摘 要：主要分析了在無線局域網(wǎng)中應(yīng)用比較廣泛的MAC協(xié)議DCF(分布式協(xié)調(diào)功能)協(xié)議的性能。從DCF的基本接入模式和RTS/CTS模式出發(fā)，分析了不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)下分別在低速、中速、高速下兩種接入模式吞吐量和延時(shí)方面的比較。通過仿真驗(yàn)證了低速狀態(tài)下RTS/CTS在大多數(shù)情況下比基本接入模式無論在吞吐量和延時(shí)方面都更加有效，而且節(jié)點(diǎn)數(shù)越多的時(shí)候，情況越明顯。而在高速狀態(tài)下，基本接入模式要比RTS/CTS方式有效。

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關(guān)鍵詞：無線局域網(wǎng)；分布式協(xié)調(diào)功能;吞吐量;延時(shí)

中圖分類號(hào)：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0101303

Performance Analysis and Simulation of DCF in WLAN

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BAI Ke1，HU Jianping2

(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)

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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.

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Keywords：WLAN;DCF;throughput;delay

1 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線局域網(wǎng)越來越多地應(yīng)用于實(shí)際工作和生活中。802.11協(xié)議組于1997年提出了802.11的物理層和MAC層的協(xié)議規(guī)范^[1]，大大推動(dòng)了無線局域網(wǎng)的應(yīng)用和發(fā)展。

協(xié)議所定義的MAC層的協(xié)議中主要有DCF(分布式協(xié)調(diào)功能)和PCF(點(diǎn)協(xié)調(diào)功能)協(xié)議。DCF是基于CSMA/CA的隨機(jī)競爭接入方式，而PCF是集中式接入方式，主要應(yīng)用在基礎(chǔ)架構(gòu)網(wǎng)中。由于PCF是可選機(jī)制，而且在實(shí)際應(yīng)用中較少采用，所以本文主要討論的是DCF的性能分析。

傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為RTS/CTS無論是在吞吐量和延時(shí)方面都普遍優(yōu)于基本接入方式，那是因?yàn)閷?duì)傳輸速率的要求普遍不高，一般為1～2 Mb/s。可是隨著多媒體流技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在對(duì)傳輸速率的要求越來越高，所以在高速率的情況下，分析RTS/CTS和基本接入方式在吞吐量和延時(shí)方面的性能就顯得尤為重要。

本文正是從低速、中速、高速等幾個(gè)方面來比較這兩種接入機(jī)制的性能，為以后在不同的速率要求下應(yīng)用DCF接入方式提供參考，也為以后的自適應(yīng)選擇接入方式研究提供參考。

2 DCF原理分析

DCF是802.11中定義的MAC協(xié)議，主要針對(duì)于競爭模式，他是一種異步數(shù)據(jù)傳輸方式，主要應(yīng)用在自組織網(wǎng)絡(luò)中。該協(xié)議以CSMA/CA為基準(zhǔn)，采用沖突避免的策略來降低網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)沖突率。

DCF的基本原理是：節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先偵聽信道，如果信道空閑且時(shí)間超過DIFS，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀；如果信道忙，則計(jì)算一個(gè)隨機(jī)的退避時(shí)間，啟動(dòng)退避計(jì)數(shù)器，一直等到信道空閑且空閑時(shí)間超過DIFS，退避時(shí)鐘計(jì)數(shù)器按時(shí)隙為單位減少；信道忙時(shí)則掛起，直到信道重新空閑且空閑時(shí)間超過DIFS后才恢復(fù)遞減。當(dāng)退避時(shí)鐘計(jì)數(shù)器減為零后，如果信道空閑時(shí)間超過DIFS，節(jié)點(diǎn)則發(fā)送數(shù)據(jù)幀，否則重新啟動(dòng)退避計(jì)數(shù)器。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗后，競爭窗口值加倍。

DCF有兩種模式:一是基本接入模式，即當(dāng)偵聽信道空閑且空閑時(shí)間超過DIFS后，直接發(fā)送數(shù)據(jù)，等待對(duì)方發(fā)送ACK信號(hào)，以便發(fā)送下一幀;二是RTS/CTS模式，即當(dāng)偵聽信道空閑且空閑時(shí)間超過DIFS后，不直接發(fā)送數(shù)據(jù)，而先發(fā)送一個(gè)很短的RTS控制幀來預(yù)留信道，接收方通過向發(fā)送方反饋CTS幀確認(rèn)收到正確信息。發(fā)送方收到CTS幀后才開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，等待對(duì)方發(fā)送ACK信號(hào)，以便發(fā)送下一幀。由于在RTS/CTS模式下只有RTS幀會(huì)發(fā)生碰撞，通常情況下，RTS控制幀都比較短，所以能有效地減少碰撞時(shí)間，提高系統(tǒng)的性能。

3 理論分析

本文所依據(jù)的模型是G.binici^[2]所提出的二維Markov模型，從二維Markov過程入手分析系統(tǒng)的性能?？芍獅s(t)，b(t)}為一個(gè)二維Markov過程。其中s(t)是表示節(jié)點(diǎn)在時(shí)間t時(shí)所處退避階段(0，1，…，m)的隨機(jī)過程，b(t)表示退避計(jì)數(shù)器所處時(shí)隙的隨機(jī)過程。

本文借助G.Binici文中所述，本節(jié)中的推導(dǎo)都基于以下的假設(shè)：

信道為理想信道，可知沖突是數(shù)據(jù)傳輸失敗的惟一原因;

系統(tǒng)始終處于飽和狀態(tài)即每個(gè)站點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)隊(duì)列始終不為空;

發(fā)送的數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的概率恒定且相互獨(dú)立;

重傳次數(shù)沒有限制，直到重傳成功。

3.2 延時(shí)分析

本文引用了在文獻(xiàn)\\[3\\]中所提到的延遲分析方法，不同的是，文獻(xiàn)\\[3\\]中分析的是在衰落信道中的延遲分析，為了簡化起見，本文將其衰落信道分析改為了在理想信道中分析，傳輸發(fā)生錯(cuò)誤只可能是發(fā)生了沖突。

單個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均延時(shí)是指退避程序啟動(dòng)直到幀的成功傳輸所經(jīng)歷的平均時(shí)間間隔。在每一個(gè)退避階段i，退避時(shí)間的平均值為(Wi－1)/2，其中Wi為在退避階段i時(shí)的窗口大小。

在圖3中，傳輸速率為50 Mb/s，基本接入模式下的吞吐量要明顯高于RTS/CTS方式，而且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，兩種模式下的吞吐量幾乎保持恒定。

圖4中，傳輸速率為1 Mb/s，RTS/CTS方式下的延遲要比基本接入方式下小，而且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，兩者的延遲之間的差距越來越大。

在圖5中，傳輸速率為5 Mb/s，基本接入方式下的延遲要比RTS/CTS模式下小一些，但是，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，兩者之間的延遲差并沒有發(fā)生太大的變化。

在圖6中，傳輸速率為50 Mb/s，基本模式下的延遲要小于RTS/CTS模式。而且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，兩者之間的延遲差距越來越大。從這3個(gè)圖中都可以看出，延遲幾乎與站點(diǎn)數(shù)呈線性增長關(guān)系。

5 結(jié) 語

由仿真驗(yàn)證可知，RTS/CTS模式下DCF在低速數(shù)據(jù)傳輸中無論是吞吐量還是延遲都比基本接入模式下好，尤其是在節(jié)點(diǎn)數(shù)增多的情況下。在高速傳輸時(shí)情況恰恰相反，基本接入模式的吞吐量和延遲性能比較好。而在中速的情況下，在節(jié)點(diǎn)數(shù)不是很多的時(shí)候，基本接入方式的吞吐量要高于RTS/CTS方式，但是在節(jié)點(diǎn)數(shù)增多的時(shí)候，基本接入方式的吞吐量會(huì)大大降低，從而使得RTS/CTS方式的吞吐量大于基本接入方式。從總體上看，延遲與站點(diǎn)數(shù)的多少基本上成線性增長關(guān)系。在低速、高速的情況下，兩種接入方式的延遲差隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而增大，但在中速情況下，這種趨勢并不明顯，兩者的延遲差基本不變。

造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于基本接入方式和RTS/CTS方式的本身機(jī)理不同，由于RTS/CTS多了RTS幀和CTS幀交互的一個(gè)過程，一方面就是通過RTS幀和CTS幀的交互，能夠預(yù)先預(yù)留信道，這樣能有效地降低碰撞概率和碰撞時(shí)間，這就是為什么在低速的情況下RTS/CTS的性能普遍優(yōu)于基本方式的原因。但是另一方面由于RTS/CTS方式將大量的時(shí)間都消耗在RTS幀和CTS幀的交互上了，真正傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間并不是很長。在802.11中，RTS，CTS幀是以恒定的速率1 Mb/s來傳輸?shù)?，所以特別是在高速的情況下，花在傳輸RTS，CTS幀上的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間，效率非常低，所以在傳輸速率比較高的情況下，RTS/CTS的性能反而不如基本模式。本文為下一步的研究，根據(jù)不同的速率自適應(yīng)調(diào)整接入方式，提供了研究的基礎(chǔ)和參考。

參 考 文 獻(xiàn)

［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］陳羽中，楊丙卿，開彩虹，等.IEEE802.11a WLAN中DCF性能分析[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，24(2):165-170.

［6］李豐，王秋光.無線局域網(wǎng)MAC層DCF方式的仿真研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，11(5):1-3.

作者簡介 白 科 男，1982年出生，四川省成都人，碩士研究生。近期進(jìn)行Ad Hoc信道接入?yún)f(xié)議方面課題的研究。

胡建平 男，1963年出生，四川省漢源人，研究員級(jí)高級(jí)工程師。主要從事衛(wèi)星測控、寬帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究工作。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>