【正文】 N??????顯然，式中的 和 同基本接入方式下的取值是相同的，然而 的大cide []ECol小卻發(fā)生了改變。在沖突期內(nèi)，發(fā)生沖突的幀的長(zhǎng)度并不是無(wú)限長(zhǎng)的，最大的長(zhǎng)度是 T，因此 （39）1,212[][{max()}{|1}]TMslot nCmnECPLPNn?? ?????該式中的 也沒(méi)有變化，關(guān)鍵是 發(fā)生了變化。{|}ccPNn?12a(,)nLm?? ?在沖突期內(nèi)，幀長(zhǎng)度 L 的分布也發(fā)生了變化，即： 1()()iTqP???????iRTS?1211{max(,)}{}{(())nnnmTnnTPLLmqq???????????? RST???這樣代入 E[Coll]就可以得到以下的結(jié)果： （31231[] ([][][])1[()()]slotMMECol ECollEColpp?????10）綜上所述，我們可以得到 IEEE 性能的數(shù)學(xué)分析式[16]，當(dāng)?shù)臅r(shí)候，即采用基本的接入方式，當(dāng) 時(shí)，即采用_0RTShresold? _RTShresold??RTS/CTS 接入方式。在后面我們可以通過(guò)仿真工具來(lái)考察各種參數(shù)對(duì)性能的影響。 RTS/CTSDCF 存在的問(wèn)題我們對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)問(wèn)題會(huì)降低無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能。1）大量研究[8][17]表明，采用 RTS/CTS 接入方法能提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐率，降低沖突所浪費(fèi)的時(shí)間，尤其是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)比較多的時(shí)候，RTS/CTS 的優(yōu)勢(shì)會(huì)更明顯。但是 RTS/CTS 方法在無(wú)線局域網(wǎng)中使用時(shí),會(huì)導(dǎo)致帶寬的浪費(fèi),降低網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，根據(jù)前面所描述的 RTS/CTS 方法，首先要發(fā)送RTS 控制包來(lái)預(yù)留信道，如果目的節(jié)點(diǎn)收到 RTS 就會(huì)返回一個(gè) CTS，然后再傳送數(shù)據(jù)。在多跳的環(huán)境下，目的節(jié)點(diǎn)返回 CTS 是非常必要的，因?yàn)槠渌?jié)點(diǎn)有的只能聽(tīng)到目的節(jié)點(diǎn)，但是聽(tīng)不到源節(jié)點(diǎn)，如果目的節(jié)點(diǎn)不發(fā)送 CTS，這些節(jié)點(diǎn)就不知道源節(jié)點(diǎn)正在向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，這時(shí)它們有可能發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣目的節(jié)點(diǎn)就會(huì)聽(tīng)到?jīng)_突，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的重傳，這就是隱藏終端問(wèn)題。所以在多跳的場(chǎng)景下就必須用 RTS/CTS 來(lái)預(yù)留信道，只有在源節(jié)點(diǎn)發(fā)送了 RTS 和目的節(jié)點(diǎn)也返回了 CTS 的情況下，信道才被成功的預(yù)留下來(lái)。在無(wú)線局域網(wǎng)中，由于所有的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)必須和 AP 進(jìn)行通信，所以每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都在 AP 的通信范圍內(nèi)，而某個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)并不一定能聽(tīng)到所有的其他移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。因此當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向 AP 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，有可能存在隱藏終端問(wèn)題，所以在無(wú)線局域網(wǎng)中用 RTS/CTS 接入方式還是非常有必要的；但是當(dāng)AP 向某個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)，不存在隱藏終端問(wèn)題，只需 AP 發(fā)送 RTS，就可以成功的把信道預(yù)留下來(lái)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)再返回 CTS 是對(duì)無(wú)線帶寬的一種浪費(fèi)，這將降低無(wú)線局域網(wǎng)的吞吐率。2）現(xiàn)在網(wǎng)上常用的服務(wù)是基于 TCP 協(xié)議，如 FTP、HTTP 等。我們對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)主要的業(yè)務(wù)流都是下行的，也就是說(shuō)是大部分業(yè)務(wù)流都是由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)從位于有線網(wǎng)中的服務(wù)器下載所產(chǎn)生的。在無(wú)線節(jié)點(diǎn)用 TCP 協(xié)議下載數(shù)據(jù)的時(shí)候，根據(jù) TCP 協(xié)議，服務(wù)器向無(wú)線節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的同時(shí)，無(wú)線節(jié)點(diǎn)的 TCP 層必須發(fā)送ACK 反饋接收信息，TCP 層的 ACK 一般只有幾十字節(jié)(標(biāo)準(zhǔn)的 ACK 為 40 字節(jié))。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的分層思想，TCP 層的 ACK 相對(duì)于底層來(lái)說(shuō)就是數(shù)據(jù)，所以無(wú)線節(jié)點(diǎn)的介質(zhì)訪問(wèn)子層就必須把每一個(gè) TCP 層 ACK 封裝成單獨(dú)的小數(shù)據(jù)幀(frame)，然后發(fā)送出去。從文獻(xiàn)[7~10]的分析中可以看出，數(shù)據(jù)幀越小，信道利用率就越低，網(wǎng)絡(luò)的性能就會(huì)越差。所以無(wú)線節(jié)點(diǎn)在發(fā)送 TCP 層 ACK 的時(shí)候會(huì)降低無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信道利用率和吞吐率。 RTS/CTSDCF 的改進(jìn)算法思想基于前面的分析結(jié)果對(duì)現(xiàn)有的 DCF 協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)。有兩個(gè)主要的目標(biāo)：一是要使無(wú)線節(jié)點(diǎn)盡可能少的單獨(dú)的發(fā)送小的數(shù)據(jù)包(如：TCP 層的 ACK、Negative ACK、 Selective ACK 等) ；二是要使無(wú)線節(jié)點(diǎn)發(fā)送盡量少的發(fā)送控制包 CTS。當(dāng) TCP 層有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時(shí)，TCP 會(huì)把這個(gè)數(shù)據(jù)包傳給 IP 層，然后 IP 層把它放到IP 層和鏈路層的接口隊(duì)列里，鏈路層檢查接口隊(duì)列來(lái)判斷需不需要競(jìng)爭(zhēng)信道,發(fā)包的時(shí)候從接口隊(duì)列里取包就可以了。我們改進(jìn)的 DCF 協(xié)議如下：當(dāng) AP 有數(shù)據(jù)要發(fā)給某個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)時(shí)，和標(biāo)準(zhǔn) DCF 協(xié)議一樣，AP 首先要競(jìng)爭(zhēng)信道,然后發(fā)送 RTS 控制包，但是當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)收到 RTS 后，并不是簡(jiǎn)單的像標(biāo)準(zhǔn) DCF 協(xié)議定義那樣發(fā)送一個(gè) CTS，而是檢查上層接口隊(duì)列里是不是有小數(shù)據(jù)包。如果沒(méi)有，則簡(jiǎn)單的發(fā)送 CTS，這時(shí)的操作和標(biāo)準(zhǔn) DCF 是一樣的；如果有，則發(fā)送該小數(shù)據(jù)包給 AP，而不發(fā)送 CTS。為了不破壞網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分層思想，對(duì)鏈路層協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)不需要鏈路層查看數(shù)據(jù)包的 IP 和 TCP 包頭來(lái)判斷數(shù)據(jù)包的類(lèi)型，只是根據(jù)包的大小來(lái)選擇發(fā)送。由于TCP 層的 ACK 有很多種，如： negative ACK, Selective ACK 等，而且 TCP 和 IP 的頭部都有很多可選項(xiàng)(Option),所以 TCP 層 ACK 的大小并不是一個(gè)定值。我們定義了一個(gè)幀大小閾值 Frame _Threshold,長(zhǎng)度小于 Frame_Threshold 的數(shù)據(jù)包都被認(rèn)為是小數(shù)據(jù)包。當(dāng)無(wú)線節(jié)點(diǎn)收到從 AP 來(lái)的 RTS 后,只需查看隊(duì)列里是否有小于 Frame_Threshold 的數(shù)據(jù)包就可以了。無(wú)線節(jié)點(diǎn)的算法描述(收到 AP 來(lái)的 RTS 后的算法)如下：收到 AP 發(fā)來(lái)的 RTS。檢查上層的接口隊(duì)列中是否有小數(shù)據(jù)包(即:查找是否有長(zhǎng)度小于 Frame_Threshold 的數(shù)據(jù)包)。if (隊(duì)列中存在小數(shù)據(jù)包 ){把該包從隊(duì)列中取出,并發(fā)送給 AP。}else{直接向 AP 發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的 CTS 控制包。}當(dāng) AP 收到來(lái)自無(wú)線節(jié)點(diǎn)的反饋包后,首先要檢查這個(gè)包是數(shù)據(jù)包還是 CTS 控制包。由于 CTS 包比所有的數(shù)據(jù)包要小,而且 CTS 的大小是固定的,所以只需要根據(jù)包的大小就可以判斷是不是 CTS 了。如果是數(shù)據(jù)包,就把這個(gè)捎帶的小數(shù)據(jù)包取出來(lái)傳到 IP 層,同時(shí)向無(wú)線節(jié)點(diǎn)發(fā)送正常的數(shù)據(jù)包。如果是 CTS,則操作和標(biāo)準(zhǔn) DCF 協(xié)議一樣,直接向無(wú)線節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。AP 的算法描述(收到 RTS 反饋包后的算法)如下：發(fā)送 RTS 后 ,并收到無(wú)線節(jié)點(diǎn)的反饋包。獲取該包的大小 frame_size。if (frame_size ==CTS 的包長(zhǎng)){按標(biāo)準(zhǔn)的 DCF,向無(wú)線節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。}else{把這個(gè)捎帶的小數(shù)據(jù)包傳給 IP 層。同時(shí)向無(wú)線節(jié)點(diǎn)發(fā)送正常的數(shù)據(jù)包。}。這樣改進(jìn)有兩個(gè)好處：①在得到一次信道后傳輸了兩個(gè)數(shù)據(jù)包：一個(gè) TCP 的數(shù)據(jù)包和小的數(shù)據(jù)包(絕大多數(shù)是 TCP 層的 ACK,NACK, SACK 等)，這樣不僅有利于提高無(wú)線信道的利用率,而且有利于增加 TCP 的發(fā)送速率 (ACK 反饋比較快,從而增加了 TCP 發(fā)送窗口的大小)。 由于 TCP 的ACK 非常小只有幾十字節(jié)(相對(duì)于 TCP 的數(shù)據(jù)包 1500 字節(jié)來(lái)說(shuō)),所以并不會(huì)使其他節(jié)點(diǎn)的延遲增加很多,如果反饋的數(shù)據(jù)包比較大的話,會(huì)使其他節(jié)點(diǎn)的等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng),產(chǎn)生嚴(yán)重的不公平性問(wèn)題,所以我們把閾值 Frame_Threshold 定為 80 字節(jié)(TCP 層標(biāo)準(zhǔn) ACK 大小 40 字節(jié),再加上常用的 TCP/IP 頭部選項(xiàng)大小)。②減少了需要無(wú)線節(jié)點(diǎn)單獨(dú)發(fā)送的小數(shù)據(jù)包,使無(wú)線節(jié)點(diǎn)一直處于無(wú)包狀態(tài),這樣它們就不需要競(jìng)爭(zhēng)信道,從而可以減少 WLAN 中的發(fā)包沖突概率,提高 WLAN 的吞吐率。4 RTS/CTSDCF 機(jī)制的仿真在本章中，通過(guò)多種情況的仿真，對(duì)比基本機(jī)制和 RTS/CTS 機(jī)制下的 WLAN 吞吐率和介質(zhì)訪問(wèn)延遲，從而驗(yàn)證可選改進(jìn)比基本機(jī)制有更好的性能表現(xiàn)。 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和規(guī)模的日益復(fù)雜龐大，網(wǎng)絡(luò)的各種類(lèi)型、業(yè)務(wù)、技術(shù)進(jìn)一步融合，傳統(tǒng)的靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃方法已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)在的需要。這種情況下，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)以其高可信度的模擬、豐富的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、研發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和研究中的主流技術(shù)。市場(chǎng)上主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件有：OPNET、NSMATLAB 等。由于 OPNET 是商業(yè)軟件，所以界面非常好。功能上很強(qiáng)大，界面錯(cuò)落有致，統(tǒng)一嚴(yán)格。操作也很方便，對(duì)節(jié)點(diǎn)的修改主要就是對(duì)其屬性的修改。是優(yōu)點(diǎn)也是其缺點(diǎn)，如果你需要特殊的節(jié)點(diǎn)或很適合自己的節(jié)點(diǎn)就不如 NS2 方便。同時(shí)，由于是商業(yè)軟件所以版本推出不如 NS2 快，而且價(jià)錢(qián)昂貴。NS2 是自由軟件，免費(fèi)，普及度較高，但是 NS2 界面不如 OPNET，雖然功能也很強(qiáng)大，但有很多零散的東西，剛學(xué)的時(shí)候很麻煩，不容易上手。而 MATLAB 軟件最突出的特點(diǎn)就是簡(jiǎn)潔。MATLAB 用更直觀的，符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了 C 和FORTRAN 語(yǔ)言的冗長(zhǎng)代碼。MATLAB 給用戶帶來(lái)的是最直觀，最簡(jiǎn)潔的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。MATLAB 語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫(kù)函數(shù)極其豐富。開(kāi)放性也許是 MATLAB 最重要、最受人歡迎的特點(diǎn)[15]。MTALAB 系統(tǒng)由五個(gè)主要部分組成，下面分別加以介紹。 （1）MATALB 語(yǔ)言體系 MATLAB 是高層次的矩陣／數(shù)組語(yǔ)言．具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z(yǔ)言特性。 （2）MATLAB 工作環(huán)境 是對(duì) MATLAB 提供給用戶使用的管理功能的總稱(chēng)，包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開(kāi)發(fā)、調(diào)試、管理 M 文件的各種工具。 （3）圖形句相系統(tǒng) 這是 MATLAB 圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成 2D 和 3D 數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫(huà)生成、圖形顯示等功能的 高層 MATLAB 命令，也包括用戶對(duì)圖形圖像等對(duì)象進(jìn)行特性控制的低層 MATLAB 命令，以及開(kāi)發(fā) GUI 應(yīng)用程序的各種工具。 （4）MATLAB 數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)這是對(duì) MATLAB 使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱(chēng)。包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。 （5）MATLAB 應(yīng)用程序接口是 MATLAB 為用戶提供的一個(gè)函數(shù)庫(kù)，使得用戶能夠在 MATLAB 環(huán)境中使用 C 程序或 FORTRAN 程序，包括從 MATLAB 中調(diào)用于程序(動(dòng)態(tài)鏈接) ，讀寫(xiě) MAT 文件的功能。 可以看出 MATLAB 是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的系統(tǒng)，是集數(shù)值計(jì)算、圖形管理、程序開(kāi)發(fā)為一體的環(huán)境。除此之外，MATLAB 還具有根強(qiáng)的功能擴(kuò)展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)。MATLAB 已經(jīng)受了用戶的多年考驗(yàn)，在國(guó)際學(xué)術(shù)界， MATLAB 已經(jīng)被確認(rèn)為準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軟件。在許多國(guó)際一流學(xué)術(shù)刊物上， （尤其是信息科學(xué)刊物） ，都可以看到 MATLAB 的應(yīng)用。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，MATLAB 已經(jīng)成為應(yīng)用線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生、必須掌握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門(mén)，MATLAB 被廣泛地用于研究和解決各種具體工程問(wèn)題。 RTS/CTS 機(jī)制的仿真 仿真思路為了模擬 協(xié)議及其改進(jìn)算法的性能，在此采用語(yǔ)言較簡(jiǎn)單的 MATLB 進(jìn)行仿真。RTS/CTS 機(jī)制的仿真是建立在基本機(jī)制的基礎(chǔ)上的，這里首先對(duì)基本的 IEEE 仿真程序做如下解釋。該程序采用時(shí)間觸發(fā)方式，每時(shí)隙觸發(fā)一次。數(shù)據(jù)源采用最典型的突發(fā)模型：泊松數(shù)據(jù)源，即數(shù)據(jù)幀的到達(dá)時(shí)間服從指數(shù)分布，數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度也符合指數(shù)分布。對(duì)該圖中的一些信號(hào)解釋如下：HasPacket：狀態(tài)信號(hào)，判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)緩沖中是否有數(shù)據(jù)ChannelBusy：狀態(tài)信號(hào)，判斷當(dāng)前信道是否忙InitTimer：觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)初始化退避計(jì)數(shù)器工作根據(jù)指數(shù)退避算法選擇退避時(shí)間WaitDIFS：觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)等待工作，等待時(shí)間為 DIFSDecreaseTimer：觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)遞減退避計(jì)數(shù)器工作Send ：觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)幀工作PacketSend：狀態(tài)信號(hào)，判斷數(shù)據(jù)幀是否發(fā)送完畢WaitSIFS：觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)等待工作，等待時(shí)間為 SIFS下表列出了一些變量的含義和初始值：變量 含義 初始值 變量 含義 初始值M 站點(diǎn)數(shù)目 3 ChannelBusy 信道是否忙FALSECollition 是否發(fā)生 沖突FALSE PhyRate 物理層速率2Mbit/sCW 競(jìng)爭(zhēng)窗口 32 BackoffTimer 退避計(jì)數(shù)器?PacketBuff 數(shù)據(jù)緩沖 1Mbyte CollitionStations 沖突站點(diǎn) 0SlotTime 時(shí)隙長(zhǎng)度 20us AverageArrivalTime 平均到達(dá)時(shí)間110slotsTuroughput有效流量 0 AveragePacketLength平均包長(zhǎng) 50slots 仿真模塊介紹RTS/CTS 仿真程序可以分為以下 6 個(gè)主要模塊，它與基本機(jī)制的仿真主要區(qū)別在傳輸和更新過(guò)程：（1） Initial Processfor i=1:M{ ArrivalTime(i)=ExpDis(AverageArrivalTime)。 PcaketLength(i)=ExpDis(AveragePacketLength