基于主导节点竞争机制的802.11n协议性能分析

李小军，郭 睿

（西北工业大学 陕西 西安 710129）

IEEE802.11n无线局域网标准一方面由于频谱资源的紧张使其带宽受到了限制，另一方面还要能够支持同时接入大量的竞争节点，因而两者之间产生了矛盾。首先，由于经典802.11n标准DCF（分布式协调功能）机制没有引入一种能减小冲突概率的机制，导致节点间的冲突概率上升，在节点数量较多时性能表现较差[1]。其次，由于经典802.11nDCF[2]信道接入机制的数据传输额外开销较大，导致系统的传输效率较低，吞吐量受到了限制，因而在高速数据传输情况下系统性能表现也不是很理想。

为此，许多学者提出了一系列优化策略以提升MAC层传输效率。李贺武等[3]提出并设计了一种基于状态检测与竞争终端个数区间的自适应性能优化机制DOOR，根据竞争终端个数的变化计算相应的系统参数并动态的调整系统参数，然而其区间划分存在重叠部分，很难保证系统参数的精确调整。Yuan-Yuan等[4]提出了基于令牌调节的随机接入MAC协议TMAC，通过将竞争节点分成同等大小的组，以令牌在各个组之间轮询的方式，使各个组中的成员发送数据，但是该机制对竞争节点数量进行了严格地限制，因而不适合节点数量较多的情形。K.-C.Ting等[5]提出了一种增强式的基于分组的DCF机制E-GDCF，该机制只有当竞争节点的数量超过8个的时候才会启用，然而该方案将每个组的竞争节点数量限制在2个，在节点数量较多情况下，该方案存在严重的局限性。

文中在文献K.-C.Ting等[5]提出的基于节点分组的MAC信道接入机制的基础上，对其分组机制进行了优化改进，通过对每一个组中的节点数量进行适量增加，并为每一个组指定一个主导节点，由主导节点来竞争信道，由此可有效地减小所有节点一起竞争信道时的冲突概率，提升系统吞吐量。文中所有仿真均以NS2网络仿真软件为实验平台。

1 802.11n DCF机制性能分析

经典802.11nDCF信道接入机制允许所有的节点一起竞争信道，Bianchi[1]给出了该机制下的冲突概率表达式为：

式中，τ为每个节点数据帧的发送概率，n为节点数量，Ptr为至少有一个节点发送数据帧的概率，Ps为有节点发送数据且不产生冲突的概率，且Ptr和Ps分别如下式所示：

由（1）式可知，当局域网中的节点数量越来越多时，冲突概率必然会随着节点数量的增加而上升，然而当冲突概率上升到一定程度时，接着伴随而来的后果就是节点间数据重传次数的急剧增加，给系统带来了更大的额外开销。下图表示的时DCF机制下的竞争节点数量与冲突概率之间的关系。从图中可以看出，当竞争节点数量为120时，冲突概率已经上升到了70%，对系统来说此时不能正常工作。

图1 DCF机制的冲突概率Fig.1 Collision probability of DCF

同时，Bianchi[1]在基于理想信道和饱和系统的假设下建立了一个二维马尔可夫模型对系统的性能进行了深入的分析，并最终给出了DCF机制的吞吐量表达式为：

式中，Tpayload为成功传输的有效载荷，σ为节点每个虚拟时隙的平均发送概率。我们知道802.11n标准为了提升系统的吞吐量，采用了A-MSDU和A-MPDU聚合机制，虽然这两种聚合机制在一定程度上能提升系统的吞吐量，但是在这两种机制下，每一个节点在传输数据前都需要先利用RTS/CTS机制获取信道的使用权，当节点数量较多时，这样做浪费了大量的信道传输时间。同理，当聚合帧的聚合个数较多时，数据帧中包含的一些附加开销（MAC帧头、物理帧头、竞争时间等）并不会减少，给系统吞吐量的提升带来了一定的限制，因此对DCF信道接入机制的改进势在必行。

2 基于主导节点竞争的信道接入机制

由K.-C.Ting等[5]提出的基于节点分组的MAC信道接入机制我们知道，首先AP（Access Point）根据接收到的各个节点的信号强度[7]去定位局域网中所有节点的地理位置并记录节点数量n，然后AP根据节点数量向网络中广播分组数N，然后AP根据节点的地理位置将相邻较近的节点分为一组，从而可以将节点分为N个组。同时，K.-C.Ting[5]在其文献中对每个组中的节点数量进行了限制，而为了适应大量节点同时接入局域网的情况，我们对每个组中的节点数量进行了适当的增加。在按照上述方法分组之后，如果让此时的节点传输数据，各个组中的节点也会因为相互竞争信道而产生冲突。为了避免这一情况的发生，文中所采取的措施就是为每一个组指定一个主导节点，分组模型如图1所示。AP根据每个组的情况，将地理位置靠近区域中心的节点设为主导节点，由主导节点负责组中所有节点的活动并与AP交互，与DCF机制的所有节点都必须与AP进行通信相比，这样能有效地减小多个成员节点的负担。

图2 分组模型Fig.2 Model of node grouping

为了保证当有新的节点加入网络中某个组时，各个组中不存在隐藏节点问题，可以采取如下措施加以避免：AP为每个组选定主导节点之后 ，主导节点就会开始广播轮询帧，新节点根据收到的轮询帧估算自身和在其侦测范围内的主导节点的距离，假如新节点和某个主导节点间的距离小于等于R/2，则该节点就会选择加入到该主导节点所在的组中，这里的R表示节点间最大有效通信距离。如果以新节点为中心半径为R/2的范围内存在多个主导节点的话，新节点就会根据估算距离[7]选择离它最近的组。然而实际操作中，距离估算总会存在一定的误差，上图1所示的分组模型就是在有误差的情况下得到的。假设最大估算误差为δ，则当新节点和某个主导节点之间的距离小于R/2-2δ并且组的容量未达到最大值时，该新节点就可以加入到该组中。虽然这很有可能将某些节点遗漏，比如上图中最下面的那个节点，但是避免了隐藏节点问题，也更符合实际应用要求。

3 基于主导节点竞争的性能分析

由上一小节我们知道，文中方法将局域网中的n个节点分为了N个组，每组都有一个主导节点，因此总共有N个主导节点。由于文中方法并不是所有节点一起竞争信道，而是只由主导节点竞争信道，因此（1）式所示的冲突概率的表达式并不适合文中的方法，因为此时竞争信道的节点数量已不再是n，而是N，而且一般情况下N都要远小于n，由此我们得到文中方法的冲突概率表达式为：

由上式的结构可以看出当N和n相等时，文中方法和802.11nDCF机制的冲突概率表达式是相同的。

DCF在RTS/CTS方式下的数据传输过程Bianchi在文中有较为详细的描述。而文中所述方法的信道接入过程与DCF的却不相同，文中方法只允许主导节点竞争信道，一道竞争到信道后，组中其他的成员节点就会根据主导节点所规定的顺序轮流发送数据，因此成员节点不需要再去竞争信道，这样就节省了大量的信道接入时间。通过对文中方法的具体信道接入过程的分析发现，文中方法的吞吐量表达式和上述DCF机制的形式基本一样，只是式中的数据成功传输所用时间TS和数据传输发生冲突所用时间TC与DCF机制的不同而已，因此，我们只需要求出该机制下的数据成功传输所用时间Tss和数据传输发生冲突所用时间Tcc，并将其带入（4）式即可得到文中方法的吞吐量表达式。

从前面的分析我们知道，假设局域网中有n个节点，则文中方法会将所有节点分为N个组，因而主导节点也只有N个，每一组有n/N个节点；任一节点得到信道后，就会传输一个包含b个数据帧的A-MSDU聚合帧，假设传输中没有错误发生，则一次成功的数据传输总共包含（n/N+1）个SIFS，因而我们有：

而Tcc和DCF机制的Tc一样，即：

（6）和（7）式中相关参数的含义如表一所示，TRTS、TCTS和TDATA（b）分别表示的是传输RTS、CTS和b个数据帧所用的时间，综合以上分析可知，我们只需将（6）和（7）式带入（4）式即可求得该机制的理论吞吐量表达式。

4 仿真结果与分析

本文以NS2网络仿真软件为实验平台，对所提出的基于竞争节点分组的MAC信道接入机制进行仿真。本文中所使用的仿真配置参数如下表一所示。仿真中我们设置仿真时间为1 200 s，帧长为1 000，仿真网络模型为带有无线接入点AP的基础设施网络。文中主要对DCF、TMAC和文中方法3种信道接入机制的性能进行仿真分析。

表1 系统仿真参数Tab.1 Simulation parameters of system

图3所示为DCF、TMAC和文中方法3种机制所产生的冲突概率的比较，从图中我们可以清楚的看到，当网络中节点数目达到120个的时候，DCF机制的冲突概率已经达到了44%，这主要是因为DCF机制只是通过帧聚合机制和减少协议开销来提高系统吞吐量的，并没有引入一种能减小冲突概率的机制；相比较而言，在节点数量相同的情况下，文中方法的冲突概率只有DCF机制的一半，这是因为该方法有效地限制了竞争信道的节点数量，因而其冲突概率很小；同样地相同情况下TMAC机制的冲突概率处于两者之间。

图4所示为DCF、TMAC和文中方法3种机制在节点数不同情况下吞吐量的比较，图中显示文中方法的最高，DCF次之，TMAC机制的最小。文中方法和DCF的吞吐量层次关系在前面已经讨论过了，也符合我们的预期，但是DCF为什么会比TMAC的高呢，这主要是因为TMAC机制中每个站点在传输数据时都要与AP交换RTS/CTS帧，而且这种交换也非常的频繁，尤其当节点已较高的速率传输数据时，RTS/CTS等额外开销占据了数据中相当大的一部分，似的有效负载变得较低，因而会产生这种现象。

图3 冲突概率Fig.3 Comparison of throughput

图4 吞吐量比较Fig.4 Comparison of throughput

5 结 论

文中提出了一种基于主导节点竞争的MAC信道接入机制。该方法根据节点的地理位置将所有节点分成若干个独立的区域组，每组设一个主导节点且由主导节点竞争信道，这样就有效地减小了由所有节点一起竞争信道而产生的碰撞概率，由于也限制了RTS/CTS等控制帧的使用，一定程度上也减小了协议头的开销。理论分析和仿真结果表明，该机制在数据传输速率很高或者是节点数量较多的情况下，能提高系统整体性能，初步解决了带宽受限和大量竞争节点同时接入信道之间的矛盾，因而一定程度上，其性能更优于传统的DCF信道接入机制，更符合实际的应用需求。

[1]Bianchi G.Performanceanalysisof the IEEE 802.11 distributed coordination function[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications （JSAC），2000，18（3）:535-547.

[2]IEEE Std 802.11n-2009，Part 11.Wireless LAN Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY）Specifications Amendment5: Enhancements for Higher Throughput[S].LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society， IEEE-SA Standards Board，2009.

[3]李贺武，吴建平，马辉，等.基于竞争终端个数区间的IEEE 802.11性能优化[J].软件学报，2004，15（12）:1850-1859.LIHe-wu，WUJian-ping，MAHui，etal.Performanceoptimization for IEEE 802.11 based on the range of contention xtation number[J].Journal of software，2004，15（12）:1850-1859.

[4]Yuan Y，Arbaugh W A，Lu S.Towards scalable MAC design for high-speed wireless LANs[J].Eurasip Journal on Wireless Communications and Networking， Hindawi Publishing Corporation，2007:1-15.

[5]Ting K-C，Lee H-H，Lai F.Design and analysis of enhanced grouping DCF scheme for the MAC layer enhancement of 802.11n with ultra-high data rate[C]//Proceedings of the 4th International Symposium on Wireless Communication Systems （ISWCS）.[s.n.]，2007:252-256.

[6]Kim S，Kim Y，Choi S，et al.A High-Throughput MAC strategy for next-generation WLANs[C]//Proceedings of the 6th International Symposium on a World of Wireless Mobile and Multimedia Networks （WoWMoM）:[s.n.]，2005:278-285.