無線局域網MAC層信道利用效率分析

基于ieee802.11g的wlan具有速率高、覆蓋范圍較大、價格較低，設備的互用性好（wifi聯盟統一認證）且向后兼容ieee802.11b等優點，已經成為當今wlan的主流標準。ieee802.11g的標稱數據率最高可達54mb/s。然而在實際使用中，發現基于ieee802.11g的wlan傳輸的凈數據率遠低于標稱值。由此，對其mac層信道利用效率進行分析，并將分析結果與實測結果進行了比較。

1 mac層信道利用效率分析

因為本文著重分析mac層信道利用效率，所以不考慮物理層傳輸錯誤，即假設物理層能保證無誤傳輸。定義mac層信道利用效率η：

式(1)中,“凈數據率”指的是應用層用戶數據的傳輸速率，而“標稱數據率”為ieee802.11g規范中標稱的數據速率。當不考慮物理層傳輸的錯誤時，式(1)可以表示為：

其中，η1為成幀效率，其值等于一幀中用戶數據的傳輸時間與一幀的傳輸時間之比；η2為信道共享效率，即考慮到mac層退避和應答過程后，每幀的傳輸時間與平均每幀占用信道的時間之比；η3為沖突避免效率，其值等于不發生沖突的時間與總傳輸時間之比。

1.1 成幀效率

ieee802.11g數據幀由前同步信號（preamble）、信頭（header）和凈荷（payload）三部分組成。當前同步信號、信頭及凈荷都采用ofdm調制時稱為ofdm/ofdm模式，即“純802.11g模式”。純802.11g模式下的數據幀結構如圖1所示。

幀的開端是一個由10個短訓練序列及2個長訓練序列組成的前同步信號，持續時間為16μs；隨之是1個持續時間為4μs的ofdm signal，二者組成20μs的前導開銷。此外，將用戶數據填充到幀中時，要引入頭比特、尾比特、crc以及填充位等。每幀傳輸的比特數n0為：

其中，[x]表示取≥x的最小整數；nd為每幀中用戶數據比特數，最多2312×8b；nh為每幀中的頭比特數與crc校驗比特之和，共計34×8b；nt為每幀中的尾比特和服務比特之和，共計22b；ns為1個ofdm符號承載的比特數。通過上述分析可以得到每幀總的傳輸時間tf為：

其中，r0為規范標稱的數據速率，有6/9/12/18/24/36/48/54 mb/s等；τ1為前同步信號持續時間，規定為16μs；τ2為ofdm signal持續時間，規定為4μs。那么容易得到成幀效率η1：

由于其他參數都根據標準采用固定值，那么只能通過改變幀長對成幀效率進行優化。

例一：求每幀中用戶數據比特數nd＝2048×8b，標稱速率r0＝54mb/s時的成幀效率。

當采用54mb/s的傳輸速率時，使用48個ofdm子載波承載數據，子載波的調制方式為64qam，信道編碼效率為3/4，容易得到1個ofdm符號承載的mac層比特數為48×6×3/4＝216。由式（3）可以得到每幀傳送的比特數為：

n0＝[（nd＋nh＋nt）/ns]×ns

　＝[（2048×8＋34×8＋22）/216]×216 　　（6）

　＝16848

再由式（4）可以得到幀總的傳輸時間tf：

最后由式（5）可以得出成幀效率η1。

同理：

當每幀中用戶數據比特率nd＝1024×8b時，可以得到η1＝84.3％。

當每幀中用戶數據比特率nd＝256×8b時，可以得到η1＝59.3％。

可見，幀越長，成幀效率越高。

1.2 信道共享效率

在ieee802.11 mac規范中，各節點采用csma/ca機制競爭信道，默認工作模式分布式協調功能（distributed coordination function，dcf）。在dcf模式下，每個節點檢測到信道空閑后，需要等待difs（分布式幀間間隔）加上一個隨機退避時間（退避次數×時隙長）后才能傳輸數據。在傳統的802.11a/b/g中，各節點地位平等，具備相同的訪問信道的機會，各節點從[0，cw）之間等效率隨機選擇某一整數作為退避次數，節點每隔一個時隙就檢測一下信道，每次檢測到信道空閑將退避次數減1；節點若檢測到信道忙，則退避次數停止減少，直到信道在difs內部空閑才重新開始減少退避次數，當退避次數減到0時，節點開始發送數據。節點成功傳輸一幀后，在傳輸第二幀之前，仍然需要檢測信道，如果信道忙，那么節點必須重新選擇一個退避次數。當多個節點都在等待占用信道，哪個節點隨機選擇的退避次數越小，哪個節點就先發送數據。當2個以上節點選擇的退避次數相同，同時發送數據時，將產生一次沖突。沖突器件同時發送的幀都被損壞，幀中的所有數據都將被丟失。如果產生沖突，接收節點肯定不會向發送節點返回應答幀（ack），那么發送節點將重傳該幀，并且按照二進制退避算法重新選擇退避次數（即在[0，2cw]之前等概率隨機選擇某一整數作為退避次數），以減少沖擊產生的概率。當連續多次發生沖突時，競爭窗口cw也不能無限增加下去，只會增加到一個最大值cwmax。節點成功傳輸一幀后，cw將減為最小值cwmin。與ieee802.11a/b/g相關的參數值如表1所示。

沖突避免以及應答兩個過程是影響mac層信道共享效率的兩個主要因素。此外，雖然使用rts／cts機制可以減少沖突，但是會引入較大的開銷，因此本文不采用rts／cts機制。由表1可以看出，純802.1lg模式具有最高的信道共享效率。影響ieee802.11g mac層信道共享效率的主要因素如下：

difs：分布式幀間間隔，規定為28μs。每個節點檢測到信道空閑之后，需要等待28μs，才能開始退避計數；

平均退避時間：平均退避次數(7.5)×時隙長(9μs)=67.5μs；

應答時間：成功發送一幀后，都要等待接收方發來的應答ack，持續時間為sifs+ack=10+24=34μs。

通過上述分析可以得出mac層信道共享效率η2為：

式(9)中，tf，tdifs，tbo和tack分別表示1幀的傳輸時間、分布式幀間間隔、平均退避時間和應答時間。

例二：當每幀中的數據比特數分別為2 048×8，1 024×8以及256×8時，ieee802.11g的信道共享效率。

由規范知：

tdifs=28μs，tbo=9×7.5=67.5μs，tack=34μs。

當數據比特數為2 048×8時，1幀的傳輸時間為332μs，由式(9)可得信道共享效率：

同理，當數據比特數為1 024×8時，信道共享效率η2=56.3％；當數據比特數為256×8時，信道共享效率η2=233.1％。

顯而易見，隨著幀長的增加，mac層信道共享效率逐漸增加。同時，通過減小退避過程的持續時間可以進一步提高信道共享效率，而減少退避時間的隨機部分將增大發生沖突的概率。

1.3 沖突避免效率

如果ieee802.11 wlan工作在dcf模式下，那么沖突發生的概率隨著活動節點數的增加而增加。表2給出了ieee802.11g的實際傳輸的數據率隨活動節點數變化的測量結果。這里假設只要信道空閑，每一節點都試圖發送數據；各節點和ap之間沒有任何阻擋，各節點位于以ap為中心，半徑約2m的圓周上。

由表2可見，隨著活動節點數的增多，網絡實際傳輸的數據率逐漸降低。

2 結語

基于ieee802.11g的wlan由于工作在較低的2.4 ghz頻段，且采用0fdm調制，使其具有較大的覆蓋范圍以及較高的傳輸速率。雖然在ieee802.11g規范中，標稱數據率最高達54 mb／s，但是實際傳輸的數據率遠遠達不到標稱值，原因如下：一是在ieee802.1lg成幀過程中引入了較大的開銷；二是基于csma／ca的mac層，其退避過程時間較長，信道共享效率低；三是由于多個節點競爭信道引起沖突，導致幀的重傳。

即便只有一個節點使用信道(不存在沖突，即沖突避免效率為1)，當每幀的數據比特數為2 048×8時，信道利`用效率η=η1×η2=o.914×o.719=65.7％；當每幀的數據比特數分別為1 024×8以及2 564×8時，信道利用效率分別只有47.5％和19.6％。

通過上述分析和計算，可見幀長越長，mac層信道利用效率越高。然而，基于ieee802.11g的wlan只在mac層進行檢錯而不糾錯，一旦crc校驗發現錯誤，就會要求重傳該幀。wlan工作的無線傳播環境比較惡劣，實際物理層傳輸誤比特率的量級一般在10-5左右。顯而易見，幀長越長，誤幀率越高；例如，當幀長為20 000 b時，誤幀率將達到10％以上。考慮到物理層傳輸誤碼之后，幀長不能過大，所以基于ieee802.11g的wlan的實際傳輸速率往往在24 mb／s以下，實測結果也證實了分析結論的有效性。