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【摘 要】新型无线网络传输协议IEEE802.11n以其高达600Mbps的传输速率得到了广泛应用。论文主要对802.11n 协议MAC层进行分析研究，对其信道接入方式、帧聚合技术和确认机制进行分析，提出了改进的MAC层自适应帧长度算法，并对算法进行了仿真验证。
【关键词】802.11n；MAC；帧聚合；自适应帧长度
新一代无线局域网IEEE 802.11n协议以高达600Mbps的传输速率在实时业务和多媒体应用领域得到了广泛应用。为了提高网络吞吐量和满足日益增长的Qos需求，802.11n在介质访问控制层（MAC）采用了一系列优化机制。但是在信噪比较小的传输信道中，随着MAC层帧长度增加性能急剧下降。论文提出一种MAC层自适应帧长度的优化算法，能够在不同信噪比的信道中达到较高的吞吐量和进行可靠的传输。
一、IEEE802.11n MAC层协议分析
802.11n协议在MAC层做了一系列的改进措施来提高吞吐量和传输速率。主要包括：
（一）信道接入机制
802.11nMAC提供了两种信道接入方式决信道分配问题：一种是异步的分布协调功能DCF（Distributed Coordination Function），采用載波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）；另一种是同步的点协调功能PCF（Point Coordination Function），是一个无竞争访问协议。DCF协议规定了两路握手的基本接入机制（Basic Access）和四路握手RTS/CTS机制。当数据包长度较长时，采用RTS/CTS机制可以减小碰撞带来的损失。
（二）帧聚合机制
帧格式一般由MAC头、实体和帧检测序列（FCS）组成，帧聚合把多个单个的帧连接起来成为一个独立的帧。在MAC层有两种聚合方式：一种是MAC服务数据单元（A-MSDU）的聚合，各个子帧中包括子帧头、数据单元和补充字段Pad。子帧头包含目标地址（DA）、源地址（SA）和长度（Length）字段。其格式如图1所示：
图1 A-MSDU格式
另一种是MAC协议数据单元（A-MPDU）的聚合，聚合之后的MPDU子帧包含三个部分：分隔符（MPDU Delimiter）、实体和补充字段Pad。
（三）确认机制
传统协议对每个帧都进行响应，在保证传输正确率的同时降低了传输效率，802.11n协议确认响应采用Block ACK方式，发送多个数据单元之后才对它们进行响应。
二、802.11n帧长度自适应算法
802.11n的帧聚合机制极大地提高了传输速率，但是在信噪比较小的信道中，由于误比特率较高，单个比特的错误将导致整个帧的重传，如果帧长度较大，那么效率将会急剧下降。
（一）物理层引起的重传
在基于分组交换的系统中，无线信道的误码率（BER， Bit Error Rate）可以转化为包错误，要进行无差错的端到端通信，错误的数据包将被接收端丢弃并进行重传。误包率（PER，Packet Error Rate）不单单取决于比特错误率BER，而且取决于包的长度。在聚合方式下，数据的长度增加，因此对包长的优化显得尤为重要。对于A_MPDU方式，由于某个子帧的错误导致的包重传只需要重传出错的子帧，而对于A_MSDU方式，由于某个子帧的错误导致的包重传需要重传整个包，因此高误码率对A_MSDU的吞吐量影响更大。为了方便分析，假设每一个子帧具有相同的长度，使用RTS/CTS接入机制， 控制帧（RTS，CTS，BlockACK）以及PLCP前导和帧头使用基本速率传送，不考虑控制帧和前导的误帧率。在帧聚合方式下，A-MSDU的数据长度的变化取决于子帧的长度和子帧的数目。
假设每个子帧的长度相同，为LSF，，子帧的数目用NSF表示，MAC头部（含FCS）为LMH和分隔符LD，则A-MSDU的长度为LA-MSDU ，有LA-MSDU =NSF×LSF+LMH+LD。设无线信道的误码率BER为q，则子帧中的误包率Ppac（PER）是信道的误码率q和A_MSDU长度的函数，即： 。
（二）MAC层引起的重传
MAC采用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）和二进制指数退避算法的DCF协议。对于有N个站点的网络，若初始竞争窗口为W，最大的重传次数为m，在任意一个时隙内单个站点发送数据的概率为τ，那么τ可以由方程
求解得到。其中p是传输失败的概率，有，包含冲突概率pc和误码率q。冲突概率是除了当前站点传输外，剩余N-1个站点中至少有一个站点进行传输的概率： 。ptr为在一个时隙内至少有一帧在传输的概率，N个站点均以概率τ发送数据，则 ， 那么当有且仅有一帧传送，并且传送成功的概率为：，网络饱和吞吐量S定义为：
其中E（p）是无线信道中采用聚合机制一次成功发送的平均数据量，有：，E（t）是时隙长度的期望值，有。设定σ为空闲持续时间，Ts为成功传送数据帧时检测到信道忙的平均时间，Tc为在冲突期间每个站点检测到传输信道忙的平均时间，在RTS/CTS接入机制中，有
，。
三、 仿真结果
在NS-2仿真平台下，仿真参数如表1所示：对802.11nMAC层帧聚合优化算法进行仿真：
表1 实验仿真参数
图2 不同误码率下帧聚合与饱和吞吐量关系
在不同误码率的信道传输中，帧聚合长度与饱和吞吐量之间的关系如图2所示：
四、 结论
仿真结果表明，在高信噪比环境下，系统性能随着聚合的帧长度增加而急剧下降；在不同的误码率条件下，系统可以获得不同的最大吞吐率。因此在满足一定误码率的条件下，自动优化帧长度是提高系统性能的一种方法。
参考文献：
[1]IEEE Std 802.11n Enhancements for Higher Throughput [s] 2009
[2]Maaroufi S， Ajib W， Elbiaze H. Performance Evaluation of New MAC Mechanisms for IEEE 802.11n[J].Global Information Infrastructure Symposium，2007：39-45
[3]Bor Ginzburg，Alex Kesselman. Performance analysis of A- MPDU and A- MSDU aggregation in IEEE 802.11n[S]. IEEE Sarnoff Symposium， 2007： 1- 5.
[4]Thomas Paul，Tokunbo Ogunfunmi. Wireless LAN Comes of Age： Understanding the IEEE 802.11n Amendment[J]. IEEE CIRCUITS AND SYSTEMS MAGAZINE， FIRST QUARTER 2008：28-54.
基金项目：
云南省教育厅科学研究基金，基于运动补偿估计的红外视频压缩传感模型研究2011Y304。
作者简介：
叶志霞，女，汉族，中共党员，云南宜良人，1978年8月，讲师，云南师范大学信息学院，研究方向为网络控制、图形图像处理。
【关键词】802.11n；MAC；帧聚合；自适应帧长度
新一代无线局域网IEEE 802.11n协议以高达600Mbps的传输速率在实时业务和多媒体应用领域得到了广泛应用。为了提高网络吞吐量和满足日益增长的Qos需求，802.11n在介质访问控制层（MAC）采用了一系列优化机制。但是在信噪比较小的传输信道中，随着MAC层帧长度增加性能急剧下降。论文提出一种MAC层自适应帧长度的优化算法，能够在不同信噪比的信道中达到较高的吞吐量和进行可靠的传输。
一、IEEE802.11n MAC层协议分析
802.11n协议在MAC层做了一系列的改进措施来提高吞吐量和传输速率。主要包括：
（一）信道接入机制
802.11nMAC提供了两种信道接入方式决信道分配问题：一种是异步的分布协调功能DCF（Distributed Coordination Function），采用載波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）；另一种是同步的点协调功能PCF（Point Coordination Function），是一个无竞争访问协议。DCF协议规定了两路握手的基本接入机制（Basic Access）和四路握手RTS/CTS机制。当数据包长度较长时，采用RTS/CTS机制可以减小碰撞带来的损失。
（二）帧聚合机制
帧格式一般由MAC头、实体和帧检测序列（FCS）组成，帧聚合把多个单个的帧连接起来成为一个独立的帧。在MAC层有两种聚合方式：一种是MAC服务数据单元（A-MSDU）的聚合，各个子帧中包括子帧头、数据单元和补充字段Pad。子帧头包含目标地址（DA）、源地址（SA）和长度（Length）字段。其格式如图1所示：
图1 A-MSDU格式
另一种是MAC协议数据单元（A-MPDU）的聚合，聚合之后的MPDU子帧包含三个部分：分隔符（MPDU Delimiter）、实体和补充字段Pad。
（三）确认机制
传统协议对每个帧都进行响应，在保证传输正确率的同时降低了传输效率，802.11n协议确认响应采用Block ACK方式，发送多个数据单元之后才对它们进行响应。
二、802.11n帧长度自适应算法
802.11n的帧聚合机制极大地提高了传输速率，但是在信噪比较小的信道中，由于误比特率较高，单个比特的错误将导致整个帧的重传，如果帧长度较大，那么效率将会急剧下降。
（一）物理层引起的重传
在基于分组交换的系统中，无线信道的误码率（BER， Bit Error Rate）可以转化为包错误，要进行无差错的端到端通信，错误的数据包将被接收端丢弃并进行重传。误包率（PER，Packet Error Rate）不单单取决于比特错误率BER，而且取决于包的长度。在聚合方式下，数据的长度增加，因此对包长的优化显得尤为重要。对于A_MPDU方式，由于某个子帧的错误导致的包重传只需要重传出错的子帧，而对于A_MSDU方式，由于某个子帧的错误导致的包重传需要重传整个包，因此高误码率对A_MSDU的吞吐量影响更大。为了方便分析，假设每一个子帧具有相同的长度，使用RTS/CTS接入机制， 控制帧（RTS，CTS，BlockACK）以及PLCP前导和帧头使用基本速率传送，不考虑控制帧和前导的误帧率。在帧聚合方式下，A-MSDU的数据长度的变化取决于子帧的长度和子帧的数目。
假设每个子帧的长度相同，为LSF，，子帧的数目用NSF表示，MAC头部（含FCS）为LMH和分隔符LD，则A-MSDU的长度为LA-MSDU ，有LA-MSDU =NSF×LSF+LMH+LD。设无线信道的误码率BER为q，则子帧中的误包率Ppac（PER）是信道的误码率q和A_MSDU长度的函数，即： 。
（二）MAC层引起的重传
MAC采用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）和二进制指数退避算法的DCF协议。对于有N个站点的网络，若初始竞争窗口为W，最大的重传次数为m，在任意一个时隙内单个站点发送数据的概率为τ，那么τ可以由方程
求解得到。其中p是传输失败的概率，有，包含冲突概率pc和误码率q。冲突概率是除了当前站点传输外，剩余N-1个站点中至少有一个站点进行传输的概率： 。ptr为在一个时隙内至少有一帧在传输的概率，N个站点均以概率τ发送数据，则 ， 那么当有且仅有一帧传送，并且传送成功的概率为：，网络饱和吞吐量S定义为：
其中E（p）是无线信道中采用聚合机制一次成功发送的平均数据量，有：，E（t）是时隙长度的期望值，有。设定σ为空闲持续时间，Ts为成功传送数据帧时检测到信道忙的平均时间，Tc为在冲突期间每个站点检测到传输信道忙的平均时间，在RTS/CTS接入机制中，有
，。
三、 仿真结果
在NS-2仿真平台下，仿真参数如表1所示：对802.11nMAC层帧聚合优化算法进行仿真：
表1 实验仿真参数
图2 不同误码率下帧聚合与饱和吞吐量关系
在不同误码率的信道传输中，帧聚合长度与饱和吞吐量之间的关系如图2所示：
四、 结论
仿真结果表明，在高信噪比环境下，系统性能随着聚合的帧长度增加而急剧下降；在不同的误码率条件下，系统可以获得不同的最大吞吐率。因此在满足一定误码率的条件下，自动优化帧长度是提高系统性能的一种方法。
参考文献：
[1]IEEE Std 802.11n Enhancements for Higher Throughput [s] 2009
[2]Maaroufi S， Ajib W， Elbiaze H. Performance Evaluation of New MAC Mechanisms for IEEE 802.11n[J].Global Information Infrastructure Symposium，2007：39-45
[3]Bor Ginzburg，Alex Kesselman. Performance analysis of A- MPDU and A- MSDU aggregation in IEEE 802.11n[S]. IEEE Sarnoff Symposium， 2007： 1- 5.
[4]Thomas Paul，Tokunbo Ogunfunmi. Wireless LAN Comes of Age： Understanding the IEEE 802.11n Amendment[J]. IEEE CIRCUITS AND SYSTEMS MAGAZINE， FIRST QUARTER 2008：28-54.
基金项目：
云南省教育厅科学研究基金，基于运动补偿估计的红外视频压缩传感模型研究2011Y304。
作者简介：
叶志霞，女，汉族，中共党员，云南宜良人，1978年8月，讲师，云南师范大学信息学院，研究方向为网络控制、图形图像处理。