4.3　饱和条件下系统归一化吞吐量

不考虑物理层传输错误，即假设物理层能保证无误传输。定义归一化系统吞吐率为

式（4-32）中，“净数据率”指的是用户可用数据速率，而“标称数据率”为IEEE 802.11规范中标称的数据速率。

不考虑物理层传输错误时，式（4-32）可表示为

其中：η_Frame为成帧效率因子，其值等于一帧中有效载荷的传输时间与一帧物理层传输时间之比；η_DCF为DCF协议效率因子，其值等于一个系统时隙中成功传送有效载荷的时长与一个系统时隙的平均长度之比。

4.3.1　IEEE 802.11a饱和吞吐量性能分析

1．成帧效率

在IEEE 802.11系列标准中，物理层划分为物理层会聚过程（Physical Layer Convergence Procedure,PLCP）子层、物理媒体依赖（Physical Media Dependent,PMD）子层和物理层管理（Physical Layer Management,PLM）子层。PLCP子层将MAC层协议数据单元（MAC Protocol Data Unit,MPDU）映射为合适的帧格式用于收发用户数据和管理信息。这种附加有PLCP字段的MPDU称之为PLCP子层协议数据单元（PLCP Protocol Data Unit,PPDU）。

图4-4为IEEE 802.11a的PPDU数据帧格式。一个OFDM PPDU包括PLCP前导码（Preamble）、PLCP帧头（Header）、物理层服务数据单元（PHY Service Data Unit,PSDU）、尾比特（tail）和填充比特（pad bit）。

图4-4　IEEE 802.11a的PPDU数据帧格式

如图4-4所示，PLCP帧头的前24 bit构成信令（SIGNAL）域，后16 bit（SERVICE，业务）和PSDU、尾比特、填充比特位共同构成数据（DATA）域。IEEE 802.11a标准中PLCP前导码的传输时间固定为16μs，SIGNAL域的传输时间为4μs，二者组成20μs的前导开销。IEEE 802.11a中MAC层的协议数据单元（MPDU）由服务数据单元MSDU（分组有效载荷）、MAC帧头和帧校验序列（Frame Check Sequence,FCS）组成，并构成PLCP子层的PLCP服务数据单元（PSDU）。可以推出式每帧传输的比特数N₀为

其中：[x]表示取大于等于x的最小整数；N_Data为每帧中用户数据比特数，最多4095×8bit；N_Header为每帧中的MAC Header比特数，共计30×8bit；N_CRC为每帧中的CRC校验比特数，共4×8bit；N_Service为每帧中的SERVICE比特数，共计16bit；N_Tail为每帧中的尾比特数，共计6bit；N_s为1个OFDM符号承载的比特数。由此可以得到每帧总的传输时间t_Frame为

其中：R₀为规范标称的数据速率，有6/9/12/18/24/36/48/54Mbit/s等；τ₁为Preamble持续时间；τ₂为SIGNAL持续时间。那么可以得到成帧效率η_Frame：

当采用54Mbit/s的传输速率时，1个OFDM符号承载的MAC层比特数为48×6×3/4＝216。由式（4-35）、式（4-36）可以求得IEEE 802.11a协议成帧效率，如图4-5所示。

图4-5　IEEE 802.11a成帧效率

由图4-5可知，当每帧中数据长度逐渐增加到2312字节的过程中，其成帧效率逐渐提高到91.8%。但在实际中，帧长越长，误帧率越高。不能为了获得高成帧效率而一味追求大帧长。

2．DCF协议效率分析

在IEEE 802.11a标准中，RTS，CTS和ACK这些控制帧的传输速率R_control与普通用户数据的传输速率可以不一致，普通用户数据传输速率一般为6、9、12、18、24、36、48或54Mbit/s，而控制帧速率为6、12或24Mbit/s。这是为了保证这些控制信息的有效接收，往往采用低速方式进行传输，以扩大传输范围并提高接收可靠性。

依据IEEE 802.11a标准，有

实验中采用的参数基于IEEE 802.11a DSSS技术，具体数值见表4-1。网络中移动设备的站点数目n依次设为2～50。

　　表4-1　　　　　　　　　　　IEEE 802.11a MAC层和PHY层参数（DSSS）

IEEE 802.11a DCF协议下，不同站点数条件下τ及p值可由式（4-16）～（4-18）联立求得，如图4-6所示。

图4-6　不同站点数下τ与p的值

由图4-6可知，不论是在基本接入模式下，还是在RTS/CTS模式下，随着系统内竞争站点数n的增加，站点在一个随机时隙内传输数据帧的概率τ逐渐减小，同时其发送数据条件下冲突概率p则逐渐增大。其传输数据帧的概率τ及冲突概率p均与站点传输数据帧大小无关，只与初始竞争窗口CW_min，最大竞争窗口CW_max及最大重传次数m有关。

DCF协议效率因子可由式（4-19）表示。在实验中，令无线帧数据部分长度分别为2 048Byte（字节）、1 024Byte（字节）、256Byte（字节），系统中站点数由2依次增加至50，计算其在基本接入模式下以及RTS/CTS模式下的DCF协议效率，如图4-7所示。

图4-7　DCF协议效率因子

由图4-7可知，不论是在基本接入模式下，或是在RTS/CTS模式下，随着数据帧长度的减小，其DCF协议效率迅速下降。另外对于不同的帧长，基本接入模式与RTS/CTS模式下的性能存在较大差异。对于数据长度为2 048Byte的情况，在基本接入模式下，随着系统中站点数的增加，碰撞增多，系统效率逐渐下降；在RTS/CTS模式下，随着系统中站点数的增加，其DCF协议效率基本保持不变；在系统中竞争站点数大于15时，RTS/CTS模式协议效率高于基本模式。对于数据长度为1024Byte的情况，在基本接入模式下，随着系统中站点数增加，其DCF效率由0.55逐渐下降到0.45；而在RTS/CTS模式下，系统性能随着站点数增加基本保持不变，但是均没有基本模式效率高；这是由于其虽然避免了帧数据部分的碰撞，但是RTS/CTS机制本身引入开销过大。对于数据长度为256Byte的情况，在基本接入模式下，随着站点数的增加，协议效率略有下降，但基本保持不变；而RTS/CTS机制的效率同样比较稳定，但始终没有基本模式高。

3.IEEE 802.11a饱和吞吐率

IEEE 802.11a饱和条件下，系统归一化吞吐率可表示为S＝η_Frame·η_DCF，如图4-8所示。

图4-8　基本接入模式及RTS/CTS模式下系统归一化吞吐率

从图4-8中可知，随着帧长的降低，系统归一化吞吐率迅速下降。在相同帧长条件下，RTS/CTS机制下系统归一化吞吐率对系统中竞争站点数目n不敏感，随着站点数的增加，系统吞吐率基本保持稳定。而在基本接入模式下，其系统吞吐率会随着系统中站点数的增加而下降，在大帧长条件下尤为明显。不同帧长条件下系统归一化吞吐率如图4-9所示。

图4-9　不同帧长条件下系统归一化吞吐率

由图4-9可知，对于不同的帧长，基本接入模式与RTS/CTS模式的性能存在较大差异。在大帧长条件下，如果网络中用户数较多，则RTS/CTS机制的性能优于基本接入机制；而在小帧长条件下，RTS/CTS模式的性能不及基本接入模式。此外，RTS/CTS对于网络中竞争节点数n不敏感。

IEEE 802.11g的吞吐量分析与IEEE 802.11a类似，这里省略。

4.3.2　IEEE 802.11b饱和吞吐量性能分析

1．成帧效率

（1）IEEE 802.11b PPDU数据帧格式

IEEE 802.11b物理层为改进的高速直接序列扩频（High Rate Direct Sequence Spread Spectrum,HR/DSSS）。调制码包括：Barker码，补偿码键控（Compensation Code Keying,CCK），分组二进制卷积编码（Packet Binary Convolutional Coding,PBCC），传输速率最高可达11Mbit/s。

PPDU包括三部分：PLCP Preamble、PLCP Header和PSDU。IEEE定义了两种Preamble和Header组成的PPDU帧结构：长PPDU帧和短PPDU帧。其中，对长PPDU帧的支持是强制标准，因为它可与早期的1Mbit/s和2Mbit/s的DSSS一起工作，而短PPDU帧格式是一种可选格式。因而这里以长帧为例，进行IEEE 802.11b成帧效率的分析。

长PPDU帧格式如图4-10所示。

图4-10　长PPDU帧格式

其中PLCP Preamble由128bit同步码（Synchronous Code,SYNC）和16bit起始帧界定符（Start Frame Delimiter,SFD）构成。前导码结束后，就是PLCP Header，这些信息中包含了与数据传输相关的物理参数。这些参数包括：信令（SIGNAL）、业务（SERVICE）、PSDU长度（LENGTH）和CRC校验码。接收机将按照这些参数调整接收速率、选择解码方式并决定何时结束数据接收。SIGNAL字段长8bit，定义数据传输速率。SERVICE字段长度也是8bit，它指定使用何种调制码（CCK或PBCC）。LENGTH字段长16bit，用于指示发送后面的PSDU需用多长时间（单位为μs）。16bit CRC校验码用于检验收到的信令、业务和长度字段是否正确。

长前导码（Long Preamble）和PLCP Header以固定的1Mbit/s速率发送，持续时间为192μs。而PSDU数据部分则可以1Mbit/s、2Mbit/s、5.5Mbit/s和11Mbit/s速率进行传送。

PSDU（即从MAC层传来的MPDU信息）使用统一的IEEE 802.11 MAC帧格式，如图4-11所示。

图4-11　MAC帧结构

（2）MAC层成帧效率分析

长PPDU帧的前端是PLCP Long Preamble和PLCP Header。此外，将用户数据填充到帧中时，要引入MAC Header和CRC等。PSDU部分传送的比特数N₀为

式（4-39）中：N_Data为每帧中用户数据比特数，最多2312×8 bit；N_Header为每帧中的MAC Header比特数，共计30×8bit；N_CRC为每帧中的CRC校验比特数，共4×8bit。通过上述分析可以得到每帧总的传输时间t_Frame为

其中；R₀为规范标称的数据速率，有1/2/5.5/11Mbit/s等；τ₃为PLCP Preamble持续时间，τ₄为PLCP Header持续时间，二者总共持续时间为192μs（Long Preamble）。那么容易得到成帧效率η_Frame，与式（4-36）相同。

2.IEEE 802.11b饱和吞吐率

实验中采用的参数见表4-2。网络中移动设备的站点数目n依次设为2～50。

　　表4-2　　　　　　　　　　　IEEE 802.11b MAC层和PHY层参数

在IEEE 802.11b基本接入模式下，m＝7，m′＝5；在RTS/CTS机制下，m＝4，m′＝5。

在IEEE 802.11b饱和条件下，系统归一化吞吐率可表示为S＝η_Frame·η_DCF。

使用NS2软件进行仿真，以验证改进模型的正确性。令MSDU长度为256Byte，系统中站点数n由2依次增加至50。计算其在基本接入模式下以及在RTS/CTS模式下的饱和吞吐率，仿真结果与模型计算结果对比如图4-12所示。

图4-12　计算结果与仿真对比

由图4-12可知，改进后的Markov模型计算值与仿真结果较为接近，验证了本模型的有效性。

不同帧长条件下系统归一化吞吐率如图4-13所示。

图4-13　不同帧长条件下系统归一化吞吐率

由图4-13可知，随着帧长的减小，系统归一化吞吐率迅速下降。在相同帧长条件下，在RTS/CTS机制下系统归一化吞吐率对系统中站点数目n不敏感，随着站点数的增加，系统吞吐率基本保持稳定，仅呈缓慢下降；在基本接入模式下，其系统吞吐率会随着系统中站点数的增加而下降，在大帧长条件下尤为明显。

此外，对于不同的帧长，基本接入模式与RTS/CTS模式下的性能存在较大差异。在大帧长条件下，RTS/CTS机制的性能接近于基本接入机制；而在小帧长条件下，RTS/CTS模式的性能不及基本接入模式。