多带超宽带PCA协议吞吐量性能测试.docx
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多带超宽带PCA协议吞吐量性能测试
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
多带超宽带PCA协议吞吐量
性能仿真
学生姓名：
夏勤指导教师：
田锦
二级学院：
信息技术学院专 业：
通信工程
班 级：
09通信工程
（2）班学 号：
0905103052
提交日期：
2013年4月18日答辩日期：
2013年5月5日
目录
摘要II
AbstractIII
1绪论1
2PCA标准协议概述3
2.1PHY层概述3
2.2MAC层概述3
2.2.1架构概述3
2.2.2设备地址3
2.2.3PHY层的特征4
2.2.4MAC层功能简述4
2.3PCA协议基本原理5
2.3.1PCA协议基本原理5
2.3.2CSMA协议6
2.3.3PCA协议接入机制6
3PCA协议吞吐量的计算及意义8
3.1吞吐量意义8
3.2PCA协议吞吐量计算8
4NS2仿真平台10
4.1NS2软件的介绍10
4.2NS2软件的安装10
4.3NS2软件的使用方法和过程15
5仿真数据处理16
5.1gawk软件、gnuplot软件的介绍16
5.1.1gawk软件16
5.1.2gnuplot软件16
5.2数据分析16
参考文献21
附录23
致谢30
多带超宽带PCA协议吞吐量性能仿真
摘要
超宽带（UltraWideband，UWB）技术以高传输速率、高分辨率和低功耗等优点日益受到人们的青睐，成为无线通信领域研究的热点；围绕超宽带标准的讨论也一直在进行。
本学位论文着重研究了多带超宽带的PCA协议吞吐量，首先介绍了UWB技术的背景知识和多带超宽带MAC层所涉及到的基本机制以及常用的MAC协议评价指标——吞吐量；然后介绍了NS2软件、gawk软件、gnuplot软件，本文以ECMA-368标准中所规定的MAC层为基础，建立数学模型，并对其性能进行了分析，实现了NS2软件仿真，得到了仿真系统的数值，并进行了数值计算与仿真研究，为优化链路控制，提高性能提供了理论依据；最终证明PCA协议对进一步深入研究超宽带链路速率降低对网络吞吐量性能的影响，对提高链路速率有深远的意义。
关键字：
超宽带；优先级竞争接入；吞吐量；性能仿真
MBUWBsimulationofthroughputonPCA
Abstract
TheUltra-Wideband（UWB）technologyhasreceivedsignificantinterestsforfuturewirelesscommunicationsbecauseofitsadvantagessuchashightransmissiondatarate，highresolution,andlowpower．ThediscussionoverUWBstandardhasbeengoingon．
ThisthesisfocusesonthethroughputofthePCAProtocolofMB-UWB．Firstly,thepapergiveabriefintroductiontotheUWBtechnology,somefundamentalmechanismsinvolvedinMB-UWBMAClayerandthecommonevaluationindexofMACprotocol–throughput.ThenintroducestheNS2software,gawksoftware,gnuplotsoftware,andintroducesthenumericalcalculationandemulationresearch,tooptimizethelinkcontrol,andprovidesatheoreticalbasistoimproveperformance.BasedontheMAClayerprotocolgivenbyECMA-368/369standards．AnanalyticalmodelisbuilttocomputetheperformanceofthisMAClayerprotocolandasimulationsystemisbuilttoobtainthesimulationresults．Lastly,introducesthenumericalcalculationandemulationresearch,tooptimizethelinkcontrol,andprovidesatheoreticalbasistoimproveperformance;eventuallyprovedthattheimpactofthePCAprotocolonfurtherstudyreduceofultrawidebandlinkonthenetworkthroughputperformanceofforrate,havegreatsignificancetoimprovethelinkrate.
Keywords:
Ultra-wideband;PCA;Throughput;Performancesimulation
1绪论
IEEE802．11e标准一经推出就引起了人们的广泛关注，学术界的众多学者纷纷提出很多对于802．1le中新的MAC层协议尤其是EDCA方式进行分析的理论模型，如理想信道中饱和及非饱和状态下的二维马尔可夫链模型。
另外，利用软件仿真的手段分析EDCA中的参数与网络性能的关系也是学术界重点关注的研究方向之一，这无论是对完善已有的802．1le标准，还是对工业上提高各厂家自身产品的竞争力都有重要的参考价值。
G．bianchi曾在2000年提出了著名的饱和状态下的二维马尔可夫链模型,用以分析DCF的网络性能，经总结推导出饱和时延的计算公式。
并对原模型进行了改进和扩展，用来分析802．1le中的EDCA接入机制的网络性能，这些模型对从理论上分析EDCA网络的性能有着重要的贡献。
但这些模型考虑了基于退避的优先级机制，而没有考虑不同AIFS的影响，而且，此模型也没有考虑到虚拟内部站点的竞争；所以又引入三维马尔可夫链的分析模型对EDCA进行分析，给出了吞吐量的计算公式；建立的数学模型考虑到了不同AIFS的影响及内部竞争机制，进一步优化模型适应于网络中仅有下行业务的应用场景。
EDCA是建立在DCF基础上的增强接入机制，可以为网络提供较为理想的QoS保证。
EDCA对于DCF明显的改进之一是引入了参数如CWmin、CWmax、AIFSN和TXOPlimit，也称为EDCA参数。
对于这些EDCA参数，802．11e标准中给出了一组建议值，适合于大部分情况下的网络应用。
但当网络规模较大或网络拓扑变化频繁的情况下，标准中的建议值往往不足以满足业务需求。
这是因为对于有线网络而言，网络组成和系统资源较为稳定，当根据业务需求设置相关参数，布置好资源以后，就基本上可以实现比较好的网络性能，并且网络性能可以在长时问内保持良好的状态。
与有线网络相比，无线网络中无论是拓扑还是用户需求都是实时变化的，这样固定网络参数的做法对于无线网络来说就不再是最优的方案。
人们首先想到的是可以根据当前的网络负载及业务分布情况来合理设置或者动态调整EDCA参数，让其自适应网络，以实现网络性能的最优化。
因此遵循什么原则来设置或实时调整EDCA参数便成了学术界关注的热点，也是各大厂商提高自身产品性能的切入点和有效手段。
本文研究的PCA协议是对EDCA协议改进，PCA协议是一种优先级区分业务的竞争接入方式，PCA协议的MAC机制依然是基于CSMA/CA，CSMA/CA是一种长期公平且效率较高的媒体接入机制。
尽管EDCA中对于不同业务进行了区分，但不同站点所具有的业务是长期均衡的，这也意味着就长期而言，网络中每个站点的地位是均等的，各站点可以公平竞争到信道，即便对于一个接入点AP而言，其竞争到信道的几率也和任意一个客户终端STA相同。
众所周知，网络中下行（AP发往STA方向）业务的带宽需求常常远远大于上行（STA发往AP方向）带宽需求，在AP和STA接入信道的能力一致的情况下，这意味着下行业务的性能势必不如上行，可见，网络中存在着信道资源分配的相对不公平性。
信道资源分配引起AP和STA各自的网络性能表现存在差异，与上行业务相比，下行的吞吐量低且时延较大，这不能满足实时业务如音视频在WLAN中的应用需求。
因此满足音视频在WLAN中应用需求正是PCA协议所要解决问题之一，PCA协议中，对于多个接入点AP和多个客户端STA情况下，PCA依旧采用EDCA所提供一种相对公平的竞争接入方式，在单个AP在竞争接入信道后可进行数据传输，而每个传输数据的AP站点需在固定时间片轮转后前强行退出数据传输，释放信道并参加下一轮的竞争接入，因此在宏观上多个AP实现了数据的并行传输，这样能够提高超宽带设备的链路速率，从而解决高速超宽带物理层传送速率的浪费问题，PCA协议还可以同时改善信道资源分配问题，减小通信延时，因此，PCA协议的研究是提高通信速率、质量的重要方法。
2PCA标准协议概述
2.1PHY层概述
本标准详细说明了基于超宽带的无线局域网（PAN）的物理层（PHY），其工作频段是4.2-4.8GHz以及6.0-9.0GHz，支持以下数据速率:
53.3Mbps，80Mbps，106.7Mbps，160Mbps，200Mbps，320Mbps，400Mbps，480Mbps。
UWB频段被分为12个子频段，每个频段带宽为264MHz。
前2个子频段为第一组，后10个子频段为第二组，即共分为2个频带组。
本标准采用多频带OFDM调制方式发送数据，每个子频段采用共110个子载波（100个数据载波，10个保护载波）未发送信息。
另外，12个导频子载波用来相干检测。
利用时频扩展和FEC实现数据传输速率的改变。
其中，FEC使用的卷积码编码速率为:
1/3，1/2，5/8和3/4。
本标准使用双载波时频码对编码数据进行扩展，其中扩展方式有两种:
一种是采用双载波时频交织技术使得编码信息交织到4个双载波组上，另一种则采用双载波固定频率交织技术，这时编码信息发送到单个双载波组上。
第1个频带组使用DC-FFI，只有1个信道；第2个频带组前8个子频段使用DC-TFI，可分成12个信道，后2个子频段使用DC-FFI，只有1个信道，第二个频带组总共可分成13个信道。
2.2MAC层概述
2.2.1架构概述
MAC子层结构符合ISO/OSI-IEEE802标准的MAC子层参考模型，MAC服务由MACSAP提供给单个MAC服务客户，通常是某个高层协议或适应层。
在本标准中，一个设备地址标识一个MAC子层。
PHY子层通过PHYSAP依次向各个MAC子层提供服务，MAC协议应用于对等MAC子层间。
2.2.2设备地址
每个设备的MAC子层都由一个EUI—48地址编址，，并且关联于1个可变的短地址，该短地址被称为DevAddr。
每个单播帧都携带1个标识目的设备MAC子层的DevAddr。
DevAddr长度为16比特，由本地产生，而没有协调器进行协调。
因此,1个DevAddr可能会模糊标识两个或者多个MAC实体。
本标准提供了模糊DevAddr的冲突处理机制。
MAC层的寻址机制包括多擂地址和广播地址，多擂地址标识一生且MAC实体，广播地址标识所有实体。
2.2.3PHY层的特征
在规定每个MAC层通过PHYSAP和PHY层相关联。
此外，MAC层要求PHY层具有以下特征:
1.支持对单个帧的传输和突发方式传输的接收；
2.支持对单个帧的接收和突发方式传输的接收；
3.支持适用于PHY和MAC包头结构的PLCP包头错误指示；
4.支持用于媒体活动性估计的空闲信道评估；
5.若支持MAC层距离测量，则支持距离测量时间戳。
PHY层的帧结构特点：
1.存在两种类型的前导符:
标准类型和突发类型；
2.PLCP包头包括MAC和PHY包头，并受到HCS的保护；
3.有效负载之后跟随FCS。
数据传输中每个帧都以恒定的比特顺序通过PHY从源设备发送到目的设备。
帧起点由在本地天线的PHY帧第一个符号的上升沿确定，帧终点由PHY帧最后一个符号的下降沿确定。
通过交换MAC层和PHY层之间的参数来支持帧的收发。
这些参数使得MAC子层可以控制和获知帧的传输模式，帧负载数据率和长度，帧前导符，PHY层信道和其他相关于PHY层的参数。
在传输单个帧时，MAC子层完全控制帧的定时，在突发模式下，MAC子层控制第一帧的定时，PHY层提供突发中剩余帧的准确定时。
2.2.4MAC层功能简述
本标准中定义的MAC服务提供：
1.在单个信道的射频范围内，使用PHY实现设备间的相互通信；
2.基于预留的分布式信道访问机制；
3.基于竞争的分优先级信道访问机制；
4.协调应用的同步方法；
5.处理移动和干扰情况的机制；
6.调度帧传输和接收的设备功率管理；
7.利用密码学算法对数据鉴别和加密，保证安全传输；
8.测量两个设备间距离的机制。
其中，MAC服务的架构是完全分布式的。
所有设备提供必需MAC功能和取决于应用的可选功能，不存在充当中心协调器的设备。
在射频范围内，设备的协调通过交换信标帧实现。
周期性信标的传输能实现以下功能:
发现设备，支持动态网络结构，并提供移动性支持。
信标提供基本网络定时，载波预留和接入媒体信息调度。
（1）逻辑组
MAC协议以个别设备规定，每个设备都有各自的邻居关系。
所有MAC协议功能以上述各自的邻居关系来表达。
本标准是基于完全分布式媒体访问协调形成的网络中，逻辑组在每个设备周围形成，当在不同空间尝试媒体重用时，便于帧的无竞争交换。
在本标准中，逻辑组即是信标组和扩展信标组，各个独立的设备可以决定自身属于哪个信标组。
（2）控制算法
MAC协议算法尽力确保在扩展信标组里同一时间只有1个设备在发送信标帧。
信标帧中包含的信息通过确保一个设备的邻居发送或接收帧时该设备不发送帧来便于无竞争帧交换。
为了允许纠正帧接收，MAC协议算法尽力确保设备的DevAddr在该设备的扩展信标组中是唯一的。
（3）信道选择
当1个设备进入便能状态，它将扫描一个或多个信道的信标，并选择1个信道。
如果在选择的信道中没有检测到信标，这个设备就发送一个信标来产生自己的BP。
如果在所选择的信道中检测到一个或多个信标，设备将把自己的BP和所选信道中己经存在的信标同步起来。
设备使用该设备为信标所选择的相同信道与其信标组成员交换数据。
由于每个设备都工作在动态环境或未授权操作规则下。
因此，设备在自己的信道中面临来自授权用户、其他网络、及其他未授权无线实体的干扰。
为确保该设备在这样的环境中继续工作，每个设备要求具有动态改变信道的能力，并且在改变信道过程中不要求中断和其对等节点的联结。
如在任何时间该设备确定当前信道不合适，它会使用动态信道选择程序移入另一可用信道。
2.3PCA协议基本原理
2.3.1PCA协议基本原理
PCA协议在EDCA基础改进的一种QoS优先级区分业务的竞争接入机制，能够为当前网络提供较为理想的QoS服务质量保证。
PCA协议依旧保留EDCA协议中引入了QoS参数如CWmin、CWmax、AIFSN和TXOPlimit，即EDCA参数。
对于这些EDCA参数，在目前的802．11e标准中已给出了一组适合于大部分情况下网络应用的参数值。
PCA协议的MAC机制依然是基于CSMA/CA，CSMA/CA是一种长期公平且效率较高的媒体接入机制。
尽管EDCA协议中已对于不同业务进行了区分，但不同站点所具有的业务是长期均衡的，这也意味着就长期而言，网络中每个站点的地位是均等的，网络中的各站点都可以公平的竞争到信道，即便对于一个接入点AP而言，其竞争到信道的几率也和任意一个客户终端STA相同。
众所周知，网络中下行（AP发往STA方向）业务的带宽需求常常远远大于上行（STA发往AP方向）带宽需求，在AP和STA接入信道的能力一致的情况下，这意味着下行业务的性能势必不如上行，可见，网络中存在着信道资源分配的相对不公平性。
信道资源分配引起AP和STA各自的网络性能表现存在差异，与上行业务相比，下行的吞吐量低且时延较大，这不能满足实时业务如音视频在WLAN中的应用需求。
PCA协议的提出正是解决这一问题，PCA协议在区分业务的同时引入了时间机制，对于在多个接入点AP和多个客户端STA情况下，单个AP在竞争接入信道后可进行数据传输，在固定时间片后前强行退出数据传输，释放信道并参加下一轮的竞争接入，因此在宏观上多个AP实现了数据的并行传输，大大减少了网络延迟，提高了网络QoS服务质量。
2.3.2CSMA协议
载波侦听多路访问（CartierSenseMultiple，AccessCSMA）协议是对ALOHA协议的改进。
CSMA协议中节点采用载波侦听的方法来检测信道上是否有发送信号．以判断信道的忙闲状态，各节点只能在信道空闲的时候发送数据包。
载波检测有两种类型：
1）坚持检测，即节点坚持连续检测信道。
一旦发现信道空闲且需要发送便可向信道发送数据包；2）非坚持检测方式，即节点检测到信道忙后，便等待一段时间后再检测。
直到信道被检测为空闲才发送数据包。
采用这种方式可以避免因同时发送而引起的碰撞，但是却不能解决显式终端和隐式终端的问题。
因为如果有一个隐式终端存在，则没有检测到载波．并不意味着可以传输数据；当有显式终端存在时，检测到载波也并不意味着不可以传输数据。
2.3.3PCA协议接入机制
PCA协议把媒体接入分为4个接入等级（AccessCategory，AC）。
每个节点通过设置PCA参数，为每个数据流运行有优先级的竞争接入进程来获得传输机会（TransmissionOpportunity，TXOP）。
竞争接入机制如图1所示。
图1竞争接入机制
每个节点在检测到信道不忙的时候需要根据自己的待传数据的优先级等待一个仲裁帧间距（ArbitrationInter-FrameSpace，AIFS[AC]），优先级高的数据流拥有较短的AIFS[AC]，反之较低优先级的数据流的AIFS[AC]较长，并且每个节点都应当为不同优先级设置不同的退避时隙计数器，AIFS[AC]的值如表1所示。
在AIFS[AC]结束后，节点开始进行时隙退让。
退让的时隙数是预先产生的一个随机数。
当AISF[AC]和退让时隙（BackoffSlots）都结束后，如果该次传输发现信道仍旧空闲则认为该数据流获得TXOP并立刻开始帧的物理传输。
如果在时隙退让过程中发现信道忙，则节点停止各优先级退避时隙计数器的递减，等到信道再次空闲AIFS[AC]的时候再重新退避计数器的递减。
如果在传输过程中发生碰撞，则重新设置该数据流的退让时隙数，并等到信道再次空闲AIFS[AC]的时候再重新开始退避计数器的递减。
表1退避时隙
优先级
CWmin[AC]
CWmax[AC]
AIFS[AC]
AC_VO
3
255
1
AC_VI
7
511
2
AC_BE
15
1023
4
AC_BK
15
1023
7
该机制的主要原理是通过在信道空闲后等待时间的不同，来区分优先级，并实现有竞争的媒体接入。
等待时间短则意味着有更大的可能占据信道。
同时，不同优先级选择退避时隙的范围也是有所不同的。
图1中可以看出，所有节点侦测到信道空闲后都要至少等待SIFS以确认没有数据流在占用信道。
SIFS是一个协议要求的短帧间距，它是设备从接收状态转变成发送状态所需要的最小时间。
AC_VO拥有最高的优先级，AC_VI次之，AC_BE的优先级最低。
3PCA协议吞吐量的计算及意义
3.1吞吐量意义
无线通信吞吐量是指在没有帧丢失的情况下，设备能够接受的最大速率。
其测试方法是：
在测试中以一定速率发送一定数量的帧，并计算待测设备传输的帧，如果发送的帧与接收的帧数量相等，那么就将发送速率提高并重新测试；如果接收帧少于发送帧则降低发送速率重新测试，直至得出最终结果。
因为吞吐量与话务模型无关，是系统本身能力的衡量。
在链路级仿真中，通常用吞吐量来衡量一个系统的性能。
3.2PCA协议吞吐量计算
各种接入类（AC）使用不同的仲裁帧间隔（AIFS）和竞争窗竞争信道，AIFS值由式
（1）决定：
（1）
其中，仲裁间隔数（AIFSN）依赖于AC；时隙长度（δ）和短帧间隔（SIFS）依赖于所使用的物理层。
如对于多带（MB,multiband）-OFDMUWB，SIFS=10μs。
信道发送状态可以分为信道空闲、数据成功发送、数据碰撞以及数据传输错误4种类型，将这些状态持续时间定义为虚拟时隙，因而信道在时间上由诸多长度不相等的虚拟时隙组成。
这些虚拟时隙可以相应地分为以下4种类型。
（1）空闲，令其长度为Tidle，由于退避是以时隙为单位的，因而Tidle=δ。
（2）成功发送，令其长度为Tsucc，为一次数据交换所需要的时间。
在PCA访问机制、立即确认模式下，物理汇聚层协议数据单元（PPDU,PLCPprotocoldataunit）有效荷载部分占有的OFDM符号数NFrame为
（2）
其中，L是物理汇聚层有效荷载的大小，单位是字节，NIBP6S是每6个OFDM符号块承载的信息比特数。
PPDU传输时间TPPDU为
（3）
其中，TPLCPPreamble是PLCP前导符长度，此处是标准前导符长度，TPLCPHeader是PLCP头长度，TSYM是OFDM符号间隔的时间长度。
采用PCA接入方式和立即确认，可以得到获得发送权后，立即确认模式下能传输PPDU的最大个数为
（4）
其中，DE是传播延迟时间，TTXOPLimit、TImm-ACK、SIFS分别是发送机会、确认和短帧间隔的时间长度。
现在求平均时隙长度。
当传输成功时，信道被占用的时间长度为Tsucc；发生碰撞时，信道被占用的时间长度为Tcol；信道空闲时，信道被占用的时间长度就是一个标准时隙δ，由此可得
（5）
1）数据碰撞，令其长度为Tcol，考虑确认帧超时的影响，Tcol=Tsucc。
2）传输错误，令其长度为Terr，是从开始发送数据帧直到确认帧超时所需要的时间，因此，
（6）
在节点数目足够多的情况下，可以假设每个节点在每个虚拟时隙有着相同并且独立的发送概率。
只要时间足够长，可以认为每个节点在每个虚拟时隙有着相同并且独立的平均发送概率，因而不需要对节点个数进行假设，甚至可以适用于单个发送节点的情况。
假设有n1个发送节点，各个节点在每个虚拟时隙的平均发送概率为τ，那么各种虚拟时隙发生的平均概率如下。
成功发送的平均概率为
，（7）
即只存在一个节点在发送并且信道传输没有错误的概率。
在成功发送的时隙中，数据帧中只有载荷L是有效的，因此定义有效数据的平均传输数据量为
（8）
空闲的平均概率为
（9）
即n1个节点都不发送数据的概率。
（10）
根据以上各种虚
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