IEEE 802.11e網(wǎng)絡(luò)無線紅外的停止等待和返回N ARQ協(xié)議的對(duì)比-基礎(chǔ)電子

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按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議，紅外（IR）無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLANs）的終端的固定波長(zhǎng)在850到950海里。紅外輻射在室內(nèi)不暗或透明的環(huán)境表面會(huì)發(fā)生反射。紅外通過多次反射來輻射傳播，結(jié)果其系統(tǒng)類似無線電在地區(qū)或覆蓋面積得到建立。作為一個(gè)后果是要提供靈活的終端移動(dòng)性。在有較好紅外（IR）無線局域網(wǎng)絡(luò)的地方必須避免產(chǎn)生的干擾（例如飛機(jī)，機(jī)場(chǎng)、船舶、會(huì)議大廳等）。紅外（IR）無線局域網(wǎng)絡(luò)提供無線連接和支持純粹的建筑室內(nèi)中，促使它們有利覆蓋大面積室內(nèi)空間。此外，光學(xué)無線通信系統(tǒng)可以作為候選作為無線網(wǎng)絡(luò)家用連接（WHL），因?yàn)樗麄兛梢蕴峁└咚偌抑g的通信設(shè)備而且無需。

然而，紅外光譜有幾個(gè)缺點(diǎn)。多路的分散性，這是有關(guān)接受脈搏的時(shí)間分散傳播，是觀察國(guó)米符號(hào)干擾（ISI）的傳輸速率高于破產(chǎn)10百萬位元/秒。在IEEE802.11的實(shí)例中的紅外光譜的鏈接有1和2兆的傳輸速率而那些現(xiàn)象是可以避免的。聯(lián)系的另一個(gè)缺點(diǎn)是，周圍的紅外光譜光引發(fā)瞬間噪聲，由于光檢測(cè)過程的隨機(jī)噪聲性質(zhì)，而人造光由于周期性干擾光強(qiáng)變化而給人提供干擾。對(duì)于低和適度的利率的情況下，IEEE802.11環(huán)境噪聲的主要因素歸與無線的紅外鏈路性能。

通常用于中等強(qiáng)度調(diào)制（IM）的變送器和直接檢測(cè)（DD）接受者的傳輸紅外。當(dāng)直接檢測(cè)（DD）接收器的使用時(shí)，信噪比（SNR）是和光功率平方成正比，而在用無線電傳送中它是和傳輸接受量成正比。因此，由于跟蹤和周圍的聲音則高水平的光功率必須發(fā)出，而且是不允許的國(guó)際安全制度和終端輸出功率約束的。因此，對(duì)傳輸信號(hào)必須經(jīng)過處理以至于讓它能檢測(cè)盡可能低的價(jià)信噪比。標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11所采用的脈沖位置調(diào)制（PPM）作為傳輸技術(shù)，為這種類型的傳輸信道提供了的傳輸特點(diǎn)。近，由于多媒體應(yīng)用在手機(jī)/便攜式設(shè)備的需求增加，一個(gè)增強(qiáng)的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)版本已被發(fā)展出來來支持差異的服務(wù)和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)（QoS）。其特色之一的新版本是可選的確認(rèn)方案，如我們所知的縱法確認(rèn)（BurstAck）。ARQ協(xié)議方案的性能以前為無線電傳輸和紅外光譜測(cè)試分析傳輸所提及。在一般情況下被用作選擇重復(fù)（SRP）ARQ協(xié)議的縱法確認(rèn)的性能在研究了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。更復(fù)雜的案子接收器的任意數(shù)量的在被提及。在當(dāng)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包通道被釋放，利用子序列的爆裂（以相同或減少視窗大小），則完成。

2IEEE802.11e確認(rèn)方案

通過修改MAC協(xié)議結(jié)構(gòu)，這802.11eMAC協(xié)議支持三種類型的確認(rèn)（見表1）。一個(gè)被稱為服務(wù)質(zhì)量（QoS）的新領(lǐng)域使用一個(gè)分支稱為確認(rèn)字符（ACK）的政策子域場(chǎng)（圖1）。這一領(lǐng)域可以被定義的位的值表1給出。有可能使用或者SW或BurstAck甚至沒有確認(rèn)機(jī)制。后者是用于當(dāng)信道質(zhì)量極高和不能傳遞的一些MPDUs,如在聲音傳輸是不重要的，到數(shù)據(jù)包延遲不存在超過一些預(yù)定義延遲的約束。

2.1停下等待協(xié)議

在著名的SWARQ方案，初發(fā)射機(jī)，他們競(jìng)爭(zhēng)于其余在成功保留發(fā)送遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)（RTS）框架后和捕獲無線介質(zhì)的STAs網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。一旦RTS框架被收到，經(jīng)過短暫的SIFS時(shí)間，接收器相應(yīng)CTS。然后，發(fā)射機(jī)發(fā)出一個(gè)單身MPDU，如果在沒有錯(cuò)誤時(shí)MPDU已經(jīng)收到接收器，在SIFS時(shí)間后接收方以ACK框架來確認(rèn)。

表1服務(wù)質(zhì)量領(lǐng)域的確認(rèn)政策的子分區(qū)領(lǐng)域

圖1增加的MAC幀

如果被毀壞的MPDU那就是缺乏預(yù)期ACK框架（等待超過SIFS發(fā)射機(jī)），并指明了傳送器傳送時(shí)發(fā)生了一個(gè)錯(cuò)誤。注意，接收者可能已經(jīng)收到了正確的框架，這種錯(cuò)誤在ACK幀的接收時(shí)可能已經(jīng)被丟掉。然而，對(duì)于變送器幀的交流，這種情況發(fā)生在與一個(gè)初的錯(cuò)誤忽視框架是不能辨別的（圖2）。

圖2802.11和802.11eMAC協(xié)議中的停止等待自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求機(jī)制

在被毀壞的MPDU后發(fā)射機(jī)在發(fā)射MPDU遵循了同樣的程序。同樣的MPDU的失敗傳輸增加關(guān)聯(lián)MPDU的重試限制，這種關(guān)聯(lián)MPDU是當(dāng)MPDU成功地傳送時(shí)的MPDU重置。如果重試限制達(dá)成共識(shí)，MPDU會(huì)被丟棄的，并且它的損失被報(bào)道放到新層中協(xié)議。在802.11aMAC協(xié)議，終端有兩個(gè)重試計(jì)數(shù)，短重試次數(shù)和長(zhǎng)重試次數(shù)。

根據(jù)幀的長(zhǎng)度，MPDU框架要么是短或長(zhǎng)的重試計(jì)數(shù)器。的確，比RTS閾值短的幀就會(huì)被認(rèn)為是短幀，而幀超過了閾值被認(rèn)為是長(zhǎng)幀。當(dāng)一個(gè)幀傳輸失敗時(shí)，幀的重試計(jì)數(shù)開始于在0和1。短重試次數(shù)復(fù)位到0時(shí)：CTS幀是接受傳送RTS的回應(yīng)。在無碎片傳輸之后，一個(gè)MAC-layer確認(rèn)則被收到。多而復(fù)雜的幀被接受。

長(zhǎng)包重試次數(shù)復(fù)位到0時(shí)：

一個(gè)MAC-layer確認(rèn)被收到得來的一個(gè)比RTS閾值長(zhǎng)的幀。

多而復(fù)雜的幀被接受。

短包重試計(jì)數(shù)器和長(zhǎng)包重試計(jì)數(shù)器在標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)無碎片或有碎片輸出的802.11e中分別在裁判詳細(xì)描述。

2.2用作GBN與滑動(dòng)窗口協(xié)議的縱發(fā)確認(rèn)

在GBN中有滑動(dòng)窗口協(xié)議ARQ方案，這發(fā)射機(jī)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包卻保持著一份一個(gè)緩沖區(qū)，這就叫做傳輸窗口。這幾個(gè)數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)或窗口，數(shù)量是N它等于在一個(gè)往返時(shí)間送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量。如果被毀壞的MPDU到達(dá)了接收機(jī)（假定它有一個(gè)序列號(hào)i），這接收器廢棄MPDU和MPDUS序列號(hào)，i+1，i+2,…N。后來，它通知接收器直到那時(shí)MPDUs序列號(hào)收到成功。然后，發(fā)射機(jī)形成新的由丟棄的MPDUS序列號(hào)i,i+1,i+2,…N,再加上一些i-1新的序列號(hào)所組成的NMPDUs窗口（圖3）。

圖3具有滑動(dòng)窗口（窗口尺寸=5）的GBNARQ協(xié)議方案的原理圖

標(biāo)準(zhǔn)802.11e的BurstAck機(jī)制被利用作為一個(gè)有滑動(dòng)窗口協(xié)議的GBNARQ方案，且遵循RTS/CTS協(xié)議的幀交換技術(shù)（圖4）作為停止等待協(xié)議。然而，標(biāo)準(zhǔn)802.11e數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瓿捎腥齻€(gè)時(shí)期：

（a）啟動(dòng)階段

（b）數(shù)據(jù)和縱發(fā)彩色同步信號(hào)載波相位階段

（c）拆除階段

啟動(dòng)階段是初始在接收方和發(fā)射方之間規(guī)定BurstAck通過請(qǐng)求（DFBARQ）和規(guī)定BurstAck通過相應(yīng)（DFBARS之間）的交換。一旦初始化是完成則數(shù)據(jù)則和破裂相位階段開始。在這一階段，發(fā)射機(jī)允許一個(gè)服務(wù)質(zhì)量的MPDUs破裂（窗口N）傳送被在SIFS時(shí)間內(nèi)分隔開。當(dāng)發(fā)射機(jī)希望得到已發(fā)MPDUs的確認(rèn)，它都傳達(dá)了BurstAck請(qǐng)求（BARQ）和等待BurstAck相應(yīng)（BACK）。

存在兩種類型的BurstAck機(jī)制：（a）立即（低延遲流量也在本文采用），（b）延遲（中等延遲流量）。拆除階段的定義了傳輸結(jié)束，這是可以做到使用刪除Burstack請(qǐng)求（DLBARQ）和ACK幀的的傳輸交換。

圖4縱發(fā)確認(rèn)機(jī)制

接收器拋棄個(gè)被毀壞的MPDU和接下來的縱發(fā)邊沿MPDUs。接收器發(fā)送BurstAck相應(yīng)（BACK）幀通知發(fā)射機(jī)：在接下來的縱發(fā)邊沿期間已經(jīng)成功接待過MPDU和被毀壞的MPDUs連同新的改變（形成窗口N）。如果重試極限與特定的MPDU或者縱發(fā)邊沿達(dá)成共識(shí)，特定的MPDU或者縱發(fā)邊沿會(huì)被丟棄的，并且它的損失被報(bào)道放到更高層中協(xié)議。更確切地說，在標(biāo)準(zhǔn)802.11eMAC協(xié)議中每一個(gè)服務(wù)質(zhì)量終端（QSTA）都保持短重試計(jì)數(shù)器和一長(zhǎng)的重試計(jì)數(shù)器，這是因?yàn)闉閷儆谛枰J(rèn)可流量目錄（TC）每一個(gè)MAC服務(wù)的數(shù)據(jù)單元（MSDU）或MAC管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MMPDU）。初短包重試計(jì)數(shù)器和長(zhǎng)包重試計(jì)數(shù)器的值必須為零。在MSDU或MAC管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MMPDU）的短包重試計(jì)數(shù)器每增加，則傳遞一個(gè)長(zhǎng)度小于或等于RTS閾值的MAC幀，而失敗于MSDU或MMPDU。有一個(gè)長(zhǎng)度小于或等于RTS閾值的MAC幀時(shí)，這短重試計(jì)數(shù)器必須重置，當(dāng)然閾值成功于MSDU或MMPDU。在MSDU或MMPDU協(xié)議的長(zhǎng)重試計(jì)數(shù)器增加在每個(gè)時(shí)間傳遞的一個(gè)長(zhǎng)度大于RTS閾值MAC的幀，失敗于MSDU或MMPDU。有一個(gè)長(zhǎng)度長(zhǎng)度大于dot11RTS閾值的MAC幀時(shí)，這長(zhǎng)重試計(jì)數(shù)器必須重置，當(dāng)然閾值成功于MSDU或MMPDU。短包重試計(jì)數(shù)器和長(zhǎng)包重試計(jì)數(shù)器在標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)無碎片或有碎片輸出的802.11e中分別在裁判，詳細(xì)描述。

3分析了紅外誤幀率考慮

考慮到附加性高斯白噪聲（AWGN）通道沒有光的干涉和忽視熱噪聲，且按照IEEE802.11紅外物理層的部分特性，紅外幀的丟幀率，可以為不同的信道衍生條件。丟幀率可以寫成：

里醫(yī)可能是SYNC,SDF,DR,LENGTH,CRC和MPDU方面（圖5）能被正確的檢測(cè)的值。前三個(gè)紅外幀領(lǐng)域使用百萬位4元/秒通斷鍵控（OOK）非返回歸零（NRZ）調(diào)制方案來進(jìn)行傳送。在其他領(lǐng)域分別使用的是百分之4或16多的脈沖位置調(diào)制相當(dāng)于2和1兆比特傳輸速率。對(duì)于這些比特誤差率（BER）是不同的兩組，然而，同樣的田地，光脈沖峰值功率被用于OOK和PPM的方案。斷鍵控（OOK）非返回歸零（NRZ）調(diào)制方案為比特誤差率（BER）信道傳輸給出如下：

是來補(bǔ)償誤差的：

而分別是其噪聲和信號(hào)在取樣瞬間的振幅。IB是當(dāng)前由于周圍的光的接受者，Tps是脈沖持續(xù)時(shí)間，PAVR是平均接受的光功率，R是光電二極管的電阻，而q是電子常數(shù)。

為L(zhǎng)-PPM信道的比特誤差率（BER）假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的閾值接收機(jī)給出如下：

圖5IEEE802.11紅外幀位

這里是能利用L-PPM調(diào)制技術(shù)傳送的的區(qū)分符號(hào)量，k是的每比特的符號(hào)的量。分別是未探測(cè)傳輸脈沖和探測(cè)到脈沖不會(huì)傳播的概率。在抽樣瞬間只要閾值水平是峰值水平的一半，那些都是相等的：

4分析802.11MAC存取延遲

D表示為：STA準(zhǔn)備好要傳送幀的時(shí)間和STA已獲得介質(zhì)并在無線介質(zhì)上成功發(fā)送（沒有沖突）的時(shí)間的兩者之間的一個(gè)延遲的時(shí)間。E[D]是如計(jì)算值的D的平均值。E[D]被闡述為：

這里E[Nc]是的事實(shí)STA沖突的平均數(shù)目，當(dāng)其幀沖突，在再遙感媒介之前，這是直到無線介質(zhì)（WM）和STA不得不等著一個(gè)代表時(shí)刻的的成功保留。E（Nc）可以寫成：

這里是隨機(jī)碰撞傳輸?shù)母怕?。在RTS/CTS協(xié)議，取決于使用存取方法而給出：

這里是兩個(gè)有序列幀傳播之間的間隔時(shí)間，是一個(gè)STA等待一個(gè)CTS響應(yīng)的長(zhǎng)時(shí)間，由于沖突傳輸而通道被傳感繁忙的間隔時(shí)間。在RTS/CTS協(xié)議下，取決于存取方法使用是：

這里TRTS是包括物理層的RTS幀傳輸所需時(shí)間，是傳播延遲時(shí)間的幀，TAIFS一種為STA感應(yīng)介質(zhì)來為了傳播或減少退回計(jì)數(shù)器的時(shí)間間隔。

平均推出延遲，是在選擇一個(gè)隨機(jī)位置后在通道繁忙的條件訪問通道前，STA不得不等待平均水平時(shí)間，下給出了E（BD]:

其中有

和

源于馬爾可夫鏈模型的Eq.（11）已在使用。E[X]是一個(gè)隨機(jī)值的平均值，對(duì)應(yīng)于k插槽達(dá)到插槽k=0需要計(jì)數(shù)器，bj,k是為槽k變到在退回階段j的概率，m是退回階段數(shù)多的量，wj是退回階段j的窗口大小。F是一個(gè)STA凍結(jié)取決于傳輸?shù)某晒τ?jì)數(shù)器的時(shí)期，E[NF]是計(jì)數(shù)器上凍結(jié)平均的次數(shù)，給出如：

這里是在傳播開始之前連續(xù)時(shí)段接口的平均數(shù)量，給出如：

Eq.（14）中的Pb是一種感應(yīng)介質(zhì)忙碌STA的概率，Eq.（12）中的Ts是當(dāng)一個(gè)成功傳播發(fā)生時(shí)介質(zhì)被STA感應(yīng)到繁忙之間的時(shí)間間隔。這個(gè)間隔取決于訪問技術(shù)的應(yīng)用和類型的確認(rèn)方案。當(dāng)RTS/CTS協(xié)議使用和SW執(zhí)行則：

當(dāng)縱發(fā)機(jī)制使用時(shí)，則有：

分別是CTS,ACK,DFBARQ,DFBARS,BARQ,BACKDLBARQ幀傳播所需的時(shí)間。TMPDU是MPDU傳播時(shí)間。為了簡(jiǎn)單起見，我們假設(shè)只有一個(gè)EDCF存取類別（AC）已被每一個(gè)STA廣泛采用，另外，相同參數(shù)結(jié)果在紅外光譜缺陷也被使用。結(jié)果E[D]的研究取決于STAs數(shù)量和MPDU數(shù)量、大小和傳輸率。

5分析停止等待ARQ協(xié)議方案

發(fā)射機(jī)傳送iMPDUs以至接收器正確接接收N的概率Pi給出如：

假設(shè)這個(gè)小幀RTS,CTS和ACK是隨機(jī)錯(cuò)誤，則這需要傳輸N來改正MPDUs的平均時(shí)間給出如下：

這里是SW方案的平均延遲E[D]。

Eq.（19）可以寫為：

6分析有滑動(dòng)窗口的GBNARQ協(xié)議方案。

我們定義的，發(fā)送器成功傳送N的概率，這區(qū)別于個(gè)創(chuàng)建窗口MPDUS,其包括使用n縱發(fā)（NMPDUs的窗口），出于個(gè)N外的iMPDUs在（第n次）窗口期間被傳播。由于在每一個(gè)窗口都有錯(cuò)誤的MPDUs在另一窗口被接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器所丟棄，但也不影響分析。當(dāng)縱發(fā)確認(rèn)用于具有滑動(dòng)窗口的GBNARQ協(xié)議方案時(shí)，作為結(jié)果可用于簡(jiǎn)單的組合計(jì)算概率Pn,i:

假設(shè)所有縱發(fā)確認(rèn)機(jī)制參與的幀MPDU,除了MPDU幀是隨機(jī)錯(cuò)誤傳送，這是需要正確的傳輸N給MPDUs的平均時(shí)間如：

Eq（23）的結(jié)果可以有下面的近似形式：

在這里，是為縱發(fā)確認(rèn)方案的平均延時(shí)E[D]和是傳輸?shù)钠鹗茧A段成功傳輸所需要的時(shí)間：

TTD結(jié)束階段所介紹的總量：

TW是由于實(shí)體層而全部介紹的，對(duì)于N數(shù)據(jù)包的窗口以及N數(shù)據(jù)包的傳送的時(shí)間，MAC層和SIFS持續(xù)的時(shí)間：

表2MIB和系統(tǒng)參數(shù)

表3用于BurstAck和SW方案的幀

7結(jié)果

我們假設(shè)MPDU的大小是512個(gè)字節(jié)，通斷鍵控（OOK）傳輸比特率為4Mbps和MPDU的PPM傳輸比特率為1Mbps。由于多路影響，后者夠低以至于忽視ISI的影響。我們用可忽視的前端的噪音的簡(jiǎn)單的PPM閾值接收器。因此，接收器生產(chǎn)的噪音在由周圍環(huán)境光中是主要占主導(dǎo)地位的。另外，本文所提出的信噪比的當(dāng)前值指?jìng)鬏敿t外脈搏電氣檢測(cè)前的信噪比。所有的正在討論的參數(shù)中顯示在系統(tǒng)表2和3。我們使用下列性能因素：

圖6n=10時(shí)U與N性能因素的對(duì)應(yīng)

圖7n=20時(shí)U與N性能因素的對(duì)應(yīng)

和統(tǒng)一相比因素U越少，GBN的性能相比SW是更好。在圖6、7，因素U性能相比窗口尺寸N的大小n=10或20所分別劃分為PE。當(dāng)，N增加，則GBN性能更好。在范圍，U是沒有顯著影響，但在范圍這不是真實(shí)的。當(dāng)在這些件下，GBN因?yàn)椴豢赡艹浞掷肎BN的較大的n（n=20）而下降是更明顯。

一般來說，當(dāng)N的值相對(duì)較高和不是非常高，相比于SW則GBN效率提高。然而，當(dāng)n增加，較大的窗口都必須是使用以至于為相同的達(dá)到相同的表現(xiàn)。

圖8N=20時(shí)U與N性能因素的對(duì)應(yīng)

在N=20和50，圖8-9顯示因素U的性能和STAs的數(shù)量之間的關(guān)系。U幾乎隨n近似線性增加。當(dāng)PE的范圍，U的PE影響是可以忽略不計(jì)的。然而，因?yàn)榈闹祫tGBN的快速降解被觀察。在圖8N變更變小E（N=20），這影響變得更大。當(dāng)因而N=20和n20或因而n23時(shí)，具觀察到GBN的效率比SW好，同時(shí)當(dāng)N=50時(shí)在圖9中GBN的效率比SW好。

圖9N=50時(shí)U與N性能因素的對(duì)應(yīng)

為N=20和50時(shí)，圖10、11顯示因素U在丟幀率的的依賴關(guān)系。每個(gè)曲線對(duì)應(yīng)一個(gè)不同n。在每段曲線可分為兩