摘 要： 在探討IEEE802.11g保護機制工作模式的基礎上，構建OPNET仿真網絡以測試保護機制對WLAN網絡性能的影響。實驗結果表明，保護機制的引入可顯著地降低WLAN網絡吞吐率。純802.11g模式下，網絡平均吞吐率最大可達23.95 Mb/s；啟用CTS-to-self保護機制的802.11b/g混合模式下，網絡平均吞吐率僅為11.45 Mb/s，約為前者的50%；啟用RTS/CTS保護機制時，網絡平均吞吐率只有7 Mb/s，減少到前者的30%，且此時單個802.11g站點僅獲得約7.5 Mb/s的TCP傳輸速率。為更好地規劃和部署802.11無線網絡提供了較準確的數據分析依據。
關鍵詞： 802.11無線網絡；保護機制；OPNET；網絡吞吐率
相比較早的無線局域網標準IEEE 802.11a/b，IEEE 802.11g具有兩個最主要的特征：高速率和兼容IEEE 802.11b。它采用IEEE 802.11a使用的OFDM調制技術，可以獲得高達54 Mb/s的數據通信帶寬。同時保留了IEEE 802.11b采用的CCK調制技術，使用“保護機制”可與IEEE 802.11b產品保持兼容。保護機制提供了一種允許802.11g設備根據具體的工作環境選擇OFDM調制技術或CCK調制技術的功能。在實際應用中，保護機制有CTS-to-self和RTS/CTS兩種實現方式。啟用了保護機制的802.11g站點每發送一個數據幀都必須先發送一個CTS短幀或做一次RTS/CTS交換，這將為一次數據傳輸帶來一定的時間開銷；當無線局域網的站點數目很大時，大量的CTS或RTS/CTS短幀將消耗可觀的無線帶寬并產生較大的傳輸延時。這些都將導致無線局域網的吞吐量下降、性能降低，工程經驗顯示在一定條件下這種下降十分顯著。因此，定量地準確分析和測試保護機制對無線網絡性能產生的影響，以及基于此探討性能優化措施對于更好地規劃和部署無線網絡具有重要意義。
1 802.11g保護機制
在802.11b/g混合模式中，當802.11g站點使用ERP-OFDM調制技術向信道發送OFDM信號時，802.11b站點監聽到信道有信號，但因其無法識別出是802.11g站點發送的信號正在使用信道，于是將OFDM信號當做信道噪聲，認為信道空閑，繼而也向信道發送數據，從而引起沖突。為了避免上述沖突發生，使802.11b/g設備能夠相容工作，IEEE提出在802.11g MAC層中使用保護機制。
1.1 CTS-to-self模式
在CTS-to-self模式中，當一個802.11g站點準備使用信道時，它首先要更新其他站點的網絡分配矢量NAV(Network Allocation Vector)值。NAV用來宣告預計要使用通信信道的持續時間，這個時間包括了完成一次數據傳送用到的所有幀的傳輸時間。如圖1（a）所示[1]，此處NAV時間由1個清除發送短幀CTS、2個短幀間間隔SIFS、1個OFDM數據幀和1個應答幀ACK組成。802.11g站點發送一個CTS幀，將接收地址置為自己的MAC地址。CTS幀的Duration字段說明了信道將被占用的時間，其他偵聽到該CTS幀的站點以此更新自己的NAV值。僅當信道空閑和NAV值為0時，站點才準備發送自己的數據。通告占用信道的站點使用CCK/DSSS調制方式發送CTS幀，以保證802.11b站點能正確收到并讀取CTS幀，從而避免沖突。
CTS-to-self模式的實現只需由發起站點通告一個CTS幀，導致的帶寬耗費和網絡延時相對RTS/CTS模式較少，但它無法處理“節點隱藏”問題，隱藏節點偵聽不到CTS信號時，沖突還可能發生。為了盡量避免沖突，必須使用魯棒性更好的RTS/CTS模式。
1.2 RTS/CTS模式
RTS/CTS模式必須借助基本服務集BSS(Basic Service Set)的中心節點——接入訪問點AP設備來實現，以保證BSS內所有的無線站點都可以接收到信道將被占用的通告信息。要傳送數據的站點首先向AP發送占道請求RTS幀，AP收到RTS后向整個網絡廣播CTS幀予以響應。CTS幀中包含了信道即將被占用的持續時間信息，以通知其他的站點在此期間退避，如圖1（b）所示，欲發送數據的站點在接收到CTS后才能向信道傳送數據。
RTS/CTS模式解決了802.11b/g無線站點的信道共享沖突，也解決了節點隱藏問題，從而進一步減小了發生沖突的可能性。RTS/CTS機制也給網絡的運行帶來了額外的開銷，因為每發送一個數據包之前都要額外交換兩個管理數據包，雖然這兩個數據包都比較小，但也給原本就不快的無線網絡增加了很多負擔。當網絡中傳輸的是數量眾多但尺寸都很小的數據包時，這種額外的負擔就變得尤其沉重。
1.3 802.11g工作過程
在保護模式被關閉的狀態下，802.11g站點MAC層執行標準定義的基于指數回退的載波偵聽沖突規避（CSMA/CA）和分布式協調功能DCF接入機制。當它檢測到無線局域網內部存在802.11b站點時，則開啟CTS-to-self或RTS/CTS保護機制，執行以下協議過程：
(1)站點監測到信道可用（信道空閑且NAV計時器超時），它將在一個分布式幀間間隔DIFS的短時間段后通告CTS幀或做RTS/CTS交換，并在此后一個SIFS時間后發送數據幀。其他站點根據CTS幀中占用信道的持續時間更新NAV值，并啟動NAV計時器。
(2)站點監測到信道不可用，則進入指數回退狀態。該站點選取一個隨機回退值并且在偵聽到物理信道空閑時遞減該值，當偵聽到物理信道忙時，該值保持不變。
(3)如果回退計數值為0且NAV計時器超時，則轉步驟(1)。
802.11g MAC層協議行為可用圖2所示有限狀態自動機描述。
2 仿真與分析
本文仿真使用Adhoc BSS模式，網絡結構如圖3所示。網絡由15個無線站點組成，站點隨機分布在150 m×150 m的范圍內。每個無線站點采用相同的節點模塊和系統配置，構成一個純IEEE 802.11g無線局域網。每個站點之間可以直接通信，不考慮節點隱藏問題，但為了在仿真實驗中測試RTS/CTS保護機制對網絡性能的影響，將強制無線站點使用RTS/CTS交換。數據產生方式為ON-OFF模式，數據分組會在ON狀態期間產生并直接傳送到下層，高層包在MAC層中不拆分。具體網絡參數配置如表1所示。
2.1 不同網絡參數配置下的網絡性能測試
研究表明[2]，在給定物理傳輸特性的前提下，網絡吞吐率由業務總負載決定。本文通過調整分組平均大小、分組到達時間間隔和無線站點數目三個網絡參數改變業務總負載，考察不同業務總負載對平均吞吐率、平均端到端延時、數據丟失率等網絡性能參數的影響以及上述三個網絡參數之間的關聯性。在各網絡性能參數曲線基本收斂，網絡性能趨于穩定時，統計仿真結果如表2所示。
通過對表2的比較分析，可以得到如下結論：
(1)純802.11g模式下，最大網絡平均吞吐率為23.95 Mb/s，接近OFDM調制模式理論TCP傳輸能力上限(24.4 Mb/s)[3]。獲得最大網絡平均吞吐率的網絡參數配置為：無線站點數14，平均分組大小1 800 B，分組到達間隔0.008 1 s。
(2)當業務總負載達到22.92 Mb/s，網絡各種性能指標基本達到最優，此時的網絡平均吞吐率為22.92 Mb/s，網絡參數配置無線站點數為15，平均分組大小為1 700 B，分組到達間隔0.009 0 s。
(3)各種網絡性能指標達到最優時的業務總負載22.92 MB作為基準負載，當業務總負載超過基準負載時，網絡吞吐率保持相對穩定，達到最大值后開始下降；由于傳輸數據量增大導致沖突加劇和分組排隊較長，數據丟失率和端到端延時急劇增加。
2.2 802.11g保護機制對TCP吞吐率影響的測試
在獲得最大網絡平均吞吐率的配置下，即網絡參數配置無線站點數為14，平均分組大小為1 800 B，分組到達間隔0.008 1 s，測試純802.11g模式、CTS-to-self保護模式和RTS/CTS保護模式下獲得的網絡平均吞吐率數據。仿真實驗結果與參考文獻[4]模型理論值對比如表3所示，圖4則給出了保護模式下單個802.11g站點TCP傳輸率曲線。
通過對表3和圖4的比較分析，可以得到如下結論：
(1)純802.11g模式下可獲得的最大網絡平均吞吐率為23.95 Mb/s，而CTS-to-self保護模式下網絡平均吞吐率為11.45 Mb/s，約為前者的47.8%，RTS/CTS保護模式則減少到前者的29.4%。這個數據與參考文獻[4]的理論結果基本一致。由于參考文獻[4]理論模型不考慮共享介質沖突，所以本文仿真所得最大網絡平均吞吐率相對低一些。
(2)RTS/CTS保護模式下，802.11g終端可獲得約7 Mb/s的傳輸率，而CTS-to-self保護模式下，802.11g終端可獲得約7.5 Mb/s的傳輸率?？梢?，在802.11b/g混合模式下啟用保護機制時，網絡傳輸性能將大大降低，所以在網絡帶寬要求較高的情況下，應盡量避免使用混合模式。
本文研究結果表明保護機制的引入將顯著地降低WLAN網絡吞吐率。CTS-to-self保護模式下可獲得的網絡平均吞吐率比純802.11g模式可獲得的網絡吞吐率減少約50%，而RTS/CTS保護模式又比CTS-to-self保護模式減少約30%，且此時802.11g站點僅獲得7.5 Mb/s的TCP傳輸速率。因此在網絡帶寬要求較高的情況下，應盡量避免使用混合模式，但關閉保護機制意味著放棄802.11g“兼容性”的優勢。隨著802.11n標準的推出，它為無線網絡提供良好兼容性并保持較高的傳輸速率帶來了希望。802.11n采用軟件無線電技術解決了不同標準采用不同工作頻段、不同調制方式導致的系統間難以互通的問題。不僅保障了與以往11a、11b、11g標準的兼容，而且還可以實現與無線廣域網的融合，可以更好地保障用戶的投資。
參考文獻
[1] MATTHEW G．802.11 wireless networks the definitive guide[M]．Sebastopol：O′Reilly，2005．
[2] 陳敏，韋崗．IEEE802.11無線局域網OPNET建模與性能測試[J]．計算機工程，2004，30（21）：14－16．
[3] 江漢紅，王征，李慶，等.基于IEEE802.11g標準的WLAN性能分析與測試[J]．武漢理工大學學報，2005，27（4）：86－88．
[4] MATTHEW G．When is 54 not equal to 54 A look at 802.11a,b,and groughput[OL]．http://www.oreillynet.com/wireless.