基于RTSCTSDCF无线局域网性能分析及仿真.docx

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基于RTSCTSDCF无线局域网性能分析及仿真

目录

1绪论1

1.1无线局域网的概述1

1.2无线局域网的发展及研究现状1

1.3本论文的章节安排3

2无线局域网802.11MAC层4

2.1IEEE802.11MAC协议概述4

2.2IEEE802.11MAC中的主要技术4

2.2.1虚拟载波监听技术4

2.2.2帧优先级的设置5

2.2.3随机退避机制5

2.2.4节能管理5

2.3IEEE802.11MAC的网络工作方式6

2.3.1DCF接入方式6

2.3.2PCF接入方式8

2.4二进制指数退避算法的不公平现象8

2.5两种工作方式的对比和局限性9

2.6结论10

3IEEE802.11MAC层性能分析11

3.1MAC协议的性能指标11

3.1.1吞吐量（S）11

3.1.2总业务量（G）11

3.1.3帧平均传输时延（D）11

3.1.4饱和吞吐量12

3.2RTS/CTS-DCF协议性能分析12

3.2.1RTS/CTS-DCF机制原理12

3.2.2基本模型15

3.2.3RTS/CTS接入方式15

3.3RTS/CTS-DCF存在的问题17

3.4RTS/CTS-DCF的改进算法思想17

4RTS/CTS-DCF机制的仿真19

4.1网络仿真软件19

4.2RTS/CTS机制的仿真20

4.2.1仿真思路20

4.2.2仿真模块介绍20

4.3仿真结果与分析23

总结25

谢辞26

参考文献27

附录28

附录A外文翻译-原文部分28

附录B外文翻译-译文部分32

附录C主要源程序35

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、电子邮件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）规范，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系统的应用范围，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。