毕业论文-无线局域网性能分析及仿真基于dcf.doc
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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IEEE802.11、HiperLAN、Bluetooth等，但是应用最为广泛的是IEEE802.11。
IEEE802.11的MAC层访问机制中最常用的是分布式协调功能DCF（DistributedCoordinationFunction）。
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IEEE802.11MAC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；IEEE802.11；MAC；分布式协调功能；CSMA/CA；回退算法
TheperformanceAnalysisandSimulationofWirelessLAN
Abstract
WiththerecentdevelopmentofwirelesstechnologyandInternet,thereariseincreasingdemandsforportablecomputersorworkstations.AndWLAN（WirelessLocalAreaNetwork）isusedwidelytomeetthesedemandsbecauseofitshighflexibilityandrobustness.Therearemanyexistingstandards,suchasIEEE802.11,HiperLANandBluetoothetc.ButIEEE802.11ismostwidelyused.IEEE802.11WirelessLANstandarddefinesadistributedrandomaccessMACprotocol:
DCF（DistributedCoordinationFunction）.DCFincludestwomediumaccessmechanism,thatis,CSMA/CAandaccessmechanismwithRTS/CTS.Butsomeproblemswhichlieinthesetwomechanismsleadtoinefficientutilizationofwirelessnetworkbandwidthanddegradetheperformanceof802.11.ThethesisisfocusedonDCFmechanismsprovidedinIEEE802.11.
ThispaperdiscussesmainlyDCF（DistributedCoordinationFunction）.Throughaanalysis,wecanseethat,themaindisadvantageofcurrentMACprotocolisthat,accordingtothenumberofcollision,DCFcantunethevalueofCW.Duetothelackofamechanismevaluatingthechannelcondition,itcannottunethevalueofCWadaptively,accordingtotheactualnetworkload.
ThepaperanalyzedwithemphasistheperformanceofCSMA/CAinbasicaccessschemeandthestabilityofthebinaryexponentialbackoffalgorithm,andtheperformanceofnetworkisenhancedinviewofthesimulationresult.Afterwards,wealsoemployedMATLABtosimulatethenewback-offalgorithm,theemulationexperimentalresultshowsthatwhenthenode’samountsincrease,thesystem’sthroughputdecreases，andcomparingwiththeoriginalstandard,theperformance,suchasthroughputandmediaaccessdelay,hasobviouslyimprovement.
Keywords:
wirelessLAN；IEEE802.11；MAC；DCF（DistributedCoordinationFunction）；CSMA/CA；backoffalgorithm
目录
1绪论 1
1.1无线局域网概述 1
1.2无线局域网的研究趋势 1
1.3无线局域网的MAC机制 1
1.4本文的主要工作 3
2IEEE802.11MAC协议 4
2.1IEEE802.11MAC的功能和体系结构 4
2.2IEEE802.11MAC层协议 5
2.2.1帧间间隔（IFS） 5
2.2.2指数退避机制 6
2.2.3CSMA/CA 7
2.3IEEE802.11无线局域网MAC关键技术 8
2.3.1MAC重传（错误恢复机制） 8
2.3.2分段和分段重组技术 8
2.3.3RTS/CTS 8
2.3.4帧优先级的设置 9
2.4DCF中的访问机制 9
2.4.1基本访问机制 9
2.4.2RST/CTS机制 10
3IEEE802.11DCF性能分析 11
3.1IEEE802.11MAC协议性能分析方法 11
3.2CSMA/CA机制下的性能分析 12
3.2.1时间分析模型 12
3.2.2基本接入方式 13
3.2.3二进制指数退避算法分析 14
3.3DCF协议存在的问题 14
3.3.1DCF算法的主要缺点 14
3.3.2DCF算法的改进方向 15
3.4DCF的改进方法 15
3.4.1改进CW更新规则 15
3.4.2估计信道负载程度 16
3.4.3动态调整参数类 16
3.4.4DCF算法改进的总结 16
4DCF基本机制的仿真 17
4.1MATLAB仿真工具简介 17
4.2基本机制的仿真实现 18
4.2.1仿真设置 18
4.2.2仿真模块 18
4.3改进的基本机制的具体仿真实现 21
4.3.1基本思路 21
4.3.2仿真程序分析 21
4.4仿真验证 23
4.4.1仿真环境 23
4.4.2仿真结果分析 23
4.5小结 26
5总结与展望 27
5.1论文工作总结 27
5.2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 39
45
1绪论
1.1无线局域网概述
无线局域网（WirelessLAN，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IEEE802.11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（MediumAccessControl）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（MediumAccessControl）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
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