wlan信道利用效率分析

 

基于IEEE802.11g的WLAN具有速率高、覆盖范围较大、价格较低，设备的互用性好（WiFi联盟统一认证）且向后兼容IEEE802.11b等优点，已经成为当今WLAN的主流标准。IEEE802.11g的标称数据率最高可达54Mb/s。然而在实际使用中，发现基于IEEE802.11g的WLAN传输的净数据率远低于标称值。由此，对其MAC层信道利用效率进行分析，并将分析结果与实测结果进行了比较。

1 MAC层信道利用效率分析

因为本文着重分析MAC层信道利用效率，所以不考虑物理层传输错误，即假设物理层能保证无误传输。定义MAC层信道利用效率η：

式(1)中,“净数据率”指的是应用层用户数据的传输速率，而“标称数据率”为IEEE802.11g规范中标称的数据速率。当不考虑物理层传输的错误时，式(1)可以表示为：

η＝η₁·η₂·η₃　　　　　　（2）

其中，η1为成帧效率，其值等于一帧中用户数据的传输时间与一帧的传输时间之比；

N1=用户数据的传输时间/一帧的传输时间

η2为信道共享效率，即考虑到MAC层退避和应答过程后，每帧的传输时间与平均每帧占用信道的时间之比；

N2=每帧的传输时间/每帧占用信道的时间

η3为冲突避免效率，其值等于不发生冲突的时间与总传输时间之比。

N3=不发生冲突的时间/总传输时间

1.1 成帧效率

IEEE802.11g数据帧由前同步信号（Preamble）、信头（Header）和净荷（Payload）三部分组成。当前同步信号、信头及净荷都采用OFDM调制时称为OFDM/OFDM模式，即“纯802.11g模式”。纯802.11g模式下的数据帧结构如图1所示。

帧的开端是一个由10个短训练序列及2个长训练序列组成的前同步信号，持续时间为16μs；随之是1个持续时间为4μs的OFDM SIGNAL，二者组成20μs的前导开销。此外，将用户数据填充到帧中时，要引入头比特、尾比特、CRC以及填充位等。每帧传输的比特数N0为：

N₀＝[（N_D＋N_H＋N_T）/N_S]×N_S 　　　（3）

其中，[x]表示取≥x的最小整数；ND为每帧中用户数据比特数，最多2312×8b；NH为每帧中的头比特数与CRC校验比特之和，共计34×8b；NT为每帧中的尾比特和服务比特之和，共计22b；Ns为1个OFDM符号承载的比特数。通过上述分析可以得到每帧总的传输时间t_F为：

其中，R0为规范标称的数据速率，有6/9/12/18/24/36/48/54 Mb/s等；τ1为前同步信号持续时间，规定为16μs；τ2为OFDM SIGNAL持续时间，规定为4μs。那么容易得到成帧效率η₁：

由于其他参数都根据标准采用固定值，那么只能通过改变帧长对成帧效率进行优化。

例一：求每帧中用户数据比特数N_D＝2048×8b，标称速率R₀＝54Mb/s时的成帧效率。

当采用54Mb/s的传输速率时，使用48个OFDM子载波承载数据，子载波的调制方式为64QAM，信道编码效率为3/4，容易得到1个OFDM符号承载的MAC层比特数为48×6×3/4＝216。由式（3）可以得到每帧传送的比特数为：

N₀＝[（N_D＋N_H＋N_T）/N_S]×N_S

　＝[（2048×8＋34×8＋22）/216]×216 　　（6）

　＝16848

再由式（4）可以得到帧总的传输时间t_F：

最后由式（5）可以得出成帧效率η₁。

同理：

当每帧中用户数据比特率N_D＝1024×8b时，可以得到η1＝84.3％。

当每帧中用户数据比特率N_D＝256×8b时，可以得到η1＝59.3％。

可见，帧越长，成帧效率越高。

1.2 信道共享效率

在IEEE802.11 MAC规范中，各节点采用CSMA/CA机制竞争信道，默认工作模式分布式协调功能（Distributed Coordination Function，DCF）。在DCF模式下，每个节点检测到信道空闲后，需要等待DIFS（分布式帧间间隔）加上一个随机退避时间（退避次数×时隙长）后才能传输数据。在传统的802.11a/b/g中，各节点地位平等，具备相同的访问信道的机会，各节点从[0，CW）之间等效率随机选择某一整数作为退避次数，节点每隔一个时隙就检测一下信道，每次检测到信道空闲将退避次数减1；节点若检测到信道忙，则退避次数停止减少，直到信道在DIFS内部空闲才重新开始减少退避次数，当退避次数减到0时，节点开始发送数据。节点成功传输一帧后，在传输第二帧之前，仍然需要检测信道，如果信道忙，那么节点必须重新选择一个退避次数。当多个节点都在等待占用信道，哪个节点随机选择的退避次数越小，哪个节点就先发送数据。当2个以上节点选择的退避次数相同，同时发送数据时，将产生一次冲突。冲突器件同时发送的帧都被损坏，帧中的所有数据都将被丢失。如果产生冲突，接收节点肯定不会向发送节点返回应答帧（ACK），那么发送节点将重传该帧，并且按照二进制退避算法重新选择退避次数（即在[0，2CW]之前等概率随机选择某一整数作为退避次数），以减少冲击产生的概率。当连续多次发生冲突时，竞争窗口CW也不能无限增加下去，只会增加到一个最大值CWmax。节点成功传输一帧后，CW将减为最小值CWmin。与IEEE802.11a/b/g相关的参数值如表1所示。

冲突避免以及应答两个过程是影响MAC层信道共享效率的两个主要因素。此外，虽然使用RTS／CTS机制可以减少冲突，但是会引入较大的开销，因此本文不采用RTS／CTS机制。由表1可以看出，纯802.1lg模式具有最高的信道共享效率。影响IEEE802.11g MAC层信道共享效率的主要因素如下：

DIFS：分布式帧间间隔，规定为28μs。每个节点检测到信道空闲之后，需要等待28μs，才能开始退避计数；

平均退避时间：平均退避次数(7.5)×时隙长(9μs)=67.5μs；

应答时间：成功发送一帧后，都要等待接收方发来的应答ACK，持续时间为SIFS+ACK=10+24=34μs。

通过上述分析可以得出MAC层信道共享效率η₂为：

式(9)中，tF，tDIFS，tBO和tACK分别表示1帧的传输时间、分布式帧间间隔、平均退避时间和应答时间。

例二：当每帧中的数据比特数分别为2 048×8，1 024×8以及256×8时，IEEE802.11g的信道共享效率。

由规范知：

t_DIFS=28μs，t_BO=9×7.5=67.5μs，t_ACK=34μs。

当数据比特数为2 048×8时，1帧的传输时间为332μs，由式(9)可得信道共享效率：

同理，当数据比特数为1 024×8时，信道共享效率η2=56.3％；当数据比特数为256×8时，信道共享效率η2=23.31％。

显而易见，随着帧长的增加，MAC层信道共享效率逐渐增加。同时，通过减小退避过程的持续时间可以进一步提高信道共享效率，而减少退避时间的随机部分将增大发生冲突的概率。

1.3 冲突避免效率

如果IEEE802.11 WLAN工作在DCF模式下，那么冲突发生的概率随着活动节点数的增加而增加。表2给出了IEEE802.11g的实际传输的数据率随活动节点数变化的测量结果。这里假设只要信道空闲，每一节点都试图发送数据；各节点和AP之间没有任何阻挡，各节点位于以AP为中心，半径约2m的圆周上。

由表2可见，随着活动节点数的增多，网络实际传输的数据率逐渐降低。

2 结语

基于IEEE802.11g的WLAN由于工作在较低的2.4 GHz频段，且采用0FDM调制，使其具有较大的覆盖范围以及较高的传输速率。虽然在IEEE802.11g规范中，标称数据率最高达54 Mb／s，但是实际传输的数据率远远达不到标称值，原因如下：一是在IEEE802.1lg成帧过程中引入了较大的开销；二是基于CSMA／CA的MAC层，其退避过程时间较长，信道共享效率低；三是由于多个节点竞争信道引起冲突，导致帧的重传。

即便只有一个节点使用信道(不存在冲突，即冲突避免效率为1)，当每帧的数据比特数为2 048×8时，信道利`用效率η=η1×η2=O.914×O.719=65.7％；当每帧的数据比特数分别为1 024×8以及2 564×8时，信道利用效率分别只有47.5％和19.6％。

通过上述分析和计算，可见帧长越长，MAC层信道利用效率越高。然而，基于IEEE802.11g的WLAN只在MAC层进行检错而不纠错，一旦CRC校验发现错误，就会要求重传该帧。WLAN工作的无线传播环境比较恶劣，实际物理层传输误比特率的量级一般在10-5左右。显而易见，帧长越长，误帧率越高；例如，当帧长为20 000 b时，误帧率将达到10％以上。考虑到物理层传输误码之后，帧长不能过大，所以基于IEEE802.11g的WLAN的实际传输速率往往在24 Mb／s以下，实测结果也证实了分析结论的有效性。