基于IEEE802.11的無線組播網(wǎng)絡(luò)性能研究與驗(yàn)證

王金濤 李明齊 蔡青春

摘 要： 現(xiàn)有的關(guān)于IEEE 802.11無線傳輸協(xié)議性能的研究集中于基于IEEE 802.11協(xié)議的單播傳輸，鮮有對(duì)于基于IEEE 802.11協(xié)議的組播傳輸性能理論研究?；诖?，采用理論分析建模與仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，建立組播分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）模型，并結(jié)合物理層調(diào)制及信道模型，研究網(wǎng)絡(luò)吞吐量、傳輸距離等IEEE 802.11無線組播傳輸?shù)男阅?，并?jì)算無線組播的吞吐量門限。NS?3仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此模型能夠較為準(zhǔn)確地描述基于IEEE 802.11協(xié)議無線組播的數(shù)據(jù)傳輸特性，提高建立模型研究基于IEEE 802.11無線組播的準(zhǔn)確性；同時(shí)給出的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸門限能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞： IEEE 802.11； 無線局域網(wǎng)； 組播； 吞吐量； 信噪比； NS?3

中圖分類號(hào)： TN919.72?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）17?0020?05

Abstract： The research on the performance of available IEEE 802.11 wireless transmission protocol mostly focuses on the unicast transmission based on IEEE 802.11 protocol， but it is rare to perform the theoretical research on performance of the multicast transmission based on IEEE 802.11 protocol. Therefore， a multicast distributed coordination function （DCF） model is established by means of the method combining theoretical analysis modeling and simulation experiment verification. The physical layer modulation and channel model are combined to study the network throughput， transmission distance， and performance of wireless multicast transmission based on IEEE 802.11 protocol， and then the throughput threshold of the wireless multicast is calculated. The results of the NS?3 simulation experiment prove that the model can accurately describe the data transmission characteristics of wireless multicast based on IEEE 802.11 protocol， improve the accuracy of establishing the model to research the wireless multicast based on IEEE 802.11 protocol. The threshold of wireless network transmission is given， which can provide a reference for the network design and network optimization.

Keywords： IEEE 802.11； wireless LAN； multicast； throughput； signal?to?noise ratio； NS?3

0 引 言

隨著智能手機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和人們生活方式的改變，公眾對(duì)廣播電視的接入體驗(yàn)要求越來越高，人們都希望能夠?qū)崟r(shí)接入廣播電視網(wǎng)，以便能夠及時(shí)收聽或者收看廣播節(jié)目來得到需要的信息。得益于IEEE 802.11無線傳輸技術(shù)[1]的迅速發(fā)展和智能手機(jī)的大量普及，基于IEEE 802.11協(xié)議的寬帶無線接入技術(shù)成為了下一代無線廣播電視網(wǎng)（NGB?W）面向智能終端主要的接入手段。智能終端的用戶可以通過終端設(shè)備普遍擁有的WiFi功能接入無線廣播電視網(wǎng)，接收由廣播電視數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的IP數(shù)據(jù)進(jìn)行播放收聽或觀看。因此，將無線廣播信號(hào)通過基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線寬帶接入技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，是解決熱點(diǎn)地區(qū)廣播覆蓋的有效方法，大大提高了廣播信號(hào)的覆蓋范圍。但現(xiàn)在使用的WiFi傳輸形式多為單播。依照IEEE 802.11協(xié)議接入方式為時(shí)分形式，采用包含沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA/CA）技術(shù)來控制終端設(shè)備（STA）對(duì)無線路由器（AP）的接入。在單播的傳輸模式下，如果有多個(gè)終端同時(shí)需要和無線路由器通信，則需爭(zhēng)用信道，成功爭(zhēng)用信道的終端先與無線路由器進(jìn)行通信，其他終端則等待上個(gè)終端通信完畢后通過再次爭(zhēng)用信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果將IEEE 802.11單播傳輸技術(shù)與廣播電視傳輸技術(shù)相結(jié)合，由于廣播電視需要將直播信號(hào)同時(shí)向大量用戶發(fā)送，同時(shí)如果在廣場(chǎng)、火車站等人流密集的地方IEEE 802.11設(shè)備接入用戶量過大，單播技術(shù)因接入方式和傳輸時(shí)延的原因必然無法滿足廣播信號(hào)的傳輸需求，極大地影響用戶的觀看體驗(yàn)。

基于IEEE 802.11協(xié)議的無線組播利用無線信號(hào)傳輸具有的天然的廣播特性，具有一次傳輸，組播組中的所有接收者都能接收的特點(diǎn)，大大提高了無線接入的用戶數(shù)量，同時(shí)降低了時(shí)延，也提升了無線頻譜利用效率。但是現(xiàn)有的關(guān)于IEEE 802.11無線傳輸協(xié)議性能的研究如文獻(xiàn)[3?6]，均集中于對(duì)基于IEEE 802.11協(xié)議的單播MAC層傳輸性能的建模及模型的改進(jìn)，沒有涉及對(duì)于基于IEEE 802.11協(xié)議的組播傳輸性能研究。文獻(xiàn)[7]對(duì)于基于IEEE 802.11無線組播的研究只涉及物理層調(diào)制編碼方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響，并未考慮IEEE 802.11 MAC層及其他因素影響?；诖?，本文采用理論分析建模與仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，建立基于IEEE 802.11無線組播系統(tǒng)模型，結(jié)合分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）模型、物理層調(diào)制解調(diào)、信道模型及無線信號(hào)衰落模型，研究IEEE 802.11無線組播傳輸?shù)男阅?。以便提升研究基于IEEE 802.11協(xié)議組播系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，并給出無線組播系統(tǒng)吞吐量的門限，為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供參考。

1 IEEE 802.11無線組播機(jī)制分析

在IEEE 802.11協(xié)議媒體接入控制（MAC）層中，組播的接入機(jī)制為不使用二進(jìn)制指數(shù)退避算法的CSMA/CA機(jī)制，如圖1所示。如果一個(gè)組播幀需要被發(fā)送，此時(shí)檢測(cè)到信道處于空閑狀態(tài)，在等待DIFS時(shí)間之后，如果信道仍然處于空閑，那么設(shè)備會(huì)選擇一個(gè)數(shù)值，成為退避計(jì)時(shí)器初始值，它服從從1到爭(zhēng)用窗口（Contention Window，CW）大小之間的均勻分布。爭(zhēng)用窗口會(huì)被均分為CW個(gè)時(shí)槽，設(shè)備之前選擇的數(shù)值代表時(shí)槽的先后序號(hào)，當(dāng)經(jīng)過DIFS時(shí)間后信道再次空閑，則此序號(hào)減1。若某次信道空閑，并且序號(hào)倒數(shù)之后為0，則此組播幀通過WiFi傳輸。爭(zhēng)用信道結(jié)束后，組播數(shù)據(jù)幀進(jìn)入物理層，加上物理層頭部后進(jìn)行發(fā)送。其中物理層頭部分為Preamble和PLCP header兩部分。Preamble部分用來做幀同步和標(biāo)明幀起始位置；PLCP header部分進(jìn)行傳輸參數(shù)設(shè)置。IEEE 802.11協(xié)議規(guī)定，無線組播的速率采用基礎(chǔ)服務(wù)集（BSS）內(nèi)所有站點(diǎn)支持的最低速率，以使得信道狀況最差的站點(diǎn)也能接收到無線組播信號(hào)。由于大多數(shù)IEEE 802.11設(shè)備都支持或向下兼容IEEE 802.11b協(xié)議，因此實(shí)際IEEE 802.11無線組播速率多為IEEE 802.11b協(xié)議支持的最低速率，為1 Mb/s。在對(duì)于IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)性能的分析過程中，將以上數(shù)據(jù)凈荷以外需要傳輸?shù)腗AC頭、物理頭等數(shù)據(jù)稱為開銷（overhead）。當(dāng)開銷越少，并且網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃圆皇苡绊?，則網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能越好，本文主要以網(wǎng)絡(luò)實(shí)際吞吐量來衡量。

近年來關(guān)于IEEE 802.11 MAC層單播傳輸過程的建模分析有許多種方法[3?4]，但鮮有關(guān)于IEEE 802.11 MAC層組播傳輸過程及傳輸性能的分析研究，通過與物理層調(diào)制編碼方式、信道模型及空間衰落模型結(jié)合建立綜合性無線組播傳輸模型來研究無線組播性能也無具體研究涉及。

2 IEEE 802.11無線組播傳輸模型

依照上文中關(guān)于IEEE 802.11無線組播的理論分析，建立對(duì)應(yīng)各網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)學(xué)模型來表征其特點(diǎn)。

2.1 MAC層模型

在組播傳輸過程中，如果沒有碰撞發(fā)生，沒有信道錯(cuò)誤，組播幀會(huì)被組播組中的成員成功接收。定義組播網(wǎng)絡(luò)的吞吐量為[Sm]，組播組中成員數(shù)目為[N]，每個(gè)接收者的吞吐量[Si]表示系統(tǒng)成功傳輸靜載荷的大小與系統(tǒng)傳輸時(shí)間的比值，可表示為：

首先分析系統(tǒng)在一個(gè)時(shí)隙中可能發(fā)生的事件。在IEEE 802.11純組播系統(tǒng)中，一個(gè)時(shí)隙內(nèi)可能發(fā)生以下三種情形：

1） 時(shí)隙為空閑，不發(fā)送幀；

2） 時(shí)隙內(nèi)發(fā)送組播幀，并且無碰撞發(fā)生；

3） 時(shí)隙中發(fā)送組播幀，但發(fā)生了碰撞。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)NS?3搭建基于IEEE 802.11協(xié)議的仿真系統(tǒng)，對(duì)無線組播傳輸性能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，獲取仿真結(jié)果并與理論計(jì)算值進(jìn)行比較分析[10]。仿真實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照上文模型設(shè)置仿真場(chǎng)景及相關(guān)信道與參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)采用IEEE 802.11作為無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，若干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在以AP為圓心的圓內(nèi)，接收來自AP的組播數(shù)據(jù)，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

為了進(jìn)一步研究組播門限對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠绊懀疚膶?duì)不同輸入速率下的實(shí)際無線組播情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。仿真結(jié)果表明，當(dāng)輸入速率低于組播速率門限值時(shí)，輸入速率等于無線組播吞吐量；當(dāng)輸入速率大于無線組播速率門限，如在1 500 B包長(zhǎng)度時(shí)，在仿真時(shí)間內(nèi)無線組播可傳輸包總量門限為836個(gè)，則多余的包會(huì)被丟棄。這樣因?yàn)槌^組播網(wǎng)絡(luò)吞吐量門限而造成的丟包導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的惡化。

4 結(jié) 語

由以上仿真結(jié)果可知，本文建立的基于IEEE 802.11無線組播的MAC層、物理層及信號(hào)衰減綜合模型能夠較準(zhǔn)確地描述基于IEEE 802.11無線組播系統(tǒng)的特性。此模型具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，可方便地變換研究各網(wǎng)絡(luò)層模型結(jié)合IEEE 802.11協(xié)議下的組播，適用于不同的信號(hào)損耗場(chǎng)景，對(duì)進(jìn)一步研究IEEE 802.11協(xié)議下的無線組播具有重要的參考意義。同時(shí)，依照此模型得出的無線系統(tǒng)的吞吐量門限可以為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供參考。

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