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湖 北 工 业 职 业 技 术 学 院

现代无线与移动通信技术（论 文）

题目 教师 系部 专业 学号 姓名

移动通信技术中无线局域网（WLAN）业务性能分析研究

杨 钊 电 子 工 程 系 通 信 技 术 2 0 1 4 9 6 1 0 0 1

汪 加 浩

移动通信技术无线局域网（WLAN）业务性能分析研究

湖北工业职业技术学院

电子工程系

通信技术

汪 加 浩

摘 要：随着移动计算的普及和5G技术的发展，人们对移动通信终端功能的要求不断提高，现代无线局域网络技术在受到广泛关注和研究的同时，也面临着新的问题和挑战。针对具有不同MAC参数和应用类型的终端在IEEE802.11DCF无线局域网内共Markov模型分析信道在饱和状态时的竞争特性，研究实时业务吞吐量、竞争延迟和丢失率等性能指标与协议参数和数据帧长度的关系。算和仿真实验结果的对比验证了分析模型的正确性，表明部分终端协议参数的改变会引起所有业务性能变化，而合理调整最小竞争窗口和最大回退次数可以改善实时业务的性能。

关键词：无线局域网；性能分析；实时业务；

Performance study and analysis of of wirele local area network(WLAN)in the Mobile communication technology School of Physical Science and Technology

Electronics Science and Technology Liu Lijuan Abstract：Along with the popularity of mobile computing and developing of 5G and increasing need of mobile computing terminal, tht WLAN appears more and more distinct.For IEE802.1l DCF wirele local area network with different MAC options and applications ,a novel model was proposed to analyze the contention performance in saturation channel state．By making use of discrete Markov chain，the performance of throughput, delay and frame dropping ratio was studied in detail.Then this model was validated by simulation results．Furthermore，the model and analysis prove that better performance could be achieved by changing minimum contention window or maximum back off counter for the real-time flows, which gives an in-depth understanding and insights into the effects of different parameters on the performance.Key words: wirele local area network；performance analysis；real—time traffic

引言

随着无线通信技术的发展，网络计算正从常规有线网络环境向无线移动通信环境延伸。本文在介绍ⅢEE802．11标准DCF工作基础上，使用离散Markov链分析信道在饱和状下，具有不同MAC参数和应用类型终端的竞争特性，明确给出了各类终端协议参数和数据帧长度与业务吞吐量、数据帧信道访问延迟和丢失率的关系表达式。仿真实验验证了这种方法的正确性。通过实验和理论分析，说明部分终端协议参数的变化会对所有终端的性能产生影响，而合理的改变实时业务终端的最小竞争窗口和最大重传次数则可以有效减小访问延迟和竞争丢失。

1无线局域网简述

1.1无线局域网络(WLAN)简介

无线局域网络(WLAN)是利用射频(RF)技术，取代旧式双绞铜线构成的局域网络。工作于2.5GHz或5GHz频段，以无线方式构成的局域网。1.2无线局域网拓扑结构概述

基于IEEE802.11标准的无线局域网允许在局域网络环境中使用未授权的2.4或5.3GHz射频波段进行无线连接，从家庭到企业再到Internet接入网络。

1.2.1无线桥接

当有线连接太昂贵或者需要为有线连接建立第二条冗余连接以作备份时，无线桥接允许在建筑物之间进行无线连接。802.11解决方案通常在5至30mbps范围内操作，而光纤解决方案在100至1000mbps范围内操作。这两种桥操作距离可以超过10英里，基于802.11的解决方案可达到这个距离，而且它不需要线缆连接。但基于802.11的解决方案的缺点是速度慢和存在干扰，而光纤解决方案不会。光纤解决方案的缺点是价格高以及两个地点间不具有直视性。

1.2.2中型无线局域网

中等规模的企业传统上使用一个简单的设计，他们简单地向所有需要无线覆盖的设施提供多个接入点。这个特殊的方法可能是最通用的，因为它入口成本低，尽管一旦接入点的数量超过一定限度它就变得难以管理。大多数这类无线局域网允许你在接入点之间漫游，因为它们配置在相同的以太子网和SSID中。

1.2.3大型可交换无线局域网

交换无线局域网是无线连网最新的进展，简化的接入点通过几个中心化的无线控制器进行控制。数据通过Cisco，ArubaNetworks，Symbol和TrapezeNetworks这样的制造商的中心化无线控制器进行传输和管理。这种情况下的接入点具有更简单的设计，用来简化复杂的操作系统，而且更复杂的逻辑被嵌入在无线控制器中。接入点通常没有物理连接到无线控制器，但是逻辑上通过无线控制器交换和路由。要支持多个VLAN，数据以某种形式被封装在隧道中，所以即使设备处在不同的子网中，但从接入点到无线控制器有一个直接的逻辑连接。

2无线局域网服务质量

无线局域网服务质量（QOS）定义了一个系统的非功能化特征，通常是指网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求。在计算机网络中，QOS的目标是获得更加确定的通信行为，以便能够更加安全可靠的保护网络承载的信息，并更加高效的使用网络资源。具体而言，QOS是指网络为用户提供的一组可以预量的服务参数，包括网络延迟、延迟抖动、吞吐量、差错率、业务可用性和丢包率等.网络所能提供的QOS能力将直接影响到它所支持的业务。随着各类多媒体业务和实时业务的普及和推广，要求网络在带宽、延迟等方面提供保证。对于不同类型的业务，QOS保证技术也不尽相同。IETF己经提出了几种服务模型和机制来满足QOS需求：

（１）综合服务和资源预留协议InServ/RSVP：在此网络体系结构中，源节点和目的节点间传送数据之前，以RSVP信令向网络提出业务流传输规格，并建立和拆除传输路径上的业务流状态，以实现资源预留，主机和转发节点建立和保持业务流状态信息。由于资源预留是基于流的，因此它的扩展性不好，不适合骨干网。

（2）区分服务DiffServ：在DiffSev网络中，预先把网络提供的服务分为不同的等级，边界路由根据用户的流规格将用户流进行划分，再聚合成流聚集，聚集信息存放在IP包头的DS标记（Differentiated Service Code Point）域。转发节点则根据DSCP提供不同的服务策略，即逐跳转发行为（PHB）。由于转发节点所维护的资源状态数只与服务的优先级数成正比，因此网络扩展性比较好。

（3）多协议标记交换MPLS：它是为了提高骨干节点的转发效率而提出的。在入端边缘节点，数据包根据转发等价类（FEC）分类后，加入定长标签，转发到下一节点。中间节点根据标签和转发表转发数据包，不需要进行三层路由，提高了转发效率。在出端边缘节点，将数据包去掉标签，发往下一节点。

（4）流量工程（Traffic Engineering）：在保证用户服务质量的前提下，使数据流在网络中的分布尽可能均匀。在数据流选路时，不但要考虑网络的拓扑信息，而且要考虑网络资源的使用情况，从而更有效的利用网络资源，提高整个网络的资源利用率。

（5）子网带宽管理SBM（Subnet Bandwidth Management）：负责OSI第二层数据链路层的分类和优先级排列，同IEEE802.11网络进行共享和交换。有固定基础设施的无线局域网

3.1 区分服务漏筒模型

区分服务模型和集成服务模型都是假设每个数据流都是有限的情况下，通常使用漏筒模型。在漏筒模型中，对于速率为r．和突发长度为ｂ的漏筒的到达曲线为仿射函数

a(t)r,b(t)rtb。到达曲线也可能是由链路的物理传输限制造成的。如果一个流在速率为Ｃ的链路上传输，按照数据位观察，这个流的到达曲线为a(t)Ct，若分组的最大长度为Ｍ，则到达曲线为a(t)CtM。结合漏筒约束和链路约束，则数据流的到达曲线可以表示为a(t)min(CtM,rtb)。

从服务曲线的定义可以得到R*(t)inf[R(s)(ts)]，如果一个队列，它用最小

st速率。Rbps的服务速率服务一个流，则这个节点提供的服务曲线为(t)Rt,t0，如果可以保证在忙周期中的任何一段时间t内都能提供(t)服务曲线，这时得到的便是严格服务曲线，但由于复杂系统中的部件都存在延迟，严格服务曲线对于复杂系统没有太大意义。对于一个系统而言，若系统提供的服务曲线为迸发延迟函数T，所示，考虑多个节点的情况，服务曲线的定义支持级联操作，如果一个网络中有N个节点，而且各个节点提供的服务曲线分别为1,2,......N，则系统提供的服务曲线为12......N，在保证节点速率为R和最大延迟为T的节点组成的系统中，速率延迟服务曲线为速率延迟函数*(t)TR[max(tT,0)]。

对于一个到达曲线为a(t)min(CtM,rtb)的数据流，以及速率延迟服务曲线为

R[max(tT,0)]，由文献得到，可以得到缓存上限v(,)为：

v(,)brmax[延迟上限h(,)为：

bM,T]Cr

（3.1.1）

Mh(,)TbMmax[CR,0]CyR

（3.1.2）

在有固定基础设施的无线局域网中，设一个数据流流经AP时，输入流量的峰值速率为M为最大数据包长度，漏筒的持续速率输出端口服务速率为

Cin，rin，漏筒的突发容量为bin，T表示拐点时间坐标，Cout，则可得数据流的到达曲线为：

a(t)CintM......0tTrintbin......tT(TbinM)Cinrin

（3.1.3）

AP的服务曲线为：

(t)max(CouttM,0)

（3.1.4）

根据式（3.1.3）、式（3.1.4）以及式（3.1.2）可以推出，在迟延存在上限时，系统的延迟上限为：

(CinCout)(binM)2Mh(,)Cout(Cinrin)Cout3.2Ad Hoc网络的集成服务模型

（3.1.5）

在IntSev模型中定义了保证服务和控制负载服务两种服务，前者为传输的数据提供 真实的保障，后者所提供的服务质量保障是相对的。这两种服务所采用的基本原理都是 接入控制，它满足的条件是：

（１）为了得到保证服务或控制负载服务，数据流必须在传输建立阶段做好资源预留。（２）一个数据流必须满足到达曲线a(t)min(CtM,rtb)。（３）沿途的路由器可以接收或拒绝所要的资源预留。

对于保证服务而言，只有当路由器可以提供所要求的服务曲线并且可以满足丢包率的情况下，才会接收资源预留的请求。而对于控制负载服务而言，并没有明确的标准来决定接收或拒绝资源预留。它只为所要求的资源预留请求提供概率上的保障，从概率上分析所需要的资

源预留是否可以被接收。

在Ad Hoc网络中，设一个数据流的转发节点有N个且为GPS节点，第i个节点的延迟Ti，且数据流中最大数据包长度为M，R是链路中服务速率最小的节点的服务速率，Ri是第i个节点的服务速率，Di为节点处的服务延迟，为在第ｉ个节点处数据流中最大的数据包长度，Di和Ci与第ｉ个节点的具体实现有关。则第ｉ个节点的服务曲线为速率延迟函数即

R,Tii，R,T(t)Ri[max(tT,0)]ii，Ri≥0，,Ti≥0

（3.2.1）

Ti其中CiKiDi,Di,RiEi Ki是经过该节点的数据流中最大数据包度。

Ｅi是调度器的总比特率。整个链路的服务曲线是各个转发节点的服务曲线的加卷积。即若各个转发节点的服务曲线为

1,2,......N，则该流所经过的系统的服务曲线为12......N，考虑到整个链路：

RminRii1,2,...N

CiT(Di)i1RiNCii1NRDiCi(i1i1NN11)RRi

（3.2.3）

通过网络微积分理论,可以得到数据流端到端的延迟上限为：

bMCRH[max(),0]RCr

3.3Ad Hoc网络的区分服务模型

MCii1NRDi[Ci(i1i1NN11)]RRi

区分服务模型定义了许多不同的通信量类型，按通信量类型可以把数据流分成数据微流。在使用区分服务之前，服务提供者和客户要签订服务级协议。不同类型的微流使用不同的整形器进行整形，以符合某一到达曲线。各个节点以某一服务曲线和相同方式为具有相同类型的所有数据微流进行汇聚调度处理，各个转发节点并不保存分组数据微流的状态信息。当数据离开节点时，不同的数据微流沿着各自的路径传输，并在下一个节点和其它的数据微流进行汇聚。

区分服务模型提供多种服务类型来支持QOS。这里主要讨论加速转发服务类型。它是一种优先权服务机制，标记为该服务类型的数据包被确保丢包率、延迟、延迟抖动在规定的上限之下。

通过分析了无线局域网信道的特点以及保证无线局域网服务质量的方法，并利用网络微积分理论对无线局域网的有固定基础设施、Ad Hoc网络中的集成服务以及区 分服务三种情况进行建模分析，从理论上得出数据流的延迟上限。全文总结

随着网络技术的发展，无线局域网的发展势头表现强劲，以其独特的优越性得到了 业界的足够重视，伴随着无线局域网普及度的提高，随之而来的是其服务质量问题。在 路由算法、协议等方面的研究也越来越多，论文主要从理论角度对无线局域网的服务质 量进行建模分析，主要工作如下：

首先，论文介绍了无线局域网的发展现状和趋势，以及无线局域网的服务质量研究 的必要性，对无线局域网技术的详细阐述为下面理论建模分析打下基础。其次，引入了网络微积分理论，以往的研究都是利用网络微积分对有线网络进行建 模分析，而且取得了比较理想的效果，论文在阐述了网络微积分理论后，用其对无线局域网进行建模分析，针对无线局域网中的数据流的延迟给出了数据流延迟上限。根据有效到达包络号和有效服务曲线，可以对延迟上限进行研究。在有线网络中，利用统计网络微积分建模分析的结果比利用网络微积分理论建模分析的结果更为理想。如果要对无线局域网服务质量进行进一步的研究，可以考虑利用统计网络微积分理论对无线局域网的服务质量进行研究与分析。

参考文献

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