无线局域网中实时业务性能分析

无线局域网中实时业务性能分析冯慧芳2003.11.4提纲•PCF工作机制•模型解析•数值计算和分析PCF工作机制•IEEE802.11标准定义的两种网络拓扑结构：Adhoc结构和Infrastructure结构Adhoc结构Infrastructure结构PCF工作机制•WLAN的媒体接入控制（MAC）机制，它支持两种不同的MAC方案：第一种方案是分布协调功能（DCF,DistributedCoordinationFunction），它基于传统的CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAviodance)协议，以尽力而为的方式接入信道；•第二种方案是点协调功能（PCF），基于由接入点控制的轮询（poll）方式，主要用于传输实时业务。由于现代通信网络搭载的业务不再是单纯的数据业务，而是包括数据、话音、实时图象的多媒体综合业务，话音和视频这类业务对时间延迟。PCF工作机制•PCF工作机制：在PCF下,AP发出Beacon表明无竞争阶段（CFP，Contention－FreePeriod）开始，接着AP以轮询的方式在AP和主机之间进行数据包的交换。•在标志帧发送之后的SIFS（ShortInterFrameSpace）时间点协调器开始无竞争（CF）传送，发送CF-Poll、Data+CF-Poll、CF-Ack+CF-Poll或Data+CF-Ack+CF-Poll帧。PCF工作机制•如果某站从点协调器接收到CF-Poll帧，该站可在SIFS空闲期之后通过发送CF-ACK或Data+CF-Ack+CF-Poll帧对点协调器予以响应。如果点协调器接收到某站的Data+CF-Ack+CF-Poll帧，点协调器可发送Data+CF-Poll，CF-Ack+CF-Poll帧至另一站，其中该帧的Ack部分用于对前一数据帧确认PCF工作机制SIFSuplinkSTA2D1+Ack图1PCF下基本的轮询方式downlinkD2+AckCF+Ack+Poll(2)CF+Ack+Poll(1)STA1PCF工作机制•很多学者对DCF的性能进行了深入研究,但是对带有轮询策略的PCF性能的研究比较少，而且已有的大部分是测量、仿真的性能分析[2-6]。PCF方式下的几种轮询机制Reference:•D.A.EckhardtandP.Steenkiste,Effort-limitedfair(ELF)schedulingforwirelessnetworks,inINFOCOM2000.IEEE,vol.3,March26-302000,pp.1097-l106.•Jing-YuanYeh,SupportofmultimediaserviceswiththeIEEE802.11MACprotocol.,ICC2002.Volume:1,28April-2May2002:600-604PCF方式下的几种轮询机制•Round-RobinScheme•First-In-First-OutScheme•PriorityScheme•Priority-Effort-LimitFairScheme本文PCF方式下的轮询机制•在IEEE802.11中没有详细说明在PCF方式下AP采取何种策略进行轮询服务，在本文采用如下的轮询策略：当服务员轮询到某个队列时，首先对高优先级的1类数据包队列（如语音和视频）实行穷尽式服务：即服务员将为该队列中的所有数据包进行服务，包括服务期间到达的新数据包。然后对低优先级的2类数据包队列（如数据）实行限定1服务：即服务员只多对该队列中的一个数据包进行服务。之后再轮询下一站，依次循环进行。图2PCF下的轮询方式…NullSIFSD21＋AckD11＋AckD12＋Ack切换时间downlinkCF-Poll（1）STA2STA1CF-Ack+Poll（1）CF-Poll（2）uplink服务时间本文PCF方式下的轮询机制•设第i站的第k类数据包每一批按参数为的Poisson过程到达，表示为。k类数据包到达第i站的第n批的数据包数为，为相互独立的随机变量序列，且与同分布，。的概率母函数为。数学解析(模型假设条件)ki},...,2,1;2,1,0),({NikttNkikin}1,{nkinkikikiaE][ki)(zPki数学解析(模型假设条件)•根据PCF的工作机制，可将传输数据和Ack的时间以及每个SIFS之和看作处理一个包的时间，即服务时间。i站的两类数据包的服务时间是独立且同分布的随机变量，服从一般分布。分布函数的Laplace-Stieltjes变换。'kiBNikbBEkiki,...2,1;2,1,]['''kiB)('*sBki'kiB数学解析(模型假设条件)•由于无线信道误码率较高，假设数据包重传概率为，实际服务时间（包括重传服务时间）是独立且同分布的随机变量，，分布函数的Laplace-Stieltjes变换为。qkiBkikibBE][kiB)(*sBki数学解析(模型假设条件)•服务员从的i站到第i＋1站的切换时间是指第i站释放信道到第i＋1站获得信道的时间，那么传输CF-Poll的时间可包括到切换时间中。是独立同分布的随机变量，服从一般分布，，iRiRrREi][NiirR1数学解析(模型假设条件)•各站的缓冲区容量足够大，不会产生数据包的溢出。•对同类数据包按先来先服务（FCFS）原则进行。•各站的到达过程、所有的服务时间和切换时间均相互独立。本文使用的变量符号还有•t时刻在i站的各类数据包数（队长）记为•服务员第m次轮询到i站的时刻记为•为平稳状态下服务员轮询到第j站时第i站的队长。)(tLki)(mi1122111,,,NiiNiikikikikiba))(((lim)(mLLjkimjki数据包实际服务时间•设某个数据包经过m次传输才成功，则得到m次传输的概率为。数据包传输失败后返回到缓冲区队列的首位，继续接受服务（重传），所以数据包实际.服务时间包括重传的时间。1)1(mqq数据包实际服务时间•设某个数据包经过m次传输才成功，则得到m次传输的概率为1)1(mqq)(1)()1())(()()1()('*'*1'*11'**sqBsBqsBqsBqsBkikimkimmkiki)1())(1()()1('02'*'*0*qbsqBsBqdsdBbkiskikiskiki1类数据包队长分析服务员第m+1次轮询到第i站时的数据包数包括：•第m个轮询周期中在所有的切换时间内到达i站的数据包数；•除i站外服务员在所有站服务1类数据包的停留时间内到达站的数据包数；•服务员在各站至多服务一个2类数据包的服务时间内到达站的数据包数。1类数据包队长分析NjLBNnjnNijNninNjRNniniijjjimjjLkjkijimL1)))(((11)(111)(111221))((1111))1(()1/()()1()]([12121111jNjjiiiiipbRaLE2类数据包队长分析服务员第m+1次轮询到第i站时的2类数据包数包括：•第m次轮询时该站的2类数据包数；•第m个轮询周期中在所有的切换时间内到达站的2类数据包数；•服务员在所有站服务1类数据包的停留时间内到达站的2类数据包数；•服务员在各站至多服务一个2类数据包的服务时间内到达站的2类数据包数；•减去第m站有可能已经服务了的一个数据包。2类数据包队长分析)1/()))1/()]([((21111222jNjjjjiiiLEbRap)))((())(())1((21)))(((121)(121)(1222222))((1122mLmLmLiiNjLBNninNjNninNjRNniniiiijjjimjjLkjkiji1类数据包队长)1)(1)(1/()1)(1()(212121211111iiiiiRaL)1/(222iijaRp平均轮询周期•平均轮询周期应为所有切换时间、各站所有1类数据包的服务时间和每个站至多服务一个2类数据包的服务时间之和：))1/()1)(1)(1/()1(1())(][(221211221RpbLErCNiiiiiii数值计算与分析•随着1类数据包到达率的增加，平均队长不断增加，而且2类数据包到达率的增加对平均队长影响很小，00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.050.100.150.200.250.300.350.400.450.501类信元到达率1类信元平均队长2类信元到达率0.12类信元到达率0.4数值计算与分析•图3表明2类数据包的到达率对平均轮询周期的影响也很小。所以1类数据包的到达率对轮询周期影响较大，这和本文的服务策略相一致。0.000920.000930.000940.000950.000960.000970.000980.050.100.150.200.250.300.350.400.450.502类信元到达率平均轮询周期数值计算与分析•当轮询终端的数量增加时，轮询周期也在快速增加。这也说明了PCF的一个不利点就是它的伸缩性不是非常好，在网络规模变大后，由于它轮询的客户端数量变多，造成网络效率的下降。0.00000.00050.00100.00150.00200.00250.00300.0035581114172023262932终端数平均轮询周期数值计算与分析•模型缺点：由于这只是在PCF方式下实时业务的建模，没有考虑与PCF共存的DCF，如何建立更精确，又易于解析的业务模型，将是进一步研究的内容。。thanks