無線局域網(wǎng)MAC層信道接入機制研究

唐山市第一中學 宋浩瑞

1.引言

1.1 背景

當今世界是智能信息和知識經(jīng)濟時代，在信息網(wǎng)絡(luò)全球化的今天，蜂窩網(wǎng)絡(luò)3G/4G業(yè)務迅速發(fā)展，給人們的生活方式帶來了巨大的改變，目前全球多個國家已競相展開第五代通信網(wǎng)絡(luò)的研究工作。然而蜂窩網(wǎng)絡(luò)卻面臨高額的資費問題以及嚴重的數(shù)據(jù)傳輸壓力等巨大的挑戰(zhàn)，隨著無線局域網(wǎng)技術(shù)和標準的不斷發(fā)展，無線局域網(wǎng)將作為固網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)的重要補充和延伸，提供低資費、高速率的無線接入應用。無線局域網(wǎng)的覆蓋范圍以及大部分的移動數(shù)據(jù)業(yè)務量主要是在室內(nèi)產(chǎn)生的，如機場，飯店，車站，咖啡廳，教室等，為人們提供了巨大的便利。

1.2 無線局域網(wǎng)的主要傳輸特點

傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)傳輸受線材的束縛，數(shù)據(jù)傳輸一般使用同軸電纜、雙絞線或者光纖，而且有線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點距離很短，只有幾千米甚至幾百米，且受地理環(huán)境因素的影響較大。而無線局域網(wǎng)則依靠電磁波來完成數(shù)據(jù)的傳輸，由于沒有了復雜的線路束縛，使得無線局域網(wǎng)有著非常高的靈活性和移動性，擴大了傳輸范圍，最遠可傳輸幾十千米，而且無線傳輸抗干擾性強，安全性高，組建較為容易，后續(xù)的維護與更新也更為簡單方便，無線局域網(wǎng)的出現(xiàn)極大地改變了人們的生活方式。

1.3 無線局域網(wǎng)的未來發(fā)展方向

無線局域網(wǎng)技術(shù)將是新世紀無線通信領(lǐng)域最有發(fā)展前景的重大技術(shù)之一，已經(jīng)成了各行各業(yè)不可或缺的部分，隨著經(jīng)濟社會和科技水平的繼續(xù)高速發(fā)展，無線局域網(wǎng)必將在與有線局域網(wǎng)的競爭中處于上風，進而在越來越多的領(lǐng)域中取代有線局域網(wǎng)占據(jù)主導地位。但在一些對信息數(shù)據(jù)要求極高的行業(yè)和機構(gòu)，比如金融業(yè)和軍事領(lǐng)域，無線局域網(wǎng)先天的缺陷安全性不強將顯得十分致命，因此，在這些領(lǐng)域，無線局域網(wǎng)只能作為有線局域網(wǎng)的補充，而很難完全取代有線局域網(wǎng)，只有對無線局域網(wǎng)技術(shù)不斷的創(chuàng)新和改革，才能保證其更多的服務于社會，提供更加安全可靠的傳輸環(huán)境。隨著WLAN技術(shù)的逐漸成熟，無線局域網(wǎng)的傳輸速率會更高，性能更穩(wěn)定，安全性更好，發(fā)展空間更廣，前景不可估量。

2.MAC層接入機制

2.1 IEEE802.11系列MAC層協(xié)議概述

IEEE標準中重點對MAC進行了規(guī)范，其對無線局域網(wǎng)的性能有著重要影響。MAC層主要為用戶接入介質(zhì)進行控制，并對數(shù)據(jù)的傳輸提供保護，使用戶數(shù)據(jù)有效可靠的傳輸。

在有線網(wǎng)絡(luò)傳輸中，各用戶需要傳輸數(shù)據(jù)時，通過向上層申請，可先分配一條專有線路，然后進行數(shù)據(jù)的傳輸過程。但是使用無線局域網(wǎng)后，傳輸介質(zhì)變?yōu)闊o線的電磁波，用戶間共享此部分信道，因此對于無線局域網(wǎng)而言，MAC層更像是系統(tǒng)傳輸?shù)拇竽X，當多個用戶想要傳輸數(shù)據(jù)而競爭信道時，MAC層應該對不同用戶間進行信道分配，提供有效的服務準則和協(xié)調(diào)機制，從而減少甚至避免用戶因競爭信道產(chǎn)生的碰撞，進一步提升系統(tǒng)傳輸效率。MAC層和物理層一樣，也位于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，所以它的內(nèi)部接入技術(shù)直接影響整個局域網(wǎng)的性能。近年來，為了得到高效可靠的用戶網(wǎng)絡(luò)接入服務，避免數(shù)據(jù)間的碰撞和重傳，IEEE組織逐步提出了MAC層的改進機制，以提高信道的使用效率。但是MAC層中始終以載波監(jiān)聽多路訪問機制為基礎(chǔ)控制用戶的無線接入。實現(xiàn)對系統(tǒng)的集中控制，使多用戶信道下有序可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 DCF接入機制

DCF機制的工作方式是無線局域網(wǎng)MAC層最基本接入機制，它的提出解決了多用戶接入信道產(chǎn)生的沖突問題，使得多用戶無線信息傳輸有效可靠地進行。由于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸相對于有線網(wǎng)絡(luò)傳輸來說，各個站點共享一個信道，在同一時間，只能有一個站點對信道進行訪問，當用戶節(jié)點的數(shù)據(jù)包到達以后，要通過與其他用戶數(shù)據(jù)包進行競爭而獲得信道的使用權(quán)，才可以繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，所以如何控制多用戶有序接入信道成為主要研究課題。DCF機制的提出正式解決了多個用戶站點競爭共享信道的發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。

CSMA/CA機制是DCF接入方式的基礎(chǔ)。在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸中，當多個用戶接入AP時，由于同一時間只能有一個站點通過信道傳輸給AP，如果多個一起傳輸，則會產(chǎn)生碰撞問題，所以需要采用一定的機制控制用戶接入信道。

CSMA/CA機制主要有兩個過程，監(jiān)聽和發(fā)送。在無線傳輸中，當用戶有數(shù)據(jù)包到達，不能立刻傳輸，而是要先監(jiān)聽信道的狀態(tài)，確定信道是否空閑，如果空閑則需要等待DIFS幀間間隔，然后再調(diào)用退避機制，退避過程結(jié)束則可以發(fā)送用戶數(shù)據(jù)包；如果信道忙碌，則需要等待，直到信道空閑才可進行傳輸。這即為載波偵聽多址接入部分(CSMA)。

基本的DCF接入模式，即當前站點的退避計數(shù)器減為0后，發(fā)送端立刻發(fā)送數(shù)據(jù)幀，無需事先發(fā)送其他控制幀。當發(fā)送站點較少，競爭較少以致碰撞較少時，基本的DCF接入模式可以節(jié)省RTS/CTS等控制幀所需占用的資源，從而提升系統(tǒng)吞吐。

2.3 RAW接入機制

RAW是IEEE 802.11ah獨有的MAC場景。它是DCF和PCF傳輸模式的結(jié)合，同時又具備自己獨有的特性。RAW以AP作為中央控制點，通過首先發(fā)送一個短信標（short beacon）幀廣播確定哪些幀需要發(fā)送數(shù)據(jù)，哪些幀可以進入RAW范圍。然后通過設(shè)定與RAW相關(guān)的幀結(jié)構(gòu)，即RPS，用于后續(xù)的發(fā)射過程。接著要給每個要發(fā)送數(shù)據(jù)的STA分配RAW中的時隙（time slot），STA的所有發(fā)送過程與AP的交互過程，都必須在分配的時隙內(nèi)完成（在不允許跨時隙邊界的情況下），每個時隙中STA之間的競爭采用DCF方式.

（1）AP廣播發(fā)short beacon幀給各個STA輪詢，有STA有數(shù)據(jù)包到達要發(fā)送數(shù)據(jù)，則進入下一步分配RAW。

（2）設(shè)置RPS，包括RAW中slot的個數(shù) ，每個slot的長度。

（3）給每個STA分配RAW中的slot。

（4）RAW中的slot接入過程。在STA被分配好slot后，STA向AP發(fā)送一個PS-Poll幀，表示本STA開始傳輸過程。AP收到此幀后，立刻給STA回復一個NDP-ACK幀。

（5）調(diào)用DCF過程。

3.MAC層仿真過程

3.1 系統(tǒng)仿真模型

本章主要通過選擇參數(shù)對不同條件、不同場景下的無線局域網(wǎng)MAC層進行仿真，從而比較不同參數(shù)下的系統(tǒng)的性能。MAC協(xié)議在實用中是否可行需要對其性能做出定量的估計，衡量網(wǎng)絡(luò)性能的一個重要參數(shù)即網(wǎng)絡(luò)吞吐量，它是指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，可以比特、字節(jié)、分組等為單位來進行測量。

吞吐量S的計算方法如下：

另一個衡量指標是丟包率，指在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中,所丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)占總發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)的比值。MAC層由于多個用戶數(shù)據(jù)包產(chǎn)生碰撞而傳輸失敗,在傳輸過程中,當數(shù)據(jù)包傳輸失敗達到一定次數(shù),則丟包。它是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的一個重要因素,丟包率越高,則說明系統(tǒng)性能越差。

本章主要對DCF和RAW兩種MAC層場景進行系統(tǒng)仿真，比較吞吐量和丟包率隨用戶數(shù)的性能變化情況。

3.2 仿真結(jié)果

圖1 不同用戶數(shù)與不同接入模式下系統(tǒng)吞吐量

圖1為不同接入模式下吞吐量隨用戶數(shù)的變化情況，其中，橫坐標表示用戶數(shù)，縱坐標表示吞吐量，單位為bit/s。如圖所示，當用戶數(shù)較少時，系統(tǒng)碰撞很少，此時兩種模式下系統(tǒng)吞吐量均處于最高狀態(tài)，且下降速度較緩慢，RAW模式由于幀間間隔小于DCF模式，因此用戶數(shù)較少時，RAW模式下的系統(tǒng)吞吐最高；隨著用戶數(shù)增加，系統(tǒng)碰撞增多，兩種接入方式下系統(tǒng)吞吐均逐步降低，但可以看到DCF模式下系統(tǒng)吞吐變化最快，而RAW模式通過AP發(fā)揮作用，將用戶分配到不同的時隙中，用戶間碰撞概率降低為原來的1 / Nslot，不僅使相同用戶數(shù)下RAW模式的系統(tǒng)吞吐最大，同時也使其系統(tǒng)吞吐隨用戶數(shù)增多而減小的速率最小，因此可以看出RAW模式下的系統(tǒng)吞吐最高；當用戶數(shù)大于80時，系統(tǒng)的碰撞過多，兩種模式下的系統(tǒng)吞吐都極低，兩條曲線趨于一致。

圖2 不同用戶數(shù)與不同接入模式下系統(tǒng)丟包率

圖2為不同接入模式下丟包率隨用戶數(shù)的變化情況，其中，橫坐標表示用戶數(shù)，縱坐標表示丟包率。當用戶數(shù)較少時，系統(tǒng)碰撞很少，此時兩種模式下系統(tǒng)丟包率都接近為0；隨著用戶數(shù)增加，系統(tǒng)碰撞增多，兩種接入方式下丟包率逐漸增加，由于RAW模式的分時隙傳輸機制，其性能優(yōu)于DCF,所以丟包率上升較慢；當用戶數(shù)大于80時，系統(tǒng)的碰撞過多，兩種模式下的丟包率達到最高，接近為1。

4.結(jié)論

論文對IEEE802.11ah協(xié)議MAC層不同接入機制搭建了仿真平臺并設(shè)置了對應的各項可變參數(shù)，比較了傳統(tǒng)協(xié)議的DCF機制及無線局域網(wǎng)中最新提出的RAW模式下系統(tǒng)吞吐量和丟包率隨用戶數(shù)的變化情況。其中，RAW模式是IEEE 802標準組最新提出的DCF與PCF結(jié)合的模型，可見其性能優(yōu)于DCF模式，系統(tǒng)仿真平臺和仿真結(jié)果都具有一定的創(chuàng)新指導意義。

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