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无线局域网MAC层性能分析改进与系统可靠性研究

彭翔宇  
【摘要】: 无线局域网技术将分立的设备通过无线媒体互联,并通过接入点与互联网衔接,使得设备持有者能够在网络覆盖范围内自由移动。随着无线局域网技术的发展,IEEE 802.11协议逐渐成为当前的主流协议,得到了业界的广泛支持,被广泛地应用在人们的工作和生活中。然而,与有线网络相比,无线局域网的应用环境更为复杂,如何提高和优化网络性能也引起了学术界和工业界的广泛关注和深入探讨,对无线局域网媒体访问控制机制的研究具有重要的现实意义。 IEEE 802.11协议在媒体访问控制上的核心思想是通过随机退避机制降低站点间在竞争信道时发生碰撞的概率。本论文在不同信道条件下对无线局域网性能及系统可靠性进行了如下研究: 作为无线局域网性能分析的基础,论文首先推导出理想信道条件下系统主要性能指标的计算方法,包括饱和吞吐率、数据包丢弃概率、平均传输延时与平均丢包时间,并分析了网络中站点数目和数据交换方式对系统性能的影响。 根据上述分析,论文对随机退避机制中竞争窗口的设置算法进行了改进,提出了先线性后指数增长的混合退避算法,以及带慢退避的混合退避算法。改进算法通过在不同的重传阶数适当增大竞争窗口,提高了站点单次退避过程中的空闲时隙率,降低了系统中传输失败次数在总传输次数中所占的比例,从而达到提高系统性能的目的。论文通过建模分析和数值计算验证了改进随机退避机制的有效性,并分析了改进机制中线性增长的斜率和阶数对系统性能的影响。 随后,在误码信道条件下,针对使用RTS/CTS数据交换方式的无线局域网系统,论文建立了新的三维马尔可夫模型,分析了系统的各项性能指标,并探讨了误码率和数据包有效负载长度对系统性能的影响。数值计算与仿真结果的对比,验证了该模型的正确性。同时,研究结果还表明,无法区分传输失败的原因,是造成误码信道下系统性能降低的主要原因。 根据对误码信道下数据传输情况的分析,论文提出了在一定条件下区分传输失败原因的方法,以及使用背靠背数据帧重传的改进媒体接入算法。改进算法可以在发生误码错误时,避免不必要的退避过程和信道竞争,缩短传输成功前的等待时间。建模分析和数值计算的结果表明,改进算法可以有效提高误码信道下的系统性能。 在系统可靠性建模方面,论文针对多部件可修复系统,在未建立完整可靠性模型的情况下,对分层简化模型的误差上界进行了分析,推导出使用各部件转移率表示的误差上界计算公式。在此基础上,提出了通过逐层增加状态建立符合工程精度要求的可靠性建模方法。论文通过具体的实例分析验证了该方法的可行性和有效性。 文章最后对本文开展的研究工作进行了总结,并提出了下一步工作的研究方向。


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