无线局域网介质访问控制层性能建模与分析

摘要

随着人们对移动信息服务需求的日益增长,基于IEEE 802.11的无线局域网技术被广泛采用。在网络应用的功能越来越丰富的同时,用户对网络性能的要求也越来越高,其中一个非常迫切的要求就是提高网络的传输效率。 作为无线局域网的主要标准,IEEE 802.11标准规范了介质访问控制层(MAC,Medium Access Control)协议与物理层协议的具体内容。其中基于载波监听/冲突避免(CSMA/CA,Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)控制机制的分布式协调功能(DCF, Distributed Coordination Function)是IEEE 802.11 MAC的核心机制。为了满足更高网络传输能力的需求,IEEE工作组又提出了IEEE 802.11n草案,引入了基于天线阵列的多输入多输出(MIMO, Multiple Input Multiple Output)技术。 MAC层的吞吐量建模,有助于精确快速地分析无线局域网的网络性能,具有重要的应用意义。因此,本文提出了对无线局域网的吞吐量性能建模,包括对IEEE 802.11 MAC协议的建模,以及对应用MIMO技术的无线局域网MAC协议进行建模。 首先,本文给出了现有模型的综述,通过理论推导和实验仿真,指出了现有模型中存在的问题以及模型进化的关键要素。针对IEEE 802.11 MAC协议,本文提出了一个新的二维链式马尔可夫性能模型。该模型是第一个整合了重试限制,介质繁忙和非饱和网络流量这三个重要改进因素。通过仿真验证结果显示,新模型的误差基本保持在比较小的范围。而比较于现有性能模型,新模型具有最好的精确性。 其次,MIMO技术被引入到无线局域网,天线阵列取代了全向天线,从而提高吞吐量性能。本文以DCF的性能模型为基础,创新地提出了一个支持应用MIMO无线网络的新模型。根据空间复用技术,建立了一个用以估计并发链路数的子模型,进而得到网络的吞吐量性能。利用该新模型,本文确定了无线局域网的一个传输概率上限,并对网络吞吐量进行预测。仿真结果显示,该模型具备一定的合理性和精确性。

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第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1无线局域网

1.1.2 IEEE 802.11协议

1.2无线局域网的应用与研究情况

1.2.1应用上存在的问题

1.2.2研究现状

1.3研究内容及论文组织结构

1.3.1课题来源及本文贡献

1.3.2本文组织结构

第二章IEEE 802.11 MAC与MIMO技术

2.1 IEEE 802.11 MAC标准

2.1.1 CSMA/CA机制

2.1.2分布式协调功能DCF

2.1.3二进制回退机制

2.2定向天线与MIMO技术

2.2.1定向天线

2.2.2天线阵列与MIMO技术

2.3本章小结

第三章IEEE 802.11MAC相关研究的综述和分析

3.1性能模型的分类与进化体系

3.2主要性能模型

3.2.1 p坚持模型

3.2.2马尔可夫二维链式模型

3.3改进的马尔可夫二维链式模型

3.3.1重试限制

3.3.2介质繁忙

3.3.3非饱和流量

3.4建模的分析与仿真测试

3.4.1时间参数与仿真场景设置

3.4.2带重试限制的模型

3.4.3带介质繁忙的模型

3.4.4非饱和流量模型

3.5本章小结

第四章IEEE 802.11MAC吞吐量模型

4.1 IEEE 802.11MAC吞吐量模型

4.1.1二维马尔可夫链式建模

4.1.2介质繁忙建模

4.1.3吞吐量分析

4.2仿真与测试

4.2.1 RTS/CTS模式下的仿真与分析

4.2.2基础接入模式下的仿真与分析

4.2本章小结

第五章支持MIMO技术的无线局域网吞吐量模型

5.1支持MIMO吞吐量模型

5.1.1空间复用技术与新MAC协议

5.1.2并发链路数建模

5.1.3吞吐量分析

5.2模型分析与仿真测试

5.2.1传输概率上限分析

5.2.2仿真结果分析

5.3本章小结

第六章结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢