无线局域网mac机制分析极其改进资料.ppt

IEEE 802.11 MAC机制性能分析及其改进 内容 1.无线局域网简介 2.IEEE 802.11协议简介 2.1 网络结构 2.2 物理层协议 2.3 MAC层协议 3.MAC层接入性能分析 3.1 基本模型 3.2 RTS/CTS接入方式和误码率的修正 3.3 站点接入概率的估算 3.4 分析结论 4.对MAC接入机制的一些改进 4.1 基本思路 4.2 进一步改进 内容 4.3 仿真及其结论 4.4 不足与努力方向 5 参考文献 6 致谢 1.无线局域网简介 ● 产生时间 20世纪90年代 ● 基本特点 无线互联 无线 – 有线互联 支持速率高 （54Mbps） 使用开放频段 （ISM） 应用范围广泛 （现场设备、会展、办公、仓储等） ● 同有线局域网的比较 摆脱了电缆的束缚，增强系统灵活性 网络拓扑结构多变 组网方便，安装、管理方便 ● 采用的关键技术 扩频通信技术 CSMA/CA接入机制 WEP加密方法 2.IEEE 802.11协议简介 1997年11月 正式发布 内容包括 无线局域网的工作频段、无线局域网的拓扑结构、物理层标准 、介质访问子层（MAC）标准、安全性、漫游等特性。

2.1 网络结构 BSS 基本业务集 ESS 扩展业务集 DS 分布式系统 AP 接入点 Protal 2.2 物理层协议 I. 3种传输标准 · 2 4 . GH z ISM波段的跳频（FHSS） · 2 4 . GH z ISM波段的直扩（DSSS） · 红外 II.基本特点 · 调制方式 DBPSK 1M，DQPSK 2M，CCK 5.5M 11M，OFDM 54M ·发射功率 美国: 1W，欧洲: 100mW，日本: 10mW/MHz ·数据包大小 ≤2048字节 ·前导码 144符号 2.2 物理层协议 ·接收灵敏度 -80dBm ·工作方式 包突发方式 III.子层次结构 ·物理层管理子层（PLME）： 提供物理层的管理功能，同MAC层的管理功能相连接 ·物理层会聚过程子层（PLCP）： 规定了如何将 802.11MAC 层协议数据映射为合适的物理帧格式用 于收发用户数据和管理信息 ·物理媒介依赖子层（PMD）： 直接面向无线媒质进行帧传输所需的调制和解调 2.3 MAC层协议 1. 接入机制 分布式协调功能DCF ： 异步，竞争性，CSMA/CA 基本接入方式（Data/ACK） ·二进制指数竞争窗口， ·信道监测采用虚拟载波侦听（NAV）+物理载波检测 2.3 MAC层协议 RTS/CTS方式 较基本接入方式的优点： ·解决隐藏站点问题 ·在传输长帧时提高网络性能 两种接入方式可以同时使用：RTS_Threshold参数 2.3 MAC层协议 点协调功能PCF ：轮询，无竞争 轮询期（CFP）的开始， Beacon 帧，所有站点重置NAV AP轮询过程：Data/Data+Poll Data/Data+Poll …… CF_end 站点应答过程： Data/ACK Data/ACK PCF方式可以与DCF方式并存，本文的分析以DCF方式为主 2.3 MAC层协议 2. MAC帧结构 控制字段: 时间字段：指示帧的长度 地址字段：可以包括 BSSID，源地址，目的地址，发送站地址，接收站地址 序号字段：指示帧分割时的序号 数据： 校验：CRC 校验结果 2.3 MAC层协议 3. 认证与加密 开放系统认证 （Open System Authentication ） 共享密匙认证 （Shared Key Authentication ） WEP加密技术 64位或128位初始向量（IV） 互斥运算 缺点: WEP技术是不完善的（Nikita Borisov，[10]），通过收集足够 数目的数据包完全可以推算出IV。

发展趋势：Wireless LAN + VPN, TKIP, AES 3.MAC层接入性能分析 以 Frederico Cali, Marco Conti在文献[2]中提出的基于竞争窗口的方法为主， 在站点接入概率方面参考了Giuseppe Bianchi 的分析方法[8]同时，我提出 了RTS/CTS接入方式和信道误码率在这种模型中的修正方法，重新进行了分 析 3.1 基本模型 存在着M个主机，假设数据帧的长度m是服从指数为q的几何分布 则平均帧时延 t = E[C] + E[S]，有效流量 3.1 基本模型 DCF方式下采用的CSMA/CA接入机制是一种p坚持CSMA机制[4]因此，一 旦获得站点的接入概率p，就可以得到E[C]和E[S]的结果 在纯的RTS/CTS接入方式下 在纯Data/ACK方式下 在冲突期内，一共经历了 次冲突，对其中的第i 次冲突，以 表示第i 次 冲突数据帧长度，以 表示第i 次退避时间长度，则 根据独立性 3.2 RTS/CTS接入方式和误码率的修正 在文献[2]中仅仅给出了在纯Data/ACK接入方式下的性能(即 RTS_Threshold为无穷大)，这里给出了RTS_Threshold＝T情况下对 该模型的修正。

3.2 RTS/CTS接入方式和误码率的修正 误帧率（PER）和误码率（BER）之间存在关系： 根据802.11，在发生误帧的情况下，MAC层对其的处理机制同发生 冲突的时候是一样的，因此，完全可以将发生误码的情况一并考虑 到冲突期中当发生误码的情况时，Nc和Coll会发生变化，而Idle 由于与误码无关，所以不发生变化 3.3 站点接入概率的估算 接入概率p的估算方法可以用2维Markov过程来推算 b(t):退避计数器的值 m(t)竞争窗口的指数级别 t和t+1分别表示相邻两次 的时隙 c是发送帧的角度来看， 发生冲突的条件概率 3.3 站点接入概率的估算 一步转移概率可以表示为 根据Markov链的归一性，可以得到p的近似解如下： 又 3.3 站点接入概率的估算 设定CWmin=32，Cwmax=256，得到的p的结果如下 M251050100 p5.70e-25.38e-23.84e-21.89e-21.37e-2 数据典型值数据典型值 R2Mbps20us 10us50us RTS20byteCTS14byte ACK14byte0.3us BER10-6RTS_Thresh old 512byte 3.4 分析结论 M=10 i . 不考虑误码，Data/ACK方式 ii. 不考虑误码，RTS_Threshold = 1024bytes iii. BER = 10-6，RTS_Threshold = 1024bytes M=5 - 100 RTS_Threshold = 1024bytes，BER = 10e-6 3.4 分析结论 M=5,RTS_Threshold = 0 – 4096bytes M=10,RTS_Threshold = 0 – 4096bytes 3.4 分析结论 1. 采用RTS/CTS方式，在平均帧长大的时候，可以提高吞吐量。

因为它采用短帧（RTS）的冲突代替了长帧（Data）的冲突 2. 误码率对MAC层吞吐量的影响是很小的，仅有0.2%左右，远没 有其他参数如RTS_Threshold，DIFS，SIFS，M等对其影响大 3. RTS_Threshold如果取的太大，反而会引起网络性能得下降，在 站点数增加，竞争加剧的时候更明显 4.当站点一定的时，存在最佳RTS_Threshold值，使得网络吞吐量 达到最大 5.当网络站点增加，最佳RTS_Threshold减小，即采用RTS/CTS方 式比较适合当网络站点减少，最佳RTS_Threshold变大，表明采 用Data/ACK的方式比较适合 4.对MAC接入机制的一些改进 4.1 基本思路 任何一个主机在成功接入信道以后，可以在数据帧末尾添加辅助 信息位来指示该主机的状况，这样，其他的站点在获取该信息以 后，就可以据此来更新自身的接入策略 选取 退避计数器的值 作为这种信息 4.1 基本思路 802.11基本接入 方式下的状态机 4.1 基本思路 改进的802.11基本接 入方式下的状态机 在网络负载较低的情 况下，这种接入机制 同802.11基本接入机 制是等效的 4.2 进一步改进 改进的MAC接入机制并不能完全排除冲突的可能。

进一步改进的要点： I. 计数器堆栈 记录其他所有站点发送 的退避计数器信息 竞争期： 同步递减 其他站点：避让性选择 稳态下堆栈长度等于站点数目 4.2 进一步改进 II. 竞争窗口调整机制 先接入信道的CWmin个站点， 有优先预约后面的时隙，从 而导致剩余的M-CWmin个站 点很难有机会再接入信道 所以根据当前站点的数目， 动态的调整自身的竞争窗口 a∈ (0, 1) 4.2 进一步改进 4.3 仿真及其结论 M = 3 PhyRate = 2 Mbit/s CWmin = 32 SlotTime = 20us PacketBuff = 1Mbyte a = 0.8 相对802.11基本接入方法，改进 的算法对性能的提高还是比较明 的（10％） 4.3 仿真及其结论 802.11基本接入方法下网络流量（S）同负载（G）之间 的仿真结果 4.3 仿真及其结论 改进的基本接入方法下网络流量（S）同负载（G）之间 的仿真结果 4.3 仿真及其结论 1.在站点一定的情况下， 802.11基本接入方法在负载增加的时 候，有效流量增加到最大，然后会有所降低而改进的接入方 法随着负载的增加，有效流量趋向最大值。

2. 改进的基本接入方法在一定程度上提升了接入性能（10％） ，站点数目多，网络负载大的时候，提升的程度越明显 3. 进一步改进的算法在负载大的情况下，接入性能能够始终保 持一个比较高的水平 4. 在进一步改进的算法仿真中： 表明在站点数目小于a CW的时候，站点数目增加的情况下，网 络总的有效流量反而会有一定的提高 4.4 不足与努力方向 不足之处： 1. 对站点定时与同步的要求增加 2. 改进接入算法复杂度增加，实时性要求很高，硬件实 现有困难 3. 仅仅考虑了最基本的情况，没有考虑到站点的移动， 加入，休眠，以及隐藏站点等问题 4. 改进的算法缺乏足够的数学分析验证 4.4 不足与努力方向 努力方向： 1.进一步验证该算法的效果，特别是在隐藏站点，站 点的加入，移动等情况下的效果 2.考虑不同数据源存在情况下的算法效能，特别是对 保障多媒体数据QOS情况下的效果 3.尝试从数学上进行理论分析 4. 尝试在实际硬件平台上实现该算法以检验其效果 5 参考文献 [1] Wireless Lan Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) specifications: Higher-speed Physical Layer Extension in 2.4GHz Band. Sponsor: LAN/MAN Standards Committee of IEEE Computer Society. [2] Frederico Cali, Marco Conti, “Dynamic Tuning of the IEEE 802.11 Protocol to Achieve a Theoretical Throughput Limit”, IEEE/ACM Transactions on Networking, VOL. 8, NO. 6 2000 [3] Imad Aad, Claude Castelluccia , ”Differentiation mechanisms for IEEE 802.11”, IEEE InfoCom 2001. [4] S. S. Lam, “A carrier sense multiple access protocol for local n。