基于丟包區分的IEEE 802.11 MAC改進協議

王 濤，雷 婷，周建存

（1.湖南城市學院，湖南 益陽 413000；2.成都工業學院，四川 成都 611730）

基于丟包區分的IEEE 802.11 MAC改進協議

王 濤1，雷 婷2，周建存1

（1.湖南城市學院，湖南 益陽 413000；2.成都工業學院，四川 成都 611730）

IEEE 802.11標準對于丟包的處理流程導致在出現丟包時性能下降。本文提出一種基于丟包區分的改進協議LD-MAC。該協議在對丟包原因進行區分的基礎上，在沖突丟包時只進行指數退避，在弱信號丟包時只進行速率自適應調整，從而獲得性能改進。實際實驗結果驗證了LD-MAC協議的性能提升。

802.11；WLAN；丟包區分；MAC協議

近年來，智能手機在我國得到普及。由于移動數據網絡資費相對高昂，成本更低的 IEEE 802.11的無線局域網(Wireless Local Area Network,WLAN)技術成為人們使用智能手機時的首選接入技術。目前，在家庭、公共場所、公司等各種場所幾乎普遍部署了無線接入點(Access Point,AP)，WLAN的使用得到普及。但無線鏈路易受信號衰減或信號干擾等影響，WLAN往往會出現頻繁丟包[1-2]，需要多次重傳數據，導致信道利用效率不高，性能下降。

IEEE 802.11 WLAN中主要有兩類不同原因的誤碼可導致丟包。第一類是由于數據幀傳輸出現了沖突(collision)或無線信號受到干擾而產生的誤碼，可稱為沖突丟包。第二類是由于接收端收到的信號太弱而導致的誤碼，可稱為弱信號丟包。通常，WLAN中不同原因的丟包指示了不同的無線鏈路條件，對于不同誤碼原因產生的丟包，發送端應采取不同處理措施。但IEEE 802.11標準對此考慮不多。此外，IEEE 802.11標準雖制定了多種傳輸速率，但沒有給出標準的RA算法或協議，可由廠商自行設計并實現。目前已提出多種RA算法，如ARF、AARF、SampleRate、CARA、RRAA以及ATBRA等。基本原理均是通過間接或直接的方法及時發現無線信道環境的變化以適應性地選擇傳輸速率。類似思想亦被用于發送功率或數據幀長的自適應控制算法中[3]。這些算法的關鍵同樣是需準確區分誤碼丟包的原因，但這些算法往往把丟包首先歸結為是弱信號所導致。如應用廣泛的ARF算法，連續兩個數據幀沒有收到 ACK就降低速率；直到連續十個數據幀收到了 ACK才提高速率；若接下來的第十一個數據幀沒收到ACK，將再次降低速率。實際WLAN環境下的測量表明，由于不能準確區分誤碼丟包原因，ARF等算法多數性能不佳[4]，且可能出現不必要且非常頻繁的速率調整。

圖1 LD-MAC發送端流程

圖2 LD-MAC接收端流程

WLAN出現上述問題的原因在于沒有對丟包原因進行區分，從而不能采取相應的措施來處理丟包事件。若能準確對丟包原因進行區分，將有助于發送端采取正確措施處理丟包事件。因此，為提高WLAN系統吞吐量，優化網絡性能，本文提出一種802.11 MAC的改進協議LD-MAC。該協議在區分丟包原因基礎上，對于不同誤碼原因產生的丟包，發送端應采取不同處理措施。出現沖突丟包時，發送端只運行二進制指數退避BEB算法，延遲一個隨機時間后重傳數據幀，而不觸發速率自適應調整。出現弱信號丟包時，發送端直接根據系統的速率自適應調整算法，適當降低發送速率后重傳數據幀，而不進入二進制指數退避階段。該協議可降低WLAN丟包時的不必要數據重傳開銷，避免不必要的速率調整和指數退避，從而提高了WLAN吞吐量。仿真實驗表明，與現有標準IEEE 802.11 MAC協議相比，LD-MAC協議提高了無線傳輸的吞吐量，并極大地減少了重傳次數，提升了無線網絡性能。

1 改進的LD-MAC協議

本節對改進的丟包區分MAC(LD-MAC)協議進行介紹。首先給出LD-MAC的整體框架，隨后，對該協議中的丟包區分方法進行討論，并給出了改進后速率自適應算法及指數退避算法流程。

1.1 整體框架

根據對IEEE 802.11 MAC協議標準的分析，為提高WLAN吞吐量，改善網絡性能，在出現誤碼丟包時，發送端應對誤碼原因進行區分，并相應地進行速率自適應調整或指數退避；而為了支持發送端進行丟包區分，接收端也需要回送誤碼特征信息，故接收端無論是否丟包，均需向發送端回送 ACK幀。發送端的基本協議流程如圖1所示。接收端的基本協議流程如圖2所示。

若發送端需要發送數據幀時，進入圖1所示流程。首先按照IEEE 802.11 MAC協議標準進行數據幀發送的初始化，之后發送數據幀，等待接收ACK幀。收到ACK幀后，對ACK幀類型進行判別，若是正常接收類型，則結束發送；若是誤碼丟包類型，則調用丟包原因區分算法，對丟包原因進行分析，若是沖突丟包，則調用退避算法調整退避參數后重新發送數據幀；若是弱信號丟包，則調用速率自適應算法對發送速率進行調整后重發數據幀。接收端啟動后進入圖2所示流程，首先按照IEEE 802.11 MAC協議標準進行數據幀接收的初始化，之后若收到數據幀則進行校驗檢查是否有誤碼。若無誤碼，則正常轉發收到的數據幀，并回送正常接收 ACK幀；否則，則丟棄所收到的數據幀，并回送誤碼丟包ACK幀。為了進行丟包原因區分，所回送的誤碼丟包ACK幀需要包含誤碼信息，具體在下文進行了分析。

1.2 丟包區分算法

準確、快速的區分丟包原因是LD-MAC協議的基礎。對此問題，通過前期研究發現接收端收到誤碼包末尾 1500比特所蘊含的誤碼特征可用于區分沖突丟包和弱信號丟包；若將接收端收到誤碼包末尾 1500比特與發送端原始包相應比特進行比較，計算誤碼特征，并計算接收信號強度RSSI及誤差向量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)指標，可在發送端準確區分丟包原因[5]。

此外，在前期研究[6]中，已測量分析了不同原因丟包的誤碼特征。因此在LD-MAC協議中，為進行丟包區分，接收端檢查發現誤碼丟包時，在回送的誤碼丟包 ACK中包含所接收誤碼包末尾1500比特，以及RSSI和EVM。發送端收到誤碼丟包ACK后，計算誤碼率(BER)、符號誤碼率(EPS)以及S-Score等指標。這里，符號(Symbol)是指經物理層編碼和調制后同時傳輸的比特序列，如正交頻分復用(OFDM)技術中，若有48個子載波(sub-carry)傳輸數據，則符號為48比特的序列。EPS是誤碼包中所有出現誤碼的符號的平均誤碼率。記誤碼包中第i次連續出現的誤碼符號為Bi，表示誤碼符號個數，則S-Score是所有|Bi|的平方和。

在計算了誤碼特征指標后，采用貝葉斯分類算法進行丟包區分。

令C為表示丟包原因的類變量，則：

令屬性變量X1，X2，X3，X4，X5分別表示誤碼包的RSSI、EVM及根據末尾1500比特計算的BER、EPS及S-Score，則由貝葉斯公式可得：

式(8)中，P()表示概率。設RSSI、BER、EPS及S-Score等屬性均獨立，則：

又由于P(X1，X2，X3，X4，X5)對任何C均為常數，則由式(8)可得：

則對任意給定的屬性值x1，x2，x3，x4，x5，C的值為：

1.3 速率自適應算法

LD-MAC協議的速率自適應算法流程如圖3所示。圖3中，當出現傳輸丟包時，LD-MAC協議對丟包原因進行分析，若原因為弱信號丟包，則將傳輸速率降低一檔，再重新傳輸。否則，將傳輸速率提升一檔，繼續發送數據幀。

1.4 指數退避算法

IEEE 802.11標準給出的退避算法規定，當發生傳輸丟包時，發送方將其競爭窗口(contention window,CW)大小翻倍，以減少沖突。這一做法是假定傳輸丟包是因沖突而引起。但對于弱信號丟包，這一做法將導致帶寬浪費，傳輸延遲增大。為解決這一問題，在圖1中，僅在沖突丟包時進行退避算法的處理。相應退避算法也需進行適當調整。修改后退避算法流程如圖4所示。圖4中，當出現傳輸丟包時，LD-MAC協議對丟包原因進行分析，若原因為沖突丟包，則將CW翻倍，再進行指數退避。否則，將CW設置為初值，繼續發送數據幀。

圖3 速率自適應算法

圖4 退避算法

2 仿真實驗

通過實際網絡的實驗對本文給出丟包區分準確度進行了實驗分析，并將本文LD-MAC協議并與已有的MAC進行比較。實驗環境如圖5所示。

圖5 測量實驗環境

圖5中，Tx1和Tx2為兩臺筆記本電腦，安裝了Red Hat Linux操作系統，內核版本為2.6.26。實驗需要對無線網卡驅動程序做少量改動，故選擇了基于Atheros 5212芯片的無線網卡。該芯片使用較廣泛，使得實驗具有典型性。Linux平臺下該芯片的驅動程序為開源的 Madwifi。實驗需要修改Madwifi的硬件抽象層(Hardware Abstract Layer,HAL)，但因為版權問題，HAL代碼并不開源，而是提供的二進制文件。因此選擇了開源的OpenHAL代替HAL模塊來編譯無線網卡驅動程序Madwifi。因為實驗需對AP的無線網卡驅動進行修改，而通用AP修改較困難，故圖5中以一臺裝有無線、以太雙網卡的普通PC代替AP。PC位于Tx1、Tx2之間，其無線網卡選型及驅動程序與Tx1、Tx2相同，并配置為工作在AP模式。測量誤碼特征時，Tx1、Tx2工作于STA模式，即一般的客戶模式，以指定速率發送數據幀；并記錄每個數據幀的發送時間戳、幀內容及幀長。Tx1、Tx2與PC的距離稍遠，但保證了單獨發送時PC不會出現誤碼丟包，以避免信號衰減影響沖突信道特征的準確測量。為保證在PC有較高概率出現沖突，Tx1、Tx2關閉了BEB算法；且發送的是廣播幀，以避免 PC對接收的幀響應ACK幀而影響實驗。PC除充當AP外，亦工作于monitor模式。該模式下，PC將忽略CRC校驗，無論數據幀正確與否，都會捕獲下來。PC記錄幀接收時間戳、幀內容及幀長、接收信號強度以及該幀是否應丟棄等信息。由于不同傳輸速率可能有不同信道特征，選擇了最大的54Mbps，中等的24Mbps以及最低的6Mbps進行實驗。此外，幀長也對信道特征有影響，實際802.11 WLAN流量典型的幀長度為100、1500字節，故實驗時Tx1、Tx2是隨機的發送這兩種長度的廣播幀。為避免其他802.11無線信號的干擾，實驗在較空曠的操場進行，且每次實驗前均測試是否存在其它同頻的無線信號。

2.1 丟包區分準確度

LD-MAC 所采用的丟包區分方法與COLLIE[16]的評估結果如表1所示,表1中BeInf表示LD-MAC所采用的丟包區分方法。由表1可知，BeInf方法比COLLIE的丟包原因推斷性能有較大提高。首先是準確性、假陽性率、假陰性率等衡量方法精度的指標得到較大改善。BeInf方法之所以能在這些指標上得到改善，是因為所使用的貝葉斯分類算法比 COLLIE所用的Metric-Vote策略更為適合對丟包原因進行統計意義的推斷，且考慮了更多的推斷指標。

表1 兩種方法的評估結果

具體而言，由表1可知，BeInf方法的準確性較COLLIE有所改善，準確率ra提高了5.3%，假陽性率 rfp降低了 4.8%，假陰性率 rfn降低10.5%。rfp的降低意味著丟包原因為弱信號但被誤判為沖突的誤碼包減少，因此發送端可減少等待不必要的指數退避時間，及時重傳，提高信道利用效率；rfn的降低意味著丟包原因為沖突但被誤判為弱信號的誤碼包減少，因此發送端可以避免更多不必要的、無效的以原速率重傳，減少信道帶寬浪費。故這兩個指標的改善對提高WLAN的性能有重要作用。

圖6 吞吐量性能比較

圖7 重傳比率比較

2.2 LD-MAC性能

圖6給出了在不同距離下，在存在信號沖突的情況下，本文改進協議LD-MAC與標準協議(std-MAC)的吞吐量比較。由圖6可知，LD-MAC協議的吞吐量比標準協議提高較多。特別是在近距離時，吞吐量提高明顯。這是因為LD-MAC能夠在出現丟包時，根據丟包原因來選擇正確的處理措施。圖7給出了在不同信號質量條件下，本文改進協議LD-MAC與標準協議(std-MAC)的數據幀重傳比率的比較。由圖7可知，LD-MAC協議的數據重傳比率比標準協議大幅。這是因為LD-MAC協議通過丟包原因的區分，并采取正確處理措施，可避免大量不必要的數據重傳。而數據重傳的減少又使得LD-MAC吞吐量得到提升。

3 結論

IEEE 802.11標準對于丟包的處理流程存在當出現丟包時性能下降的問題。對此，本文給出了基于丟包區分的改進協議LD-MAC。該協議的基礎是將丟包原因區分為沖突丟包和弱信號丟包兩種情況。針對不同的情況，采用不同的處理措施，在沖突丟包時只進行指數退避，在弱信號丟包時只進行速率自適應調整，從而獲得性能改進。實際實驗結果驗證了LD-MAC協議的性能提升。

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[5].王濤，黎文偉，雷婷.一種基于誤碼特征的802.11 WLAN包丟失原因推斷方法.中南大學學報-自然科學版,2014,45(5):1522-1531

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An Improved IEEE 802.11 MAC Protocol Based on Loss Distinguishing

WANG Tao1,LEI Ting2,ZHOU Jian-cun1
(1.Hunan City University,Hunan Yiyang 413000;2.Chengdu Technological University,Sichuan Chengdu 611730)

The process procedure for packet loss in 802.11 MAC standard induces performance deducing when faces packet losses.In this paper,an improved protocol based on loss distinguishing,LD-MAC is proposed for solving this problem.By distinguishing packet loss causes,this protocol only incurs exponential back-off when the loss cause is collision,and only incurs rate adaptation when the loss cause is weak signal,and then the transmitting performance is improved.The result from real experiments validates the effects of the LD-MAC protocol.

802.11；WLAN；loss distinguishing；MAC protocol

TP393

：A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.062

1672–7304(2016)01–0133–02

湖南省科技廳科技計劃(2014FJ6068);湖南省教育廳科學研究項目(14C0211)；湖南省教育廳科學研究優秀青年項目（15B044）。

（責任編輯：廖建勇）

王濤（1981-），男，湖南郴州人，副教授，研究方向：網絡測試與網絡優化。