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使用智能天线的WLAN系统MAC层性能分析
收录时间:2022-11-25 23:03:53  浏览:0
使用智能天线 的 层性能分析 一 统 7 1 l r 藿I n 富 覆 喜 鬃 维普资讯 技 一 一 术 二 二 交 一 流 7 芬 一 一 0 7 Iz 麓 i 一 t I j 尊一 曩 0 0 iz 的一个部分 智能天线系统根据这个估计来定位用户的位置 形成对应的波束 随后在这个波束覆盖的区域建立通信链路 与波束切换天线不同 自适应天线能够准确地估计出用户的 位置 利用基站分配的波束进行上下行链路的通信 通信时波 束直接对准用户 避免或减小了多径形成的可能 也减小了其 他用户 包括小区内和小区间 的干扰 最终降低了发射的功 率 扩大了基站的覆盖范围 提高了小区的容量 波束切换天线虽然性能不如自适应天线阵列 但是相 对于自适应天线阵列它结构简单易与实现 3 WL AN的 MAC层协议 为了解决 WL A N的传输 碰撞 问题 I E E E 8 0 2 1 1定义 了两种机制 即 D C F 和 P C F D C F是基本的 M A C协议 在 A d H o c网和 I n f r a s t r u c t u r e网中超帧 S u p e r F r a m e 的竞 争期 C P C o n t e n t i o n P e r i o d 使 用 支 持异 步 A s y n c h r o n o u s 服务 P C F是 在超帧 的无竞争 期 C F P C o n t e n t i o n F r e e P e r i o d 中使用 支持时限 T i me B o u n d e d 服 务 是一种可选 MA C协议 本文我们主要以 8 0 2 1 1 b 协议 的 D C F机制为基础来分析 比较采用全向天线系统和采用 智能天线系统的性能 3 1 W L AN 中的 DCF机 制及其 性能 分析 3 1 1 WL A N中的 D C F机制 D C F 采用两种方法进行帧的传输 基本访问机制和 R T S C T S机制 基本访问机制就是 C S M A C A A C K协议 在帧传输后 如果在 S I F S时间后没有收到 M A C层的确认 帧 A C K 则认为该帧丢失或碰撞 该帧会按照二进 制退避 B E B 算法进行退避 重传 R T S C T S机制是一种四次握 手机制 发送方在发送数据帧之前 首先发送一个 R T S帧 来预约信道 接收方发 回一个 C T S帧 之后开始进 行数据 帧的发送和 A C K确认 R T S C T S机制解决发送长帧时易 发生碰撞从而导致信道利用率急剧下降的问题和解决 隐 藏终端 问题 通常无线节点通过发送的数据帧长来选择 是否采用 R T S CT S机制 3 1 2 D C F 机制的性能分析 为了方便分析我们做如下的假设 1 信道为理想信道 不考虑传输错误 即忽略信道噪 声造成的比特错误及其引起的帧错误 而只是考虑协议本 身的性能 并且认为由于发送冲突所造成的任意长度的帧 重叠都将 引起帧差错 必须被重发 2 小区内的站点数 目足够多但有限 认为所有站点 的报文分组到达 包括新分组到达和重发分组到达 过程 是泊松过程 3 无论帧传输多少次 其碰撞概率恒定且相互*** 4 不考虑隐藏终端问题和信道捕获效应 5 每个终端始终有帧要发送 即系统 的输入处于饱 和状态 每个终端的输出队列始终非空 6 站点的移动是有限的 忽略站点发送和接收数据 分组 控制帧时的位置变化 系统的归一化吞和和吐率 假设在任意一个时隙内单个站 点发送数据的概率为 7 用户站点数 目为 n 定义冲突概率为除了当前站点传输 外 剩余 n 一 1 个终端 中至少有一个终端也进行传输 的概 率 则有 p 1 一 1 7 1 假设 为在一个时隙中至少有一个帧在传输的概率 n个终端 中 每个终端 以概率 r 发送 则有 尸 尸 至少有一帧传输 l 一 1 一 r 2 定义 为有帧传送时 有且仅有一个帧传送且传送成 功的概率 则有 P 仅 有 一 帧 传 输 有 帧 传 输 旦厂 二 3 1 一 1 一r 显然 尸 仅有一帧传输 尸 仅有一帧传输隋 帧传输 尸 有帧 传输 尸 n r 1 一 r 4 定义归一化系统吞吐率 s为信道上成功传输的有效载 荷 则可以把 s 表示为 Ef 在一个时隙中成功传送的有效载荷 J 二不酊阿 广 一 其 中的时隙长度不是仅仅指的是一个退避 时隙长度 还应考虑因为碰撞或成功传输而导致的等待时间 这里 我 们考虑信道空闲 传输成功和传输失败的情况 一个时隙长 度 的平均值可 以分成三部分 信道空 闲的时间 其概率 为 1 一 P 廿 成功传输 的平均时间 概率为 冲突的平 维普资讯 维普资讯 技 术 二 交 一 流 7 f 系统的负载提高 系统吞吐率的变化要小与不采用智能天 线的系统 即采用智能天线系统后系统归一化吞吐率受用 户数的影响小于不采用智能天线的系统 图 2 是在发送概率为时不采用智能天线的系统以及不 同拥有不同波束数目的智能天线系统的用户数与系统吞吐 量的关系 从图 2中可以看到采用智能天线的系统吞吐率要大于 不采用智能天线的系统 波束的数目越多系统的吞吐率越 大 并且随着用户数增加各个系统的吞吐率的差距也增加 图 2基 本访 问机制 下 用户数 与 系统吞吐 量的 关 系 边为不采用智能天线的系统 右边为采用智能天线 的系统 4 2 R T S CT S机制 下的性 能 比较 其 中我们取 E P I 5 0 0 s n表示用户数 智能天线的波 图 3为采用 R T S C T S机制的系统性能分析 图 3中左 束数目设为 4 图 3 R r S C r S机 制 下发 送概 率与 吞吐 率的 关 系 从图 3中我们可以看到采用智能天线的系统虽然对系 从 图 4中可以看出采用智能天线的系统在用户数较多 统最大吞吐率的提高不是很明显 但是采用了智能天线 以 时候 的吞吐量要远大于不采用智能天线的系统 并且波束 后 系统在高负载时的吞 吐率要好于不采用 智能天线 的系 的数 目越多系统吞吐率越高 统 尤其是当用户数较大的时候 图4 为 不 采 用 智 能 天 线以 及 不 同 波 束 数目 的 智 能 天 线 5 结束语 系统 的吞吐量 与用户数的关系 其 中我们取发送概率 为 EP 1 5 0 0 U s 本文分析了在 8 0 2 1 1 b WL A N中引入智能天线系统以 后 MA C层协议性能的提高 在分析中我们主要是以波束 切换天线为基础进行的分析 而自适应天线的性能应该比 波束切换天线更好 但是相对复杂 从比较的结果可 以看到 不论系统是否采取 R T S C T S机制 智能天线都可以提高系 统的吞吐率 尤其是在负载 比较高的时候效果更加 明显 因 此智能天线无疑是提高无线局域网性能的有效途径之一 参 考文献 图 4 R T S C T S机 制下 用户数 与吞吐 量 的关 系 l R 舶 l B r u M r c C o n t i E n r 0 Gr e g r i I E E E 维普资讯 2 3 8 0 2 1 1 Op t i ma l p e rf o r ma n c e RTS C T S Me c h a n i s m VS B a s i c Ac c e s s J I E E E 2 0 0 2 I E EE S t d 8 0 2 1 1 1 9 9 9 P a r t 1 1 W i r e l e s s L AN Me d i u m Ac c e s s C o n t r o l MA C a n d P h y s i c a l L a y e r P H Y S p e c i f i c a t i o n s i s Au g u s t 1 9 9 9 I EE E S TD 8 0 2 1 l b 1 9 9 9 S p e e d P h y s i c a l La y e r Ex 一 4 5 t e n s i o n i n t h e 2 4 GH z B a n d i s S e p t e mb e r 1 9 9 9 刘乃安 无线局域 网 WL A N 一 原理 技术与应用 M 西 安 电子 科技 大 学 出版社 2 0 0 4 李建东 信息网络理论基础 M 西安 西安电子科技 大 学 出版社 2 o 0 1 6 0 l l 强 一 t 童 0 日本总务省 目前正在制订一项五年计 划 希望这项 于 2 0 0 5年 开始 的 计 划 完成后 实现 日本 固定 电 话 流量 的 全 I P化 据 日本媒 体报 道 日本 总务省计 划投 入 1 0 0亿 日元 约 合 7 5 0 0万欧元 改善 I P电话 网络所用的技术 这份计划 旨在实现 日本固定通话的全 I P化 目前 越来越 多的 日本 传统电话用户改用更为廉价的 I P服务 I P网络能够支撑大 容量的宽带连接 除了费用更为低廉的优点外 它还能为视 频 电话 电视 点播 等 大数据 量新 型服务 的提 供铺 平道路 2 0 0 5年 是执 行 该计 划的 第一 年 总务 省计 划 当年 申请 2 0亿 日元的预算 用于改善现有 I P电话的不足之 处 比如 I P电话尚不能拨打 l 1 0报警号码等紧急呼叫服务 此外 由于基于电脑的技术易于受到***攻击 服务的通话质量 也 是一 个亟 待解 决的 问题 这 项 计 划鼓 励 NT T和 其 他 电话 服 务提 供 商在 所 有 服 务 中都 使 用基 于互联 网的技 术 截 至 2 0 0 4年 6月 底 日本 最 大 的 固 定 电 话 运 营 商 NT T有 5 9 9 5万固话用户 但是该 国移动电话用户却 高达 8 2 7 1万人 由 于固话 业务 不 断萎 缩 NT T 已经 停 止更新 传 统 固话 系统 的 交换机 以及 核 心设备 NT T每 年要 支 出数 亿 日元用于设备升级 早在 2 0 0 2年 NT T就开始***在这方 面的 支 出 目前 NT T 已经推 出 了面向 集 团用 户的 I P电话 服 务 但是该公司还没有承诺在所有的电话服 务中都 采用基 于 互联网的技术 不过 日本总务省官员认为 该公司在 2 0 1 0 年 左 右将 实现 业务 的 全 I P化 因 为届 时 交换 机将 达 到使 用年 限 日本一 家民营 Ya n o研究机构称 如果 NT T从现在开 始向 全 I P系统 转移 到 2 0 0 7年 年底 I P电话 用户将 从 目前 的 6 0 0万增 至 2 7 8 8万人 日本是世界上 I P电话使 用率最高的国家之一 目前的 家
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