IEEE 802.11室外蜂窝网：MAC协议设计及其性能
<I>由于IEEE 802.11标准专为无线局域网(WLAN)制订，因此在室外环境下应用空间接口时将面临诸多技术难题。本文研究了如何应用802.11媒体存取控制(MAC)协议及其在室外网络中的性能，结果表明MAC协议完全适用于小区半径为6km的802.11蜂窝网。</I>为满足用户获取更优无线通信业务的愿望，很多公司已着手在像机场和宾馆这样的区域中配置无线局域网(WLAN)，以提供高速率数据业务。IEEE 802.11b技术的成熟性和低成本使其尤为引人注目，802.11b网络可提供高达11Mbps的数据率，这远远高于EDGE和W-CDMA网络所能提供的数据率。
本文研究了如下问题：是否有可能基于现有的适用于无线数据业务的802.11空间接口标准设计出室外蜂窝网？如果有可能，那么用户是否能够采用相同的空间接口机制，在室内WLAN和室外802.11网络中获取无线业务? 设计802.11蜂窝网仍然需要解决很多技术难题。当初，802.11标准及其扩展802.11b标准和802.11a标准专为那些在室内环境下传输范围约为数百米的WLAN开发。首先，当802.11应用于相对于室内WLAN的室外网络时，信号的传播延迟将大大增加，这有可能影响媒体存取控制(MAC)协议的适用性；其次，外部环境还将增加导致码间干扰的延迟扩展。此外，由于移动性产生的多普勒效应也可能需要复杂的信道预估处理。
<B></B> <B>IEEE 802.11 MAC协议</B>
802.11规范为MAC协议定义了5类时序间隔，其中两类是由物理层决定的基本类型：短帧空间(SIFS)和时隙(slot time)。其余3类时序间隔则基于以上两种基本的时序间隔：优先级帧间空间(PIFS)、分散帧间空间(DIFS)和扩展帧间空间(EIFS)。SIFS是最短的时序间隔，其次为时隙。时隙可视为MAC协议操作的时间单元，尽管802.11信道就整体而言并不工作于时隙级时序间隔上。对于802.11b网络(即具有DSSS物理层的网络)，SIFS和时隙分别为10和20μs。考虑到信号的传播和处理延迟，通常将时隙选择为20μs。PIFS等于SIFS加1个时隙，而DIFS等于SIFS加2个时隙。EIFS比上述4类时序间隔都长得多，通常在当收到的数据帧出现错误时才使用。 802.11 MAC支持两种操作模式：单点协调功能(PCF)和分散协调功能(DCF)。PCF提供了可避免竞争的接入方式，而DCF则对基于接入的竞争采取带有冲突避免的载波检测多路访问(CSMA/CA)机制。上述两种模式可在时间上交替使用，即一个PCF的无竞争周期后紧跟一个DCF的竞争周期。
<B></B> <B>PCF协议</B>
在PCF协议中，AP通过向相关的移动站发送轮询消息依次对这些移动站进行轮询。如果AP需要将数据发送至正被轮询的移动站，那么数据可包含在轮询消息中。如果轮询的基站需要将数据发送至AP，则可将数据包含在轮询响应消息中。在适当情况下，确认信息(确认收到了上一个来自AP的数据帧)也可包含在响应消息中。
图1给出了一个示例，AP首先将轮询消息和数据(如果存在)发送至移动站1(用S1表示)。移动站1应当在SIFS时序间隔内，立即发送确认消息或数据帧(如果数据帧存在)至AP。在收到来自移动站1的ACK消息或数据后，AP将在SIFS时序间隔内轮询移动站2。在本例中，由于轮询消息丢失或者移动站不需要发送数据至AP，因此移动站2并未作出响应。这种情形中，由于在SIFS截止之前AP未收到来自移动站2的响应，AP将在PIFS时序间隔内继续轮询移动站3。PIFS开始于移动站2最后一条轮询消息的末尾。 <B></B> <B></B>
<B>DCF协议</B>
DCF采用CSMA/CA机制，其工作原理如下：带有准备传送的新分组数据的移动站(包括AP)首先检测信道是否繁忙，如果信道在DIFS时序间隔(对于802.11b网络为50μs)内为空闲状态，那么移动站将开始传送分组数据。否则，移动站继续检测信道。如果信道在DIFS时序间隔内空闲，那么移动站：a)开始将信道时间分为多个时隙单元；b)生成以时隙为单位的随机退避间隔(random backoff interval)；c)继续检测信道。接着，在信道仍保持空闲的每个时隙中，退避间隔值减1。当间隔值为0时，移动站将开始传送分组数据。
在退避期间，如果在一个时隙中检测到信道繁忙，那么退避间隔将保持不变，并且只当检测到在DIFS间隔及其下一时隙内信道持续保持空闲，才重新开始减少退避间隔值。当退避间隔为0，将再次传送分组数据。退避机制有助于避免冲突，因为信道可在最近时刻被检测为繁忙。更进一步，为了避免信道被捕获，在两次连续的新分组数据传送之间，移动站还必须等待一个退避间隔，尽管在DIFS间隔中检测到信道空闲。图2描述了上述过程。
DCF的退避机制具有指数特征。对于每次分组传送，退避时间以时隙为单位(即是时隙的整数倍)，统一地在0至n-1之间进行选取，n表示分组数据传送失败的数目。在第一次传送中，n取值为CW<SUB>min</SUB>=32，即所谓的最小竞争窗(minimum contention window)。每次不成功的传送后，n将加倍，直至达到最大值CW<SUB>max</SUB>=1024。
对于每个成功接收的分组数据，802.11规范要求向接收方发送ACK消息。而且为了简化协议头，ACK消息将不包含序列号，并可用来确认收到了最近发送的分组数据。也就是说，移动站根据间断停起(stop-and-go)协议进行数据交换。如图2所示，一旦分组数据传送结束，发送移动站将在10μs SIFS间隔内收到ACK。如果ACK不在指定的ACK_timeout周期内到达发送移动站，或者检测到信道上正在传送不同的分组数据，最初的传送将被认为是失败的，并将采用退避机制进行重传。
除了物理信道检测，802.11<IMG alt=图3：ACK/CTS延迟分配。 hspace=12 src="http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003JAN/A/0301A_DC_S6F3.GIF" align=right vspace=12> MAC协议还实现了网络向量分配(NAV)，NAV的值向每个移动站指示了信道重新空闲所需的时间。所有的分组数据均包含一个持续时间字段，而且NAV将对传送的每个分组数据的持续时间字段进行更新。因此，NAV实际上表示了一种虚拟的载波检测机制。MAC就采用物理检测和虚拟检测的组合以避免冲突。 上面描述的协议称为双向握手机制，此外，MAC也包含4通(four-way)帧交换协议。实际上，4通协议利用上述竞争过程获得信道接入之后，要求移动站向AP发送一个特殊信号：发送请求(RTS)信号，而不是实际的数据分组包。与此相呼应，AP将在适当的时候，在SIFS间隔内发送清除-发送(Clear-to-Send, CTS)消息，以通知请求的移动站立即开始分组数据传送。RTS/CTS握手的主要目的是解决所谓的隐藏终端(hidden terminal)问题。
<B>室外网络的MAC协议</B>
PCF协议不再适用。需要指出的是，标准清晰地定义了图1中PCF的SIFS和PIFS时序要求，其中最为严格的要求是AP必须在SIFS间隔(对于802.11b网络而言，该值为10μs)内从轮询移动站收到ACK消息。当该标准用于室外网络和蜂窝网时，移动站及其AP之间的距离将有望比WLAN更远。例如在1.5km的链接距离中，信号来回的传播延迟约为10μs。因为接收端的信号传播延迟至少为几微秒，因此在WLAN这样的环境下，链接距离不得不限制在数百米范围内。实际上，这正是802.11规范制订的初衷。因而，指望PCF支持小区半径达数公里的802.11室外网络完全是不现实的。
DCF协议的适用性。需要指出的是，就MAC协议而言，802.11室外网络与其相应的WLAN之间的主要区别在于802.11室外网络的信号传播延迟更大一些。如图2所示，室外网络DCF适用性的主要限制在于：分组数据传送后，必须在SIFS间隔(10μs)内收到ACK消息。也就是说，这10μs既包含信号来回传送的延迟，也包含接收端的处理延迟。然而，为使其更为有效，还需要考虑室外小区半径达数公里的网络。因此，单向的信号传播延迟即便忽略了返回传送和处理所需的时间，仍然可能超过10μs。显然，在不违反规范的前提下这完全不具实用价值。本文提出的解决方案基于以下重要研究成果：即便ACK在SIFS间隔之后才收到，通常也不会带来严重后果。这是因为当移动站传送分组数据后，将启动ACK_timeout。ACK_timeout虽然并未在标准中严格规定，但业务供应商通常将其取为一个远大于10μs的值。这样，只要ACK在定时器ACK_timeout超时之前到达，MAC协议都能正常地响应。
在典型的实现中，通常假定ACK_timeout时间比DIFS间隔的50μs更长。因此，可以认为在分组数据发送后，只要ACK在DIFS间隔以内到达发送移动站，DCF都能正常地工作在链接距离达数公里的室外网络环境下。原因如下：首先，由于ACK在DIFS间隔以内收到，而ACK_timeout不超时，因此协议可以正常地响应ACK的接收，就好像ACK在SIFS间隔以内收到一样，从而与最初的协议标准并无二致；其次，DCF协议要求在传送之前，任何移动站都需要检测信道至少在DIFS间隔内为空闲，并且在发送移动站发出分组数据之后的下一DIFS间隔内返回的ACK消息，可以防止接收移动站获得信道接入。因此，信道可为接收移动站隐式地“保留”，以发送ACK消息。此外，对于每对发送和接收移动站而言，分组数据传送及其后续的ACK均需保持完整，这也是规范所要求的。
将ACK的到达延迟从SIFS间隔扩展至DIFS间隔会导致性能影响。由于NAV的计算假定ACK在SIFS间隔内返回，因此，延迟扩展将使NAV的计算占用大量时间，从而导致错误的虚拟检测。然而，由于协议操作同时基于物理和虚拟信道检测，因此只要物理信道检测能正常工作，那么由不正确NAV值导致的虚拟检测故障将不会产生明显的负面影响。 实际上，从SIFS间隔到DIFS间隔的ACK到达延迟的扩展也可应用于RTS和CTS握手，以解决隐藏终端问题。具体而言，移动站在发送RTS之后就启动CTS_timeout。MAC协议规定必须在SIFS间隔(10μs)内收到接收移动站的CTS。然而，与ACK_timeout类似，设备生产商通常选取远远大于10μs 的CTS_timeout周期。因此，采用上面讨论的相同参数，CTS的到达延迟即可扩展至DIFS间隔。
<B>DCF协议的最大小区半径</B><IMG alt="图4 具有传送冲突的繁忙周期" hspace=12 src="http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003JAN/A/0301A_DC_S6F4.GIF" align=right vspace=12>
随着ACK和CTS的到达延迟扩展至DIFS间隔，需要考虑室外802.11网络环境下的最大小区半径，即链接距离限制。 如上所述，ACK和CTS的到达延迟由信号的来回传播延迟和信号处理时间组成。如图3所示，50μs DIFS延迟的一种合理分配是：单向信号的传播延迟为20μs，而接收移动站的处理时间则为10μs。处理时间不会增加接收移动站的负担，因为SIFS间隔的最初延迟为10μs。对于20μs的传播延迟，最大的小区半径约为6km。换言之，对于6km或更小的小区，DCF协议可正常工作于802.11蜂窝网。
<B>802.11室外网络的DCF性能</B>
本文给出了室外网络和WLAN下DCF处理能力的近似分析。如图3所示，如果传送分组数据的移动站检测到在DIFS间隔(以下用d表示，d的单位为μs)中信道空闲，移动站将开始传送数据。在分组数据传送之后，信道在DIFS间隔内仍将保持空闲，然后接收端将发送ACK。如果发送站检测到信道繁忙，则将采用上述的退避机制。为了简化上述过程，可以不必对退避算法进行详细建模；相反，假定来自所有移动站的包含新分组数据和重传数据的汇集传输流可形成密度高达千兆分组数据/μs的泊松过程(Poisson process)。如果退避周期足够长，那么上述假设就是合理的，这样新的传送和重传将独立于信号源。
为了简化，假定单位为μs的信号传播延迟a在任意一对移动站内保持一致。这样，易损期(vulnerable period)也同样可以由a给定，在易损期内，新的分组传送不能被其它移动站检测到。因此，在CSMA协议下，这些移动站就可能各自开始传送数据，并导致冲突的发生。在传送之前，每个移动站都要求检测到在dμs(DIFS间隔)内信道空闲,并且分组数据传送的时间假定为常数Lμs。下面考虑在分组数据成功传送中的信道行为。在d间隔内，信道保持为空闲，之后进行Lμs的分组数据传送。如图3所示，发送端等待ACK的时间为dμs(DIFS间隔)。假定ACK传送的时间为cμs，那么发送ACK aμs之后，所有的移动站检测到信道的状态再次成为空闲。
图4显示了带有由CSMA协议易损期造成的传送冲突的常规繁忙周期，这里Y表示繁忙周期内第一次和最后一次分组数据传送之间的时间段。利用公式1可得到Y的平均长度为：
<IMG alt="" hspace=12 src="http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003JAN/A/0301A_DC_S6E1.JPG" align=lLEFT vspace=12>
繁忙周期(包含成功的传送或冲突)的平均长度由下式给定：
<IMG alt="" hspace=12 src="http://www.eetchina.com/ARTICLES/2003JAN/A/0301A_DC_S6E2.JPG" align=left vspace=12> 这里，最后一项表示在汇集传输流泊松假设下，成功传送概率为a<SUP>G e</SUP>时，ACK的等待和传送时间。在相同的假设下，平均周期(由繁忙周期和后续的空闲周期组成)可由下式给定：
信道处理能力S定义为成功传送的分组数据与时间T之比，即：
其中，分子表示数据无冲突传送时的平均时间，而T平均值可由(3)获得。
本文还研究了三种常用的分组数据大小60字节(如TCP ACK)、576字节(通常适用于网络浏览)和1500字节(因特网的最大数据长度)加上34字节的802.11 MAC报头。对于Mbps数据率的802.11网络而言，相应的传送时间L将分别为0.75 ms、4.88 ms和12.27 ms。50μs DIFS间隔的空闲检测时间及112位ACK的传送时间c为0.112μs。基于上述讨论，假定链接距离为6km，因此单向传播延迟a为20μs。为了进行比较，本文还研究了小区半径为600m且信号传播延迟为2μs的WLAN。在WLAN中，传送之后，为等待相应ACK的到达，移动站将像标准一样等待10μs的SIFS间隔，而不是如图3所示的DIFS间隔。
将上述参数应用于(1)至(4)，可以得到MAC处理能力是为所选分组数据长度承载的汇集传输流的函数。如果对于给定的分组数据长度，链接距离增加到600m至6km，那么最大处理能力将下降，因为信号传送的延迟及其易损期都增大了。对于576字节的分组数据，当链接距离增至600m到6km时，最大的处理能力将降至92.9%到84.8%。然而，因为576字节通常适用于网络应用，84.8%的处理能力仍然令人满意。对于1500字节的分组数据，6km小区的信道处理能力最大可以达到90.8%。即便对于60字节长的短TCP ACK消息，信道处理能力仍可达60%。总之，尽管小区半径达到6km，MAC的处理能力仍然令人满意。
<B>本文结论：</B>
本文研究了802.11 MAC的应用及其在室外网络中的性能。通过研究不明确规定超时间隔的情况，在不改变标准的条件下，本文为分散协调功能(DCF)及请求发送(RTS)和清除请求(CTS)的握手提出了一种新的时序结构，可以在802.11室外网络中解决信号传播延迟问题。此外，当小区半径小于6km时，标准中规定的DCF和RTS/CTS协议仍能正常工作。本文的分析表明，与半径为600m的WLAN相比，小区半径为6km的802.11室外网络的DCF性能只是略有降低。因此，MAC协议完全适用于小区半径为6km的802.11蜂窝网。
<I>作者： <BR>Kin K. Leung <BR>Bruce McNair <BR>Leonard J. Cimini <BR>Jack H. Winters <BR>AT&T Labs - Research</I>
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