ＤＦＡ：基于８０２．１１的無線網絡動態幀分片與聚集方案

 收稿日期：2007-11-16；

修回日期：2008-03-17

基金項目：西南科技大學博士研究基金資助項目（08ZX0105）



作者簡介：張蕾（1980-），女，重慶人，博士，主要研究方向為無線網絡（leizh@mail.ustc.edu.cn）；楊壽保（1947-），男，上海人，教授，主要研究方向為網絡協議、網格計算.

（1.西南科技大學 計算機科學與技術學院 四川 綿陽 621010; 2.中國科學技術大學 計算機科學技術系 合肥 230026）

摘要：

提出了一種適用于基于IEEE 802.11的無線網絡的動態幀分片與聚集方案。該方案依據實時的信噪比信息來判斷鏈路誤碼率，利用分片和聚集操作動態調整發送幀的長度，從而減少誤碼重傳的發生。模擬實驗證明，該方案能夠有效提高WLAN以及無線Mesh網絡為代表的基于802.11的無線單跳以及多跳網絡的傳輸性能。

關鍵詞：無線網絡; IEEE 802.11; 信噪比; 位誤碼率; 分片; 聚集

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)10-3148-05

DFA: dynamic frame fragmentation and aggregation for 802.11-based wireless networks

ZHANG Lei1，2 YANG Shou-bao2

(1.School of Computer Science Technology Southwest University of Science Technology Mianyang Sichuan621010 China;

2.Dept.of Computer Science Technology University of Science Technology of China Hefei 230026 China)

Abstract:

This paper proposed a dynamic frame fragmentation and aggregation method for 802.11-based wireless networks in which BER would be estimated from SNR and the number of retransmissions could be reduced by fragmenting or aggregating frames to optimal size before transmission occurs. The simulation results show performance enhancement for both single-hop(wireless local network) and multi-hop (wireless Mesh network) wireless networks.

Key words：wireless network; IEEE 802.11; signal-to-noise ratio (SNR); bit error rate (BER); fragmentation; aggregation

0引言

近年來，無線接入網絡作為廉價、便捷的Internet訪問方式正在受到越來越廣泛的關注。無線局域網（wireless local area network，WLAN）技術已經進入部署實用階段，但是單跳無線鏈路的傳輸范圍有限，其覆蓋范圍較小。無線Mesh網絡（wireless Mesh network，WMN）采用網狀多跳的結構大大提高了網絡的覆蓋范圍，它是一種廉價的高速寬帶Internet接入方案[1，2]。但是現有技術無法提供高質量的無線多跳網絡傳輸服務，嚴重阻礙了WMN的發展。

由于無線鏈路存在頻繁的丟包，WLAN和WMN的傳輸性能均受到嚴重影響[3]。無線信道間干擾、信道衰落等多種環境因素所引發的信道誤碼是引起丟包的主要原因之一，這些影響因素的不穩定造成鏈路位誤碼率頻繁變化。已知BER由接收端的信噪比（SNR）決定[4]，因此可以通過對接收端SNR的監聽來獲知BER信息。在BER一定時，越長的數據包傳輸失敗的概率越大，因此根據BER來調節數據包的大小能夠減少誤碼所造成的丟包，提高傳輸性能。但是傳輸越短的數據包開銷越大，有效載荷的比例也越小，有效吞吐率會降低。所以需要尋找最優數據包長度值，以獲得數據包重傳開銷與有效吞吐率之間的平衡。

IEEE 802.11標準中提供了幀分片的機制，該機制適用于在BER較高的環境下傳輸較大的幀。當出現位誤碼時只需要重傳未被成功接收的分片，避免了整個幀的重傳[5]，但是該標準對于分片長度的計算并未明確規定。文獻[6]研究了WLAN中負載長度的變化對重傳的影響。但是無線多跳網絡帶來了一些新的問題，即WMN中鄰居鏈路之間存在嚴重的同頻干擾[7]，因此鏈路SNR變化更加頻繁，數據流所經過的多條鏈路的BER各不相同且時常改變，所以需要在每條鏈路上對數據幀的長度進行調整。文獻[8]分析了Ad hoc網絡中包聚集的優點，該文中假定無線信道為無誤碼的理想信道，但事實上無線信道是存在嚴重誤碼問題的非理想突發信道。

本文在分析BER對無線鏈路傳輸性能影響的基礎之上，提出了一種適用于基于802.11的單跳以及多跳無線網絡的鏈路層動態幀分片與聚集方案（dynamic fragmentation and aggregation，DFA）。DFA根據接收端所獲得的實時鏈路質量信息，采用分片或聚集操作動態地將發送幀的長度調整至最優幀長，從而達到優化信道利用率、減小誤碼重傳、提高網絡傳輸性能的目的。模擬實驗結果證實，該方案能夠有效提高WLAN以及WMN等基于802.11的無線網絡的有效吞吐率。

1BER對無線鏈路傳輸性能的影響

BER是造成無線鏈路上數據包丟失的重要原因之一。下面將首先對無線鏈路上造成丟包的因素進行分類簡述；然后分析BER與信噪比的關系；最后通過實驗研究BER對數據包重傳的影響，并根據BER將信道狀態分為三類。

1.1無線鏈路丟包原因

在基于802.11的無線網絡中，引起丟包的原因可以分為網絡擁塞、信道沖突及信道誤碼三大類。當一個節點中有過多的數據等待發送時，往往會由于緩沖區溢出而造成擁塞丟包。本文中假設節點緩沖區足夠大以避免由于網絡擁塞造成的丟包。

無線多跳網絡中，大量的相鄰鏈路會導致激烈的信道競爭，由于目前IEEE 802.11 MAC中所采用的CSMA/CA機制還不完善，信道沖突所引發的丟包時有發生。多信道多發射機制是避免信道沖突的一類思路，它通過使用互不干擾的信道來增加同時通信的鏈路。但對于信道空間共享度較高的WMN，IEEE 802.11b/g標準所能提供的三個正交信道完全不能滿足信道分配的需要。信道沖突的原因可以分為節點間沖突、節點信息不對稱、近端隱藏終端、遠端隱藏終端四類。由信道沖突所引發的丟包會造成WMN中的流饑餓，而信道沖突概率僅僅依賴于競爭窗口大小以及競爭站點數[9]，因此要改善這一問題需要對CSMA/CA機制進行修改，這已超出了本文的研究范圍。

而誤碼丟包則是單跳無線網絡和多跳無線網絡所共同存在的問題。本文將重點研究無線網絡中信道誤碼所引發的丟包對傳輸性能的影響以及其改進。無線鏈路是非理想的信道，物理層的信號受到多徑衰減、噪聲以及干擾等現象的影響會出現變形，這些信號變形在物理層的解碼中若得不到有效的修正會將錯誤繼續傳播至上層，從而造成影響傳輸性能的信道誤碼。此外，由于不同的設備有著不同的輸出功率和接收靈敏度，在不同的設備間進行傳輸也容易造成數據接收不正確。無線多跳網絡會由于大量的相鄰鏈路而存在嚴重的鏈路間干擾，信道誤碼更為嚴重[3]。當且僅當數據包的每一位被成功傳輸，這個數據包才能被成功傳輸，因此雖然數據包長度不會影響信道沖突所引起的丟包率，但是卻對信道誤碼所造成的丟包有著重要的影響。

1.2BER與信噪比的關系

無線鏈路的BER隨信道質量、調制方式以及編碼方式而改變，信道質量的表征體現就是信噪比SNR。IEEE 802.11規定了多種調制方式，對于不同的傳輸速率采用不同的調制方式。IEEE 802.11b支持四種傳輸速率，即1 Mbps時采用BPSK、2 Mbps時采用QPSK、5.5 Mbps時采用CCK5.5、11 Mbps時則采用CCK11。根據文獻[4]所給出的公式可以計算得到IEEE 802.11的四種調制方式下吞吐量以及BER與SNR的關系，如圖1所示。

誤碼率BER的計算公式如下所示：

BER=erfc((Pr×W)/(N×f))/2(1)

其中：erfc(x)=1-(2/π）∫ x 0exp-t2dt；N為噪聲強度；Pr為信號強度；W為信道帶寬（Hz）； f為傳輸速率；信噪比SNR=10log(Pr/N)。從式(1)可知，不同的調制方式在相同信噪比條件下的位誤碼率不同，傳輸速率越高的調制方式對信噪比的要求越高。

1.3BER對數據包重傳的影響

數據包的丟失將會引起發送站點的重傳，導致延遲增大，傳輸性能下降。當且僅當數據包的每一位被成功傳輸，這個數據包才能被成功傳輸，因此一個數據包傳輸成功的概率可表示為∏L-1i=0P(i)。其中：L代表包長度；P(i)是第i位被傳輸成功的概率。隨著數據包長度的增加由BER所引起的丟包概率增大，因此較長的數據包被重傳的概率大于較小的包。考慮丟包率與包頭等開銷的影響，存在能使鏈路有效吞吐率最大化的最優數據包長度值。

筆者利用Network Simulator 2.28模擬驗證了上述結論。在單跳無線鏈路上運行了三條對比流，三條恒定數據流所傳輸的數據幀長度分別為1 500、500和200 Byte；鏈路的MAC層速率被設定為11 Mbps。圖2(a)顯示了重傳概率與BER之間的關系，可見當BER＞10-5時1 500 Byte數據流的重傳概率迅速增大，而幀長較小的兩條流重傳概率增加則較緩慢。圖2(b)則顯示隨著BER的增大，數據幀長度較小的流有效吞吐率下降比較大的流緩慢，在BER＞4×10-4時幀長為200 Byte的流的有效吞吐率已經超過了幀長為1 500 Byte的流；在BER＞8×10-4時更是超過了幀長為500 Byte的流。

從圖2(a)可以發現，當BER低于10-5時，不同大小的幀重傳概率都很低；當BER在10-3~10-5時，不同大小的幀重傳概率存在明顯差異，控制幀長度對減小重傳概率有決定性意義；當BER高于10-3時，各種長度的幀重傳概率都已經很高，幀長度控制已不能再發揮明顯的作用。因此，根據圖1、2的模擬測試結果，筆者將信道狀態分為三類，定義如下：信噪比大于14 dB，即CCK11誤碼率小于10-5時信道處于good狀態；信噪比在11~14 dB時則被稱為middle狀態，此時誤碼率在10-5~10-3；信噪比小于11 dB，即CCK11誤碼率大于10-3時，信道處于bad狀態。短幀傳輸能夠減小丟包概率，從而降低重傳概率、增加吞吐量，但是更多的分片會引入更大的包頭開銷以及響應開銷，導致有效吞吐率的降低。因此無線鏈路需要根據BER以及有效吞吐率來計算最優幀長度，從而提高傳輸性能。

2DFA：動態分片與聚集機制

根據以上分析可知，信道狀態是動態改變的，只有根據信道狀態的改變動態調整所傳輸的數據幀長度，才能有效地提高無線網絡中的傳輸性能。基于這一思想，本文提出了MAC層的動態分片與聚集機制DFA。該機制讓路由節點根據所預測的鏈路狀態選取最優幀長值，利用分片或聚集操作將數據組成最優長度的幀后再發送，從而提高信道利用率并獲得本鏈路上的傳輸性能提高。對于WMN這類多跳無線網絡，在每一跳鏈路上的局部優化將帶來整體傳輸性能的提高。

2.1BER預測

已有的許多無線信道建模的研究都是基于伯努利實驗的思想，認為信道的誤碼率是固定的，每一位數據在傳輸中出錯的幾率均相等。但實際上無線鏈路的傳輸性能受環境的影響十分嚴重，噪聲、干擾、多徑衰落等突發差錯的影響會造成信道狀態時常改變。因此，無線信道是一種典型的非理想突發信道。

要計算出最優的幀大小，首先需要對下一時間片內的BER作出盡可能精確的預測。從1.2節的分析可知，BER與該時刻的信道狀態等相關。信道狀態的界定是根據接收節點在一個時間片中測得的信噪比。當SNR較小時，出現誤碼的概率大，分片長度應該盡量設置得更小以減少重傳概率；當SNR較大時，BER較小，分片長度應該盡量設置大些以最小化開銷。

本文假設在一個時間片內信道狀態不會發生改變，此處的時間片是指傳輸一個數據包所需的時間。由于DFA中節點會動態調整所發送數據幀的長度，每個時間片的長度是不一致的。本文中對信道狀態的預測采用了惰性思想，認為相鄰時間片的信道狀態具有一定的相似性，采用前一時間片的SNR來作為下一時間片的最優分片長度判斷依據，即BER(n)=BER(n-1)。BER是由接收節點的SNR決定的，為了讓發送節點獲得接收節點的SNR信息來作為后面的幀長度調節判斷依據，筆者修改了MAC響應幀的格式，將SNR信息附帶在ACK中傳送給發送節點。新的ACK格式如圖3所示，SNR信息采用1 Byte來描述。發送端從ACK幀中獲取前一時間片的SNR信息后，將根據式（1）計算得到BER(n-1)，便可預測得到下一時間片的誤碼率BER(n)。

2.2最優幀長度的計算

時間片n的最優幀長度L(n)將根據所預測的BER(n)計算得到。根據IEEE 802.11規定，發送一幀數據所需要的時間為T=DIFS+backoff+TDATA+SIFS+TACK，采用標準中規定的分片機制時T=DIFS+backoff+m(TDATA+2SIFS+TACK)。其中：m是分片數量；DIFS和SIFS是IEEE802.11標準所規定的幀間隔時間；backoff是回退等待時間。數據幀在傳輸時需要加上物理層和MAC層的頭部開銷，令每個分片的MAC幀頭開銷為h，因此發送一個長度為L的幀時將有L+h位數據被發送。為了確認數據已經正確被接收，發送端還需要正確收到ACK，在物理層上傳輸時數據幀和ACK都需要再添加物理層頭部PHY。因此數據幀的傳輸時間TDATA=TPHY+Th+TL，MAC層響應幀的傳輸時間TACK=TPHY+TLACK。其中：TPHY為物理層的PLCP header和PLCP preamble的傳輸時間；Th為傳輸MAC層加上的34 Byte的MAC頭和FCS校驗和所需要的時間；TL為傳輸幀內容所需要的時間；TLACK為傳輸15 Bype的MAC層響應幀所需要的時間。

IEEE 802.11規定PLCP header和PLCP preamble采用BPSK調制的1 Mbps的速率發送。由于PLCP header有48 bit，Preamble有144 bit，且都采用1 Mbps的速率發送，PLCP header與preamble的發送時間之和TPHY＝192 μs。而回退等待時間backoff為一個動態改變的量，該計時器初值是在0到競爭窗口CW之間隨機取一個數與slottime相乘，slottime默認為20 μs。在計算最優幀長時設backoff為平均值CW/2×slottime。根據IEEE 802.11標準規定，CW的計算如式（2）。其中：CWmin＝31，CWmax＝1 023；i為數據包被重傳的次數；k為4。

CWi=2i(CWmin+1) i＜kCWmax+1i=k(2)

要優化有效吞吐率應該在優化信道利用率的同時最大化有效載荷。采用基本方式發送時，信道利用率采用成功傳輸有效載荷的時間與總傳輸時間的比值表示，如式(3)所示。

ηch=(TL(n)/T)(1-BERPHY(n))2PHY(1-BER(n))L(n)+h+ACK=

TL(n)/（DIFS+backoff+TDATA+SIFS+TACK）×

(1-BER(n))L(n)+h+ACK+2PHY(3)

從前面的分析可知，由于調制方式不同，物理層頭部與其他部分的誤碼率略有不同。但是物理層頭部在整個幀的發送中只占很小的部分，對數據幀的發送成功率影響不大。本文在計算中為了簡化視其與CCK11的誤碼率相同，即BERPHY(n)=BER(n)。

SIFS默認為10 μs；DIFS為50 μs；backoff為10CW μs。這些等待時間可以等價為發送一定量數據的時間(11Mbps速率時，每μs發送11bit數據)。令M=h+ACK+11(2PHY+20+50+10CW)，N=2PHY+h+ACK。由于ACK、h、PHY的長度都是一定的，CW對于一次傳輸也是可以預先獲知的量，M和N為常量，ηch進一步簡化為

ηch=[L(n)/(L(n)+M)](1-BER(n))L(n)+N(4)

為了最大化ηch，令式（4）對于L(n)的倒數等于0，可推導得到最優分片長度L(n)如式（5）所示（此處已略去為負數的根）。

L(n)=-M/2+（M2/4）-M/ln(1-BER(n))(5)

時間片n的最優分片長度應根據式(6)計算。IEEE 802.11標準規定幀的最大長度為2 300 Byte，因此Lmax=2 300 Byte；測試顯示當數據幀長度小于150 Byte時沖突避免操作以及幀頭所帶來的開銷過大，有效吞吐率極低，因此設定Lmin=150 Byte。

L(n)=Lmax BER(n)∈[0，BERgood]

-M/2+(M2/4)-M/ln(1-BER(n)BER(n)∈(BERgood，BERbad)

LminBER(n)∈[BERbad，1](6)

2.3分片與聚集操作

DFA的操作流程如圖4所示。當一個新的時間片開始時，節點從最近收到的ACK中提取SNR信息，根據式(1)計算得到預測BER，然后利用預測BER值計算相應的最優幀長L(n)。接下來將L(n)與緩沖區隊列頭的幀長度L進行比較，若L＞L(n)，則啟動幀分片過程；否則根據聚集閾值r判斷是否進入聚集過程，待完成幀重建的工作后將新的幀發送出去。

考慮到所付出的聚集等待延遲和獲得滿足聚集條件的數據幀的概率，本文引入了聚集閾值r，它根據所傳輸的數據流的特征設定，一般情況下r∈(1，2]。當L(n)/L＞r時，進入幀聚集操作過程：首先查找緩沖隊列，挑選出具有相同下一跳節點的幀，若這些幀足夠組成一個最優長度的幀，則直接進行重建幀的操作；否則啟動聚集等待計時器TW，進入等待階段。當計時器減至０或者有足夠的幀進入隊列時立即停止計時，直接進入重建幀操作。

為了實現幀聚集筆者設計了一個聚集子層。聚集幀的格式如圖5所示。

幀控制域中的type和subtype域用IEEE 802.11標準中的保留值101000來標記，以表示這是一個聚集幀；frame number記錄被聚集幀的數量；size i記錄第i個被聚集的幀的長度。Size域隨frame number域而改變，如果frame number為n就會有n個size域。只有具有相同下一跳目的地的幀才能夠被聚集，以方便MAC頭的共享，CRC校驗將根據聚集后的幀重新計算，被加在新幀的末尾。DFA中幀分片操作以及分片傳輸機制將直接參照IEEE 802.11標準，如圖6所示。

在WMN中，信道競爭十分嚴重，節點在回退等待的過程中由于遇到其他節點開始傳輸而掛起的概率較大，使得完成一幀傳輸所需要的時間隨幀長度的變化并不明顯。在不增加重傳的前提下，發送較長有效載荷幀的節點傳輸等量數據所需的時間較少，因此聚集操作在信道狀態較好的情況下有明顯的優勢。但是在誤碼率較高的環境下，丟包概率隨數據幀長度增加，丟包所引起的大量重傳會導致吞吐量迅速下降。分成較小的幀發送能夠降低丟包率、減少重傳，從而有效地提高吞吐量。

3模擬與分析

本文擴展了Network Simulator 2.28版本的802.11 MAC模塊，使其能夠支持筆者的DFA分片與聚集方案，同時修改了NS中的錯誤模型使其能夠運行BER動態改變的模擬實驗。在單跳無線鏈路、兩跳鏈狀無線拓撲和8節點的隨機拓撲場景下進行了實驗以驗證DFA機制在WLAN以及WMN環境下的有效性。模擬場景如圖7所示。

最近的一些實測研究表明RTS/CTS機制在WMN中不能有效地改善傳輸性能，相反卻會因為RTS/CTS消息傳輸的開銷而帶來傳輸性能下降[3]。主要原因是目前很多802.11設備的載波偵聽范圍是傳輸范圍的兩倍左右，隱藏終端問題在這樣的條件下并不十分明顯。因此本文的模擬實驗均采用DCF兩路握手機制，而非帶RTS/CTS的四路握手機制。模擬參數在表1中給出。

表1模擬參數

NS參數值NS參數值

PLCP header+Preamble192 bitBERgood10-5

MAC header272 bitBERbad10-3

ACK length120 bitIncomingErrProcON

Channel bit rate11 MbpsOutgoingErrProcOFF

圖8顯示了DFA機制在一跳無線鏈路場景中對CBR恒定速率流傳輸性能的增強。從圖中可以看出，DFA在BER較低的情況下對高速率小包流的有效吞吐率增強效果最為明顯，BER較高的情況下則對低速率大包流的性能增強效果更大。同時筆者還發現采用本文方法在BER高的情況下，對高速率大包流的有效吞吐率存在負面影響，說明DFA機制還存在其局限性，有待進一步改進。

圖7(a)所示場景中有一條CBR流從無線節點N1到服務器，鏈路1和2采用不同的信道以避免信道沖突，有線鏈路為無差錯鏈路。本文在該場景下運行了三條數據包大小分別為200、1 000和1 500 Byte的對比流。為了使三條流運行在相同的信道狀態下，本文事先為兩條鏈路分別設定了信道狀態轉換概率矩陣（圖9）。在模擬實驗中簡單設置good狀態的誤碼率為10-5，middle狀態的誤碼率為10-4，bad狀態的誤碼率為10-3。采用DFA機制與使用原始802.11協議時的有效吞吐率對比如圖9所示。

圖9中模擬結果顯示，采用DFA流的有效吞吐率比不采用該機制的流更高、穩定性更好。同時筆者也發現部分點上采用DFA機制流的有效吞吐率低于相應的不采用DFA的流，這一現象歸因于不準確的信道狀態預測。惰性思想在信道狀態發生改變的情況下會導致不準確的預測，從而影響傳輸性能。但是實驗統計顯示不準確預測的概率是可以接受的。

圖7(b)所示的隨機拓撲場景為一典型的WMN。其中，節點4為Mesh網關，整個WMN通過它與Internet連接，所有WMN外部交互的流量都會經過它。因此筆者在模擬實驗中隨機定義了三條到節點4的CBR流用于測試DFA對于一個小型WMN的性能改善。為了簡化實驗，每條無線鏈路的狀態轉換矩陣被設置為相同的，DFA較之原始802.11在該場景下對有效吞吐率的增加如圖10所示。

從實驗結果可以看出，DFA對于數據包長度小于500 Byte或大于1 000 Byte的流的性能提高較為明顯，對于負載較重的網絡的性能改善更為顯著。當緩沖隊列中多數數據包長在500~1 000 Byte時，通常L∈[L(n)/r，2L(n)]。此情況下進行分片則第二個分片較小，不能充分提高信道利用率；而當L

DFA在上述模擬實驗中都表現了良好的性能，因此DFA能夠通過動態地調整每一跳鏈路上所發送的幀長度來提高信道利用率，減少由于誤碼丟包所造成的重傳，從而使WLAN和WMN中數據流的傳輸性能都能得到有效提高。

4結束語

本文研究了基于IEEE 802.11的無線網絡中誤碼所引起

的數據丟包對傳輸性能的影響。已知由BER所引發的數據丟

包現象能夠通過調節數據包的大小加以改善。但是在突發信道中，BER隨SNR動態改變，只有動態地調整幀長度才能有效優化傳輸性能，為此本文提出了動態幀分片與聚集機制DFA。該機制根據鏈路質量信息，利用分片和聚集操作動態地調整幀的長度，從而減小由于重傳所帶來的帶寬浪費。模擬實驗結果證實DFA機制在大部分情況下能有效提高基于IEEE 802.11的單跳以及多跳無線網絡中的傳輸性能。

DFA中分片機制直接采用了IEEE 802.11標準中的方案。該方案中每個分片都需要加上很長的MAC頭后才能被傳輸，包頭開銷較大。另外，ACK需要在接收到每一個分片后立即發送，發送端成功收到ACK確認后才能進入下一分片的傳輸，導致延遲較大、信道利用率不高。因此，設計更加有效的分片機制將是筆者下一步的工作。

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