发送数据，但由于信道的传播延迟，它的数据信号还未到达另外一个节点，而另外一个节点此时正好要发送数据，则它侦听到信道处于空闲状态，也开始发送数据从而导致冲突。一般来说，信道的传播延迟越长，协议的性能越差。所以，后来就产生了带冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD，Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)和带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)协议。其中，CSMA/CD被用在了IEEE 802.3以太网中；CSMA/CA则被用在了IEEE 802.11无线网络方案中。在半双工无线局域网中，由于在发射的同时不能进行接收；无线信号强度的动态范围非常大。这些都使得在发送站很难甚至无法实现CD（碰撞检测），而且即使可以在发送端实现CD，但由于隐藏终端和暴露终端问题8，如果在无线系统中采用CSMA/CD机制，在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞。因此，一般改用带有冲突避免(Collision Avoidance)的CSMA/CA机制。在CSMA/CA中，每个工作站都会在传输之前检测信道忙闲状态，如果发现信道忙，那么这个工作站就会延迟传输。载波监听是靠检测发送者四周范围内的信号强弱来避免碰撞的，但是一般都是两个或以上的互相干扰的信号在接收者处相汇，因此碰撞一般发生在接收者处，而不是在发送者处。又因为发送者和接收者在地理上是不相关的，从发送者处得到的载波监听信息并不能通知接收者，因此这并不能给出充分的信息来避免碰撞的发生。实现载波侦听(CS)的方法因协议的不同而不同，可以采用两种方式，即物理载波侦听和虚拟载波侦听。物理载波侦听是物理层的直接载波检测，从接收射频或天线信号，检测信号能量或根据接收信号的质量来估计信道的忙闲状态，基本的CSMA/CA就是利用物理层直接实现载波侦听的。虚拟载波侦听是MAC层的虚拟VCS（Virtual Carrier Sense）方式，通过MAC报头或RTS/CTS中的持续时间字段的保留信息网络分配矢量NAV(Network Allocation Vector)来实现。VCS机制的目的是让发送站将它要占用信道的时间（包括接收站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使他们在这一段时间都停止发送数据，从而减少碰撞。“虚拟”是表示其他站并没有侦听信道，而是由于收到了发送站的通知而不发送数据。这种效果好像是其他站都侦听了信道。一个站确定信道为忙根据：物理载波监听指出介质忙或NAV被置为非零值。综合这两方面的信息，足以决定信道的状态。网络的性能（吞吐量、时延等）主要取决于MAC子层的接入协议，而且系统的频谱利用率、系统容量、小区结构、设备的复杂度和成本等也受MAC协议的影响9。所以，选择适当的MAC子层规范，根据网络业务特征有效地配置信道资源，提高无线资源的使用效率，提高系统的容量和传输质量，是无线网络研究的重要课题15。本文将主要对IEEE 802.11 MAC子层中的DCF( Distributed Coordination Function )协议进行系统的介绍，并且重点分析了其基本接入机制及其改进后的接入机制的性能分析，通过仿真比较了在不同的算法环境下网络的性能，从理论上扩展无线局域网性能分析方法，解决共享信道的争用问题，增大网络的吞吐量，提高信道利用率，充分利用通信网络中最宝贵信道资源。1.4 本文的主要工作本论文对MAC技术的研究主要针对IEEE 802.11标准。共分五章：第一章，绪论，讲述无线局域网的研究背景、研究现状和研究方向，介绍了无线局域网MAC机制，最后阐明本文的主要工作。第二章，无线局域网IEEE 802.11 MAC协议，对802.11标准的MAC规范进行全面的分析研究，重点对广泛应用的DCF协议进行详细说明。第三章，IEEE 802.11 MAC协议DCF算法性能分析，首先简介评价MAC协议的性能指标和设计MAC协议需要的技术要求，其次对802.11协议的规定作详细的说明和深入的分析，并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，简要分析IEEE 802.11的MAC层的吞吐量极限，从中看出一些协议参数和变量对网络性能的影响。第四章，是对第三章的内容进行仿真验证。首先介绍了MATLAB网络仿真软件，然后对仿真过程进行描述，最后对DCF基本机制及其改进的接入机制的仿真结果进行性能分析，从而证明了改进的基本接入机制的合理性。第五章，对全文的总结并对将来工作做出展望。2 IEEE 802.11 MAC协议IEEE 802.11是第一代无线局域网标准之一，是无线局域网中一个重要的协议族，现在的无线局域网中的很多设备都与之兼容。IEEE 802.11详细说明了无线局域网的物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)的协议规范，并且和其它局域网标准一样，它为网络层提供了相同的接口，以保持互操作性。本文的研究只限于IEEE 802.11 MAC层。MAC层首要的任务就是控制介质访问。IEEE 802.11 MAC子层定义了两种媒介访问协调机制：一种是基本机制，分布式协调功能DCF，像CSMA/CD一样，利用载波帧听机制；另一种是可选机制，点协调功能PCF，由中央控制器进行接入控制。802.11既能运行于基于竞争的DCF模式，又能运行在非竞争的PCF模式，支持异步和同步传输。分布式协调功能DCF适用于分布式网络，网络中的所有主机地位相等，传输的一般是具有突发性和随机性的普通分组数据。PCF是可选的介质访问方法，用于Infrastructure网络结构中。PCF使用集中控制的接入算法，用类似于轮询的方法将发送数据权轮流交给各个站，从而避免了碰撞的产生。对于时间敏感的业务，如分组语音，就应该使用提供无争用服务的点协调功能PCF。点协调功能PCF适用于由一台中央控制器和多台主机所组成的网络。PCF协议用于传输实时数据或高优先级的数据比较有用。2.1 IEEE 802.11 MAC的功能和体系结构IEEE 802.11媒介访问控制提供功能性需要，在无线媒介上为用户数据提供一个可靠的传输机制。IEEE 802.11无线局域网的所有工作站和访问节点都提供媒介访问控制(MAC)服务，MAC服务是指同层LLC(逻辑链路控制层)在MAC服务访问节点(SAP)之间交换MAC服务数据单元(MSDU)的能力，包括利用共享无线电波或红外线介质进行MAC服务数据单元的发送。无线局域网 (WLAN) MAC的第一个功能是为用户提供一个可靠的数据传输服务，通过MAC层的帧交换协议而获得。WLAN MAC的第二个功能是保护它所传输的数据，为了防止出现无线网络用户偶然窃听的情况和提供等效安全措施，IEEE引入了有线等价加密(WEP)算法10，能对无线媒介发送的数据进行加密。WLANMAC的第三个也是最重要的功能是提供一个公平的机制来对共享的无线媒介进行控制访问，无线局域网MAC通过两种访问机制来执行这种功能：一种是基于竞争的机制，称为分布式协调功能(DCF)；另一种是中心的控制访问机制，称为点协调功能(PCF)，后者建立在前者工作方式之上。图2.1为MAC的体系结构，PCF须透过DCF来完成。在同一BSS中，可由中央协调点来控制DCF与PCF两种服务的交替进行，非竞争周期和竞争周期轮流出现，两种工作模式共享带宽形成超帧结构。无线局域网的MAC协议与有线局域网并无本质上的区别。然而由于无线传输媒体固有的特性及移动性的影响，无线局域网的MAC协议不能沿用原有的局域网协议。如在差错控制、解决隐藏终端等方面无线局域网的MAC协议有别于有线局域网12。本文将主要针对IEEE 802.11无线局域网的MAC协议进行研究。图2.1 IEEE 802.11协议基本框架2.2 IEEE 802.11 MAC层协议分布式协调功能DCF(Distributed Coordination Function)是IEEE 802.11 MAC层共享信道的基本访问协议，无论是在有接入点的无线网络中，还是在ad hoc网络中，DCF都需要在所有节点执行。DCF是一种带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的随机访问方法，它包括两种访问模式：基本访问机制(basic access method)和可选的RTS/CTS(request to send/clear to send)访问机制。802.11中的分布式协调功能1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。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3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。2.2.1 帧间间隔(IFS)在IEEE 802.11中，通过定义不同的帧间间隔时间IFS( Interframe Space)来区分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是空闲状态，并且持续空闲达到特定的间隔时间才能进行发送。共有四个不同的间隔时间，由短到长依次为：短帧间间隔(SIFS, Short Interframe Space)；PCF帧间间隔(PIFS, PCF Interframe Space)；DCF帧间间隔(DIFS, DCF Interframe Space)；延长的帧间间隔(EIFS, Extended Interframe Space)。SIFS是最短的帧间间隔。当一个节点需要占用信道并持续执行帧交换时使用SIFS，这时如果有其它节点要使用信道，必须等待信道空闲并持续一个更长的时间间隔才能参与竞争，从而使用SIFS的节点具有了更高的优先级。SIFS主要用于确认帧ACK、CTS以及一个分片序列中第二个分片之后的子帧等的发送。 PIFS只用于PCF模式下，节点在无竞争周期CFP开始时抢占信道。DIFS是由在DCF模式下发送数据帧或管理帧的节点使用的帧间间隔，一个节点要进行发送，必须侦听信道，如果信道保持空闲状态达到DIFS时间，那么该节点进入退避过程，产生一个随机整数给退避计数器，并在每个时隙中递减1，当退避计数器递减到0时方可发送。EIFS用在DCF模式下，当物理层通知MAC层，由于所发送帧的帧检验序列（FCS）值不正确，而不能被正确接收时，开始进入EIFS时间，以保证有足够的时间让接收节点确认所收到的不正确的帧。2.2.2 指数退避机制当一个节点需要发送帧时，要调用载波侦听机制来确定信道的忙/闲状态，如果信道忙，它将推迟直到信道连续处于闲状态达到DIFS时间，为了避免发送冲突，这时该节点在发送前必须经过一个附加的退避周期，将产生一个随机的退避时间（Backoff Time），并存入退避计数器，如果退避计数器中已经包含有一个非0的值，那么就不再执行产生随机退避时间的过程。退避时间的产生方法如下： (2-1)其中 Int：是取整函数。CW：是指数竞争窗口参数，取值范围从CWmin到CWmax之间，即8(Cwmin)，16，32，64，128，256(Cwmax)。在初始化时，CW值为CWmin，当要发生重传时，CW逐次增大，直到最大值CWmax为止。rand：产生(0，l)之间的一个随机小数。Slot_time：时间片的大小，其值的大小取决于物理层。发射机打开时，物理层检测媒体响应时间之和。在进入CW期间，若在该slot时间段内，媒体保持空闲，Timer减1，若媒体忙，则Timer不变，记录下当前值，在下一次检测到DIFS之后，再次进入CW期，再从Timer的记录值开始减1，直到Timer为。，开始发送帧过程。另外要强调的是，当一个主机刚刚传输一帧，不能立即占用媒体传输下一帧，它必须执行退避算法。由此可以看出退避算法的好处在于：上.次竞不到媒体的主机将以越来越短的退避时间进入下次竞争，避免永远竞争不到媒体的情况。所以说退避算法提供了对媒体公平访问的机制，对高负荷网络起到了稳定的作用。图2.2显示了退避过程，在节点A发送时，节点B、C、D都有帧要发送，等待信道连续空闲DIFS时间后，进入退避阶段，每个节点在CW内随机产生一个退避时间。因为节点C所产生的退避时间最短，它的退避计时器最先减至0，开始发送帧，节点B和D的退避计时器被冻结。在节点C传送过程中，节点E也有帧要发送，进入等待过程。信道空闲DIFS后，节点B和D的退避计时器解冻，节点E产生随机退避时间。因为节点D的退避计时器最先减至0，所以节点D获得发送机会。竞争窗口越大，随机退避机制解决冲突的能力就越强，因为使用较大的竞争窗口时，选择相同的随机退避时间的可能性很小。这样，一方面，在轻载的情况下，小的竞争窗口保证了较短的延迟；一方面，在重载情况下，随机等待时间随着冲突产生次数而指数递增，降低了冲突的概率。竞争窗口达到CWmax后不再增长，保证了网络在重载情况下的稳定。帧成功发送或者重传次数超过限制而被丢掉时，竞争窗口被重置为CWmin。这种机制称为二进制指数退避（Binary Exponential Backoff）5。图2.2 退避过程2.2.3 CSMA/CA IEEE 802.11同时使用两种载波侦听方法，一是在物理层通过CCA(clear channel assessment)信号检测进行侦听，二是MAC层的虚拟载波侦听（virtual carrier sensing），如果两种方法中任一种显示信道忙，则认为信道为忙状态，只有两种方法都显示信道闲时，才认为信道是空闲的。MAC层的虚拟载波侦听是通过NAV（Network Allocation Vector）机制实现的，每个节点维护一个NAV，NAV可以理解为一个计数器，其中的计数值是根据各种帧的MAC头中的duration字段设置的，该值表示信道被预留的时间长度。NAV的值以均匀速率递减，当NAV值减到0时，虚拟载波侦听指示信道空闲，否则指示信道为忙。通过载波侦听，能大大减少冲突次数。但是，仍会发生冲突，例如，当信道由忙转为空闲时，如果有多个节点同时在监听，这些节点就会同时发送而发生冲突。为此，在IEEE 802.3以太网中，采用CSMA/CD，当一个节点检测到冲突后，认为此时帧已经被冲突破坏，从而尽快停止发送，而不是继续发送该帧。迅速结束冲突帧的传送，既节省了时间又节省了带宽。取消发送的节点等待一个随机的时间后，重新尝试发送。但是，在无线网络中，由于以下的原因，很难实现冲突检测。1) 冲突检测的能力要求各节点能同时发送（发送自己的信号）和接收（确定其他节点的发送是否干扰自己的发送）11，这会使得无线局域网络成本大大增加。2) 更重要的是，由于隐藏节点问题的存在，即使一个节点有冲突检测的能力，并已经在发送时检测到冲突，在接收端仍然会有冲突发生。因此，无线局域网采用了带冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA）机制来实现无线信道的共享。即在发送帧之前，发送节点先侦听信道，看是否有其他节点正在传输。如果发现信道空闲而且空闲持续时间大于等于DIFS，则进入随机退避过程，通过退避机制实现冲突避免。2.3 IEEE 802.11无线局域网MAC关键技术在2.1节中已经描述了主要的信道访问机制，特别是针对CSMA/CA，大多数MAC协议会用其他的一些技术来提高CSMA/CA的性能。这一节中，我们主要集中在IEEE 802.11无线局域网协议，为提高CSMAC/A的性能所使用的主要的MAC关键技术。2.3.1 MAC重传(错误恢复机制)CSMA/CA主要的问题是传输者不能检测媒介中的冲突。无线中的错误率大大的高于有线环境下的情况，因此数据帧更容易被破坏。大多数MAC协议实施肯定的确认和MAC层重传来避免数据帧的遗失。规则是十分简单的，每当一个站点接收到一个帧，它立即返回一个短的信息，即ACK帧，向传送者表示，它已成功无错误的接收到了数据帧。在一些情况下，发送者通过没有接收到对方的肯定确认而推断一个帧的丢失，于是在媒介竞争之后进行帧的重传。当一个传输失败竞争窗口(CW)将增加，这样退避计数器将重新计算。在传输失败之后，竞争窗口的增加是为了减少冲突的数目，CW加倍直到预先定义好的最大竞争窗口(CWmax)。当帧进行重传时重试计数器增加，每个或分段有一个关联的简单重试计数器，站点有两个重试计数器，短重试计数器和长重试计数器，根据帧的大小采用不同的重试计数器。除了关联的重试计数器，MAC给了分段一个最大的生命时间。当第一个分段被传输时，生命时间计数器就开始了。当生命时间限制到达，帧被丢弃，不再传输余下的分段。当站点传输一个数据帧，必须接收来自对方发来的确认，否则认为传输已经失败。失败的传输增加同帧关联的重试计数器，如果到达重试限制，帧进行丢弃并向高层协议报告损失。2.3.2 分段和分段重组技术把一个媒介访问控制数据单元(MSDU)或者媒介访问控制管理协议数据单元(MMPDU)分成较小的多个MAC级帧一媒介访问控制协议数据单元(MPDU)的过程称为分段7。在信道特性限制了长帧成功接收概率的情况下，分段创建的MPDU的长度比原始的MSDU或者MMPDU的长度要小，以提高可靠性。分段由当前需要立即发送的移动站点完成。把MPDU重新组装成一个MSDU或者MMPDU的过程称为分段重组。分段重组由当前接收方移动站点完成。当从逻辑链路控制接收到一个定向的MSDU或者从MAC子层管理实体接收到一个定向的MMPDU，并且其长度超过分段门限值时，该MSDU或者MMPDU应该被分段成为多个MPDU。每个分段是一个长度不超过分段门限值的帧，每个分段将被单独传输。在必要的情况下，分段将被单独的检查和重传。第一个优点是在发生错误的情况下，无线站点仅仅需要重传一个小的分段，所以速度更快。另外，如果媒介的噪声特别大，小的分段有着更高的机会无错误的通过信道，无线节点提高了在恶劣状况下传输的成功。2.3.3 RTS/CTS信号的衰减是无线传输主要的影响因素，因为信号的衰减从而引起了隐藏站点问题，即所有站点不能互相进行帧听，发送方检测不到另一个站点也在发送数据，因而在接收站发生碰撞。在IEEE 802.11无线网络中，通过允许发送RTS/CTS进行握手，来防止碰撞。在发送数据包之前，发送站首先发送一个RTS帧并等待来自接收方的CTS帧，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NAV6，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。2.3.4 帧优先级的设置在帧之间的时间间隔称为IFS。通过在特定时间间隔中载波帧听功能的使用，一个无线站点来确定媒介是否空闲。几个不同的IFS被定义，为无线媒介的访问提供优先权水平，从短到长依次是：SIFS，PIFS，DIFS，EIFS。这在上一节已经详细介绍了。2.4 DCF中的访问机制DCF是IEEE 802.11MAC层的基本介质访问控制机制，提供异步数据服务。DCF是基于CSMA/CA的，它包括两种介质访问模式：基本访问模式(basic access method )和可选的RTS/CTS(request to send/clear to send)访问模式。本论文中重点介绍基本访问机制。2.4.1 基本访问机制DCF协议基本访问方式的实质是两次握手的CA机制，又称ACK机制，即只有DATA帧和ACK帧的发送，是一种简单的握手机制。实现较为简单，当接收方正确地接收帧后，就会发送确认帧(ACK)，发送方收到确认帧，就知道该帧已成功发送。图2.3 DCF基本访问机制DCF基本的访问过程是如图2.3所示，发送主机监听媒介，如果媒介空闲达到DIFS，主机立即发出数据帧。如果媒介忙，则延迟进行接入，直到媒介空闲时间达到DFIS以后，进入退避过程。移动站点根据退避算法选择一个退避时间，并设置退避时间计数器。仅仅当媒介是空闲时，退避时间计数器每隔一个时隙减1，当其他站点传输时，退避时间计数器停止计数。每一次媒介变为空闲后，移动站点必须等待DFIS时间之后再继续减少它的退避时间计数器。一旦退避计数器减到0后，移动站点立即发出数据帧。因为大部分的无线工作站所产生的随机退避时间都不一样，所以移动站点开始传送帧的时间点也会不一样，从而可避免绝大部分的帧碰撞。但是当两台或两台以上无线站点的退避时间正好同时倒数到0时，便会一起传送帧，仍然会发生碰撞。不同于有线网络，因为传输和接收能量水平显著的不同，在无线网络环境中冲突的检测是不可能的。为了确认帧是否发生碰撞，IEEE 802.11采用确认帧(ACK)来判断是否传送成功。当目的站点正确收到信息帧后，经过一段SIFS时间便需发送一个确认帧(ACK)给源无线站点，通知发送无线站点帧己经成功接收。因此，发送站点接收ACK帧之后，表示数据帧已经成功的发送。如果在限定的时间内，没有接收到确认帧，发送站点便认为传送的帧发生碰撞，传送失败，需调度一个重传并重新进入退避过程2。2.4.2 RST/CTS机制IEE802.11为了解决无线局域网中碰撞的不易检测的问题，引入了可选的RST/CTS机制，如图2.4，RST/CTS访问机制和基本访问机制采用同样的CSMA/CA技术，但在源无线站点发送之前，先发送一个要求传送的帧RTS (Request to send)，而目的工作站在收到RTS且经过一段SIFS时间后，便回送一个允许传送的控制帧CTS (Clear to Send)。当源无线站点正确收到目的站点的CTS，即表示没有碰撞发生，源工作站便可以传送数据帧。同样，数据帧发送之后，也会收到来自目的工作站的ACK帧，如此便完成帧的传送。在很多情况下，这个机制都显著的提高了DCF的性能。进一步，同短帧比起来，长帧所发生的不易修复的错误将导致浪费更多的带宽和更多的传输时间，所以又引入了优化参数一分段门槛，这些关键技术的使用，都提高了MAC层的性能，减少了传输延迟，提高了信道利用率。在本论文中只简单介绍一下。图2.4 RTS/CTS访问机制3 IEEE 802.11DCF性能分析3.1 IEEE 802.11 MAC协议性能分析方法无线网络同有线网络相比，最主要的区别在于物理层的传输介质和MAC层的介质访问协议不同。无线网络的传输介质是空气，无线电波在空气中传播，很容易受到多方面的因素影响，如路径损耗，无线信道特有的衰落现象，其它电磁波的干扰，环境和障碍物的影响，无线节点的运动等等，因此无线网络相对于有线网络，具有信号传播距离有限，链路状况不稳定，带宽资源非常有限等特点。正因为这样，有一个能够充分、有效的提高无线信道利用率的介质访问协议，就显得尤为重要，所以对无线网络MAC层协议的性能进行分析、评价，对协议进行改进以提高其性能，是无线网络研究领域中的一个热点16。自从二十世纪70年代早期的ALOHA无线网络到现在的近三十年中，对无线网络的介质共享协议性能评价方面的研究就一直在进行。很多文献主要是关于ALOHA，时隙ALOHA，CSMA的性能研究，分别给出了各种无线信道访问机制下的吞吐率和延迟计算公式，通过仿真分析了各种机制的吞吐率和延迟之间的关系。这些文献被许多IEEE 802.11 DCF协议研究人员所引用。对IEEE 802.11 DCF的性能分析研究，大致可以分为如下几类：（1）基于Kleinrock理论的分析Kleinrock等人对ALOHA、CSMA等MAC协议进行了较详细的性能分析，基于这些分析方法，一些研究对IEEE 802.11中的CSMA/CA机制以及异步传输方法进行了性能评价。其中，针对DCF的基本访问模式和RTS/CTS访问模式，分析了系统的吞吐率及其与网络负载之间的关系，但是没有对延迟进行分析。（2）基于Bianchi模型的分析根据DCF的指数退避机制，Bianchi提出了一个简单的二维Markov模型在假设节点数目固定，理想信道，没有隐藏节点，以及冲突概率是常数且独立的情况下，通过求解一个节点在任意时隙内的发送概率，推导出饱和负载下的吞吐的计算公式，并分别对基本访问模式和RTS/CTS访问模式进行性能评价。Bianchi的模型为DCF在饱和情况下提供了较准确的分析，以后的大量有关DCF的研究引用了Bianchi的工作。在这些研究中，大多数是基于Bianchi提出的Markov模型，加以改进后，分析饱和负载或者非饱和负载情况下的系统吞吐率性能，相对来说，分析介质访问延迟性能的研究比较少。（3）基于仿真实验的性能分析除了理论分析，还有一些研究是通过仿真实验对IEEE 802.11 DCF进行性能分析和评价，主要是通过设计不同的实验场景，变换各种实验参数，如DCF协议中的初始竞争窗口大小，数据帧的重传次数限制，决定是否使用RTS/CTS访问模式的数据帧大小的阈值等，以及网络的负载，节点数目，数据包大小等参数，通过仿真实验结果，评价DCF的吞吐率、延迟、公平性等性能，及其与各参数之间的关系。（4）基于其它方法的DCF性能分析还有一些采用近似估计的方法，统计的方法，或者建立Markov模型的分析方法，做了DCF性能相关方面的研究。如分析了IEEE 802.11DCF协议的容量（Capacity）；针对ad hoc网络，为了在ad hoc网络中传输实时业务，或者进行业务的区分服务等，分析了ad hoc网络中MAC层的吞吐率或延迟性能；利用简单的Markov分析模型，提出用面积分布分析隐藏节点问题的思想，对IEEE 802.11 DCF的RTS/CTS访问模式，分析吞吐率性能。在这些有关IEEE 802.11 DCF性能的研究中，大多数文献1017研究工作都是分析DCF的吞吐率性能，而只有相对很少的研究分析DCF的延迟性能。有的一些延迟性能分析，也是根据吞吐率导出，或者通过仿真实验进行分析。然而，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，对网络延迟性能的要求就越来越高。考虑到无线网络MAC层和物理层的特点，所有处于同一通信范围内的节点都要共享同一信道资源，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延迟性能的一个重要因素，对无线网络MAC层的延迟进行分析具有非常重要的意义。3.2 CSMA/CA机制下的性能分析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，本文将采用一种基于竞争窗口的时间分析方法14，以此种方法为基础，简要分析IEEE 802.11吞吐量极限。3.2.1 时间分析模型假设BSS内存在着M个移动主机，在DCF机制下，任何一次发送过程，都要历经碰撞期C(Collision Period)和成功发送期S(Success Period)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，主机的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，Collision表示这段时间，冲突发生以后，根据DCF机制，所有的主机会等待DIFS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，主机将成功的发送数据帧，如3-1图所示。图3-1 时间分析模型很明显，平均帧时延即连续两次成功传输过程之间的时间，若以表示平均帧时延，则 (3-1)其中表示均值。设传输过程的数据帧长度为m，在一般情况下，数据帧的一长度所服从的分布是非常复杂一般的突发过程以泊松过程为最典型，在这种情况下数据帧长度服从指数分布。为了分析的方便起见，假设数据帧的长度是服从指数为q的几何分布，理论上说，这种假设是不能完全反映实际的数据帧产生过程，但是对分析流量极限和平均帧时延来说，是可以得到正确的结论的。为方便下面的推导，将m的单位定为时隙(Time Slot)，即DCF机制中，指数退避过程中的时隙。根据上面的假设，m的分布可以表示为在这样的情况下，数据帧长的均值 (3-2)系统吞吐量 (3-3)可见，分析的关键时如何得到平均帧时延的结果。在分析之前，先要确定一个很重要的概念，S.Lam在他的文章中论证了，CSMA/CA方式下的传输模型同p坚持CSMA机制是等效的。因此，一旦我们得到了站点接入信道的概率p，那么很多问题的分析就可以简化下来。如果一个站点经历I次退避时间(Backoff time)才接入信道，即根据竞争窗口同退避时间的关系，B是从32，64，128，256之间选取的。如果设站点以服从指数为p的儿何分布接入信道，那么p和退避时间之间满足如下关系： (3-4)很明显，根据竞争窗口CW同退避时间的关系， (3-5)DCF的工作过程包括两种机制基本接入方式和RTS/CTS机制接入方式，在本文中只分析基本接入方式下的性能。为了方便起见，下面将以：表示传播时延，SIFS、DIFS是相应的帧间隔时间，RTS、CTS、ACK是相应的辅助帧长度，单位都是时隙。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M。3.2.2 基本接入方式在Data/ACK方式下，成功发送期S满足其中S为在IEEE 802.11无线局域网中一次成功传输所需要的时间；m为分组传输时间，即消息长度；为无线局域网中站点间的最大传输时延，且小于m。如果考虑到MAC层帧的结构，由于数据帧头还有MAC和物理层的帧头，帧头将以1MHz速率传输，因此，实际的S还要加上帧头的长度HDR。 (3-6)而冲突期的长度则比较复杂，假设在冲突期内，一共经历了从次冲突，对其中的第i次冲突，以表示第i次冲突数据帧长度，以表示第i次退避时间长度，则很显然，指数退避算法同数据帧的长度是没有关系的，因此，是独立同分布的，也是独立同分布的。因此： (3-7)只要我们可以推导出，的结果，那么冲突期的大小也就相应得到了。3.2.3 二进制指数退避算法分析802. 11DCF中采用的标准退避算法是二进制指数退避算法BEB。当多个节点因同时完成退避后而发送自己的报文时，就会有碰撞发生。每当节点发送失败(如遇到ACK确认超时)，则默认为网络中节点之间对信道的竞争程度加剧(发生了碰撞)。因此，节点将当前的竞争窗口值CW加倍，直至达到最大门限值CWmax。由于退避计数器的值是由在0至CW之间随机选取的整数来决定的，所以节点在下一次发送之前更有可能选择较长的退避时间。从网络角度来看，在某一空闲时隙有多个节点同时发送的概率减小了，从而在一定程度上降低了冲突概率。每当节点成功发送一个报文，则又默认为信道竞争程度降低了，因此节点将CW重置为最小值CWmin。BEB算法存在的一个问题是在某一小段时间内，它总是有利于前一次成功发送的节点短时间内再次竞争信道，从而造成不公平性.。BEB的另一个问题是当网络节点数较多时，节点每次成功发送后都将CW重置为CWmin，又会引起新的碰撞，算法参数不能随网络状况而改变,造成资源浪费13。3.3 DCF协议存在的问题3.3.1 DCF算法的主要缺点DCF中有两种开销。一个是退避计数器递减时候的空闲等待时间，另一个是当同时有两个或者两个以上的终端要发送帧时发生冲突而造成的传输时间损失。在这两种情况下，信道传输时间由于没有传送有用信息被浪费了。这两种开销源于ALOHA系统。目前各种MAC协议设计的目的都是要减少这两种开销。在DCF中，无线局域网信道的传输时间被分成一个个时隙，每个终端都必须在一个时隙的开始才能传送信息。我们通过改变竞争窗口CW来调整其在一个时隙的传输概率。DCF就可以通过改变CW来调整概率，从而来平衡两种开销大小的互换关系。然而CW完全由冲突的次数来决定的，也就是过去的传输情况来决定的。而过去的传输情况和未来试图传输的冲突概率虽然是相关的两个随机变量，但是他们没有直接的联系，所以说DCF用这种方法是不准确的。然而，DCF的设计存在两个问题。一是在无限局域网中，更多的冲突并不总是意味着未来有很多的活跃节点，只能暗示过去有很多的活跃节点的概率比较大，却不能说明以后会有很多活跃的节点，而以后活跃节点数才是我们需要得到的信息。另外当一个移动节点成功传输一个帧之后，根据DCF协议终端将使用CWmin作为下一个帧的CW，这样是不恰当的。因为以前的成功传输并不意味着无限局域网中活跃的节点大量减少了。这样会引起更大的冲突概率。在实际的无线局域网中，系统效率比较低。除了必要的系统控制开销和各种协议层的包头外，DCF的开销15也是重要的原因。通过分析可以发现DCF机制中的开销是可以大大减少的。3.3.2 DCF算法的改进方向实际上，已经有一些学者也讨论了DCF的假设和机制，并提出了一些建议方案。例如在一些改进