报文聚合对802.11n性能的影响

     2009年802.11n协议正式标准化，再一次实现了物理速率的提升，最高物理速率可以达到了300Mbps。而且，802.11n的A-MPDU（报文聚合）功能充分提高空间媒介的信道利用率，同时带来了WLAN网络的信道承载性能的成倍提升。下面我们就将主要分析一下A-MPDU（报文聚合）功能对802.11n性能的影响。

802.11协议定义每发送一个报文都必然进行信道竞争，都需要根据模式添加物理层报文头，对于单播报文还需要等待物理层的ACK确认，等等这些和实际发送的报文一样都需要消耗信道资源。

下表中假设持续发送1538bytes大小的单播报文，在不考虑重传和错包情况下，对比54Mbps、130Mbps和300Mbps物理速率情况下的单信道理论性能：

物理发送速率（Mbps）

54

130

300

发送一个报文所消耗的时间（us）

217

136

88

发送一个报文所浪费的时间（us）

144

150

150

每秒发送的报文数量（pps）

2768

3497

4202

性能（Mbps）

32.5

40.0

48.1

通过表中的数据可以看出，从54Mbps到300Mbps，虽然物理速率实现近6倍的提升，但实际性能并没有同比上升。802.11n协议为了能够实现WLAN网络性能的同步提升，为WLAN网络应用提供足够的性能，便提出了报文聚合（A-MPDU）技术。

802.11的任何一个报文在物理发送时会被作为一个MDPU发送，每一次发送都必然需要信道竞争和避让，从而消耗信道资源。而报文聚合A-MPDU通过将多个MPDU聚合为一个物理层报文，只需要进行一次信道竞争或避让，就可完成N个MPDU的同时发送，从而减少了发送N-1个MPDU报文所带来的信道资源消耗。通过报文聚合特性，充分提高了信道资源的利用率，极大地实现了802.11网络性能的提升。

图1为A-MPDU的结构图，其中MPDU Delimiter是为了A-MPDU而专门定义。另外，A-MPDU技术只会聚合同一个客户端的MPDU：

图1 A-MPDU报文结构

A-MPDU报文聚合特性得到了Block ACK功能的强大支持。通常的802.11网络中，任何一个单播报文都需要得到目的设备的ACK确认，每一个ACK都是一个802.11报文，都需要消耗信道资源。而Block ACK可以配合A-MDPU特性，对于整个A-MDPU中所有的802.11报文只需要一个Block ACK报文，充分减少了信道资源的消耗。

下面分别在20MHz和40MHz信息情况下对802.11n性能进行理论分析。通过图2、图3、图4、图5可以看出802.11的A-MPDU报文聚合为WLAN网络带来了极大的性能提升（以下分析结果假设每一个802.11报文都为1534bytes）：

图2 20MHZ聚合报文数和性能关系

图3 20MHZ聚合报文数和信道利用率关系

图4 40MHZ聚合报文数和性能关系

图5 40MHZ聚合报文数和信道利用率关系

至此我们可以了解到，虽然802.11n的物理速率实现了接近6倍的提升，却没有为WLAN性能带来大的提升，但是却通过A-MPDU报文聚合将WLAN性能提升了6倍，最终实现了WLAN网络物理传输速率和性能的同步提升，将WLAN应用带到了一个高速接入的时代。