存在隐藏终端的IEEE802.11e多跳无线网络模型分析摘要：首次将802.11e的接入机制放入多跳环境中进行仿真分析和定量研究。提出一种新的多跳环境下802.11e网络模型，结合M/G/1/K排队模型，定量分析在隐藏终端影响下802.11e网络的MAC层吞吐率、MAC时延和帧丢失率，研究802.11e在多跳环境下性能表现的内在原因。经过仿真实验结果与数值分析结果的对比，验证了分析模型的准确性；通过有（无）隐藏终端影响下MAC层性能的对比分析，指出了802.11e在多跳无线网络中支持QoS的局限性：受隐藏终端的影响，802.11e对不同接入等级的业务提供QoS区分的性能明显降级。因而有必要研究隐藏终端问题的解决方案，提高802.11e在多跳环境下的性能。关键词：IEEE802.11e；增强型分布式信道接入；M/G/1/K排队模型；隐藏终端；分析模型：TN924.1文献标志码：A：1001－3695(2008)06－1867－050引言??IEEE802.11[1]协议描述了用于无线局域网的物理层和MAC层协议，它提供的DCF机制由于其分布式的特点而广泛应用于无线自组织网络，但DCF不能提供QoS区分，不能满足人们对实时业务的要求。IEEE802.11e[2]在802.11的基础上加入了QoS的相关内容。它引入EDCA，该机制结合帧间隔（IFS）和后退算法来提供业务区分服务，建立了一种依据传输业务种类分配带宽的概率优先机制，高优先级业务能获得更高的吞吐率和更低的接入时延。对不同接入等级的业务提供QoS区分是802.11e的主要特点，即使负载饱和，802.11e在单跳无线网络中支持QoS区分的性能也不会明显降级。然而，很多对802.11eEDCA性能的研[3~6]都没能回答这样两个问题：802.11e在多跳无线网络中有什么样的性能表现；性能表现的内在原因是什么？本文首次将802.11e的接入机制放入到多跳环境中进行仿真分析和定量研究，回答了上述问题。?ノ?了研究IEEE802.11e网络的性能，Xiao在文献[4]中首先提出一种适用于EDCA接入机制的网络模型，分析802.11eEDCA系统的饱和吞吐率、饱和时延和帧丢失率。Chen等人在文献[5]中对802.11eEDCA在非饱和负载下的性能作了研究，他提出的网络模型结合MAC层排队系统，但假定排队队长为无穷大，这样不能得到准确的时延分析结果。文献[6]首次将M/G/1/K排队模型用于分析EDCA接入机制，引入空闲状态和不同接入等级的仲裁帧间隔（AIFS）的使用，分析了EDCA接入机制的局限性。上述对802.11e性能的研究都集中于单跳无线局域网（WLAN）的环境下。在多跳无线网络中，节点的状态不仅受侦听范围内竞争节点的影响，而且隐藏终端对节点带来的干扰会大大降低节点上不同优先级业务争用信道的性能。多跳环境下的复杂性使得MAC层性能的数学模型分析变得异常复杂，上述单跳环境下的分析结果不能直接用于多跳无线网络。?ノ?了解决隐藏终端问题，802.11协议建议了RTS/CTS接入方式。该协议假定隐藏终端处于接收节点传输范围内。文献[7]的研究指出收、发节点传输范围以外的节点仍然对数据的传输产生干扰，当侦听范围大于传输范围两倍时，在多跳环境下使用RTS/CTS接入方式，隐藏终端问题得不到解决。文献[8~12]对802.11DCF在多跳环境下的性能作了研究，分析隐藏终端对802.11多跳无线网络MAC层性能的影响。文献[13]基于四个节点的拓扑结构，计算隐藏终端影响下的冲突率，文中对隐藏终端的定义沿用了802.11协议的定义，没有考虑干扰范围内节点引起的冲突问题。Calafate等人在文献[14]中首次对802.11e多跳Adhoc网络的性能作了仿真研究，并得出结论：多跳环境并未影响802.11e支持QoS区分的性能。但他们未建立网络模型作定量研究，也忽视了隐藏终端对不同接入等级业务带来的影响。?ケ疚闹荚谕ü?建模和仿真实验来研究多跳环境下隐藏终端对802.11e协议的影响。提出一种新的802.11e多跳无线网络模型（不同于文献[3~6]的单跳网络模型），结合M/G/1/K排队模型，定量研究隐藏终端影响下的MAC层吞吐率、MAC时延和帧丢失率。分析数值计算与仿真结果，验证网络模型的准确性；通过比较有（无）隐藏终端影响下的MAC层性能，指出802.11e在多跳环境下支持QoS的局限性，回答了仿真实验中802.11e性能表现的内在原因：多跳环境下，隐藏终端的影响导致冲突率远远大于单跳环境下的冲突率，使得8...