无线局域网DCF性能分析与仿真

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摘 要：主要分析了在无线局域网中应用比较广泛的MAC协议dcf(分布式协调功能)协议的性能。从DCF的基本接入模式和RTS/CTS模式出发，分析了不同的节点数下分别在低速、中速、高速下两种接入模式吞吐量和延时方面的比较。通过仿真验证了低速状态下RTS/CTS在大多数情况下比基本接入模式无论在吞吐量和延时方面都更加有效，而且节点数越多的时候，情况越明显。而在高速状态下，基本接入模式要比RTS/CTS方式有效。

关键词：无线局域网；分布式协调功能;吞吐量;延时

中图分类号：TN915 文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)0101303オ

Performance Analysis and Simulation of DCF in WLAN

BAI Ke1,HU Jianping2

(1.Department of Electronic Engineering,University of Electronic Science & Technology of China,Chengdu,610054,China;

2.No.10th Research Institute,China Electronic Science & Technology Group Corporation,Chengdu,610036,China)

オ

Abstract：Performance analysis of DCF protocol,which is a kind of MAC protocol that has been widely used in 802.11,is introduced in this paper.The throughput and delay performance comparison in basic mode and RTS/CTS mode of DCF access mechanisms,have been given in low speed,mid speed and high speed WLAN.Finally,the simulation has validated that the RTS/CTS mechanism is more effective than basic mechanism in low speed WLAN,especially more nodes.But in high speed WLAN,the basic mechanism is more effective than RTS/CTS mechanism.

Keywords：WLAN;DCF;throughput;delay

1 引 言

随着网络技术的发展，无线局域网越来越多地应用于实际工作和生活中。802.11协议组于1997年提出了802.11的物理层和MAC层的协议规范[1]，大大推动了无线局域网的应用和发展。

协议所定义的MAC层的协议中主要有DCF(分布式协调功能)和PCF(点协调功能)协议。DCF是基于CSMA/CA的随机竞争接入方式，而PCF是集中式接入方式，主要应用在基础架构网中。由于PCF是可选机制，而且在实际应用中较少采用，所以本文主要讨论的是DCF的性能分析。

传统的观点认为RTS/CTS无论是在吞吐量和延时方面都普遍优于基本接入方式，那是因为对传输速率的要求普遍不高，一般为1～2 Mb/s。可是随着多媒体流技术的发展，现在对传输速率的要求越来越高，所以在高速率的情况下，分析RTS/CTS和基本接入方式在吞吐量和延时方面的性能就显得尤为重要。

本文正是从低速、中速、高速等几个方面来比较这两种接入机制的性能，为以后在不同的速率要求下应用DCF接入方式提供参考，也为以后的自适应选择接入方式研究提供参考。

2 DCF原理分析

DCF是802.11中定义的MAC协议，主要针对于竞争模式，他是一种异步数据传输方式，主要应用在自组织网络中。该协议以CSMA/CA为基准，采用冲突避免的策略来降低网络中的数据冲突率。

DCF的基本原理是：节点发送数据前，首先侦听信道，如果信道空闲且时间超过DIFS，则节点发送数据帧；如果信道忙，则计算一个随机的退避时间，启动退避计数器，一直等到信道空闲且空闲时间超过DIFS，退避时钟计数器按时隙为单位减少；信道忙时则挂起，直到信道重新空闲且空闲时间超过DIFS后才恢复递减。当退避时钟计数器减为零后，如果信道空闲时间超过DIFS，节点则发送数据帧，否则重新启动退避计数器。当节点发送数据失败后，竞争窗口值加倍。

DCF有两种模式:一是基本接入模式，即当侦听信道空闲且空闲时间超过DIFS后，直接发送数据，等待对方发送ACK信号，以便发送下一帧;二是RTS/CTS模式，即当侦听信道空闲且空闲时间超过DIFS后，不直接发送数据，而先发送一个很短的RTS控制帧来预留信道，接收方通过向发送方反馈CTS帧确认收到正确信息。发送方收到CTS帧后才开始发送数据帧，等待对方发送ACK信号，以便发送下一帧。由于在RTS/CTS模式下只有RTS帧会发生碰撞，通常情况下，RTS控制帧都比较短，所以能有效地减少碰撞时间，提高系统的性能。

3 理论分析

本文所依据的模型是G.binici[2]所提出的二维Markov模型，从二维Markov过程入手分析系统的性能。可知{s(t)，b(t)}为一个二维Markov过程。其中s(t)是表示节点在时间t时所处退避阶段(0,1,…,m)的随机过程，b(t)表示退避计数器所处时隙的随机过程。

本文借助G.Binici文中所述，本节中的推导都基于以下的假设：

信道为理想信道，可知冲突是数据传输失败的惟一原因;

系统始终处于饱和状态即每个站点要发送数据队列始终不为空;

发送的数据包发生碰撞的概率恒定且相互独立;

重传次数没有限制，直到重传成功。

3.2 延时分析

本文引用了在文献\[3\]中所提到的延迟分析方法，不同的是，文献\[3\]中分析的是在衰落信道中的延迟分析，为了简化起见，本文将其衰落信道分析改为了在理想信道中分析，传输发生错误只可能是发生了冲突。

单个节点的平均延时是指退避程序启动直到帧的成功传输所经历的平均时间间隔。在每一个退避阶段i,退避时间的平均值为(Wi－1)/2，其中Wi为在退避阶段i时的窗口大小。

在图3中，传输速率为50 Mb/s，基本接入模式下的吞吐量要明显高于RTS/CTS方式，而且随着节点数的增多，两种模式下的吞吐量几乎保持恒定。

图4中，传输速率为1 Mb/s，RTS/CTS方式下的延迟要比基本接入方式下小，而且随着节点数的增多，两者的延迟之间的差距越来越大。

在图5中，传输速率为5 Mb/s，基本接入方式下的延迟要比RTS/CTS模式下小一些，但是，随着节点数的增多，两者之间的延迟差并没有发生太大的变化。

在图6中，传输速率为50 Mb/s，基本模式下的延迟要小于RTS/CTS模式。而且随着节点数的增多，两者之间的延迟差距越来越大。从这3个图中都可以看出，延迟几乎与站点数呈线性增长关系。

5 结 语

由仿真验证可知，RTS/CTS模式下DCF在低速数据传输中无论是吞吐量还是延迟都比基本接入模式下好，尤其是在节点数增多的情况下。在高速传输时情况恰恰相反，基本接入模式的吞吐量和延迟性能比较好。而在中速的情况下，在节点数不是很多的时候，基本接入方式的吞吐量要高于RTS/CTS方式，但是在节点数增多的时候，基本接入方式的吞吐量会大大降低，从而使得RTS/CTS方式的吞吐量大于基本接入方式。从总体上看，延迟与站点数的多少基本上成线性增长关系。在低速、高速的情况下，两种接入方式的延迟差随着节点数的增多而增大，但在中速情况下，这种趋势并不明显，两者的延迟差基本不变。

造成这种现象的主要原因是由于基本接入方式和RTS/CTS方式的本身机理不同，由于RTS/CTS多了RTS帧和CTS帧交互的一个过程，一方面就是通过RTS帧和CTS帧的交互，能够预先预留信道，这样能有效地降低碰撞概率和碰撞时间，这就是为什么在低速的情况下RTS/CTS的性能普遍优于基本方式的原因。但是另一方面由于RTS/CTS方式将大量的时间都消耗在RTS帧和CTS帧的交互上了，真正传输数据的时间并不是很长。在802.11中，RTS,CTS帧是以恒定的速率1 Mb/s来传输的，所以特别是在高速的情况下，花在传输RTS,CTS帧上的时间远远大于传输数据的时间，效率非常低，所以在传输速率比较高的情况下，RTS/CTS的性能反而不如基本模式。本文为下一步的研究，根据不同的速率自适应调整接入方式，提供了研究的基础和参考。

参 考 文 献

［1］IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications,Nov.1997.P802.11

［2］Bianchi G.Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2000,18(3).

［3］Hadzi-Velkov Z.Saturation Throughput-delay Analysis of IEEE802.11 DCF in Fading Channel[A].ICC′03[C].2003,1:121-126.

［4］Chatzimisios P.IEEE 802.11 Packet Delay-A Finite Retry Limit Analysis.Globecom,2003:950-954.

［5］陈羽中,杨丙卿,开彩虹,等.IEEE802.11a WLAN中DCF性能分析[J].应用科学学报，2006,24(2):165-170.

［6］李丰,王秋光.无线局域网MAC层DCF方式的仿真研究[J].哈尔滨理工大学学报,2006,11(5):1-3.

作者简介 白 科 男，1982年出生，四川省成都人，硕士研究生。近期进行Ad Hoc信道接入协议方面课题的研究。

胡建平 男，1963年出生，四川省汉源人，研究员级高级工程师。主要从事卫星测控、宽带数据传输系统的研究工作。

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