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WLAN网络信道接入机制建模
1. 背景
无线局域网#xff08;WLAN, wireless local area network#xff09;也即Wi-Fi广泛使用#xff0c;提供低成本、高吞吐和便利的无线通信服务。基本服务集#xff08;BSS, basic service set#xff09;是WLAN的…问题回顾
WLAN网络信道接入机制建模
1. 背景
无线局域网WLAN, wireless local area network也即Wi-Fi广泛使用提供低成本、高吞吐和便利的无线通信服务。基本服务集BSS, basic service set是WLAN的基本组成部分。处于某一特定覆盖区域内的站点STA, station与一个专职管理BSS的无线接入点AP, access point组成一个BSS称STA关联到AP。常见的AP有无线路由器、WiFi热点等手机、笔记本、物联设备等是STA。AP给STA发送数据叫作下行方向反之是上行方向本文将AP和STA统称为节点每个节点的发送和接收不能同时发生。各节点共享信道通过载波侦听多址接入/退避CSMA/CA, carrier sense multi-access and collision avoidance的机制避免冲突称为分布式协调功能DCF, distributed coordination function。 图1.1 WLAN网络
1.1 分布式信道接入和二进制指数退避
DCF机制提供了一种分布式、基于竞争的信道接入功能。可将每个节点接入信道进行数据传输的过程分为3个阶段信道可用评估CCAclear channel assessment、随机回退、数据传输。
1CCA当一个节点打算发送时首先进行一个固定时长的载波侦听这个固定时长被称为DCF帧间距DIFSDCF inter-frame space43μs。如果DIFS时段内接收到的信号能量强度RSSIreceived signal strength indication低于CCA门限-82dBm判断信道为空闲否则判断信道为繁忙。
2随机回退信道空闲时可能有多个节点准备好了数据为避免碰撞节点从[0, CW-1]的均匀分布选取一个随机数作为回退数等待该回退数个时隙长度slotTime9μs随机回退时段时长为回退数乘以slotTime。CW被称为竞争窗口contention window。如果信道在随机回退时段保持空闲则节点开始一次数据传输。在随机回退时段节点持续监听信道如果期间信道变繁忙则节点将回退暂停直到信道在一个DIFS时长重新变为空闲再继续前面没有回退完的时间。
3数据传输回退到0的节点发送一个数据帧接收节点成功接收到数据之后等待短帧帧间距SIFS, Short inter-frame space16μs后回复ACK确认帧32μs。如果发送节点收到ACK则数据发送成功。如果发送数据帧没有被接收节点成功接收或者ACK发送失败或者ACK没有被发送节点收到则数据传输失败发送节点需要在等待超时后重传数据。等待超时时间ACKTimeout为65μs。
随机回退采用二进制指数退避算法确定回退时间。CW的初始值为CWmin每次数据传输失败后重传数据帧时CW翻倍。如果CW达到了CWmax则保持此值直到被重置为止。每次数据传输成功时CW重置开始下一个数据帧的回退。若传输连续失败重传次数达到r后数据帧被丢弃CW重置传输下一个数据帧。可见重传r次时无论成功还是失败CW都会重置。
1.2 基于Markov chain的DCF机制建模和系统性能分析
对于单BSSN个STA给AP发送上行数据Bianchi1998最早基于Markov chain建模。Bianchi模型假设理想信道不因信道质量差而丢包。当2个及以上节点同时回退到0发送数据时由于碰撞而丢包。那么信道可能处于三种状态空闲、成功传输、碰撞如图1.2所示。将每个状态看作一个虚拟时隙那么信道在三种虚拟时隙中转化。将退避器所处的阶数和随机回退数用二维Markov chain表示推导节点在每个虚拟时隙的发送概率τ和发生碰撞的条件概率p从而评估BSS的吞吐[1]。 图1.2 信道状态
Bianchi模型获得了很高的精确度很多工作在此基础上扩展Chatzimisios2002研究了有最大重传次数限制的媒体接入控制MACmedium access control层性能情况[2]。Huang和Ivan Marsic2010介绍了隐藏节点下网络模型和性能分析[3]。Chen2007分析了多速率MAC协议的性能[4]。基于Markov链求解τ和p的推导见附录和参考文献。吞吐是单位时间内发送数据有效载荷的比特数单位bps。吞吐S可以由信道的利用率与物理层速率单位bps的乘积表示 H为数据帧头包括MAC层头和物理PHYphysical层头E[P]为数据帧的有效载荷传输时长E*[P]为发生冲突时较长数据帧的有效载荷传输时长假设所有节点的数据帧长度一样则E[P]与E*[P]相等。PHY头时长固定MAC头和有效载荷的发送时长由其字节长度除以物理层速率得到。
2 WLAN组网中的多BSS建模问题
节点发送数据后电磁波信号在自由空间中传播随着距离的增加能量衰减越严重。周围节点收到该信号后根据RSSI是否高于CCA门限判断信道为忙或闲。一个节点发出信号的RSSI高于CCA门限的区域叫作通信区域位于该通信区域内的节点与该发送节点互听。随着设备数量、应用类型、网络流量的飞速增长AP部署日趋高密如企业办公、工厂、教育场景。如图2.2a所示将信道号为36、44、52、60、149、157的六个信道分配给区域内12个BSS由于可用信道数有限不同的BSS复用同一个信道。同频AP使用相同信道号的AP之间通信区域存在重叠时存在相互干扰问题叫作同频干扰。同频干扰是WLAN组网最显著的干扰问题本题不考虑异频干扰的情况。家庭或宿舍等单BSS场景中STA距离AP较近RSSI较强互听假设理想信道不会因信道质量差而丢包只有在2个及以上STA同时发送数据时导致碰撞而丢包。而在教学区等场景同频多BSS场景的情况更复杂。 图2.2 (a) AP密集部署 b两同频BSS场景 c三同频BSS场景
首先并不是所有的节点之间都能互听。假定AP和STA的发射功率相同由于节点间距离不同信号衰减不同因此RSSI不同。节点在DIFS时长侦听信号的RSSI CCA门限时节点才认为信道繁忙否则认为信道空闲启动随机回退发送数据。其次当有多个BSS的节点同时发送数据叫作并发传输时其成功与否与信干比SIR, signal to interference ratio有关若SIR足够高则信号能被成功解调若SIR很低则信号解调失败。信干比是信号强度与干扰强度的比值单位是dBRSSI的单位是dBm则SIR可以用信号RSSI与干扰信号RSSI的差值表示本文中不考虑环境噪声。
发送节点间能否互听并发传输时是否成功是进行系统建模需要考虑的两个先决条件前者决定了退避计数器能否回退后者决定了一次并发传输是成功还是失败从而直接影响成功、失败和空闲三种状态之间的转换。
2.1 两BSS互听
考虑2个BSS互听的场景仅下行即两个AP分别向各自关联的STA发送数据如图2.2b所示。以AP1-STA1方向的数据传输为例其会受到相邻BSS2的干扰对于STA1来说AP1-STA1是信号AP2-STA1是干扰。对于AP2-STA2情况类似。假设ACK一定能发送成功。根据节点之间的RSSI估算两个AP并发时的SIR考虑不同的情景进行建模。
问题1:
假设AP发送包的载荷长度为1500Bytes1Bytes 8bitsPHY头时长为13.6μsMAC头为30BytesMAC头和有效载荷采用物理层速率455.8Mbps发送。AP之间的RSSI为-70dBm。大部分时候只有一个AP能够接入信道数据传输一定成功。当两个AP同时回退到0而同时发送数据时存在同频干扰。假设并发时的SIR较低导致两个AP的数据传输都失败。请对该2 BSS系统进行建模用数值分析方法求解评估系统的吞吐。参数参考附录4可编写仿真器验证模型精确度
问题2
假设两个AP采用物理层速率275.3Mbps发送数据并发时两个终端接收到数据的SIR较高两个AP的数据传输都能成功。其他条件同问题1。请对该2 BSS系统进行建模用数值分析方法求解评估系统的吞吐。参数参考附录4可编写仿真器验证模型精确度
2.2 两BSS不互听
在AP密集部署时同频AP之间的距离远AP间RSSI低于CCA门限不互听。AP认为信道空闲因此总是在退避和发送数据。这是Wi-Fi里常见的隐藏节点问题详见附录。可以预见的是有很大概率出现二者同时或先后开始发送数据的情况。接收机解调信号时PHY头的前面部分码元用于Wi-Fi信号识别、频率纠错、定时等功能叫作前导Preamble。如图2.3所示当信号包先到时接收机先解信号包的Preamble并锁定干扰包被视为干扰信号包是否接收成功由SIR决定当干扰包先到时接收机先锁定到干扰包的Preamble错过信号包的Preamble导致信号包无法解调。小信号屏蔽算法能有效解决这个问题因为信号包RSSI一般大于邻小区的干扰包接收机在信号包到达时转为锁定RSSI更大的信号包此时信号包能否接收成功同样也由SIR决定。由此可以得知在SIR比较小的情况下如果信号包和干扰包在时间上有如图2.3的交叠时一定会导致本次传输的失败。 图2.3 并发传输交叠示意图
问题3
假设AP间RSSI为-90dBmAP发送包的载荷长度为1500BytesPHY头时长为13.6μsMAC头为30BytesMAC头和载荷采用物理层速率455.8Mbps发送。Bianchi模型假设理想信道实际上无线传输环境是复杂多变的当有遮挡物或者人走动时无线信道都可能会快速发生比较大的变化。实测发现当仅有一个AP发送数据时即便不存在邻BSS干扰也会有10%以内不同程度的丢包。假设因信道质量导致的丢包率 。当两个AP发包在时间上有交叠时假设SIR比较小会导致两个AP的发包均失败。请对该2 BSS系统进行建模尽量用数值分析方法求解评估系统的吞吐。参数参考附录4和6可编写仿真器验证模型精确度
2.3 三BSS
问题4
考虑3BSS场景如图2.2c所示其中AP1与AP2之间AP2与AP3之间RSSI均为-70dBmAP1与AP3之间RSSI为-96dBm。该场景中AP1与AP3不互听AP2与两者都互听可以预见的是AP2的发送机会被AP1和AP3挤占。AP1与AP3由于不互听可能同时或先后发送数据。假设三个AP发送包的载荷长度为1500BytesPHY头时长为13.6μsMAC头为30BytesMAC头和载荷采用物理层速率455.8Mbps发送。假设AP1和AP3发包时间交叠时SIR较大两者发送均成功。请对该3BSS系统进行建模尽量用数值分析方法求解评估系统的吞吐。参数参考附录4和6可编写仿真器验证模型精确度
缩略语
APaccess point无线接入点ACKAcknowledgement确认ACKTimeout确认超时BSSbasic service set基本服务集CCAclear channel assessment信道可用评估CSMA/CAcarrier sense multi-access and collision avoidance载波监听多址接入/退避CWcontention window竞争窗口DCFdistributed coordination function分布式协调功能DIFSDCF inter-frame spaceDCF帧间距MACmedium access control媒体控制PHYphysical物理层RSSIreceived signal strength indication接收信号能量强度SIFSshort inter-frame space短帧间距SIRsignal to interference ratio信干比STAstation站点WLANwireless local area network无线局域网
附录
1 随机回退
随机回退采用二进制指数退避算法确定回退时间。CW的初始值为CWmin每次数据传输失败后进行重传时CW翻倍。如果CW达到了CWmax则保持此值直到被重置为止。每次数据传输成功时CW重置开始下一个数据帧的回退。若传输连续失败重传次数达到r后数据帧被丢弃CW重置传输下一个数据帧。可见重传r次时无论成功还是失败CW都会重置。
图3.1以三个节点为例说明。图中CW表示当前阶竞争窗口大小BO表示随机回退过程时退避计数器从[0, CW-1]随机选取的初始值。三个节点的CWmin分别是8、16、32。开始时Station c在发送数据信道繁忙数据发送完成后退避计数器重置。Station a、b和c持续侦听信道DIFS时长信道被检测为空闲三者分别开始随机回退都处于第0阶竞争窗为[0, CWmin - 1]。Station a从[0,7]选择了一个随机数7需要回退7个slotTimeStation b则从[0, 15]选择了随机数12回退Station c从[0,31]选择了随机数16回退显然Station a最先回退到0抢占到信道开始一次数据发送此时Station b和c在其回退过程中由于侦听到信道繁忙随机回退暂停。当Station a发送成功后其竞争窗口重置信道持续DIFS时长空闲后Station a重新从[0,7]选择随机数5回退Station b和c接着暂停前的回退数继续回退。本次Station a和b同时回退到0同时发送数据由于冲突导致发送失败接收节点将不会回复ACKStation a和b在等待ACKTimeout后判断数据发送失败进行重传将竞争窗翻倍再次侦听信道DIFS时长判断信道空闲后Station a从[0,15]选择随机数11回退Station b则从[0,31]选择随机数9回退。需要注意的是图3.1中的一次传输Txtransmission包含了发送一个数据包和接收一个ACK一次collision包含了发送一个数据包和等待ACKTimeout时长。帧序列如图3.2所示一个数据帧包括PHY头、MAC头和有效载荷payload。 图3.1 二进制指数退避过程 图3.2 帧序列a成功发送 b冲突
2 Bianchi模型
令b(t)和s(t)代表t时刻一个节点退避随机过程的退避计数和退避阶数这里的t是一个离散的虚拟时隙的开始时刻。用i表示一个数据的发送次数也叫作阶数r为最大重传次数m是最大退避阶数则CW可用下式表示 二维{b(t), s(t)}随机过程可以用二维Markov chain表示如图3.3所示。 代表二维Markov chain的稳态解i∈[0, m], k∈[0, Wi-1]。 图 3.3 DCF的Markov链模型
p为某个时隙发生碰撞的概率Markov chain一步状态转移概率为 式4中每个式子分别代表一定的物理含义。第一个等式代表未达到重传上限时退避计数器在每个空闲时隙的开始时刻减1的概率是1。第二个等式代表未达到重传上限时当一个数据成功传输后新到达的数据在[0, W0-1]中等概率选一个随机数进行回退。第三个等式代表未达到重传上限时当一个数据第i-1次传输过程发生碰撞节点进入第i阶回退过程并在[0, Wi-1]中等概率选一个随机数进行回退。最后一个等式代表当节点到达最大的传输次数以后无论成功还是失败CW都会重置。
该Markov chain的任意状态之间可达是不可约的。任意状态到另一状态的步长不存在周期。从任何状态出发都能到达另一状态具有常返性。因此该二进制退避过程的非周期不可约Markov chain具有稳态解且所有稳态的概率之和为1。 3 隐藏节点问题
隐藏节点是指在目的接收节点的通信区域内而在其他发送节点的通信区域外的节点这样由于和其他的发送节点互相听不到会导致意外的同时传输而冲突的情况。如图3.4a所示单BSS场景中STA1和STA2分别能够与AP互听而STA1和STA2相距较远。STA1给AP发送上行数据时随着距离的增加信号衰减严重STA2接收到该信号的RSSI低于信道监听CCA门限STA2不在STA 1的通信范围内STA2将无法感知到对方在给AP发送数据判断信道为闲因此二者可能会同时或相继给AP发送数据在接收节点AP处来自STA1和STA2的电磁波信号混叠AP无法正确解码导致数据发送失败。隐藏节点问题是由CSMA/CA机制所引起的。图3.4b是两BSS场景同理由于AP1和AP2相距较远分别不在对方的通信区域因此可能会同时或相继给各自关联的STA发送数据。与单BSS不同的是接收节点有两个接收成功与否与SIR有关。因为当信号包先到时接收机锁定Preamble干扰包被视为干扰SIR高则接收成功否则失败当干扰包先到时接收机先锁定干扰包的Preamble导致错过信号包的Preamble则一定接收失败。
图3.4 隐藏节点问题a单BSS上行b两BSS下行
4 通用参数列表
参数名称值ACK时长32μsSIFS时长16μsDIFS时长43μsSLOT时长9μsACKTimeout时长65μsCW min16CW max1024最大重传次数32
5 发包时长计算公式
6 问题3和4参数
改变竞争窗口和最大重传次数
CW_min163216163216CW_max102410241024102410241024最大重传次数65326532物理层速率286.8Mbps286.8Mbps286.8Mbps158.4Mbps158.4Mbps158.4Mbps
参考文献
[1] Bianchi Giuseppe. IEEE 802.11-Saturation Throughput Analysis [J]. IEEE Communications Letters, 1998, 2(12):318-320.
[2] P. Chatzimisios, V. Vitsas and A. C. Boucouvalas, Throughput and delay analysis of IEEE 802.11 protocol, Proceedings 3rd IEEE International Workshop on System-on-Chip for Real-Time Applications, 2002, pp. 168-174, doi: 10.1109/IWNA.2002.1241355.
[3] Hung, Fu-Yi, and Ivan Marsic. Performance analysis of the IEEE 802.11 DCF in the presence of the hidden stations. Computer Networks 54.15 (2010): 2674-2687.
[4] D. R. Chen and Y. J. Zhang, Is Dynamic Backoff Effective for Multi-Rate WLANs? in IEEE Communications Letters, vol. 11, no. 8, pp. 647-649, August 2007 思路解析 更多经验分享交流加入云顶数模交流群~
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