一種基于802.11n的幀長自適應二級幀聚合方法

齊培軍，郭 睿

（西北工業大學 陜西 西安 710129）

一種基于802.11n的幀長自適應二級幀聚合方法

齊培軍，郭 睿

（西北工業大學 陜西 西安 710129）

針對無線局域網中MAC層吞吐量受限的問題，分析了802.11n幀聚合機制和差錯信道下采用DCF接入機制時系統飽和吞吐量，討論了幀長度、誤碼率對系統吞吐量的影響。在此基礎上，提出一種幀長自適應的二級幀聚合方法。該方法根據誤碼率的不同，自適應地調節第一級聚合數目，以使聚合長度在該誤碼率下達到最佳，從而使吞吐量達到最優。理論分析與仿真結果表明，在誤碼率多變的信道中，該方法與現有802.11n中的聚合方法相比，可以通過選擇合適的幀聚合長度使吞吐量有較大提高。

802.11n；幀長度；自適應幀聚合；吞吐量

為了提高數據傳輸速率，滿足用戶對高速無線通信的需求，IEEE工作小組提出了802.11n標準。為了解決高速數據傳輸中由額外開銷引起的吞吐量受限問題，802.11n協議工作組提出了A-MSDU （MAC服務數據單元聚合）、A-MPDU（MAC協議數據單元聚合）和兩級聚合三種聚合方式。基于3種幀聚合方式，很多學者提出多種改進方案來進一步提高系統吞吐量。Kai-Ten Feng[1]等提出的FALA算法利用跨層思想，通過估計誤碼率以查表的方式查到相應的調制編碼方式和聚合幀長度，選擇合適幀長度進行聚合。沈丹萍[2]等將MAC層聚合和物理層聚合結合起來，提出一種物理層超幀技術，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度器，該調度器根據聚合幀的長度決定本次數據包發送時選擇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吞吐量，但以上方案只是對A-MSDU和A-MPDU進行了改進，對二級聚合很少提及。Dionysios[4]通過仿真證明，在這3種聚合方式中，二級聚合性能最佳。文中在二級聚合基礎上提出一種自適應二級聚合方法，該方法在第一級聚合時通過對當前信道狀況進行分析，根據誤碼率自適應地選擇合適的長度進行聚合，再進行A-MPDU聚合。最后以NS2軟件為實驗平臺對所提出的方法進行了仿真驗證。

1 幀聚合方式

幀聚合是指通過簡化數據幀結構，減少物理幀頭、MAC幀頭等額外開銷，以此提高MAC層吞吐量。802.11n在MAC層提出三種幀聚合方式：A-MSDU、A-MPDU和二級聚合。

A-MSDU是將多個具有相同目的地址的MSDU封裝為一個數據幀。若干個帶有各自頭部和填充字節的MSDU組成一個A-MSDU單元，再加上MAC頭和FCS形成一個MPDU。聚合方式如圖1所示。

圖1 A-MSDU聚合幀結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實體和填充字段。每個MPDU子幀都有單獨的FCS校驗，因此A-MPDU的傳輸可靠性較高。而每個子幀有單獨MAC頭部，并有分隔符作保護，這使A-MPDU增加的附加開銷比A-MSDU多。

圖2 A-MPDU聚合幀結構Fig.2 Frame aggregation structure of A-MPDU

二級聚合是結合A-MSDU和A-MPDU而實現的雙層次聚合。在二級聚合中，A-MPDU的子幀是一個已聚合的MSDU，該子幀是從A-MSDU中去掉MAC頭和FCS校驗，然后封裝為A-MPDU子幀，這樣進一步省去了MAC頭和FCS校驗占用的負載。二級聚合在減少額外開銷的同時，又增加了數據幀傳輸的可靠性。

2 系統吞吐量

對于DCF機制下的MAC層性能研究，Bianchi[5]提出一種經典模型，該模型用二維馬爾可夫鏈分析系統的飽和吞吐量。本文在Bianchi模型的基礎上進行了擴展，假定WLAN中有N個無線站點，每個站點在任意時刻都有數據幀要發送，即系統處于飽和狀態。而后分析了采用RTS/CTS接入模式時3種幀聚合方式的性能，并推導出其吞吐量表達式。

系統的飽和吞吐量s定義為：

數據幀傳送情況如圖3所示，由此可看出時隙分以下4種情況：

1）信道處于空閑狀態，設信道空閑的時間為Tidle，概率為Pidle，則：

τ為任一時隙中，每個站點發送數據幀的概率。進而得到：至少有一個站點發送數據幀的概率Ptr，站點發送數據且不產生沖突的概率為Ps：

2）有站點發送數據，但傳送發生沖突。傳送發生沖突的時間為 Tc，概率為 Pc，則：

3）有站點發送數據，但傳送發生錯誤。傳送發生錯誤的時間為 Te，概率為 Perr，則：

4）有站點發送數據，且傳送成功。傳送成功的時間為Tsucc，概率為 Psucc，則：

根據以上分析，得到一個時間刻度的平均長度Et為：

圖3 RTS/CTS機制下數據的傳送情況Fig.3 Transmission of the data frame in RTS/CTS mechanism

上式中信道空閑時間Tidle等價為系統的一個時隙σ，由圖3得到傳送產生沖突的時間、傳輸錯誤時間和傳送成功時間依次為：

其中 RTS、CTS、DATA、Block Ack 分別是表示傳送 RTS幀、CTS幀、數據幀和BlockAck幀的時間。Ep由定義得到：

采用A-MSDU時，當誤碼率為Pb，聚合長度為L時，傳送發生錯誤概率Pe與Ep分別表示為：

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

采用A-MPDU時，子幀的個數為i，A-MPDU子幀長度為Li，子幀中分界符、幀頭及 FCS等字段的總長度為Lsubhdr，誤碼率為Pb，傳送發生錯誤概率Pe與Ep分別表示為：

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

在式（15）和（18）中無線站點個數N、控制幀長度均為固定值，在差錯信道下影響系統吞吐量的主要參數為誤碼率和聚合幀長度。采用數值法求得τ，代入式（15），得到在不同的誤碼率下，A-MSDU飽和吞吐量和數據幀長度的變化關系如圖4所示，A-MPDU吞吐量與幀長之間的關系和A-MSDU類似。由圖4可知在差錯信道中，聚合長度一定時，誤碼率越大，誤幀率越高，系統吞吐量越低；而誤碼率一定時，誤幀率隨著聚合長度的增加而增加，在聚合長度超過某個值后，吞吐量反而會隨著聚合長度的增加而減少。由此得出結論：在一定誤碼率下，存在一個最佳聚合長度可以使系統吞吐量達到最大。

圖4 吞吐量和聚合幀幀長之間的關系Fig.4 Relationship between throughput and aggregation frame size

3 自適應二級幀聚合

二級聚合是對聚合了的MSDU進行再次聚合，其聚合過程如圖5所示。二級聚合結合了A-MSDU和A-MPDU的特點，在存在大量超短幀和誤碼率較高的環境下，二級聚合表現出來良好的性能，而這也正符合實際信道的特點。

圖5 二級幀聚合結構Fig.5 Structure of two-level frame aggregation

∑Li為第一級聚合的有效負載長度，相當于A-MPDU子幀。相比于式（18），由于傳輸數據的額外開銷減少，其性能優于A-MPDU。

在802.11n提出的幀聚合方式中，聚合幀長與基站協商而定，幀長確定后在傳輸中不再改變。而實際信道環境是多變的，這就可能會出現以下問題：信道初始質量較好，與基站協商獲得幀長較長，但一段時間后信道質量變差，誤碼率率增加，此時由于幀長較長，使誤幀率急劇上升，重傳次數增加，使得傳輸效率很低；或者協商時信道質量較差，獲得的聚合幀長就較短，當信道質量提高時，其幀長相對較短，物理層高速率不能被充分利用，也使得傳輸效率較低。

針對以上問題，本文在二級聚合基礎上提出了一種自適應二級聚合方法：根據在接收端所測得的信道誤碼率不同[6]，自適應調節第一級聚合個數，以使二級聚合整體長度達到該

綜合公式（15）（18），得出二級聚合的吞吐量s為：誤碼率下的最佳長度，從而使吞吐量在該誤碼率下達到最大。由圖5看到，二級聚合中每個子幀都有FCS，單個子幀傳輸錯誤不會致使整個聚合幀重發，本文自適應二級聚合方法結合FCS的檢錯重發功能，在聚合幀長度和誤碼率之間找到了一個平衡，使吞吐量在原來基礎上有了很大提升。

4 仿真結果與分析

文中以開源軟件NS2為仿真平臺，在其802.11模塊基礎上修改MAC層模塊使其實現聚合功能，對以上幾種聚合方式進行了仿真比較。設置數據幀長度為 0.1 kB，仿真參數如表1所示[7]。

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

圖6 差錯信道下系統吞吐量Fig.6 System throughput in the error channel

圖6為在差錯信道下采用聚合機制時誤碼率與吞吐量的變化關系。由仿真結果看到，當誤碼率較小時，誤幀率較低，相比于A-MPDU和二級聚合，A-MSDU帶來的額外開銷最少，從而表現出較好的性能，由此得出：較小的誤碼率對吞吐量的影響不大。隨著誤碼率的不斷變大，誤幀率也逐步增加，由于A-MSDU各個子幀沒有冗余校驗，整個數據幀重發概率增加，致使其吞吐量急劇下降。A-MPDU、二級聚合隨著誤碼率的增加，其吞吐量也開始下降，但由于每個子幀有FCS，單個子幀傳輸錯誤不會導致整個數據幀重發，所以吞吐量下降速度較慢。而本文提出的自適應[8]二級聚合方法針對不同的誤碼率，選擇該誤碼率下的最佳幀長進行聚合，其吞吐量整體呈現出一個相對較平緩的趨勢。尤其是當誤碼率較高時，和原協議的聚合機制相比，更加體現了本文聚合方法在吞吐量方面的優越性。實際信道環境中誤碼率較高且多變，本文的聚合方法能更好地適應這種信道特性。

5 結 論

文中基于二維馬爾科夫模型，推導出在差錯信道下采用不同聚合機制時系統的飽和吞吐量，分析了影響系統吞吐量的主要因素。針對原協議中聚合方法的不足，本文提出了一種新的二級聚合方方法，該方法根據信道誤碼率的不同自適應調節第一級聚合長度，以使整個二級聚合長度在該誤碼率下達到最佳。理論分析和仿真結果表明，本文提出的聚合方法在誤碼率不穩定，且存在大量短幀時表現出較高的系統吞吐量，這也正是信道的實際情況。

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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201210210

齊培軍（1987—），男，河北邯鄲人，碩士研究生。研究方向：無線通信，信號與信息處理。