齊培軍，郭 睿

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710129）

一種基于802.11n的幀長(zhǎng)自適應(yīng)二級(jí)幀聚合方法

齊培軍，郭 睿

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710129）

針對(duì)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中MAC層吞吐量受限的問(wèn)題，分析了802.11n幀聚合機(jī)制和差錯(cuò)信道下采用DCF接入機(jī)制時(shí)系統(tǒng)飽和吞吐量，討論了幀長(zhǎng)度、誤碼率對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響。在此基礎(chǔ)上，提出一種幀長(zhǎng)自適應(yīng)的二級(jí)幀聚合方法。該方法根據(jù)誤碼率的不同，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)第一級(jí)聚合數(shù)目，以使聚合長(zhǎng)度在該誤碼率下達(dá)到最佳，從而使吞吐量達(dá)到最優(yōu)。理論分析與仿真結(jié)果表明，在誤碼率多變的信道中，該方法與現(xiàn)有802.11n中的聚合方法相比，可以通過(guò)選擇合適的幀聚合長(zhǎng)度使吞吐量有較大提高。

802.11n；幀長(zhǎng)度；自適應(yīng)幀聚合；吞吐量

為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)高速無(wú)線(xiàn)通信的需求，IEEE工作小組提出了802.11n標(biāo)準(zhǔn)。為了解決高速數(shù)據(jù)傳輸中由額外開(kāi)銷(xiāo)引起的吞吐量受限問(wèn)題，802.11n協(xié)議工作組提出了A-MSDU （MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元聚合）、A-MPDU（MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元聚合）和兩級(jí)聚合三種聚合方式。基于3種幀聚合方式，很多學(xué)者提出多種改進(jìn)方案來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)吞吐量。Kai-Ten Feng[1]等提出的FALA算法利用跨層思想，通過(guò)估計(jì)誤碼率以查表的方式查到相應(yīng)的調(diào)制編碼方式和聚合幀長(zhǎng)度，選擇合適幀長(zhǎng)度進(jìn)行聚合。沈丹萍[2]等將MAC層聚合和物理層聚合結(jié)合起來(lái)，提出一種物理層超幀技術(shù)，使吞吐量有了較大提高。T.Selvam[3]等提出一種選擇聚合方式的調(diào)度器，該調(diào)度器根據(jù)聚合幀的長(zhǎng)度決定本次數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)選擇A-MSDU還是A-MPDU，以充分利用這兩種聚合方式的特性。

以上聚合方案均有效地提高了系統(tǒng)吞吐量，但以上方案只是對(duì)A-MSDU和A-MPDU進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)二級(jí)聚合很少提及。Dionysios[4]通過(guò)仿真證明，在這3種聚合方式中，二級(jí)聚合性能最佳。文中在二級(jí)聚合基礎(chǔ)上提出一種自適應(yīng)二級(jí)聚合方法，該方法在第一級(jí)聚合時(shí)通過(guò)對(duì)當(dāng)前信道狀況進(jìn)行分析，根據(jù)誤碼率自適應(yīng)地選擇合適的長(zhǎng)度進(jìn)行聚合，再進(jìn)行A-MPDU聚合。最后以NS2軟件為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所提出的方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 幀聚合方式

幀聚合是指通過(guò)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，減少物理幀頭、MAC幀頭等額外開(kāi)銷(xiāo)，以此提高M(jìn)AC層吞吐量。802.11n在MAC層提出三種幀聚合方式：A-MSDU、A-MPDU和二級(jí)聚合。

A-MSDU是將多個(gè)具有相同目的地址的MSDU封裝為一個(gè)數(shù)據(jù)幀。若干個(gè)帶有各自頭部和填充字節(jié)的MSDU組成一個(gè)A-MSDU單元，再加上MAC頭和FCS形成一個(gè)MPDU。聚合方式如圖1所示。

圖1 A-MSDU聚合幀結(jié)Fig.1 Frame aggregation structure of A-MSDU

A-MPDU聚合方式如圖2所示，MPDU子幀包含3部分：分隔符、MPDU實(shí)體和填充字段。每個(gè)MPDU子幀都有單獨(dú)的FCS校驗(yàn)，因此A-MPDU的傳輸可靠性較高。而每個(gè)子幀有單獨(dú)MAC頭部，并有分隔符作保護(hù)，這使A-MPDU增加的附加開(kāi)銷(xiāo)比A-MSDU多。

圖2 A-MPDU聚合幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame aggregation structure of A-MPDU

二級(jí)聚合是結(jié)合A-MSDU和A-MPDU而實(shí)現(xiàn)的雙層次聚合。在二級(jí)聚合中，A-MPDU的子幀是一個(gè)已聚合的MSDU，該子幀是從A-MSDU中去掉MAC頭和FCS校驗(yàn)，然后封裝為A-MPDU子幀，這樣進(jìn)一步省去了MAC頭和FCS校驗(yàn)占用的負(fù)載。二級(jí)聚合在減少額外開(kāi)銷(xiāo)的同時(shí)，又增加了數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 系統(tǒng)吞吐量

對(duì)于DCF機(jī)制下的MAC層性能研究，Bianchi[5]提出一種經(jīng)典模型，該模型用二維馬爾可夫鏈分析系統(tǒng)的飽和吞吐量。本文在Bianchi模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，假定WLAN中有N個(gè)無(wú)線(xiàn)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)在任意時(shí)刻都有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送，即系統(tǒng)處于飽和狀態(tài)。而后分析了采用RTS/CTS接入模式時(shí)3種幀聚合方式的性能，并推導(dǎo)出其吞吐量表達(dá)式。

系統(tǒng)的飽和吞吐量s定義為：

數(shù)據(jù)幀傳送情況如圖3所示，由此可看出時(shí)隙分以下4種情況：

1）信道處于空閑狀態(tài)，設(shè)信道空閑的時(shí)間為T(mén)idle，概率為Pidle，則：

τ為任一時(shí)隙中，每個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的概率。進(jìn)而得到：至少有一個(gè)站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的概率Ptr，站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)且不產(chǎn)生沖突的概率為Ps：

2）有站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，但傳送發(fā)生沖突。傳送發(fā)生沖突的時(shí)間為 Tc，概率為 Pc，則：

3）有站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，但傳送發(fā)生錯(cuò)誤。傳送發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)間為 Te，概率為 Perr，則：

4）有站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，且傳送成功。傳送成功的時(shí)間為T(mén)succ，概率為 Psucc，則：

根據(jù)以上分析，得到一個(gè)時(shí)間刻度的平均長(zhǎng)度Et為：

圖3 RTS/CTS機(jī)制下數(shù)據(jù)的傳送情況Fig.3 Transmission of the data frame in RTS/CTS mechanism

上式中信道空閑時(shí)間Tidle等價(jià)為系統(tǒng)的一個(gè)時(shí)隙σ，由圖3得到傳送產(chǎn)生沖突的時(shí)間、傳輸錯(cuò)誤時(shí)間和傳送成功時(shí)間依次為：

其中 RTS、CTS、DATA、Block Ack 分別是表示傳送 RTS幀、CTS幀、數(shù)據(jù)幀和BlockAck幀的時(shí)間。Ep由定義得到：

采用A-MSDU時(shí)，當(dāng)誤碼率為Pb，聚合長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)，傳送發(fā)生錯(cuò)誤概率Pe與Ep分別表示為：

綜合式（8）、（14）得到差錯(cuò)信道下采用A-MSDU聚合方式時(shí)，系統(tǒng)飽和吞吐量為：

采用A-MPDU時(shí)，子幀的個(gè)數(shù)為i，A-MPDU子幀長(zhǎng)度為L(zhǎng)i，子幀中分界符、幀頭及 FCS等字段的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)subhdr，誤碼率為Pb，傳送發(fā)生錯(cuò)誤概率Pe與Ep分別表示為：

綜合式（8）、（17）得到差錯(cuò)信道下采用A-MPDU聚合方式時(shí)，系統(tǒng)飽和吞吐量為：

在式（15）和（18）中無(wú)線(xiàn)站點(diǎn)個(gè)數(shù)N、控制幀長(zhǎng)度均為固定值，在差錯(cuò)信道下影響系統(tǒng)吞吐量的主要參數(shù)為誤碼率和聚合幀長(zhǎng)度。采用數(shù)值法求得τ，代入式（15），得到在不同的誤碼率下，A-MSDU飽和吞吐量和數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度的變化關(guān)系如圖4所示，A-MPDU吞吐量與幀長(zhǎng)之間的關(guān)系和A-MSDU類(lèi)似。由圖4可知在差錯(cuò)信道中，聚合長(zhǎng)度一定時(shí)，誤碼率越大，誤幀率越高，系統(tǒng)吞吐量越低；而誤碼率一定時(shí)，誤幀率隨著聚合長(zhǎng)度的增加而增加，在聚合長(zhǎng)度超過(guò)某個(gè)值后，吞吐量反而會(huì)隨著聚合長(zhǎng)度的增加而減少。由此得出結(jié)論：在一定誤碼率下，存在一個(gè)最佳聚合長(zhǎng)度可以使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大。

圖4 吞吐量和聚合幀幀長(zhǎng)之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between throughput and aggregation frame size

3 自適應(yīng)二級(jí)幀聚合

二級(jí)聚合是對(duì)聚合了的MSDU進(jìn)行再次聚合，其聚合過(guò)程如圖5所示。二級(jí)聚合結(jié)合了A-MSDU和A-MPDU的特點(diǎn)，在存在大量超短幀和誤碼率較高的環(huán)境下，二級(jí)聚合表現(xiàn)出來(lái)良好的性能，而這也正符合實(shí)際信道的特點(diǎn)。

圖5 二級(jí)幀聚合結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of two-level frame aggregation

∑Li為第一級(jí)聚合的有效負(fù)載長(zhǎng)度，相當(dāng)于A-MPDU子幀。相比于式（18），由于傳輸數(shù)據(jù)的額外開(kāi)銷(xiāo)減少，其性能優(yōu)于A-MPDU。

在802.11n提出的幀聚合方式中，聚合幀長(zhǎng)與基站協(xié)商而定，幀長(zhǎng)確定后在傳輸中不再改變。而實(shí)際信道環(huán)境是多變的，這就可能會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：信道初始質(zhì)量較好，與基站協(xié)商獲得幀長(zhǎng)較長(zhǎng)，但一段時(shí)間后信道質(zhì)量變差，誤碼率率增加，此時(shí)由于幀長(zhǎng)較長(zhǎng)，使誤幀率急劇上升，重傳次數(shù)增加，使得傳輸效率很低；或者協(xié)商時(shí)信道質(zhì)量較差，獲得的聚合幀長(zhǎng)就較短，當(dāng)信道質(zhì)量提高時(shí)，其幀長(zhǎng)相對(duì)較短，物理層高速率不能被充分利用，也使得傳輸效率較低。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文在二級(jí)聚合基礎(chǔ)上提出了一種自適應(yīng)二級(jí)聚合方法：根據(jù)在接收端所測(cè)得的信道誤碼率不同[6]，自適應(yīng)調(diào)節(jié)第一級(jí)聚合個(gè)數(shù)，以使二級(jí)聚合整體長(zhǎng)度達(dá)到該

綜合公式（15）（18），得出二級(jí)聚合的吞吐量s為：誤碼率下的最佳長(zhǎng)度，從而使吞吐量在該誤碼率下達(dá)到最大。由圖5看到，二級(jí)聚合中每個(gè)子幀都有FCS，單個(gè)子幀傳輸錯(cuò)誤不會(huì)致使整個(gè)聚合幀重發(fā)，本文自適應(yīng)二級(jí)聚合方法結(jié)合FCS的檢錯(cuò)重發(fā)功能，在聚合幀長(zhǎng)度和誤碼率之間找到了一個(gè)平衡，使吞吐量在原來(lái)基礎(chǔ)上有了很大提升。

4 仿真結(jié)果與分析

文中以開(kāi)源軟件NS2為仿真平臺(tái)，在其802.11模塊基礎(chǔ)上修改MAC層模塊使其實(shí)現(xiàn)聚合功能，對(duì)以上幾種聚合方式進(jìn)行了仿真比較。設(shè)置數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為 0.1 kB，仿真參數(shù)如表1所示[7]。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖6 差錯(cuò)信道下系統(tǒng)吞吐量Fig.6 System throughput in the error channel

圖6為在差錯(cuò)信道下采用聚合機(jī)制時(shí)誤碼率與吞吐量的變化關(guān)系。由仿真結(jié)果看到，當(dāng)誤碼率較小時(shí)，誤幀率較低，相比于A-MPDU和二級(jí)聚合，A-MSDU帶來(lái)的額外開(kāi)銷(xiāo)最少，從而表現(xiàn)出較好的性能，由此得出：較小的誤碼率對(duì)吞吐量的影響不大。隨著誤碼率的不斷變大，誤幀率也逐步增加，由于A-MSDU各個(gè)子幀沒(méi)有冗余校驗(yàn)，整個(gè)數(shù)據(jù)幀重發(fā)概率增加，致使其吞吐量急劇下降。A-MPDU、二級(jí)聚合隨著誤碼率的增加，其吞吐量也開(kāi)始下降，但由于每個(gè)子幀有FCS，單個(gè)子幀傳輸錯(cuò)誤不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)幀重發(fā)，所以吞吐量下降速度較慢。而本文提出的自適應(yīng)[8]二級(jí)聚合方法針對(duì)不同的誤碼率，選擇該誤碼率下的最佳幀長(zhǎng)進(jìn)行聚合，其吞吐量整體呈現(xiàn)出一個(gè)相對(duì)較平緩的趨勢(shì)。尤其是當(dāng)誤碼率較高時(shí)，和原協(xié)議的聚合機(jī)制相比，更加體現(xiàn)了本文聚合方法在吞吐量方面的優(yōu)越性。實(shí)際信道環(huán)境中誤碼率較高且多變，本文的聚合方法能更好地適應(yīng)這種信道特性。

5 結(jié) 論

文中基于二維馬爾科夫模型，推導(dǎo)出在差錯(cuò)信道下采用不同聚合機(jī)制時(shí)系統(tǒng)的飽和吞吐量，分析了影響系統(tǒng)吞吐量的主要因素。針對(duì)原協(xié)議中聚合方法的不足，本文提出了一種新的二級(jí)聚合方方法，該方法根據(jù)信道誤碼率的不同自適應(yīng)調(diào)節(jié)第一級(jí)聚合長(zhǎng)度，以使整個(gè)二級(jí)聚合長(zhǎng)度在該誤碼率下達(dá)到最佳。理論分析和仿真結(jié)果表明，本文提出的聚合方法在誤碼率不穩(wěn)定，且存在大量短幀時(shí)表現(xiàn)出較高的系統(tǒng)吞吐量，這也正是信道的實(shí)際情況。

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An adaptive frame length two-level frame aggregation method in 802.11n

QI Pei-jun，GUO Rui
（Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710129， China）

Focusing on the problem that the wireless MAC layer throughput is limited，the 802.11n frame aggregation mechanism and the saturation throughput using DCF access mechanism in the error channel are analyzed.Furthermore，the impact of frame length and BER on the throughput is discussed.Then a novel adaptive frame length two-level aggregation is proposed.According to the BER，the first level of aggregation numbers is adjusted adaptively，so that the aggregation length can achieve the best in the BER，moreover the throughput can reach maximum in the BER.Theoretical analysis and simulation results show that compared with the aggregation method in the original agreement，the proposed method has greatly improved the system throughput by selecting the appropriate frame aggregation length in the channel with changing BER.

802.11n；frame length；adaptive frame aggregation；throughput

TN929.5

A

1674－6236（2013）04-0057-04

2012-10-31稿件編號(hào)201210210

齊培軍（1987—），男，河北邯鄲人，碩士研究生。研究方向：無(wú)線(xiàn)通信，信號(hào)與信息處理。