Ad Hoc網絡基于TCP吞吐量的速率自適應技術

吳靜靜，高仲合，呂見霞

（曲阜師范大學 計算機科學學院，山東 日照 276826）

0 引言

Ad Hoc與傳統的有線網絡相比，它具有無中心、自組織、節點移動、多跳和受限的無線傳輸帶寬等特點[1]。由于節點的頻繁移動和相鄰節點的競爭，無線鏈路的傳輸錯誤引起相當多的段丟失，TCP發送端就誤認為這些段丟失是由于擁塞引起的。盡管有時帶寬是充足的，發送端也會抑制自己的發送速率。因此，信道的利用率大大降低，TCP的性能急劇惡化。

另一方面，在 IEEE802.11[2]協議系列中，物理層具有多速率傳輸能力,能夠自動適應鏈路特征，自動溝通協商通信的速率與通信[3]，在此基礎上，MAC協議應該能根據信道情況自適應地選擇傳輸速率,以達到最佳的吞吐量。因此，針對Ad Hoc網絡已經提出了一些自適應速率方法[4]，如自動速率回退(ARF)協議，基于接收方的自動速率 (RBAR)，機遇式自動速率(OAR)和自適應自動速率 (AAR)，另外還有機會分組調度自動速率 (OSAR)和全自動速率(FAR)協議。

文中提出了一種自適應速率傳輸機制，該方法盡量滿足傳統的802.11標準。而且傳輸速率是根據 TCP吞吐量性能選擇的，對于分段傳輸的數據幀，每一幀都能自適應地選擇傳輸速率。從仿真結果可以看出，該方法能夠較好地提高系統的吞吐量。

1 自適應速率的選擇

速率自適應 MAC 協議的基本思想就是對信道進行動態估計, 并根據估計值選擇當前信道條件下最佳的傳輸速率,以達到最優的吞吐量[5]。該方法中，接受端為即將到來的數據包估計信道情況，包誤差率以及傳輸速率的TCP吞吐量。然后，接收端為每個數據包選擇合適的傳輸速率，并通過包傳送給發送端。

網絡中的節點采用載波監聽機制監聽周圍媒介的忙閑情況。當信道空閑時，發送節點以基本速率V0發送一個RTS 幀，使處在傳輸范圍內的接收節點無差錯接收。接收端根據收到的RTS包估計出信噪比（SNR），誤碼率（BER）與 SNR 之間又存在著一定的關系, 根據分析模型得到傳輸速率v下的誤碼率 Pb(v),利用包長度可以得到下一個數據包的包誤差率Pf(v):

由于TCP是根據有線網絡傳輸特點設計的，其性能在無線網絡環境下會急劇惡化。接收端在選擇合適的傳輸速率時，把TCP性能作為一個標準。根據分析模型[6]可得，當包誤差率增加時，TCP性能會急劇惡化。估計的TCP吞吐量TCP()T v為:

當傳輸速率不同時，傳輸持續時間不同，因此消耗的無線資源也是不同的。當考慮每個傳輸速率所消耗的無線資源時，估計的TCP吞吐量為:

式中，maxV 是最大傳輸速率。最后接收節點根據TCP性能和消耗的無線資源，選擇一個最佳的傳輸速率SV:

2 數據包的傳輸

2.1 數據包不分片時

令 V0為首次傳輸的基本傳輸速率，為短的幀間隔持續時間,為傳輸速率為V0時，傳輸數據包所用的時間，為CTS包的持續時間，為ACK包的持續時間。最初的是設置在RTS包中的，當接收端收到 RTS包時，無需改變包結構就可以根據 N AV0值計算出要傳輸的數據包長度L:

接收端根據數據包長度L，利用式（4）選擇合適的數據包傳輸速率SV, 得到一個新的NAV值：

接受端把該NAV值放在CTS包的持續段中。當發送端接收到CTS包后，從NAV值中估計出選擇的傳輸速率:

這樣不需要改變包結構，發送端就可以得到下一個數據包的傳輸速率′。

2.2 數據包分片時

當要傳輸的數據包較長時，由于無線信道通訊質量較差，需要對數據包進行分片，這時就可以在一次使用RTS和CTS預約信道后連續發送這些分片。當分片較多時，在分片傳輸過程中信道可能已經發生變化,如果仍采用 RTS/CTS 幀交換期間選擇的速率進行傳輸顯然是不合適的，針對以上特點,文中提出了讓每個分片以自適應的速率進行傳輸。接收節點根據式（4）選擇下一分片的傳輸速率,并將該速率信息由 ACK 幀帶回給發送節點,因此需要對DATA和ACK幀做一定的修改,如圖1、圖2所示。

圖1 DATA 幀結構

圖2 ACK幀結構

該方法中RTS和CTS幀結構保持不變，將DATA和ACK幀結構中的持續時間字段進行修改，這種修改與802.11標準的持續時間域并不沖突，因為持續時間的值是由傳輸速率和數據包長度計算出來的，所以修改后的幀結構能為其傳輸范圍內的節點設置NAV值提供足夠信息，每個分片都能根據信道質量選擇合適的傳輸速率，充分利用了信道資源，提高了系統的吞吐量。

3 仿真實驗及性能分析

下面通過仿真平臺 NS2[7]對文中提出的協議和RBAR 協議進行性能比較。模擬場景大小為200 m×200 m，物理層采用直接序列展頻技術（DSSS）,基于IEEE 802.11a標準,業務產生采用 ON-OFF模式,每個包大小按照指數分布函數來確定,最大為1 024 字節，TCP協議為 AODV，節點的移動速度1～10 m/s,模擬時間為200 s。

通過不斷增加站點數目來考察 TCP吞吐量情況。圖3顯示了文中修改的協議和RBAR協議的端到端吞吐量比較曲線。可以證實由于站點數增多，相互碰撞，會造成吞吐量快速下降。但是由于改進協議在數據包過長時采用基于TCP吞吐量的分段速率自適應傳輸，相比RBAR協議有一定的提高。

當節點之間移動速度增加時，從圖4可以看出提出的協議能夠保持較高的吞吐量。這是因為該方法不僅通過發送端的RTS包估計下一個數據包的包誤差率，還通過估計TCP吞吐量為下次傳輸選擇合適的速率。另外分段速率自適應傳輸在一定程度上提高了TCP吞吐量。

圖3 吞吐量和節點數的關系

圖4 節點速度和吞吐量的關系

4 結語

文中提出的改進MAC 層速率自適應協議[8]，更好地利用了物理層的多速率能力，接收端通過計算即將到來數據包的包誤差率和TCP吞吐量性能，選擇合適的傳輸速率，對于分段數據幀，每一段都能自適應選擇合適的速率，跟RBAR協議相比，無需對物理層進行修改，協議簡單容易實現，不僅提高了性能，還保持了與802.11標準的兼容性和互操作性。

文中創新點：提出了一種改進的 MAC 層速率自適應協議，該協議實現簡單，與傳統標準兼容性好，在提高TCP吞吐量的基礎上能適應快速變化的無線信道，對于分段傳輸的數據幀，每一幀都能自適應地選擇最優傳輸速率，從而提高系統的吞吐量。

[1] 侯祥博,王一強,楊金政.移動Ad Hoc 網絡技術研究及應用[J].通信技術,2009,42(08):15-18.

[2] IEEE 802.11 Working Group. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)Specifications[S].IEEE Std 802.11 -2007. New York,USA: IEEE, 2007:1-1184.

[3] 陳松.一種速率自適應技術的設計[J].信息安全與通信保密,2011(09):70-71.

[4] SHEU S, WANG Y, YIN H,et al.Adaptive Rate Controller for Mobile ad hoc Networks[J]. International Journal of Mobile Communications, 2003,1(03):312-328.

[5] 祁志娟,劉偉,張麗麗.無線Ad Hoc網絡MAC層速率自適應技術研究[J].通信技術，2010,43(02):172-173.

[6] NAITO K, OKADA H, SAITO M,et al.New Analytical Model for TCP in Wireless Environments[J].IEICE Transactions on Fundamentals,2002,E85-A(07):1501-1510.

[7] 方路平,劉世華,陳盼,等.NS-2網絡模擬基礎與應用[M].北京:國防工業出版社,2008.

[8] 王婷婷,李興德,周山泉.移動Ad Hoc網絡的安全路由協議研究[J].信息安全與通信保密,2007(08):182-184.