關(guān)于紅外無線局域網(wǎng)突發(fā)確認(rèn)機(jī)制的IEEE 802.11e的飽和性分析

1、關(guān)于紅外無線局域網(wǎng)突發(fā)確認(rèn)機(jī)制的IEEE 802.11e的飽和性分析Evagelos varthis,Giannis,Karamtsos, 愛琴海大學(xué),信息和通訊系統(tǒng)學(xué)院，Karlovasi，薩莫斯83200，希臘摘要IEEE 802.11任務(wù)E組正工作在MAC協(xié)議的延伸部分，此部分被稱為802.11e。新插入一些的部分是增強(qiáng)型的分配協(xié)調(diào)功能（EDCF）和突發(fā)確認(rèn)（BurstAck）特征。本文是對(duì)著名的停止并等待機(jī)制的效率和對(duì)于各種鏈路參數(shù)如爭奪終端單元的數(shù)量，幀錯(cuò)誤率，窗口大小等的增強(qiáng)的突發(fā)行為的分析與評(píng)估。這些分析是基于紅外無線局域網(wǎng)的802.11管理信息庫參數(shù)（MIB）來進(jìn)行的。分析結(jié)果

2、表明只要通過簡單地改變MIB參數(shù)，它就完全適用于802.11無線局網(wǎng)。關(guān)鍵詞：IEEE 802.11協(xié)議，突發(fā)確認(rèn)，性能評(píng)估一、 簡介在IEEE標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)紅外無線局域網(wǎng)，終端用戶（TUs）必須在一個(gè)固定的普通紅外線波長850和950納米之間傳播。擴(kuò)散的紅外無線傳輸?shù)淖饔谜故玖孙@著的優(yōu)勢(shì)和它并不受任何聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的監(jiān)管。采用散射的紅外連接一個(gè)系統(tǒng)類似于無線電波，室內(nèi)的覆蓋區(qū)域也能獲得，并且提供終端用戶充分的流動(dòng)性。采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)（IM/DD）紅外連接并不會(huì)遭受多路徑衰減，但是，在傳輸率高于10 Mbps時(shí)他們?cè)馐苤鄰缴?。IEEE 802.11支持的紅外傳輸速率是1Mbps和

3、2 Mbps，因此多路徑色散現(xiàn)象可以忽略一個(gè)重要的影響到802.11 MAC協(xié)議性能的參數(shù)是幀錯(cuò)誤率（FER），它在紅外物理層被介紹并通過物理層的熱噪聲來獲取。我們必須指出802.11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)紅外無線和電波的執(zhí)行提供了不同的管理信息參數(shù)。另一個(gè)重要的影響到802.11 MAC協(xié)議性能的參數(shù)是自動(dòng)請(qǐng)求（ARQ）計(jì)劃。流量控制的最早嘗試之一是停止與等待（SW）等計(jì)劃，它是802.11a和802.11b使用到現(xiàn)在的確認(rèn)機(jī)制。這種機(jī)制可以同時(shí)提供誤差控制和流量控制，盡管不是十分高效，但它有益于傳播延遲小的網(wǎng)絡(luò)。另一方面，在增強(qiáng)的802.11e中利用選擇性否決方案，源首先發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包窗口，然后等待一個(gè)確

4、認(rèn)。確認(rèn)信息通知源哪個(gè)數(shù)據(jù)包被丟失或損壞，然后這些將重新傳輸。一般來說SRJ計(jì)劃相比較于SW有更好的性能，但是增加了復(fù)雜性。本文用在增強(qiáng)版本802.11e中介紹的新的可選的突發(fā)確認(rèn)機(jī)制來分析和比較IEEE 802.11a和802.11b的SW機(jī)制。該分析是基于紅外鏈接的MIB。一些研究測(cè)試了無線傳輸，關(guān)于Air-Irda協(xié)議的紅外傳輸和突發(fā)確認(rèn)機(jī)制等一些方案的性能。二、 突發(fā)機(jī)制 802.11e的突發(fā)確認(rèn)機(jī)制簡單總結(jié)如下：802.11e的數(shù)據(jù)傳輸是通過以下三個(gè)階段完成。 a）安裝階段，b）數(shù)據(jù)和突發(fā)階段， c）拆除階段。圖1. 安裝階段是一個(gè)初始化階段，通過起始端（發(fā)射機(jī)）和收件人（接收器）之

5、間的定義BurstAck請(qǐng)求和定義BurstAck相應(yīng)幀的交換來實(shí)現(xiàn)。一旦完成初始化，數(shù)據(jù)和突發(fā)階段就開始了。在這一階段發(fā)端允許服務(wù)質(zhì)量爆破MPDUs通過一個(gè)SIFS時(shí)間段分開傳送。當(dāng)發(fā)端想要得到已經(jīng)發(fā)送MPDUs的確認(rèn)信息，發(fā)端就傳輸一個(gè)BurstAck請(qǐng)求并等待BurstAck響應(yīng)。有兩種類型的BurstAck機(jī)制：a) 立即型（低延遲的流量），b）延遲型（中等的延遲的流量）。結(jié)束拆除階段負(fù)責(zé)設(shè)置傳輸結(jié)束，通過交換刪除Burstack請(qǐng)求和刪除Burstack響應(yīng)幀來實(shí)現(xiàn)。圖1 BurstAck機(jī)制三、分析 本文修改和擴(kuò)展了【7】中的分析。更具體的是用廣泛的事例來檢測(cè)BurstAck和SW

6、機(jī)制的效率，這些事例中大量的飽和的終端為了傳輸MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDUs）的一個(gè)特定號(hào)碼，樂意訪問紅外錯(cuò)誤的信道（用專門的FER）。網(wǎng)絡(luò)利用有可選的要求-發(fā)送/清楚-發(fā)送（RTS/CTS）方法和傳輸率為R = 1Mbps的802.11MAC協(xié)議的DCF模式。為了進(jìn)行分析，平均對(duì)抗時(shí)期（TCP），一個(gè)隨機(jī)的終端捕捉無線傳輸媒介，由于分析需要最后傳輸?shù)氖录?，并通過模擬M滿意的終端來計(jì)算，如圖2.是一個(gè)M的函數(shù)，包含DIFS間隔和由于沖突引起的可能的重審。圖 2 對(duì)M的爭論周期三（一）、停止和等待分析首先測(cè)試SW的效率。一個(gè)終端傳送N個(gè)正確的MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元所需要的平均時(shí)間如下：(1)上式中是

7、一個(gè)終端保存MPDU的傳輸和確認(rèn)需要的平均時(shí)間，通過下式計(jì)算:是幀錯(cuò)誤率，i是網(wǎng)絡(luò)中所有終端需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的總數(shù)。最后，一個(gè)特定的終端正確地傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包和敗壞的數(shù)據(jù)包。是在調(diào)查中終端用戶的捕捉無線媒介的可能性，是剩下的終端用戶捕捉到無線媒介的可能性。表示一個(gè)MPDU考慮物理和MAC層的開銷需要的傳輸時(shí)間，它可以表示為下：假設(shè)幀RTS、CTS和ACK錯(cuò)誤是隨機(jī)的。三（二）、突發(fā)確認(rèn)分析 突發(fā)確認(rèn)機(jī)制的效率的測(cè)試如下。一個(gè)終端客戶傳輸N個(gè)正確的數(shù)據(jù)包的爆破的平均時(shí)間： 上式中是調(diào)查中的終端用戶傳輸爆破所需要的平均時(shí)間，i是調(diào)查中的終端用戶傳輸它自己的爆破之前的網(wǎng)絡(luò)中所有終端用戶需要傳輸?shù)谋频?/p>

8、總數(shù)量。的計(jì)算如下: 是建立和拆除階段相應(yīng)的時(shí)間成本，因此：是傳輸N個(gè)正確MPDU需要的平均時(shí)間，計(jì)算式如下:上式中i是數(shù)據(jù)包的總數(shù)量，這些數(shù)據(jù)包是一個(gè)特定的終端用戶需要按次序N正確地傳輸。是重新發(fā)送損壞的數(shù)據(jù)包所需要的時(shí)間，計(jì)算式如下：表示對(duì)已經(jīng)完成的N個(gè)正確數(shù)據(jù)包的傳輸有額外的k個(gè)爆破的可能性，此處k=0，1，2，3.我們只考慮三個(gè)額外的爆破，對(duì)于來說，因?yàn)槌^三個(gè)以上的爆破的可能性實(shí)際上是零（小于）。因此有K0個(gè)爆破的可能性是：然而當(dāng)K1, K2, K3和 K4的可能性是：這里表示發(fā)送m個(gè)數(shù)據(jù)包中有n個(gè)被損壞的可能性，計(jì)算如下：最后，有k=0,1,2和3爆破的可能性分別是： 假設(shè)幀DFB

9、ARQ, DLBARQ,DFBARS,BACK和BARQ出錯(cuò)是隨機(jī)的。四、 結(jié)果評(píng)估主要的協(xié)議和信道參數(shù)的采用如表1.為了得到這兩個(gè)機(jī)制有更好的信道效率的清晰的看法，一個(gè)性能方面的參數(shù)定義為.我們的目的是使U的值盡可能地低于U=1，因?yàn)槭褂眠@一標(biāo)準(zhǔn)，BusrtAck機(jī)制的的上限很容易被決定。圖3表明BurstAck機(jī)制的性能比SW機(jī)制更好，因?yàn)锽usrtAck機(jī)制呈現(xiàn)的的范圍當(dāng)取很高的值時(shí)有縮小的趨勢(shì)。值得大家注意的是，當(dāng)?shù)闹蹈哂跁r(shí)，為了得到正確的結(jié)果，應(yīng)該考慮三個(gè)以上的額外的爆破。爆破確認(rèn)的效率也隨著N的增加而增加。更清楚的描述如圖4，其中繪圖區(qū)域可分為兩個(gè)區(qū)域：一個(gè)敏感的區(qū)域N10，此區(qū)域

10、中N小幅度增長時(shí)U迅速下降，另一個(gè)區(qū)域N>10,當(dāng)N增加時(shí)U減少得非常緩慢，當(dāng)m=200個(gè)八位字節(jié)，M=10個(gè)終端客戶，N取很大的值的時(shí)候，U近似等于0.76.表1 ：系統(tǒng)參數(shù)圖3 MPDU=200八位字節(jié)，M=10終端客戶，不同的N值時(shí)，U對(duì)幀錯(cuò)誤率的變化圖4 MPDU=200八位字節(jié)，M=10終端客戶，不同的幀錯(cuò)誤率時(shí)，U對(duì)N的變化圖5 MPDU=200八位字節(jié)，M=30終端客戶，不同的幀錯(cuò)誤率時(shí)，U對(duì)M的變化圖5呈現(xiàn)了當(dāng) MPDU=200八位字節(jié)，M=30終端客戶時(shí)，U和N之間的關(guān)系。很有趣的是當(dāng)M<4且低的幀錯(cuò)誤率時(shí)，U的值比幀錯(cuò)誤率高的時(shí)候U的值更低。這個(gè)特點(diǎn)在M>

11、4時(shí)仍保持。當(dāng)M>4且M加大時(shí)，U的值一直增加直到M=9。然而當(dāng)M>9時(shí)，隨著M的增加，性能隨著變平滑。更值得注意的是提出的結(jié)果在Matlab環(huán)境中進(jìn)行了模擬，被廣泛驗(yàn)證了，但仿真結(jié)果沒有列出，因?yàn)樗麄兣c分析結(jié)果相同。由上述分析得出的結(jié)果，我們得出這樣的結(jié)論：增強(qiáng)的802.11 MAC協(xié)議的BurstAck機(jī)制對(duì)于被使用的特定參數(shù)比傳統(tǒng)的SW機(jī)制大約要好20-25。當(dāng)窗口很大或者終端用戶很多，甚至幀錯(cuò)誤率很高時(shí)，這種算法的優(yōu)勢(shì)也是毋庸置疑的。五、結(jié)論 為了比較著名的停止并等待確認(rèn)機(jī)制和802.11e MAC協(xié)議加強(qiáng)的爆破確認(rèn)機(jī)制，本文提出了分析模型。為不同的鏈路參數(shù)提出了一套結(jié)果，

12、如爭奪終端單元的數(shù)量，幀錯(cuò)誤率和窗口大小。從結(jié)果中獲得的結(jié)論是爆破確認(rèn)機(jī)制應(yīng)該完全被802.11工作組采用，因?yàn)橥ㄟ^本文采用的一個(gè)典型的系統(tǒng)參數(shù)，表明本文所提出的機(jī)制的性能比SW機(jī)制優(yōu)于20-25。然而，為了檢測(cè)額外隱藏的如數(shù)據(jù)包延遲偏差等兩種機(jī)制都遇到的一些方面的問題，有待進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)1 ISO / IEC和IEEE草案國際標(biāo)準(zhǔn)第11部分：“無線局域網(wǎng)中介質(zhì)訪問控制和物理層（PHY）規(guī)格”， 1999年1月。2J.M. Kahn, J.R. Barry,“無線紅外通訊”，IEEE程序，第85卷，第2期，263-298頁，1997年。3Rui T. Valadas, Adriano C

13、. Moreira, Cipriano T. Lomba, António R. Tavares, A. M. de Oliveira Duarte,“無線局域網(wǎng)IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的紅外物理層”，IEEE通訊雜志，第36卷，第12期，107-112頁，1998年12月。4Richard Cam, Cyril Leung,“一些ARQ協(xié)議在反饋誤差中出現(xiàn)的吞吐量分析”，IEE E交易通訊，第1期，1997年1月，34-44頁。5V. Vitsas and A.C. Boucouvalas，“紅外無線通信的自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求機(jī)制”，IEEE電子論文，2002年2月28日，第38卷，第5期，254-246頁。6V. Vitsas and A. C. Boucouvalas，“紅外無線局域網(wǎng)中有RR解碼的選擇性拒絕（選擇重發(fā)）自動(dòng)