基于吞吐量比例公平的802.11MAC優(yōu)化機(jī)制

巫　素，嚴(yán)　牧 ，馮　鋼

(電子科技大學(xué) 通信與抗干擾國家重點實驗室，四川 成都 610054)

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基于吞吐量比例公平的802.11MAC優(yōu)化機(jī)制

巫素，嚴(yán)牧 ，馮鋼

(電子科技大學(xué) 通信與抗干擾國家重點實驗室，四川 成都 610054)

摘要：802.11DCF MAC機(jī)制為單速率網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供相同的信道接入機(jī)會，保證節(jié)點公平地使用信道。在多速率網(wǎng)絡(luò)中依然沿用該接入機(jī)制，會導(dǎo)致低速率的節(jié)點長期占用信道，高速傳輸?shù)膬?yōu)勢得不到充分利用，使得多速率網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的吞吐量都等于低速率節(jié)點的吞吐量，這就是著名的多速率網(wǎng)絡(luò)“性能異?！眴栴}。針對這一問題，通過分析建模，提出CCDaP(Change the CWmin according to Data rate and Packet-size )MAC優(yōu)化機(jī)制以改善多速率網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點的吞吐性能。仿真結(jié)果表明，該接入機(jī)制不僅可以保證節(jié)點公平性，還能提高網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量。特別地，在數(shù)據(jù)包長度不等的多速率WLAN中，該機(jī)制能夠保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點吞吐量的比例公平。

關(guān)鍵詞：多速率WLAN； IEEE 802.11； MAC； 吞吐量

0引言

隨著無線移動設(shè)備價格越來越低廉，在許多公共場合都部署了無線網(wǎng)絡(luò)(WLAN)，WLAN網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分。802.11n[1]標(biāo)準(zhǔn)采用了先進(jìn)的物理層技術(shù)，例如多輸入多輸出的天線系統(tǒng)[2](MIMO)、正交頻分復(fù)用(OFDM)、信道編碼等，可使傳輸速率達(dá)到600 Mbps。鏈路自適應(yīng)技術(shù)允許節(jié)點根據(jù)信道環(huán)境調(diào)整傳輸速率，多種傳輸速率并存的WLAN網(wǎng)絡(luò)隨處可見。目前，多速率網(wǎng)絡(luò)依然使用802.11 DCF(Distributed Coordination Function)機(jī)制作為基本接入機(jī)制，為每個節(jié)點提供相同的接入機(jī)會[3]。因此，在通信過程中低速率節(jié)點會長時間占用信道，導(dǎo)致多速率網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的吞吐量都等于低速率節(jié)點的吞吐量，這就是著名的多速率網(wǎng)絡(luò)“性能異?！眴栴}[4]，該問題已成為能否高效利用鏈路自適應(yīng)傳輸技術(shù)的一個關(guān)鍵問題[5]。

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的吞吐量與節(jié)點傳輸速率直接相關(guān)。在多速率WLAN網(wǎng)絡(luò)中，維持節(jié)點吞吐量比例公平是保證多速率網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點公平性的關(guān)鍵[6-8]。吞吐量比例公平是指網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的吞吐量之比等于其傳輸速率之比。Aad 和Castelluccia在文獻(xiàn)[9-10]中提出通過調(diào)整最小退避窗口CWmin的值來調(diào)節(jié)接入節(jié)點的吞吐量。文獻(xiàn)[11]根據(jù)節(jié)點的傳輸速率調(diào)整退避窗口CW的值，來控制節(jié)點吞吐量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的長度相等時，這種方法可以保證節(jié)點吞吐量之比等于其傳輸速率之比。但在現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點數(shù)據(jù)包并非固定長度，這種方法不再適用。于是，很多學(xué)者考慮通過調(diào)整數(shù)據(jù)包長度控制節(jié)點占用信道時間，包括幀聚合的方式[12]以及數(shù)據(jù)包的爆發(fā)式[13]傳輸。幀聚合的方式是指高速率節(jié)點根據(jù)傳輸速率將多個數(shù)據(jù)幀聚合到一個聚合幀中，當(dāng)節(jié)點獲得信道接入機(jī)會后發(fā)送該聚合幀；數(shù)據(jù)幀爆發(fā)式傳輸是指高速率的節(jié)點獲得信道接入機(jī)會后，可以連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀。但是這2種方式都不能嚴(yán)格依據(jù)節(jié)點傳輸速率控制節(jié)點占用信道的時間，無法保證節(jié)點吞吐量比例公平。因此，需要同時考慮節(jié)點傳輸速率及數(shù)據(jù)包長度對節(jié)點吞吐量的影響。雖然有一些研究者同時考慮了這兩個因素的影響，但他們提出的解決辦法都還存在一定的問題。文獻(xiàn)[14]中根據(jù)節(jié)點傳輸速率調(diào)整DCF機(jī)制下CWmin的值，同時采用幀聚合的方式使各個節(jié)點發(fā)送相同長度的數(shù)據(jù)包，控制節(jié)點占用信道的時間。但是，隨著數(shù)據(jù)包的長度增加，誤包率也隨之增加；如果聚合數(shù)據(jù)包的長度變小，有效信道占用時間也隨之降低，因此不能很好地解決多速率網(wǎng)絡(luò)問題。文獻(xiàn)[15-16]使用通過控制CW以及TXOP調(diào)整節(jié)點接入信道的概率，這種方法不能嚴(yán)格控制節(jié)點占用信道的時間，不能保障節(jié)點公平性。

針對以上問題，本文深入研究多速率WLAN，同時考慮多速率傳輸和數(shù)據(jù)包長度對節(jié)點吞吐量的影響，以節(jié)點吞吐量比例公平為目標(biāo)，建立網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的理論分析模型。

1系統(tǒng)模型

1.1　網(wǎng)絡(luò)模型

本文中，考慮由一個AP和N個節(jié)點組成的WLAN網(wǎng)絡(luò)，這N個節(jié)點關(guān)聯(lián)在該AP之下，并且隨機(jī)分布在AP的通信范圍之內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)目N較多，并且每個節(jié)點處于飽和狀態(tài)，即節(jié)點始終有數(shù)據(jù)存在緩存中等待發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2　MAC接入機(jī)制

圖2　數(shù)據(jù)包傳輸模型圖

2最優(yōu)退避窗口

分別用L(i)、T(i)表示第i(di∈φ)類節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度及成功傳輸所需的時間，因此，網(wǎng)絡(luò)中第i(di∈φ)類節(jié)點與第j(dj∈φ)類節(jié)點吞吐量之比Rij可以表示為：

(1)

式中，Θ(l)為第l節(jié)點的吞吐量，由附錄1的推導(dǎo)過程可得到：

(2)

將式(2)代入式(1)可以得到：

(3)

吞吐量比例公平要求節(jié)點吞吐量之比等于傳輸速率之比，于是有Rij=i/j，將其代入式(3)可以得到：

(4)

(5)

(6)

(7)

由此，求解出了最佳退避窗口的值，利用該最佳退避窗口可以保證多速率網(wǎng)絡(luò)中吞吐量公平。

3算法設(shè)計

上一節(jié)通過理論分析，計算出了多速率網(wǎng)絡(luò)中最佳退避窗口，本節(jié)將利用理論分析的結(jié)果設(shè)計相應(yīng)的優(yōu)化退避機(jī)制，稱其為CCDaP機(jī)制。

圖3　CCDaP優(yōu)化機(jī)制流程圖

4仿真結(jié)果及分析

在本節(jié)中，將在基于NS-2的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺上驗證CCDaP機(jī)制的性能。仿真中設(shè)置了兩個仿真場景：仿真場景1中主要對比DCF、CCD以及CCDaP三種接入機(jī)制在多速率網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量變化，該三種接入機(jī)制所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境都是一樣的；仿真場景2中反映多速率網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包變化對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點吞吐性能的影響。

仿真場景1：在一個獨(dú)立的WLAN網(wǎng)絡(luò)中，一個AP關(guān)聯(lián)了4個節(jié)點，這4個節(jié)點的傳輸速率分別為1 Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps和11 Mbps。這4個節(jié)點不斷向AP發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包是網(wǎng)絡(luò)常用大小的UDP數(shù)據(jù)包，其大小可變，仿真參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

表1　仿真參數(shù)

圖4中給出的是網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)長度固定時，3種不同接入機(jī)制下，網(wǎng)絡(luò)中不同速率節(jié)點的吞吐性能?？梢钥闯鯠CF機(jī)制下各節(jié)點的吞吐量幾乎相等。在CCD中機(jī)制之下，n1、n2、n3、n4節(jié)點吞吐量(Mbps)分別為：0.15、0.29、0.81、1.67；對應(yīng)的比例接近1∶2∶5.5∶11。同樣在CCaP機(jī)制之下，n1、n2、n3、n4節(jié)點吞吐量(Mbps)分別為：0.15、0.29、0.81、1.68；相應(yīng)的比例關(guān)系也為1∶2∶5.5∶11，可以看出在數(shù)據(jù)包長度相等時，CCD機(jī)制如CCDaP機(jī)制取得的性能幾乎相同，整體網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量都高于DCF機(jī)制。

圖4　相同數(shù)據(jù)包長度不同接入機(jī)制下節(jié)點吞吐量

圖5　不同數(shù)據(jù)包長度不同接入機(jī)制吞吐量關(guān)系圖

圖5中描述多速率節(jié)點發(fā)送的不同長度的數(shù)據(jù)包時，3種不同的接入機(jī)制下不同速率節(jié)點的吞吐量變化。其中n1、n2、n3、n4節(jié)點的傳輸數(shù)據(jù)包長度(bytes)分別為：200、400、600、800?？梢钥闯觯寒?dāng)數(shù)據(jù)包長度不相等時，DCF機(jī)制下節(jié)點的吞吐量不再相等。在CCD機(jī)制下，n1、n2、n3、n4節(jié)點吞吐量(Mbps)分別為0.05、0.19、0.80、2.18，節(jié)點的吞吐量之比不再是1∶2∶5.5∶11，并且出現(xiàn)高速率的節(jié)點長時間占用信道，低速率的節(jié)卻不能正常通信的情況。主要因為在CCD機(jī)制下高速率節(jié)點最小退避窗口的值比較小，發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度相對較長，因此長時間占用信道。對于低速的節(jié)點而言，本身最小退避窗口的值比較大，加之所傳送的數(shù)據(jù)包的長度較短，占用信道的時間比較短，網(wǎng)絡(luò)性能不斷惡化，直到不能正常通信。參看CCDaP曲線，可以發(fā)現(xiàn)n1、n2、n3、n4節(jié)點吞吐量(Mbps)分別為：0.13、0.26、0.72、0.15，對應(yīng)的比例接近1∶2∶5.5∶11，節(jié)點吞吐量的比例關(guān)系沒有因為數(shù)據(jù)包長度的變化受到影響，保證了各個節(jié)點接入信道的公平性，另外對比DCF機(jī)制，CCDaP機(jī)制下網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量有較大的提高。

仿真場景2：在一個簡單的網(wǎng)絡(luò)中，一個AP之下關(guān)聯(lián)了2個節(jié)點node_1、node_2，其中node_1的傳輸速率為1 Mbps，node_2的傳輸速率為11 Mbps，固定node_2 的傳輸速率，不斷改變node_1中數(shù)據(jù)包的長度，仿真中統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)節(jié)點吞吐量隨數(shù)據(jù)包的變化情況。

首先，固定高速率的節(jié)點數(shù)據(jù)包長度為200 bytes，不斷變化低速率節(jié)點所發(fā)的數(shù)據(jù)包的長度(bytes)分別為200、400、600、800、1 000，得到圖6和圖7。在這種情況之下，低速率節(jié)點數(shù)據(jù)包的長度大于或等于高速率節(jié)點的數(shù)據(jù)包長度，在CCD機(jī)制之下，隨著低速率節(jié)點數(shù)據(jù)包長度的增加，低速率節(jié)點占用信道資源的時間不斷增加，搶占了高速率節(jié)點的信道資源，導(dǎo)致高速節(jié)點的吞吐量會不斷下降。

圖6中驗證了這一推論：隨著低速率節(jié)點數(shù)據(jù)包長度的增加，CCD機(jī)制以及DCF機(jī)制高速率節(jié)點吞吐量都有所下降，但是在CCDaP機(jī)制下，低速率節(jié)點吞吐量的幾乎沒有變化，適中維持在1.3 Mbps左右。

圖6　高速率節(jié)點吞吐量變化圖

圖7中反映的是低速率節(jié)點的吞吐量隨著數(shù)據(jù)包長度變化的曲線圖，從圖中可以看出在DCF及CCD機(jī)制之下，隨著數(shù)據(jù)包長度的增加，低速率節(jié)點愈發(fā)貪婪的占用信道。對比圖6明顯看出這是在犧牲高速率節(jié)點公平性的前提下實現(xiàn)的，此時吞吐量的比例不再是1∶11。由圖6、圖7中CCDaP曲線可以看出：在CCDaP機(jī)制下，節(jié)點吞吐量不會隨著數(shù)據(jù)包長度的變化而變化，節(jié)點實際吞吐比例接近目標(biāo)吞吐比例。

圖7　低速率節(jié)點吞吐量變化圖

圖8和圖9反映固定高速率的節(jié)點數(shù)據(jù)包長度為1 000 Bytes的曲線圖，仿真中不斷改變低速率節(jié)點數(shù)據(jù)包長度(Bytes)，分別設(shè)置為200、400、600、800和1 000；可以看出低速率節(jié)點數(shù)據(jù)包的長度小于或等于高速率節(jié)點數(shù)據(jù)包的長度，在前面的分析中可以看出DCF機(jī)制及CCD機(jī)制，沒有根據(jù)此情況調(diào)整節(jié)點信道接入機(jī)會，圖8、圖9中可以明顯看到這一弊端。

圖8　高速率節(jié)點吞吐量變化圖

圖9　低速率節(jié)點吞吐量變化圖

圖8、圖9中，當(dāng)?shù)退俾使?jié)點數(shù)據(jù)包長度為1 000 Bytes時，即網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包長度相等時，CCD機(jī)制及CCDaP機(jī)制下高(低)速率節(jié)點吞吐量幾乎相等，該吞吐量可以作為數(shù)據(jù)包長度變化時，高(低)速率節(jié)點吞吐量的參考值，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)長度變化時，只要高、低速率節(jié)點吞吐量比例維持在1∶11，就足以保證節(jié)點的吞吐比例公平性，參看CCDaP曲線可以看出在CCDaP的機(jī)制下節(jié)點的吞吐量不隨數(shù)據(jù)包長度變化而變化，保證了節(jié)點的公平性。參看CDD曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)數(shù)據(jù)包長度較短時，高速率節(jié)點長期占用信道，吞吐量有所提高，低速率節(jié)點的吞吐量卻急劇下降，節(jié)點吞吐量比例不再是1∶11，低速率節(jié)點的公平性得不到保證。

通過以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)CCDaP機(jī)制能夠很好地解決多速率網(wǎng)絡(luò)中吞吐異常的問題，在提高網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量的同時保證節(jié)點吞吐量比例公平。特別是網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包長度不相等時，CCDaP能夠維持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點吞吐量比例接近目標(biāo)吞吐比例，保證節(jié)點的公平性。

5結(jié)束語

通過建立網(wǎng)絡(luò)分析模型求解出多速率網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)退避窗口值，提出了CCDaP MAC優(yōu)化機(jī)制，最后通過仿真驗證該機(jī)制不僅能夠提高多速率網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量，還能保證網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點吞吐量比例公平，從而很好地解決了多速率WLAN網(wǎng)絡(luò)中吞吐量異常的問題。

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802.11 MAC Optimization Mechanism Based on Throughput Proportional Fairness

WU Su,YAN Mu,FENG Gang

(National Key Laboratory of Communications,University of Electronic Science and Technology of China,ChengduSichuan 611731,China)

Abstract：The 802.11DCF MAC mechanism is initially designed for single rate networks.This mechanism provides every node with same channel access opportunities and ensures that every node fairly occupies channel.Currently the multi-rate networks still uses 802.11DCF as the basic access mechanism,resulting in that low rate node persistently occupies channel,and thus cannot fully take advantages of high-speed transmission.The throughput of all the nodes in the network are driven down to the throughput of the low rate node,which is the widely known as “performance anomaly problem in multi-rate network”.In view of this problem,this paper proposes a MAC optimization mechanism called CCDaP (Change the CWmin according to Data rate and Packet-size) to ensure the node’s throughput proportional fairness in multi-rate network based on analysis and modeling.The simulation results show that the proposed access mechanism can ensures all nodes throughput proportional fairness and improves the overall network throughput,particularly can ensure node’s fairness in the multi-rate WLAN with unequal length of packet.

Key words：multi-rate WLAN;IEEE802.11;MAC;throughput

作者簡介：巫素(1988—)，女，碩士研究生，主要研究方向：無線通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。馮鋼(1964—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：無線通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2014AA01A703)

收稿日期：2015-09-16

中圖分類號：TN915

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)01-12-5

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.03

引用格式：巫素，嚴(yán)牧 ，馮鋼.基于吞吐量比例公平的802.11MAC優(yōu)化機(jī)制[J].無線電通信技術(shù),2016,42(1):12-17.