一种基于802.11n的帧长自适应二级帧聚合方法

齐培军，郭 睿

（西北工业大学 陕西 西安 710129）

一种基于802.11n的帧长自适应二级帧聚合方法

齐培军，郭 睿

（西北工业大学 陕西 西安 710129）

针对无线局域网中MAC层吞吐量受限的问题，分析了802.11n帧聚合机制和差错信道下采用DCF接入机制时系统饱和吞吐量，讨论了帧长度、误码率对系统吞吐量的影响。在此基础上，提出一种帧长自适应的二级帧聚合方法。该方法根据误码率的不同，自适应地调节第一级聚合数目，以使聚合长度在该误码率下达到最佳，从而使吞吐量达到最优。理论分析与仿真结果表明，在误码率多变的信道中，该方法与现有802.11n中的聚合方法相比，可以通过选择合适的帧聚合长度使吞吐量有较大提高。

802.11n；帧长度；自适应帧聚合；吞吐量

为了提高数据传输速率，满足用户对高速无线通信的需求，IEEE工作小组提出了802.11n标准。为了解决高速数据传输中由额外开销引起的吞吐量受限问题，802.11n协议工作组提出了A-MSDU （MAC服务数据单元聚合）、A-MPDU（MAC协议数据单元聚合）和两级聚合三种聚合方式。基于3种帧聚合方式，很多学者提出多种改进方案来进一步提高系统吞吐量。Kai-Ten Feng[1]等提出的FALA算法利用跨层思想，通过估计误码率以查表的方式查到相应的调制编码方式和聚合帧长度，选择合适帧长度进行聚合。沈丹萍[2]等将MAC层聚合和物理层聚合结合起来，提出一种物理层超帧技术，使吞吐量有了较大提高。T.Selvam[3]等提出一种选择聚合方式的调度器，该调度器根据聚合帧的长度决定本次数据包发送时选择A-MSDU还是A-MPDU，以充分利用这两种聚合方式的特性。

以上聚合方案均有效地提高了系统吞吐量，但以上方案只是对A-MSDU和A-MPDU进行了改进，对二级聚合很少提及。Dionysios[4]通过仿真证明，在这3种聚合方式中，二级聚合性能最佳。文中在二级聚合基础上提出一种自适应二级聚合方法，该方法在第一级聚合时通过对当前信道状况进行分析，根据误码率自适应地选择合适的长度进行聚合，再进行A-MPDU聚合。最后以NS2软件为实验平台对所提出的方法进行了仿真验证。

1 帧聚合方式

帧聚合是指通过简化数据帧结构，减少物理帧头、MAC帧头等额外开销，以此提高MAC层吞吐量。802.11n在MAC层提出三种帧聚合方式：A-MSDU、A-MPDU和二级聚合。

A-MSDU是将多个具有相同目的地址的MSDU封装为一个数据帧。若干个带有各自头部和填充字节的MSDU组成一个A-MSDU单元，再加上MAC头和FCS形成一个MPDU。聚合方式如图1所示。

图1 A-MSDU聚合帧结Fig.1 Frame aggregation structure of A-MSDU

A-MPDU聚合方式如图2所示，MPDU子帧包含3部分：分隔符、MPDU实体和填充字段。每个MPDU子帧都有单独的FCS校验，因此A-MPDU的传输可靠性较高。而每个子帧有单独MAC头部，并有分隔符作保护，这使A-MPDU增加的附加开销比A-MSDU多。

图2 A-MPDU聚合帧结构Fig.2 Frame aggregation structure of A-MPDU

二级聚合是结合A-MSDU和A-MPDU而实现的双层次聚合。在二级聚合中，A-MPDU的子帧是一个已聚合的MSDU，该子帧是从A-MSDU中去掉MAC头和FCS校验，然后封装为A-MPDU子帧，这样进一步省去了MAC头和FCS校验占用的负载。二级聚合在减少额外开销的同时，又增加了数据帧传输的可靠性。

2 系统吞吐量

对于DCF机制下的MAC层性能研究，Bianchi[5]提出一种经典模型，该模型用二维马尔可夫链分析系统的饱和吞吐量。本文在Bianchi模型的基础上进行了扩展，假定WLAN中有N个无线站点，每个站点在任意时刻都有数据帧要发送，即系统处于饱和状态。而后分析了采用RTS/CTS接入模式时3种帧聚合方式的性能，并推导出其吞吐量表达式。

系统的饱和吞吐量s定义为：

数据帧传送情况如图3所示，由此可看出时隙分以下4种情况：

1）信道处于空闲状态，设信道空闲的时间为Tidle，概率为Pidle，则：

τ为任一时隙中，每个站点发送数据帧的概率。进而得到：至少有一个站点发送数据帧的概率Ptr，站点发送数据且不产生冲突的概率为Ps：

2）有站点发送数据，但传送发生冲突。传送发生冲突的时间为 Tc，概率为 Pc，则：

3）有站点发送数据，但传送发生错误。传送发生错误的时间为 Te，概率为 Perr，则：

4）有站点发送数据，且传送成功。传送成功的时间为Tsucc，概率为 Psucc，则：

根据以上分析，得到一个时间刻度的平均长度Et为：

图3 RTS/CTS机制下数据的传送情况Fig.3 Transmission of the data frame in RTS/CTS mechanism

上式中信道空闲时间Tidle等价为系统的一个时隙σ，由图3得到传送产生冲突的时间、传输错误时间和传送成功时间依次为：

其中 RTS、CTS、DATA、Block Ack 分别是表示传送 RTS帧、CTS帧、数据帧和BlockAck帧的时间。Ep由定义得到：

采用A-MSDU时，当误码率为Pb，聚合长度为L时，传送发生错误概率Pe与Ep分别表示为：

综合式（8）、（14）得到差错信道下采用A-MSDU聚合方式时，系统饱和吞吐量为：

采用A-MPDU时，子帧的个数为i，A-MPDU子帧长度为Li，子帧中分界符、帧头及 FCS等字段的总长度为Lsubhdr，误码率为Pb，传送发生错误概率Pe与Ep分别表示为：

综合式（8）、（17）得到差错信道下采用A-MPDU聚合方式时，系统饱和吞吐量为：

在式（15）和（18）中无线站点个数N、控制帧长度均为固定值，在差错信道下影响系统吞吐量的主要参数为误码率和聚合帧长度。采用数值法求得τ，代入式（15），得到在不同的误码率下，A-MSDU饱和吞吐量和数据帧长度的变化关系如图4所示，A-MPDU吞吐量与帧长之间的关系和A-MSDU类似。由图4可知在差错信道中，聚合长度一定时，误码率越大，误帧率越高，系统吞吐量越低；而误码率一定时，误帧率随着聚合长度的增加而增加，在聚合长度超过某个值后，吞吐量反而会随着聚合长度的增加而减少。由此得出结论：在一定误码率下，存在一个最佳聚合长度可以使系统吞吐量达到最大。

图4 吞吐量和聚合帧帧长之间的关系Fig.4 Relationship between throughput and aggregation frame size

3 自适应二级帧聚合

二级聚合是对聚合了的MSDU进行再次聚合，其聚合过程如图5所示。二级聚合结合了A-MSDU和A-MPDU的特点，在存在大量超短帧和误码率较高的环境下，二级聚合表现出来良好的性能，而这也正符合实际信道的特点。

图5 二级帧聚合结构Fig.5 Structure of two-level frame aggregation

∑Li为第一级聚合的有效负载长度，相当于A-MPDU子帧。相比于式（18），由于传输数据的额外开销减少，其性能优于A-MPDU。

在802.11n提出的帧聚合方式中，聚合帧长与基站协商而定，帧长确定后在传输中不再改变。而实际信道环境是多变的，这就可能会出现以下问题：信道初始质量较好，与基站协商获得帧长较长，但一段时间后信道质量变差，误码率率增加，此时由于帧长较长，使误帧率急剧上升，重传次数增加，使得传输效率很低；或者协商时信道质量较差，获得的聚合帧长就较短，当信道质量提高时，其帧长相对较短，物理层高速率不能被充分利用，也使得传输效率较低。

针对以上问题，本文在二级聚合基础上提出了一种自适应二级聚合方法：根据在接收端所测得的信道误码率不同[6]，自适应调节第一级聚合个数，以使二级聚合整体长度达到该

综合公式（15）（18），得出二级聚合的吞吐量s为：误码率下的最佳长度，从而使吞吐量在该误码率下达到最大。由图5看到，二级聚合中每个子帧都有FCS，单个子帧传输错误不会致使整个聚合帧重发，本文自适应二级聚合方法结合FCS的检错重发功能，在聚合帧长度和误码率之间找到了一个平衡，使吞吐量在原来基础上有了很大提升。

4 仿真结果与分析

文中以开源软件NS2为仿真平台，在其802.11模块基础上修改MAC层模块使其实现聚合功能，对以上几种聚合方式进行了仿真比较。设置数据帧长度为 0.1 kB，仿真参数如表1所示[7]。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

图6 差错信道下系统吞吐量Fig.6 System throughput in the error channel

图6为在差错信道下采用聚合机制时误码率与吞吐量的变化关系。由仿真结果看到，当误码率较小时，误帧率较低，相比于A-MPDU和二级聚合，A-MSDU带来的额外开销最少，从而表现出较好的性能，由此得出：较小的误码率对吞吐量的影响不大。随着误码率的不断变大，误帧率也逐步增加，由于A-MSDU各个子帧没有冗余校验，整个数据帧重发概率增加，致使其吞吐量急剧下降。A-MPDU、二级聚合随着误码率的增加，其吞吐量也开始下降，但由于每个子帧有FCS，单个子帧传输错误不会导致整个数据帧重发，所以吞吐量下降速度较慢。而本文提出的自适应[8]二级聚合方法针对不同的误码率，选择该误码率下的最佳帧长进行聚合，其吞吐量整体呈现出一个相对较平缓的趋势。尤其是当误码率较高时，和原协议的聚合机制相比，更加体现了本文聚合方法在吞吐量方面的优越性。实际信道环境中误码率较高且多变，本文的聚合方法能更好地适应这种信道特性。

5 结 论

文中基于二维马尔科夫模型，推导出在差错信道下采用不同聚合机制时系统的饱和吞吐量，分析了影响系统吞吐量的主要因素。针对原协议中聚合方法的不足，本文提出了一种新的二级聚合方方法，该方法根据信道误码率的不同自适应调节第一级聚合长度，以使整个二级聚合长度在该误码率下达到最佳。理论分析和仿真结果表明，本文提出的聚合方法在误码率不稳定，且存在大量短帧时表现出较高的系统吞吐量，这也正是信道的实际情况。

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SHEN Dan-ping，SHEN Lian-feng，WU Ming，et al.Throughput analysis in wireless local area network based on adaptive frame aggregation[J].Journal of Southeast University：Natural Science Edition，2011，41（4）:1001－0505.

[3]Selvam T，Srikanth S.A frame aggregation scheduler for IEEE 802.11n[C]//Proceedings of Communications （NCC）.Chennai，2010:1-5.

[4]Dionysios，Skor doulis，Qiang Li.IEEE 802.11n MAC frame aggregation mechanisms for next-generation high-throughput WLANs[J].IEEE Wireless Communications，2008，15（1）:40-47.

[5]Bianchi G，Tinnirello L.Kalman filter estimation of the number of competing terminals in an IEEE802.11 network[C]//Proceedings of IEEE INFOCOM，San Francisco，2003:844-852.

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ZHAO Zhi-wei，CHEN Xue-you，PAN Qiong.Adaptive control of pss based on eigen value analysis and Prony analysis[J].Shaanxi Electric Power，2012（6）：49-52，62.

An adaptive frame length two-level frame aggregation method in 802.11n

QI Pei-jun，GUO Rui
（Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710129， China）

Focusing on the problem that the wireless MAC layer throughput is limited，the 802.11n frame aggregation mechanism and the saturation throughput using DCF access mechanism in the error channel are analyzed.Furthermore，the impact of frame length and BER on the throughput is discussed.Then a novel adaptive frame length two-level aggregation is proposed.According to the BER，the first level of aggregation numbers is adjusted adaptively，so that the aggregation length can achieve the best in the BER，moreover the throughput can reach maximum in the BER.Theoretical analysis and simulation results show that compared with the aggregation method in the original agreement，the proposed method has greatly improved the system throughput by selecting the appropriate frame aggregation length in the channel with changing BER.

802.11n；frame length；adaptive frame aggregation；throughput

TN929.5

A

1674－6236（2013）04-0057-04

2012-10-31稿件编号201210210

齐培军（1987—），男，河北邯郸人，硕士研究生。研究方向：无线通信，信号与信息处理。