IEEE802_11WLAN中DCF延迟性能分析

第10卷第2期信息工程大学学报
Vol 110No 12
2009年6月Journal of I nfor mati on Engineering University Jun 12009
收稿日期:2008-09-22;修回日期:2008-12-15
作者简介:任孝锋(1980-),男,硕士生,主要研究方向为通信与信息系统。

I EEE802.11WLAN 中DCF 延迟性能分析
任孝锋,李建新
(信息工程大学信息工程学院,河南郑州450002)
摘要:通过二维马尔可夫链模型分析了I EEE 802.11DCF 在饱和状态下的延迟特性,给出了分布式协调功能(DCF )中分组传输延迟的理论分析方法。

利用NS2仿真软件进行仿真,对基本接入方式和RTS/CTS 方式两种传输方式的延迟性能进行分析比较,仿真结果验证了理论分析方法的有效性,为研究在无线局域网中传输实时业务提供了理论依据。

关键词:I EEE 802.11;DCF;传输延迟中图分类号:T N925.93 文献标识码:A
文章编号:1671-0673(2009)02-0181-03
D el ay Ana lysis of DCF i n I EE
E 802.11WLAN
REN Xiao 2feng,L I J ian 2xin
(I nstitute of I nf or mati on Engineering,I nf or mati on Engineering University,Zhengzhou 450002,China )
Abstract:I n this paper,the delay perf or mance f or I EEE 802.11DCF in saturati on situati on is ana 2lyzed by intr oducing a t w o 2di m ensi onalMarkov chain model .The evaluati on of access delay by theo 2retical analysis is als o p resented .Si m ulati on is done by using net w ork si m ulating t ool NS2,and the delay perfor mance is compared both basic access mechanis m and RTS/CTS access mechanis m.Si m 2ulati on results validated the effectiveness of theoretical analysis,which p r ovides a research basis for real 2ti m e trans m itting of packets in wireless l ocal area net w orks .Key words:I EEE 802.11;DCF;access delay
随着局域网应用领域的扩展和通信中对移动和便携性要求的提高,无线局域网(WLAN )得到了飞速发展,相应产生了多种局域网标准,如I EEE 802.11、Ho meRF 、B luet ooth 等,其中I EEE 802.11[1]
是目前应用最广泛的WLAN 标准,它提供了WLAN 物理层(PHY )和媒体接入控制层(MAC )的
详细规范。

I EEE 802.11协议采用了一种称为分布协调
功能(D istributed Coordinati on Functi on,DCF )的介质访问机制。

DCF 是一种基于载波接收冲突避免的多址接入(CS MA /CA )的随机访问机制,包括基本接入机制和RTS/CTS 两种传输方式。

从I EEE 802.11标准制定以来,对DCF 性能的分析就一直
是个研究热点,文献[2]提出了一种基于二维马尔可夫链的模型来分析DCF 性能;文献[3]提出了一
种称为慢竞争窗口递减(sl ow C W decrease )的改进方案,并利用文献[2]提出的理论模型进行了理论分析;文献[4]通过动态调整DCF 退避过程的系统参数以获得接近理论上限的吞吐量。

在I EEE 802.11WLAN 中提供多媒体实时业务是无线宽带
通信发展的必然趋势,有必要对I EEE 802.11WLAN 中DCF 的延迟性能进行分析研究。

本文在文献[2]的基础上,对DCF 的平均接入延迟进行了理论分析,并通过仿真验证了理论分析的有效性,同时对基本接入方式和RTS/CTS 方式两种传输方式的平均接入延迟性能进行分析比较。

1　DCF 的性能分析模型
引入文献[2]中提出的理论模型,模型假设
182
　信息工程大学学报　2009年　为:①发送的分组发生碰撞的概率p恒定且相互独
立;②各节点均工作于饱和状态,即各节点的发送
队列中始终有分组等待发送。

令s(t)表示给定节点在时间t的退避等级的
随机过程,其状态空间为[0,1,2,…,m],W
max
=
2m W m in,b(t)表示给定终端在时间t的退避计数器
值的随机过程,其状态空间为[0,1,2,…,2m(W
m in
+1)-1]。

t和t+1对应两个相邻时隙的开始,在
每一个时隙的开始,每个终端的退避计数器减1。

根据上述假设①、②,{s(t),b(t)}组成的二维随机
过程可以构成一个二维离散马尔可夫链,该马尔可
夫链的单步转移概率如(1)式所示。

p{i,k|i,k+1}=1, k∈[0,W i-2),i∈[0,m]
p{0,k|i,0}=(1-p)/W0,k∈[0,W0-1),i∈[0,m]
p{i,k|i-1,0}=p/W i,k∈[0,W i-1),i∈[1,m]
p{m,k|m,0}=p/W m,k∈[0,W m-1)
(1)
其中,p{s(t+1)=i
1
,b(t+1)=k1|s(t)=i0,b(t)
=k0}由p{i1,k1|i0,k0}表示,W0=W m in+1,W i=2i
×W。

令b
i,k
=li m
t→∞
p{s(t)=i,b(t)=k},k∈[0,W i-
1],i∈[0,m]为二维离散时间马尔可夫链{s(t),
b(t)}的平稳分布,利用马尔可夫链的特性可得
b i,0=p i・b0,0, i∈[0,m)
b m,0=
p m
1-p
・b
0,0
b i,k=
W i-k
W i
・b
i,0
,i∈[0,m],k∈[0,W i-1]
b0,0=
2(1-2p)(1-p)
(1-2p)(W+1)+p W(1-(2p)m)
(2)
由于所有的节点只有在回退计数器为0时才
发送分组,因此稳定状态下节点在一个随机选取的
时隙内发送分组的概率τ可以表示为
τ=∑m
i=0
b i,0=
b0,0
1-p
=
2(1-2p)
(1-2p)(W+1)+p W(1-(2p)m)
(3)
当n个移动终端共享同一无线信道时,某移动
终端发送的包发生碰撞的p应等于在剩下的n-1
个终端中至少有一个移动终端在同一时隙发送包
的概率。

在稳定条件下,对于某给定时隙,任一终
端在该时隙以概率τ发送数据包,因此有
p=1-(1-τ)n-1(4)
(3)式、(4)式构成含两个未知数τ和p的非
线性方程组,可以通过计算机数值解法求得其近
似解。

2　分组传输延迟分析
令σ是时隙宽度,H为物理层和MAC层头部
的总长度,n为节点个数,T
S
为节点发送数据成功
时信道处于忙状态的平均时间,T
C
为发生碰撞时
信道处于忙状态的平均时间。

T
S
和T
C
在基本接
入方式和RTS/CTS方式下的表达式不同[2],分别
以basic,rts/cts表示基本接入方式和RTS/CTS方
式。

为简化分析,假定数据包的长度E[P]固定不
变时,则两种传输方式下的T
S
、T
C
分别如(5)式、
(6)式所示。

T basic
S
=H+E[P]+S IFS+δ+ACK+D IFS+δ
T basic
C
=H+E[P]+D IFS+δ
(5)
T rts/cts
S
=R TS+S IFS+δ+CTS+S IFS+δ+H+
E[P]+S IFS+δ+ACK+D IFS+δ
T rts/cts
C
=R TS+D IFS+δ
(6)
分组传输延迟E
D
定义为从分组到达源节点
MAC层传输队列首部到收到目的节点的ACK确
认帧所经历的平均时间。

E
D
可以表示为
E D=E B+T S+E C(T+E B+T C)(7)
其中,E
B
为分组的平均退避时间,T为超时等待时
间,E
C
为分组每次成功传输需经历的平均碰撞
次数。

由{s(t),b(t)}的平稳分布b
i,k
可以求出节点
进入退避阶段i时选择退避窗的平均值,如下式
　E
W,i
=∑
W i-1
k=0
kb i,k/∑
W i-1
k=0
b i,k=
2
W i+1
∑
W i-1
k=1
k
W i-k
W i
(8)
所以节点在退避阶段i的退避过程中发生碰
撞次数的平均值E
C,i
为
E C,i=
E W,i
E id le+1
(9)
其中,E
id le
为一次退避过程中连续空闲时隙数的平
均值,可以表示为信道空闲的概率比上信道忙的概
率,即
E id le=
(1-τ)n
1-(1-τ)n
(10)
节点在退避阶段i发送分组成功的概率为
p i(1-p)/(1-p m+1),因此可得分组每次成功传输
需经历的平均碰撞次数E
C
、平均退避窗E
W
分别为
E C=∑
m
i=0
p i(1-p)
1-p m+1
E C,i(11)
E W=∑
m
i=0
p i(1-p)
1-p m+1
E W,i(12)
令P
S
为分组成功发送的概率,P
F
为分组不发
　第2期任孝锋等:I EEE802.11WLAN 中DCF 延迟性能分析
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　送的概率,P C 为分组发送但发生冲突的概率,则有
P S =n
τ(1-τ)n -1
P F =(1-τ
)n
P C =1-P S -P F
(13)
分组的平均退避时间E B 可以表达为平均退避窗乘以时隙宽度加上退避过程中的平均挂起时间,即
E B =E W σ+E
F (P S T S +P C T C )
(14)其中,E F 为退避过程中平均挂起的时间,可以表示为分组平均退避的时隙个数比一次退避过程中连续空闲时隙数的平均值减1,即
E F =
E W E id le
-1(15)
将(3)式～(6)式、
(11)式、(14)式代到(7)式中分别可得到基本接入方式和RTS/CTS 方式下的分组传输延迟。

3　仿真分析
本节通过NS2仿真软件进行仿真来验证理论分析的正确性,同时对基本接入方式和RTS/CTS 两种传输方式的分组传输延迟性能进行分析比较。

仿真中采用的系统参数如表1所示。

表1　系统参数
系统参数参数取值
分组长度
80bits H
200bits ACK 112bits RTS 160bits CTS
112bits
信道速率
　1M bits/s
时隙宽度
50μs SI FS 28μs D I FS 128μs T
300
μs W 016W max
1024
图1为基本接入方式和RTS/CTS 方式下分组
传输延迟随节点个数变化的曲线,并将仿真结果与分析结果进行了比较。

从图中可以看出,两种传输方式下由(7)式得到的分析结果与仿真结果相差很小,验证了分组传输延迟计算方法的有效性。

由图还可看出,当节点个数较少时,分组的碰撞概率较
低,发生碰撞的次数较少,基本接入方式的分组传输延迟小于RTS/CTS 方式下分组传输延迟;随着网络负载的增加,发生碰撞的次数逐渐增多,基本接入方式的分组传输延迟大于RTS/CTS 方式下分组传输延迟。

图1　分组传输延迟随节点个数变化的曲线
4　总结
I EEE 802.11是目前应用非常广泛的一种无线局域网标准,分布式协调功能(DCF )是I EEE 802.11最主要的媒体访问控制机制。

本文基于文
献[2]中提出的二维马尔可夫链的模型,结合理论
推导和仿真,对DCF 的两种传输方式:基本接入方式和RTS/CTS 方式在I EEE802.11无线局域网环境中的传输时延性能进行了分析比较,验证了分组传输延迟计算方法的有效性。

考虑到在饱和状态下,随着节点数不断增加,分组在MAC 层队列中的排队等待时间将大大超过两次成功传输之间的间隔时间,所以下一步的工作重点是建立精确的排队论模型。

参考文献:
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[3]N i Q iang .Modeling and analysis of sl ow C W decrease
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[4]Cali F,ContiM.Dynam ic tuning of the I EEE802.11p r o 2
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