基于丟包區(qū)分的IEEE 802.11 MAC改進(jìn)協(xié)議

王 濤，雷 婷，周建存

（1.湖南城市學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730）

基于丟包區(qū)分的IEEE 802.11 MAC改進(jìn)協(xié)議

王 濤1，雷 婷2，周建存1

（1.湖南城市學(xué)院，湖南 益陽 413000；2.成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730）

IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于丟包的處理流程導(dǎo)致在出現(xiàn)丟包時(shí)性能下降。本文提出一種基于丟包區(qū)分的改進(jìn)協(xié)議LD-MAC。該協(xié)議在對(duì)丟包原因進(jìn)行區(qū)分的基礎(chǔ)上，在沖突丟包時(shí)只進(jìn)行指數(shù)退避，在弱信號(hào)丟包時(shí)只進(jìn)行速率自適應(yīng)調(diào)整，從而獲得性能改進(jìn)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了LD-MAC協(xié)議的性能提升。

802.11；WLAN；丟包區(qū)分；MAC協(xié)議

近年來，智能手機(jī)在我國得到普及。由于移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)相對(duì)高昂，成本更低的 IEEE 802.11的無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLAN)技術(shù)成為人們使用智能手機(jī)時(shí)的首選接入技術(shù)。目前，在家庭、公共場(chǎng)所、公司等各種場(chǎng)所幾乎普遍部署了無線接入點(diǎn)(Access Point,AP)，WLAN的使用得到普及。但無線鏈路易受信號(hào)衰減或信號(hào)干擾等影響，WLAN往往會(huì)出現(xiàn)頻繁丟包[1-2]，需要多次重傳數(shù)據(jù)，導(dǎo)致信道利用效率不高，性能下降。

IEEE 802.11 WLAN中主要有兩類不同原因的誤碼可導(dǎo)致丟包。第一類是由于數(shù)據(jù)幀傳輸出現(xiàn)了沖突(collision)或無線信號(hào)受到干擾而產(chǎn)生的誤碼，可稱為沖突丟包。第二類是由于接收端收到的信號(hào)太弱而導(dǎo)致的誤碼，可稱為弱信號(hào)丟包。通常，WLAN中不同原因的丟包指示了不同的無線鏈路條件，對(duì)于不同誤碼原因產(chǎn)生的丟包，發(fā)送端應(yīng)采取不同處理措施。但I(xiàn)EEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此考慮不多。此外，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)雖制定了多種傳輸速率，但沒有給出標(biāo)準(zhǔn)的RA算法或協(xié)議，可由廠商自行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)。目前已提出多種RA算法，如ARF、AARF、SampleRate、CARA、RRAA以及ATBRA等?；驹砭峭ㄟ^間接或直接的方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)無線信道環(huán)境的變化以適應(yīng)性地選擇傳輸速率。類似思想亦被用于發(fā)送功率或數(shù)據(jù)幀長的自適應(yīng)控制算法中[3]。這些算法的關(guān)鍵同樣是需準(zhǔn)確區(qū)分誤碼丟包的原因，但這些算法往往把丟包首先歸結(jié)為是弱信號(hào)所導(dǎo)致。如應(yīng)用廣泛的ARF算法，連續(xù)兩個(gè)數(shù)據(jù)幀沒有收到 ACK就降低速率；直到連續(xù)十個(gè)數(shù)據(jù)幀收到了 ACK才提高速率；若接下來的第十一個(gè)數(shù)據(jù)幀沒收到ACK，將再次降低速率。實(shí)際WLAN環(huán)境下的測(cè)量表明，由于不能準(zhǔn)確區(qū)分誤碼丟包原因，ARF等算法多數(shù)性能不佳[4]，且可能出現(xiàn)不必要且非常頻繁的速率調(diào)整。

圖1 LD-MAC發(fā)送端流程

圖2 LD-MAC接收端流程

WLAN出現(xiàn)上述問題的原因在于沒有對(duì)丟包原因進(jìn)行區(qū)分，從而不能采取相應(yīng)的措施來處理丟包事件。若能準(zhǔn)確對(duì)丟包原因進(jìn)行區(qū)分，將有助于發(fā)送端采取正確措施處理丟包事件。因此，為提高WLAN系統(tǒng)吞吐量，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，本文提出一種802.11 MAC的改進(jìn)協(xié)議LD-MAC。該協(xié)議在區(qū)分丟包原因基礎(chǔ)上，對(duì)于不同誤碼原因產(chǎn)生的丟包，發(fā)送端應(yīng)采取不同處理措施。出現(xiàn)沖突丟包時(shí)，發(fā)送端只運(yùn)行二進(jìn)制指數(shù)退避BEB算法，延遲一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后重傳數(shù)據(jù)幀，而不觸發(fā)速率自適應(yīng)調(diào)整。出現(xiàn)弱信號(hào)丟包時(shí)，發(fā)送端直接根據(jù)系統(tǒng)的速率自適應(yīng)調(diào)整算法，適當(dāng)降低發(fā)送速率后重傳數(shù)據(jù)幀，而不進(jìn)入二進(jìn)制指數(shù)退避階段。該協(xié)議可降低WLAN丟包時(shí)的不必要數(shù)據(jù)重傳開銷，避免不必要的速率調(diào)整和指數(shù)退避，從而提高了WLAN吞吐量。仿真實(shí)驗(yàn)表明，與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11 MAC協(xié)議相比，LD-MAC協(xié)議提高了無線傳輸?shù)耐掏铝?，并極大地減少了重傳次數(shù)，提升了無線網(wǎng)絡(luò)性能。

1 改進(jìn)的LD-MAC協(xié)議

本節(jié)對(duì)改進(jìn)的丟包區(qū)分MAC(LD-MAC)協(xié)議進(jìn)行介紹。首先給出LD-MAC的整體框架，隨后，對(duì)該協(xié)議中的丟包區(qū)分方法進(jìn)行討論，并給出了改進(jìn)后速率自適應(yīng)算法及指數(shù)退避算法流程。

1.1 整體框架

根據(jù)對(duì)IEEE 802.11 MAC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的分析，為提高WLAN吞吐量，改善網(wǎng)絡(luò)性能，在出現(xiàn)誤碼丟包時(shí)，發(fā)送端應(yīng)對(duì)誤碼原因進(jìn)行區(qū)分，并相應(yīng)地進(jìn)行速率自適應(yīng)調(diào)整或指數(shù)退避；而為了支持發(fā)送端進(jìn)行丟包區(qū)分，接收端也需要回送誤碼特征信息，故接收端無論是否丟包，均需向發(fā)送端回送 ACK幀。發(fā)送端的基本協(xié)議流程如圖1所示。接收端的基本協(xié)議流程如圖2所示。

若發(fā)送端需要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，進(jìn)入圖1所示流程。首先按照IEEE 802.11 MAC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀發(fā)送的初始化，之后發(fā)送數(shù)據(jù)幀，等待接收ACK幀。收到ACK幀后，對(duì)ACK幀類型進(jìn)行判別，若是正常接收類型，則結(jié)束發(fā)送；若是誤碼丟包類型，則調(diào)用丟包原因區(qū)分算法，對(duì)丟包原因進(jìn)行分析，若是沖突丟包，則調(diào)用退避算法調(diào)整退避參數(shù)后重新發(fā)送數(shù)據(jù)幀；若是弱信號(hào)丟包，則調(diào)用速率自適應(yīng)算法對(duì)發(fā)送速率進(jìn)行調(diào)整后重發(fā)數(shù)據(jù)幀。接收端啟動(dòng)后進(jìn)入圖2所示流程，首先按照IEEE 802.11 MAC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀接收的初始化，之后若收到數(shù)據(jù)幀則進(jìn)行校驗(yàn)檢查是否有誤碼。若無誤碼，則正常轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)幀，并回送正常接收 ACK幀；否則，則丟棄所收到的數(shù)據(jù)幀，并回送誤碼丟包ACK幀。為了進(jìn)行丟包原因區(qū)分，所回送的誤碼丟包ACK幀需要包含誤碼信息，具體在下文進(jìn)行了分析。

1.2 丟包區(qū)分算法

準(zhǔn)確、快速的區(qū)分丟包原因是LD-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)。對(duì)此問題，通過前期研究發(fā)現(xiàn)接收端收到誤碼包末尾 1500比特所蘊(yùn)含的誤碼特征可用于區(qū)分沖突丟包和弱信號(hào)丟包；若將接收端收到誤碼包末尾 1500比特與發(fā)送端原始包相應(yīng)比特進(jìn)行比較，計(jì)算誤碼特征，并計(jì)算接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI及誤差向量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)指標(biāo)，可在發(fā)送端準(zhǔn)確區(qū)分丟包原因[5]。

此外，在前期研究[6]中，已測(cè)量分析了不同原因丟包的誤碼特征。因此在LD-MAC協(xié)議中，為進(jìn)行丟包區(qū)分，接收端檢查發(fā)現(xiàn)誤碼丟包時(shí)，在回送的誤碼丟包 ACK中包含所接收誤碼包末尾1500比特，以及RSSI和EVM。發(fā)送端收到誤碼丟包ACK后，計(jì)算誤碼率(BER)、符號(hào)誤碼率(EPS)以及S-Score等指標(biāo)。這里，符號(hào)(Symbol)是指經(jīng)物理層編碼和調(diào)制后同時(shí)傳輸?shù)谋忍匦蛄?，如正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)中，若有48個(gè)子載波(sub-carry)傳輸數(shù)據(jù)，則符號(hào)為48比特的序列。EPS是誤碼包中所有出現(xiàn)誤碼的符號(hào)的平均誤碼率。記誤碼包中第i次連續(xù)出現(xiàn)的誤碼符號(hào)為Bi，表示誤碼符號(hào)個(gè)數(shù)，則S-Score是所有|Bi|的平方和。

在計(jì)算了誤碼特征指標(biāo)后，采用貝葉斯分類算法進(jìn)行丟包區(qū)分。

令C為表示丟包原因的類變量，則：

令屬性變量X1，X2，X3，X4，X5分別表示誤碼包的RSSI、EVM及根據(jù)末尾1500比特計(jì)算的BER、EPS及S-Score，則由貝葉斯公式可得：

式(8)中，P()表示概率。設(shè)RSSI、BER、EPS及S-Score等屬性均獨(dú)立，則：

又由于P(X1，X2，X3，X4，X5)對(duì)任何C均為常數(shù)，則由式(8)可得：

則對(duì)任意給定的屬性值x1，x2，x3，x4，x5，C的值為：

1.3 速率自適應(yīng)算法

LD-MAC協(xié)議的速率自適應(yīng)算法流程如圖3所示。圖3中，當(dāng)出現(xiàn)傳輸丟包時(shí)，LD-MAC協(xié)議對(duì)丟包原因進(jìn)行分析，若原因?yàn)槿跣盘?hào)丟包，則將傳輸速率降低一檔，再重新傳輸。否則，將傳輸速率提升一檔，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

1.4 指數(shù)退避算法

IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)給出的退避算法規(guī)定，當(dāng)發(fā)生傳輸丟包時(shí)，發(fā)送方將其競爭窗口(contention window,CW)大小翻倍，以減少?zèng)_突。這一做法是假定傳輸丟包是因沖突而引起。但對(duì)于弱信號(hào)丟包，這一做法將導(dǎo)致帶寬浪費(fèi)，傳輸延遲增大。為解決這一問題，在圖1中，僅在沖突丟包時(shí)進(jìn)行退避算法的處理。相應(yīng)退避算法也需進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。修改后退避算法流程如圖4所示。圖4中，當(dāng)出現(xiàn)傳輸丟包時(shí)，LD-MAC協(xié)議對(duì)丟包原因進(jìn)行分析，若原因?yàn)闆_突丟包，則將CW翻倍，再進(jìn)行指數(shù)退避。否則，將CW設(shè)置為初值，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

圖3 速率自適應(yīng)算法

圖4 退避算法

2 仿真實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)對(duì)本文給出丟包區(qū)分準(zhǔn)確度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，并將本文LD-MAC協(xié)議并與已有的MAC進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5所示。

圖5 測(cè)量實(shí)驗(yàn)環(huán)境

圖5中，Tx1和Tx2為兩臺(tái)筆記本電腦，安裝了Red Hat Linux操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本為2.6.26。實(shí)驗(yàn)需要對(duì)無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序做少量改動(dòng)，故選擇了基于Atheros 5212芯片的無線網(wǎng)卡。該芯片使用較廣泛，使得實(shí)驗(yàn)具有典型性。Linux平臺(tái)下該芯片的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)殚_源的 Madwifi。實(shí)驗(yàn)需要修改Madwifi的硬件抽象層(Hardware Abstract Layer,HAL)，但因?yàn)榘鏅?quán)問題，HAL代碼并不開源，而是提供的二進(jìn)制文件。因此選擇了開源的OpenHAL代替HAL模塊來編譯無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序Madwifi。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)需對(duì)AP的無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)進(jìn)行修改，而通用AP修改較困難，故圖5中以一臺(tái)裝有無線、以太雙網(wǎng)卡的普通PC代替AP。PC位于Tx1、Tx2之間，其無線網(wǎng)卡選型及驅(qū)動(dòng)程序與Tx1、Tx2相同，并配置為工作在AP模式。測(cè)量誤碼特征時(shí)，Tx1、Tx2工作于STA模式，即一般的客戶模式，以指定速率發(fā)送數(shù)據(jù)幀；并記錄每個(gè)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)間戳、幀內(nèi)容及幀長。Tx1、Tx2與PC的距離稍遠(yuǎn)，但保證了單獨(dú)發(fā)送時(shí)PC不會(huì)出現(xiàn)誤碼丟包，以避免信號(hào)衰減影響沖突信道特征的準(zhǔn)確測(cè)量。為保證在PC有較高概率出現(xiàn)沖突，Tx1、Tx2關(guān)閉了BEB算法；且發(fā)送的是廣播幀，以避免 PC對(duì)接收的幀響應(yīng)ACK幀而影響實(shí)驗(yàn)。PC除充當(dāng)AP外，亦工作于monitor模式。該模式下，PC將忽略CRC校驗(yàn)，無論數(shù)據(jù)幀正確與否，都會(huì)捕獲下來。PC記錄幀接收時(shí)間戳、幀內(nèi)容及幀長、接收信號(hào)強(qiáng)度以及該幀是否應(yīng)丟棄等信息。由于不同傳輸速率可能有不同信道特征，選擇了最大的54Mbps，中等的24Mbps以及最低的6Mbps進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，幀長也對(duì)信道特征有影響，實(shí)際802.11 WLAN流量典型的幀長度為100、1500字節(jié)，故實(shí)驗(yàn)時(shí)Tx1、Tx2是隨機(jī)的發(fā)送這兩種長度的廣播幀。為避免其他802.11無線信號(hào)的干擾，實(shí)驗(yàn)在較空曠的操場(chǎng)進(jìn)行，且每次實(shí)驗(yàn)前均測(cè)試是否存在其它同頻的無線信號(hào)。

2.1 丟包區(qū)分準(zhǔn)確度

LD-MAC 所采用的丟包區(qū)分方法與COLLIE[16]的評(píng)估結(jié)果如表1所示,表1中BeInf表示LD-MAC所采用的丟包區(qū)分方法。由表1可知，BeInf方法比COLLIE的丟包原因推斷性能有較大提高。首先是準(zhǔn)確性、假陽性率、假陰性率等衡量方法精度的指標(biāo)得到較大改善。BeInf方法之所以能在這些指標(biāo)上得到改善，是因?yàn)樗褂玫呢惾~斯分類算法比 COLLIE所用的Metric-Vote策略更為適合對(duì)丟包原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)意義的推斷，且考慮了更多的推斷指標(biāo)。

表1 兩種方法的評(píng)估結(jié)果

具體而言，由表1可知，BeInf方法的準(zhǔn)確性較COLLIE有所改善，準(zhǔn)確率ra提高了5.3%，假陽性率 rfp降低了 4.8%，假陰性率 rfn降低10.5%。rfp的降低意味著丟包原因?yàn)槿跣盘?hào)但被誤判為沖突的誤碼包減少，因此發(fā)送端可減少等待不必要的指數(shù)退避時(shí)間，及時(shí)重傳，提高信道利用效率；rfn的降低意味著丟包原因?yàn)闆_突但被誤判為弱信號(hào)的誤碼包減少，因此發(fā)送端可以避免更多不必要的、無效的以原速率重傳，減少信道帶寬浪費(fèi)。故這兩個(gè)指標(biāo)的改善對(duì)提高WLAN的性能有重要作用。

圖6 吞吐量性能比較

圖7 重傳比率比較

2.2 LD-MAC性能

圖6給出了在不同距離下，在存在信號(hào)沖突的情況下，本文改進(jìn)協(xié)議LD-MAC與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(std-MAC)的吞吐量比較。由圖6可知，LD-MAC協(xié)議的吞吐量比標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議提高較多。特別是在近距離時(shí)，吞吐量提高明顯。這是因?yàn)長D-MAC能夠在出現(xiàn)丟包時(shí)，根據(jù)丟包原因來選擇正確的處理措施。圖7給出了在不同信號(hào)質(zhì)量條件下，本文改進(jìn)協(xié)議LD-MAC與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(std-MAC)的數(shù)據(jù)幀重傳比率的比較。由圖7可知，LD-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)重傳比率比標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議大幅。這是因?yàn)長D-MAC協(xié)議通過丟包原因的區(qū)分，并采取正確處理措施，可避免大量不必要的數(shù)據(jù)重傳。而數(shù)據(jù)重傳的減少又使得LD-MAC吞吐量得到提升。

3 結(jié)論

IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于丟包的處理流程存在當(dāng)出現(xiàn)丟包時(shí)性能下降的問題。對(duì)此，本文給出了基于丟包區(qū)分的改進(jìn)協(xié)議LD-MAC。該協(xié)議的基礎(chǔ)是將丟包原因區(qū)分為沖突丟包和弱信號(hào)丟包兩種情況。針對(duì)不同的情況，采用不同的處理措施，在沖突丟包時(shí)只進(jìn)行指數(shù)退避，在弱信號(hào)丟包時(shí)只進(jìn)行速率自適應(yīng)調(diào)整，從而獲得性能改進(jìn)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了LD-MAC協(xié)議的性能提升。

[1].D.Aguayo,J.Bicket,S.Biswas,G.Judd,and R.Morris.Link-level Measurements from an 802.11b Mesh Network.In ACM SIGCOMM,2004

[2].M.Rodrig,C.Reis,R.Mahajan,D.Wetherall,and J.Zahorjan.Mea-surement-based Characterization of 802.11 in a Hotspot Setting.In ACM SIGCOMM E-WIND Workshop,2005

[3].習(xí)勇,魏急波,莊釗文.差錯(cuò)信道下IEEE 802.11 DCF最優(yōu)幀長分析及信道自適應(yīng)策略.通信學(xué)報(bào)，2006,27(5):84-89

[4].K.Ramachandran,H.Kremo,M.Gruteser,P.Spasojevic,I.Seskar,Scalability analysis of rate adaptation techniques in congested IEEE 802.11 networks:An orbit testbed comparative study,in:Proceedings of IEEE WoWMoM,2007,pp.1-12

[5].王濤，黎文偉，雷婷.一種基于誤碼特征的802.11 WLAN包丟失原因推斷方法.中南大學(xué)學(xué)報(bào)-自然科學(xué)版,2014,45(5):1522-1531

[6].Rayanchu S.,Mishra A.,Agrawal D.,et al.Diagnosing wireless packet losses in 802.11:Seperating collision from weak signal.Proceedings of Infocom 2008,735-743

An Improved IEEE 802.11 MAC Protocol Based on Loss Distinguishing

WANG Tao1,LEI Ting2,ZHOU Jian-cun1
(1.Hunan City University,Hunan Yiyang 413000;2.Chengdu Technological University,Sichuan Chengdu 611730)

The process procedure for packet loss in 802.11 MAC standard induces performance deducing when faces packet losses.In this paper,an improved protocol based on loss distinguishing,LD-MAC is proposed for solving this problem.By distinguishing packet loss causes,this protocol only incurs exponential back-off when the loss cause is collision,and only incurs rate adaptation when the loss cause is weak signal,and then the transmitting performance is improved.The result from real experiments validates the effects of the LD-MAC protocol.

802.11；WLAN；loss distinguishing；MAC protocol

TP393

：A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.062

1672–7304(2016)01–0133–02

湖南省科技廳科技計(jì)劃(2014FJ6068);湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(14C0211)；湖南省教育廳科學(xué)研究優(yōu)秀青年項(xiàng)目（15B044）。

（責(zé)任編輯：廖建勇）

王濤（1981-），男，湖南郴州人，副教授，研究方向：網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。