摘  要： 在探討IEEE802.11g保護(hù)機(jī)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(hù)機(jī)制對(duì)WLAN網(wǎng)絡(luò)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，保護(hù)機(jī)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(dá)23.95 Mb/s；啟用CTS-to-self保護(hù)機(jī)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(hù)機(jī)制時(shí)，網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率只有7 Mb/s，減少到前者的30%，且此時(shí)單個(gè)802.11g站點(diǎn)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(zhǔn)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(hù)機(jī)制；OPNET；網(wǎng)絡(luò)吞吐率

    相比較早的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11a/b，IEEE 802.11g具有兩個(gè)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(dá)54 Mb/s的數(shù)據(jù)通信帶寬。同時(shí)保留了IEEE 802.11b采用的CCK調(diào)制技術(shù)，使用“保護(hù)機(jī)制”可與IEEE 802.11b產(chǎn)品保持兼容。保護(hù)機(jī)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(shí)際應(yīng)用中，保護(hù)機(jī)制有CTS-to-self和RTS/CTS兩種實(shí)現(xiàn)方式。啟用了保護(hù)機(jī)制的802.11g站點(diǎn)每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀都必須先發(fā)送一個(gè)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(shí)間開銷；當(dāng)無線局域網(wǎng)的站點(diǎn)數(shù)目很大時(shí)，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(shí)。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(yàn)顯示在一定條件下這種下降十分顯著。因此，定量地準(zhǔn)確分析和測試保護(hù)機(jī)制對(duì)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(duì)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(hù)機(jī)制
    在802.11b/g混合模式中，當(dāng)802.11g站點(diǎn)使用ERP-OFDM調(diào)制技術(shù)向信道發(fā)送OFDM信號(hào)時(shí)，802.11b站點(diǎn)監(jiān)聽到信道有信號(hào)，但因其無法識(shí)別出是802.11g站點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)正在使用信道，于是將OFDM信號(hào)當(dāng)做信道噪聲，認(rèn)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(hù)機(jī)制。
1.1 CTS-to-self模式
    在CTS-to-self模式中，當(dāng)一個(gè)802.11g站點(diǎn)準(zhǔn)備使用信道時(shí)，它首先要更新其他站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV(Network Allocation Vector)值。NAV用來宣告預(yù)計(jì)要使用通信信道的持續(xù)時(shí)間，這個(gè)時(shí)間包括了完成一次數(shù)據(jù)傳送用到的所有幀的傳輸時(shí)間。如圖1（a）所示[1]，此處NAV時(shí)間由1個(gè)清除發(fā)送短幀CTS、2個(gè)短幀間間隔SIFS、1個(gè)OFDM數(shù)據(jù)幀和1個(gè)應(yīng)答幀ACK組成。802.11g站點(diǎn)發(fā)送一個(gè)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(shí)間，其他偵聽到該CTS幀的站點(diǎn)以此更新自己的NAV值。僅當(dāng)信道空閑和NAV值為0時(shí)，站點(diǎn)才準(zhǔn)備發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。通告占用信道的站點(diǎn)使用CCK/DSSS調(diào)制方式發(fā)送CTS幀，以保證802.11b站點(diǎn)能正確收到并讀取CTS幀，從而避免沖突。

    CTS-to-self模式的實(shí)現(xiàn)只需由發(fā)起站點(diǎn)通告一個(gè)CTS幀，導(dǎo)致的帶寬耗費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)相對(duì)RTS/CTS模式較少，但它無法處理“節(jié)點(diǎn)隱藏”問題，隱藏節(jié)點(diǎn)偵聽不到CTS信號(hào)時(shí)，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(diǎn)——接入訪問點(diǎn)AP設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，以保證BSS內(nèi)所有的無線站點(diǎn)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(diǎn)首先向AP發(fā)送占道請(qǐng)求RTS幀，AP收到RTS后向整個(gè)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(shí)間信息，以通知其他的站點(diǎn)在此期間退避，如圖1（b）所示，欲發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)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(diǎn)的信道共享沖突，也解決了節(jié)點(diǎn)隱藏問題，從而進(jìn)一步減小了發(fā)生沖突的可能性。RTS/CTS機(jī)制也給網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行帶來了額外的開銷，因?yàn)槊堪l(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包之前都要額外交換兩個(gè)管理數(shù)據(jù)包，雖然這兩個(gè)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(fù)擔(dān)。當(dāng)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(shí)，這種額外的負(fù)擔(dān)就變得尤其沉重。
1.3 802.11g工作過程
    在保護(hù)模式被關(guān)閉的狀態(tài)下，802.11g站點(diǎn)MAC層執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)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(jī)制。當(dāng)它檢測到無線局域網(wǎng)內(nèi)部存在802.11b站點(diǎn)時(shí)，則開啟CTS-to-self或RTS/CTS保護(hù)機(jī)制，執(zhí)行以下協(xié)議過程：
    (1)站點(diǎn)監(jiān)測到信道可用（信道空閑且NAV計(jì)時(shí)器超時(shí)），它將在一個(gè)分布式幀間間隔DIFS的短時(shí)間段后通告CTS幀或做RTS/CTS交換，并在此后一個(gè)SIFS時(shí)間后發(fā)送數(shù)據(jù)幀。其他站點(diǎn)根據(jù)CTS幀中占用信道的持續(xù)時(shí)間更新NAV值，并啟動(dòng)NAV計(jì)時(shí)器。
    (2)站點(diǎn)監(jiān)測到信道不可用，則進(jìn)入指數(shù)回退狀態(tài)。該站點(diǎn)選取一個(gè)隨機(jī)回退值并且在偵聽到物理信道空閑時(shí)遞減該值，當(dāng)偵聽到物理信道忙時(shí)，該值保持不變。
    (3)如果回退計(jì)數(shù)值為0且NAV計(jì)時(shí)器超時(shí)，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(dòng)機(jī)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(gè)無線站點(diǎn)組成，站點(diǎn)隨機(jī)分布在150 m×150 m的范圍內(nèi)。每個(gè)無線站點(diǎn)采用相同的節(jié)點(diǎn)模塊和系統(tǒng)配置，構(gòu)成一個(gè)純IEEE 802.11g無線局域網(wǎng)。每個(gè)站點(diǎn)之間可以直接通信，不考慮節(jié)點(diǎn)隱藏問題，但為了在仿真實(shí)驗(yàn)中測試RTS/CTS保護(hù)機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，將強(qiáng)制無線站點(diǎn)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(huì)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(fù)載決定。本文通過調(diào)整分組平均大小、分組到達(dá)時(shí)間間隔和無線站點(diǎn)數(shù)目三個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)改變業(yè)務(wù)總負(fù)載，考察不同業(yè)務(wù)總負(fù)載對(duì)平均吞吐率、平均端到端延時(shí)、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(gè)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(shí)，統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果如表2所示。

    通過對(duì)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(diǎn)數(shù)14，平均分組大小1 800 B，分組到達(dá)間隔0.008 1 s。
    (2)當(dāng)業(yè)務(wù)總負(fù)載達(dá)到22.92 Mb/s，網(wǎng)絡(luò)各種性能指標(biāo)基本達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)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(diǎn)數(shù)為15，平均分組大小為1 700 B，分組到達(dá)間隔0.009 0 s。
    (3)各種網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)時(shí)的業(yè)務(wù)總負(fù)載22.92 MB作為基準(zhǔn)負(fù)載，當(dāng)業(yè)務(wù)總負(fù)載超過基準(zhǔn)負(fù)載時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吞吐率保持相對(duì)穩(wěn)定，達(dá)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(duì)較長，數(shù)據(jù)丟失率和端到端延時(shí)急劇增加。
2.2 802.11g保護(hù)機(jī)制對(duì)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(diǎn)數(shù)為14，平均分組大小為1 800 B，分組到達(dá)間隔0.008 1 s，測試純802.11g模式、CTS-to-self保護(hù)模式和RTS/CTS保護(hù)模式下獲得的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐率數(shù)據(jù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與參考文獻(xiàn)[4]模型理論值對(duì)比如表3所示，圖4則給出了保護(hù)模式下單個(gè)802.11g站點(diǎn)TCP傳輸率曲線。

    通過對(duì)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(hù)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(hù)模式則減少到前者的29.4%。這個(gè)數(shù)據(jù)與參考文獻(xiàn)[4]的理論結(jié)果基本一致。由于參考文獻(xiàn)[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(duì)低一些。
    (2)RTS/CTS保護(hù)模式下，802.11g終端可獲得約7 Mb/s的傳輸率，而CTS-to-self保護(hù)模式下，802.11g終端可獲得約7.5 Mb/s的傳輸率。可見，在802.11b/g混合模式下啟用保護(hù)機(jī)制時(shí)，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(hù)機(jī)制的引入將顯著地降低WLAN網(wǎng)絡(luò)吞吐率。CTS-to-self保護(hù)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(hù)模式又比CTS-to-self保護(hù)模式減少約30%，且此時(shí)802.11g站點(diǎn)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(hù)機(jī)制意味著放棄802.11g“兼容性”的優(yōu)勢(shì)。隨著802.11n標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的兼容，而且還可以實(shí)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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