无线红外的停止等待和返回N ARQ协议的对比.doc

IEEE 802.11e网络无线红外的停止等待
和返回N ARQ协议的对比
摘要：
在即将运用的IEEE标准802.11e添加一个新的可选确认方案,即所谓的为了支持服务质量(QoS)和更好的利用无线介质(WM)的 (BurstAck爆发)。在本文中著名的Stop-and-Wait(SW)机制和被用作一个有滑动窗口的Go-Back-N(GBN)自动重复请求(ARQ)方案的提高确认(BurstAck破裂)的行为效率进行了的研究。链接参数如,传播MAC协议数据单元(MPDUs)的窗口大小,终端的数量(STAs) ,而且丢帧率(FER)和信噪比(SNR)也会被考虑到。在我们的分析中,其独特的特征红外遥控器的实体层以及标准802.11为红外(IR)无线局域网络而有的管理信息库(MIB)参数和复杂的标准802.11MAC协议的行为也会被考虑到。所得结果显示,在中型网络用作GBN执行得更好的纵发确认是用大的窗口而不是不很高的丢帧率。然而对于小窗口,差质量和大型网络通道并不建议GBN方案。
关键词:IEEE 802.11;SW;GBN,爆裂的肯定
1.介绍
按照IEEE标准传输协议，红外(IR)无线局域网络(WLANs)的终端的固定波长在850到950海里[1]。红外辐射在室内不暗或透明的环境表面会发生反射[2、3]。红外通过多次反射来辐射传播，结果其系统类似无线电在地区或覆盖面积得到建立。作为一个后果是要提供灵活的终端移动性。在有较好红外(IR)无线局域网络的地方必须避免产生的干扰(例如飞机,机场、船舶、会议大厅等)。红外(IR)无线局域网络提供无线连接和支持纯粹的建筑室内中,促使它们有利覆盖大面积室内空间。此外,光学无线通信系统可以作为候选作为无线网络家用连接(WHL),因为他们可以提供高速家之间的通信设备而且无需认证。
然而,红外光谱有几个缺点。多路的分散性,这是有关接受脉搏的时间分散传播,是观察国米符号干扰(ISI)的传输速率高于破产10百万位元/秒。在IEEE 802.11的实例中的红外光谱的链接有1和2兆的传输速率而那些现象是可以避免的。联系的另一个缺点是,周围的红外光谱光引发瞬间噪声,由于光检测过程的随机噪声性质,而人造光由于周期性干扰光强变化而给人提供干扰。对于低和适度的利率的情况下,IEEE 802.11环境噪声的主要因素归与无线的红外链路性能。
通常用于中等强度调制(IM)的变送器和直接检测(DD)接受者的传输红外。当直接检测（DD）接收器的使用时,信噪比(SNR)是和光功率平方成正比，而在用无线电传送中它是和传输接受量成正比。因此,由于跟踪和周围的声音则高水平的光功率必须发出,而且是不允许的国际安全制度和终端输出功率约束的。因此,对传输信号必须经过处理以至于让它能检测尽可能低的价信噪比。标准IEEE 802.11[1]所采用的脉冲位置调制(PPM)作为传输技术,为这种类型的传输信道提供了最佳的传输特点。最近,由于多媒体应用在手机/便携式设备的需求增加,一个增强的IEEE 802.11标准版本已被发展出来来支持差异的服务和优质的服务(QoS)。其特色之一的新版本是可选的确认方案,如我们所知的纵法确认(BurstAck)。ARQ协议方案的性能以前为无线电传输和红外光谱测试分析传输所提及。在一般情况下被用作选择重复(SRP)ARQ协议的纵法确认的性能在研究了发射机和接收机。更复杂的案子接收器的任意数量的在被提及。在当成功传输一个数据包通道被释放,利用子序列的爆裂(以相同或减少视窗大小),则完成。
在这篇文章中,我们假设一个固定的媒体接入控制协议数据单元（MPDU）大小的窗口,在最后一个单一的破裂后，无线介质(WM)立即被释放后,无论信息包传播成功与否但很容易实施GBN ARQ协议方案和滑动窗口技术。这项对分析利用作为一个GBN自动重复请求(ARQ)与滑动窗口的性质的工作是我的目标。更多的具体地说,我们比较GBN ARQ方案和著名的SW ARQ利用到目前为止IEEE802.11标准。在我们的分析中,我们采取了考虑到这个红外物理层,但是很容易转换到其他要被考虑他们的特定特征的物质层。我们假定饱和条件(如下，这最大载荷, 在没有丢失稳定性可以处理)和有限数目的终端,在网络,这是使访问红外错误通道传送一个具体数量(N)的MAC协议数据单元(MPDUs)。当饱和总则适用于，网络使用的存取方法EDCF和请求发送/清楚发送(RTS/CTS)协议制度是更加高效的(和基本访问方案相比)。数值计算结果给出了两种不同的情况下:(a)所有STAs使用SW确认方案和(b)所有的STAs使用BurstAck机制。还有确认方案的效率和操作条件进行了研究。
文章组织如下:第二部分的SW和BurstAck机制的研究进展进行了简单阐述。这个红外丢帧率(FER) 的分析和推导在第3节呈现。在第四节,MPDU访问延迟推导出使用典型的MAC协议802.11 IR表征的MIB参数。在部分5和6为依据,分析停止等待协议与有滑动窗口的GBN协议的平均传输时延。SW和GBN性能比较与数值结果在第7节提出。在第8部分,分析的优势和局限性我们的进行了介绍。
2．IEEE 802.11e确认方案
通过修改MAC协议结构,这802.11e MAC协议支持三种类型的确认(见表1)。一个被称为服务质量(QoS)的新领域使用一个分支称为确认字符(ACK)的政策子域场(图1)。这一领域可以被定义的位的值表1给出。有可能使用或者SW或BurstAck甚至没有确认机制。后者是用于当信道质量极高和不能传递的一些MPDUs,如在声音传输是不重要的,到数据包延迟不存在超过一些预定义延迟的约束。
2.1．停下等待协议
在著名的SW ARQ方案, 最初发射机,他们竞争于其余在成功保留发送远程终端系统（RTS）框架后和捕获无线介质的STAs网络区域。一旦RTS框架被收到,经过短暂的SIFS 时间，接收器相应CTS。然后,发射机发出一个单身MPDU，如果在没有错误时MPDU已经收到接收器，在SIFS 时间后接收方以ACK框架来确认。
表格1
服务质量领域的确认政策的子分区领域
位10 位11 含义
0 0 IEEE 802.11确认正常
0 1 保留
1 0 无确认
1 1 纵发确认

图一 增加的MAC帧
如果被毁坏的MPDU那就是缺乏预期ACK框架(等待超过SIFS发射机),并指明了传送器传送时发生了一个错误。注意,接收者可能已经收到了正确的框架，这种错误在ACK帧的接收时可能已经被丢掉。然而,对于变送器帧的交流,这种情况发生在与一个最初的错误忽视框架是不能辨别的(图2)。

图2 802.11和802.11e MAC协议中的停止等待自动重发请求机制
在被毁坏的MPDU后发射机在发射MPDU遵循了同样的程序。同样的MPDU的失败传输增加关联MPDU的重试限制,这种关联MPDU是当MPDU成功地传送时的MPDU重置。如果重试限制达成共识,MPDU会被丢弃的,并且它的损失被报道放到新层中协议。在802.11a MAC协议,终端有两个重试计数,短重试次数和长重试次数。
根据帧的长度,MPDU框架要么是短或长的重试计数器。的确,比RTS阈值短的帧就会被认为是短帧，而帧超过了阈值被认为是长帧。当一个帧传输失败时，帧的重试计数开始于在0和1。短重试次数复位到0时:
CTS帧是接受传送RTS的回应。
在无碎片传输之后，一个MAC-layer确认则被收到。
多而复杂的帧被接受。
长包重试最大次数复位到0时:
一个MAC-layer确认被收到得来的一个比RTS阈值长的帧。
多而复杂的帧被接受。
短包重试计数器和长包重试计数器在标准相对应无碎片或有碎片输出的802.11e中分别在裁判详细描述。
2.2.用作GBN与滑动窗口协议的纵发确认
在GBN中有滑动窗口协议ARQ方案,这发射机继续发送数据包却保持着一份一个缓冲区,这就叫做传输窗口。这几个数据包在缓冲区或窗口,数量是N它等于在一个往返时间送的数据包的数量。如果被毁坏的MPDU到达了接收机(假定它有一个序列号i),这接收器废弃MPDU和MPDUS序列号,i+1，i+2,…N。后来,它通知接收器直到那时MPDUs序列号收到成功。然后,发射机形成新的由丢弃的MPDUS序列号i,i+1, i+2,… N,再加上一些i-1新的序列号所组成的N MPDUs窗口(图3)。

图三 具有滑动窗口(窗口尺寸= 5)的GBN ARQ协议方案的原理图
标准802.11e的BurstAck机制被利用作为一个有滑动窗口协议的GBN ARQ方案,且遵循RTS/CTS协议的帧交换技术(图4)作为停止等待协议。然而,标准802.11e数据传输的完成有三个时期:(a)启动阶段,(b)数据和纵发彩色同步信号载波相位阶段,(c)拆除阶段。启动阶段是初始在接收方和发射方之间规定BurstAck通过请求(DFBARQ)和规定BurstAck通过相应(DFBARS之间)的交换。一旦初始化是完成则数据则和破裂相位阶段开始。在这一阶段,发射机允许一个服务质量的MPDUs破裂(窗口N)传送被在SIFS时间内分隔开。当发射机希望得到已发MPDUs的确认,它都传达了BurstAck请求(BARQ)和等待BurstAck相应(BACK)。存在两种类型的BurstAck机制:(a)立即(低延迟流量也在本文采用),(b)延迟(中等延迟流量)。拆除阶段的定义了传输结束,这是可以做到使用删除Burstack请求(DLBARQ)和ACK帧的的传输交换。

图四 纵发确认机制
接收器抛弃第一个被毁坏的MPDU和接下来的纵发边沿MPDUs。接收器发送BurstAck相应(BACK)帧通知发射机：在接下来的纵发边沿期间已经成功接待过MPDU和被毁坏的MPDUs连同新的改变(形成窗口N)。如果重试极限与特定的MPDU或者纵发边沿达成共识,特定的MPDU或者纵发边沿会被丢弃的,并且它的损失被报道放到更高层中协议。更确切地说,在标准802.11eMAC协议中每一个服务质量终端(QSTA)都保持短重试计数器和一长的重试计数器，这是因为为属于需要认可流量目录(TC)每一个MAC服务的数据单元（MSDU）或MAC管理协议数据单元(MMPDU)。最初短包重试计数器和长包重试计数器的值必须为零。在MSDU或MAC管理协议数据单元(MMPDU)的短包重试计数器每增加一次，则传递一个长度小于或等于RTS阈值的MAC帧，而失败于MSDU或MMPDU。有一个长度小于或等于RTS阈值的MAC帧时,这短重试计数器必须重置,当然阈值成功于MSDU或MMPDU。在MSDU或MMPDU协议的长重试计数器增加在每个时间传递的一个长度大于RTS阈值MAC的帧，失败于MSDU或MMPDU。有一个长度长度大于dot11RTS阈值的MAC帧时,这长重试计数器必须重置,当然阈值成功于MSDU或MMPDU。短包重试计数器和长包重试计数器在标准相对应无碎片或有碎片输出的802.11e中分别在裁判,详细描述。
3.分析了红外误帧率考虑
考虑到附加性高斯白噪声(AWGN)通道没有光的干涉和忽视热噪声,且按照IEEE 802.11红外物理层[1]的部分特性,红外帧的丢帧率,可以为不同的信道衍生条件。丢帧率可以写成:
(1)
在里医可能是SYNC, SDF, DR, LENGTH, CRC 和MPDU方面(图5)能被正确的检测的值。前三个红外帧领域使用百万位4元/秒通断键控（OOK）非返回归零（NRZ)调制方案来进行传送。在其他领域分别使用的是百分之4或16多的脉冲位置调制相当于2和1兆比特传输速率。对于这些比特误差率（BER）是不同的两组，然而,同样的田地,光脉冲峰值功率被用于OOK和PPM的方案。断键控（OOK）非返回归零（NRZ)调制方案为比特误差率（BER）信道传输给出如下:
(2)
是来补偿误差的：
(3)
而分别是其噪声和信号在取样瞬间的振幅,(和)。是当前由于周围的光的接受者,Tps是脉冲持续时间, 是平均接受的光功率,R是光电二极管的电阻，而q是电子常数。
为L-PPM信道的比特误差率（BER）假设一个简单的阈值接收机给出如下:

图五 IEEE 802.11红外帧位。
(4)
这里是能利用L-PPM调制技术传送的的区分符号量,k是的每比特的符号的量。分别是未探测传输脉冲和探测到脉冲不会传播的概率。在抽样瞬间只要阈值水平是峰值水平的一半，那些都是相等的:
(5)
的细节在下可以看到。
4．分析802.11 MAC存取延迟
D表示为：STA准备好要传送帧的时间和STA已获得介质并在无线介质上成功发送 (没有冲突)的时间的两者之间的一个延迟的时间。E[D]是如计算值的D的平均值。E[D]被阐述为:
(6)
这里E[Nc]是的事实STA冲突的平均数目，当其帧冲突,在再一次遥感媒介之前，这是直到无线介质(WM)和STA不得不等着一个代表时刻的的成功保留。E(Nc)可以写成:

这里是随机碰撞传输的概率。在RTS/CTS协议，取决于使用存取方法而给出:

这里是两个有序列帧传播之间的间隔时间，是一个STA等待一个CTS响应的最长时间,由于冲突传输而通道被传感繁忙的间隔时间。在RTS/CTS协议下，取决于存取方法使用是:
(9)
这里TRTS是包括物理层的RTS帧传输所需时间，是传播延迟时间的帧，TAIFS一种为STA感应介质来为了传播或减少退回计数器的时间间隔。
平均推出延迟,是在选择一个随机位置后在通道繁忙的条件访问通道前，STA不得不等待平均水平时间,下给出了E(BD]:
(10)
其中有
(11)
和
(12)
源于马尔可夫链模型的Eq.(11)已在使用。E[X]是一个随机值的平均值,对应于k插槽达到插槽k=0需要计数器，bj,k是为槽k变到在退回阶段j的概率, m是退回阶段数最多的量, wj是退回阶段j的窗口大小。F是一个STA冻结取决于传输的成功计数器的时期，E[NF]是计数器上冻结平均的次数,给出如:
(13)
这里是在传播开始之前连续时段接口的平均数量,给出如:
(14)
Eq.(14)中的Pb是一种感应介质忙碌STA的概率，Eq.(12)中的Ts是当一个成功传播发生时介质被STA感应到繁忙之间的时间间隔。这个间隔取决于访问技术的应用和类型的确认方案。当RTS/CTS协议使用和SW执行则:
(15)
当纵发机制使用时，则有；

(16)
分别是CTS,ACK, DFBARQ, DFBARS, BARQ, BACK DLBARQ帧传播所需的时间。TMPDU是MPDU传播时间。为了简单起见,我们假设只有一个EDCF存取类别(AC)已被每一个STA广泛采用，另外,相同参数结果在红外光谱缺陷也被使用。结果E[D]的研究取决于STAs数量和 MPDU数量、大小和传输率。
5．分析停止等待ARQ协议方案
发射机传送i MPDUs以至接收器正确接接收N的概率Pi给出如:
(17)
这里 (18)
是MPDU的丢帧率(FER)。
假设这个小帧RTS, CTS和ACK是随机错误,则这需要传输N来改正MPDUs的平均时间给出如下:
(19)
这里
(20)
这里是SW方案的平均延迟E[D]。
Eq.(19)可以写为：
(21)
6．分析有滑动窗口的GBN ARQ协议方案。
我们定义的, 发送器成功传送N的概率，这区别于第一个创建窗口MPDUS,其包括使用n纵发(N MPDUs的窗口)，出于第一个N外的i MPDUs在最后(第n次)窗口期间被传播。由于在每一个窗口都有错误的MPDUs在另一窗口被接收器和转发器所丢弃,但也不影响分析。当纵发确认用于具有滑动窗口的GBN ARQ协议方案时，作为结果可用于简单的组合计算概率Pn,i:
(22)
假设所有纵发确认机制参与的帧MPDU,除了MPDU帧是随机错误传送,这是需要正确的传输N给MPDUs的平均时间如:
(23)
Eq(23)的结果可以有下面的近似形式

(24)
在这里,是为纵发确认方案的平均延时E[D]和是传输的起始阶段成功传输所需要的时间：

(25)
TTD结束阶段所介绍的总量
(26)
TW是由于实体层而全部介绍的, 对于N数据包的窗口以及N数据包的传送的时间，MAC层和SIFS持续的时间:
(27)
表2
MIB和系统参数
符号 参数设置 值
R 传输频率 1 Mbps
SIFS SIFS时间 10x10-6s
PL 导言长度 20x10-6s
PLCP PLCP首部长度 25x10-6s
PHY PHY首部 PL+PLCP
MAC MAC首部 36x8位
表3
用于BurstAck和SW方案的帧
符号 参数设置 值
DFBARQ 定义纵发确认请求 6x8位
DFBARS 定义纵发确认响应 6x8位
DLBARQ 删除纵发确认请求 6x8位
BACK 纵发确认 152x8位
BARQ 纵发确认请求 24x8位
MPDU MPDU大小 512x8位
RTS RTS长度 20x8位
CTS CTS长度 14x8位
ACK ACK长度 14x8位
7．结果
我们假设MPDU的大小是512个字节, 通断键控（OOK）传输比特率为4Mbps和MPDU的PPM传输比特率为1Mbps。由于多路影响,后者够低以至于忽视ISI的影响。我们用可忽视的前端的噪音的简单的PPM阈值接收器。因此,接收器生产的噪音在由周围环境光中是主要占主导地位的。另外,本文所提出的信噪比的当前值指传输红外脉搏电气检测前的信噪比。所有的正在讨论的参数中显示在系统表2和3。我们使用下列性能因素:
(28)

图六。n=10时U与N性能因素的对应。

图七 n=20时U与N性能因素的对应。
和统一相比因素U越少, GBN的性能相比SW是更好。在图6、7，因素U性能相比窗口尺寸N的大小n=10或20所分别划分为PE。当，N增加，则GBN性能更好。在范围，U是没有显著影响，但在范围这不是真实的。当在这些件下，GBN因为不可能充分利用GBN的较大的n(n=20)而下降是更明显。
一般来说,当N的值相对较高和不是非常高，相比于SW则GBN效率提高。然而,当n增加,较大的窗口都必须是使用以至于为相同的达到相同的表现。

图八。N=20时U与N性能因素的对应。

在N=20和50，图8 - 9显示因素U的性能和STAs的数量之间的关系。U几乎随n近似线性增加。当PE的范围，U的PE影响是可以忽略不计的。然而,因为的值则GBN的快速降解被观察。在图8 N变更变小E(N=20)，这影响变得更大。当因而N=20和n<20或因而n<23时，具观察到GBN的效率比SW好,同时当N=50时在图9中GBN的效率比SW好。

图九。N=50时U与N性能因素的对应。
为N=20和50时,图10、11显示因素U在丢帧率的的依赖关系。每个曲线对应一个不同n。在每段曲线可分为两个区域。在第一个区域, U不受任何 影响。在第二区域相比于SW，GBN的性能则迅速变坏。在图10 时候GBN比SW甚至还高n。然而, 当n(n=30)很高甚至对于低值，在图10小窗口大小使GBN比SW更有效率。

图十.N=20时U与性能因素的对应。

图十一. N=50时U与性能因素的对应。
图12、13分别显示在对于n=10 和 20时因素U在丢帧率的的依赖关系。每个曲线对应一个不同的窗口尺寸N。相比SW,GBN的性能变的更坏。

图12。n=10时U与性能因素的对应。

图十三.n=20时U与性能因素的对应。
当U=1 ().时，相对于N显示如图14。这种约束表明,SW和GBN所需的时间与N、和N的值是相同的。这在上部区域分每段曲线表明相比于GBN对于N、和N的值，SW具有更好的调度性能。 在曲线下对立面是精确的。此外,当曲线增加的区域，GBN的性能成为更好,因为较高对于迫使GBN的性能等于SW是需要的。

图十四.在约束条件下对于不同n的与N的对应。

图14是对于网络设计师选择GBN要么SW 作为ARQ为候选方案来应用的实际意义。唯一信息是红外通道的质量的需求，而且为了符合不论使用GBN或SW的更好渠道效率的要求,N可以被调整。

图十五.假定802.11标准下典型信道条件(接收机灵敏度,背景噪声)
的采样时间内与红外脉冲的SNR的对应关系。
图15相对于SNR再因为详细的IEEE 802.11MAC协议[1]的通道条件进行了绘制。该绘图能够直接联系U与红外通道的信噪比（SNR）。对于不同的通道,图15在不致引起误解的情况会有些不同。但图6-14依然是有效的。
图1是在802.11标准对于典型的通道条件(接收机灵敏度，背景噪音)，红外脉冲在采样时间的相对于SNR被假定。
8．讨论
在本文中,我们在红外802.11无线网络对著名SW和GBN ARQ协议方案进行了对比。所提出的分析结合了红外光谱实体层特征和复杂的CSAMA/CA MAC层行为以至于检测详细的本文所提出的ARQ方案。这两层的影响红外系统的性能。特别是,它是受三个因素的影响: 网络终端（STAs）的数量(n), 红外通道的丢帧率或信噪比和窗口大小（N)。当N的值相对高而且PE的值不是极高()，GBN效率相比SW有所提高。然而,当n增加,较大的窗口必须使用以为了达到对相同的PE有同一性质。虽然这些是某种意义上已知的结果，但重要的问题是在什么时候及情况下,制约GBN或SW的性能可以较好考虑在红外物理层和MAC层复杂的行为中。这是通过分析我们得出的清楚地回答。此外,我们的分析估计N,n和一个U的性能因素相等。在此情况下：一个完整适应的ARQ方案利用在802.11MAC协议情况下，这些数值是有价值的。 在这种情况下,系统可以动态交换使用ARQ方案(选择SW要么或GBN)，这个方案要考虑测量FER，窗口大小N和终端的数量n。实现动态ARQ方案基于我们的研究，我们的研究将保证减少平均数据包延迟和提高提供的服务的质量。
需要注意的是, 在标准802.11光链路的一般情况（假设只有802.11标准IR)甚至在802.11上对这些可见光通信系统情况，同时没有任何显著的改进，分析是合适的。如例, 提供室内空间和通讯服务照明的可能会是最新颖的白光发光二极管而并不是采取传统的红外发光二极管。
如果无线通讯链接被使用,这情况就有点不同了。在提取FER和替换有那些无线通讯设备的红外MIB参数，修改是需要的。
我们的分析可以延申为在特定的通道的条件（环境光辐照度，可能的人造光干预，远程发射机)，直接联系有传输功率的要求U以至于为了在接收端达到一定的信噪比。后者的延伸超出本文分析范围，但本文分析的可能会被认为是在未来通讯,然而,在延伸中它是值得提到一些问题。一般来说,分散的红外线频道的模型并不真正是容易的问题。在[6,23-25]存在理论计算模型,但他们只适用于简化系统。另一方面,实验结果实际上不能被重用,因为他们强烈地依赖于通道条件，室内环境的建筑，所存在的家具,连接设计和红外信号[7，24,26,27] 传输或接收技术。因此, 作为结果，一种红外系统的实现不是与另一个红外光谱系统的实现相同一,而U和发射功率之间的映射将仅适用于特定的实现方法。
在未来，像选择性重复ARQ方案在红外物理层、比较在本文提出了的方法结果和广泛的研究一完全的自适应ARQ方案的这些考虑，也必须放在通过实施而更为复杂研究。
9．结论
我们比较了802.11MAC协议的著名停止等待（SW）确认机理与用作有滑动窗口GBN ARQ方案的802.11e MAC协议实现方案的增强纵发确认（BurstAck）。网络方法采用增强分布式协调功能（EDCF）访问有相同的参数为标准的分布式协调功能（DCF）的802.11e的方法。STAs有限数目假定为在两种不同的情况下有固定的尺寸的传输大量的MPDUs。在第一种情况,所有的STAs使用SW确认方案,而在第二种情况下，他们使用用作有滑动窗口GBN方案的BurstAck方案。比较通道效率的结果是提供了不同链接等参数：传播MPDUs的窗口的大小,STAs的数量,丢帧率和红外传送脉冲的信噪比。这些表明, 在一定的条件下，纵发确认（BurstAck）的利用率提高了通道性能。一般来说,一个小窗口大小,中等大小的网络和GBN比SW的性能几乎是同样的甚至更差，其实施必须避免。对于较大的窗口大小,和具有为GBN通道的高效率网络相比SW将更好。