毕业论文无线局域网性能分析及仿真基于RTSCTSDCF.docx

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毕业论文无线局域网性能分析及仿真基于RTSCTSDCF

1绪论

1.1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。

1.2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、3G[2]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：

IEEE802.11、HiperLAN、Bluetooth等。

其中应用最为广泛的标准是基于IEEE802.11协议的系列标准。

1990年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11无线局域网（WLAN）标准工作组。

IEEE802.11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2.4GHz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X，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802.11系列标准中，涉及物理层的主要有4个标准：

802.11、802.11b、802.11a、802.11g[5]。

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802.11b无线局域网设备、802.11a无线局域网设备等。

（1）IEEE802.11

802.11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802.11b，802.11a和802.11g三个新标准。

（2）IEEE802.11b

IEEE802.11b工作于2.4GHz频带，使用直序扩频方式和补码键控，物理层支持5.5Mbps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、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之间切换，而且在2Mbps、1Mbps速率时与IEEE802.11DSSS（直接序列扩频）系统交互操作，但不能与1Mbps和2Mbps的802.11FHSS（跳频扩频）系统交互操作。

（3）IEEE802.11a

IEEE802.11a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，IEEE802.11a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，IEEE802.11b和工作在5GHz频带上的IEEE802.11a标准不兼容。

（4）IEEE802.11g

2002年11月15日，IEEE试验性地批准一种新技术IEEE802.11g，使无线网络传输速率可达54Mbps。

802.11g是对802.11b的一种高速物理层扩展，同802.11b一样，802.11g工作于2.4GHzISM频带，但采用了OFDM技术，可以实现最高54Mbps的数据速率，与802.11a相当；并且较好地解决了WLAN与蓝牙的干扰问题。

802.11g与已经得到广泛使用的802.11b是兼容的，这是802.11g相比于802.11a的优势所在。

由于802.11g标准尚未完成，而符合802.11a标准的产品已经出现，相信802.11a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，802.11、802.11b、802.11a、802.11g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/CA（CA：

CollisionAvoidance，冲突避免），这有别于传统以太网上的CSMA/CD（CD:

CollisionDetection，冲突检测），CSMA/CA相关内容在802.11标准中定义，802.11b、802.11a、802.11g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802.3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。

CSMA／CA使用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。

除了802.11、802.11b、802.11a、802.11g这四个标准涉及物理层外，为了促进802.11a在欧洲的推广发展，与ETSI的HiperLAN/2竞争，IEEE又提出了802.11h标准，在802.11a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802.11a在欧洲推广发展的需要，符合欧洲有关管制规定的要求。

802.11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802.11e、802.11f、802.11i等标准。

802.11e增强了802.11MAC层，为WLAN应用提供了QoS支持能力。

802.11e对MAC层的增强与802.11a、802.11b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802.11系统的应用X围，使得WLAN也能够传送语音、视频等应用。

802.11f标准定义了一套称之为IAPP（Inter-AccessPointProtocol）的协议，以实现不同供应商的接入点AP间的互操作性。

谈到802.11i标准，就不能不提到802.1X标准。

802.1X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。

802.11i是对802.11MAC层在安全性方面的增强，它与802.1X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，802.11系列标准中，还有一个802.11d标准，802.11d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802.11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。

1.3本论文的章节安排

本论文主要针对无线局域网IEEE802.11标准MAC层RTS/CTS-DCF[7]协议进行研究。

共分四章：

第一章，对无线局域网及IEEE802.11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IEEE802.11MAC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，，IEEE802.11MAC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/CTS-DCF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/CTS-DCF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。

2无线局域网802.11MAC层

IEEE802.11MAC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。

IEEE802.11MAC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802.11MAC协议，重点分析二进制指数退避算法的不足。

2.1IEEE802.11MAC协议概述

IEEE802.11协议族的MAC层协议和IEEE802.3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IEEE802.3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802.11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，IEEE802.11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。

IEEE802.11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，802.11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。

2.2IEEE802.11MAC中的主要技术

2.2.1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。

IEEE802.11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NAV（NetworkAllocationVector），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。

2.2.2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。

IEEE802.11中有四种帧间隔，其长度由小到大依次分别是SIFS（Shortinterframespace），PIFS（PCFinterframespace），DIFS（DCFinterframespace），EIFS（Extendedinterframespace）。

如图1所示。

DIFS

PIFS

介质忙SIFS

图2-1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。

2.2.3随机退避机制

退避时间选取如下：

T=CW×Random（）×SlotTime

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。

2.2.4节能管理

由于在移动环境下对笔记本计算机节能的要求，IEEE802.11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（IBSS）[11]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。

2.3IEEE802.11MAC的网络工作方式

在MAC层，802.11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2-2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，整个网络某某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2-2IEEE802.11协议基本框架

2.3.1DCF接入方式

802.11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2-3所示。

图2-3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。

IEEE802.11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（back-offprocedure）。

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

802.11MAC层的退避算法由以下公式决定：

（2-1）

其中Random（）表示从均匀分布的[0,CW]X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CWmin≤CW≤CWmax。

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值的序列是从CWmin到CWmax的一个二进制指数增长的数列减一，即：

（2-2）

整个算法称为二进制指数退避（BinaryExponentialBack-off,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X围之内，而工作站C在工作站A的信号传播X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IEEE802.11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X围的站还是位于接收站传输X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：

①解决了隐藏工作点带来的冲突，提高了带宽利用率。

②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。

③增加的控制帧增加带宽开销。

④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。

2.3.2PCF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。

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