摘  要： 在探討IEEE802.11g保護機制工作模式的基礎(chǔ)上，構(gòu)建OPNET仿真網(wǎng)絡(luò)以測試保護機制對WLAN網(wǎng)絡(luò)性能的影響。實驗結(jié)果表明，保護機制的引入可顯著地降低WLAN網(wǎng)絡(luò)吞吐率。純802.11g模式下，網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率最大可達23.95 Mb/s；啟用CTS-to-self保護機制的802.11b/g混合模式下，網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率僅為11.45 Mb/s，約為前者的50%；啟用RTS/CTS保護機制時，網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率只有7 Mb/s，減少到前者的30%，且此時單個802.11g站點僅獲得約7.5 Mb/s的TCP傳輸速率。為更好地規(guī)劃和部署802.11無線網(wǎng)絡(luò)提供了較準確的數(shù)據(jù)分析依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 802.11無線網(wǎng)絡(luò)；保護機制；OPNET；網(wǎng)絡(luò)吞吐率

    相比較早的無線局域網(wǎng)標準IEEE 802.11a/b，IEEE 802.11g具有兩個最主要的特征：高速率和兼容IEEE 802.11b。它采用IEEE 802.11a使用的OFDM調(diào)制技術(shù)，可以獲得高達54 Mb/s的數(shù)據(jù)通信帶寬。同時保留了IEEE 802.11b采用的CCK調(diào)制技術(shù)，使用“保護機制”可與IEEE 802.11b產(chǎn)品保持兼容。保護機制提供了一種允許802.11g設(shè)備根據(jù)具體的工作環(huán)境選擇OFDM調(diào)制技術(shù)或CCK調(diào)制技術(shù)的功能。在實際應(yīng)用中，保護機制有CTS-to-self和RTS/CTS兩種實現(xiàn)方式。啟用了保護機制的802.11g站點每發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀都必須先發(fā)送一個CTS短幀或做一次RTS/CTS交換，這將為一次數(shù)據(jù)傳輸帶來一定的時間開銷；當無線局域網(wǎng)的站點數(shù)目很大時，大量的CTS或RTS/CTS短幀將消耗可觀的無線帶寬并產(chǎn)生較大的傳輸延時。這些都將導(dǎo)致無線局域網(wǎng)的吞吐量下降、性能降低，工程經(jīng)驗顯示在一定條件下這種下降十分顯著。因此，定量地準確分析和測試保護機制對無線網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生的影響，以及基于此探討性能優(yōu)化措施對于更好地規(guī)劃和部署無線網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。
1 802.11g保護機制
    在802.11b/g混合模式中，當802.11g站點使用ERP-OFDM調(diào)制技術(shù)向信道發(fā)送OFDM信號時，802.11b站點監(jiān)聽到信道有信號，但因其無法識別出是802.11g站點發(fā)送的信號正在使用信道，于是將OFDM信號當做信道噪聲，認為信道空閑，繼而也向信道發(fā)送數(shù)據(jù)，從而引起沖突。為了避免上述沖突發(fā)生，使802.11b/g設(shè)備能夠相容工作，IEEE提出在802.11g MAC層中使用保護機制。
1.1 CTS-to-self模式
    在CTS-to-self模式中，當一個802.11g站點準備使用信道時，它首先要更新其他站點的網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV(Network Allocation Vector)值。NAV用來宣告預(yù)計要使用通信信道的持續(xù)時間，這個時間包括了完成一次數(shù)據(jù)傳送用到的所有幀的傳輸時間。如圖1（a）所示[1]，此處NAV時間由1個清除發(fā)送短幀CTS、2個短幀間間隔SIFS、1個OFDM數(shù)據(jù)幀和1個應(yīng)答幀ACK組成。802.11g站點發(fā)送一個CTS幀，將接收地址置為自己的MAC地址。CTS幀的Duration字段說明了信道將被占用的時間，其他偵聽到該CTS幀的站點以此更新自己的NAV值。僅當信道空閑和NAV值為0時，站點才準備發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。通告占用信道的站點使用CCK/DSSS調(diào)制方式發(fā)送CTS幀，以保證802.11b站點能正確收到并讀取CTS幀，從而避免沖突。

    CTS-to-self模式的實現(xiàn)只需由發(fā)起站點通告一個CTS幀，導(dǎo)致的帶寬耗費和網(wǎng)絡(luò)延時相對RTS/CTS模式較少，但它無法處理“節(jié)點隱藏”問題，隱藏節(jié)點偵聽不到CTS信號時，沖突還可能發(fā)生。為了盡量避免沖突，必須使用魯棒性更好的RTS/CTS模式。
1.2 RTS/CTS模式
    RTS/CTS模式必須借助基本服務(wù)集BSS(Basic Service Set)的中心節(jié)點——接入訪問點AP設(shè)備來實現(xiàn)，以保證BSS內(nèi)所有的無線站點都可以接收到信道將被占用的通告信息。要傳送數(shù)據(jù)的站點首先向AP發(fā)送占道請求RTS幀，AP收到RTS后向整個網(wǎng)絡(luò)廣播CTS幀予以響應(yīng)。CTS幀中包含了信道即將被占用的持續(xù)時間信息，以通知其他的站點在此期間退避，如圖1（b）所示，欲發(fā)送數(shù)據(jù)的站點在接收到CTS后才能向信道傳送數(shù)據(jù)。
    RTS/CTS模式解決了802.11b/g無線站點的信道共享沖突，也解決了節(jié)點隱藏問題，從而進一步減小了發(fā)生沖突的可能性。RTS/CTS機制也給網(wǎng)絡(luò)的運行帶來了額外的開銷，因為每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包之前都要額外交換兩個管理數(shù)據(jù)包，雖然這兩個數(shù)據(jù)包都比較小，但也給原本就不快的無線網(wǎng)絡(luò)增加了很多負擔。當網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)氖菙?shù)量眾多但尺寸都很小的數(shù)據(jù)包時，這種額外的負擔就變得尤其沉重。
1.3 802.11g工作過程
    在保護模式被關(guān)閉的狀態(tài)下，802.11g站點MAC層執(zhí)行標準定義的基于指數(shù)回退的載波偵聽沖突規(guī)避（CSMA/CA）和分布式協(xié)調(diào)功能DCF接入機制。當它檢測到無線局域網(wǎng)內(nèi)部存在802.11b站點時，則開啟CTS-to-self或RTS/CTS保護機制，執(zhí)行以下協(xié)議過程：
    (1)站點監(jiān)測到信道可用（信道空閑且NAV計時器超時），它將在一個分布式幀間間隔DIFS的短時間段后通告CTS幀或做RTS/CTS交換，并在此后一個SIFS時間后發(fā)送數(shù)據(jù)幀。其他站點根據(jù)CTS幀中占用信道的持續(xù)時間更新NAV值，并啟動NAV計時器。
    (2)站點監(jiān)測到信道不可用，則進入指數(shù)回退狀態(tài)。該站點選取一個隨機回退值并且在偵聽到物理信道空閑時遞減該值，當偵聽到物理信道忙時，該值保持不變。
    (3)如果回退計數(shù)值為0且NAV計時器超時，則轉(zhuǎn)步驟(1)。
    802.11g MAC層協(xié)議行為可用圖2所示有限狀態(tài)自動機描述。

2 仿真與分析
    本文仿真使用Adhoc BSS模式，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)由15個無線站點組成，站點隨機分布在150 m×150 m的范圍內(nèi)。每個無線站點采用相同的節(jié)點模塊和系統(tǒng)配置，構(gòu)成一個純IEEE 802.11g無線局域網(wǎng)。每個站點之間可以直接通信，不考慮節(jié)點隱藏問題，但為了在仿真實驗中測試RTS/CTS保護機制對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，將強制無線站點使用RTS/CTS交換。數(shù)據(jù)產(chǎn)生方式為ON-OFF模式，數(shù)據(jù)分組會在ON狀態(tài)期間產(chǎn)生并直接傳送到下層，高層包在MAC層中不拆分。具體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置如表1所示。

2.1 不同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置下的網(wǎng)絡(luò)性能測試
    研究表明[2]，在給定物理傳輸特性的前提下，網(wǎng)絡(luò)吞吐率由業(yè)務(wù)總負載決定。本文通過調(diào)整分組平均大小、分組到達時間間隔和無線站點數(shù)目三個網(wǎng)絡(luò)參數(shù)改變業(yè)務(wù)總負載，考察不同業(yè)務(wù)總負載對平均吞吐率、平均端到端延時、數(shù)據(jù)丟失率等網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)的影響以及上述三個網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性。在各網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)曲線基本收斂，網(wǎng)絡(luò)性能趨于穩(wěn)定時，統(tǒng)計仿真結(jié)果如表2所示。

    通過對表2的比較分析，可以得到如下結(jié)論：
    (1)純802.11g模式下，最大網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率為23.95 Mb/s，接近OFDM調(diào)制模式理論TCP傳輸能力上限(24.4 Mb/s)[3]。獲得最大網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置為：無線站點數(shù)14，平均分組大小1 800 B，分組到達間隔0.008 1 s。
    (2)當業(yè)務(wù)總負載達到22.92 Mb/s，網(wǎng)絡(luò)各種性能指標基本達到最優(yōu)，此時的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率為22.92 Mb/s，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置無線站點數(shù)為15，平均分組大小為1 700 B，分組到達間隔0.009 0 s。
    (3)各種網(wǎng)絡(luò)性能指標達到最優(yōu)時的業(yè)務(wù)總負載22.92 MB作為基準負載，當業(yè)務(wù)總負載超過基準負載時，網(wǎng)絡(luò)吞吐率保持相對穩(wěn)定，達到最大值后開始下降；由于傳輸數(shù)據(jù)量增大導(dǎo)致沖突加劇和分組排隊較長，數(shù)據(jù)丟失率和端到端延時急劇增加。
2.2 802.11g保護機制對TCP吞吐率影響的測試
    在獲得最大網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率的配置下，即網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置無線站點數(shù)為14，平均分組大小為1 800 B，分組到達間隔0.008 1 s，測試純802.11g模式、CTS-to-self保護模式和RTS/CTS保護模式下獲得的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率數(shù)據(jù)。仿真實驗結(jié)果與參考文獻[4]模型理論值對比如表3所示，圖4則給出了保護模式下單個802.11g站點TCP傳輸率曲線。

    通過對表3和圖4的比較分析，可以得到如下結(jié)論：
    (1)純802.11g模式下可獲得的最大網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率為23.95 Mb/s，而CTS-to-self保護模式下網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率為11.45 Mb/s，約為前者的47.8%，RTS/CTS保護模式則減少到前者的29.4%。這個數(shù)據(jù)與參考文獻[4]的理論結(jié)果基本一致。由于參考文獻[4]理論模型不考慮共享介質(zhì)沖突，所以本文仿真所得最大網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率相對低一些。
    (2)RTS/CTS保護模式下，802.11g終端可獲得約7 Mb/s的傳輸率，而CTS-to-self保護模式下，802.11g終端可獲得約7.5 Mb/s的傳輸率?？梢?，在802.11b/g混合模式下啟用保護機制時，網(wǎng)絡(luò)傳輸性能將大大降低，所以在網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高的情況下，應(yīng)盡量避免使用混合模式。
    本文研究結(jié)果表明保護機制的引入將顯著地降低WLAN網(wǎng)絡(luò)吞吐率。CTS-to-self保護模式下可獲得的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率比純802.11g模式可獲得的網(wǎng)絡(luò)吞吐率減少約50%，而RTS/CTS保護模式又比CTS-to-self保護模式減少約30%，且此時802.11g站點僅獲得7.5 Mb/s的TCP傳輸速率。因此在網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高的情況下，應(yīng)盡量避免使用混合模式，但關(guān)閉保護機制意味著放棄802.11g“兼容性”的優(yōu)勢。隨著802.11n標準的推出，它為無線網(wǎng)絡(luò)提供良好兼容性并保持較高的傳輸速率帶來了希望。802.11n采用軟件無線電技術(shù)解決了不同標準采用不同工作頻段、不同調(diào)制方式導(dǎo)致的系統(tǒng)間難以互通的問題。不僅保障了與以往11a、11b、11g標準的兼容，而且還可以實現(xiàn)與無線廣域網(wǎng)的融合，可以更好地保障用戶的投資。
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