OFDM符號(hào)特性對(duì)DCF性能影響研究*

方 飛，毛玉明

(1.電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，四川 成都 611731；2.內(nèi)江師范學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641110)

OFDM符號(hào)特性對(duì)DCF性能影響研究*

方 飛1,2，毛玉明1

(1.電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，四川 成都 611731；2.內(nèi)江師范學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641110)

認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)由于使用信道頻段的長(zhǎng)時(shí)延特性，OFDM符號(hào)時(shí)間及Slottime均較大，使得CSMA/CA協(xié)議中的SIFS等參數(shù)值增大。另外，隨著無線局域網(wǎng)絡(luò)物理層速率的提高，每個(gè)OFDM符號(hào)攜帶的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)加大。為評(píng)估物理層長(zhǎng)時(shí)延及高速環(huán)境下的DCF性能，基于二維Markov模型得出了CSMA/CA系統(tǒng)吞吐量表達(dá)式，數(shù)學(xué)分析表明系統(tǒng)吞吐量主要由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、OFDM攜帶信息比特?cái)?shù)、Slottime及OFDM符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度決定。理論計(jì)算及仿真測(cè)試結(jié)果顯示，OFDM攜帶信息比特?cái)?shù)越多，Slottime越大，OFDM符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度越長(zhǎng)，CSMA/CA的吞吐量性能越低。

OFDM；CSMA/CA；吞吐量；時(shí)延特性

1 引言

基于IEEE 802.11[1]標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)WLAN (Wireless Local Area Network)由于其靈活的接入方式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。為適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸率的需求，IEEE 802.11組織在結(jié)合物理層技術(shù)更新的基礎(chǔ)上，分別在1999年和2003年提出了802.11a[2]及802.11g[3]標(biāo)準(zhǔn)，物理層均采用了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)，數(shù)據(jù)速率也從最先的1 Mbps提高到了54 Mbps。為了獲得與千兆以太網(wǎng)絡(luò)相似數(shù)據(jù)傳輸率，IEEE的無線局域網(wǎng)絡(luò)組織IETF于2009年9月發(fā)布了IEEE 802.11n[4]草案，該標(biāo)準(zhǔn)在20 M/40 M帶寬下，采用4×4 MIMO(Multi-Input Multi-Output)，數(shù)據(jù)速率最高可以達(dá)到600 Mbps，IEEE無線局域網(wǎng)絡(luò)工作組又于2012年5月推出了IEEE 802.11-2012版[5]，力圖使WLAN的物理層數(shù)據(jù)速率達(dá)到1 Gbps。

基于802.11的WLAN的MAC(Medium Access Control)層采用CAMS/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)來實(shí)現(xiàn)對(duì)信道的競(jìng)爭(zhēng)。Bianchi G在文獻(xiàn)[6]中開創(chuàng)性地提出采用二維Markov模型來描述CSMA/CA的接入行為過程?；谒难芯?，許多學(xué)者分析了DCF(Distributed Coordinate Function)協(xié)議的相關(guān)性能并提出了改進(jìn)方案[7, 8]。隨著802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)的WLAN的廣泛使用，部分學(xué)者也對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)下的WLAN吞吐性能及時(shí)延特性進(jìn)行了分析研究[9～11]，研究結(jié)果表明，在數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度小于1 000字節(jié)情況下，RTS/CTS性能低于Basic模式。隨著物理層速率的進(jìn)一步提高，OFDM符號(hào)攜帶信息比特的數(shù)量進(jìn)一步增大，有必要對(duì)高速環(huán)境下基于OFDM技術(shù)的信道吞吐量進(jìn)行研究。

另外，隨著認(rèn)知無線電技術(shù)的發(fā)展，與其它主用戶共享某些頻段資源的無線通信技術(shù)得到廣泛關(guān)注，最典型的是無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。由于受信道的傳播時(shí)延特性影響，OFDM符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度增大，aSlottime、SIFS(Short InterFrame Space)時(shí)間相應(yīng)增加。在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中，MAC協(xié)議的研究基本上都考慮采用時(shí)隙ALOHA協(xié)議，而非傳統(tǒng)的CSMA/CA協(xié)議。因此，需要對(duì)OFDM新的應(yīng)用環(huán)境下DCF的性能進(jìn)行研究。本文旨在研究高速及長(zhǎng)OFDM符號(hào)時(shí)間物理信道環(huán)境下MAC協(xié)議的性能問題。

2 CSMA/CA原理及性能分析

基于IEEE 802.11的 WLAN的媒體接入控制MAC層主要采用分布式協(xié)調(diào)功能DCF來完成節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的訪問。DCF是一種以CSMA/CA為基礎(chǔ)的分布式接入控制機(jī)制。其定義了Basic和RTS(Request To Send)/CTS(Clear To Send)兩種接入模式，并采用二進(jìn)制指數(shù)回退算法隨機(jī)接入信道。在基本模式下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送, 接收節(jié)點(diǎn)正確接收數(shù)據(jù)后，間隔SIFS時(shí)間返回ACK 幀確認(rèn)。而在RTS/CTS 模式下，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)首先在信道上通過RTS/CTS 幀的信息交換，競(jìng)爭(zhēng)信道的預(yù)約占用權(quán)，成功完成RTS/CTS 交互后網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)節(jié)點(diǎn)正確接收到來自其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的MAC幀時(shí)，節(jié)點(diǎn)提取攜帶在MAC幀頭的持續(xù)時(shí)間信息并獲得信道將被占用的時(shí)間長(zhǎng)度，并利用該時(shí)間設(shè)置其網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV(Network Allocation Vector)。

為了減少信道競(jìng)爭(zhēng)沖突的發(fā)生，DCF 采用了二進(jìn)制指數(shù)退避算法。分析采用了Bianchi G在文獻(xiàn)[6]中分析DCF時(shí)提出的離散Markov鏈分析方法。考慮一個(gè)有n個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)長(zhǎng)度無限，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)分組后，其總有新的數(shù)據(jù)分組等待傳輸。另外，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)分組重傳或連續(xù)的包傳輸之前，都必須進(jìn)行回退，等待一個(gè)隨機(jī)回退時(shí)間。為研究方便，采用一個(gè)離散的整數(shù)對(duì)時(shí)間進(jìn)行標(biāo)注，設(shè)t和t+1代表兩個(gè)連續(xù)時(shí)隙的起始時(shí)刻，用b(t)表示一個(gè)給定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的回退計(jì)數(shù)器的值。因此，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的回退計(jì)數(shù)值依賴于其傳輸歷史及歷經(jīng)的時(shí)隙數(shù)。為表示方便，定義W=CWmin，設(shè)m為最大回退階數(shù)，CWmax=2mW窗口回退最大值。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在新包發(fā)送時(shí)，其回退階初始化為0，回退窗口為CWmin，每發(fā)生一次重傳，則將其擴(kuò)大為原先的2倍,用Wi表示某一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于回退階i的回退窗口值，則:

Wi=2iW,0≤i≤m

(1)

再設(shè)隨機(jī)過程s(t)∈(0,…,m)表示給定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻t的回退階數(shù)。另外，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在s(t)=i,i∈(0,m)發(fā)生沖突的概率為相互獨(dú)立恒定P。依據(jù)獨(dú)立性假設(shè)，可以用二維離散馬爾可夫模型{s(t),b(t)}來描述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的回退過程。

(2)

其中，Q(i,0)表示回退計(jì)數(shù)器i時(shí)的發(fā)送概率，Q(0,0)表示回退計(jì)數(shù)器0時(shí)的發(fā)送概率。則信道的吞吐量表示為:

(3)

其中，Ptr表示在某時(shí)隙至少有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母怕剩琍s表示該時(shí)隙上傳輸成功的概率。Pidle表示信道空閑的概率，Psucc表示信道成功傳輸?shù)母怕?，Pcoll表示信道發(fā)生沖突的概率。

(4)

(5)

對(duì)式(3)進(jìn)行整理，得：

(6)

其中，Ts、Tc、E[Pdata]及σ均是常量。要使S獲得最大值，只需下列表達(dá)式值最大：

(7)

3 OFDM攜帶信息量對(duì)DCF吞吐量的影響

3.1 802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)下DCF性能

IEEE802.11a/g在物理層均使用了OFDM調(diào)制方式，每個(gè)OFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間為4μs。20MHz信道被劃分成52個(gè)有效子載波，其中48個(gè)子載波用于數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)OFDM符號(hào)包含216bit數(shù)據(jù)。802.11a在其數(shù)據(jù)幀尾部增加了6bit的數(shù)據(jù)以表示幀結(jié)束，802.11g則在每個(gè)幀結(jié)束部分增加了6μs的信號(hào)擴(kuò)展。為簡(jiǎn)化分析，若無特殊說明，數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)設(shè)置為1 000Byte。IEEE802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

Table 1 IEEE 802.11a/g parameters

考慮到在無802.11b節(jié)點(diǎn)情況下，802.11g與802.11a 具有相同的性能，在下面的分析中僅以802.11a為例進(jìn)行分析。由文獻(xiàn)[2]知,802.11a數(shù)據(jù)幀的PLCP頭部長(zhǎng)度為20 μs，其中前導(dǎo)持續(xù)時(shí)間為16 μs，SIGNAL持續(xù)時(shí)間為4 μs。RTS、CTS和ACK幀長(zhǎng)分別為20字節(jié)、14 字節(jié)及14字節(jié)，而一個(gè)OFDM符號(hào)可以攜帶216 bit的數(shù)據(jù)，均只需要一個(gè)OFDM符號(hào)即可，各部分對(duì)應(yīng)的傳輸時(shí)間為：

(8)

(9)

同理，對(duì)于Basic模式，有：

(10)

(11)

當(dāng)n較大并且趨向于∞時(shí)，

Ptr=1-(1-τ)n≈

(12)

系統(tǒng)最大吞吐量為：

(13)

使用表1所示的參數(shù)，數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度為1 000字節(jié)，計(jì)算得到的Basic模式和RTS/CTS模式下各參數(shù)值如表2所示。

Table 2 Correlation parameters of two patterns

Table 3 Simulation parameters

利用MATLAB計(jì)算分析工具，得到數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)為1 000字節(jié)、1 500字節(jié)兩種包長(zhǎng)環(huán)境下，802.11a/g在Basic和RTS/CTS兩種模式下，不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)情況下最大的理論吞吐量，如圖1所示。另外，為測(cè)試基于IEEE 802.11a的WLAN的MAC協(xié)議實(shí)際性能，應(yīng)用MATLAB對(duì)RTS/CTS模式和Basic模式下的信道吞吐量進(jìn)行了仿真。仿真基本參數(shù)設(shè)置如表3所示，沖突避免過程采用二進(jìn)制指數(shù)回退算法。另外，系統(tǒng)的最小窗口CWmin=32，最大回退窗口值CWmax=1 024。仿真結(jié)果圖2所示。

Figure 1 Maximum theoretical throughout vs nodes

Figure 2 Throughout vs nodes in two patterns

從圖1可以看出，在IEEE802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)下，當(dāng)數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)小于1 500字節(jié)時(shí)，RTS/CTS模式性能低于Basic模式性能，且數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度越小，RTS/CTS性能越低。圖2的仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)吞吐量不但受到數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度的影響，而且與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)有關(guān)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)越大，信道吞吐量越低。另外，RTS/CTS與Basic模式相比，Basic模式受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的影響更大。

為測(cè)試RTS/CTS模式和Basic模式下數(shù)據(jù)包長(zhǎng)對(duì)吞吐量的影響，在MATLAB平臺(tái)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖3a和圖3b所示。仿真結(jié)果和理論計(jì)數(shù)都表明，數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度越大，信道吞吐量越大。

Figure 3 Throughout vs length of packets in two patterns

3.2 高速環(huán)境下OFDM對(duì)DCF吞吐量的影響

802.11n由于在物理層采用了信道聚合技術(shù)，將兩個(gè)20MHz信道合并成40MHz信道。40MHz頻段內(nèi)數(shù)據(jù)子載波達(dá)到108個(gè)，若使用4×4天線，可使用每個(gè)OFDM符號(hào)攜帶648bit信息，再采用5/6編碼器，信道速率可達(dá)到540Mbps。若物理層采用高達(dá)80MHz的頻譜聚合技術(shù)和高達(dá)8×8的SU-MIMO(Simple-UserMIMO)與MU-MIMO(Multi-UserMIMO)技術(shù)，信道傳輸速率超過1Gbps。

然而，從圖4的分析可以看出，雖然802.11n的物理層速率比802.11a提高了近10倍，達(dá)到600Mbps，但若仍然使用CSMA/CA機(jī)制，系統(tǒng)吞吐量并不能得到顯著的提高。由于為了解決隱藏網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的問題，RTS/CTS幀傳輸需采用與802.11a/g相同的方式，其時(shí)間約為24μs，另外為實(shí)現(xiàn)信道狀態(tài)的檢測(cè)，SIFS和DIFS值也必須保持與802.11a/g一致，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上提高的只是數(shù)據(jù)的傳輸速率。由式(6)可知，物理層速率的提高只是減小了分子部分PsPtrE[Pdata]和分母PtrPsTs。從圖4b可以看出，傳輸有效數(shù)據(jù)的比例隨傳輸速率的增加而減小。正因如此，IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)提出了使用幀聚合的方式來提高信道吞吐量。

Figure 4 CSMA/CA performance differences at high rate vs low rate

為測(cè)試OFDM符號(hào)攜帶不同信息比特情況下的信道吞吐量，分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為5及50，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)為500Byte及1 500Byte場(chǎng)景進(jìn)行仿真。RTS/CTS模式和Basic模式下CSMA/CA的信道吞吐量分別如圖5a和圖5b所示。從圖5中可以看出，每個(gè)OFDM符號(hào)攜帶的信息比特越多，信道的吞吐量就越低。在OFDM符號(hào)攜帶信息比特相同的情況下，數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度越大，信道的吞吐量越高。從圖5a可出看出，RTS/CTS模式下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)吞吐量的影響較小。與此對(duì)應(yīng)，Basic模式下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的吞吐量影響較大，如圖5b所示。另外，從圖5可以看出，當(dāng)OFDM符號(hào)攜帶的數(shù)據(jù)比特超過500bit時(shí)，RTS/CTS模式的信道吞吐量已經(jīng)小于Basic模式的信道吞吐量。并且，當(dāng)OFDM符號(hào)攜帶的數(shù)據(jù)比特超過1 000bit(125字節(jié))時(shí)，兩種模式的信道吞吐量小于0.368。

Figure 5 Throughout vs OFDM symbol carried bits

根據(jù)美國(guó)MCI主干網(wǎng)上傳送分組的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[12, 13]和FraleighC等人[13]在Sprint骨干網(wǎng)對(duì)分組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，大約有60%的分組為44Byte(即它們攜帶的數(shù)據(jù)都是TCP的確認(rèn)報(bào)文段)；數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度在44Byte～500Byte的數(shù)據(jù)約占15%，且近似服從均勻分布；大約有15%的分組為576Byte左右的長(zhǎng)度(即IP數(shù)據(jù)報(bào)的默認(rèn)長(zhǎng)度)；大約有10%的分組為1 500Byte；超過1 500Byte的分組數(shù)是很少的。當(dāng)物理層速率到達(dá)600Mbps時(shí)，使用時(shí)間長(zhǎng)度為4μs的OFDM符號(hào)，每個(gè)OFDM符號(hào)可以攜帶24 00bit(300Byte)的數(shù)據(jù)。這表明絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)只需要一個(gè)OFDM符號(hào)，甚至一個(gè)OFDM符號(hào)可以攜帶多個(gè)數(shù)據(jù)分組的信息。圖5表明，當(dāng)數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度小于500字節(jié)時(shí)，無論采用RTS/CTS模式還是Basic模式，也無論系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)如何，信道的利用率都是非常低的，信道的有效吞吐量均小于0.35。

4 OFDM符號(hào)時(shí)間大小對(duì)CSMA/CA吞吐量的影響

物理層傳輸方案主要受限于用戶需求和傳輸信道特性。現(xiàn)今的WLAN物理頻段主要使用了2.4GHz(如802.11、802.11b/g)、5GHz頻段(如802.11a)。受信道衰落和多徑效應(yīng)的影響，理論上，使用AP方式的WLAN在室內(nèi)的覆蓋半徑為100m，室外為300m。而基于頻譜認(rèn)知技術(shù)的動(dòng)態(tài)頻譜共享無線通信網(wǎng)絡(luò)利用公共電視網(wǎng)絡(luò)的694～806MHz無線頻段資源，以實(shí)現(xiàn)在3km半徑內(nèi)低速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線接入。在3km的典型通信距離下，使用無線廣播信號(hào)的頻段，依據(jù)清華大學(xué)實(shí)測(cè)DVB(DigitalVideoBroadcasting)信道[14]特性，DVB信道最大時(shí)延可達(dá)近27μs，這就要求OFDM符號(hào)循環(huán)前綴長(zhǎng)度不少于27μs；而3km的小區(qū)覆蓋半徑，其傳播時(shí)延為10μs，上下行的切換保護(hù)間隔至少為20μs。由WLAN標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)SIFS和Slottime的定義：

aSIFSTime=aRxRFDelay+aRxPLCPDelay+

aMACProcessingDelay+aRxTxTurnaroundTime

aSlotTime=aCCATime+aRxTxTurnaroundTime+

aAirPropagationTime+aMACProcessingDelay

(14)

依據(jù)式(14)和應(yīng)用場(chǎng)景中信道的特性，動(dòng)態(tài)頻譜共享無線網(wǎng)絡(luò)中的SIFS至少大于54 μs，時(shí)隙時(shí)間長(zhǎng)度Slottime(即回退時(shí)間單位時(shí)間σ)也不小64μs。

(15)

(16)

式(15)可表示為：

(17)

依據(jù)式(17)，系統(tǒng)最大吞吐量與時(shí)隙σ大小成反比，隨著σ的增加，系統(tǒng)最大理論吞吐量減小。為測(cè)試時(shí)隙時(shí)間σ對(duì)信道吞吐量的影響，利用MATLAB仿真平臺(tái)對(duì)不同σ情況下信道吞吐量進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置如下：(1) 物理層仍采用OFDM調(diào)制方式；(2)數(shù)據(jù)速率54Mbps；(3)數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度分為500Byte、1 000Byte及1 500Byte三種情況；(4)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為20。仿真結(jié)果如圖6所示。

Figure 6 Throughout vs time of Slottime

圖6的仿真結(jié)果表明，無論是RTS/CTS模式還是Basic模式，時(shí)隙Slottime越長(zhǎng)信道吞吐量越小。在同一模式下數(shù)據(jù)分組越長(zhǎng)，信道吞吐量越高。受信道多徑效應(yīng)和多普勒頻移的影響，Slottime、SIFS及OFDM符號(hào)長(zhǎng)度會(huì)同時(shí)受到影響，而三個(gè)參數(shù)的具體值由物理層確定。先假設(shè)SIFS及時(shí)隙時(shí)間Slottime與802.11a相同，數(shù)據(jù)速率確定為54 Mbps。依據(jù)式(4)，相應(yīng)幀傳輸時(shí)間為：

(18)

其中，Tofdm為OFDM符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度，Nofdm為OFDM符號(hào)的個(gè)數(shù)，Sofdm為每個(gè)OFDM符號(hào)攜帶的信息比特?cái)?shù)。

在MATLAB平臺(tái)下對(duì)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度與系統(tǒng)吞吐量關(guān)系進(jìn)行仿真，仿真場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置如下：(1) 數(shù)據(jù)速率為54Mbps；(2)數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度分為500Byte、1 000Byte及1 500Byte三種情況；(3)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為20；(4)其它與OFDM符號(hào)長(zhǎng)度無關(guān)的參數(shù)與802.11a一致。仿真結(jié)果如圖7所示。仿真結(jié)果顯示，在Basic和RTS/CTS模式下，隨著OFDM符號(hào)長(zhǎng)度的增加，吞吐量呈階梯狀下降，并出現(xiàn)多處拐點(diǎn)現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诜抡嬷袛?shù)據(jù)速率是確定的，而OFDM符號(hào)攜帶的信息比特(bit)將隨OFDM符號(hào)長(zhǎng)度的增加而增加，而吞吐量又是按照傳輸數(shù)據(jù)所占比例來計(jì)算的。比較圖7a和圖7b的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同樣包長(zhǎng)度，OFDM符號(hào)攜帶信息也相同的情況下，Basic模式吞吐量高于RTS/CTS吞吐量。結(jié)合圖6中Slotime對(duì)系統(tǒng)性能影響，當(dāng)信道的傳輸時(shí)延較大時(shí)，DCF的性能較低。

Figure 7 Throughout vs time length of OFDM symbol

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)學(xué)分析表明，基于DCF的MAC協(xié)議的系統(tǒng)吞吐量主要由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、OFDM攜帶信息比特?cái)?shù)、Slottime及OFDM符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度決定。而理論計(jì)算及仿真測(cè)試結(jié)果顯示， OFDM攜帶信息比特?cái)?shù)越多，Slottime越大，OFDM符號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度越長(zhǎng)，CSMA/CA的吞吐量性能越低。另外，隨著物理層速率的提高，RTS/CTS模式由于RTS、CTS及ACK幀的交互幀而造成信道吞吐量下降，其性能低于Basic模式。同時(shí)，當(dāng)物理層速率提高到1 Gbps時(shí)，一個(gè)OFDM符號(hào)攜帶的信息比特超過4 000 bit，現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)中的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)可以使用一個(gè)OFDM符號(hào)即可完成數(shù)據(jù)的傳輸，造成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間小于時(shí)隙時(shí)間。Basic模式退化為帶應(yīng)答的時(shí)隙ALOHA協(xié)議。而在長(zhǎng)時(shí)延信道環(huán)境下，由于時(shí)隙Slottime和OFDM符號(hào)時(shí)間都較長(zhǎng)，基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA協(xié)議已經(jīng)不能再適用于環(huán)境，此時(shí)，時(shí)隙ALOHA協(xié)議及其改進(jìn)算法也就成為一種可能。

[1] IEEE Std 802.11TM-2007,IEEE standard for information technology—Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area networks—Specific requirements Part 11:Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications[S].2007.

[2] IEEE 802.11a-1999,IEEE Standard for Information technology—Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area networks—specific requirements Part 11:Wireless LAN medium access control(MAC) and physical layer (PHY) specifications:High-speed physical layer in the 5 GHZ band[S].1999.

[3] IEEE 802.11g-2003,Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications,Amendment 4:Further higher data rate extension in the 2.4 GHz band[S].2003.

[4] IEEE 802.11n-2009,Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications,Amendment 5:Enhancements for higher throughput[S].2009.

[5] IEEE Std 802.11TM-2012,IEEE standard for information technology—Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area networks—Specific requirements Part 11:Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications[S].2012.

[6] Bianchi G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2000, 18(3):535-547.

[7] Shi C,Dai X,Liang P,et al.Adaptive access mechanism with optimal contention window based on node number estimation using multiple thresholds[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2012,11(6):2046-2055.

[8] Beakcheol J,Sichitiu M L. IEEE 802.11 saturation throughput analysis in the presence of hidden terminals[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2012, 20(2):557-570.

[9] Chen Yu-zhong, Yang Bing-qing, Kai Cai-hong,et al. Saturation throughput and delay analysis of DCF in IEEE 802. 11a WLAN[J]. Journal of Applied Sciences, 2006,24(2):165-170.(in Chinese)

[10] Gao Feng, Gao Ze-hua, Wen Liu, et al.Performance analysis of WLAN based on IEEE 802.11a[J]. Journa l of Beijing University of Posts and Telecommunications,2010,33(6):43-47.(in Chinese)

[11] Jiang Han-hong, Wang Zheng, Li Qing,et al. Analysis and test of WLAN based on IEEE, 802.11g standard[J]. Journal of Wuhan University of Technology,2005, 27(4):86-88.(in Chinese)

[12] Claffy K, Miller G, Thompson K. The nature of the beast:Recent traffic measurements from an Internet backbone[C]∥Proc of INET’98,2013:1.

[13] Fraleigh C, Moon S, Lyles B, et al. Packet-level traffic measurements from the Sprint IP backbone[J]. IEEE Network, 2003,17(6):6-16.

[14] Tang Shi-gang, Pan Chang-yong, Gong Ke. Channel modeling based on measure of terrestrial digital TV broadcasting[J]. Video Engineering, 2005(5):8-9.(in Chinese)

附中文參考文獻(xiàn)：

[9] 陳羽中, 楊丙卿, 開彩紅,等. IEEE 802.1a WLAN中DCF性能分析[J]. 應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào),2006, 24(2):165-170.

[10] 高峰, 高澤華, 文柳,等. IEEE 802.11a DCF協(xié)議吞吐量與時(shí)延性能分析[J]. 北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2010, 33(6):43-47.

[11] 江漢紅, 王征, 李慶,等. 基于IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)的WLAN性能分析與測(cè)試[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005, 27(4):86-88.

[14] 唐世風(fēng)，潘長(zhǎng)勇，龔克.數(shù)字電視地面廣播價(jià)信道的測(cè)量與建模[J]. 電視技術(shù)，2005(5):8-9.

FANG Fei,born in 1974,PhD candidate,associate professor,CCF member(E200019417M)，his research interest includes cognitive radio networks.

毛玉明(1956-),男，四川德陽(yáng)人，教授，研究方向?yàn)閷拵ㄐ啪W(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議分析。E-mail:ymmao@uestc.edu.cn

MAO Yu-ming,born in 1956,professor,his research interests include broadband communication network, network architecture and protocol analysis.

Research on the impact of OFDM symbol characteristics on DCF performance

FANG Fei1,2,MAO Yu-ming1

(1.School of Communication and Information Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731;2.College of Engineering and Technology,Neijiang Normal University,Neijiang 641110,China)

For cognitive wireless networks, due to the long time delay characteristics of channel frequency,both OFDM symbol time and slot time are big,which makes the SIFS increase in the CSMA/CA.In addition,with the improvement of the data rate on physical layer in wireless local area network,the number of data bits carried by each OFDM symbol increase.To assess the physical long extension performance of DCF under the environment of high speed model,we obtain the CSMA/CA system throughput expression based on the two-dimensional Markov model. Mathematical analysis shows that the throughput is mainly determined by the node number of the network,packet length,the number bits carried by OFDM,the slot time and OFDM symbol time.Theoretical calculation and simulation results show that as the data bits of OFDM increase,the slot time and the OFDM symbols are longer. And the throughput performance of CSMA/CA is also degraded.

OFDM;CSMA/CA;throughput;delay characteristics

1007-130X(2015)03-0471-08

2013-11-11;

2014-01-05基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAK12B02)；四川省教育廳資助項(xiàng)目(13ZA0005)

TN929.5

A

10.3969/j.issn.1007-130X.2015.03.010

方飛(1974-),男，四川南江人，博士生，副教授，CCF會(huì)員(E200019417M)，研究方向?yàn)闊o線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。E-mail:fangfei_nj@163.com

通信地址：641110 四川省內(nèi)江市內(nèi)江師范學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院

Address:College of Engineering and Technology,Neijiang Normal University,Neijiang 641110,Sichuan,P.R.China