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红外无线局域网中的IEEE802.11脉冲确认装置的饱和度分析
摘要：IEEE802.11通常作为扩展的MAC协议来使用。其中一些新的插件可以加强协调分配功能（EDCF）以及具有脉冲确认特性。论文提出了著名的停止等待机制的效率和增强型的脉冲运行的分析和评价，是为了各种不同的链接参数而提出的，如竞争终端单元（TUs）的数量，框架误差率以及窗口大小。这样的分析是在802.11控制信息基本参数（MID）基础之上的。可以通过该改变MID参数而应用在802.11无线局域网络中。
关键词：IEEE802.11协议，IEEE802.11脉冲确认，性能评价
1 导言
在IEEE标准下设计的IR无线局域网络，终端用户必须发射一种波长在850nm到950nm的红外线。分散式的IR无线传输的使用展示其强大的优势并且不受联邦通信委员会（FCC）规则的限制。使用散布式IR与一个系统相连和在户外信号覆盖的区域获取信息以及TUs的移动类似。IR的直接链接并没用受多路径的影响，然而当传输速度达到10Mbps是将会受其影响[1],[2]。IR链接中IEEE802.11标准所支持的传输速度为1Mbps和2Mbps，因此多路径传输偏差可忽略。影响802.11MAC协议运行的重要参数是框架错误率（FER），参数FER由户外物理层引入，在得到此参数时可以忽略物理层噪音的影响。我们必须强调的是802.11标准为IR无线网络的运行提供了不同的信息管理参数（MIB）。另一个重要的参数是自动请求（ARQ）策略。一种比较早使用了的流程控制为停止等待方式，这种方式在今天的802.11a和802.11b中也在使用。此机制能同时支持误差和流程控制，并且在传播延迟小的时候对网络非常有用，不过在其它情况下效率比较低。另外在升级版本802.11e中使用选择性的否决策略（SRJ），信息发送源首先一个数据包窗口，之后等待响应。响应告知信息源哪些信息已丢失或损坏，之后余下的被发送出去。通常SRJ策略比SW更好但日益复杂。论文分析对比了IEEE802.11a的SW结构和带有由升级版本802.11e引入的脉冲确认装置的802.11b。此分析对比主要是针对在MIB上的红外连接。近期的研究对这些有关无线传播Air-Irda协议下的红外传播和脉冲确认机制的方案进行了检测。
2 脉冲机制
802.11e中的脉冲确认机制简要的概括如下：802.11e下的数据传输3个阶段完成。a)设置阶段，b)发送数据和产生脉冲阶段，c)析构阶段，如图1。设置阶段通过定义脉冲请求以及发送者和接收者间的响应框架来初始化的。初始化完成后第2阶段开始。在第2 阶段发送者准许在SIFs期间独立的传播Qos脉冲。当发送者想要在发送MPDUs后得到确认，将会发送以一个脉冲确认请求并等待其响应。有两种脉冲确认机制：a)立即型的，b)延迟型的。析构阶段负责发送余下的信息，通过删除脉冲请求和删除脉冲响应的互换来完成。

3 分析
此论文修正和扩展了[7] 中的分析。特别明确的对比了立即型的脉冲确认和SW机制，并检测了为了传送一种特殊的MAC协议数据单元（MPDUs）数目（N）而进入的不恰当的红外通道。网络使用了802.11MAC协议的DCF模型并选用了请求发送/跳过发送（RTS/CTS）方式，其传播速度R为1Mbps。为了完成此 类分析，随机的TU获取无线媒体平均的争夺时间（Tcp）如图2所示。Tcp是一个函数包含的DIFs的时间间隔并可能由于碰撞在此获得。

3.1 停止等待分析
SW的效率将首先被检查。TU传送正确的MAC协议数据单元所需的平均时间为：

此时tsw 为一个TU为准备发送和MPDU的确认所需的平均时间，其值为；

Pe为框架错误率，i为需要传送的信息包总数，最后，一种特殊的TU只传送正确一个信息包，其余的j-1个将被破坏。Psu=1/M是TU获取无线媒体的几率，而Prest=Psuc（M-1）为媒体被其它 TUs获取的几率。ttrans表示MPDU请求的传送时间，此时考虑到了其上的物理层和MAC层，其值为：

其中假设RTS,CTA,ACK都没有误差。
3.2 脉冲应答分析
脉冲应答机制效率的检查方式如下：TU传送脉冲的平均时间为：

此时tBURST为对于在TU研究下一个脉冲传输所需的平均时间，i为需要传送的脉冲总数。tBURST 为：

T1,T4分别为建立阶段和析构阶段所引入的，因此：

T2为MPDUs传送的平均时间，其值为：

这里i为为了确保其中的N个数据传输准确，TU所需传送的信息包总数。T3为重发损坏的信息所导致的量，其值为：

Pbk为为了完成N个信息包的传送所需的额外k个脉冲的概率，k=0，1，2，3…∞。由于使用3个额外脉冲以上的概率基本为0（少于10-7） ，所以我们只考虑3个此类脉冲。所以当k≥0时：

然而当k≥1，k≥2，k≥3和k≥4的概率分别为：

这里Pn,m指发送m个信息包有n个信息包损坏的概率，其值为：

最后，当k=0，1，2，3其对应的概率为：

假定DFBARQ, DFBARS, DLBARQ, DLBARS, BACK, 和BARQ 无误差。
4 评价结果
主要的协议和参数如表1。为了比较两种机制的工作效率，定义了参数U=TBURSTACK/TSW。由于脉冲确定机制标准已经定义，所以我们的目标是使U的值尽量小于1。图3说明了脉冲确认结构在U＜1时比SW更好。值得一提的是由于Pe的值高于4*10-2，为了避免错误结果的发生，可以考虑使用3个以上的额外脉冲。脉冲确认的效率会随着数值N的增加而提高。更详细的描述见图4，图4 把整个坐标系分为了2大区域：在N《10的情况下，U会随着N的小幅度增大而大幅度的减小。在N＞10时，U会随着N的增大而平稳的上升，当m=200octets和M=10TUs时，U大约为0.76时，N达到比较高的值。

图5描述了当MPDU=200octets，N=30时，U和M之间的关系。在此，有趣的是当M＜4，FER为低时，相对于FER为高时U的值较小。当M＞4时情况刚好相反。对于M＞4，当M增加时，U也会随着增加直至M=9.然而当M＞9时，随着M值的增加U值会缓慢减小。需要强调的是上述结果已经在Matlab中验证过了，但由仿真结果和分析结果一致，所以在此没有列出来。从分析结果中可知，升级版的802.11MAC协议中的脉冲确认机制大约优于SW机制20-25%。在大尺寸窗口或高TUs值甚至是FER值高时它的优势不用质疑。

5 结论
论文为了对比停止等待机制和802.11eMAC协议中飞入确认策略二提出了一种解析模型。关于不同链接参数的一系列的仿真结果已提出，如TUs，框架错误率和窗口大小。结果表明脉冲确认机制可以在802.11任务组中使用，因为其性能优于SW机制20-25%的系统性能。然而，为了更加深入的验证其它不明显的特征，如信息包发送的延迟时间与2个确认装置的经验值相背离之一问题，需要有更加深入的研究。