無線局域網(wǎng)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)性能分析

1、無線局域網(wǎng)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)性能分析無線局域網(wǎng)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)性能分析 馮慧芳2003.11.4提綱 PCF工作機(jī)制 模型解析 數(shù)值計(jì)算和分析PCF工作機(jī)制 IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義的兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ：Ad hoc結(jié)構(gòu)和Infrastructure結(jié)構(gòu) Ad hoc結(jié)構(gòu)Infrastructure結(jié)構(gòu)PCF工作機(jī)制 WLAN的媒體接入控制（MAC）機(jī)制，它支持兩種不同的MAC方案：第一種方案是分布協(xié)調(diào)功能（DCF, Distributed Coordination Function），它基于傳統(tǒng)的CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Accesswith Collision

2、Aviodance)協(xié)議，以盡力而為的方式接入信道； 第二種方案是點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF），基于由接入點(diǎn)控制的輪詢（poll）方式，主要用于傳輸實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。由于現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)搭載的業(yè)務(wù)不再是單純的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而是包括數(shù)據(jù)、話音、實(shí)時(shí)圖象的多媒體綜合業(yè)務(wù)，話音和視頻這類業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)間延遲。 PCF工作機(jī)制 PCF工作機(jī)制：在PCF下, AP發(fā)出Beacon表明無競爭階段（CFP，ContentionFree Period）開始，接著AP以輪詢的方式在AP和主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包的交換。 在標(biāo)志幀發(fā)送之后的SIFS（Short InterFrame Space）時(shí)間點(diǎn)協(xié)調(diào)器開始無競爭（CF）傳送，發(fā)送CF-Poll

3、、Data+CF- Poll、CF-Ack+ CF -Poll或Data+CF- Ack +CF -Poll幀。 PCF工作機(jī)制 如果某站從點(diǎn)協(xié)調(diào)器接收到CF-Poll幀，該站可在SIFS空閑期之后通過發(fā)送CF-ACK或Data+CF- Ack+ CF- Poll幀對(duì)點(diǎn)協(xié)調(diào)器予以響應(yīng)。如果點(diǎn)協(xié)調(diào)器接收到某站的Data+ CF- Ack +CF- Poll幀，點(diǎn)協(xié)調(diào)器可發(fā)送Data+CF- Poll，CF-Ack+ CF -Poll幀至另一站，其中該幀的Ack部分用于對(duì)前一數(shù)據(jù)幀確認(rèn) PCF工作機(jī)制S I FSuplinkSTA2D1+Ack圖1 PCF下基本的輪詢方式downlinkD2+Ac

4、kCF+Ack+Poll(2)CF+Ack+Poll(1)STA1PCF工作機(jī)制 很多學(xué)者對(duì)DCF的性能進(jìn)行了深入研究,但是對(duì)帶有輪詢策略的PCF性能的研究比較少，而且已有的大部分是測量、仿真的性能分析2-6。 PCF方式下的幾種輪詢機(jī)制Reference: D.A. Eckhardt and P. Steenkiste, Effort-limited fair (ELF)scheduling for wireless networks, in INFOCOM 2000.IEEE, vol. 3,March 26-30 2000, pp. 1097-l 106. Jing-Yuan Yeh,S

5、upport of multimedia services with the IEEE802.11 MAC protocol., ICC 2002. Volume: 1 , 28 April-2 May 2002 : 600 -604PCF方式下的幾種輪詢機(jī)制 Round-Robin Scheme First-In-First-Out Scheme Priority Scheme Priority-Effort-Limit Fair Scheme 本文PCF方式下的輪詢機(jī)制 在IEEE802.11中沒有詳細(xì)說明在PCF方式下AP采取何種策略進(jìn)行輪詢服務(wù)，在本文采用如下的輪詢策略：當(dāng)服務(wù)員輪詢到

6、某個(gè)隊(duì)列時(shí)，首先對(duì)高優(yōu)先級(jí)的1類數(shù)據(jù)包隊(duì)列（如語音和視頻）實(shí)行窮盡式服務(wù)：即服務(wù)員將為該隊(duì)列中的所有數(shù)據(jù)包進(jìn)行服務(wù)，包括服務(wù)期間到達(dá)的新數(shù)據(jù)包。然后對(duì)低優(yōu)先級(jí)的2類數(shù)據(jù)包隊(duì)列（如數(shù)據(jù)）實(shí)行限定1服務(wù)：即服務(wù)員只多對(duì)該隊(duì)列中的一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行服務(wù)。之后再輪詢下一站，依次循環(huán)進(jìn)行。 圖2 PCF下的輪詢方式NullSIFSD21AckD11AckD12Ack切換時(shí)間downlinkCF-Poll（1）STA2STA1CF-Ack+Poll（1）CF-Poll（2）uplink服務(wù)時(shí)間本文PCF方式下的輪詢機(jī)制 設(shè)第i站的第k類數(shù)據(jù)包每一批按參數(shù) 為的Poisson過程到達(dá)，表示為 。 k類數(shù)據(jù)包到達(dá)

7、第i站的第n批的數(shù)據(jù)包數(shù)為 ， 為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量序列，且與 同分布， 。 的概率母函數(shù)為 。數(shù)學(xué)解析數(shù)學(xué)解析( (模型假設(shè)條件)ki,.,2 , 1; 2 , 1, 0),(NikttNkikin1,nkinkikikiaEki)(zPki數(shù)學(xué)解析數(shù)學(xué)解析( (模型假設(shè)條件) 根據(jù)PCF的工作機(jī)制，可將傳輸數(shù)據(jù)和Ack的時(shí)間以及每個(gè)SIFS之和看作處理一個(gè)包的時(shí)間，即服務(wù)時(shí)間。i站的兩類數(shù)據(jù)包的服務(wù)時(shí)間 是獨(dú)立且同分布的隨機(jī)變量， 服從一般分布。 分布函數(shù)的Laplace-Stieltjes變換 。 kiBNikbBEkiki,.2, 1;2, 1,kiB)(*sBkikiB數(shù)學(xué)解析數(shù)學(xué)解

8、析( (模型假設(shè)條件) 由于無線信道誤碼率較高，假設(shè)數(shù)據(jù)包重傳概率為 ，實(shí)際服務(wù)時(shí)間（包括重傳服務(wù)時(shí)間）是獨(dú)立且同分布的隨機(jī)變量 ， ， 分布函數(shù)的Laplace-Stieltjes變換為 。 qkiBkikibBEkiB)(*sBki數(shù)學(xué)解析數(shù)學(xué)解析( (模型假設(shè)條件) 服務(wù)員從的i站到第i1站的切換時(shí)間是指第i站釋放信道到第i1站獲得信道的時(shí)間，那么傳輸CF-Poll的時(shí)間可包括到切換時(shí)間中。 是獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量， 服從一般分布， ， iRiRrREiNiirR1數(shù)學(xué)解析數(shù)學(xué)解析( (模型假設(shè)條件) 各站的緩沖區(qū)容量足夠大，不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的溢出。 對(duì)同類數(shù)據(jù)包按先來先服務(wù)（FCFS）原

9、則進(jìn)行。 各站的到達(dá)過程、所有的服務(wù)時(shí)間和切換時(shí)間均相互獨(dú)立。 本文使用的變量符號(hào)還有 t時(shí)刻在i站的各類數(shù)據(jù)包數(shù)（隊(duì)長）記為 服務(wù)員第m次輪詢到i站的時(shí)刻記為 為平穩(wěn)狀態(tài)下服務(wù)員輪詢到第j站時(shí)第i站的隊(duì)長。 )(tLki)(mi1122111,NiiNiikikikikiba)(lim)(mLLjkimjki數(shù)據(jù)包實(shí)際服務(wù)時(shí)間數(shù)據(jù)包實(shí)際服務(wù)時(shí)間 設(shè)某個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過m次傳輸才成功，則得到m次傳輸?shù)母怕蕿?。數(shù)據(jù)包傳輸失敗后返回到緩沖區(qū)隊(duì)列的首位，繼續(xù)接受服務(wù)（重傳），所以數(shù)據(jù)包實(shí)際.服務(wù)時(shí)間包括重傳的時(shí)間。 1)1 (mqq數(shù)據(jù)包實(shí)際服務(wù)時(shí)間數(shù)據(jù)包實(shí)際服務(wù)時(shí)間 設(shè)某個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過m次傳輸才成功，則

10、得到m次傳輸?shù)母怕蕿?1)1 (mqq)(1)()1()()()1()(*1*11*sqBsBqsBqsBqsBkikimkimmkiki)1 ()(1 ()()1 (02*0*qbsqBsBqdsdBbkiskikiskiki1類數(shù)據(jù)包隊(duì)長分析類數(shù)據(jù)包隊(duì)長分析 服務(wù)員第m+1次輪詢到第i站時(shí)的數(shù)據(jù)包數(shù)包括： 第m個(gè)輪詢周期中在所有的切換時(shí)間內(nèi)到達(dá)i站的數(shù)據(jù)包數(shù)； 除i站外服務(wù)員在所有站服務(wù)1類數(shù)據(jù)包的停留時(shí)間內(nèi)到達(dá)站的數(shù)據(jù)包數(shù)； 服務(wù)員在各站至多服務(wù)一個(gè)2類數(shù)據(jù)包的服務(wù)時(shí)間內(nèi)到達(dá)站的數(shù)據(jù)包數(shù)。 1類數(shù)據(jù)包隊(duì)長分析類數(shù)據(jù)包隊(duì)長分析 NjLBNnjnNijNninNjRNniniijjjimjj

11、LkjkijimL1)(11)(111)(111221)(1111)1()1/()()1 ()(12121111jNjjiiiiipbRaLE2類數(shù)據(jù)包隊(duì)長分析類數(shù)據(jù)包隊(duì)長分析 服務(wù)員第m+1次輪詢到第i站時(shí)的2類數(shù)據(jù)包數(shù)包括： 第m次輪詢時(shí)該站的2類數(shù)據(jù)包數(shù)； 第m個(gè)輪詢周期中在所有的切換時(shí)間內(nèi)到達(dá)站的2類數(shù)據(jù)包數(shù)； 服務(wù)員在所有站服務(wù)1類數(shù)據(jù)包的停留時(shí)間內(nèi)到達(dá)站的2類數(shù)據(jù)包數(shù)； 服務(wù)員在各站至多服務(wù)一個(gè)2類數(shù)據(jù)包的服務(wù)時(shí)間內(nèi)到達(dá)站的2類數(shù)據(jù)包數(shù)； 減去第m站有可能已經(jīng)服務(wù)了的一個(gè)數(shù)據(jù)包。 2類數(shù)據(jù)包隊(duì)長分析類數(shù)據(jù)包隊(duì)長分析)1/()1/()(21111222jNjjjjiiiLEbRap)

12、()()1(21)(121)(121)(1222222)(1122mLmLmLiiNjLBNninNjNninNjRNniniiiijjjimjjLkjkiji 1類數(shù)據(jù)包隊(duì)長類數(shù)據(jù)包隊(duì)長)1)(1)(1/()1)(1 ()(212121211111iiiiiRaL)1/(222iijaRp平均輪詢周期平均輪詢周期 平均輪詢周期應(yīng)為所有切換時(shí)間、各站所有1類數(shù)據(jù)包的服務(wù)時(shí)間和每個(gè)站至多服務(wù)一個(gè)2類數(shù)據(jù)包的服務(wù)時(shí)間之和： )1/()1)(1)(1/()1 (1 ()(221211221RpbLErCNiiiiiii數(shù)值計(jì)算與分析數(shù)值計(jì)算與分析 隨著1類數(shù)據(jù)包到達(dá)率的增加，平均隊(duì)長不斷增加，而且2

13、類數(shù)據(jù)包到達(dá)率的增加對(duì)平均隊(duì)長影響很小，00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.501類信元到達(dá)率1類信元平均隊(duì)長2類信元到達(dá)率0.12類信元到達(dá)率0.4數(shù)值計(jì)算與分析數(shù)值計(jì)算與分析 圖3表明2類數(shù)據(jù)包的到達(dá)率對(duì)平均輪詢周期的影響也很小。所以1類數(shù)據(jù)包的到達(dá)率對(duì)輪詢周期影響較大，這和本文的服務(wù)策略相一致。0.000920.000930.000940.000950.000960.000970.000980.050.100.150.200.250.300.350.400.450.502類信元到達(dá)率平均輪詢周期數(shù)值計(jì)算與分析數(shù)值計(jì)算與分析 當(dāng)輪詢終端的數(shù)量增加時(shí)，輪詢周期也在快速增加。這也說明了PCF的一個(gè)不利點(diǎn)就是它的伸縮性不是非常