基于IEEE802.11的分裂阶段多信道协议吞吐性能分析系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于IEEE802.11的分裂阶段多信道协议吞吐性能分析系统及方法。本发明专利技术方法：①输入计算分裂阶段多信道协议吞吐量所需的原始参数；②判断可用信道数量是否大于等于2，若小于2，采用计算只有1个可用信道时的吞吐量；若大于等于2，进行步骤③；③根据输入的物理参数，利用计算E0、计算TRTS/CTS、F0=SIFS+H+E[P]+δ+SIFS+ACK+δ计算F0；④若是同步分裂阶段多信道协议，采用计算吞吐量；若是异步分裂阶段多信道协议，则进行步骤⑤；⑤利用判断异步分裂阶段多信道协议处于分配控制信道传输数据状态，还是处于不分配控制信道传输数据状态；处于分配控制信道传输数据状态采用计算吞吐量，处于不分配控制信道传输数据状态采用计算吞吐量；⑥将计算出的吞吐量输出。

【技术实现步骤摘要】
基于IEEE802.11的分裂阶段多信道协议吞吐性能分析系统及方法
本专利技术属于通信
，特别涉及一种基于IEEE802.11的分裂阶段多信道协议吞吐性能分析系统及方法。
技术介绍
多信道协议是在MAC层单个冲突域内同时调度多个信道来提高网络吞吐量。多信道的研究最早开始于蜂窝网络。在移动Ad-hoc网络与无线mesh网络的研究中，进一步提出在MAC层采用多信道的方法进行网络设计。经过多年的研究积累，已形成SingleRendezvous和ParallelRendezvous两大类多信道协议。其中SingleRendezvous类多信道协议又可分为专用控制信道（DedicatedControlChannel）、公共跳（CommonHopping）、分裂阶段（SP，SplitPhase）等三类。分裂阶段多信道协议又分成同步（Synchronous）和异步（Asynchronous）两类。多信道协议的研究已经开始成熟，这为无线mesh网络相关标准中采用多信道机制提供了强有力的理论支撑。但是，相关文献中绝大多数都是采用NS-2模拟软件对所提出的多信道协议进行吞吐性能评估，缺乏数学模型，从而难以进行精确性能分析。分裂阶段多信道协议将DCF机制发送一次数据帧所需要的时间分裂成控制和传输两个时间段。同步分裂阶段多信道协议的原理如图1示意。在控制时间段中所有节点在控制信道（4）上竞争，分配所有的信道（如1/2/3/4），然后在传输时间段各节点在相应信道完成数据传输。异步分裂阶段多信道协议的原理如图2示意。所有节点在控制信道（4）上竞争，分配信道的每对节点可以切换到相应的信道传输数据，而不需要集中等待至同步的传输时间段。由于IEEE802.11标准采用DCF作为基本的MAC接入机制，分裂阶段多信道协议的性能分析可以建立在DCF机制性能分析的基础之上。本专利技术在GiuseppeBianchi提出的DCF机制二维Markov链模型的基础上，对分裂阶段多信道协议的吞吐性能展开数学分析，提出分裂阶段多信道机制的吞吐性能分析系统及方法。首先回顾802.11中传统DCF机制的吞吐性能分析。假设条件如下：稳定速率信道，不考虑传输错误，只考虑协议本身的性能，只要出现任意长度的帧重叠就是发生冲突；单一冲突域，域内每个站点始终有数据帧要发送（饱和状态）并且数据帧到达（包括新数据帧和重发数据帧）是泊松过程；数据帧的长度相同；帧的重传次数不受限制，直到成功发送为止；在竞争站点数量相等情况下，无论帧发送或重传多少次，其发生冲突的概率恒定且相互独立；不考虑隐藏站点问题和捕获效应；站点的移动是有限的，忽略站点发送和接收帧时的位置变化。传统IEEE802.11的DCF机制，仅使用一个信道。定义τ为站点在任意时隙发送数据帧的概率。定义ptr为一个时隙中至少有一个帧在发送的概率，则ptr=1-(1-τ)n；定义ps为一个时隙中有帧发送时有且仅有一个帧在发送的概率，则ps=nτ(1-τ)n-1/ptr；ptr·ps表示一个时隙中仅有一个帧在发送的概率。定义E[P]为数据帧有效载荷值，f是信道速率。将GiuseppeBianchi推导的饱和吞吐量公式转换形式可得其中，σ是802.11规定的时隙长度，Tc是冲突的平均时间，Ts是数据帧成功发送的平均时间。冲突时间Tc和成功发送时间Ts分别为Tc=DIFS+RTS+δ(2)Ts=T0+SIFS+H+E[P]+δ+SIFS+ACK+δ(3)其中，T0＝DIFS+RTS+δ+SIFS+CTS+δ，H＝物理层帧头+MAC层帧头。传播时延δ、DIFS和SIFS均以时间为单位。为方便表述，式中E[P]、ACK、H（以比特为单位）换算成在无线信道中发送需要的时间，其值与信道速率成反比。可以将（1）式分母E0理解成DCF机制成功发送一次数据所需要的时间，包括退避(1-ptr)/(psptr)个时隙、经历(1-ps)/ps次冲突。即
技术实现思路
本专利技术在GiuseppeBianchi推导的饱和吞吐量公式的基础上，对DCF机制成功发送一次数据所需要的时间重新理解，提出一种基于IEEE802.11的通用的分裂阶段多信道协议吞吐性能分析系统及方法。对DCF机制成功发送一次数据所需要的时间重新理解，是将E0分为两个部分：n个站点竞争信道时出现一对站点成功RTS/CTS交互所需的平均时间TRTS/CTS和这对站点发送数据所需要的时间F0。即E0=TRTS/CTS+TTRSMIT(5)F0=SIFS+H+E[P]+δ+SIFS+ACK+δ(7)本专利技术采取以下技术方案：基于IEEE802.11的分裂阶段多信道协议吞吐性能分析系统，其包括输入参数模块、同步和异步SP识别模块、异步SP状态判断模块、模型分析模块、吞吐量计算模块、输出结果模块。注意，SP是分裂阶段的英文首字母缩略。输入参数模块：用于输入计算分裂阶段多信道协议吞吐量所需的原始参数。原始参数包括与IEEE802.11标准中不同物理层技术（如DSSS、FHSS和OFDM）所对应的DIFS、RTS、CTS、ACK、数据帧长、时隙和信道切换所需时间TBD等参数，以及信道速率f、可用信道数量v和站点数n。同步和异步SP识别模块：用于识别是同步分裂阶段多信道协议还是异步分裂阶段多信道协议。识别的原则在于是否在统一的传输时间段内传输数据。在统一的传输时间段内传输数据的是同步分裂阶段多信道协议，否则是异步分裂阶段多信道协议。异步SP状态判断模块：用于判断异步分裂阶段多信道协议处于分配控制信道传输数据状态，还是处于不分配控制信道传输数据状态。判断依据为下式即（8）式如果上式即（8）式成立，则处于不分配控制信道传输数据状态；如果上式即（8）式不成立，则处于分配控制信道传输数据状态。模型分析模块：根据同步分裂阶段多信道协议还是异步分裂阶段多信道协议采用相应的性能分析模型。图3是同步分裂阶段多信道协议的性能分析模型。图3（a）是当只有一个可用信道时，同步分裂阶段多信道协议就是传统802.11的DCF机制的分析模型。图3（b）是当有v（v≥2）个可用信道（信道1至信道v）时，同步分裂阶段多信道协议的分析模型。同步分裂阶段多信道协议在控制时间段对信道的分配存在着多种分配顺序。为了防止传输时间段出现混乱，最优方法是最后分配控制信道。图4是异步分裂阶段多信道协议的性能分析模型。图4（a）是当只有一个可用信道时，异步分裂阶段多信道协议就是传统802.11的DCF机制的分析模型。图4（b）是当有v（v≥2）本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于IEEE802.11的分裂阶段多信道协议吞吐性能分析系统，其特征是包括：输入参数模块：用于输入计算分裂阶段多信道协议吞吐量所需的原始参数；同步和异步SP识别模块：用于识别是同步分裂阶段多信道协议还是异步分裂阶段多信道协议，识别依据是否在统一的传输时间段内传输数据，在统一的传输时间段内传输数据的是同步分裂阶段多信道协议，否则是异步分裂阶段多信道协议；异步SP状态判断模块：用于判断异步分裂阶段多信道协议处于分配控制信道传输数据状态，还是处于不分配控制信道传输数据状态，判断依据为下式2TBD+F0≤Σi=2vTRTS/CTS_i如果上式成立，则处于不分配控制信道传输数据状态；如果上式不成立，则处于分配控制信道传输数据状态；模型分析模块：根据同步分裂阶段多信道协议还是异步分裂阶段多信道协议，采用相应的性能分析模型；吞吐量计算模块：根据可供使用的信道数量、同步分裂阶段多信道协议还是异步分裂阶段多信道协议，以及分配和不分配控制信道传输数据状态选择相应的吞吐量公式进行计算，前提是有v个可用信道，v≥2；对于同步分裂阶段多信道协议和异步分裂阶段多信道协议处于分配控制信道传输数据状态，采用的吞吐量计算式为S=v·E[P]·fΣi=1vTRTS/CTS_i+F0对于异步分裂阶段多信道协议处于不分配控制信道传输数据状态，采用的吞吐量计算式为S=E[P]TRTS/CTS_v输出结果模块：用于输出计算结果。...

【技术特征摘要】
1.基于IEEE802.11的分裂阶段多信道协议吞吐性能分析系统，其特征是包括：输入参数模块：用于输入计算分裂阶段多信道协议吞吐量所需的原始参数；同步和异步SP识别模块：用于识别是同步分裂阶段多信道协议还是异步分裂阶段多信道协议，识别依据是否在统一的传输时间段内传输数据，在统一的传输时间段内传输数据的是同步分裂阶段多信道协议，否则是异步分裂阶段多信道协议；异步SP状态判断模块：用于判断异步分裂阶段多信道协议处于分配控制信道传输数据状态，还是处于不分配控制信道传输数据状态，判断依据为下式上式中，TBD是信道切换所需时间；F0是n个站点竞争信道时出现一对站点发送数据所需要的时间；TRTS/CTS是n个站点竞争信道时出现一对站点成功RTS/CTS交互所需的平均时间；如果上式成立，则处于不分配控制信道传输数据状态；如果上式不成立，则处于分配控制信道传输数据状态；模型分析模块：根据同步分裂阶段多信道协议还是异步分裂阶段多信道协议，采用相应的性能分析模型；吞吐量计算模块：根据可供使用的信道数量、同步分裂阶段多信道协议还是异步分裂阶段多信道协议，以及分配和不分配控制信道传输数据状态选择相应的吞吐量公式进行计算，前提是有v个可用信道，v≥2；对于同步分裂阶段多信道协议和异步分裂阶段多信道协议处于分配控制信道传输数据状态，采用的吞吐量计算式为上式中，v是可用信道数量；E[P]是数据帧有效载荷值；f是信道速率；TRTS/CTS是n个站点竞争信道时出现一对站点成功RTS/CTS交互所需的平均时间；F0是n个站点竞争信道时出现一对站点发送数据所需要的时间；对于异步分裂阶段多信道协议处于不分配控制信道传输数据状态，采用的吞吐量计算式为上式中，E[P]是数据帧有效载荷值；TRTS/CTS是n个站点竞争信道时出现一对站点成功RTS/CTS交互所需的平均时间；v是可用信道数量；输出结果模块：用于输出计算结果。2.如权利要求1所述的基于IEEE802.11的分裂阶段多信道协议吞吐性能分析系统，其特征是：原始参数包括与IEEE802.11标准中不同物理层技术所对应的DIFS、RTS、CTS、ACK、数据帧长、时隙和信道切换所需时间TBD参数，以及信道速率f、可用信道数量v和站点数n。3.基于IEEE802.11的分裂阶段多信道协议吞吐性能分析方法，其特征是按如下步骤：①输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：严军荣，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：