基于新一代Wi-Fi 的MAC 層關(guān)鍵技術(shù)的仿真與分析*

樊曉方，冀保峰，李萬坤，陳蘇丹，王宇坤

(1.河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023;2.中國南車集團(tuán)股份有限公司，河南 洛陽 471000;3.河南科技大學(xué) 林學(xué)院，河南 洛陽 471023;4.東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

近年來，短距離通信受到越來越廣泛的關(guān)注，因?yàn)樗咚俚膫鬏斔俾剩⑶夷軌蜃龅浇档秃晷^(qū)的負(fù)載均衡，802.11ac 的制定工作從2008 年的上半年起就已開始，并且成立了VHT(Very High Throughput)項(xiàng)目組，顧名思義為了實(shí)現(xiàn)超高吞吐量使無線Wi-Fi 能達(dá)到1 Gbps 的傳輸速率。

IEEE 802.11ac 的建立是基于IEEE 802.11n 和IEEE 802.11a 之上的，并且包括802.11a 的5GHz 頻段。不過在通道的設(shè)置上，802.11ac 繼承了802.11n 的MIMO (Multiple Input and Multiple Output，MIMO)技術(shù)，并將IEEE 802.11n的信道帶寬從20 M 拓寬到了160 M，同時(shí)提升了實(shí)際頻率調(diào)制效率的將近10%。最終理論傳輸速度將由802.11n 最高的600 Mbps 躍升至1 Gbps。同時(shí)IEEE 802.11ac 引入多用戶MIMO(Multi－user MIMO)技術(shù)，使得系統(tǒng)的吞吐量有了質(zhì)的飛躍。其實(shí)際傳輸率可能在300 Mbps～400 Mbps 之間，接近目前802.11n 實(shí)際傳輸率的3 倍(目前802.11n 無線路由器的實(shí)際傳輸率為75 Mbps～150 Mbps 之間)，完全足以在一條信道上同時(shí)傳輸多路壓縮視頻流。

此外，802.11ac 還將兼容802.11 現(xiàn)有和即將發(fā)布的所有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，包括即將發(fā)布的802.11s 無線網(wǎng)狀架構(gòu)以及802.11u 等。安全性方面，它將完全遵循802.11i 安全標(biāo)準(zhǔn)的所有內(nèi)容，使得無線Wi－Fi 能夠在安全性方面達(dá)到企業(yè)級(jí)用戶的需求。同時(shí)2015 年以來由中國起草主持的IEEE 802.11aj 利用IEEE 802.11ac 的主要技術(shù)，并將其工作頻段提升至60 GHz，帶寬有了幾十倍的增加，其理論傳輸速率將躍至30 Gbps，這將對人們的日常生活帶來全新的改變。

本文重點(diǎn)研究新一代Wi－Fi 的MAC 層技術(shù)，結(jié)構(gòu)安排如下:第二部分分析了分布式協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordination Function，DCF)和增強(qiáng)的分布式信道接入技術(shù)(Enhanced Distributed Channel Access，EDCA)的差異，并對MAC 層的幀聚合機(jī)制以及應(yīng)答機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究;第三部分對MAC 層的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了仿真和分析;第四部分對全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 MAC 層關(guān)鍵技術(shù)

1.1 MAC 層接入技術(shù)

在一個(gè)系統(tǒng)中IEEE 802.11 所有站點(diǎn)共享一個(gè)公共無線媒介，MAC 層協(xié)議規(guī)定了所有的站點(diǎn)(STAs)必須通過幾個(gè)訪問機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，其中IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)主要定義了三種接入機(jī)制:分布式協(xié)調(diào)接入(DCF)、點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(Point Coordination Function，PCF)以及分布式的信道接入機(jī)制(EDCA)［1］，IEEE 不同MAC 層接入機(jī)制如圖1 所示。其中DCF是工作于傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的分布式接入機(jī)制，而PCF是工作于無競爭模式下的輪詢調(diào)度接入機(jī)制，這兩種機(jī)制未定義用戶的服務(wù)質(zhì)量要求，EDCA 接入機(jī)制是一種帶優(yōu)先級(jí)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)約束的增強(qiáng)信道接入模式，可以針對不同接入類別(Access Category，AC)的數(shù)據(jù)流賦予其傳輸優(yōu)先級(jí)，在一個(gè)傳輸機(jī)會(huì)(Transmission Opportunity，TXOP)實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳輸，從而解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題。

混合協(xié)調(diào)功能HCF(Hybrid Coordination Function)以DCF 和PCF 為基礎(chǔ)，但是對它們進(jìn)行了改進(jìn)。HCF 包括兩種信道接入機(jī)制，一種是基于競爭的增強(qiáng)分布式信道接入EDCA(enhanced distributed channel access)，另一種是基于非競爭的混合協(xié)調(diào)控制信道接入HCCA(HCF controlled channel access)。EDCA 適用帶有優(yōu)先級(jí)的QoS 業(yè)務(wù)，HCCA 適用于參數(shù)化的QoS 業(yè)務(wù)。

圖1 IEEE 802.11 的MAC 層不同接入機(jī)制的結(jié)構(gòu)圖

分布道接入是采用一種帶碰撞避免的載波偵聽CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線媒體的接入，是IEEE 802.11 MAC 媒體接入的基礎(chǔ)。一個(gè)STA(站點(diǎn))在發(fā)送之前，首先會(huì)對信道進(jìn)行一個(gè)固定時(shí)長的偵聽，然后評(píng)估信道是否可用(CCA)，固定時(shí)長即DCF 幀間距(DIFS，DCF inter-frame space)。當(dāng)評(píng)估之后判斷媒體空閑，那么該STA 能有媒體并進(jìn)行一個(gè)幀交換。當(dāng)檢測到媒體繁忙時(shí)，STA 要等到媒體變?yōu)榭臻e，這時(shí)會(huì)后延一個(gè)DIFS 時(shí)長，然后等待一個(gè)隨即的回退時(shí)段。當(dāng)媒體狀態(tài)在站點(diǎn)后延的DIFS 以及回退的期間空閑的話，則站點(diǎn)被允許占有媒體進(jìn)行一個(gè)幀交換［3］。因此CSMA/CA 就是通過設(shè)置不同STAs 的隨機(jī)回退時(shí)長，來有效的減小站點(diǎn)碰撞的概率，如圖2 所示是IEEE802.11 采用的CSMA/CA 的回退過程。

圖2 CSMA/CA 回退過程

CSMA/CA 的關(guān)鍵是載波幀聽(CS)，DCF 通過虛擬載波偵聽和物理載波偵聽來判斷媒介是否。物理載波監(jiān)聽位于PHY 層，它通過能量檢測和帶后延的前導(dǎo)碼檢測判斷媒介繁忙還是空閑。虛擬載波偵聽位于MAC 層，由MAC 幀頭中的“時(shí)長/ID”字段中所承載的預(yù)定信息，來聲明站點(diǎn)對媒體獨(dú)占接入的時(shí)長。一個(gè)站點(diǎn)接收到“時(shí)長/ID”后，根據(jù)它攜帶的信息設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV(Network allocation vevtor)。處于NAV 期間內(nèi)，該站點(diǎn)自動(dòng)認(rèn)定媒介處于繁忙。只有站點(diǎn)在虛擬載波偵聽和物理載波偵聽同時(shí)認(rèn)為媒介空閑時(shí)，才被允許媒體的接入。

1.2 MAC 層的幀聚合

IEEE 802.11ac 繼承了IEEE 802.11n 的兩種幀聚合方案，提高了MAC 層的吞吐率。邏輯上這兩種不同類型的聚合分別位于MAC 層的頂端與下端。在建立MPDU 時(shí)首先在流出方向上對MSDU 進(jìn)行聚合的方式是MSDU 聚合(A-MSDU)，它位于MAC 層頂端。在流出方向上將多個(gè)MPDU 聚合成一個(gè)PSDU 的聚合方式是MPDU 聚合(A-MPDU)，它位于MAC 層下端。反向操作定界了MPDU 與MSDU 兩種聚合方式。

當(dāng)來自邏輯鏈路控制子層(Logic Link Control，LLC)的MAC 數(shù)據(jù)服務(wù)單元(MSDU)擁有相同的通信標(biāo)識(shí)符(TID)，并且向同一個(gè)接受端傳輸時(shí)，可以將它們聚合在一起，放入MAC 協(xié)議MPDU 中。給每個(gè)MSDU 添加三個(gè)字段并填充0～3 字節(jié)組成A-MSDU 子幀。三個(gè)字段分別為DA(目的地址)、SA(源地址)和一個(gè)長度。其中DA 和SA 可以不同，但RA(發(fā)送地址)和TA(接收地址)必須一樣。為了使A-MSDU 子幀能夠在32 bits 字長上對齊在后面有0～3 字節(jié)的填充字段，將MPDU 頭和FCS 校驗(yàn)作為兩端，各個(gè)A-MSDU 子幀按順序聚合成一個(gè)A-MSDU 幀作為整體便封裝成了一個(gè)MPDU。在QoS 數(shù)據(jù)幀、QoS 數(shù)據(jù)+CF－Poll、QoS 數(shù)據(jù)+CF－ACK、QoS 數(shù)據(jù)+CF－ACK+CF－Poll 中可以出現(xiàn)具有一個(gè)A-MSDU 的MPDU［4］。

值得一提的是，一個(gè)接收端提取出A-MPDU 子幀中分隔符攜帶的長度信息，進(jìn)而取出緊隨的MPDU，就能判斷出A-MPDU 的幀結(jié)構(gòu)。當(dāng)在傳送過程中MPDU 分隔符信息發(fā)生了錯(cuò)誤，接收端會(huì)自行尋找下一個(gè)分隔符。通常接收端能重新在真實(shí)的分隔符處實(shí)現(xiàn)同步。然后接收端就能解析出該MPDU 與后續(xù)的MPDU。A-MPDU 幀中各分隔符給系統(tǒng)提供了一定的魯棒性。所以說即使MPDU 的分隔符被破壞了，A-MPDU 幀也能夠?qū)⑵浠謴?fù)［5］。

2 提出方案

由于AP 取得信道接入是基于主AC 的，當(dāng)使用短數(shù)據(jù)幀來初始化MU-TXOP 時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)制對于同樣是主AC 的其它STA 來說顯然是不公平的，同時(shí)也可能造成TXOP 的浪費(fèi)，降低傳輸效率。同樣是主AC 的站點(diǎn)被輪詢時(shí)，若AP 用短數(shù)據(jù)幀只對第一個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行輪詢未收到反饋的BA 幀，就判定初始化失敗顯然對其他主AC 站點(diǎn)而言是不公平的，因此本文分析了當(dāng)?shù)谝粋€(gè)站點(diǎn)初始化失敗后，對其他主AC 站點(diǎn)進(jìn)行輪詢以提高系統(tǒng)初始化成功的概率，基于主AC 輪詢的差錯(cuò)恢復(fù)與回退機(jī)制如圖3 所示［6］。

圖3 基于主AC 輪詢的差錯(cuò)恢復(fù)與回退機(jī)制

3 仿真與分析

通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，在DCF 接入機(jī)制下AP 與STAs 競爭到的信道的概率在0.12 左右?guī)缀鯖]有差別，這就不能更好滿足不同優(yōu)先級(jí)的用戶的需求了，而由圖4 在EDCA 下，AP 在對外通信時(shí)被分成了四組。在同時(shí)的情況下，其優(yōu)先級(jí)不同明顯其競爭到信道的概率也是不同的，優(yōu)先級(jí)最高的AC-VO 的競爭概率達(dá)到了0.35，AC-VI 為0.27，AC-BE 為0.12，而相同優(yōu)先級(jí)的STAs 的信道競爭率都在0.03 左右。這樣就能讓優(yōu)先級(jí)更高的用戶需求優(yōu)先傳輸，從而達(dá)到了優(yōu)化無線接入機(jī)制的目的。

如圖5 對使用幀聚合后MAC 層相對PHY 層數(shù)據(jù)速率進(jìn)行了仿真。從圖中可以看出來MAC 吞吐率隨著PHY 層數(shù)據(jù)速率的提高不斷增長，當(dāng)PHY 層速率提高到900 Mbps時(shí)，吞吐率的增長開始逐漸變得緩慢下來。一個(gè)PHY 層速率為1 Gbps 的160 MHz 8 ×8 系統(tǒng)在MAC 層上吞吐率能夠達(dá)到350 Mbps，一個(gè)PHY 層數(shù)據(jù)速率為1 Gbps 的160 MHz 8×8 系統(tǒng)吞吐率也能達(dá)到840 Mbps。比起未使用幀聚合時(shí)吞吐量大大的提高了。

圖4 EDCA 下AP 和STA 競爭到信道的概率

圖5 使用幀聚合后MAC 層相對PHY 層數(shù)據(jù)速率的吞吐率

4 結(jié)論

本文針對IEEE 802.11ac 的MAC 層的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了仿真和分析，通過研究表明新一代Wi-Fi 能夠提供更高的傳輸速率，與IEEE 802.11n 相比采用了最大160 MHz 的帶寬發(fā)送模式，且引入了多用戶MIMO 技術(shù)，從本質(zhì)上有效提高了無線局域網(wǎng)系統(tǒng)的吞吐量。短距離通信作為未來5G 通信系統(tǒng)的主要支撐技術(shù)，無線局域網(wǎng)的發(fā)展扮演著非常重要的角色，近年來IEEE 802.11 aj 旨在修改IEEE 802.11ac 和IEEE 802.11ad 的物理層和媒介接入控制層(MAC)使其適應(yīng)中國的毫米波頻段59～64 GHz 頻段，該標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)將在2016 年底完成，這些技術(shù)的研究將為5G 通信系統(tǒng)的研究奠定良好的理論基礎(chǔ)。

［1］Supplement to Part 11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC)and Physical Layer (PHY)Specifications－ Amendment 8:Medium Access Control (MAC)Quality of Service Enhancements.ANSI/IEEE Std 802.11e－2005，IEEE，November 2005.

［2］Eldad Perahia，Robert Stacey.下一代無線局域網(wǎng)802.11n 的吞吐率、強(qiáng)健性和可靠性［M］.羅訓(xùn)，趙利譯.北京:人民郵電出版社，2010.

［3］Bianchi G.Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function［J］.IEEE Journal on Selected in Communications，2000，18(3):535－547.

［4］Baofeng Ji，Kang Song，Chunguo Li，et al.Throughput Enhancement for VHT WLANs Based on Two-Level Network Allocation Vector［C］.Proceedings of the 2012 IEEE Global Teleco-mmunications Conference:Management of Emerg-ing Networks and Services Workshop，2012，1:881－885.

［5］冀保峰，楊綠溪.VHT WLANs 多用戶MIMO 傳輸時(shí)OBSS 干擾問題的解決方案研究［J］.信號(hào)處理，2013，29(1):44－53.

［6］沈丹萍，沈連豐，吳名，等.基于自適應(yīng)幀聚合機(jī)制的無線局域網(wǎng)吞吐量分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，41(4):665－671.