王金涛 李明齐 蔡青春

摘 要： 现有的关于IEEE 802.11无线传输协议性能的研究集中于基于IEEE 802.11协议的单播传输，鲜有对于基于IEEE 802.11协议的组播传输性能理论研究。基于此，采用理论分析建模与仿真实验验证相结合的方法，建立组播分布式协调功能（DCF）模型，并结合物理层调制及信道模型，研究网络吞吐量、传输距离等IEEE 802.11无线组播传输的性能，并计算无线组播的吞吐量门限。NS?3仿真实验结果表明，此模型能够较为准确地描述基于IEEE 802.11协议无线组播的数据传输特性，提高建立模型研究基于IEEE 802.11无线组播的准确性；同时给出的无线网络传输门限能够为网络设计和网络优化提供参考。

关键词： IEEE 802.11； 无线局域网； 组播； 吞吐量； 信噪比； NS?3

中图分类号： TN919.72?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着智能手机技术的快速发展和人们生活方式的改变，公众对广播电视的接入体验要求越来越高，人们都希望能够实时接入广播电视网，以便能够及时收听或者收看广播节目来得到需要的信息。得益于IEEE 802.11无线传输技术[1]的迅速发展和智能手机的大量普及，基于IEEE 802.11协议的宽带无线接入技术成为了下一代无线广播电视网（NGB?W）面向智能终端主要的接入手段。智能终端的用户可以通过终端设备普遍拥有的WiFi功能接入无线广播电视网，接收由广播电视数据转化的IP数据进行播放收听或观看。因此，将无线广播信号通过基于IEEE 802.11标准的无线宽带接入技术进行转发，是解决热点地区广播覆盖的有效方法，大大提高了广播信号的覆盖范围。但现在使用的WiFi传输形式多为单播。依照IEEE 802.11协议接入方式为时分形式，采用包含冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CA）技术来控制终端设备（STA）对无线路由器（AP）的接入。在单播的传输模式下，如果有多个终端同时需要和无线路由器通信，则需争用信道，成功争用信道的终端先与无线路由器进行通信，其他终端则等待上个终端通信完毕后通过再次争用信道进行数据传输。如果将IEEE 802.11单播传输技术与广播电视传输技术相结合，由于广播电视需要将直播信号同时向大量用户发送，同时如果在广场、火车站等人流密集的地方IEEE 802.11设备接入用户量过大，单播技术因接入方式和传输时延的原因必然无法满足广播信号的传输需求，极大地影响用户的观看体验。

基于IEEE 802.11协议的无线组播利用无线信号传输具有的天然的广播特性，具有一次传输，组播组中的所有接收者都能接收的特点，大大提高了无线接入的用户数量，同时降低了时延，也提升了无线频谱利用效率。但是现有的关于IEEE 802.11无线传输协议性能的研究如文献[3?6]，均集中于对基于IEEE 802.11协议的单播MAC层传输性能的建模及模型的改进，没有涉及对于基于IEEE 802.11协议的组播传输性能研究。文献[7]对于基于IEEE 802.11无线组播的研究只涉及物理層调制编码方式对网络吞吐量的影响，并未考虑IEEE 802.11 MAC层及其他因素影响。基于此，本文采用理论分析建模与仿真及实验验证相结合的方法，建立基于IEEE 802.11无线组播系统模型，结合分布式协调功能（DCF）模型、物理层调制解调、信道模型及无线信号衰落模型，研究IEEE 802.11无线组播传输的性能。以便提升研究基于IEEE 802.11协议组播系统的准确性，并给出无线组播系统吞吐量的门限，为网络优化和网络设计提供参考。

1 IEEE 802.11无线组播机制分析

在IEEE 802.11协议媒体接入控制（MAC）层中，组播的接入机制为不使用二进制指数退避算法的CSMA/CA机制，如图1所示。如果一个组播帧需要被发送，此时检测到信道处于空闲状态，在等待DIFS时间之后，如果信道仍然处于空闲，那么设备会选择一个数值，成为退避计时器初始值，它服从从1到争用窗口（Contention Window，CW）大小之间的均匀分布。争用窗口会被均分为CW个时槽，设备之前选择的数值代表时槽的先后序号，当经过DIFS时间后信道再次空闲，则此序号减1。若某次信道空闲，并且序号倒数之后为0，则此组播帧通过WiFi传输。争用信道结束后，组播数据帧进入物理层，加上物理层头部后进行发送。其中物理层头部分为Preamble和PLCP header两部分。Preamble部分用来做帧同步和标明帧起始位置；PLCP header部分进行传输参数设置。IEEE 802.11协议规定，无线组播的速率采用基础服务集（BSS）内所有站点支持的最低速率，以使得信道状况最差的站点也能接收到无线组播信号。由于大多数IEEE 802.11设备都支持或向下兼容IEEE 802.11b协议，因此实际IEEE 802.11无线组播速率多为IEEE 802.11b协议支持的最低速率，为1 Mb/s。在对于IEEE 802.11无线网络性能的分析过程中，将以上数据净荷以外需要传输的MAC头、物理头等数据称为开销（overhead）。当开销越少，并且网络传输的可靠性不受影响，则网络的传输性能越好，本文主要以网络实际吞吐量来衡量。

近年來关于IEEE 802.11 MAC层单播传输过程的建模分析有许多种方法[3?4]，但鲜有关于IEEE 802.11 MAC层组播传输过程及传输性能的分析研究，通过与物理层调制编码方式、信道模型及空间衰落模型结合建立综合性无线组播传输模型来研究无线组播性能也无具体研究涉及。

2 IEEE 802.11无线组播传输模型

依照上文中关于IEEE 802.11无线组播的理论分析，建立对应各网络层的数学模型来表征其特点。

2.1 MAC层模型

在组播传输过程中，如果没有碰撞发生，没有信道错误，组播帧会被组播组中的成员成功接收。定义组播网络的吞吐量为[Sm]，组播组中成员数目为[N]，每个接收者的吞吐量[Si]表示系统成功传输静载荷的大小与系统传输时间的比值，可表示为：

首先分析系统在一个时隙中可能发生的事件。在IEEE 802.11纯组播系统中，一个时隙内可能发生以下三种情形：

1） 时隙为空闲，不发送帧；

2） 时隙内发送组播帧，并且无碰撞发生；

3） 时隙中发送组播帧，但发生了碰撞。

3 仿真实验与分析

本文采用网络仿真平台NS?3搭建基于IEEE 802.11协议的仿真系统，对无线组播传输性能进行仿真实验，获取仿真结果并与理论计算值进行比较分析[10]。仿真实验严格按照上文模型设置仿真场景及相关信道与参数，网络采用IEEE 802.11作为无线网络通信协议，网络结构采用基本网络结构，若干网络节点分布在以AP为圆心的圆内，接收来自AP的组播数据，具体参数设置如表2所示。

为了进一步研究组播门限对网络传输的影响，本文对不同输入速率下的实际无线组播情况进行仿真，结果如图4所示。仿真结果表明，当输入速率低于组播速率门限值时，输入速率等于无线组播吞吐量；当输入速率大于无线组播速率门限，如在1 500 B包长度时，在仿真时间内无线组播可传输包总量门限为836个，则多余的包会被丢弃。这样因为超过组播网络吞吐量门限而造成的丢包导致了网络传输质量的恶化。

4 结 语

由以上仿真结果可知，本文建立的基于IEEE 802.11无线组播的MAC层、物理层及信号衰减综合模型能够较准确地描述基于IEEE 802.11无线组播系统的特性。此模型具有较强的扩展性，可方便地变换研究各网络层模型结合IEEE 802.11协议下的组播，适用于不同的信号损耗场景，对进一步研究IEEE 802.11协议下的无线组播具有重要的参考意义。同时，依照此模型得出的无线系统的吞吐量门限可以为实际网络设计和网络优化提供参考。

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