無線局域網MAC層信道接入機制研究

唐山市第一中學 宋浩瑞

1.引言

1.1 背景

當今世界是智能信息和知識經濟時代，在信息網絡全球化的今天，蜂窩網絡3G/4G業務迅速發展，給人們的生活方式帶來了巨大的改變，目前全球多個國家已競相展開第五代通信網絡的研究工作。然而蜂窩網絡卻面臨高額的資費問題以及嚴重的數據傳輸壓力等巨大的挑戰，隨著無線局域網技術和標準的不斷發展，無線局域網將作為固網和蜂窩網的重要補充和延伸，提供低資費、高速率的無線接入應用。無線局域網的覆蓋范圍以及大部分的移動數據業務量主要是在室內產生的，如機場，飯店，車站，咖啡廳，教室等，為人們提供了巨大的便利。

1.2 無線局域網的主要傳輸特點

傳統的有線網絡傳輸受線材的束縛，數據傳輸一般使用同軸電纜、雙絞線或者光纖，而且有線網絡中節點距離很短，只有幾千米甚至幾百米，且受地理環境因素的影響較大。而無線局域網則依靠電磁波來完成數據的傳輸，由于沒有了復雜的線路束縛，使得無線局域網有著非常高的靈活性和移動性，擴大了傳輸范圍，最遠可傳輸幾十千米，而且無線傳輸抗干擾性強，安全性高，組建較為容易，后續的維護與更新也更為簡單方便，無線局域網的出現極大地改變了人們的生活方式。

1.3 無線局域網的未來發展方向

無線局域網技術將是新世紀無線通信領域最有發展前景的重大技術之一，已經成了各行各業不可或缺的部分，隨著經濟社會和科技水平的繼續高速發展，無線局域網必將在與有線局域網的競爭中處于上風，進而在越來越多的領域中取代有線局域網占據主導地位。但在一些對信息數據要求極高的行業和機構，比如金融業和軍事領域，無線局域網先天的缺陷安全性不強將顯得十分致命，因此，在這些領域，無線局域網只能作為有線局域網的補充，而很難完全取代有線局域網，只有對無線局域網技術不斷的創新和改革，才能保證其更多的服務于社會，提供更加安全可靠的傳輸環境。隨著WLAN技術的逐漸成熟，無線局域網的傳輸速率會更高，性能更穩定，安全性更好，發展空間更廣，前景不可估量。

2.MAC層接入機制

2.1 IEEE802.11系列MAC層協議概述

IEEE標準中重點對MAC進行了規范，其對無線局域網的性能有著重要影響。MAC層主要為用戶接入介質進行控制，并對數據的傳輸提供保護，使用戶數據有效可靠的傳輸。

在有線網絡傳輸中，各用戶需要傳輸數據時，通過向上層申請，可先分配一條專有線路，然后進行數據的傳輸過程。但是使用無線局域網后，傳輸介質變為無線的電磁波，用戶間共享此部分信道，因此對于無線局域網而言，MAC層更像是系統傳輸的大腦，當多個用戶想要傳輸數據而競爭信道時，MAC層應該對不同用戶間進行信道分配，提供有效的服務準則和協調機制，從而減少甚至避免用戶因競爭信道產生的碰撞，進一步提升系統傳輸效率。MAC層和物理層一樣，也位于網絡協議的底層部分，所以它的內部接入技術直接影響整個局域網的性能。近年來，為了得到高效可靠的用戶網絡接入服務，避免數據間的碰撞和重傳，IEEE組織逐步提出了MAC層的改進機制，以提高信道的使用效率。但是MAC層中始終以載波監聽多路訪問機制為基礎控制用戶的無線接入。實現對系統的集中控制，使多用戶信道下有序可靠地傳輸數據。

2.2 DCF接入機制

DCF機制的工作方式是無線局域網MAC層最基本接入機制，它的提出解決了多用戶接入信道產生的沖突問題，使得多用戶無線信息傳輸有效可靠地進行。由于無線網絡傳輸相對于有線網絡傳輸來說，各個站點共享一個信道，在同一時間，只能有一個站點對信道進行訪問，當用戶節點的數據包到達以后，要通過與其他用戶數據包進行競爭而獲得信道的使用權，才可以繼續傳輸數據，所以如何控制多用戶有序接入信道成為主要研究課題。DCF機制的提出正式解決了多個用戶站點競爭共享信道的發送數據的過程。

CSMA/CA機制是DCF接入方式的基礎。在無線網絡傳輸中，當多個用戶接入AP時，由于同一時間只能有一個站點通過信道傳輸給AP，如果多個一起傳輸，則會產生碰撞問題，所以需要采用一定的機制控制用戶接入信道。

CSMA/CA機制主要有兩個過程，監聽和發送。在無線傳輸中，當用戶有數據包到達，不能立刻傳輸，而是要先監聽信道的狀態，確定信道是否空閑，如果空閑則需要等待DIFS幀間間隔，然后再調用退避機制，退避過程結束則可以發送用戶數據包；如果信道忙碌，則需要等待，直到信道空閑才可進行傳輸。這即為載波偵聽多址接入部分(CSMA)。

基本的DCF接入模式，即當前站點的退避計數器減為0后，發送端立刻發送數據幀，無需事先發送其他控制幀。當發送站點較少，競爭較少以致碰撞較少時，基本的DCF接入模式可以節省RTS/CTS等控制幀所需占用的資源，從而提升系統吞吐。

2.3 RAW接入機制

RAW是IEEE 802.11ah獨有的MAC場景。它是DCF和PCF傳輸模式的結合，同時又具備自己獨有的特性。RAW以AP作為中央控制點，通過首先發送一個短信標（short beacon）幀廣播確定哪些幀需要發送數據，哪些幀可以進入RAW范圍。然后通過設定與RAW相關的幀結構，即RPS，用于后續的發射過程。接著要給每個要發送數據的STA分配RAW中的時隙（time slot），STA的所有發送過程與AP的交互過程，都必須在分配的時隙內完成（在不允許跨時隙邊界的情況下），每個時隙中STA之間的競爭采用DCF方式.

（1）AP廣播發short beacon幀給各個STA輪詢，有STA有數據包到達要發送數據，則進入下一步分配RAW。

（2）設置RPS，包括RAW中slot的個數 ，每個slot的長度。

（3）給每個STA分配RAW中的slot。

（4）RAW中的slot接入過程。在STA被分配好slot后，STA向AP發送一個PS-Poll幀，表示本STA開始傳輸過程。AP收到此幀后，立刻給STA回復一個NDP-ACK幀。

（5）調用DCF過程。

3.MAC層仿真過程

3.1 系統仿真模型

本章主要通過選擇參數對不同條件、不同場景下的無線局域網MAC層進行仿真，從而比較不同參數下的系統的性能。MAC協議在實用中是否可行需要對其性能做出定量的估計，衡量網絡性能的一個重要參數即網絡吞吐量，它是指系統在單位時間內成功傳輸的數據量，可以比特、字節、分組等為單位來進行測量。

吞吐量S的計算方法如下：

另一個衡量指標是丟包率，指在網絡傳輸的過程中,所丟失的數據包數占總發送數據包數的比值。MAC層由于多個用戶數據包產生碰撞而傳輸失敗,在傳輸過程中,當數據包傳輸失敗達到一定次數,則丟包。它是衡量網絡性能的一個重要因素,丟包率越高,則說明系統性能越差。

本章主要對DCF和RAW兩種MAC層場景進行系統仿真，比較吞吐量和丟包率隨用戶數的性能變化情況。

3.2 仿真結果

圖1 不同用戶數與不同接入模式下系統吞吐量

圖1為不同接入模式下吞吐量隨用戶數的變化情況，其中，橫坐標表示用戶數，縱坐標表示吞吐量，單位為bit/s。如圖所示，當用戶數較少時，系統碰撞很少，此時兩種模式下系統吞吐量均處于最高狀態，且下降速度較緩慢，RAW模式由于幀間間隔小于DCF模式，因此用戶數較少時，RAW模式下的系統吞吐最高；隨著用戶數增加，系統碰撞增多，兩種接入方式下系統吞吐均逐步降低，但可以看到DCF模式下系統吞吐變化最快，而RAW模式通過AP發揮作用，將用戶分配到不同的時隙中，用戶間碰撞概率降低為原來的1 / Nslot，不僅使相同用戶數下RAW模式的系統吞吐最大，同時也使其系統吞吐隨用戶數增多而減小的速率最小，因此可以看出RAW模式下的系統吞吐最高；當用戶數大于80時，系統的碰撞過多，兩種模式下的系統吞吐都極低，兩條曲線趨于一致。

圖2 不同用戶數與不同接入模式下系統丟包率

圖2為不同接入模式下丟包率隨用戶數的變化情況，其中，橫坐標表示用戶數，縱坐標表示丟包率。當用戶數較少時，系統碰撞很少，此時兩種模式下系統丟包率都接近為0；隨著用戶數增加，系統碰撞增多，兩種接入方式下丟包率逐漸增加，由于RAW模式的分時隙傳輸機制，其性能優于DCF,所以丟包率上升較慢；當用戶數大于80時，系統的碰撞過多，兩種模式下的丟包率達到最高，接近為1。

4.結論

論文對IEEE802.11ah協議MAC層不同接入機制搭建了仿真平臺并設置了對應的各項可變參數，比較了傳統協議的DCF機制及無線局域網中最新提出的RAW模式下系統吞吐量和丟包率隨用戶數的變化情況。其中，RAW模式是IEEE 802標準組最新提出的DCF與PCF結合的模型，可見其性能優于DCF模式，系統仿真平臺和仿真結果都具有一定的創新指導意義。

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