一種改善Ad Hoc網絡鏈路層性能的方法＊

徐玲玲

（廣州海格通信集團股份有限公司 廣州 510663)

1 引言

Ad Hoc網絡是由一組帶有無線收發裝置的移動終端組成的一個多跳的臨時性自治系統［1］。由于它具有組網靈活、抗毀性強、支持用戶的移動性和動中操作、易于快速部署等特點，從一開始就在商業、軍事、經濟領域獲得了廣泛的應用［2］。

一般采用自適應技術來克服無線信道的時變衰落特性，就其鏈路層而言，自適應編碼調制技術已經得到廣泛的研究和應用［3］。自適應編碼調制AMC（Adaptive Modulation and Coding)技術根據收端反饋的信道狀態信息選擇編碼調制方式，提高了頻譜利用率［4～5］，其中信道狀態信息一般包括：誤幀率FER（Frame Error Ratio)、接收端信噪比SNR（Signal－to－Noise Ratio)等［6］?；?FER對編碼調制方式進行調節的方法，實現簡單，但由于FER不能及時精確地反映時變衰落信道的變化情況，所以性能較差；而采用SNR作為信道狀態信息的AMC技術，其性能較好，但實現過程復雜，并且估計過程中的誤差以及反饋過程中的延時都將影響系統的性能。本文提出一種適用于慢衰落環境下的基于FER與SNR估計的AMC方法，結合FER和SNR的優點，從而獲得更高的系統吞吐量及頻譜效率。

2 AMC的系統框圖

與傳統的Ad Hoc網絡相比，采用AMC技術的Ad Hoc網絡增加了信道狀態估算模塊，并通過反饋信道傳遞該模塊估算的結果，發端依據反饋的結果結合預先定義好的AMC策略調整調制編碼方式（不同的速率對應不同的調制編碼)，以便在不同的信道條件下獲得最大的數據吞吐量［7～9］。

圖1 AMC系統框圖

3 AMC方法分析

本文從數據傳輸機制、AMC策略、優缺點、性能統計結果等幾個方面分析基于FER的AMC方法和新提出的基于FER與SNR估計的AMC方法。兩種方法遵循共同的約定：如果一個數據包中的每個幀都被正確接收或者所有N個數據幀的重傳次數總和不超過三次，則此數據包被成功接收。

3.1 基于FER的AMC方法（方法Ⅰ)

數據傳輸機制：發端發送一個數據包的N個數據幀，收端向發端反饋接收情況，發端將重傳未正確接收的幀，直到收端反饋正確接收或達到最大重傳次數。

AMC策略：如果收端連續兩次未正確接收數據幀，發端降一級發送速率；若降級后緊接著的數據幀未能成功接收，發端再降一級發送速率，超過三次未正確接收則放棄本包數據發送；當累積成功接收十次數據幀時，發端將提升一級發送速率。

存在的缺陷：這種AMC技術不需要信道預測，實現起來比較簡單；但是該技術不能對無線信道的波動產生迅速的反應，因此其性能也無法達到最優。

不考慮降速的影響，數據包的接收成功率為

不考慮降速的影響，不管是重傳成功還是被發端丟棄，平均需要的傳輸時間為

其中，Pε表示誤幀率，T表示發送每幀數據需要的時間。

3.2 基于FER與SNR估計的AMC方法（方法Ⅱ)

數據傳輸機制：在方法Ⅰ的基礎上，收端對接收的數據增加SNR估計，并反饋到發端。

AMC策略：在方法Ⅰ的基礎上，增加SNR估計對發送速率的決策，如果收端未正確接收數據幀，且發送速率高于SNR估計推薦的速率，在第一次重傳時，使用推薦的速率；如果連續三次正確接收數據幀，且都低于SNR估計推薦的速率，在發送下一個數據幀時使用推薦的速率。

優點分析：增加了SNR估計，使發送速率較為迅速地適應信道的波動；將FER與SNR估計結合使用，也降低了單純依賴SNR估計的風險。

假設第一次重傳時使用推薦的速率就能發送成功，改進方法后，數據包的接收成功率為

同樣的假設，平均需要的傳輸時間為

實際上，SNR估計的準確度與幀長、前后內插用的幀的個數以及歸一化多普勒頻移有關，估計的準確度可以達到0.9以上［10］。

4 算法仿真

使用Matlab仿真工具研究采用這兩種方法的鏈路層性能，主要研究數據包接收成功率和傳輸時延。

4.1 數據包接收成功率

N表示一個數據包的數據幀個數，圖2給出了N值為4、5、6時，數據包接收成功率隨誤幀率增加的關系曲線。從圖中可以看出，同一種方法，N越大，數據包接收成功率越低；在相同N值時，方法Ⅱ的數據包接收成功率顯著高于方法Ⅰ；方法Ⅱ的數據包接收成功率隨幀誤碼率的提高下降緩和，在誤碼率為0.5時還能保持較高的接收成功率，而方法Ⅰ在誤碼率為0.5時接收成功率不足0.5。

圖2 兩方法數據包接收成功率與幀誤碼率的關系對比

此仿真結果是在方法Ⅰ不考慮降速處理對成功率的提升、方法Ⅱ不考慮SNR估計的成功率的情況下得出的，實際的結果應該介于兩條曲線之間。

4.2 傳輸時延

圖3給出了傳輸時延隨誤幀率增加的關系曲線。從圖中可以看出，同一種方法，N越大，傳輸時延越大；在相同N值時，方法Ⅱ的傳輸時延小于方法Ⅰ，并且方法Ⅱ的傳輸時延隨誤幀率的增加上升緩和，在誤碼率為0.5時傳輸時延控制在0.75以內，而方法Ⅰ在誤碼率為0.5時傳輸時延將近0.85。

圖3 兩方法傳輸時延與幀誤碼率的關系對比

同樣的，此仿真結果是在方法Ⅰ不考慮降速處理對成功率的提升、方法Ⅱ不考慮SNR估計的成功率的情況下得出的，實際的結果應該介于兩條曲線之間。

5 結語

針對單純基于FER或SNR估計的AMC技術的不足，本文結合兩種方法的優缺點，提出了一種改進的AMC技術，并用數學統計方法推導出了兩種方法的數據包接收成功率和傳輸時延。系統仿真表明，方法Ⅱ在高誤幀率的情況下還維持了較高接收成功率、較低傳輸時延的特性，提升了Ad Hoc網絡鏈路層性能。

［1］王金龍，王呈貴，吳啟暉，等.Ad Hoc移動無線網絡［M］.北京：國防工業出版社，2004：12.

［2］盛敏.移動Ad Hoc網絡關鍵技術研究［D］.西安：西安電子科技大學，2003，1.

［3］J.M.Torrence，L.Hanzo.Upper bound performance of adaptive modulation in a slow Rayleigh fading channel［J］.IEEE Electronics Letters，1996，32（4)：718.

［4］Goldsmith A J.VariableRate VariablePower MQAM for Fading Channels［J］.IEEE Transactions on Communications，1997，45（10)：12181230.

［5］Goldsmith A J.Adaptive coded modulation for fading channels［J］.IEEE Transactions on Communications，1998，46（5)：595602.

［6］葛躍田.鏈路自適應技術的仿真研究［D］.南京：東南大學，2004，17.

［7］Dennis L，Goeckel.Adaptive coding for timevarying channels using outdated fading estimates［J］.IEEE Transactions on Communications，1999，47（6)：844855.

［8］Paul Lettieri，Curt Schurgers，Mani Srivastava.Adaptive link layer strategies for energy efficient wireless networking［J］.Wireless Network，1999：339355.

［9］Pinar Ormeci，Xueting Liu，Dennis L，et al.Adaptive BitInterleaved Coded Modulation［J］.IEEE Transactions on Communications，2001，49（9)：15721581.

［10］單超，張邦寧.自適應編碼調制技術［J］.軍事通信技術，2005，26（1)：4650.