基于主導節點競爭機制的802.11n協議性能分析

李小軍，郭 睿

（西北工業大學 陜西 西安 710129）

IEEE802.11n無線局域網標準一方面由于頻譜資源的緊張使其帶寬受到了限制，另一方面還要能夠支持同時接入大量的競爭節點，因而兩者之間產生了矛盾。首先，由于經典802.11n標準DCF（分布式協調功能）機制沒有引入一種能減小沖突概率的機制，導致節點間的沖突概率上升，在節點數量較多時性能表現較差[1]。其次，由于經典802.11nDCF[2]信道接入機制的數據傳輸額外開銷較大，導致系統的傳輸效率較低，吞吐量受到了限制，因而在高速數據傳輸情況下系統性能表現也不是很理想。

為此，許多學者提出了一系列優化策略以提升MAC層傳輸效率。李賀武等[3]提出并設計了一種基于狀態檢測與競爭終端個數區間的自適應性能優化機制DOOR，根據競爭終端個數的變化計算相應的系統參數并動態的調整系統參數，然而其區間劃分存在重疊部分，很難保證系統參數的精確調整。Yuan-Yuan等[4]提出了基于令牌調節的隨機接入MAC協議TMAC，通過將競爭節點分成同等大小的組，以令牌在各個組之間輪詢的方式，使各個組中的成員發送數據，但是該機制對競爭節點數量進行了嚴格地限制，因而不適合節點數量較多的情形。K.-C.Ting等[5]提出了一種增強式的基于分組的DCF機制E-GDCF，該機制只有當競爭節點的數量超過8個的時候才會啟用，然而該方案將每個組的競爭節點數量限制在2個，在節點數量較多情況下，該方案存在嚴重的局限性。

文中在文獻K.-C.Ting等[5]提出的基于節點分組的MAC信道接入機制的基礎上，對其分組機制進行了優化改進，通過對每一個組中的節點數量進行適量增加，并為每一個組指定一個主導節點，由主導節點來競爭信道，由此可有效地減小所有節點一起競爭信道時的沖突概率，提升系統吞吐量。文中所有仿真均以NS2網絡仿真軟件為實驗平臺。

1 802.11n DCF機制性能分析

經典802.11nDCF信道接入機制允許所有的節點一起競爭信道，Bianchi[1]給出了該機制下的沖突概率表達式為：

式中，τ為每個節點數據幀的發送概率，n為節點數量，Ptr為至少有一個節點發送數據幀的概率，Ps為有節點發送數據且不產生沖突的概率，且Ptr和Ps分別如下式所示：

由（1）式可知，當局域網中的節點數量越來越多時，沖突概率必然會隨著節點數量的增加而上升，然而當沖突概率上升到一定程度時，接著伴隨而來的后果就是節點間數據重傳次數的急劇增加，給系統帶來了更大的額外開銷。下圖表示的時DCF機制下的競爭節點數量與沖突概率之間的關系。從圖中可以看出，當競爭節點數量為120時，沖突概率已經上升到了70%，對系統來說此時不能正常工作。

圖1 DCF機制的沖突概率Fig.1 Collision probability of DCF

同時，Bianchi[1]在基于理想信道和飽和系統的假設下建立了一個二維馬爾可夫模型對系統的性能進行了深入的分析，并最終給出了DCF機制的吞吐量表達式為：

式中，Tpayload為成功傳輸的有效載荷，σ為節點每個虛擬時隙的平均發送概率。我們知道802.11n標準為了提升系統的吞吐量，采用了A-MSDU和A-MPDU聚合機制，雖然這兩種聚合機制在一定程度上能提升系統的吞吐量，但是在這兩種機制下，每一個節點在傳輸數據前都需要先利用RTS/CTS機制獲取信道的使用權，當節點數量較多時，這樣做浪費了大量的信道傳輸時間。同理，當聚合幀的聚合個數較多時，數據幀中包含的一些附加開銷（MAC幀頭、物理幀頭、競爭時間等）并不會減少，給系統吞吐量的提升帶來了一定的限制，因此對DCF信道接入機制的改進勢在必行。

2 基于主導節點競爭的信道接入機制

由K.-C.Ting等[5]提出的基于節點分組的MAC信道接入機制我們知道，首先AP（Access Point）根據接收到的各個節點的信號強度[7]去定位局域網中所有節點的地理位置并記錄節點數量n，然后AP根據節點數量向網絡中廣播分組數N，然后AP根據節點的地理位置將相鄰較近的節點分為一組，從而可以將節點分為N個組。同時，K.-C.Ting[5]在其文獻中對每個組中的節點數量進行了限制，而為了適應大量節點同時接入局域網的情況，我們對每個組中的節點數量進行了適當的增加。在按照上述方法分組之后，如果讓此時的節點傳輸數據，各個組中的節點也會因為相互競爭信道而產生沖突。為了避免這一情況的發生，文中所采取的措施就是為每一個組指定一個主導節點，分組模型如圖1所示。AP根據每個組的情況，將地理位置靠近區域中心的節點設為主導節點，由主導節點負責組中所有節點的活動并與AP交互，與DCF機制的所有節點都必須與AP進行通信相比，這樣能有效地減小多個成員節點的負擔。

圖2 分組模型Fig.2 Model of node grouping

為了保證當有新的節點加入網絡中某個組時，各個組中不存在隱藏節點問題，可以采取如下措施加以避免：AP為每個組選定主導節點之后 ，主導節點就會開始廣播輪詢幀，新節點根據收到的輪詢幀估算自身和在其偵測范圍內的主導節點的距離，假如新節點和某個主導節點間的距離小于等于R/2，則該節點就會選擇加入到該主導節點所在的組中，這里的R表示節點間最大有效通信距離。如果以新節點為中心半徑為R/2的范圍內存在多個主導節點的話，新節點就會根據估算距離[7]選擇離它最近的組。然而實際操作中，距離估算總會存在一定的誤差，上圖1所示的分組模型就是在有誤差的情況下得到的。假設最大估算誤差為δ，則當新節點和某個主導節點之間的距離小于R/2-2δ并且組的容量未達到最大值時，該新節點就可以加入到該組中。雖然這很有可能將某些節點遺漏，比如上圖中最下面的那個節點，但是避免了隱藏節點問題，也更符合實際應用要求。

3 基于主導節點競爭的性能分析

由上一小節我們知道，文中方法將局域網中的n個節點分為了N個組，每組都有一個主導節點，因此總共有N個主導節點。由于文中方法并不是所有節點一起競爭信道，而是只由主導節點競爭信道，因此（1）式所示的沖突概率的表達式并不適合文中的方法，因為此時競爭信道的節點數量已不再是n，而是N，而且一般情況下N都要遠小于n，由此我們得到文中方法的沖突概率表達式為：

由上式的結構可以看出當N和n相等時，文中方法和802.11nDCF機制的沖突概率表達式是相同的。

DCF在RTS/CTS方式下的數據傳輸過程Bianchi在文中有較為詳細的描述。而文中所述方法的信道接入過程與DCF的卻不相同，文中方法只允許主導節點競爭信道，一道競爭到信道后，組中其他的成員節點就會根據主導節點所規定的順序輪流發送數據，因此成員節點不需要再去競爭信道，這樣就節省了大量的信道接入時間。通過對文中方法的具體信道接入過程的分析發現，文中方法的吞吐量表達式和上述DCF機制的形式基本一樣，只是式中的數據成功傳輸所用時間TS和數據傳輸發生沖突所用時間TC與DCF機制的不同而已，因此，我們只需要求出該機制下的數據成功傳輸所用時間Tss和數據傳輸發生沖突所用時間Tcc，并將其帶入（4）式即可得到文中方法的吞吐量表達式。

從前面的分析我們知道，假設局域網中有n個節點，則文中方法會將所有節點分為N個組，因而主導節點也只有N個，每一組有n/N個節點；任一節點得到信道后，就會傳輸一個包含b個數據幀的A-MSDU聚合幀，假設傳輸中沒有錯誤發生，則一次成功的數據傳輸總共包含（n/N+1）個SIFS，因而我們有：

而Tcc和DCF機制的Tc一樣，即：

（6）和（7）式中相關參數的含義如表一所示，TRTS、TCTS和TDATA（b）分別表示的是傳輸RTS、CTS和b個數據幀所用的時間，綜合以上分析可知，我們只需將（6）和（7）式帶入（4）式即可求得該機制的理論吞吐量表達式。

4 仿真結果與分析

本文以NS2網絡仿真軟件為實驗平臺，對所提出的基于競爭節點分組的MAC信道接入機制進行仿真。本文中所使用的仿真配置參數如下表一所示。仿真中我們設置仿真時間為1 200 s，幀長為1 000，仿真網絡模型為帶有無線接入點AP的基礎設施網絡。文中主要對DCF、TMAC和文中方法3種信道接入機制的性能進行仿真分析。

表1 系統仿真參數Tab.1 Simulation parameters of system

圖3所示為DCF、TMAC和文中方法3種機制所產生的沖突概率的比較，從圖中我們可以清楚的看到，當網絡中節點數目達到120個的時候，DCF機制的沖突概率已經達到了44%，這主要是因為DCF機制只是通過幀聚合機制和減少協議開銷來提高系統吞吐量的，并沒有引入一種能減小沖突概率的機制；相比較而言，在節點數量相同的情況下，文中方法的沖突概率只有DCF機制的一半，這是因為該方法有效地限制了競爭信道的節點數量，因而其沖突概率很小；同樣地相同情況下TMAC機制的沖突概率處于兩者之間。

圖4所示為DCF、TMAC和文中方法3種機制在節點數不同情況下吞吐量的比較，圖中顯示文中方法的最高，DCF次之，TMAC機制的最小。文中方法和DCF的吞吐量層次關系在前面已經討論過了，也符合我們的預期，但是DCF為什么會比TMAC的高呢，這主要是因為TMAC機制中每個站點在傳輸數據時都要與AP交換RTS/CTS幀，而且這種交換也非常的頻繁，尤其當節點已較高的速率傳輸數據時，RTS/CTS等額外開銷占據了數據中相當大的一部分，似的有效負載變得較低，因而會產生這種現象。

圖3 沖突概率Fig.3 Comparison of throughput

圖4 吞吐量比較Fig.4 Comparison of throughput

5 結 論

文中提出了一種基于主導節點競爭的MAC信道接入機制。該方法根據節點的地理位置將所有節點分成若干個獨立的區域組，每組設一個主導節點且由主導節點競爭信道，這樣就有效地減小了由所有節點一起競爭信道而產生的碰撞概率，由于也限制了RTS/CTS等控制幀的使用，一定程度上也減小了協議頭的開銷。理論分析和仿真結果表明，該機制在數據傳輸速率很高或者是節點數量較多的情況下，能提高系統整體性能，初步解決了帶寬受限和大量競爭節點同時接入信道之間的矛盾，因而一定程度上，其性能更優于傳統的DCF信道接入機制，更符合實際的應用需求。

[1]Bianchi G.Performanceanalysisof the IEEE 802.11 distributed coordination function[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications （JSAC），2000，18（3）:535-547.

[2]IEEE Std 802.11n-2009，Part 11.Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY）Specifications Amendment5: Enhancements for Higher Throughput[S].LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society， IEEE-SA Standards Board，2009.

[3]李賀武，吳建平，馬輝，等.基于競爭終端個數區間的IEEE 802.11性能優化[J].軟件學報，2004，15（12）:1850-1859.LIHe-wu，WUJian-ping，MAHui，etal.Performanceoptimization for IEEE 802.11 based on the range of contention xtation number[J].Journal of software，2004，15（12）:1850-1859.

[4]Yuan Y，Arbaugh W A，Lu S.Towards scalable MAC design for high-speed wireless LANs[J].Eurasip Journal on Wireless Communications and Networking， Hindawi Publishing Corporation，2007:1-15.

[5]Ting K-C，Lee H-H，Lai F.Design and analysis of enhanced grouping DCF scheme for the MAC layer enhancement of 802.11n with ultra-high data rate[C]//Proceedings of the 4th International Symposium on Wireless Communication Systems （ISWCS）.[s.n.]，2007:252-256.

[6]Kim S，Kim Y，Choi S，et al.A High-Throughput MAC strategy for next-generation WLANs[C]//Proceedings of the 6th International Symposium on a World of Wireless Mobile and Multimedia Networks （WoWMoM）:[s.n.]，2005:278-285.