全双工WLAN的吞吐量性能分析

doi:10.11959/j.issn.1000-0801.2016172

摘要/Abstract

摘要：

WLAN是当前移动互联网接入的重要方式之一，然而随着移动互联网用户数量的增加，WLAN接入性能迅速下降，提高在高密度部署条件下的性能是WLAN技术发展的重要方向。对IEEE 802.11协议中的基本媒体接入方法的分布式协调功能（DCF）进行了分析，建立模型分析基础架构WLAN 的性能，指出在基础架构WLAN中下行吞吐率在站点数量较多情况下的瓶颈及产生瓶颈的原因。采用近年来有突破性进展的全双工技术，设计新的MAC层协议并对其性能进行分析，通过对基础架构中的AP提供全双工支持以及对DCF协议进行简单修改，使基础架构无线局域网性能可以突破瓶颈，在网络负载较高的情况下保证一定的下行吞吐率，并使总吞吐量提高60%以上。

关键词: IEEE802.11, 全双工, 基础架构

Abstract:

WLAN is one of the important ways of accessing mobile internet.However，the performance of WLAN declines rapidly as the number of users increases.Improving the performance of WLAN with high density deployment is an important research direction of WLAN technology.Distributed coordination function（DCF）which was the basic media access method of IEEE 802.11 in infrastructure-based networks was modeled and the bottleneck of downlink throughput was pointed out.Taking advantage of full-duplex technology where there was a breakthrough in recent years，a new MAC protocol was designed and analyzed.By providing the AP full-duplex transmitting ability and simple modifications to traditional DCF protocol，the new protocol made the downlink throughput breaking through the bottleneck in infrastructure-based WLAN and increased the total throughput by more than 60%.

Key words: IEEE 802.11, full-duplex, infrastructure

赵辰,李云洲,许希斌,王京. 全双工WLAN的吞吐量性能分析[J]. 电信科学, 2016, 32(6): 83-92.

Chen ZHAO,Yunzhou LI,Xibin XU,ANGJing W. Analysis of the throughput in full-duplex WLAN[J]. Telecommunications Science, 2016, 32(6): 83-92.

图/表 15

图1

图2

图3

图4

表1

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

表2

图13

参考文献 10

[1]	KORPI D ， RIIHONEN T ， SYRJALA V ，et al. Full-duplex transceiver system calculations：analysis of ADC and linearity challenges[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2011，13（7）： 3821-3836.
[2]	KIM J Y ， MASHAYEKHI O ， QU H ，et al. Janus：a novel MAC protocol for full duplex radio[EB/OL].（2013-02-27）[2016-04-12] .
[3]	XIE X ， ZHANG X . Does full-duplex double the capacity of wireless networks[C]// 2014 IEEE Conference on Computer Communications，April 27-May 2，2014，Toronto，ON，Canada. New Jersey： IEEE Press， 2014： 253-261.
[4]	BIANCHI G . Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2006，18（3）： 535-547.
[5]	GUPTA N ， RAI C S . New analytical model for non-saturation throughput analysis of IEEE 802.11 DCF[EB/OL].（2014-12-20） [2016-04-12]. .
[6]	MALONE D ， DUFFY K ， LEITH D . Modeling the 802.11 distributed coordination function in nonsaturated heterogeneous conditions[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking， 2007，15（1）： 159-172.
[7]	GAO Y ， SUN X ， DAI L . IEEE 802.11e EDCA networks：modeling，differentiation and optimization[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2014，13（7）： 3863-3879.
[8]	XIAO Y . Performance analysis of priority schemes for IEEE 802.11 and IEEE 802.11e wireless LANs[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2005，4（4）： 1506-1515.
[9]	ONG E H ， JAMIL Y K ， MAHATA K . A simple model for non-homogeneous and non-saturated IEEE 802.11 DCF infrastructure BSS[C]// IEEE International Conference on Communication Systems，November 17-19，2010，Singapor. New Jersey： IEEE Press， 2010： 506-511.
[10]	PERAHIA E ， STACEY R . Next generation wireless LANs：thoughput，robustness and reliability in 802.11n[M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2013.

参数	采用值
信道速率/（Mbit·s^-1）	1
时隙δ/μs	50
SIFS/μs	28
DIFS/μs	128
数据分组信息比特数/bit	8 184
MAC层帧头/bit	272
PHY层帧头/bit	128
ACK	112 bit+PHY头
RTS	160 bit+PHY头
CTS	112 bit+PHY头

场景	路径损失/dB	临界距离/m
LOS	20lgd+40.1	625.2
模型A/B/C NLOS	35lgd+29.6	79.0
模型D NLOS	35lgd+25.1	106.2
模型E NLOS	35lgd+20.6	142.8
模型F NLOS	35lgd+17.9	170.6

[1]	沈静洁, 李光球, 罗延翠, 刘会芝. 过时CSI下全双工中继辅助D2D网络的物理层安全[J]. 电信科学, 2023, 39(3): 89-99.
[2]	柯颋, 宋兴华, 王飞, 郭志恒, 杨拓, 郭春霞, 韩成成, 刘云峰, 李振宇. 5G双工演进技术研究[J]. 电信科学, 2022, 38(10): 140-152.
[3]	刘芳,王亚娟,赖峥嵘,刘元安. 全双工无线通信系统的智能安全中继选择策略[J]. 电信科学, 2020, 36(10): 79-86.
[4]	张迪. WLAN中基于IEEE 802.11u协议的终端节能功耗管理方案[J]. 电信科学, 2019, 35(8): 88-96.
[5]	汪巧, 周彦果, 杨新杰, 李有明, 石伟, 陈波. 全双工协作多播业务在NOMA系统中的应用和性能[J]. 电信科学, 2019, 35(10): 69-76.
[6]	丁家昕,冯大权,钱恭斌,张楠. 全双工D2D通信关键技术及进展[J]. 电信科学, 2018, 34(5): 107-114.
[7]	陈山枝,胡金玲,时岩,赵丽. LTE-V2X车联网技术、标准与应用[J]. 电信科学, 2018, 34(4): 1-11.
[8]	石纯子,朱琦. 全双工网络中基于图论的D2D通信资源分配算法[J]. 电信科学, 2018, 34(10): 27-35.
[9]	赵季红,何强,曲桦,栾智荣. 蜂窝网络中全双工D2D通信功率控制[J]. 电信科学, 2017, 33(3): 1-7.
[10]	周巍,高锐锋,吉晓东,包志华. 基于协作干扰的全双工中继系统混合安全传输协议[J]. 电信科学, 2017, 33(1): 16-23.
[11]	莫红枝. 一种基于全双工的无线网络MAC协议设计与性能分析[J]. 电信科学, 2015, 31(8): 107-112.
[12]	徐浩煜,周晗,汪亮友,蔡孙增,朱正航. 一种停机位通信干扰抑制的自适应波束成形技术[J]. 电信科学, 2014, 30(7): 90-94.
[13]	陈娟,蔡孙增,朱正航,蒋海平,康凯. 基于IEEE 802.11p的车载无线通信原型系统的实现[J]. 电信科学, 2014, 30(3): 72-79.
[14]	余聪,秦华标,邓洪波. 智能交通自组网的设计与实现[J]. 电信科学, 2013, 29(8): 119-122.
[15]	杨经纬,胡林,李金岭,刘志勇. 支撑电信运营商集约管理的云计算平台研究探索与实践[J]. 电信科学, 2013, 29(8): 136-145.