王磊

（安康學院電子與信息工程學院，陜西安康725099）

為了提升多址接入（Medium Access Control，MAC）協(xié)議的效率，IEEE802.11n工作組基于IEEE 802.11 DCF機制提出了幀聚合思想[1]，即僅通過完成一次的信道接入過程來傳輸多個子幀，并采用塊確認（Block ACK，BA）的方式來對多個數(shù)據(jù)子幀進行傳輸確認，從而可大幅度減少控制分組和幀間間隔開銷，進一步提高信道利用率和網絡吞吐量[2]。在無線網絡協(xié)議的研究中，為了評估無線網絡的性能，研究者通常需要采用網絡仿真工具來搭建網絡仿真平臺[3-4]。本文主要介紹了基于NS-2網絡仿真平臺對IEEE 802.11幀聚合機制的實現(xiàn)，并對幀聚合機制的性能進行了仿真驗證與評估。

1 IEEE802.11幀聚合機制概述

為了解決無線通信過程的隱藏站點問題，IEEE 802.11 DCF提出了基于CSMA/CA沖突避免機制的RTS/CTS握手過程[5-6]，如圖1（a）所示。可以看出，傳統(tǒng)的IEEE 802.11 DCF機制中完成一次正常的數(shù)據(jù)傳輸，其信道偵聽（偵聽時長為DIFS）、退避過程、短幀間間隔（SIFS）以及控制分組傳輸（包括RTS和CTS）均帶來了大量的信道資源浪費[7]。由于這些時間開銷是無法避免的，所以只能盡量減少開銷出現(xiàn)的次數(shù)，也就是說，在一定開銷的前提下盡可能提升所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

圖1 IEEE 802.11DCF和幀聚合機制中分別采用RTS/CTS機制的傳輸流程

為了減小信令開銷并提高系統(tǒng)的吞吐率，IEEE 802.11n[8-9]中提出了基于 A-MPDU（Aggregated MAC Protocol Data Unit）的幀聚合機制，基通過將多個上層數(shù)據(jù)幀封裝后的MPDU聚合在一個MAC幀中進行發(fā)送[10]。如圖1（b）所示，當接收端在收到包含n個MP?DU的A-MPDU聚合幀后，從而對每個MPDU進行解碼并最終對整個MAC聚合幀返回一個BA信息，其中BA攜帶了接收端對每個MPDU傳輸正確與否的確認。周圍的STA則根據(jù)接收到RTS或CTS幀來設置網絡分配矢量（Network Allocation Vector，NAV）信息并在NAV時間內保持靜默，NAV指示了信道將被占用直至BA幀傳輸結束，分別如公式（1）和（2）所示。

STA1收到CTS幀之后，等待SIFS之后發(fā)送DATA幀。最后，STA2會回復BA幀以確認n個DATA聚合幀的接收。通過建立二維Markov鏈模型，可得到采用幀聚合機制的網絡吞吐量為：

其中，n為接收到聚合數(shù)據(jù)幀的個數(shù)，σ表示一個時隙的長度，Ptr和Ps分別表示為一個時隙內至少有一個節(jié)點發(fā)送的概率和成功發(fā)送的概率，Ts表示一次成功的數(shù)據(jù)傳輸過程所占用信道的時間，Tc表示一次失敗的傳輸所占用信道的時間，E[P]表示每個數(shù)據(jù)分組載荷的平均大小。

2 幀聚合機制在NS-2上的實現(xiàn)

NS-2又稱為Network Simulator-2，是一種基于離散時間仿真的開源仿真工具，可以很好地模擬實際網絡中所發(fā)生的動作并進行性能統(tǒng)計[11]。NS-2中的各個層次是通過接口函數(shù)來相互調用，這樣可以相互獨立進行開發(fā)，從而可以提高開發(fā)效率[12]。

本文采用的是NS-2.35版本的網絡仿真平臺，并基于Ubuntu v.12的虛擬機來實現(xiàn)的。本文的主要工作涉及到采用幀聚合機制的MAC層設計，其數(shù)據(jù)包在節(jié)點各層的傳遞過程如圖2所示[13]。

圖2 數(shù)據(jù)包在各層間的傳遞過程

2.1 幀聚合機制的消息結構修改

在實際仿真中，各層協(xié)議都有自己獨特的消息結構。而NS-2提供了一種非常便捷的定義消息的方式，只需在“mac-802_11Ext.h”文件中定義各個幀所需要的各個字段，進而通過執(zhí)行make命令就會將其與源程序文件進行關聯(lián)。其中，為了實現(xiàn)對AMPDU聚合幀的確認，需要對傳統(tǒng)的ACK幀中的進行擴展，添加對每個DATA分組的接收正確與否的信息。Block-ACK的幀格式定義如下：

當接收端接收完數(shù)據(jù)包后，根據(jù)Block-ACK的幀格式產生BA幀，同時將接收到MPDU的成功與否的信息寫入BA幀中的‘ba_information’域中。RTS和CTS幀的幀結構與IEEE 802.11DCF類似，就不在此進行贅述了。

2.2 幀聚合機制中聚合幀個數(shù)的計算

當發(fā)送端收到接收端回復的CTS之后，根據(jù)當前的物理層速率、TXOP長度以及數(shù)據(jù)子幀的負載時長來計算聚合個數(shù)：

其中，tTXOP表示TXOP的時長，tBA和tSIFS分別表示BA幀和SIFS時長，tE[P]表示數(shù)據(jù)子幀的平均傳輸時長。進而，當接收端接收到聚合的數(shù)據(jù)包之后，通過對數(shù)據(jù)包進行解析，得到聚合包中的聚合個數(shù)n，并依次取出各子包分別進行接收。

2.3 幀聚合中節(jié)點模型的修改

在原始的NS-2節(jié)點模型中，數(shù)據(jù)分組只能從隊列單向地向MAC層進行發(fā)送，MAC層是無法直接對上層隊列進行操作的，從而也就無法實現(xiàn)幀聚合機制。為了克服該問題，本文通過采用跨層設計的方法在MAC層創(chuàng)建用于訪問隊列的指針*Myifq，如圖3所示。這樣可以賦予MAC層操作隊列的權限，進而通過該指針來操作上層隊列類的成員函數(shù)，比如resume（）出列等函數(shù)，實現(xiàn)MAC層根據(jù)需求來向隊列請求n個數(shù)據(jù)分組。

圖3 對NS-2節(jié)點模型中隊列控制的修改

2.4 幀聚合操作的實現(xiàn)

仿真平臺中幀聚合機制的實現(xiàn)過程如圖4所示。為了實現(xiàn)幀聚合機制，發(fā)送端首先會發(fā)送RTS幀來請求與接收方進行通信。而接收方接收到RTS會，首先通過MAC層進行信道質量（Channel State Informatica，CSI）評估，并將CSI攜帶在CTS中進行發(fā)送。當發(fā)送端收到RTS后，通過解析CTS進而獲得本次傳輸進行幀聚合的個數(shù)。進而，發(fā)送端根據(jù)公式（4）來計算可以進行幀聚合的個數(shù)n。比如，當n=4時，如圖4所示，發(fā)送端從MAC隊列中需要再取出3個數(shù)據(jù)分組，連同生成RTS的那個數(shù)據(jù)分組一起進行聚合，從而產生包括n個聚合分組的聚合幀進行發(fā)送。當接收方收到該聚合幀后，通過塊確認（BA）幀進行回復確認。

3 仿真結果與性能分析

3.1 仿真設置

在本仿真中，考慮單跳網絡場景，即所有節(jié)點均能感知到彼此的數(shù)據(jù)傳輸。假設所有信道均為理想信道，即不考慮物理信道中的差錯和誤碼。在本網絡場景中，50對收發(fā)節(jié)點隨機分布在100 m*100 m的矩形區(qū)域內，所有節(jié)點承載的業(yè)務類型為恒定比特率業(yè)務（Constant Bit Rate，CBR），數(shù)據(jù)分組大小為512字節(jié)?？刂品纸M傳輸速率為2 Mbps，用于傳輸RTS、CTS以及ACK分組，數(shù)據(jù)分組的傳輸速率則為11 Mbps，用于傳輸DATA分組。TXOP長度設置為1.0 ms，MAC隊列長度為50，即MAC隊列中最大能存儲50個數(shù)據(jù)分組。在隨機競爭過程中所使用的最小競爭窗為CWmin=15，最大競爭窗為CWmax=1023。其余參數(shù)設置可依照IEEE 802.11b標準[14]。本文考察的性能指標包括網絡吞吐量和平均分組時延，其中分組時延主要包括MAC隊列時延、競爭時延以及DATA分組的傳輸時延[15]。

3.2 仿真結果

為了驗證本仿真的準確性，將仿真結果與公式（4）進行了對比，給出了在IEEE 802.11 DCF協(xié)議上加入幀聚合機制的飽和吞吐量隨著網絡中節(jié)點個數(shù)增加的變化情況，如圖5所示?？梢钥闯觯W絡的吞吐量與分析吻合很好，并且隨著節(jié)點個數(shù)的逐漸增大，幀聚合機制的飽和吞吐量呈現(xiàn)出了逐漸下降的趨勢，這主要是由于使用了CSMA/CA機制，導致節(jié)點間的沖突隨著節(jié)點個數(shù)的增加而增大，從而降低了吞吐量性能[16]。

圖6比較了幀聚合機制與IEEE 802.11 DCF之間的吞吐量隨著節(jié)點業(yè)務量的增加的變化情況，此時網絡中存在50對收發(fā)節(jié)點。

圖5 幀聚合機制吞吐量仿真結果與分析結果對比

圖6 吞吐量隨節(jié)點業(yè)務量增加的變化

可以看出，隨著節(jié)點業(yè)務量的持續(xù)增加，IEEE 802.11 DCF與幀聚合機制的吞吐量性均呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，進而隨著節(jié)點業(yè)務量的增加保持平穩(wěn)，此時網絡達到了飽和狀態(tài)?？梢钥闯觯捎昧藥酆蠙C制之后，IEEE 802.11 DCF的飽和吞吐量性能提升了約90%。

圖7給出了幀聚合機制與IEEE 802.11 DCF之間的平均分組時延隨著節(jié)點業(yè)務量的增加的變化情況，網絡中存在50對收發(fā)節(jié)點?？梢钥闯?，當節(jié)點業(yè)務量較小時，即業(yè)務量不超過10包/秒時，兩種機制的平均分組時延均較小，因為此時帶來的排隊時延和競爭時延很小。而隨著節(jié)點業(yè)務量的持續(xù)增加，由于節(jié)點間的沖突加劇，使得兩者的平均時延均呈現(xiàn)出逐漸急劇上升的趨勢，進而達到飽和狀態(tài)。可以看出，IEEE 802.11 DCF的平均分組時延比幀聚合機制高出了約65%。

圖7 分組時延隨節(jié)點業(yè)務量增加的變化

4 結論

本文詳細介紹了基于IEEE 802.11DCF協(xié)議的幀聚合機制在NS-2平臺的實現(xiàn)，并且與分析模型進行了對比，驗證了NS-2仿真平臺的準確性，進而對幀聚合機制的性能進行了評估。本文實現(xiàn)的NS-2仿真與一些傳統(tǒng)的網絡仿真器相比，具有源代碼開放、功能模塊實現(xiàn)簡單清晰、擴展性較好等優(yōu)勢，這對于無線網絡MAC協(xié)議的研究具有較強的實際應用價值。

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