無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)MAC層速率自適應(yīng)技術(shù)研究

祁志娟， 劉 偉， 張麗麗

（河南科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

0 引言

無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱Ad Hoc網(wǎng))是一種新型的網(wǎng)絡(luò),它具有無中心、自組織、多跳等特點(diǎn),適用于救援、會議、戰(zhàn)場和危險(xiǎn)環(huán)境中的目標(biāo)監(jiān)控等場合,還可用于蜂窩末端網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展,有效地彌補(bǔ)了有線網(wǎng)絡(luò)和有基礎(chǔ)設(shè)施連接的無線網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用上的不足[1]。由于這些原因,Ad Hoc網(wǎng)近年來備受關(guān)注,成為研究的一個熱點(diǎn)。

目前,大量的研究是對基于802.11[2]標(biāo)準(zhǔn)的Ad Hoc網(wǎng)所進(jìn)行的。在最初的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中,所有的幀都以單一的速率發(fā)送,然而,無線信道具有時(shí)變特性[3],單一速率不能很好地適應(yīng)它的這一特點(diǎn),導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生大的起伏,因此,隨后的標(biāo)準(zhǔn)在物理層通過改變調(diào)制與編碼方式提供了對多速率的支持。雖然提供了對物理層的多速率支持,但是在MAC層標(biāo)準(zhǔn)只對不同類型的幀規(guī)定了不同的發(fā)送速率,卻沒有規(guī)定數(shù)據(jù)幀如何根據(jù)信道狀態(tài)選擇和切換合適的發(fā)送速率，因此研究人員針對這一問題展開了研究,提出了許多方案。第一個商用的實(shí)現(xiàn)多速率的MAC協(xié)議是ARF(自動速率回退)協(xié)議[4],它通過統(tǒng)計(jì) ACK幀的接收情況來決定接下來提高或降低發(fā)送速率,其優(yōu)點(diǎn)是不需要對標(biāo)準(zhǔn)做過多改動,容易實(shí)現(xiàn),缺點(diǎn)是使用過時(shí)的信息來決定速率的選擇,不能及時(shí)地響應(yīng)信道的快速變化。針對它的這一不足,RBAR(基于接收方的自動速率)協(xié)議[5]有所改進(jìn)。接收節(jié)點(diǎn)在收到RTS幀后,根據(jù)物理層分析得出信噪比(SNR)值,以此選擇隨后傳輸數(shù)據(jù)幀所使用的速率,然后在CTS幀中將該速率信息通知給發(fā)送節(jié)點(diǎn)。由于傳輸速率是接收節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)幀傳輸之前的RTS/CTS交換期間選擇的,信道質(zhì)量的估計(jì)相對于ARF來說更準(zhǔn)確,因此其對信道狀態(tài)變化的反應(yīng)更快、適應(yīng)能力更強(qiáng),與 ARF和單速率的 802.11相比具有更高的吞吐量。但是該協(xié)議不僅修改了MAC層,還修改了物理層,對標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧改動較大。OAR(機(jī)遇式自動速率)協(xié)議[6]和 AAR（自適應(yīng)自動速率）協(xié)議[7]則是利用信道條件好的時(shí)候讓發(fā)送節(jié)點(diǎn)以背靠背的方式連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀,并將每個幀當(dāng)作一個分段來看待,不同之處是OAR以同一速率傳輸連續(xù)的背靠背分段,而AAR 以自適應(yīng)的速率傳輸每個分段。以上協(xié)議都只考慮了數(shù)據(jù)幀部分的速率自適應(yīng),控制幀都以基本速率發(fā)送,FAR(全自動速率)協(xié)議[8]則提出讓控制幀也以自適應(yīng)的速率進(jìn)行傳輸,從而進(jìn)一步提高了吞吐量。RAFDA(基于模糊數(shù)據(jù)融合算法的速率自適應(yīng)算法)[9]將反映信道狀態(tài)的多個參數(shù)納入到信道的綜合評判中,克服了采用單一參數(shù)進(jìn)行信道估計(jì)的誤差和誤判,提高了速率選擇機(jī)制的性能。

1 算法介紹和改進(jìn)方案

MAC層速率自適應(yīng)的核心內(nèi)容就是對信道進(jìn)行動態(tài)估計(jì),并根據(jù)估計(jì)值選擇當(dāng)前信道條件下最佳的傳輸速率,以達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)吞吐量。它包括兩個方面：信道質(zhì)量估計(jì)和速率選擇。信道質(zhì)量估計(jì)主要是估計(jì)無線信道的時(shí)變參量(通常選SNR),通過這些參量來估計(jì)信道質(zhì)量。一般來說,信道質(zhì)量越差,接收端接收的信號SNR就越低,信號就越難正確接收。速率選擇主要是根據(jù)估計(jì)的參量值選擇最佳的傳輸速率,通常是使用簡單的基于門限值的方法來選擇。選擇速率實(shí)際上就是選擇調(diào)制方式。根據(jù)不同的SNR門限值來選擇不同的調(diào)制方式,從而也就相應(yīng)地選擇了不同的速率。SNR值可以通過物理層分析得出,而誤碼率（BER）與SNR之間又存在著一定的關(guān)系,各種調(diào)制方式的 BER的近似表示如下式所示（假設(shè)在高斯白噪聲信道下）：

式中bγ為接收信號的比特信噪比,bγ與符號信噪比SNR的關(guān)系可以表示為：

根據(jù)上述關(guān)系可以繪制一個不同調(diào)制方式下SNR與BER的關(guān)系曲線圖,從結(jié)果中得知,在滿足一定的 BER性能下,高速率的調(diào)制方式需要更高的SNR。

在上述理論的基礎(chǔ)上,Ad Hoc網(wǎng)的速率自適應(yīng)過程還要依賴于RTS/CTS/Data/ACK幀傳輸序列來完成。具體來說,信道質(zhì)量估計(jì)需要基于這些幀進(jìn)行測量, 同時(shí)速率選擇信息也需要以這些幀來傳遞。前者實(shí)現(xiàn)起來比較容易,但是后者實(shí)現(xiàn)起來就比較困難了,因?yàn)?02.11定義的MAC幀中沒有字段用來傳輸速率信息,為了做到這一點(diǎn),RBAR協(xié)議重新定義了 MAC幀頭的 Duration字段,并對物理層的 PLCP幀頭的Signal字段進(jìn)行了重新定義,這使得那些服從802.11標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備不能理解 RBAR協(xié)議的內(nèi)容,而且實(shí)現(xiàn)起來也相對復(fù)雜,由于目前現(xiàn)存的大量的無線設(shè)備仍然服從802.11標(biāo)準(zhǔn),因此RBAR協(xié)議的兼容性和互操作性很差?？紤]到兼容性的問題,如何將速率信息返回給發(fā)送節(jié)點(diǎn)而又不對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容做過多改動呢？與RBAR協(xié)議重新定義幀格式的字段不同,本文對標(biāo)準(zhǔn)的幀格式進(jìn)行了部分?jǐn)U展,記作 RTS-E/CTS-E/Data-E/ACK-E,其中 RTS-E和 Data-E仍保持標(biāo)準(zhǔn)的幀格式定義,CTS-E和ACK-E則在FCS字段后增加了兩個新字段,其中Rate字段用來存放速率信息,Check Sum字段用來對Rate字段的內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn),這樣接收端就可以把所選擇的速率信息存放在Rate字段里利用CTS幀帶回給發(fā)送節(jié)點(diǎn)。對于分段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀來說,如果分段較多,在分段傳輸過程中信道可能已經(jīng)發(fā)生變化,如果仍然采用 RTS/CTS幀交換期間選擇的速率進(jìn)行傳輸顯然是不合適的，因此有必要讓每個分段也以自適應(yīng)的速率進(jìn)行傳輸,接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收分段的信噪比選擇下一分段的傳輸速率,并將該速率信息由 ACK幀帶回給發(fā)送節(jié)點(diǎn),為此對ACK幀也進(jìn)行了擴(kuò)展。在實(shí)際應(yīng)用中,將支持?jǐn)U展幀格式的節(jié)點(diǎn)稱作擴(kuò)展節(jié)點(diǎn),而把支持標(biāo)準(zhǔn)幀格式的節(jié)點(diǎn)稱作802.11節(jié)點(diǎn)，當(dāng)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí),凡是偵聽到和接收該幀的802.11節(jié)點(diǎn),依然將其看作標(biāo)準(zhǔn)的幀格式進(jìn)行處理,只需忽略其擴(kuò)展的尾部字段,而對于接收該幀的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)則按照速率自適應(yīng)的過程進(jìn)行處理。這樣即保證了擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)之間的互操作性,也實(shí)現(xiàn)了與大量存在的支持標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備之間的兼容性。

2 仿真試驗(yàn)及性能分析

下面通過仿真對本文提出的協(xié)議和RBAR協(xié)議進(jìn)行性能比較。模擬仿真平臺采用OPNET Modeler 10.5,仿真中使用的站點(diǎn)隨機(jī)分布在200m×200m的矩形區(qū)域內(nèi),其物理/MAC層服從IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)(具體參數(shù)見表1）,業(yè)務(wù)產(chǎn)生采用ON-OFF模式,每個包大小按照指數(shù)分布函數(shù)來確定,最大為1024字節(jié),包到達(dá)服從泊松分布，間隔為 0.01 s，發(fā)送方始終有數(shù)據(jù)發(fā)送，也即網(wǎng)絡(luò)處于飽和狀態(tài),模擬時(shí)間設(shè)置為200 s。

表1 IEEE 802.11a中物理層和MAC層的主要參數(shù)

為了分析方便,本文選擇 BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM作為多速率的調(diào)制方式,并且假設(shè)不使用糾錯編碼[10]。信道帶寬設(shè)置為6 MHz,因此這些調(diào)制方式可以分別提供6 Mb/s、12 Mb/s、24 Mb/s和48 Mb/s的數(shù)據(jù)率。不同調(diào)制方式通過SNR 來選擇,其選擇的標(biāo)準(zhǔn)是滿足 BER為 1e-5,具體為：當(dāng)SNR＜12.6dB,選擇 BPSK；當(dāng) 12.6 dB≤SNR＜19.5 dB,選擇QPSK；當(dāng) 19.5 dB≤SNR＜25.6 dB,選擇 16-QAM；當(dāng) SNR≥25.6 dB,選擇64-QAM。

仿真考察的內(nèi)容主要有兩項(xiàng),一是吞吐量隨站點(diǎn)數(shù)目增加的性能變化,二是吞吐量隨站點(diǎn)移動速度增加的性能變化?？疾斓谝豁?xiàng)時(shí)站點(diǎn)數(shù)目依次為4、8、12、16、20個,每種情況經(jīng)過 10次取不同隨機(jī)種子數(shù)仿真結(jié)果的均值繪制曲線，見圖1；考察第二項(xiàng)時(shí)場景設(shè)置為：場景中僅包含2個站點(diǎn),其中一個站點(diǎn)位置固定,另一個站點(diǎn)則沿直線路徑重復(fù)地遠(yuǎn)離和靠近該站點(diǎn),移動速度分別為2、4、6、8、10 m/s,每個場景取10次不同種子數(shù)仿真結(jié)果的均值，見圖2。

圖1 吞吐量與站點(diǎn)個數(shù)的關(guān)系曲線

圖2 吞吐量與移動速度的關(guān)系曲線

以往的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)隨著站點(diǎn)數(shù)目的增加,由于碰撞,會造成吞吐量的迅速下降,我們的仿真結(jié)果也證明了這一點(diǎn)：如圖1所示,隨著站點(diǎn)數(shù)目的增加,兩種協(xié)議的吞吐量都急劇的下降,但是改進(jìn)協(xié)議的吞吐量比 RBAR協(xié)議仍然有大約17%～31%的提高,這主要得益于其采用的分段速率自適應(yīng)的策略。

從圖 2中可以看出,兩個協(xié)議的吞吐量隨著站點(diǎn)移動速度的增加均有所下降。當(dāng)信道相干時(shí)間大于發(fā)送 CTS包和Data包所需的時(shí)間時(shí),協(xié)議中所使用的信道質(zhì)量預(yù)測機(jī)制能夠很好的工作,而對于較低的移動速度來說,信道相干時(shí)間一般較長,可以支持包以所有的數(shù)據(jù)速率發(fā)送。但是,隨著站點(diǎn)的移動速度增加,信道相干時(shí)間將縮短,高的數(shù)據(jù)速率將受到影響，從而導(dǎo)致了性能的下降。但是改進(jìn)協(xié)議由于采用了分段速率自適應(yīng)機(jī)制,所以其吞吐量相對于RBAR協(xié)議仍然有大約5%～22%的提高。

3 結(jié)語

Ad Hoc網(wǎng)MAC層的速率自適應(yīng)機(jī)制能夠利用物理層提供的多速率功能,提高系統(tǒng)的吞吐量,其基本思想是根據(jù)對無線信道的質(zhì)量估計(jì),自適應(yīng)地調(diào)整傳輸速率。本文提出了一種簡單的MAC層速率自適應(yīng)協(xié)議,與RBAR協(xié)議相比,該協(xié)議不但具有RBAR協(xié)議對信道狀態(tài)變化反應(yīng)快的特點(diǎn),還避免了對物理層的修改,實(shí)現(xiàn)起來更加容易,在提高性能的同時(shí)保持了與標(biāo)準(zhǔn)的兼容性和互操作性。

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