无线Ad Hoc网络MAC层速率自适应技术研究

祁志娟， 刘 伟， 张丽丽

（河南科技大学 电子信息工程学院，河南 洛阳 471003）

0 引言

无线Ad Hoc网络(以下简称Ad Hoc网)是一种新型的网络,它具有无中心、自组织、多跳等特点,适用于救援、会议、战场和危险环境中的目标监控等场合,还可用于蜂窝末端网络的扩展,有效地弥补了有线网络和有基础设施连接的无线网络在应用上的不足[1]。由于这些原因,Ad Hoc网近年来备受关注,成为研究的一个热点。

目前,大量的研究是对基于802.11[2]标准的Ad Hoc网所进行的。在最初的无线局域网标准中,所有的帧都以单一的速率发送,然而,无线信道具有时变特性[3],单一速率不能很好地适应它的这一特点,导致网络性能产生大的起伏,因此,随后的标准在物理层通过改变调制与编码方式提供了对多速率的支持。虽然提供了对物理层的多速率支持,但是在MAC层标准只对不同类型的帧规定了不同的发送速率,却没有规定数据帧如何根据信道状态选择和切换合适的发送速率，因此研究人员针对这一问题展开了研究,提出了许多方案。第一个商用的实现多速率的MAC协议是ARF(自动速率回退)协议[4],它通过统计 ACK帧的接收情况来决定接下来提高或降低发送速率,其优点是不需要对标准做过多改动,容易实现,缺点是使用过时的信息来决定速率的选择,不能及时地响应信道的快速变化。针对它的这一不足,RBAR(基于接收方的自动速率)协议[5]有所改进。接收节点在收到RTS帧后,根据物理层分析得出信噪比(SNR)值,以此选择随后传输数据帧所使用的速率,然后在CTS帧中将该速率信息通知给发送节点。由于传输速率是接收节点在数据帧传输之前的RTS/CTS交换期间选择的,信道质量的估计相对于ARF来说更准确,因此其对信道状态变化的反应更快、适应能力更强,与 ARF和单速率的 802.11相比具有更高的吞吐量。但是该协议不仅修改了MAC层,还修改了物理层,对标准协议栈改动较大。OAR(机遇式自动速率)协议[6]和 AAR（自适应自动速率）协议[7]则是利用信道条件好的时候让发送节点以背靠背的方式连续发送多个数据帧,并将每个帧当作一个分段来看待,不同之处是OAR以同一速率传输连续的背靠背分段,而AAR 以自适应的速率传输每个分段。以上协议都只考虑了数据帧部分的速率自适应,控制帧都以基本速率发送,FAR(全自动速率)协议[8]则提出让控制帧也以自适应的速率进行传输,从而进一步提高了吞吐量。RAFDA(基于模糊数据融合算法的速率自适应算法)[9]将反映信道状态的多个参数纳入到信道的综合评判中,克服了采用单一参数进行信道估计的误差和误判,提高了速率选择机制的性能。

1 算法介绍和改进方案

MAC层速率自适应的核心内容就是对信道进行动态估计,并根据估计值选择当前信道条件下最佳的传输速率,以达到最优的系统吞吐量。它包括两个方面：信道质量估计和速率选择。信道质量估计主要是估计无线信道的时变参量(通常选SNR),通过这些参量来估计信道质量。一般来说,信道质量越差,接收端接收的信号SNR就越低,信号就越难正确接收。速率选择主要是根据估计的参量值选择最佳的传输速率,通常是使用简单的基于门限值的方法来选择。选择速率实际上就是选择调制方式。根据不同的SNR门限值来选择不同的调制方式,从而也就相应地选择了不同的速率。SNR值可以通过物理层分析得出,而误码率（BER）与SNR之间又存在着一定的关系,各种调制方式的 BER的近似表示如下式所示（假设在高斯白噪声信道下）：

式中bγ为接收信号的比特信噪比,bγ与符号信噪比SNR的关系可以表示为：

根据上述关系可以绘制一个不同调制方式下SNR与BER的关系曲线图,从结果中得知,在满足一定的 BER性能下,高速率的调制方式需要更高的SNR。

在上述理论的基础上,Ad Hoc网的速率自适应过程还要依赖于RTS/CTS/Data/ACK帧传输序列来完成。具体来说,信道质量估计需要基于这些帧进行测量, 同时速率选择信息也需要以这些帧来传递。前者实现起来比较容易,但是后者实现起来就比较困难了,因为802.11定义的MAC帧中没有字段用来传输速率信息,为了做到这一点,RBAR协议重新定义了 MAC帧头的 Duration字段,并对物理层的 PLCP帧头的Signal字段进行了重新定义,这使得那些服从802.11标准的设备不能理解 RBAR协议的内容,而且实现起来也相对复杂,由于目前现存的大量的无线设备仍然服从802.11标准,因此RBAR协议的兼容性和互操作性很差。考虑到兼容性的问题,如何将速率信息返回给发送节点而又不对标准内容做过多改动呢？与RBAR协议重新定义帧格式的字段不同,本文对标准的帧格式进行了部分扩展,记作 RTS-E/CTS-E/Data-E/ACK-E,其中 RTS-E和 Data-E仍保持标准的帧格式定义,CTS-E和ACK-E则在FCS字段后增加了两个新字段,其中Rate字段用来存放速率信息,Check Sum字段用来对Rate字段的内容进行校验,这样接收端就可以把所选择的速率信息存放在Rate字段里利用CTS帧带回给发送节点。对于分段传输的数据帧来说,如果分段较多,在分段传输过程中信道可能已经发生变化,如果仍然采用 RTS/CTS帧交换期间选择的速率进行传输显然是不合适的，因此有必要让每个分段也以自适应的速率进行传输,接收节点根据接收分段的信噪比选择下一分段的传输速率,并将该速率信息由 ACK帧带回给发送节点,为此对ACK帧也进行了扩展。在实际应用中,将支持扩展帧格式的节点称作扩展节点,而把支持标准帧格式的节点称作802.11节点，当扩展节点发送数据帧时,凡是侦听到和接收该帧的802.11节点,依然将其看作标准的帧格式进行处理,只需忽略其扩展的尾部字段,而对于接收该帧的扩展节点则按照速率自适应的过程进行处理。这样即保证了扩展节点之间的互操作性,也实现了与大量存在的支持标准的设备之间的兼容性。

2 仿真试验及性能分析

下面通过仿真对本文提出的协议和RBAR协议进行性能比较。模拟仿真平台采用OPNET Modeler 10.5,仿真中使用的站点随机分布在200m×200m的矩形区域内,其物理/MAC层服从IEEE 802.11a标准(具体参数见表1）,业务产生采用ON-OFF模式,每个包大小按照指数分布函数来确定,最大为1024字节,包到达服从泊松分布，间隔为 0.01 s，发送方始终有数据发送，也即网络处于饱和状态,模拟时间设置为200 s。

表1 IEEE 802.11a中物理层和MAC层的主要参数

为了分析方便,本文选择 BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM作为多速率的调制方式,并且假设不使用纠错编码[10]。信道带宽设置为6 MHz,因此这些调制方式可以分别提供6 Mb/s、12 Mb/s、24 Mb/s和48 Mb/s的数据率。不同调制方式通过SNR 来选择,其选择的标准是满足 BER为 1e-5,具体为：当SNR＜12.6dB,选择 BPSK；当 12.6 dB≤SNR＜19.5 dB,选择QPSK；当 19.5 dB≤SNR＜25.6 dB,选择 16-QAM；当 SNR≥25.6 dB,选择64-QAM。

仿真考察的内容主要有两项,一是吞吐量随站点数目增加的性能变化,二是吞吐量随站点移动速度增加的性能变化。考察第一项时站点数目依次为4、8、12、16、20个,每种情况经过 10次取不同随机种子数仿真结果的均值绘制曲线，见图1；考察第二项时场景设置为：场景中仅包含2个站点,其中一个站点位置固定,另一个站点则沿直线路径重复地远离和靠近该站点,移动速度分别为2、4、6、8、10 m/s,每个场景取10次不同种子数仿真结果的均值，见图2。

图1 吞吐量与站点个数的关系曲线

图2 吞吐量与移动速度的关系曲线

以往的研究已经发现随着站点数目的增加,由于碰撞,会造成吞吐量的迅速下降,我们的仿真结果也证明了这一点：如图1所示,随着站点数目的增加,两种协议的吞吐量都急剧的下降,但是改进协议的吞吐量比 RBAR协议仍然有大约17%～31%的提高,这主要得益于其采用的分段速率自适应的策略。

从图 2中可以看出,两个协议的吞吐量随着站点移动速度的增加均有所下降。当信道相干时间大于发送 CTS包和Data包所需的时间时,协议中所使用的信道质量预测机制能够很好的工作,而对于较低的移动速度来说,信道相干时间一般较长,可以支持包以所有的数据速率发送。但是,随着站点的移动速度增加,信道相干时间将缩短,高的数据速率将受到影响，从而导致了性能的下降。但是改进协议由于采用了分段速率自适应机制,所以其吞吐量相对于RBAR协议仍然有大约5%～22%的提高。

3 结语

Ad Hoc网MAC层的速率自适应机制能够利用物理层提供的多速率功能,提高系统的吞吐量,其基本思想是根据对无线信道的质量估计,自适应地调整传输速率。本文提出了一种简单的MAC层速率自适应协议,与RBAR协议相比,该协议不但具有RBAR协议对信道状态变化反应快的特点,还避免了对物理层的修改,实现起来更加容易,在提高性能的同时保持了与标准的兼容性和互操作性。

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