杨艳
北京邮电大学光通信与光波技术教育部重点实验室，北京 (100876)
E-mail：youngyare@gmail
摘要：无线局域网（Wireless LAN）已成为人们关注的热点。本文详述了WLAN中的两种接入方式：分布控制方式DCF和集中控制方式PCF，并介绍了RTS/CTS的基本原理。最后，利用OPNET对WLAN的关键参数进行了仿真分析，仿真结果对于实际网络的构建和维护都有很好的指导意义。 关键词：无线局域网分布控制方式集中控制方式 RTS/CTS
1．引言
随着无线通信的迅速发展，越来越多的移动终端需要采用一种方便快捷的方式接入Internet，于是无线局域网（WLAN）应运而生。WLAN是在有线局域网的基础上，为了解决布线困难和实现移动而发展起来的一种计算机局域网。该网保持了现有局域网的高速率的特点，并采用无线电或红外线作为传输媒体，无需布线即可灵活组成可移动的局域网。WLAN 一经出现，立刻成为通信领域的热点，相应的标准层出不穷，其中尤以IEEE802.11家族制定的最为详尽，而且版本丰富，性能也最好[1]。 2．MAC层分析及性能参数
雏鹰网
2.1 WLAN中基本的多址接入机制
IEEE 802.11 WLAN是802系列局域网的一个分支，它与802.3以太网等其它局域网只是LLC（Logical Link Control）层以下的MAC子层和PHY（Physical）层不同，WLAN 的特充分体现在这两层上。局域网LAN的系统体系见图1。
图1 局域网LAN的系统体系图
MAC协议是用来描述和实施网上各个工作站的多址接入，以解决网中节点应以怎样的规则共享介质才能保证满意的网络的问题的。WLAN由于使用无线方式作为传输介质以及移动性等特点，与有线局域
网中的MAC协议存在很大差别。鉴于这种差别，IEEE 802.11标准对传统以太网中的CSMA/CD机制进行了相应的调整，采用冲突避免CA（collision avoid）来代替冲突检测CD，这个新的接入机制称之为CSMA/CA，其基本原理如下：在传输开始之前，移动站先监听信道。如果监听到信道被占用，则移动站不会传输分组。如果有两个或两个以上的移动站同时传输分组，则产生冲突，而导致一个或多个分组受损，这是基本的CSMA机制。为了进一步避免冲突，移动站在开始传输分组之前如果监测到信道被占用，则自动进入 [2]。成都理工学院学报
2.2两种不同的接入方式DCF和PCF
IEEE 802.11标准定义有两种信道接入控制方式，分别是分布式协调方式(Distributed coordinated function：DCF)和中心协调方式(Point coordination function，PCF)，它们的区别在于“distribution，分布式”和“Point，中心”[2]。
对于DCF的“distribution，分布式”，众所周知分布式网络也就是由许多同等实体组成的一个网络系统，这里是很多同等的移动站组成的一个系统，它们依托分布式协调方式公平地竞争资源，采用有竞争的信道共享方式(CSMA/CA)。
而PCF为依托中心节点协调无线资源分配的一种方式，必须要有一个节点担任“中央控制节点”的角，也就是接入点AP。PCF采用轮询的方式来分配信道的使用，因此它是没有冲突的；这种方式可以使用在一些有延时要求的场合中，比方说语音、多媒体等。由于PCF采用轮询的方式，增加了开销，所以带宽利用率较DCF低。具体来说，在数据业务负载比较低的时候， PCF如果需要在发送站点和接收站点之间进行对话，AP先通过发送“POLL 分组”询问是否有移动站要求发送数据，移动站应答“NULL分组”或“DATA Packet”后，AP再发送“ACK分组”确认。显然，Poll分组的引入使开销增大。其次，从网络的鲁棒性来说，集中控制方式下，一旦AP站点损坏，则整个网络将无法工作；而在DCF情况下，即使AP损坏，网络还可以以Ad Hoc的方式运作。
2.3增强型的CSMA/CA
IEEE 802.11标准在MAC层上引入了Request to Send/Clear to Send（RTS /CTS）选项，它是一个可选项。所谓增强型的CSMA/CA就是指在CSMA/CA中启用RTS/CTS[2]。
RTS/CTS相当于一种握手协议，主要用来解决“隐藏节点”问题，其工作过程如下：假设站点A要向站点B发送数据，A先向B发送RTS信号表明自己要向B发送数据，当B 收到RTS信号后，会向所有工作站发出CTS信号，表明准备接收信号已经就绪。此时，A 可以发送数据，其余工作站暂时处于静止状态，当B接受完数据后，即向所有工作站广播ACK确认帧，这样，所有工作站又开始平等对信道进行监听并开始新一轮的信道竞争。
由于传输数据前要额外发送RTS帧和CTS帧，所以RTS/CTS给WLAN带来了很多额外开销。当发送短的数据包时将特别明显。WLAN中的工作站具有“RTS门限”这个参数，该门限决定某个数据帧的传输是否要启动RTS/CTS协议会话。如果从高层接收到的分组(也称为MAC服务数据单元MSDU)大于RTS门限，为了增加传输效率(对于大分组额外花销资源预留带宽而增加这次发送成功的概率是值得的)，则启动RTS/CTS协议会话。由于RTS/CTS 协议会话是协议非强制的功能，因此该值缺省为None，意味着不管MSDU多大也不启用该功能。当RTS/CTS协议会话功能启用则意味着对于每次成功的数据帧的传输，为了提高数据传输的可靠性，都必须为预留信道消耗额外带宽。
现代中西医结合杂志3． MAC层仿真及结果分析
如前文分析，PCF和DCF两种接入方式各有特点，RTS/CTS的启用与否也在一定程度上影响WLAN的性能。这里通过建立一个基础结构的BSS，其中既有DCF型工作站，又有PCF 型工作站，这样便于在同一网络环境中进行比较，网络拓扑如图2所示[3]。
图2 支持PCF与DCF的WLAN拓扑图真如中学
此网络环境中共有8个工作站，DCF_wkstn 3 和DCF_wkstn 4 仅工作在DCF方式下，其他工作站均支
持PCF方式，AP具有PC功能。PCF_wkstn 2向PCF_wkstn 1传输数据，DCF_wkstn 3向DCF_wkstn 4传输数据，PCF_wkstn 2 和DCF_wkstn 3的业务参数设置完全相同。
节点的传输速率设为2Mbps，业务产生采用ON-OFF模式。高层包在MAC层中不拆分。业务配置参数如表1所示。
表1 业务配置参数
ON的平均持续时间（s）40
OFF的平均持续时间（s） 0
分组平均到达间隔（s） 0.15
分组平均大小（bytes） 1000
数据率（Mbps） 2
3.1不同的接入方式PCF与DCF的仿真比较
1．错误重传
错误重传的仿真结果如图3所示，其中位置处于上部的是DCF方式下的错误重传，位于下部的是PCF方式下的结果。
图3DCF与PCF的错误重传比较
由图3可以明显看出，PCF方式下的错误重传要小于DCF方式。这是由于PCF采取集中控制的方式，各个工作站发送数据与否受AP统一控制，在数据传输过程中不存在冲突，因此错误重传较DCF方式要小。
2．传输时延
传输时延的仿真结果如图4所示，其中位置处于上部的是DCF方式下的传输时延，位于下部的是PCF方式下的结果。
图4 DCF与PCF的传输时延比较
由图4可以看出，PCF方式下的传输时延要小于DCF方式。这是由于工作在PCF方式
3.2 RTS/CTS对于吞吐量的影响
RTS/CTS协议会话是协议非强制的功能，因此缺省为None，意味着不管MSDU多大也不启用该功能。在未启用RTS/CTS时工作站的吞吐量如图5。
图5 未启用RTS/CTS时的吞吐量
将RTS门限值设为300 bytes，这意味着当发送分组大于300 bytes时将会启用RTS/CTS，由于在业务参数设置中将分组平均大小设为1000 bytes，可以判定RTS/CTS将起作用。此时工作站的吞吐量如图6。
图6 RTS门限为300bytes时的吞吐量
比较图5和图6可以看出，启用RTS后，尤其是当RTS门限值很小时，吞吐量将会下降。这是因为在传输数据前还要额外发送RTS帧和CTS帧，所以RTS/CTS会给WLAN带
4．结语
无线局域网(WLAN)近年来飞速发展，已经引起人们越来越多的关注。本文从MAC层角度出发，分析了WLAN中PCF及DCF的工作原理，并介绍了增强型CSMA/CA接入方式，也就是在CSMA/CA中启用了RTS/CTS的原理和影响。
为了更直观地看出WLAN技术在PCF和DCF这两种不同方式下工作的特点，以及增强型CSMA/CA对网络性能的影响，本文对WLAN中的关键参数进行了网络仿真，这对于实际网络的构建和维护都有很好的指导意义。随着研究人员的进一步探索和新技术的产生，我们将期待着WLAN在未来有更好的发展。
参考文献
[1] 王顺满．陶然．无线局域网络技术与安全，机械工业出版社，2005
[2] IEEE, “Reference number ISO/IEC 8802-11:1999(E) IEEE Std 802.11, 1999 edition.中南海事件
[3] OPNET Technologies. OPNET Modeler Documentation
Performance Analysis and Simulation on WLAN
Yang Yan
Key Lab. of Opt. Commun. & Lightwave Technol., Ministry of Education, Beijing Univ. of Posts
& Telecomm., Beijing, PRC,
(100876)
Abstract
Currently, more and more attention has been paid to the progress of WLAN (Wireless Local Area Networks). There are two main access modes called Distributed coordination function (DCF) and Point coordination function (PCF) in IEEE 802.11 standard, which will be detailed in this paper. The principle of RTS/CTS is also discussed in this paper because its importance in WLAN. Finally, we analyze some key parameters in WLAN based on the simulation, which will be meaningful for the configuration and maintenance of WLAN.
引用格式Keywords:WLAN DCF PCF RTS/CTS
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