基于吞吐量比例公平的802.11MAC优化机制

巫　素，严　牧 ，冯　钢

(电子科技大学 通信与抗干扰国家重点实验室，四川 成都 610054)



基于吞吐量比例公平的802.11MAC优化机制

巫素，严牧 ，冯钢

(电子科技大学 通信与抗干扰国家重点实验室，四川 成都 610054)

摘要：802.11DCF MAC机制为单速率网络节点提供相同的信道接入机会，保证节点公平地使用信道。在多速率网络中依然沿用该接入机制，会导致低速率的节点长期占用信道，高速传输的优势得不到充分利用，使得多速率网络中所有节点的吞吐量都等于低速率节点的吞吐量，这就是著名的多速率网络“性能异常”问题。针对这一问题，通过分析建模，提出CCDaP(Change the CWmin according to Data rate and Packet-size )MAC优化机制以改善多速率网络中的节点的吞吐性能。仿真结果表明，该接入机制不仅可以保证节点公平性，还能提高网络整体吞吐量。特别地，在数据包长度不等的多速率WLAN中，该机制能够保证网络节点吞吐量的比例公平。

关键词：多速率WLAN； IEEE 802.11； MAC； 吞吐量

0引言

随着无线移动设备价格越来越低廉，在许多公共场合都部署了无线网络(WLAN)，WLAN网络成为现代生活中不可或缺的一部分。802.11n[1]标准采用了先进的物理层技术，例如多输入多输出的天线系统[2](MIMO)、正交频分复用(OFDM)、信道编码等，可使传输速率达到600 Mbps。链路自适应技术允许节点根据信道环境调整传输速率，多种传输速率并存的WLAN网络随处可见。目前，多速率网络依然使用802.11 DCF(Distributed Coordination Function)机制作为基本接入机制，为每个节点提供相同的接入机会[3]。因此，在通信过程中低速率节点会长时间占用信道，导致多速率网络中所有节点的吞吐量都等于低速率节点的吞吐量，这就是著名的多速率网络“性能异常”问题[4]，该问题已成为能否高效利用链路自适应传输技术的一个关键问题[5]。

网络中节点的吞吐量与节点传输速率直接相关。在多速率WLAN网络中，维持节点吞吐量比例公平是保证多速率网络中节点公平性的关键[6-8]。吞吐量比例公平是指网络中各节点的吞吐量之比等于其传输速率之比。Aad 和Castelluccia在文献[9-10]中提出通过调整最小退避窗口CWmin的值来调节接入节点的吞吐量。文献[11]根据节点的传输速率调整退避窗口CW的值，来控制节点吞吐量。当网络中数据包的长度相等时，这种方法可以保证节点吞吐量之比等于其传输速率之比。但在现实的网络中，节点数据包并非固定长度，这种方法不再适用。于是，很多学者考虑通过调整数据包长度控制节点占用信道时间，包括帧聚合的方式[12]以及数据包的爆发式[13]传输。帧聚合的方式是指高速率节点根据传输速率将多个数据帧聚合到一个聚合帧中，当节点获得信道接入机会后发送该聚合帧；数据帧爆发式传输是指高速率的节点获得信道接入机会后，可以连续发送多个数据帧。但是这2种方式都不能严格依据节点传输速率控制节点占用信道的时间，无法保证节点吞吐量比例公平。因此，需要同时考虑节点传输速率及数据包长度对节点吞吐量的影响。虽然有一些研究者同时考虑了这两个因素的影响，但他们提出的解决办法都还存在一定的问题。文献[14]中根据节点传输速率调整DCF机制下CWmin的值，同时采用帧聚合的方式使各个节点发送相同长度的数据包，控制节点占用信道的时间。但是，随着数据包的长度增加，误包率也随之增加；如果聚合数据包的长度变小，有效信道占用时间也随之降低，因此不能很好地解决多速率网络问题。文献[15-16]使用通过控制CW以及TXOP调整节点接入信道的概率，这种方法不能严格控制节点占用信道的时间，不能保障节点公平性。

针对以上问题，本文深入研究多速率WLAN，同时考虑多速率传输和数据包长度对节点吞吐量的影响，以节点吞吐量比例公平为目标，建立网络优化的理论分析模型。

1系统模型

1.1　网络模型

本文中，考虑由一个AP和N个节点组成的WLAN网络，这N个节点关联在该AP之下，并且随机分布在AP的通信范围之内，网络中节点的数目N较多，并且每个节点处于饱和状态，即节点始终有数据存在缓存中等待发送，网络结构如图1所示。

图1　网络拓扑结构

1.2　MAC接入机制

图2　数据包传输模型图

2最优退避窗口

分别用L(i)、T(i)表示第i(di∈φ)类节点发送的数据包长度及成功传输所需的时间，因此，网络中第i(di∈φ)类节点与第j(dj∈φ)类节点吞吐量之比Rij可以表示为：

(1)

式中，Θ(l)为第l节点的吞吐量，由附录1的推导过程可得到：

(2)

将式(2)代入式(1)可以得到：

(3)

吞吐量比例公平要求节点吞吐量之比等于传输速率之比，于是有Rij=i/j，将其代入式(3)可以得到：

(4)

(5)

(6)

(7)

由此，求解出了最佳退避窗口的值，利用该最佳退避窗口可以保证多速率网络中吞吐量公平。

3算法设计

上一节通过理论分析，计算出了多速率网络中最佳退避窗口，本节将利用理论分析的结果设计相应的优化退避机制，称其为CCDaP机制。

图3　CCDaP优化机制流程图

4仿真结果及分析

在本节中，将在基于NS-2的网络仿真平台上验证CCDaP机制的性能。仿真中设置了两个仿真场景：仿真场景1中主要对比DCF、CCD以及CCDaP三种接入机制在多速率网络中的吞吐量变化，该三种接入机制所处的网络环境都是一样的；仿真场景2中反映多速率网络中数据包变化对网络中节点吞吐性能的影响。

仿真场景1：在一个独立的WLAN网络中，一个AP关联了4个节点，这4个节点的传输速率分别为1 Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps和11 Mbps。这4个节点不断向AP发送UDP数据包，数据包是网络常用大小的UDP数据包，其大小可变，仿真参数如表1所示，仿真结果如图4、图5所示。

表1　仿真参数

图4中给出的是网络中数据长度固定时，3种不同接入机制下，网络中不同速率节点的吞吐性能。可以看出DCF机制下各节点的吞吐量几乎相等。在CCD中机制之下，n1、n2、n3、n4节点吞吐量(Mbps)分别为：0.15、0.29、0.81、1.67；对应的比例接近1∶2∶5.5∶11。同样在CCaP机制之下，n1、n2、n3、n4节点吞吐量(Mbps)分别为：0.15、0.29、0.81、1.68；相应的比例关系也为1∶2∶5.5∶11，可以看出在数据包长度相等时，CCD机制如CCDaP机制取得的性能几乎相同，整体网络整体吞吐量都高于DCF机制。

图4　相同数据包长度不同接入机制下节点吞吐量

图5　不同数据包长度不同接入机制吞吐量关系图

图5中描述多速率节点发送的不同长度的数据包时，3种不同的接入机制下不同速率节点的吞吐量变化。其中n1、n2、n3、n4节点的传输数据包长度(bytes)分别为：200、400、600、800。可以看出：当数据包长度不相等时，DCF机制下节点的吞吐量不再相等。在CCD机制下，n1、n2、n3、n4节点吞吐量(Mbps)分别为0.05、0.19、0.80、2.18，节点的吞吐量之比不再是1∶2∶5.5∶11，并且出现高速率的节点长时间占用信道，低速率的节却不能正常通信的情况。主要因为在CCD机制下高速率节点最小退避窗口的值比较小，发送的数据包长度相对较长，因此长时间占用信道。对于低速的节点而言，本身最小退避窗口的值比较大，加之所传送的数据包的长度较短，占用信道的时间比较短，网络性能不断恶化，直到不能正常通信。参看CCDaP曲线，可以发现n1、n2、n3、n4节点吞吐量(Mbps)分别为：0.13、0.26、0.72、0.15，对应的比例接近1∶2∶5.5∶11，节点吞吐量的比例关系没有因为数据包长度的变化受到影响，保证了各个节点接入信道的公平性，另外对比DCF机制，CCDaP机制下网络整体吞吐量有较大的提高。

仿真场景2：在一个简单的网络中，一个AP之下关联了2个节点node_1、node_2，其中node_1的传输速率为1 Mbps，node_2的传输速率为11 Mbps，固定node_2 的传输速率，不断改变node_1中数据包的长度，仿真中统计网络中内节点吞吐量随数据包的变化情况。

首先，固定高速率的节点数据包长度为200 bytes，不断变化低速率节点所发的数据包的长度(bytes)分别为200、400、600、800、1 000，得到图6和图7。在这种情况之下，低速率节点数据包的长度大于或等于高速率节点的数据包长度，在CCD机制之下，随着低速率节点数据包长度的增加，低速率节点占用信道资源的时间不断增加，抢占了高速率节点的信道资源，导致高速节点的吞吐量会不断下降。

图6中验证了这一推论：随着低速率节点数据包长度的增加，CCD机制以及DCF机制高速率节点吞吐量都有所下降，但是在CCDaP机制下，低速率节点吞吐量的几乎没有变化，适中维持在1.3 Mbps左右。

图6　高速率节点吞吐量变化图

图7中反映的是低速率节点的吞吐量随着数据包长度变化的曲线图，从图中可以看出在DCF及CCD机制之下，随着数据包长度的增加，低速率节点愈发贪婪的占用信道。对比图6明显看出这是在牺牲高速率节点公平性的前提下实现的，此时吞吐量的比例不再是1∶11。由图6、图7中CCDaP曲线可以看出：在CCDaP机制下，节点吞吐量不会随着数据包长度的变化而变化，节点实际吞吐比例接近目标吞吐比例。

图7　低速率节点吞吐量变化图

图8和图9反映固定高速率的节点数据包长度为1 000 Bytes的曲线图，仿真中不断改变低速率节点数据包长度(Bytes)，分别设置为200、400、600、800和1 000；可以看出低速率节点数据包的长度小于或等于高速率节点数据包的长度，在前面的分析中可以看出DCF机制及CCD机制，没有根据此情况调整节点信道接入机会，图8、图9中可以明显看到这一弊端。

图8　高速率节点吞吐量变化图

图9　低速率节点吞吐量变化图

图8、图9中，当低速率节点数据包长度为1 000 Bytes时，即网络中数据包长度相等时，CCD机制及CCDaP机制下高(低)速率节点吞吐量几乎相等，该吞吐量可以作为数据包长度变化时，高(低)速率节点吞吐量的参考值，即当网络中数据长度变化时，只要高、低速率节点吞吐量比例维持在1∶11，就足以保证节点的吞吐比例公平性，参看CCDaP曲线可以看出在CCDaP的机制下节点的吞吐量不随数据包长度变化而变化，保证了节点的公平性。参看CDD曲线发现，当数据包长度较短时，高速率节点长期占用信道，吞吐量有所提高，低速率节点的吞吐量却急剧下降，节点吞吐量比例不再是1∶11，低速率节点的公平性得不到保证。

通过以上结果发现CCDaP机制能够很好地解决多速率网络中吞吐异常的问题，在提高网络整体吞吐量的同时保证节点吞吐量比例公平。特别是网络中数据包长度不相等时，CCDaP能够维持网络节点吞吐量比例接近目标吞吐比例，保证节点的公平性。

5结束语

通过建立网络分析模型求解出多速率网络中最优退避窗口值，提出了CCDaP MAC优化机制，最后通过仿真验证该机制不仅能够提高多速率网络的整体吞吐量，还能保证网络中节点吞吐量比例公平，从而很好地解决了多速率WLAN网络中吞吐量异常的问题。

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802.11 MAC Optimization Mechanism Based on Throughput Proportional Fairness

WU Su,YAN Mu,FENG Gang

(National Key Laboratory of Communications,University of Electronic Science and Technology of China,ChengduSichuan 611731,China)

Abstract：The 802.11DCF MAC mechanism is initially designed for single rate networks.This mechanism provides every node with same channel access opportunities and ensures that every node fairly occupies channel.Currently the multi-rate networks still uses 802.11DCF as the basic access mechanism,resulting in that low rate node persistently occupies channel,and thus cannot fully take advantages of high-speed transmission.The throughput of all the nodes in the network are driven down to the throughput of the low rate node,which is the widely known as “performance anomaly problem in multi-rate network”.In view of this problem,this paper proposes a MAC optimization mechanism called CCDaP (Change the CWmin according to Data rate and Packet-size) to ensure the node’s throughput proportional fairness in multi-rate network based on analysis and modeling.The simulation results show that the proposed access mechanism can ensures all nodes throughput proportional fairness and improves the overall network throughput,particularly can ensure node’s fairness in the multi-rate WLAN with unequal length of packet.

Key words：multi-rate WLAN;IEEE802.11;MAC;throughput

作者简介：巫素(1988—)，女，硕士研究生，主要研究方向：无线通信与网络技术。冯钢(1964—)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：无线通信与网络技术。

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2014AA01A703)

收稿日期：2015-09-16

中图分类号：TN915

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)01-12-5

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.01.03

引用格式：巫素，严牧 ，冯钢.基于吞吐量比例公平的802.11MAC优化机制[J].无线电通信技术,2016,42(1):12-17.