無線Mesh網絡速率自適應算法研究

吳 宇，喻 明

(1.湖南基石通信技術有限公司，湖南 長沙 410006；2.湖南省應急通信工程技術研究中心，湖南 長沙 410006)

0 引言

無線Mesh網[1-3]是基于IP協議的無線寬帶接入技術，它融合了WLAN[4]和Ad hoc網絡[5-6]的優勢，支持多點對多點的網狀結構，具有自組網、自修復、多跳級聯、節點自我管理等智能優勢以及移動寬帶、無線定位等特點，是一種大容量、高速率、覆蓋范圍廣的網絡，已經成為一種有效的寬帶接入手段。

傳統WLAN是有中心基站的單跳網絡，而在無線Mesh網絡中，任何無線設備節點都可同時作為路由器，網絡中的每個節點都能發送和接收信號，每個節點都能與一個或多個對等節點進行直接通信。這種結構的主要優勢為：如果最近的節點由于流量過大而導致擁塞的話，數據可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節點進行傳輸。依此類推，數據包還可以根據網絡的情況，繼續路由到與之最近的下一個節點進行傳輸，直到到達最終目的地為止，從而實現了多跳訪問。

由于當前IEEE 802.11 WLAN設備隨處可見，因此基于IEEE 802.11標準構建Mesh網絡是目前主流。但是，IEEE802.11標準并沒有對速率自適應算法進行規范，而在Mesh這種多跳、移動環境下，速率自適應需求卻更加突出，因此在無線Mesh網絡中，如何根據當前發送端和接收端之間的信道質量選擇合適的調制速率，保持鏈路傳輸穩定，同時使整個網絡達到最大的信道容量，一直以來都是Mesh領域研究的熱點[7-11]。

目前，Mesh網絡速率自適應算法主要可歸結為以統計為基礎的速率自適應算法和以信道質量(例如SNR)為基礎的速率自適應算法這兩類。從實際應用情況來看，單純使用任何一種方法都很難獲得滿意的效果，本文通過綜合使用信道統計信息和信道質量，提出了一種新的速率自適應算法，該算法能夠解決已有方法存在的速率選擇不合理、速率切換不及時、速率切換頻繁抖動等關鍵問題，通過仿真驗證，取得了較好的性能。

1 基于統計的速率自適應算法

朗訊公司最早提出了以統計為基礎的速率自適應(Auto Rate Fallback,ARF)算法[12]。該算法的基本思想是如果連續發送2幀數據失敗，則降低傳輸速率一個級別；若在一段時間內采用同一速率連續發送10幀數據均成功，則速率向上調整一個級別。這種算法的優點是實現簡單，但缺點也是顯而易見的，算法在執行過程中無法避免地進行了一些不匹配信道質量的速率嘗試，降低了信道容量，同時也會使得調制速率頻繁抖動。

為克服這些缺點，文獻[13]提出了一種名為AARF(Adaptive multirate Auto Rate Fallback)的算法，AARF的基本思想與ARF大致相同，但AARF會采用多個速率上調的門限值，當一段時間內采用同一速率連續發送10幀成功后，速率向上調整一級；若此時上調的速率等級與信道質量不匹配，速率將回退至原來的等級，同時提高調制速率向上調整的門限值，其最大門限值可達到50幀。這種改進大大降低了速率盲目嘗試，減小了速率的抖動，但無法從根本上避免調制速率與信道質量不匹配的嘗試。

同時ARF和AARF均有一個共同的缺點，即未對信道擁塞所導致的發送失敗進行剔除，802.11a標準采用CSMA/CA為媒介接入控制協議[14-16]。這種隨機接入媒介的方法無法避免地會產生多個設備同時發送而導致信號碰撞，進而導致發送失敗，但顯然這種失敗不是因為信道質量和調制速率不匹配導致的，故應該剔除。鑒于這種情況的存在，文獻[17]提出了CARA (Collision-Aware Rate Adaptation)算法。CARA算法是在ARF算法基礎上發展而來，該算法基于CSMA/CA協議中RTS/CTS預約信道的方式，剔除RTS/CTS預約失敗導致的傳輸失敗，這種改進使CARA算法更加切合實際應用。

2 基于信噪比的速率自適應算法

由于無線Mesh網絡中節點間相對位置是實時變化的，發射端設備以固定的發射功率進行發射時，根據電磁波在自由空間傳播的損耗公式，可知接收端設備在不同的相對位置所接收的信號功率大小是不同的：

Los=20lg(f)+20lg(d)+32.4，

(1)

式中，f為信號頻率，單位MHz；d為距離，單位km。

基于SNR的速率自適應算法，即根據接收端接收的信號功率和接收端周圍噪聲功率之比，再按照每種調制速率的解調SNR門限，選擇恰當的調制速率進行數據幀發送。一般無線發送設備獲取SNR的方法有以下2種。

2.1 以發送端接收的SNR為依據

這種方案一般基于在同一信道中傳輸信號，信道對正向和反向傳輸的信號影響是相互對稱的假設，可以用反向信道對信號的影響估計正向信道對信號的影響。具體實現時，由于每次發送完一次數據幀，接收端都會反饋一個ACK幀，發送端在接收ACK時可計算出接收ACK的信號強度(Received Signal Strength Indicator,RSSI)，再根據發送端周圍的噪聲環境獲得噪聲強度，最終獲得反向信道的SNR值。發送端在下一次發送數據前，即根據該SNR值大小選擇合適的調制速率進行發送。這種方案在較小范圍的網絡和較優的信道環境中，表現尚可。但當網絡覆蓋范圍大，信道質量參差不齊的情況下，就會出現收發兩端節點噪聲功率不對稱的情況，這種情況下即使在收發兩端獲取的信號強度大小對稱，但SNR卻不對稱，故發送端無法再以發送端的接收SNR為依據選擇恰當的調制速率。

2.2 以接收端接收的SNR為依據

這種方案一般通過某種報文將接收端獲得的SNR反饋至發射端，發射端再根據此SNR選擇一個合適的調制速率進行數據傳輸。這種方式解決了收發兩端噪聲環境不對稱的情況，但在動態變化的無線信道中，收發兩端相對位置處在不停的變化中，故接收端需周期性且實時地將接收的SNR值反饋至發送端，才能保證發送端每次發送數據幀時所依據的SNR值是有效的，這種情況下又會產生一定的信道容量開銷。

3 統計和SNR相結合的改進算法

以SNR為依據選擇調制速率的速率自適應算法雖能對信道的劇烈變化做出反應，但在不同的工作環境下(例如：地下室、建筑物樓層間、繁華城區以及山地、丘陵、海面等)通信設備在每種調制速率下所需要的最小解調SNR門限值是有差異的，導致無法用一個固定不變的調制速率和對應的最小解調SNR門限表格來統一所有的設備使用環境。

大學從它產生到現在已有上千年的歷史，中世紀大學僅是傳授已有知識的場所，而從19世紀開始興起的現代大學，主要是將科學研究當作它的主要目標。同時在教育過程中培養出相應的教育科研人才和擴展人類的知識面，并且整個氛圍營造的是學術自由[1]。大學職能的實現主要依靠大學課堂，隨著時代的發展，幕課、反轉課堂等新的課堂組織形式層出不窮，但均未顛覆課堂的本質，即“老師教”與“學生學”。國家根據教育改革所提出的綱要中，已經指出了在學習過程中要注重思考，教學的方式也要多樣化，盡可能的鼓勵學生參與到課堂中來，并且采用各種方式，例如討論式以及啟發式教學，努力使學生真正理解如何學習。

而基于統計成功率的速率自適應算法中，為識別碰撞，必須使用RTS/CTS來消除碰撞的影響，但此過程中同樣受通信環境影響，系統容量未必能達到最大。

因此本文提出一種以統計和SNR相結合的綜合性算法，基本思想為采用統計成功率的方式，在不同的環境下自動調整調制速率和各個速率對應的最小解調SNR門限值，同時采用無線Mesh設備路由協議廣播報文作為設備間接收SNR交互的載體，降低因SNR交互引入的信道容量開銷，使得設備在各種工作環境下都能根據SNR和發送成功率的大小選擇匹配當前信道環境的最佳調制速率。

3.1 接收SNR的交換機制

速率自適應算法流程圖如圖1所示。無線Mesh網絡中節點的相對位置不停地變化，因此每個節點接收其他節點的信號功率以及節點在每個位置的噪聲功率也在實時變化，實際應用中需要每個節點采用一定的時間間隔。將本節點接收其他節點的SNR值廣播至無線Mesh網絡中，其他節點接收到該廣播幀后，提取其鄰居節點接收本節點的SNR值作為發送該廣播節點調制速率的選擇依據。

因為無線Mesh網絡中的每個節點都同時具備客戶端和中繼節點的功能，因此每個節點均需運行路由協議。本文提出將接收端接收SNR信息嵌入至路由協議周期性的廣播報文中，使每個設備均能實時獲得接收端設備的SNR值，再根據SNR值選擇合適的調制速率。

無線Mesh網絡中，某個接收端周圍經常存在多個鄰居節點，且該接收方接收各個鄰居節點的SNR大小不盡相同，這就需要在嵌入路由協議廣播報文的SNR值前分別加入各個鄰居節點的MAC地址，格式如圖2所示。

圖1 速率自適應算法流程圖Fig.1 Flowchart of adaptive rate selection

圖2 接收SNR信息交互報文定義Fig.2 Definition of SNR interactive message

當鄰居節點獲得該廣播報文后，首先提取該報文的源MAC地址，同時自適應速率模塊將解析該報文中的MAC地址和SNR信息。當查找到匹配本設備MAC的地址，則將該MAC地址攜帶的SNR信息提取并對應保存至該報文的源MAC地址位置，當有數據報文向該源MAC地址發送時，則根據相應保存的SNR信息選擇合適的調制速率，例如某節點發送如圖2所示的廣播報文，鄰居1節點順利接收到該報文后，即解析出該報文的源MAC地址和鄰居1的接收SNR值；當鄰居1節點有數據報文向該節點發送時，鄰居1節點則讀取事先保存的接收鄰居1的SNR值，再查找調制速率和最小解調SNR門限的對應表格(表格建立方法見3.2節)，選擇相應的調制速率進行報文發送。

3.2 基于接收信噪比與調制速率的映射表

在IEEE802.11協議[18]中，不同的編碼碼率和不同的調制方式組合構成了不同的調制速率，以20 MHz帶寬為例，不同的調制速率對應的調制和編碼方式如表1所示。

表1 802.11a OFDM系統定義的調制速率
Tab.1 802.11a OFDM modulation

調制編碼卷積碼碼率子載波比特數OFDM符號編碼比特數OFDM符號數據比特數調制速率/MbpsBPSK1/2148246BPSK3/4148369QPSK1/22964812QPSK3/4296721816-QAM1/24192962416-QAM3/441921443664-QAM2/362881924864-QAM3/4628821654

每種調制速率在相同環境下達到預期信道容量所需的信道質量是不相同的，其中BPSK、1/2碼率即6 Mbps的調制速率對信道質量的要求最低；64-QAM、3/4碼率對應的54 Mbps調制速率所需要的信道質量要求最高。

表2 調制速率及其解調門限SNR對照表
Tab.2 Table of modulation rate and its demodulation threshold

調制速率/Mbps解調門限/dB6SNR6_Threshold9SNR9_Threshold12SNR12_Threshold18SNR18_Threshold24SNR24_Threshold36SNR36_Threshold48SNR48_Threshold54SNR54_Threshold

為克服不同信道環境下各種調制速率所需的最小解調SNR門限不同，在確定一個初始的對應表格后，還需設備根據不同的工作環境自動調整表格，使得設備可以在不同的環境下，根據發送成功率對每種調制速率的最小解調SNR門限進行相應的調整，同時根據前文討論CSMA/CA這類隨機接入協議無法避免的信號碰撞，在實際統計發送成功率時，需剔除RTS/CTS預約信道失敗導致的發送失敗幀數量，使發送成功率完全體現信道質量變化對調制速率的影響，故定義發送成功率計算公式為：

(2)

為實現對信道變化的精準控制，同時結合程序編寫的難易程度，將節點的整個SNR值變化范圍以ΔSNR為間隔劃分為大小相等的區間，并在每個區間對應統計當前區間調制速率的發送成功率，建立SNR區間表，如表3所示。

表3 SNR區間表
Tab.3 SNR threshold table

SNR調制速率/Mbps總發幀數預約信道失敗幀數成功發送幀數SNR_Threshold6000SNR_Threshold+ΔSNR6000SNR_Threshold+ (ΔSNR×2)6000SNR_Threshold+ (ΔSNR×3)6000SNR_Threshold+(ΔSNR×4)9000SNR_Threshold+(ΔSNR×5)9000SNR_Threshold+(ΔSNR×6)9000SNR_Threshold+ (ΔSNR×7)9000SNR_Threshold+(ΔSNR×8)12000…………………………SNR_Threshold+(ΔSNR×(N-2))48000SNR_Threshold+ (ΔSNR×(N-1))54000SNR_Threshold+(ΔSNR×N)54000

自適應速率工作前，首先需將設備的射頻接口用饋線連接，依次測試各個調制速率對應的解調SNR門限值，獲得表2;每次設備初始化時，將表2中SNR門限和調制速率寫入表3中，同時將成功率統計的總發送幀數量、預約信道失敗幀數量和成功發送幀數量均清零。

3.3 速率自適應算法流程

無線Mesh設備初始化完成后，通過路由協議周期性廣播報文的交換，獲得了所有鄰居節點接收本設備的SNR值，當有單播數據業務進行報文發送前，則根據鄰居節點廣播的SNR值在表3選擇相應的調制速率，并將每次發送的結果記錄值表格中：

① 每發送一次，無論成功或失敗，總發送幀數加1；

② 每成功發送一次，成功發送幀數加1；

③ 若長數據報文的RTS/CTS信道預約失敗或者短報文第一次發送失敗，則將預約信道失敗發送加1。

根據式(2)計算成功率，當成功率高于設定的速率上調閾值時，調制速率向上調整一級，并將相同調制速率且SNR值大于當前區間的所有SNR區間對應的調制速率上調一級；當成功率低于設定的速率下調閾值時，調制速率向下調整一級，并將相同調制速率且SNR值小于當前SNR區間對應的調制速率下調一級；當發送成功率處于上調閾值和下調閾值之間時，調制速率保持不變。

3.4 速率自適應算法的應用

為檢驗改進的速率自適應算法的實際效果，采用兩臺Mesh設備進行饋線連接，并在饋線間連接可調的信號衰減器，依次固定調制速率為12,18,24,36 Mbps，逐步增加饋線間的可變衰減器衰減值，測得設備4種調制速率下的最小SNR門限和對應吞吐量大小，測試結果如表4所示。

表4 固定速率測試結果
Tab.4 Test results of fixed rate

接收設備的SNR/dB發送設備的發送速率/Mbps吞吐量/Mbps25368.5524368.5523368.4722368.5021368.4920368.4819368.4318246.8217246.8016246.8115185.6814185.6113185.6012185.5911123.9510123.919123.858123.807120

將設備恢復至自適應速率，用同樣的方式逐步增加饋線間的可變衰減器衰減值，記錄自適應速率在每個SNR值下選擇的調制速率和吞吐量大小，測試結果如表5所示。

表5 自適應速率算法測試結果
Tab.5 Test results of adaptive rate

接收設備的SNR/dB發送設備的發送速率/Mbps吞吐量/Mbps25368.5524368.4723368.4922368.4421368.4820368.6419368.5318368.4517246.8516246.9315246.8214246.8413185.6312184.3911124.1110124.019123.788123.797120.04

圖3和圖4分別為自適應速率算法得到的發送調制速率和吞吐量結果，并與理論結果進行了對比(即固定調制速率曲線)，結果表明自適應速率功能符合實際應用的預期。

圖3 調制速率選擇對照圖Fig.3 Comparison of modulation rate selection

圖4 吞吐量對照圖Fig.4 Comparison of throughput

4 結束語

本文提出了一種聯合采用傳輸成功率統計信息和信噪比來確定速率自適應算法中動態解調門限的方法。該方法可根據不同工作環境自動調整每種調制速率的解調門限。在該方法中，相鄰信噪比區間的調整具有聯動機制，使得速率調整更加精準和快速，能夠更好地適應信道的緩慢或劇烈變化。同時，該方法所需信噪比信息可嵌入到Mesh網絡路由協議廣播報文中，能夠在很大程度上節省信道占用。