一種基于RBAR的高效速率自適應(yīng)算法

趙柏山，李嘉欣，陳 瑜

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.中國石油長慶油田分公司第四采油廠，寧夏 銀川 750006)

0 引言

IEEE802.11[1-2]是無線局域網(wǎng)通用標(biāo)準(zhǔn)，同時也是國際電機(jī)電子工程學(xué)會定義的無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。第五代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的定制，使應(yīng)用設(shè)備可以根據(jù)需要選擇不同的發(fā)送速率，速率自適應(yīng)[3]機(jī)制在其中必不可少，是提高發(fā)送效率的關(guān)鍵。

以Receiver-Based AutoRate(RBAR)[4]，Opportunistic Auto Rate(OAR)[5]為代表的基于接收端的速率自適應(yīng)算法，通過發(fā)送RTS/CTS控制幀進(jìn)行對信道質(zhì)量的評估和數(shù)據(jù)發(fā)送速率的選擇，使用根據(jù)實時信道狀況選擇的最佳傳輸速率，可以提高系統(tǒng)吞吐量[6]。在傳輸過程中，RTS/CTS控制幀必須使用基本速率傳輸以確保在任何信道環(huán)境下接收端都可以成功接收，一般情況下為1，2 Mbps[7-8]。雖然發(fā)送控制幀可以解決很多信息傳輸過程中產(chǎn)生的問題并優(yōu)化信息傳輸系統(tǒng)，但是大量發(fā)送RTS/CTS控制幀將會耗費相當(dāng)可觀的網(wǎng)絡(luò)資源[9]。同樣，在RBAR算法中，頻繁地發(fā)送RTS/CTS控制幀進(jìn)行信道評估會占用系統(tǒng)帶寬，尤其在數(shù)據(jù)幀使用遠(yuǎn)高于基礎(chǔ)速率的最佳發(fā)送速率傳輸后，發(fā)送RTS/CTS控制幀占用系統(tǒng)開銷的比重便會相應(yīng)地增加。

通過對經(jīng)典速率自適應(yīng)算法的研究，提出了一種基于RBAR算法的改進(jìn)速率自適應(yīng)算法。該改進(jìn)算法沿用RBAR算法中對信道的實時估計，通過改進(jìn)實時估計信道方式并減少RTS/CTS控制幀發(fā)送次數(shù)，以達(dá)到減少RTS/CTS控制幀發(fā)送次數(shù)、提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率和系統(tǒng)吞吐量的目的。針對RBAR算法修改RTS/CTS幀格式的傳輸方式做出改進(jìn)，改進(jìn)后算法可以與大部分現(xiàn)有通信設(shè)備兼容，便于設(shè)備的性能優(yōu)化。

1 RBAR算法分析

RBAR速率自適應(yīng)算法的核心思想是根據(jù)實時信道信息選擇最佳發(fā)送速率，通過在每次傳輸數(shù)據(jù)前發(fā)送RTS/CTS控制幀進(jìn)行信道狀況評估，并在RTS/CTS控制幀中攜帶得到的信道信息在發(fā)送端和接收端之間傳遞[10]。因此，RBAR速率自適應(yīng)算法可以更加精準(zhǔn)地選擇最佳傳輸速率。同時，該算法存在很大問題：每一次傳輸都要使用RTS/CTS機(jī)制，在信道狀況變化較小的情況下，發(fā)送大量的RTS/CTS控制幀需要占用系統(tǒng)帶寬，增大了系統(tǒng)開銷[11]。并且由于該算法改動了RTS/CTS幀格式，與現(xiàn)有802.11協(xié)議不兼容，導(dǎo)致將其大范圍應(yīng)用于現(xiàn)有通信產(chǎn)品中比較困難[12]。

由于無線信道具有時變性，信道環(huán)境是隨時變化的，因此數(shù)據(jù)的傳輸速率應(yīng)隨之變化[13]。為了實現(xiàn)速率自適應(yīng)的傳輸方式，必須預(yù)先了解信道狀態(tài)信息。基于接收端的速率自適應(yīng)技術(shù)通過實時監(jiān)測信道環(huán)境，根據(jù)接收端實時估計的信道參數(shù)，將選擇的最佳發(fā)送速率反饋給發(fā)送端，發(fā)送端使用該速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[14]。目前判斷信道狀況主要通過系統(tǒng)信噪比(SNR)和接收信號強(qiáng)度(RSS)等因素。

一般來說，SNR降低，BER的變化與之相反，調(diào)制信號就越難以還原為有用信號。在SNR相同情況下，數(shù)據(jù)速率同BER的變化趨勢相同，數(shù)據(jù)傳輸速率越快，BER越大；數(shù)據(jù)傳輸速率越低，BER越小。因此，調(diào)制方式的選擇就是數(shù)據(jù)速率與BER的一個折中[15]。不同調(diào)制方式下SNR與BER的關(guān)系如圖1所示。由圖1可以看出，每種調(diào)制方式的BER都隨著SNR的增大而降低[16-17]。對于給定的SNR，提高數(shù)據(jù)傳輸速率會使BER增大。

圖1 不同調(diào)制方式下SNR與BER的關(guān)系Fig.1 Relationship between BER and SNR

在IEEE802.11協(xié)議中，RTS/CTS控制幀傳遞網(wǎng)絡(luò)分配矢量(NAV)，向鄰居節(jié)點通知數(shù)據(jù)傳輸預(yù)計需要時間，預(yù)先通知鄰居節(jié)點保持靜默[18]。RBAR算法修改了RTS/CTS控制幀結(jié)構(gòu)，將協(xié)議中16 bit的持續(xù)時間字段修改為存儲速率和數(shù)據(jù)信息，RTS/CTS控制幀不再傳送保持時間，而是攜帶信道的速率和數(shù)據(jù)幀的大小，其他結(jié)構(gòu)與原協(xié)議相同。這樣，鄰居節(jié)點也可以計算出靜默保持時間，避免發(fā)生信道碰撞[19]。RBAR算法中的RTS/CTS控制幀格式如圖2所示。

(a)RBAR算法中RTS控制幀格式

(b)RBAR算法中CTS控制幀格式圖2 RBAR算法中的RTS/CTS控制幀格式Fig.2 The format of RTS/CTS control frame in RBAR algorithm

RBAR算法工作流程如下：

① 接收端提取RTS幀攜帶的信道信息，由物理層計算當(dāng)前信道狀況下的接收SNR，根據(jù)SNR的大小確定下一幀的最佳發(fā)送速率。

② 接收端根據(jù)RTS幀中攜帶的信道狀況，選擇最佳速率添加到CTS幀中反饋至發(fā)送端。

③ 發(fā)送端提取出CTS幀中的速率信息，作為下一次傳輸數(shù)據(jù)速率，下傳到物理層進(jìn)行相應(yīng)的速率調(diào)整。

2 性能影響因素分析

一個完整的通信系統(tǒng)中，持續(xù)采用高速率傳輸數(shù)據(jù)并不一定會使系統(tǒng)性能相應(yīng)提升，因為若傳輸系統(tǒng)處于信道狀況不佳的情況下，可能會出現(xiàn)傳輸失敗導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳的狀況發(fā)生，并且此時系統(tǒng)BER增大，延長了數(shù)據(jù)傳輸時間，導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量降低。相反，在信道狀況良好時，采用適當(dāng)?shù)母咚俾蕚鬏敂?shù)據(jù)才會提高系統(tǒng)整體性能。針對系統(tǒng)通信過程中數(shù)據(jù)幀傳輸出錯概率和發(fā)送速率對吞吐量的影響進(jìn)行了理論分析。

2.1 數(shù)據(jù)幀傳輸出錯概率

系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時，需要在數(shù)據(jù)包前后分別加上24 Byte的介質(zhì)訪問控制MAC(子層協(xié)議)頭部和4 Byte的幀校驗序列(FCS)封裝成幀，稱之為MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)。當(dāng)MPDU傳輸?shù)轿锢韺訒r，在MPDU前加上物理層匯聚協(xié)議(PLCP)組成完整的數(shù)據(jù)幀。物理層數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

圖3 物理層數(shù)據(jù)幀格式Fig.3 The format of physical layer data frame

(1)

(2)

可以由物理層的數(shù)據(jù)幀格式，得到傳輸數(shù)據(jù)幀的出錯概率：

(3)

由于幀格式中各部分長度固定，所以可將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)某鲥e概率整理表示為：

(4)

傳輸數(shù)據(jù)過程中，在已知SNR的條件下，可以通過BER-SNR之間的對應(yīng)關(guān)系得到BER，所以數(shù)據(jù)幀傳輸出錯的概率還可以用BER來表示：

(5)

(6)

2.2 發(fā)送速率對吞吐量的影響

在無線局域網(wǎng)環(huán)境下，無線信道會受到多徑衰落、節(jié)點運動等隨機(jī)因素的影響，系統(tǒng)吞吐量很難用公式去推導(dǎo)，但若不考慮以上因素，在理想情況下，系統(tǒng)吞吐量可以表示為：

(7)

式中，變量L，TDIFS，TDATA，TSIFS，τ，TACK分別為數(shù)據(jù)長度、幀間時隙、傳送數(shù)據(jù)所需時間、短時隙、平均傳輸時延以及ACK幀的傳輸時間。在理想情況下，系統(tǒng)吞吐量與傳送速率成正比，發(fā)送數(shù)據(jù)速率越大，傳輸時數(shù)據(jù)幀占用信道時間越短，系統(tǒng)的平均吞吐量越大。據(jù)此可以得出，如果傳輸數(shù)據(jù)包的大小為1 000 Byte，在IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)下系統(tǒng)的理想吞吐量如表1所示。

表1 DATA-ACK模式下使用不同速率傳輸?shù)南到y(tǒng)吞吐量 Mpbs

Tab.1 The throughput of system which using different rates in data-ack mode

數(shù)據(jù)傳輸速率吞吐量1.00.992.01.995.55.4911.010.98

(8)

當(dāng)系統(tǒng)采用RBAR速率自適應(yīng)算法時，傳輸過程中通過RTS/CTS控制幀傳遞信道信息并避免信道碰撞發(fā)生，這時可將系統(tǒng)吞吐量表示為：

(9)

(10)

3 改進(jìn)RBAR速率自適應(yīng)算法

在RBAR速率自適應(yīng)算法基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，改進(jìn)后的算法可以在一定程度上提高系統(tǒng)的吞吐量，并且解決RBAR算法與現(xiàn)有通信協(xié)議不兼容的問題。改進(jìn)后的算法仍需要根據(jù)實時無線信道狀況，選擇數(shù)據(jù)的最佳傳輸速率。算法設(shè)計主要基于2個方面，一方面是減少RTS/CTS的發(fā)送次數(shù)，在估計信道狀況和獲得精確數(shù)據(jù)傳輸速率提高系統(tǒng)吞吐量之間找到平衡，根據(jù)系統(tǒng)吞吐量變化幅度判斷信道變化的劇烈程度，選擇性發(fā)送RTS/CTS控制幀進(jìn)行信道狀況判斷；另一方面，目前大多數(shù)通信設(shè)備采用802.11協(xié)議，所以要使改進(jìn)后的RBAR算法與現(xiàn)有設(shè)備兼容，需要使用原有RTS/CTS控制幀格式，這是在優(yōu)化RBAR算法過程中第二個需要改進(jìn)的方向。

3.1 協(xié)議兼容性分析

在移動無線網(wǎng)絡(luò)中，路徑損耗、衰落和干擾等因素的影響會導(dǎo)致接收信噪比的變化，同時也會導(dǎo)致BER的變化，所以改進(jìn)的算法仍需在發(fā)送端和接收端之間傳遞信道信息和最佳發(fā)送速率。為了使改進(jìn)后算法可以兼容IEEE802.11協(xié)議，重點是如何在避免修改RTS/CTS幀格式的情況下完成信道估計。

在IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中定義的MAC幀序列中沒有預(yù)留用于傳輸信道信息的字段，RBAR算法中使用RTS/CTS幀傳輸信道信息的方法很難與現(xiàn)有通信設(shè)備兼容。本文將RBAR算法在RTS/CTS幀格式修改方面做出了調(diào)整，將信道信息存放在RTS/CTS幀的幀校驗序列FCS當(dāng)中，利用FCS幀存放速率信息。發(fā)送端根據(jù)RTS幀的SNR，利用已確定的SNR閾值表來選擇在當(dāng)前信道環(huán)境下應(yīng)使用的發(fā)送速率，將速率信息放置于CTS幀的FCS字段中返回發(fā)送端，發(fā)送端按照該速率傳輸。改進(jìn)后RBAR算法中CTS控制幀格式如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后RBAR算法中CTS控制幀格式Fig.4 CTS controls frame format in the improved RBAR algorithm

改進(jìn)后的算法同RBAR算法最大的不同之處在于無需改變MAC層的幀格式，僅通過RTS/CTS幀位于物理層的擾碼序列攜帶信道信息與速率信息，即可完成實時信道估計，達(dá)到速率自適應(yīng)的目的，改進(jìn)后算法可與目前市場上大部分通信產(chǎn)品兼容。

3.2 改進(jìn)算法吞吐量研究

改進(jìn)后的RBAR算法修改了發(fā)送RTS/CTS控制幀的方式。若將系統(tǒng)吞吐量變化幅度超出門限值的概率，用Pc表示，使用改進(jìn)后算法的發(fā)送n個長度為L的數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)的平均吞吐量可以表示為：

(11)

根據(jù)公式推論，改進(jìn)后的RBAR算法可以將改進(jìn)后系統(tǒng)傳輸所用時間縮短至原算法吞吐量的1-Pc/Pc。而系統(tǒng)吞吐量與傳輸數(shù)據(jù)時間成反比，由此可見，改進(jìn)后的算法在系統(tǒng)吞吐量方面比RBAR算法有所提升。

3.3 改進(jìn)算法流程

根據(jù)以上方法對RBAR算法進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，改進(jìn)的RBAR算法流程如下：

① 節(jié)點處預(yù)先設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)吞吐量變化幅度門限。

② 發(fā)送端向接收端發(fā)送RTS幀，預(yù)約信道避免發(fā)生信道碰撞。

③ 接收端根據(jù)發(fā)送的RTS幀判斷信道信噪比，將最佳傳輸速率添加至CTS幀的FCS字段中反饋至發(fā)送端。

④ 發(fā)送端持續(xù)以該速率傳輸數(shù)據(jù)，并停止發(fā)送RTS/CTS控制幀。

⑤ 每傳輸10次，統(tǒng)計傳輸期間吞吐量的平均值。

⑥ 當(dāng)監(jiān)測到系統(tǒng)吞吐量上升或下降超過預(yù)先設(shè)置門限時，重新啟動RTS/CTS機(jī)制進(jìn)行信道估計，更新數(shù)據(jù)傳輸速率。

改進(jìn)的RBAR算法流程如圖5所示。

圖5 改進(jìn)RBAR算法流程圖Fig.5 Flow chart of the improved RBAR algorithm

4 仿真與分析

通過NS2.35仿真平臺對本文提出的改進(jìn)RBAR算法進(jìn)行仿真，實驗的基礎(chǔ)條件設(shè)置如下，模擬的實驗場景為1 000 m×1 000 m，無線節(jié)點的干擾范圍設(shè)置為550 m，節(jié)點在場景內(nèi)隨機(jī)移動，模擬時間為200 s。在無線局域網(wǎng)環(huán)境下傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，節(jié)點間采用UDP傳輸，數(shù)據(jù)包大小為2 000 Byte。參照IEEE802.11無線標(biāo)準(zhǔn)，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 IEEE802.11參數(shù)
Tab.2 IEEE802.11 parameters

參數(shù)值釋義aSlotTime/μs20時隙長度aSIFSTime/μs10短幀間間隔aDIFSTime/μs50DCF幀間間隔aCWmin31最小爭用窗口aCWmax1 023最大爭用窗口tPLCP Preamble/μs144PLCP前導(dǎo)碼持續(xù)時間tPLCP Header/μs48PLCP頭部持續(xù)時間

在實驗中，節(jié)點間分別采用ARF算法、RBAR算法和改進(jìn)后的RBAR算法傳輸數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計改變移動節(jié)點數(shù)量對吞吐量的影響，判斷改進(jìn)后的RBAR算法是否能夠有效地提高系統(tǒng)吞吐量，如圖6所示。

圖6 不同節(jié)點數(shù)量下吞吐量的比較Fig.6 Throughput comparison with different number of nodes

在站點數(shù)目不斷增加的情況下，系統(tǒng)吞吐量隨著節(jié)點數(shù)增加而降低，但采用改進(jìn)后算法的系統(tǒng)，吞吐量明顯高于RBAR算法和ARF算法。隨著站點數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)包在發(fā)送過程中相互碰撞，ARF算法默認(rèn)2次沒有成功傳輸便歸于信道狀況較差，降低數(shù)據(jù)發(fā)送速率，會降低系統(tǒng)吞吐量。RBAR算法和改進(jìn)的算法采用RTS/CTS機(jī)制，在一定程度上避免信道碰撞，而RBAR算法大量發(fā)送RTS/CTS幀降低了系統(tǒng)帶寬利用率。相比之下，改進(jìn)后的算法不需要修改物理層幀的格式，可以兼容IEEE802.11協(xié)議。并且改進(jìn)后算法大大減少了需要傳輸?shù)腞TS/CTS幀的數(shù)量，從整體上提高了系統(tǒng)的吞吐量。由圖6可以看出，改進(jìn)算法后系統(tǒng)的性能，與通過公式驗證的減少RTS/CTS幀發(fā)送次數(shù)可以在一定程度上提高系統(tǒng)吞吐量的結(jié)論相符合。

5 結(jié)束語

針對經(jīng)典RBAR速率自適應(yīng)算法進(jìn)行分析研究，并根據(jù)RBAR算法需大量發(fā)送RTS/CTS幀進(jìn)行信道估計，浪費系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源，且無法兼容現(xiàn)有IEEE802.11協(xié)議這些缺陷做出改進(jìn)。改進(jìn)后算法根據(jù)系統(tǒng)吞吐量變化幅度控制RTS/CTS握手機(jī)制的開啟與關(guān)閉，既可以進(jìn)行實時信道估計，又可以在信道狀況變化緩慢時停止信道估計，節(jié)約系統(tǒng)帶寬，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。通過比較不同算法傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)吞吐量可以看出，改進(jìn)后的算法可以減少不斷發(fā)送RTS/CTS幀的系統(tǒng)開銷，縮短傳輸數(shù)據(jù)所需時間，提高系統(tǒng)吞吐量，進(jìn)而提高了系統(tǒng)整體性能。但如果移動設(shè)備在信道狀況極其不穩(wěn)定的環(huán)境下，設(shè)備性能可能會降低，需要進(jìn)一步研究優(yōu)化算法使移動設(shè)備適應(yīng)快速變換的傳輸信道，這也是日后研究的重點。