無線Ad Hoc網絡MAC層速率自適應技術研究

祁志娟， 劉 偉， 張麗麗

（河南科技大學 電子信息工程學院，河南 洛陽 471003）

0 引言

無線Ad Hoc網絡(以下簡稱Ad Hoc網)是一種新型的網絡,它具有無中心、自組織、多跳等特點,適用于救援、會議、戰場和危險環境中的目標監控等場合,還可用于蜂窩末端網絡的擴展,有效地彌補了有線網絡和有基礎設施連接的無線網絡在應用上的不足[1]。由于這些原因,Ad Hoc網近年來備受關注,成為研究的一個熱點。

目前,大量的研究是對基于802.11[2]標準的Ad Hoc網所進行的。在最初的無線局域網標準中,所有的幀都以單一的速率發送,然而,無線信道具有時變特性[3],單一速率不能很好地適應它的這一特點,導致網絡性能產生大的起伏,因此,隨后的標準在物理層通過改變調制與編碼方式提供了對多速率的支持。雖然提供了對物理層的多速率支持,但是在MAC層標準只對不同類型的幀規定了不同的發送速率,卻沒有規定數據幀如何根據信道狀態選擇和切換合適的發送速率，因此研究人員針對這一問題展開了研究,提出了許多方案。第一個商用的實現多速率的MAC協議是ARF(自動速率回退)協議[4],它通過統計 ACK幀的接收情況來決定接下來提高或降低發送速率,其優點是不需要對標準做過多改動,容易實現,缺點是使用過時的信息來決定速率的選擇,不能及時地響應信道的快速變化。針對它的這一不足,RBAR(基于接收方的自動速率)協議[5]有所改進。接收節點在收到RTS幀后,根據物理層分析得出信噪比(SNR)值,以此選擇隨后傳輸數據幀所使用的速率,然后在CTS幀中將該速率信息通知給發送節點。由于傳輸速率是接收節點在數據幀傳輸之前的RTS/CTS交換期間選擇的,信道質量的估計相對于ARF來說更準確,因此其對信道狀態變化的反應更快、適應能力更強,與 ARF和單速率的 802.11相比具有更高的吞吐量。但是該協議不僅修改了MAC層,還修改了物理層,對標準協議棧改動較大。OAR(機遇式自動速率)協議[6]和 AAR（自適應自動速率）協議[7]則是利用信道條件好的時候讓發送節點以背靠背的方式連續發送多個數據幀,并將每個幀當作一個分段來看待,不同之處是OAR以同一速率傳輸連續的背靠背分段,而AAR 以自適應的速率傳輸每個分段。以上協議都只考慮了數據幀部分的速率自適應,控制幀都以基本速率發送,FAR(全自動速率)協議[8]則提出讓控制幀也以自適應的速率進行傳輸,從而進一步提高了吞吐量。RAFDA(基于模糊數據融合算法的速率自適應算法)[9]將反映信道狀態的多個參數納入到信道的綜合評判中,克服了采用單一參數進行信道估計的誤差和誤判,提高了速率選擇機制的性能。

1 算法介紹和改進方案

MAC層速率自適應的核心內容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,以達到最優的系統吞吐量。它包括兩個方面：信道質量估計和速率選擇。信道質量估計主要是估計無線信道的時變參量(通常選SNR),通過這些參量來估計信道質量。一般來說,信道質量越差,接收端接收的信號SNR就越低,信號就越難正確接收。速率選擇主要是根據估計的參量值選擇最佳的傳輸速率,通常是使用簡單的基于門限值的方法來選擇。選擇速率實際上就是選擇調制方式。根據不同的SNR門限值來選擇不同的調制方式,從而也就相應地選擇了不同的速率。SNR值可以通過物理層分析得出,而誤碼率（BER）與SNR之間又存在著一定的關系,各種調制方式的 BER的近似表示如下式所示（假設在高斯白噪聲信道下）：

式中bγ為接收信號的比特信噪比,bγ與符號信噪比SNR的關系可以表示為：

根據上述關系可以繪制一個不同調制方式下SNR與BER的關系曲線圖,從結果中得知,在滿足一定的 BER性能下,高速率的調制方式需要更高的SNR。

在上述理論的基礎上,Ad Hoc網的速率自適應過程還要依賴于RTS/CTS/Data/ACK幀傳輸序列來完成。具體來說,信道質量估計需要基于這些幀進行測量, 同時速率選擇信息也需要以這些幀來傳遞。前者實現起來比較容易,但是后者實現起來就比較困難了,因為802.11定義的MAC幀中沒有字段用來傳輸速率信息,為了做到這一點,RBAR協議重新定義了 MAC幀頭的 Duration字段,并對物理層的 PLCP幀頭的Signal字段進行了重新定義,這使得那些服從802.11標準的設備不能理解 RBAR協議的內容,而且實現起來也相對復雜,由于目前現存的大量的無線設備仍然服從802.11標準,因此RBAR協議的兼容性和互操作性很差?？紤]到兼容性的問題,如何將速率信息返回給發送節點而又不對標準內容做過多改動呢？與RBAR協議重新定義幀格式的字段不同,本文對標準的幀格式進行了部分擴展,記作 RTS-E/CTS-E/Data-E/ACK-E,其中 RTS-E和 Data-E仍保持標準的幀格式定義,CTS-E和ACK-E則在FCS字段后增加了兩個新字段,其中Rate字段用來存放速率信息,Check Sum字段用來對Rate字段的內容進行校驗,這樣接收端就可以把所選擇的速率信息存放在Rate字段里利用CTS幀帶回給發送節點。對于分段傳輸的數據幀來說,如果分段較多,在分段傳輸過程中信道可能已經發生變化,如果仍然采用 RTS/CTS幀交換期間選擇的速率進行傳輸顯然是不合適的，因此有必要讓每個分段也以自適應的速率進行傳輸,接收節點根據接收分段的信噪比選擇下一分段的傳輸速率,并將該速率信息由 ACK幀帶回給發送節點,為此對ACK幀也進行了擴展。在實際應用中,將支持擴展幀格式的節點稱作擴展節點,而把支持標準幀格式的節點稱作802.11節點，當擴展節點發送數據幀時,凡是偵聽到和接收該幀的802.11節點,依然將其看作標準的幀格式進行處理,只需忽略其擴展的尾部字段,而對于接收該幀的擴展節點則按照速率自適應的過程進行處理。這樣即保證了擴展節點之間的互操作性,也實現了與大量存在的支持標準的設備之間的兼容性。

2 仿真試驗及性能分析

下面通過仿真對本文提出的協議和RBAR協議進行性能比較。模擬仿真平臺采用OPNET Modeler 10.5,仿真中使用的站點隨機分布在200m×200m的矩形區域內,其物理/MAC層服從IEEE 802.11a標準(具體參數見表1）,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1024字節,包到達服從泊松分布，間隔為 0.01 s，發送方始終有數據發送，也即網絡處于飽和狀態,模擬時間設置為200 s。

表1 IEEE 802.11a中物理層和MAC層的主要參數

為了分析方便,本文選擇 BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM作為多速率的調制方式,并且假設不使用糾錯編碼[10]。信道帶寬設置為6 MHz,因此這些調制方式可以分別提供6 Mb/s、12 Mb/s、24 Mb/s和48 Mb/s的數據率。不同調制方式通過SNR 來選擇,其選擇的標準是滿足 BER為 1e-5,具體為：當SNR＜12.6dB,選擇 BPSK；當 12.6 dB≤SNR＜19.5 dB,選擇QPSK；當 19.5 dB≤SNR＜25.6 dB,選擇 16-QAM；當 SNR≥25.6 dB,選擇64-QAM。

仿真考察的內容主要有兩項,一是吞吐量隨站點數目增加的性能變化,二是吞吐量隨站點移動速度增加的性能變化?？疾斓谝豁棔r站點數目依次為4、8、12、16、20個,每種情況經過 10次取不同隨機種子數仿真結果的均值繪制曲線，見圖1；考察第二項時場景設置為：場景中僅包含2個站點,其中一個站點位置固定,另一個站點則沿直線路徑重復地遠離和靠近該站點,移動速度分別為2、4、6、8、10 m/s,每個場景取10次不同種子數仿真結果的均值，見圖2。

圖1 吞吐量與站點個數的關系曲線

圖2 吞吐量與移動速度的關系曲線

以往的研究已經發現隨著站點數目的增加,由于碰撞,會造成吞吐量的迅速下降,我們的仿真結果也證明了這一點：如圖1所示,隨著站點數目的增加,兩種協議的吞吐量都急劇的下降,但是改進協議的吞吐量比 RBAR協議仍然有大約17%～31%的提高,這主要得益于其采用的分段速率自適應的策略。

從圖 2中可以看出,兩個協議的吞吐量隨著站點移動速度的增加均有所下降。當信道相干時間大于發送 CTS包和Data包所需的時間時,協議中所使用的信道質量預測機制能夠很好的工作,而對于較低的移動速度來說,信道相干時間一般較長,可以支持包以所有的數據速率發送。但是,隨著站點的移動速度增加,信道相干時間將縮短,高的數據速率將受到影響，從而導致了性能的下降。但是改進協議由于采用了分段速率自適應機制,所以其吞吐量相對于RBAR協議仍然有大約5%～22%的提高。

3 結語

Ad Hoc網MAC層的速率自適應機制能夠利用物理層提供的多速率功能,提高系統的吞吐量,其基本思想是根據對無線信道的質量估計,自適應地調整傳輸速率。本文提出了一種簡單的MAC層速率自適應協議,與RBAR協議相比,該協議不但具有RBAR協議對信道狀態變化反應快的特點,還避免了對物理層的修改,實現起來更加容易,在提高性能的同時保持了與標準的兼容性和互操作性。

[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)：15-20.

[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] 何中林. MANET 中的關鍵技術探討[J]. 通信技術,2008,41(04)：121-123.

[4] Kamerman A, Monteban L. WaveLAN-II： A high-performance wireless LAN for the unlicensed band[J].Bell Labs Technical Journal, 1997,2(03)：118-133.

[5] Holland G, Vaidya N, Bahl P. A Rate-Adaptive MAC Protocol for Multi-Hop Wireless Networks[C]. Rome, Italy：Proc. of ACM MOBICOM, 2001：236-250.

[6] Sadeghi B, Kanodia V, Sabharwal A, et al. Opportunistic Media Access for Multirate Ad Hoc Networks[C].Atlanta, Georgia,USA：Proc. of ACM MOBICOM, 2002：24-35.

[7] Chunhung Richard LIN, Yuan-Huo Johnson CHANG. AAR：An Adaptive Rate Control Protocol for Mobile Ad Hoc Networks[C].Sydney,Australia： Proceedings of the 11th IEEE International Conference on Networks (ICON2003), 2003：585-590.

[8] Li Z, Das A, Gupta A K, et al. Full Auto Rate MAC Protocol for Wireless Ad hoc Networks[J].IEE Proceedings Communications,2005,152(3)：311-319.

[9] 段中興,張德運. 多速率無線局域網的速率自適應算法[J].計算機工程, 2007,33(8)：33-38.

[10] 習勇,黃清艷,魏急波,等. 基于IEEE 802.11高速無線局域網的速率自適應 MAC協議研究[J].電子與信息學報,2007,29(06)：1281-1285.