802.11协议精读12：初探协议性能

Posted 2020-08-23 少茗

序言

在初始的802.11协议版本之后，陆续更新的802.11e，以及802.11n以及更新的802.11技术，其都是基于改善当前802.11协议的缺陷不断进行改进的。为了理解这些改进，我们首先要理解802.11存在的一些问题，其中一个主要的问题就是性能问题。

本文我们先简单介绍802.11中一个常见问题，即路由器的宣称速率不等于实际速率的问题，然后我们具体分析一下这个宣称速率（即物理层速率）的计算方法。在后面一篇文章中，我们会介绍用数学方法对该吞吐量具体进行估计的方法，即Bianchi模型。

PS：由于不是论文，所以本文还是以理解为主，对于表述和定义不追求毫无瑕疵，故有错误的话，还请见谅。

802.11的实际速率（即MAC层吞吐量）

首先介绍一下802.11实际速率的定义，为了描述准确一些，我们一般称该实际速率为MAC层的吞吐量，如下图（参考Ekahau - Wi-Fi Capacity Analysis for 802.11ac and 802.11n）。

MAC层吞吐量：传输真实数据（即上图的Data，实际上对应MSDU部分）的传输速率，不好包含图上所述的overhead部分。

如同之前我们介绍DCF以及CSMA/CA一样，在DCF的传输过程中，需要经过DIFS，Backoff，PPDU（MPDU+PHY Header），SIFS以及ACK这样几个过程。这些过程实际上都是作为MAC层协议的组成部分，而不属于真正的数据传输部分。我们统称这些MAC层的损耗叫做overhead，如果这些overhead越少且能够保证协议的基本性能（比如冲突概率）不变，那么该MAC协议的性能也就越优。为了更一般的对该性能作为参考，我们可以定义归一化的MAC层吞吐量，即MAC层的效率。

MAC层传输效率：传输真实数据（Data）的时间占总传输时间（Overhead + Data）的比例。

以下我们给出一个具体的示例进行参考：

在上图（左）中，Payload transmission即真实数据部分（即绿色的部分，对应之前图中的Data），该绿色部分只占整个传输时间的大约12%，是很少的一个部分。在上图（右）中，由于采用了帧聚合技术，所以MAC层性能有一定的提高，可以增加到49%左右。

一般路由器上所标注的都是物理层的传输速率，但是这个速率是不可完全到达的，其真实有效的部分实际上是物理层速率乘以MAC层传输效率的一个结果。上图这里的12%与49%仅仅是一个参考，其性能我们可以更准确的用Bianchi模型分析出来。

因为之前在802.11协议精读2：DCF与CSMA/CA，我们已经介绍了DCF的工作模式，所以我们就简单分析Overhead中不同的组成部分：

1. Physical layer wait times（对应时序图，DIFS，Backoff，SIFS）：这里实际上是指802.11协议定义的接入前需要等待的一段时间。由于无线信道只有一个，好比一个教室一样，如果有两个同学同时说话，那么老师就无法听清楚两者的说话，故需要设置Backoff的机制来避免碰撞。
2. Physical layer frame（对应时序图，PHY）：一个802.11数据帧的最开始是物理层的头部（PHY），其是用来传递一些具体接收MPDU时候需要的参数。协议中，一般物理层头部都是采用最低速率进行发送（即公共已知的，比如6Mbps），而上层数据的速率是包含在数据包内部的（比如54Mbps）。由于该PHY的采用低速传输，所以占总时间的比重较大。该物理层头部具体的组成可以参考（802.11协议精读6：802.11b的发送过程与接收过程，802.11协议精读7：802.11a/g的发送过程与接收过程）。
3. Mac layer overhead（对应时序图，MAC header，FCS，ACK）：主要是MAC层中的一些参数，用来标识是哪个节点进行传输以及传输目的为哪个节点，同时还包含了一些MAC层的控制信息，同时该部分时间还包含了ACK反馈的时间。由于MAC头部是以高速率进行发送的，所以占时间的比重较少。
4. Retransmission frame（时序图中未体现）：在802.11中是有可能存在传输失败的，比如（信号质量差或者发生碰撞）。在冲突之后，节点是需要对数据进行重传。重传的过程是一个完整的重新传输的过程，从而也会浪费更多的时间。为了减少重传时间这样比较大的时间浪费，协议设计时就会尽量减少发生重传的概率。

以上都是一个简单的分析，之后我们会在介绍Bianchi模型时进行更具体的分析。

802.11的物理层速率

前面我们叙述了一下802.11实际速率，即MAC层吞吐量的部分。以下我们着重介绍一下802.11的物理层速率以及其具体计算方法。在802.11中一共规定了4中基本工作模式（DSSS，FHSS，IR，以及OFDM），其中基于DSSS的802.11b以及基于OFDM的802.11a/g/n/ac都被较多的使用。本节我们分别以802.11b以及802.11g举例介绍下计算方式。

DSSS（802.11b）

DSSS是基于直序扩频的工作方式，其中每一个数据Bit都被映射到一个扩频序列进行发送。扩频序列是一个特殊的二元脉冲序列，其中每一个脉冲我们称之为一个码片（chip）。在这个码片内的那个1和0是不承载信息（即数据Bit），信息是通过识别整个码片来传递的，即多个码片代表一个数据Bit。在802.11b中，采用了Barker码和CCK码这两种扩频序列。在802.11b中，码片速率（chip rate）代表每秒发送或者接收的码片数目，协议中为11Mchip/s。

如上图，符号/码片比对应特定的扩频编码方式（包含扩频序列和编码方式）。

DSSS物理层的速率 = 调制阶数 * 码片速率 * 符号/编码比

以上图的802.11b为例，调制阶数是DBPSK即为1，符号/码片比为1/11（即默认的barker码，用11位的扩频序列代表1个bit），故 1 * 1 * 11Mchip/s = 11Mbps。

OFDM（802.11g）

OFDM是采用正交子载波进行工作的一种模式，即将整个数据信道分解成很多个子载波，这些子载波在数学上是正交的，比如在802.11a中，有用的数据子载波就是48个（详细的是64个子载波，其中48个是数据子载波，4个导频子载波，1个DC子载波不使用，其余的都是用来做保护的虚拟子载波，具体图例参考802.11协议精读8：再论802.11a/g的发送过程与接收过程）。

在OFDM机制下，发送方发送的实际上是一个个symbol，比如一个帧就是由 [ symbol_1 symbol_2 symbol_3 ... symbol_xx]，这样组成的，当子载波给定的情况下（比如802.11a就是固定48个有效子载波），那么其symbol的周期就是固定的，不会随着速率变化而变化，在802.11a中，该symbol周期就是4us。在给定symbol周期的情况下，发送速率实际上是由这个symbol上所能够携带的信息量决定的，而这个信息量又是又调制方式和编码速率决定的。

如上图，这里的调制就是对应的调制方式，FEC速率就是对应的编码速率。

OFDM物理层的速率 = （数据子载波数目 * 调制阶数 * 编码效率) / (symbol周期）

以上图的802.11a为例，数据子载波数目为48个，调制阶数是16QAM即为4，编码速率为1/2（可以简单理解编码速率为冗余度，即将1个bit传输2次，避免错误），故 [ 48*4*(1/2) ] / 4us = 24Mbps。若速率越高，那么对信号质量的要求越高（即灵敏度要求越高，参考下图，07版协议第617页）。

其中Minimum sensitivity (dBm) 一栏就描述的是接收方需要的接收灵敏度，该数值也高（比如-65dBm就比-82dBm要高17dB）。信号越好，传输速率才可以达到更高。