一种基于IEEE 802.11的多速率自适应MAC协议

1 引 言

IEEE 802.1la／b／g在物理层支持多种发送速率，但是在MAC层只对不同类型的帧规定了不同的速率，却没有规定如何根据信道状态选择和切换合适的发送速率，因而信道自适应的速率选择算法成为目前的研究热点。

信道自适应的速率选择算法是获取时变的信道信息(Channel State Information，CSI)。基于IEEE 802.11标准的无线网络，当前主要有两种获取CSI的方法：对信道信息直接测量的方法和基于统计信息的方法。

对信道信息直接测量的方法是直接测量信道的某一信息，如信噪比(SNR)、接收信号强度(RSS)、或者误码率(BER)，因而能够快速地反应信道状态。例如在G.Hol-land提出的RBAR协议中，接收方测量接收到的RTS帧的SNR，选取合适的速率，再通过CTS帧将速率选择信息反馈给发送方。这种方法的缺点是，地获取SNR并不容易；并且该协议强制地使用RTS／CTS握手，必定会带来额外的开销；另外，RBAR协议需要对IEEE 802.11标准进行修改，因而目前并没有被厂商采用。

基于统计信息的方法是统计在一段时间内发送数据的某些信息，如误帧率、ACK成功接收次数、吞吐量等，作为判断无线信道质量的依据。这种方法的显著优势在于简单方便，可以通过编写驱动程序实现，因而很多厂商采用这种方法实现速率自适应，其中的是ARF协议。本文提出的多速率自适应协议EARF以ARF协议为基础，能够根据ACK帧统计信息感知信道状态，自适应地调整每个速率的成功阈值，并且无需修改现有的IEEE802.11标准。仿真结果表明EARF协议在不同的仿真环境下吞吐量性能都有较大提高。

2 相关研究

ARF协议基于统计成功接收的ACK帧判断信道状况。在ARF协议中，若发送方连续两次没有接收到ACK帧，就认为信道质量变差，采用较低的发送速率并且启动一个定时器；若发送方连续10次成功地接收到ACK帧，或定时器超时，则假定信道质量提高，因而尝试提高数据发送速率。该方法的局限性在于始终以固定值10作为成功阈值，并不能很好地反应实时变化的信道质量。相关的研究表明，对于快变的信道，需要较低的成功阈值，而对于慢变的信道，需要较高的成功阈值。ARF3-10协议对ARF协议进行了改进，设定了两个成功阈值3和10，信道快变时采用阈值3，慢变时采用阈值10。然而该协议也只使用了两个固定的成功阈值，依然不能很好地适应信道的动态变化。

文献[4]基于ARF3-10进行改进，该文的思想是：每个速率应该有不同的成功阈值，成功阈值依赖于信道状态(多普勒频率、接收功率)以及数据长度。而另一文献[5]的思想是，在从低速率向高速率调整的时候，尽可能减少尝试的次数以减小开销和失败，保证在短的时间内采用高速率发送数据。然而该法的实现较为复杂，仿真表明其性能改进有限。

本文基于ARF协议，在文献[4，5]思想的启发下，提出了一种新颖的速率自适应协议EARF(EnhancedARF)。通过文献[5]提出的延时因子量化信道状态，对速率的成功阈值进行更新，因而有较好的自适应位。

3 EARF协议描述

EARF协议的基本思想可以用图1的状态转换图来表示。

图1中R(i)和R(i十1)分别表示低速率和高速率，Ra(i+1)表示次尝试高速率状态。低速率和高速率对应的成功阈值分别为THi和THi+1。S0和S1分别表示在R(i)和R(i+1)状态下已经连续接收到的ACK帧的次数，他们在初次使用相应速率或尝试该速率时清0，每次连续地接收一个ACK帧则加1。另外，给每个成功阈值都设置了一个值100和一个值2。

如图1所示，若当前处于R(i+1)状态，一旦ACK帧接收失败就降低数据的发送速率转移到速率R(i)。若当前处于低速率R(i)，当接收的ACK帧次数S0达到了R(i)的成功阈值THi时尝试高速率R(i+1)，即转移到Ra(i+1)状态，尝试成功则正式采用高速率R(i+1)，失败则重新降低速率到R(i)状态，并且按照算法ResetTh(i)更新THi。

算法ResetTh(i)是对文献[5]提出算法的简化，以下只作简单说明：

当成功从低速率进入尝试高速率状态Ra(i+1)，但接收ACK帧失败时，重新设置低速率的成功阈值THi，如式(1)所示。

式中[ ]表示取整，f表示延时因子，定义参看文献[6]，该值在不同的信道条件下有不同的经验值。Tmdf表示开始以速率R(i)发送数据的时刻，Tattemp表示开始尝试高速率R(i+1)发送数据的时刻。xmit duration(rhigh)和xmitduration(rcurrent)分别表示尝试高速率R(i+1)和以当前速率R(i)发送一个数据帧需要的时间。

为了进一步地说明速率的转换过程，如图2所示，假设了一个包含了各种可能情况的数据帧发送过程。阶段：假定在Tmdf1时刻开始以速率R(i)传输数据，Thi为n，成功的发送了n个数据帧后，在Tattemp1时刻尝试以高速率R(i+1)发送，但是失败——表明此时的信道状况没有好到可以提高速率，尝试高速率的时机太早，因此调回到速率R(i)，并且凋用算法ResetTh(i)，按照式(1)重新计算THi为m；第二阶段：更新Tmdf为Tmdf2，经过m次连续的成功接收ACK帧，再次尝试以高速率R(i+1)发送并成功，表明信道状况确实已经变好，接下来都以R(i+1)发送数据帧；第三阶段：将Tmdf更新为Tmdf3，并采用成功阈值THi+1，但是在以R(i十1)发送第四个数据帧的时候就发生了错误，表明信道状况变差，因此再次降低速率为R(i)，成功阈值为THi，并更新Tmdf为Tmdf4。从以上的3个阶段可以看出，当且仅当低速率尝试以高速率发送失败的时候，才重新设定低速率的成功阈值。

4 仿真实现及性能评估

4.1 仿真环境设置

本文使用Glomosim网络仿真软件对提出的EARF协议进行性能评估，并与ARF和ARF3-10协议进行性能比较。

考虑仅由一个AP节点和一个用户节点组成的无线局域网。在应用层，假设CBR业务，并且用户节点的发送队列中始终有足够多的数据包等待发送，即网络处于饱和状态。假设节点静止，而信道具有时变特性，并使用具有Jake频谱特性的平衰落瑞利信道来建模时变信道，仿真时间为100 s。

仿真中选择BPSK，QPSK，16-QAM，64-QAM和256-QAM作为多速率的调制方式，并假设不使用纠错编码，信道带宽设置为6 MHz，则以上的几种调制方式分别提供6 Mb／s，12 Mb／s，24 Mb／s，36 Mb／s和48 Mb／s五种速率，表示为R(i)(i=0，1，2，3，4)，从而近似地模拟IEEE 802.11a提供的速率。当设置BER需求为1e—5，不同的调制方式对应的合适的SNR区间范围选择如下：

4.2 不同的多普勒频移下系统吞吐量变化

首先考察在不同的多普勒频移下EARF的性能。设置平均SNR为26 dB，数据帧长为1 024 B。通过仿真得出延时因子f的值应选择在0.5左右，在仿真中分别取值为0.45和0.55，可以得到较好的性能。

图3给出了ARF，ARF3-10，EARF各自的吞吐量随着多普勒频移的增大而变化的曲线。从图中可以看出，3种协议的吞吐量都随着多普勒频移的增加而下降。在多普勒频移为5 Hz时，ARF和ARF3-10协议的吞吐量相当，都较高，此时信道变化较慢，取10作为成功阈值可以较好的适应信道变化。随着信道变化速度的加快，ARF协议的吞吐量迅速下降，而ARF3-10和EARF下降的幅度相当，都比ARF要小很多，并且在各种情况下，采用EARF协议获得的吞吐量都比ARF3-10要高。而绝大多数仿真表明，在信道状态变化较慢的情况下，3种协议性能差别不大，因此本文接下来都只讨论在信道状态变化较快(如fd=50 Hz)的情况下性能仿真的结果。

4.3 数据帧长度对吞吐量的影响

接下来考虑吞吐量性能随着数据帧长度变化的情况。设置平均SNR为26 dB，fd=50 Hz，数据帧长度从200 B以步进200 B增加到2 000 B。如图4所示，总的说来，吞吐量随着数据帧长度增加而增加。而随着数据帧长度的增加，ARF协议性能迅速下降——从数据帧长为1 400 B开始，吞吐量缓慢下降；而ARF3-10和EARF的吞吐量仍然缓慢上升，均高于ARF；EARF又高于AF3-10。

4.4 不同的平均接收功率条件下，各种协议的吞吐量

如图5所示，给出fd=50 Hz，平均SNR从20 dB以步进1 dB增加到30 dB时信道的吞吐量变化曲线。在固定的多普勒频移下，吞吐量都随着SNR的增加而增加。而EARF和ARF3-10的自适应性相对较好，吞吐量始终比ARF高1～2 Mb／s；EARF的性能仍然高于ARF3-10。

5 结论及展望

目前的IEEE 802.11标准在物理层提供了多种传输速率，为了更好地利用时变信道的有限带宽，需要在MAC层设计良好的多速率的自适应算法。本文提出了一种新颖的多速率自适应协议EARF，该协议能够迅速地反应信道的实时变化。通过仿真点对点链路各种条件下的吞吐量性能，发现EARF的性能较ARF和ARF3-10都有明显提高。然而，研究中发现延时因子的选取对系统的性能有较大的影响，在进一步的工作中，将结合延时因子与其他因素联合设计MAC层协议。