一種Wi-Mesh網絡中混合速率控制算法

祝建建， 方旭明， 沈 強， 付曉強

0 引言

Wi-Mesh是一種集成了無線局域網（Wi-Fi）和移動 Ad hoc網絡特性的新型寬帶無線網絡結構，是一種高容量、高速率的分布式無線網絡[1]。IEEE 802.11a/g在物理層支持多種傳輸速率[2]，但是在標準中并沒有規定如何設置數據幀的發送速率[3]，因此，很多MAC層的速率自適應協議被相繼提出。ARF協議是較早提出的一種基于發送方信息統計的速率自適應協議[4]，在ARF協議中，若發送方連續2次沒有接收到ACK幀，就認為信道質量變差，降低發送速率，若發送方連續10次成功地接收到ACK幀，則推定信道質量提高，因而嘗試提高數據幀發送速率。文獻[5]提出了對質量穩定的信道以及質量快速變化的信道采用了3和10兩種計數值門限的協議算法，然而兩種計數值門限依然不能很好地適應信道的變化。

基于以上背景，本文提出了混合速率控制協議 HRC（Hybrid Rate Control），在 ARF協議的基礎上引入基于目的節點回復ACK幀的SNR變化情況反向估計信道質量變化的機制，以不改變ARF協議中的計數值門限設置方式提高ARF協議的性能。

1 HRC協議設計

1.1 反向信道估計策略

數據幀到達接收端的 SNR值大小是決定數據幀發送速率合理選取的最直接因素，而ARF協議在調整數據幀發送速率時卻并沒有考慮這一因素，主要原因是發送端想要實時得知數據幀到達接收端的SNR值是不易實現的。文獻[6]中提及的 RABR（Receiver-Based AutoRate）協議需要對現有的標準進行修改，強制使用RTS/CTS機制，因而一直沒有得到實際應用。文獻[7]提出了反向信道估計策略，主要思想就是將節點對之間信道質量對等，并基于該理論對數據幀傳輸調制模式進行自適應調整。Wi-Mesh網絡的骨干網絡是由一些相同的MAP（Mesh Access Point）構成，MAP之間進行數據通信時，采用相同的發射功率，數據雙向傳輸是在同一個物理信道中進行，其干擾以及衰減情況雙向對稱。基于上面的分析，本文得出了反向信道估計可以應用于Wi-Mesh網絡MAP節點對之間數據傳輸速率控制的結論。

1.2 數據幀分段以及閾值更新機制

[8]，本文首先將無線網絡中的數據幀分為 3段，如下式：

其中，x為數據幀幀長（Byte）， f ( x)為分段處理后的幀長，結合802.11 a/g的7種物理層調制模式，可以得到一個3×7的二維閾值矩陣TH，矩陣里面的每一個元素 T H [i ,j]被定義為第i段長度的數據幀選擇第 j種調制模式的信道質量閾值，其中i取值從0至2依次對應數據幀分段機制的數據幀段，j取值從0至6依次對應802.11a/g物理層的7種調制模式。閾值矩陣TH的每個元素在數據幀的收發過程中會不斷地得到更新。令 Rss_avg反映當前信道質量， R ( j)為當前使用的數據幀發送速率，R ( j + k )為即將嘗試的高數據幀發送速率。源節點收到目的節點回復 ACK幀時，依據其 SNR值對Rss_avg值按式（2）進行更新：

其中， a1+ a2= 1 ,a1, a2≥ 0 。節點使用當前速率 R ( j)連續10次成功發送數據幀后，則將 Rss_avg與閾值矩陣中的TH [i ,j+k](k＞1)進行比較。如果 Rss_avg＜TH(i,j+k )，則保持當前速率進行下一次數據幀發送；如果 Rss_avg≥TH(i, j +k)，則嘗試以 R ( j + k )進行下一次數據幀發送。如果嘗試發送成功，則后面的數據幀都調整到該速率發送，如果失敗，則會激活閾值矩陣更新機制。本文參照文獻[5]提出如下更新機制：

Rss_avg以及 T H [i , j+ k ]的更新均為收斂型的更新機制，由于使用相同的參數 a1、a2，兩更新機制的收斂速度相同，但 Rss_avg的更新頻率要高于 T H [ i , j+ k ]，這就保證了信道質量變化時，數據幀的發送速率可以實時地得到調整。

1.3 HRC協議實現過程

基于數據幀分段機制以及閾值矩陣更新機制，可以得到圖1中的HRC協議實現流程圖。當信道處于穩定狀態時，每發送12個數據幀，HRC協議理論上可以較ARF協議減少2個數據幀的發送失敗，提高 16.7%（2/12）的系統性能。當節點對之間信道質量處于快速變化時，HRC協議引入了反向信道估計機制，可以快速地調整數據幀發送速率以匹配信道質量，提高了速率調整的實時性。

2 仿真及性能評估

2.1 仿真環境設置

本文使用NS2網絡仿真平臺對所提出的HRC協議進行仿真，并與ARF協議進行了性能比較。在NS2網絡仿真平臺已有網絡組件的基礎上，仿真中使用了多速率傳輸模型，物理層支持802.11a/g的7種傳輸速率，傳輸信道模型為加載了高斯白噪聲干擾的自由空間傳輸模型，接收時使用基于概率統計的接收判別模型。本文分別比較了靜態網絡拓撲以及動態網絡拓撲條件下，HRC協議與ARF協議在減少數據幀重傳以及提高系統吞吐性能方面的能力。

圖1 混合速率控制協議實現流程

2.2 靜態網絡拓撲仿真

網絡由一對位置相對靜止的對等節點構成。節點1發送數據幀到0節點，0節點不發送數據幀，只回復ACK幀。節點在仿真過程中使用不同的發射功率以改變數據幀到達接收節點的SNR情況。

圖2表明，HRC在減少數據幀重傳方面的性能要優于ARF協議。圖3的仿真結果表明，采用HRC協議比采用ARF協議可以獲得更高的系統吞吐性能。當發射功率較小，HRC協議會比ARF協議性能稍差，這主要是因為天線發射功率太低導致數據幀發送成功概率很小，信道估計機制中的更新機制頻率會大大降低，降低了信道質量估計的實時性，影響了系統的吞吐性能。

圖2 靜止網絡拓撲數據幀重傳比率比較

圖3 靜止網絡拓撲系統吞吐性能比較

2.3 動態網絡拓撲仿真

本部分完成了動態網絡拓撲的仿真。節點1在數據幀發送過程中同時做勻速直線運動，節點0一直處于靜止狀態。節點對之間的距離經歷由遠到近，再由近到遠變化。節點發射功率保持恒定。

仿真圖4、圖5表明：HRC協議較ARF協議可以有效地降低數據幀重傳比率；隨著節點運動速率的加快，系統的吞吐性能會下降，但是應用HRC協議相對ARF協議系統吞吐性能一直保持有10%左右的提升，這也驗證了理論分析的結果。

圖4 動態網絡拓撲數據幀重傳比率比較

圖5 動態網絡拓撲系統吞吐性能比較

3 結語

HRC協議基于反向信道估計策略對信道變化情況進行合理的預估，避免了不必要的數據幀發送速率調整，通過信道估計又可快速地調整數據幀發送速率到匹配信道質量的調制模式，最終可以提高系統的吞吐性能。本文所提出的HRC協議不需要對標準進行修改，所以該協議可應用于實際Wi-Mesh網絡的速率控制。

參考文獻

[1] 方旭明. 下一代無線因特網技術：無線Mesh網絡[M].北京：人民郵電出版社,2006.

[2] 張靜,李中云.寬帶無線接入技術-WLAN[J].通信技術,2003（11）：65-67.

[3] 顧雪琳，張秀剛. WLAN中 MAC子層接入技術的研究[J].通信技術,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.