無線局域網ＤＣＦ性能分析與仿真

摘 要：主要分析了在無線局域網中應用比較廣泛的MAC協議DCF(分布式協調功能)協議的性能。從DCF的基本接入模式和RTS/CTS模式出發，分析了不同的節點數下分別在低速、中速、高速下兩種接入模式吞吐量和延時方面的比較。通過仿真驗證了低速狀態下RTS/CTS在大多數情況下比基本接入模式無論在吞吐量和延時方面都更加有效，而且節點數越多的時候，情況越明顯。而在高速狀態下，基本接入模式要比RTS/CTS方式有效。

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關鍵詞：無線局域網；分布式協調功能;吞吐量;延時

中圖分類號：TN915 文獻標識碼：B

文章編號：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

隨著網絡技術的發展，無線局域網越來越多地應用于實際工作和生活中。802.11協議組于1997年提出了802.11的物理層和MAC層的協議規范^[1]，大大推動了無線局域網的應用和發展。

協議所定義的MAC層的協議中主要有DCF(分布式協調功能)和PCF(點協調功能)協議。DCF是基于CSMA/CA的隨機競爭接入方式，而PCF是集中式接入方式，主要應用在基礎架構網中。由于PCF是可選機制，而且在實際應用中較少采用，所以本文主要討論的是DCF的性能分析。

傳統的觀點認為RTS/CTS無論是在吞吐量和延時方面都普遍優于基本接入方式，那是因為對傳輸速率的要求普遍不高，一般為1～2 Mb/s?？墒请S著多媒體流技術的發展，現在對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、高速等幾個方面來比較這兩種接入機制的性能，為以后在不同的速率要求下應用DCF接入方式提供參考，也為以后的自適應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協議，主要針對于競爭模式，他是一種異步數據傳輸方式，主要應用在自組織網絡中。該協議以CSMA/CA為基準，采用沖突避免的策略來降低網絡中的數據沖突率。

DCF的基本原理是：節點發送數據前，首先偵聽信道，如果信道空閑且時間超過DIFS，則節點發送數據幀；如果信道忙，則計算一個隨機的退避時間，啟動退避計數器，一直等到信道空閑且空閑時間超過DIFS，退避時鐘計數器按時隙為單位減少；信道忙時則掛起，直到信道重新空閑且空閑時間超過DIFS后才恢復遞減。當退避時鐘計數器減為零后，如果信道空閑時間超過DIFS，節點則發送數據幀，否則重新啟動退避計數器。當節點發送數據失敗后，競爭窗口值加倍。

DCF有兩種模式:一是基本接入模式，即當偵聽信道空閑且空閑時間超過DIFS后，直接發送數據，等待對方發送ACK信號，以便發送下一幀;二是RTS/CTS模式，即當偵聽信道空閑且空閑時間超過DIFS后，不直接發送數據，而先發送一個很短的RTS控制幀來預留信道，接收方通過向發送方反饋CTS幀確認收到正確信息。發送方收到CTS幀后才開始發送數據幀，等待對方發送ACK信號，以便發送下一幀。由于在RTS/CTS模式下只有RTS幀會發生碰撞，通常情況下，RTS控制幀都比較短，所以能有效地減少碰撞時間，提高系統的性能。

3 理論分析

本文所依據的模型是G.binici^[2]所提出的二維Markov模型，從二維Markov過程入手分析系統的性能?？芍獅s(t)，b(t)}為一個二維Markov過程。其中s(t)是表示節點在時間t時所處退避階段(0，1，…，m)的隨機過程，b(t)表示退避計數器所處時隙的隨機過程。

本文借助G.Binici文中所述，本節中的推導都基于以下的假設：

信道為理想信道，可知沖突是數據傳輸失敗的惟一原因;

系統始終處于飽和狀態即每個站點要發送數據隊列始終不為空;

發送的數據包發生碰撞的概率恒定且相互獨立;

重傳次數沒有限制，直到重傳成功。

3.2 延時分析

本文引用了在文獻\\[3\\]中所提到的延遲分析方法，不同的是，文獻\\[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，傳輸發生錯誤只可能是發生了沖突。

單個節點的平均延時是指退避程序啟動直到幀的成功傳輸所經歷的平均時間間隔。在每一個退避階段i，退避時間的平均值為(Wi－1)/2，其中Wi為在退避階段i時的窗口大小。

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，而且隨著節點數的增多，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，而且隨著節點數的增多，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，隨著節點數的增多，兩者之間的延遲差并沒有發生太大的變化。

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。而且隨著節點數的增多，兩者之間的延遲差距越來越大。從這3個圖中都可以看出，延遲幾乎與站點數呈線性增長關系。

5 結 語

由仿真驗證可知，RTS/CTS模式下DCF在低速數據傳輸中無論是吞吐量還是延遲都比基本接入模式下好，尤其是在節點數增多的情況下。在高速傳輸時情況恰恰相反，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，在節點數不是很多的時候，基本接入方式的吞吐量要高于RTS/CTS方式，但是在節點數增多的時候，基本接入方式的吞吐量會大大降低，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，延遲與站點數的多少基本上成線性增長關系。在低速、高速的情況下，兩種接入方式的延遲差隨著節點數的增多而增大，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。

造成這種現象的主要原因是由于基本接入方式和RTS/CTS方式的本身機理不同，由于RTS/CTS多了RTS幀和CTS幀交互的一個過程，一方面就是通過RTS幀和CTS幀的交互，能夠預先預留信道，這樣能有效地降低碰撞概率和碰撞時間，這就是為什么在低速的情況下RTS/CTS的性能普遍優于基本方式的原因。但是另一方面由于RTS/CTS方式將大量的時間都消耗在RTS幀和CTS幀的交互上了，真正傳輸數據的時間并不是很長。在802.11中，RTS，CTS幀是以恒定的速率1 Mb/s來傳輸的，所以特別是在高速的情況下，花在傳輸RTS，CTS幀上的時間遠遠大于傳輸數據的時間，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，根據不同的速率自適應調整接入方式，提供了研究的基礎和參考。

參 考 文 獻

［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].應用科學學報，2006，24(2):165-170.

［6］李豐，王秋光.無線局域網MAC層DCF方式的仿真研究[J].哈爾濱理工大學學報，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。近期進行Ad Hoc信道接入協議方面課題的研究。

胡建平 男，1963年出生，四川省漢源人，研究員級高級工程師。主要從事衛星測控、寬帶數據傳輸系統的研究工作。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”