摘 要：在探讨IEEE802.11g保护机制工作模式的基础上，构建OPNET仿真网络以测试保护机制对WLAN网络性能的影响。实验结果表明，保护机制的引入可显著地降低WLAN网络吞吐率。纯802.11g模式下，网络平均吞吐率最大可达23.95 Mb/s；启用CTS-to-self保护机制的802.11b/g混合模式下，网络平均吞吐率仅为11.45 Mb/s，约为前者的50%；启用RTS/CTS保护机制时，网络平均吞吐率只有7 Mb/s，减少到前者的30%，且此时单个802.11g站点仅获得约7.5 Mb/s的TCP传输速率。为更好地规划和部署802.11无线网络提供了较准确的数据分析依据。
关键词：802.11无线网络；保护机制；OPNET；网络吞吐率
相比较早的无线局域网标准IEEE 802.11a/b，IEEE 802.11g具有两个最主要的特征：高速率和兼容IEEE 802.11b。它采用IEEE 802.11a使用的OFDM调制技术，可以获得高达54 Mb/s的数据通信带宽。同时保留了IEEE 802.11b采用的CCK调制技术，使用“保护机制”可与IEEE 802.11b产品保持兼容。保护机制提供了一种允许802.11g设备根据具体的工作环境选择OFDM调制技术或CCK调制技术的功能。在实际应用中，保护机制有CTS-to-self和RTS/CTS两种实现方式。启用了保护机制的802.11g站点每发送一个数据帧都必须先发送一个CTS短帧或做一次RTS/CTS交换，这将为一次数据传输带来一定的时间开销；当无线局域网的站点数目很大时，大量的CTS或RTS/CTS短帧将消耗可观的无线带宽并产生较大的传输延时。这些都将导致无线局域网的吞吐量下降、性能降低，工程经验显示在一定条件下这种下降十分显著。因此，定量地准确分析和测试保护机制对无线网络性能产生的影响，以及基于此探讨性能优化措施对于更好地规划和部署无线网络具有重要意义。
1 802.11g保护机制
在802.11b/g混合模式中，当802.11g站点使用ERP-OFDM调制技术向信道发送OFDM信号时，802.11b站点监听到信道有信号，但因其无法识别出是802.11g站点发送的信号正在使用信道，于是将OFDM信号当做信道噪声，认为信道空闲，继而也向信道发送数据，从而引起冲突。为了避免上述冲突发生，使802.11b/g设备能够相容工作，IEEE提出在802.11g MAC层中使用保护机制。
1.1 CTS-to-self模式
在CTS-to-self模式中，当一个802.11g站点准备使用信道时，它首先要更新其他站点的网络分配矢量NAV(Network Allocation Vector)值。NAV用来宣告预计要使用通信信道的持续时间，这个时间包括了完成一次数据传送用到的所有帧的传输时间。如图1（a）所示[1]，此处NAV时间由1个清除发送短帧CTS、2个短帧间间隔SIFS、1个OFDM数据帧和1个应答帧ACK组成。802.11g站点发送一个CTS帧，将接收地址置为自己的MAC地址。CTS帧的Duration字段说明了信道将被占用的时间，其他侦听到该CTS帧的站点以此更新自己的NAV值。仅当信道空闲和NAV值为0时，站点才准备发送自己的数据。通告占用信道的站点使用CCK/DSSS调制方式发送CTS帧，以保证802.11b站点能正确收到并读取CTS帧，从而避免冲突。
CTS-to-self模式的实现只需由发起站点通告一个CTS帧，导致的带宽耗费和网络延时相对RTS/CTS模式较少，但它无法处理“节点隐藏”问题，隐藏节点侦听不到CTS信号时，冲突还可能发生。为了尽量避免冲突，必须使用鲁棒性更好的RTS/CTS模式。
1.2 RTS/CTS模式
RTS/CTS模式必须借助基本服务集BSS(Basic Service Set)的中心节点——接入访问点AP设备来实现，以保证BSS内所有的无线站点都可以接收到信道将被占用的通告信息。要传送数据的站点首先向AP发送占道请求RTS帧，AP收到RTS后向整个网络广播CTS帧予以响应。CTS帧中包含了信道即将被占用的持续时间信息，以通知其他的站点在此期间退避，如图1（b）所示，欲发送数据的站点在接收到CTS后才能向信道传送数据。
RTS/CTS模式解决了802.11b/g无线站点的信道共享冲突，也解决了节点隐藏问题，从而进一步减小了发生冲突的可能性。RTS/CTS机制也给网络的运行带来了额外的开销，因为每发送一个数据包之前都要额外交换两个管理数据包，虽然这两个数据包都比较小，但也给原本就不快的无线网络增加了很多负担。当网络中传输的是数量众多但尺寸都很小的数据包时，这种额外的负担就变得尤其沉重。
1.3 802.11g工作过程
在保护模式被关闭的状态下，802.11g站点MAC层执行标准定义的基于指数回退的载波侦听冲突规避（CSMA/CA）和分布式协调功能DCF接入机制。当它检测到无线局域网内部存在802.11b站点时，则开启CTS-to-self或RTS/CTS保护机制，执行以下协议过程：
(1)站点监测到信道可用（信道空闲且NAV计时器超时），它将在一个分布式帧间间隔DIFS的短时间段后通告CTS帧或做RTS/CTS交换，并在此后一个SIFS时间后发送数据帧。其他站点根据CTS帧中占用信道的持续时间更新NAV值，并启动NAV计时器。
(2)站点监测到信道不可用，则进入指数回退状态。该站点选取一个随机回退值并且在侦听到物理信道空闲时递减该值，当侦听到物理信道忙时，该值保持不变。
(3)如果回退计数值为0且NAV计时器超时，则转步骤(1)。
802.11g MAC层协议行为可用图2所示有限状态自动机描述。
2 仿真与分析
本文仿真使用Adhoc BSS模式，网络结构如图3所示。网络由15个无线站点组成，站点随机分布在150 m×150 m的范围内。每个无线站点采用相同的节点模块和系统配置，构成一个纯IEEE 802.11g无线局域网。每个站点之间可以直接通信，不考虑节点隐藏问题，但为了在仿真实验中测试RTS/CTS保护机制对网络性能的影响，将强制无线站点使用RTS/CTS交换。数据产生方式为ON-OFF模式，数据分组会在ON状态期间产生并直接传送到下层，高层包在MAC层中不拆分。具体网络参数配置如表1所示。
2.1 不同网络参数配置下的网络性能测试
研究表明[2]，在给定物理传输特性的前提下，网络吞吐率由业务总负载决定。本文通过调整分组平均大小、分组到达时间间隔和无线站点数目三个网络参数改变业务总负载，考察不同业务总负载对平均吞吐率、平均端到端延时、数据丢失率等网络性能参数的影响以及上述三个网络参数之间的关联性。在各网络性能参数曲线基本收敛，网络性能趋于稳定时，统计仿真结果如表2所示。
通过对表2的比较分析，可以得到如下结论：
(1)纯802.11g模式下，最大网络平均吞吐率为23.95 Mb/s，接近OFDM调制模式理论TCP传输能力上限(24.4 Mb/s)[3]。获得最大网络平均吞吐率的网络参数配置为：无线站点数14，平均分组大小1 800 B，分组到达间隔0.008 1 s。
(2)当业务总负载达到22.92 Mb/s，网络各种性能指标基本达到最优，此时的网络平均吞吐率为22.92 Mb/s，网络参数配置无线站点数为15，平均分组大小为1 700 B，分组到达间隔0.009 0 s。
(3)各种网络性能指标达到最优时的业务总负载22.92 MB作为基准负载，当业务总负载超过基准负载时，网络吞吐率保持相对稳定，达到最大值后开始下降；由于传输数据量增大导致冲突加剧和分组排队较长，数据丢失率和端到端延时急剧增加。
2.2 802.11g保护机制对TCP吞吐率影响的测试
在获得最大网络平均吞吐率的配置下，即网络参数配置无线站点数为14，平均分组大小为1 800 B，分组到达间隔0.008 1 s，测试纯802.11g模式、CTS-to-self保护模式和RTS/CTS保护模式下获得的网络平均吞吐率数据。仿真实验结果与参考文献[4]模型理论值对比如表3所示，图4则给出了保护模式下单个802.11g站点TCP传输率曲线。
通过对表3和图4的比较分析，可以得到如下结论：
(1)纯802.11g模式下可获得的最大网络平均吞吐率为23.95 Mb/s，而CTS-to-self保护模式下网络平均吞吐率为11.45 Mb/s，约为前者的47.8%，RTS/CTS保护模式则减少到前者的29.4%。这个数据与参考文献[4]的理论结果基本一致。由于参考文献[4]理论模型不考虑共享介质冲突，所以本文仿真所得最大网络平均吞吐率相对低一些。
(2)RTS/CTS保护模式下，802.11g终端可获得约7 Mb/s的传输率，而CTS-to-self保护模式下，802.11g终端可获得约7.5 Mb/s的传输率。可见，在802.11b/g混合模式下启用保护机制时，网络传输性能将大大降低，所以在网络带宽要求较高的情况下，应尽量避免使用混合模式。
本文研究结果表明保护机制的引入将显著地降低WLAN网络吞吐率。CTS-to-self保护模式下可获得的网络平均吞吐率比纯802.11g模式可获得的网络吞吐率减少约50%，而RTS/CTS保护模式又比CTS-to-self保护模式减少约30%，且此时802.11g站点仅获得7.5 Mb/s的TCP传输速率。因此在网络带宽要求较高的情况下，应尽量避免使用混合模式，但关闭保护机制意味着放弃802.11g“兼容性”的优势。随着802.11n标准的推出，它为无线网络提供良好兼容性并保持较高的传输速率带来了希望。802.11n采用软件无线电技术解决了不同标准采用不同工作频段、不同调制方式导致的系统间难以互通的问题。不仅保障了与以往11a、11b、11g标准的兼容，而且还可以实现与无线广域网的融合，可以更好地保障用户的投资。
参考文献
[1] MATTHEW G．802.11 wireless networks the definitive guide[M]．Sebastopol：O′Reilly，2005．
[2] 陈敏，韦岗．IEEE802.11无线局域网OPNET建模与性能测试[J]．计算机工程，2004，30（21）：14－16．
[3] 江汉红，王征，李庆，等.基于IEEE802.11g标准的WLAN性能分析与测试[J]．武汉理工大学学报，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.