无线局域网MAC层信道接入机制研究

唐山市第一中学 宋浩瑞

1.引言

1.1 背景

当今世界是智能信息和知识经济时代，在信息网络全球化的今天，蜂窝网络3G/4G业务迅速发展，给人们的生活方式带来了巨大的改变，目前全球多个国家已竞相展开第五代通信网络的研究工作。然而蜂窝网络却面临高额的资费问题以及严重的数据传输压力等巨大的挑战，随着无线局域网技术和标准的不断发展，无线局域网将作为固网和蜂窝网的重要补充和延伸，提供低资费、高速率的无线接入应用。无线局域网的覆盖范围以及大部分的移动数据业务量主要是在室内产生的，如机场，饭店，车站，咖啡厅，教室等，为人们提供了巨大的便利。

1.2 无线局域网的主要传输特点

传统的有线网络传输受线材的束缚，数据传输一般使用同轴电缆、双绞线或者光纤，而且有线网络中节点距离很短，只有几千米甚至几百米，且受地理环境因素的影响较大。而无线局域网则依靠电磁波来完成数据的传输，由于没有了复杂的线路束缚，使得无线局域网有着非常高的灵活性和移动性，扩大了传输范围，最远可传输几十千米，而且无线传输抗干扰性强，安全性高，组建较为容易，后续的维护与更新也更为简单方便，无线局域网的出现极大地改变了人们的生活方式。

1.3 无线局域网的未来发展方向

无线局域网技术将是新世纪无线通信领域最有发展前景的重大技术之一，已经成了各行各业不可或缺的部分，随着经济社会和科技水平的继续高速发展，无线局域网必将在与有线局域网的竞争中处于上风，进而在越来越多的领域中取代有线局域网占据主导地位。但在一些对信息数据要求极高的行业和机构，比如金融业和军事领域，无线局域网先天的缺陷安全性不强将显得十分致命，因此，在这些领域，无线局域网只能作为有线局域网的补充，而很难完全取代有线局域网，只有对无线局域网技术不断的创新和改革，才能保证其更多的服务于社会，提供更加安全可靠的传输环境。随着WLAN技术的逐渐成熟，无线局域网的传输速率会更高，性能更稳定，安全性更好，发展空间更广，前景不可估量。

2.MAC层接入机制

2.1 IEEE802.11系列MAC层协议概述

IEEE标准中重点对MAC进行了规范，其对无线局域网的性能有着重要影响。MAC层主要为用户接入介质进行控制，并对数据的传输提供保护，使用户数据有效可靠的传输。

在有线网络传输中，各用户需要传输数据时，通过向上层申请，可先分配一条专有线路，然后进行数据的传输过程。但是使用无线局域网后，传输介质变为无线的电磁波，用户间共享此部分信道，因此对于无线局域网而言，MAC层更像是系统传输的大脑，当多个用户想要传输数据而竞争信道时，MAC层应该对不同用户间进行信道分配，提供有效的服务准则和协调机制，从而减少甚至避免用户因竞争信道产生的碰撞，进一步提升系统传输效率。MAC层和物理层一样，也位于网络协议的底层部分，所以它的内部接入技术直接影响整个局域网的性能。近年来，为了得到高效可靠的用户网络接入服务，避免数据间的碰撞和重传，IEEE组织逐步提出了MAC层的改进机制，以提高信道的使用效率。但是MAC层中始终以载波监听多路访问机制为基础控制用户的无线接入。实现对系统的集中控制，使多用户信道下有序可靠地传输数据。

2.2 DCF接入机制

DCF机制的工作方式是无线局域网MAC层最基本接入机制，它的提出解决了多用户接入信道产生的冲突问题，使得多用户无线信息传输有效可靠地进行。由于无线网络传输相对于有线网络传输来说，各个站点共享一个信道，在同一时间，只能有一个站点对信道进行访问，当用户节点的数据包到达以后，要通过与其他用户数据包进行竞争而获得信道的使用权，才可以继续传输数据，所以如何控制多用户有序接入信道成为主要研究课题。DCF机制的提出正式解决了多个用户站点竞争共享信道的发送数据的过程。

CSMA/CA机制是DCF接入方式的基础。在无线网络传输中，当多个用户接入AP时，由于同一时间只能有一个站点通过信道传输给AP，如果多个一起传输，则会产生碰撞问题，所以需要采用一定的机制控制用户接入信道。

CSMA/CA机制主要有两个过程，监听和发送。在无线传输中，当用户有数据包到达，不能立刻传输，而是要先监听信道的状态，确定信道是否空闲，如果空闲则需要等待DIFS帧间间隔，然后再调用退避机制，退避过程结束则可以发送用户数据包；如果信道忙碌，则需要等待，直到信道空闲才可进行传输。这即为载波侦听多址接入部分(CSMA)。

基本的DCF接入模式，即当前站点的退避计数器减为0后，发送端立刻发送数据帧，无需事先发送其他控制帧。当发送站点较少，竞争较少以致碰撞较少时，基本的DCF接入模式可以节省RTS/CTS等控制帧所需占用的资源，从而提升系统吞吐。

2.3 RAW接入机制

RAW是IEEE 802.11ah独有的MAC场景。它是DCF和PCF传输模式的结合，同时又具备自己独有的特性。RAW以AP作为中央控制点，通过首先发送一个短信标（short beacon）帧广播确定哪些帧需要发送数据，哪些帧可以进入RAW范围。然后通过设定与RAW相关的帧结构，即RPS，用于后续的发射过程。接着要给每个要发送数据的STA分配RAW中的时隙（time slot），STA的所有发送过程与AP的交互过程，都必须在分配的时隙内完成（在不允许跨时隙边界的情况下），每个时隙中STA之间的竞争采用DCF方式.

（1）AP广播发short beacon帧给各个STA轮询，有STA有数据包到达要发送数据，则进入下一步分配RAW。

（2）设置RPS，包括RAW中slot的个数 ，每个slot的长度。

（3）给每个STA分配RAW中的slot。

（4）RAW中的slot接入过程。在STA被分配好slot后，STA向AP发送一个PS-Poll帧，表示本STA开始传输过程。AP收到此帧后，立刻给STA回复一个NDP-ACK帧。

（5）调用DCF过程。

3.MAC层仿真过程

3.1 系统仿真模型

本章主要通过选择参数对不同条件、不同场景下的无线局域网MAC层进行仿真，从而比较不同参数下的系统的性能。MAC协议在实用中是否可行需要对其性能做出定量的估计，衡量网络性能的一个重要参数即网络吞吐量，它是指系统在单位时间内成功传输的数据量，可以比特、字节、分组等为单位来进行测量。

吞吐量S的计算方法如下：

另一个衡量指标是丢包率，指在网络传输的过程中,所丢失的数据包数占总发送数据包数的比值。MAC层由于多个用户数据包产生碰撞而传输失败,在传输过程中,当数据包传输失败达到一定次数,则丢包。它是衡量网络性能的一个重要因素,丢包率越高,则说明系统性能越差。

本章主要对DCF和RAW两种MAC层场景进行系统仿真，比较吞吐量和丢包率随用户数的性能变化情况。

3.2 仿真结果

图1 不同用户数与不同接入模式下系统吞吐量

图1为不同接入模式下吞吐量随用户数的变化情况，其中，横坐标表示用户数，纵坐标表示吞吐量，单位为bit/s。如图所示，当用户数较少时，系统碰撞很少，此时两种模式下系统吞吐量均处于最高状态，且下降速度较缓慢，RAW模式由于帧间间隔小于DCF模式，因此用户数较少时，RAW模式下的系统吞吐最高；随着用户数增加，系统碰撞增多，两种接入方式下系统吞吐均逐步降低，但可以看到DCF模式下系统吞吐变化最快，而RAW模式通过AP发挥作用，将用户分配到不同的时隙中，用户间碰撞概率降低为原来的1 / Nslot，不仅使相同用户数下RAW模式的系统吞吐最大，同时也使其系统吞吐随用户数增多而减小的速率最小，因此可以看出RAW模式下的系统吞吐最高；当用户数大于80时，系统的碰撞过多，两种模式下的系统吞吐都极低，两条曲线趋于一致。

图2 不同用户数与不同接入模式下系统丢包率

图2为不同接入模式下丢包率随用户数的变化情况，其中，横坐标表示用户数，纵坐标表示丢包率。当用户数较少时，系统碰撞很少，此时两种模式下系统丢包率都接近为0；随着用户数增加，系统碰撞增多，两种接入方式下丢包率逐渐增加，由于RAW模式的分时隙传输机制，其性能优于DCF,所以丢包率上升较慢；当用户数大于80时，系统的碰撞过多，两种模式下的丢包率达到最高，接近为1。

4.结论

论文对IEEE802.11ah协议MAC层不同接入机制搭建了仿真平台并设置了对应的各项可变参数，比较了传统协议的DCF机制及无线局域网中最新提出的RAW模式下系统吞吐量和丢包率随用户数的变化情况。其中，RAW模式是IEEE 802标准组最新提出的DCF与PCF结合的模型，可见其性能优于DCF模式，系统仿真平台和仿真结果都具有一定的创新指导意义。

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