2010年12月第33卷第6期
北京邮电大学学报
Journa l of Be ijing U niversity of Posts and T e lecomm un i cations
D ec .2010V o.l 33N o .6
文章编号:1007 5321(2010)06 0043 05
IEEE 802.11a DCF 协议吞吐量与时延性能分析
高 峰, 高泽华, 文 柳, 张 兵, 徐大雄
(光通信与光电子学教育部重点实验室(北京邮电大学)，北京100876)
摘要：为了准确评估I EEE 802 11a 系统性能，指导同层规划工作，提出了改进二维M a rkov 模型.从成帧效率和分布式协调功能(DCF )协议效率2个方面对IEEE 802.11a 无线局域网(W LAN )的性能进行分析，得出饱和条件下系统归一化吞吐率和平均分组时延，并以此为基础，给出了不同节点数条件下，基本接入模式和请求发送/确认发送(RT S /CTS)模式切换门限值，使网络性能达到最优.
关 键 词:IEEE 802.11a ；分布式协调功能；马尔可夫；请求发送/确认发送门限中图分类号:TN925 93 文献标志码:A
Perfor m ance Ana l ysis ofW LAN Based on IEEE 802.11a
GAO Feng , GAO Ze hua , WEN Liu , Z HANG B ing , XU Da x iong
(Key Laborat ory of In for m ation Phot on i cs and Opti calC o mm un i cati on s (B eiji ng Un ivers it y of Posts and T el eco mm un i cati on s),
M i n istry of Educati on,Beiji ng 100876,Ch i n a)
Abst ract :To i m pr ove t h e accuracy of eva l u ation on I E EE 802.11a data serv ice suppo rting capacity and
gu i d e net w ork plann i n g w ork ,a m od ified t w o d i m ensi o na lM arkov chai n m odel o f the backo ff w i n do w sche m e is proposed .By ana l y zi n g the I EEE 802.11a w ireless loca l area net w ork (W LAN )syste m per fo r m ance i n the aspect of fra m ing e fficiency and distri b uted coo r d i n ation functi o n (DCF)efficiency ,the nor m a lized syste m throughput and average packet de lay under the cond ition of saturation are found .On the basis of tha,t the handoff t h resholds for basic acc
essm ode and request to send /c l e ar to send (RTS /CTS)m ode for diverse num ber of nodes are g iven ,thus the syste m perfor m ance is opti m ized .
K ey w ords :I EEE 802.11a ;d istri b uted coor d i n ation functi o n ;M ar kov ;request to send /clear to send threshold
收稿日期:2010 01 23
作者简介：高 峰(1982 )，男，博士生,E m ai:l g f bupt @s i na .co m；徐大雄(1928 )，男，教授，博士生导师.
I EEE 802.1l a 媒体接入控制(MAC )层采用分布式协调功能(DCF )机制来实现无线信道的共享，文献[1]对其物理层和MAC 层成帧效率进行了详细的分析；文献[2]中利用提出的二维离散M arkov
模型对DCF 性能进行了分析[2]
，多位研究者又对文
献[2]的模型进行了改进[3 4]
.本文在前人研究的基
础上[1 4]
，将I E EE 802.11a 协议归一化吞吐率表示为成帧效率和DCF 协议效率2部分之积，并提出了改进模型，同时将新模型结合文献[5]中的MAC 层
接入时延分析方法进行了改进，分析了基本接入模式和RTS /CTS 模式下的性能差异，并给出2种接入
模式的切换门限值.
1 I EEE 802.11a DCF 协议性能分析
不考虑物理层传输错误，定义归一化系统吞吐率为
S =
净数据率
标称数据率
(1)
其中，净数据率为用户可得的数据速率；标称数据率为I E EE802.11a标准中标称的数据速率.
文献[1]提出，式(1)可等效为
S= fra m e DCF(2)
其中, frame为成帧效率因子，其值等于1帧中有效载荷的传输时间与1帧物理层传输时间之比; DCF为DCF协议效率因子，其值等于1个系统时隙中成功传送有效载荷的时长与1个系统时隙的平均长度之比.
关于成帧效率的计算在文献[1]中已有详细介绍，此处不再赘述.
参照文献[2]的建模过程和分析方法，令b(t)表示某个节点的退避计数器值.取离散整数时间点t和t+1分别表示2个相邻时隙的起始时刻，根据二进制指数退避机制，在每个空闲时隙的起始时刻退避计数器减1.这样,b(t)成为一个离散时间随机过程.
每个节点的退避计数器值都与其传输历史有关，且随机过程b(t)是非M ar kov的.由于1个数据帧所经历的碰撞次数是随机的，故退避阶数s(t)也是一个随机过程.本文采用文献[2 5]中同样的假设条件：不论某一数据帧经历了多少次重传，当其进行每次传输尝试时，该数据帧与其他数据帧发生碰撞的概率p始终独立，且保持恒定.由这一假设可知，退避过程因发生碰撞而在退避阶之间发生转移的概率等于p(p为固定值，等于其余n-1个站点中至少有1个站点在发送数据帧的概率,p=1-(1- )n-1)，与其传输历史无关.此外，在1个退避阶内，退避计数器值的变化也与节点所处的退避阶无关，只与上一时隙的退避计数器取值有关.因此，可将二维随机过程{s(t),b(t)}表示为1个M arkov 链，如图1所示.
在该M arkov链模型中,m表示节点执行退避过程的最大次数，即最大重传数;m表示竞争窗口(C W)由初始竞争窗口值W m in+1到最大竞争窗口值W m ax+1的指数增加过程中最大变化次数，一旦C W达到最大竞争窗口值W max+1,C W将维持不变直到被重置成初始竞争窗口大小，因此有
W i=2i W0i!m
W i=2m W0i>m
(3)其中,W0=(W m in
+1)，且2m W0=(W m ax+1).
M ar kov状态转移图中，水平方向上从右向左单步状态转移代表节点退避计数器的值减1，垂直方
图1 退避窗口机制的改进M arkov模型
向上自上至下单歩状态转移代表节点在空口上发生1次碰撞.
由M arkov状态转移图可得5个单步转移概率.
1)站点监测到无线信道空闲，将其退避计数器减1的概率为
P{i,k|i,k+1}=1-p,k∀[0,W i-2],i∀[0,m]
(4)
2)站点监测到无线信道忙，将其退避计数器冻结的概率为
P{i,k|i,k}=p,k∀[0,W i-1],i∀[0,m](5)
3)站点退避计数器值减为0，将当前帧成功发送，返回0级退避状态，并重新选择退避计数器为k 的概率为
P{0,k|i,0}=
1-p
W0
,k∀[0,W0-1],i∀[0,m-1]
(6)
4)站点发送数据不成功后，进入下一级退避状态，并重新选择退避计数器的值为k的概率为
P{i,k|i-1,0}=
p
W i
,k∀[0,W i-1],i∀[0,m]
(7)
5)站点经过多次重传达到最大退避级数m，无论接下来发送成功或失败，将返回初始状态，重新选择退避计数器值k，准备传输下一帧的概率为
P{0,k|m,0}=
1
W0
,k∀[0,W0-1](8)
令b i,k=li m
t#¥
P{s(t)=i,b(t)=k}(k∀[0,W i-
44北京邮电大学学报 第33卷
1],i∀[0,m])为M arkov链的稳态分布概率，有
b i,0=b0,0p i,i∀[0,m](9)经推导得
b i,k=b i,0(W i-k)
W
i
(1-p)
,0!i!m,0<k!W i-1(10)
由于稳态分布具有归一化条件，可得
∃m i=0∃W i-1
k=0
b i,k=1(11)
结合式(9)~式(11)，有
b0,0=
2(1-p)2(1-2p)
W0(1-p)(1-(2p)m+1)+(1-2p)2(1-p m+1)
,m!m 2(1-p)2(1-2p)
P1+P2+P3
,m>m
(12)其中
P1=W0(1-(2p)m+1)(1-p)
P2=W0p(1-2p)(2p)m(1-p m-m)
P3=(1-2p)2(1-p m+1)
系统中任一个站点在1个随机时隙内传输数据的概率可表示为
=∃m i=0b i,0=∃m i=0p i b0,0=b0,0(1-p m+1)
1-p
(13)由p=1-(1- )n-1，得
=1-(1-p)1n-1(14)其中n为不同竞争节点数.联立式(12)~式(14)，即可求出p和 的值.
定义DCF协议效率因子为
DCF=p s p tr t fra m e
(1-p tr)+p s p tr T s+p tr(1-p s)T c
(15)其中,t frame为1帧传输时间;T s为成功传输1帧导致信道忙的平均时长;T c为节点发生1次传输冲突的平均时长；为时隙长度;p tr为1个系统时隙中至少有1帧在传输的概率;p s为1个系统时隙内有且仅有1帧传输成功的概率[2].
p tr=1-(1- )n(16)
p s=n (1- )n-1
1-(1- )n
(17)
基本接入模式下,T s bas bas
T bas s=!D I FS+t
T bas c=!D I FS+t*frame )
采用RTS/CTS接入方式时,T s和T c表达式为T RTS s和T RTS c.
T RTS s=!D I FS+T RTS+3!S I FS+T CTS+t fra m e+T ACK+4!
T RTS c=!D I FS+T RTS+!S I FS+T CTS+2!
(19)
其中,!为传播时延;!D I FS为分布式协调帧间隔;!S I FS 为最短帧间隔;t*fra m e为每次冲突中最长负载包的传输时长.本文假设所有数据包具有相同的长度，因此有t frame=t*frame,T RTS、T CTS、T ACK分别为RTS、CTS和
ACK数据包的传输时长.
2 I EEE802.11a介质访问延迟分析
因为假设每个节点总有数据要发送，所以介质访问延迟可以表示成1个节点连续2次成功发送数据帧之间的时间间隔[5]，即
E[M]=E[X]E[s](20)其中,E[s]表示1个系统时隙的平均时长，且
E[s]=(1-p tr)+p tr p s T s+p tr(1-p s)T c(21) E[X]表示为完成1次成功的传输，节点所要等待的平均系统时隙数，且E[X]=∃m i=0d i q i,d i为在第i个退避状态下,1个分组在发送前所经历的平均系统时隙数;q i为分组退避至第i个等级(假设分组最终没有被丢弃)的概率[5].
令E[Z]为分组由b i,k转为b i,k-1(i∀[0,m], k∀[1,W1-1])状态过程中所经历的平均系统时隙数，则
E[Z]=∃
¥
n=1
np n-1(1-p)=
1
1-p
(22)
d i=
E[Z]
W i
∃W i-1
x=0
x=
W i-1
2(1-p)
,
i∀[0,m](23)
q i=
p i-p m+1
1-p m+1
,i∀[0,m](24)因此，有
E[X]=∃m i=0d i q i=∃m i=0(W i-1)(p
i-p m+1)
2(1-p)(1-p m+1)
(25)
E[M]=E[X]E[s]=E[s]
(W i-1)(p i-p m+1)
2(1-p)(1-p m+1)
(26)
45
第6期 高 峰等:IEEE802.11a DCF协议吞吐量与时延性能分析
3 分析结果
3 1 IEEE 802.11a 饱和状态系统归一化吞吐率
实验采用的参数基于I EEE 802.11a 标准，令无线帧数据部分分别为2048、1024、256by te .其在基本接入模式下和RTS /CTS (握手)模式下的饱和吞吐率如图2所示
.
图2 基本接入模式及RTS /CTS 模式下
系统归一化吞吐率
由图2可见，随着帧长的减小，系统归一化吞吐率迅速下降.在相同帧长条件下,RTS /C TS 模式下系统归一化吞吐率对系统中竞争站点数不敏感.而基本接入模式下，其系统吞吐率会随着系统中站点数的增加而下降.不同帧长条件下系统归一化吞吐率如图3所示
.
图3 不同帧长条件下系统归一化吞吐率
由图3可见，对于不同的帧长，基本接入模式与RTS /CTS 模式下的性能存在较大差异.在大帧长条件下，如果网络中用户数较多，则RTS /CTS 机制的性能优于基本接入机制；而在小帧长条件下,RTS /CTS 模式的性能不及基本接入模式.此外,RTS /CTS 对于网络中竞争节点数不敏感.
3 2 I EEE 802.11a 饱和状态MAC 层接入时延
不同长度数据帧在基本接入模式及RTS /CTS 接入模式下的平均MAC 层接入时延如图4所示.
从图4可知，在大帧长条件下，基本接入模式MAC 层时延随站点数增加而线性增加,RTS /CTS 模式时延性能优于基本接入模式；在小帧长条件下，基本接入模式时延性能优于RTS /CTS 模式.这主要是因为RTS /CTS 模式使碰撞只发生在RTS 阶段，避免了大帧长数据的碰撞，提升了系统时延性能.而在小帧长条件下,RTS /CTS 控制帧引入了过多开销，导致系统性能下降.因而在实际系统中,RTS /CTS 模式启动门限的设置成为关键问题
.
图4 IEEE 802.11aM AC 层接入时延
不同节点数条件下，基本模式和RTS /CTS 模式的切换门限如图5所示.根据分析结果合理设置RTS /C TS 模式启动门限，即可获得最佳系统性能
.
图5 基本模式和RTS /CTS 模式切换门限
4 结束语
通过研究I EEE 802.11a DCF 接入控制机制，并改进退避窗口机制的二维M arkov 模型，分析数据帧长和竞争节点数对系统吞吐量及时延性能的影响.同时给出了不同节点数条件下，基本接入模式与
46北京邮电大学学报 第33卷
RTS/CTS模式切换门限值设置方法，使网络性能达到最优.
参考文献:
[1] W en L i u,G ao Z ehua,G ao F eng.P erfor m ance ana l y si s o f
IEEE802.11a i n non satura tion cond iti ons[C]%IC
N I DC2009.Be iji ng:IEEE P ress,2009:837 841.
[2] B i anch iG.P erfor m ance ana l ysis o f t he IEEE802.11d i s
tr i buted coord i nati on functi on[J].IEEE Journal on Se
lected A reas in Comm un i cations,2000,18(3):535
547.[3] W u H a itao,P eng Y ong,L ong K ep i ng.Pe rf o r m ance o f re
liab le transpo rt protoco l over IEEE802.11W LAN:
ana l y si s and enhance m ent[C]%I NFOCOM2002.N ew
Y ork:IEEE P ress,2002:599 607.
[4] V ardakas J S,S i d i ropoulos M K,L ogothe ti s M D.Pe r
f o r m ance behav i our of I EEE802.11distri buted coo rdina
tion f unc tion[J].C ircu its,D ev ices&Syste m s,IET.
2008,2(1):50 59.
[5] Chatzi m isi os P,Boucouva l as A C,V itsas V.P acket de
l ay analysis of I EEE802.11M AC pro toco.l E l ec tron i cs L etters,2003,39(18):1358 1359.
(上接第16页)
[2] Ehrhardt A,Breuer D,F r itzsche D,et a.l F ield trial to
upg rade an ex i sti ng10G bit/s DW DM li nk by40Gb it/s R Z DQPSK channe ls[C]%I CTON 07.R o m e:IEEE
P ress,2007:34 38.
[3] G rosz D F,A g ar w al A,K ung A P,e t a.l The po w er o f
d i spersion m anag
e m en t fo r10Gb/s and40G b/s sy stem s
[C]%O FC/NFOEC2006.San D i ego:IEEE P ress,
2006:O FD4.
[4] Zu l kifli N,Gu ild K.M ov i ng to w ards upg radeable a ll
optical net wo rks t hrough i m pa ir m ent aw are R W A algo
rith m s[C]%OFC/N FOEC2007.San D i ego:IEEE
P ress,2007:OW R3.
[5] G ao G uanjun,Zhang Jie,G uW any,i et a.l Channel plan
for upgrad i ng capacity i n mu lti rate transparent net wo rks
[C]%OECC2009.H ongkong:I EEE Press,2009:13
17.
[6] W i nzer P J,Ess i a m bre R.A dv anced optical modu l a ti on
lol更新慢f o r m ats[J].P roceed i ngs o f the I EEE,2006,94(5):
952 985.
[7] W i nzer P J,Ess i ambre R.A dvanced modu lati on f o r m ats
f o r h i gh capac i ty optical transport ne t w orks[J].Journa l
of L igh t w ave T echno l ogy,2006,24(12):4711 4728. [8] 郭秉礼，黄善国，顾畹仪，等.基于负载均衡的联合
路由策略[J].北京邮电大学学报,2009,32(4):1 5.
G uo B i ng l,i H uang Shanguo,G u W any,i e t a.l A n i nte
grated routi ng sche m e w ith l oad balanc i ng consi dera ti on
[J].Journal o f Be iji ng U n i ve rsity of Posts and T e l eco m m un ica ti ons,2009,32(4):1 5.
47
第6期 高 峰等:IEEE802.11a DCF协议吞吐量与时延性能分析
发布评论