一种Wi-Mesh网络中混合速率控制算法

祝建建， 方旭明， 沈 强， 付晓强

0 引言

Wi-Mesh是一种集成了无线局域网（Wi-Fi）和移动 Ad hoc网络特性的新型宽带无线网络结构，是一种高容量、高速率的分布式无线网络[1]。IEEE 802.11a/g在物理层支持多种传输速率[2]，但是在标准中并没有规定如何设置数据帧的发送速率[3]，因此，很多MAC层的速率自适应协议被相继提出。ARF协议是较早提出的一种基于发送方信息统计的速率自适应协议[4]，在ARF协议中，若发送方连续2次没有接收到ACK帧，就认为信道质量变差，降低发送速率，若发送方连续10次成功地接收到ACK帧，则推定信道质量提高，因而尝试提高数据帧发送速率。文献[5]提出了对质量稳定的信道以及质量快速变化的信道采用了3和10两种计数值门限的协议算法，然而两种计数值门限依然不能很好地适应信道的变化。

基于以上背景，本文提出了混合速率控制协议 HRC（Hybrid Rate Control），在 ARF协议的基础上引入基于目的节点回复ACK帧的SNR变化情况反向估计信道质量变化的机制，以不改变ARF协议中的计数值门限设置方式提高ARF协议的性能。

1 HRC协议设计

1.1 反向信道估计策略

数据帧到达接收端的 SNR值大小是决定数据帧发送速率合理选取的最直接因素，而ARF协议在调整数据帧发送速率时却并没有考虑这一因素，主要原因是发送端想要实时得知数据帧到达接收端的SNR值是不易实现的。文献[6]中提及的 RABR（Receiver-Based AutoRate）协议需要对现有的标准进行修改，强制使用RTS/CTS机制，因而一直没有得到实际应用。文献[7]提出了反向信道估计策略，主要思想就是将节点对之间信道质量对等，并基于该理论对数据帧传输调制模式进行自适应调整。Wi-Mesh网络的骨干网络是由一些相同的MAP（Mesh Access Point）构成，MAP之间进行数据通信时，采用相同的发射功率，数据双向传输是在同一个物理信道中进行，其干扰以及衰减情况双向对称。基于上面的分析，本文得出了反向信道估计可以应用于Wi-Mesh网络MAP节点对之间数据传输速率控制的结论。

1.2 数据帧分段以及阈值更新机制

[8]，本文首先将无线网络中的数据帧分为 3段，如下式：

其中，x为数据帧帧长（Byte）， f ( x)为分段处理后的帧长，结合802.11 a/g的7种物理层调制模式，可以得到一个3×7的二维阈值矩阵TH，矩阵里面的每一个元素 T H [i ,j]被定义为第i段长度的数据帧选择第 j种调制模式的信道质量阈值，其中i取值从0至2依次对应数据帧分段机制的数据帧段，j取值从0至6依次对应802.11a/g物理层的7种调制模式。阈值矩阵TH的每个元素在数据帧的收发过程中会不断地得到更新。令 Rss_avg反映当前信道质量， R ( j)为当前使用的数据帧发送速率，R ( j + k )为即将尝试的高数据帧发送速率。源节点收到目的节点回复 ACK帧时，依据其 SNR值对Rss_avg值按式（2）进行更新：

其中， a1+ a2= 1 ,a1, a2≥ 0 。节点使用当前速率 R ( j)连续10次成功发送数据帧后，则将 Rss_avg与阈值矩阵中的TH [i ,j+k](k＞1)进行比较。如果 Rss_avg＜TH(i,j+k )，则保持当前速率进行下一次数据帧发送；如果 Rss_avg≥TH(i, j +k)，则尝试以 R ( j + k )进行下一次数据帧发送。如果尝试发送成功，则后面的数据帧都调整到该速率发送，如果失败，则会激活阈值矩阵更新机制。本文参照文献[5]提出如下更新机制：

Rss_avg以及 T H [i , j+ k ]的更新均为收敛型的更新机制，由于使用相同的参数 a1、a2，两更新机制的收敛速度相同，但 Rss_avg的更新频率要高于 T H [ i , j+ k ]，这就保证了信道质量变化时，数据帧的发送速率可以实时地得到调整。

1.3 HRC协议实现过程

基于数据帧分段机制以及阈值矩阵更新机制，可以得到图1中的HRC协议实现流程图。当信道处于稳定状态时，每发送12个数据帧，HRC协议理论上可以较ARF协议减少2个数据帧的发送失败，提高 16.7%（2/12）的系统性能。当节点对之间信道质量处于快速变化时，HRC协议引入了反向信道估计机制，可以快速地调整数据帧发送速率以匹配信道质量，提高了速率调整的实时性。

2 仿真及性能评估

2.1 仿真环境设置

本文使用NS2网络仿真平台对所提出的HRC协议进行仿真，并与ARF协议进行了性能比较。在NS2网络仿真平台已有网络组件的基础上，仿真中使用了多速率传输模型，物理层支持802.11a/g的7种传输速率，传输信道模型为加载了高斯白噪声干扰的自由空间传输模型，接收时使用基于概率统计的接收判别模型。本文分别比较了静态网络拓扑以及动态网络拓扑条件下，HRC协议与ARF协议在减少数据帧重传以及提高系统吞吐性能方面的能力。

图1 混合速率控制协议实现流程

2.2 静态网络拓扑仿真

网络由一对位置相对静止的对等节点构成。节点1发送数据帧到0节点，0节点不发送数据帧，只回复ACK帧。节点在仿真过程中使用不同的发射功率以改变数据帧到达接收节点的SNR情况。

图2表明，HRC在减少数据帧重传方面的性能要优于ARF协议。图3的仿真结果表明，采用HRC协议比采用ARF协议可以获得更高的系统吞吐性能。当发射功率较小，HRC协议会比ARF协议性能稍差，这主要是因为天线发射功率太低导致数据帧发送成功概率很小，信道估计机制中的更新机制频率会大大降低，降低了信道质量估计的实时性，影响了系统的吞吐性能。

图2 静止网络拓扑数据帧重传比率比较

图3 静止网络拓扑系统吞吐性能比较

2.3 动态网络拓扑仿真

本部分完成了动态网络拓扑的仿真。节点1在数据帧发送过程中同时做匀速直线运动，节点0一直处于静止状态。节点对之间的距离经历由远到近，再由近到远变化。节点发射功率保持恒定。

仿真图4、图5表明：HRC协议较ARF协议可以有效地降低数据帧重传比率；随着节点运动速率的加快，系统的吞吐性能会下降，但是应用HRC协议相对ARF协议系统吞吐性能一直保持有10%左右的提升，这也验证了理论分析的结果。

图4 动态网络拓扑数据帧重传比率比较

图5 动态网络拓扑系统吞吐性能比较

3 结语

HRC协议基于反向信道估计策略对信道变化情况进行合理的预估，避免了不必要的数据帧发送速率调整，通过信道估计又可快速地调整数据帧发送速率到匹配信道质量的调制模式，最终可以提高系统的吞吐性能。本文所提出的HRC协议不需要对标准进行修改，所以该协议可应用于实际Wi-Mesh网络的速率控制。

参考文献

[1] 方旭明. 下一代无线因特网技术：无线Mesh网络[M].北京：人民邮电出版社,2006.

[2] 张静,李中云.宽带无线接入技术-WLAN[J].通信技术,2003（11）：65-67.

[3] 顾雪琳，张秀刚. WLAN中 MAC子层接入技术的研究[J].通信技术,2003(01)：50-52.

[4] Kamerman A, Montean L. WaveLan-Ⅱ： A High-Performance Wireless LAN for the Unlicensed Band[J]. Bell Labs Technical Journal,1997,2(03)：118-113.

[5] Chevillat P, Jelitto J, Barreto A N. A Dynamic Link Adaptation Algorithm for IEEE 802.11a Wireless LANS[C]. USA： IEEE,2003：1141-1145.

[6] Gavin H, Nitin V. A Rate-adaptive MAC Protocol for Multi-hop Wireless Networks[C].USA： ACM, 2001：236-251.

[7] Javier del Prado Pavon, Sunghyun Choi. Link Adaptation Strategy for IEEE 802.11 WLAN via Received Signal Strength Measurement[C].USA：IEEE,2003：1108-1113.

[8] John C Bicket. Bit-rate Selection in Wireless Networks[D]. USA：Massachusetts Institute of Technology, 2005.