吳靜靜，高仲合，呂見霞

（曲阜師范大學 計算機科學學院，山東 日照 276826）

0 引言

Ad Hoc與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)相比，它具有無中心、自組織、節(jié)點移動、多跳和受限的無線傳輸帶寬等特點[1]。由于節(jié)點的頻繁移動和相鄰節(jié)點的競爭，無線鏈路的傳輸錯誤引起相當多的段丟失，TCP發(fā)送端就誤認為這些段丟失是由于擁塞引起的。盡管有時帶寬是充足的，發(fā)送端也會抑制自己的發(fā)送速率。因此，信道的利用率大大降低，TCP的性能急劇惡化。

另一方面，在 IEEE802.11[2]協(xié)議系列中，物理層具有多速率傳輸能力,能夠自動適應(yīng)鏈路特征，自動溝通協(xié)商通信的速率與通信[3]，在此基礎(chǔ)上，MAC協(xié)議應(yīng)該能根據(jù)信道情況自適應(yīng)地選擇傳輸速率,以達到最佳的吞吐量。因此，針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)提出了一些自適應(yīng)速率方法[4]，如自動速率回退(ARF)協(xié)議，基于接收方的自動速率 (RBAR)，機遇式自動速率(OAR)和自適應(yīng)自動速率 (AAR)，另外還有機會分組調(diào)度自動速率 (OSAR)和全自動速率(FAR)協(xié)議。

文中提出了一種自適應(yīng)速率傳輸機制，該方法盡量滿足傳統(tǒng)的802.11標準。而且傳輸速率是根據(jù) TCP吞吐量性能選擇的，對于分段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，每一幀都能自適應(yīng)地選擇傳輸速率。從仿真結(jié)果可以看出，該方法能夠較好地提高系統(tǒng)的吞吐量。

1 自適應(yīng)速率的選擇

速率自適應(yīng) MAC 協(xié)議的基本思想就是對信道進行動態(tài)估計, 并根據(jù)估計值選擇當前信道條件下最佳的傳輸速率,以達到最優(yōu)的吞吐量[5]。該方法中，接受端為即將到來的數(shù)據(jù)包估計信道情況，包誤差率以及傳輸速率的TCP吞吐量。然后，接收端為每個數(shù)據(jù)包選擇合適的傳輸速率，并通過包傳送給發(fā)送端。

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點采用載波監(jiān)聽機制監(jiān)聽周圍媒介的忙閑情況。當信道空閑時，發(fā)送節(jié)點以基本速率V0發(fā)送一個RTS 幀，使處在傳輸范圍內(nèi)的接收節(jié)點無差錯接收。接收端根據(jù)收到的RTS包估計出信噪比（SNR），誤碼率（BER）與 SNR 之間又存在著一定的關(guān)系, 根據(jù)分析模型得到傳輸速率v下的誤碼率 Pb(v),利用包長度可以得到下一個數(shù)據(jù)包的包誤差率Pf(v):

由于TCP是根據(jù)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸特點設(shè)計的，其性能在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下會急劇惡化。接收端在選擇合適的傳輸速率時，把TCP性能作為一個標準。根據(jù)分析模型[6]可得，當包誤差率增加時，TCP性能會急劇惡化。估計的TCP吞吐量TCP()T v為:

當傳輸速率不同時，傳輸持續(xù)時間不同，因此消耗的無線資源也是不同的。當考慮每個傳輸速率所消耗的無線資源時，估計的TCP吞吐量為:

式中，maxV 是最大傳輸速率。最后接收節(jié)點根據(jù)TCP性能和消耗的無線資源，選擇一個最佳的傳輸速率SV:

2 數(shù)據(jù)包的傳輸

2.1 數(shù)據(jù)包不分片時

令 V0為首次傳輸?shù)幕緜鬏斔俾?，為短的幀間隔持續(xù)時間,為傳輸速率為V0時，傳輸數(shù)據(jù)包所用的時間，為CTS包的持續(xù)時間，為ACK包的持續(xù)時間。最初的是設(shè)置在RTS包中的，當接收端收到 RTS包時，無需改變包結(jié)構(gòu)就可以根據(jù) N AV0值計算出要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包長度L:

接收端根據(jù)數(shù)據(jù)包長度L，利用式（4）選擇合適的數(shù)據(jù)包傳輸速率SV, 得到一個新的NAV值：

接受端把該NAV值放在CTS包的持續(xù)段中。當發(fā)送端接收到CTS包后，從NAV值中估計出選擇的傳輸速率:

這樣不需要改變包結(jié)構(gòu)，發(fā)送端就可以得到下一個數(shù)據(jù)包的傳輸速率′。

2.2 數(shù)據(jù)包分片時

當要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包較長時，由于無線信道通訊質(zhì)量較差，需要對數(shù)據(jù)包進行分片，這時就可以在一次使用RTS和CTS預(yù)約信道后連續(xù)發(fā)送這些分片。當分片較多時，在分片傳輸過程中信道可能已經(jīng)發(fā)生變化,如果仍采用 RTS/CTS 幀交換期間選擇的速率進行傳輸顯然是不合適的，針對以上特點,文中提出了讓每個分片以自適應(yīng)的速率進行傳輸。接收節(jié)點根據(jù)式（4）選擇下一分片的傳輸速率,并將該速率信息由 ACK 幀帶回給發(fā)送節(jié)點,因此需要對DATA和ACK幀做一定的修改,如圖1、圖2所示。

圖1 DATA 幀結(jié)構(gòu)

圖2 ACK幀結(jié)構(gòu)

該方法中RTS和CTS幀結(jié)構(gòu)保持不變，將DATA和ACK幀結(jié)構(gòu)中的持續(xù)時間字段進行修改，這種修改與802.11標準的持續(xù)時間域并不沖突，因為持續(xù)時間的值是由傳輸速率和數(shù)據(jù)包長度計算出來的，所以修改后的幀結(jié)構(gòu)能為其傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點設(shè)置NAV值提供足夠信息，每個分片都能根據(jù)信道質(zhì)量選擇合適的傳輸速率，充分利用了信道資源，提高了系統(tǒng)的吞吐量。

3 仿真實驗及性能分析

下面通過仿真平臺 NS2[7]對文中提出的協(xié)議和RBAR 協(xié)議進行性能比較。模擬場景大小為200 m×200 m，物理層采用直接序列展頻技術(shù)（DSSS）,基于IEEE 802.11a標準,業(yè)務(wù)產(chǎn)生采用 ON-OFF模式,每個包大小按照指數(shù)分布函數(shù)來確定,最大為1 024 字節(jié)，TCP協(xié)議為 AODV，節(jié)點的移動速度1～10 m/s,模擬時間為200 s。

通過不斷增加站點數(shù)目來考察 TCP吞吐量情況。圖3顯示了文中修改的協(xié)議和RBAR協(xié)議的端到端吞吐量比較曲線?？梢宰C實由于站點數(shù)增多，相互碰撞，會造成吞吐量快速下降。但是由于改進協(xié)議在數(shù)據(jù)包過長時采用基于TCP吞吐量的分段速率自適應(yīng)傳輸，相比RBAR協(xié)議有一定的提高。

當節(jié)點之間移動速度增加時，從圖4可以看出提出的協(xié)議能夠保持較高的吞吐量。這是因為該方法不僅通過發(fā)送端的RTS包估計下一個數(shù)據(jù)包的包誤差率，還通過估計TCP吞吐量為下次傳輸選擇合適的速率。另外分段速率自適應(yīng)傳輸在一定程度上提高了TCP吞吐量。

圖3 吞吐量和節(jié)點數(shù)的關(guān)系

圖4 節(jié)點速度和吞吐量的關(guān)系

4 結(jié)語

文中提出的改進MAC 層速率自適應(yīng)協(xié)議[8]，更好地利用了物理層的多速率能力，接收端通過計算即將到來數(shù)據(jù)包的包誤差率和TCP吞吐量性能，選擇合適的傳輸速率，對于分段數(shù)據(jù)幀，每一段都能自適應(yīng)選擇合適的速率，跟RBAR協(xié)議相比，無需對物理層進行修改，協(xié)議簡單容易實現(xiàn)，不僅提高了性能，還保持了與802.11標準的兼容性和互操作性。

文中創(chuàng)新點：提出了一種改進的 MAC 層速率自適應(yīng)協(xié)議，該協(xié)議實現(xiàn)簡單，與傳統(tǒng)標準兼容性好，在提高TCP吞吐量的基礎(chǔ)上能適應(yīng)快速變化的無線信道，對于分段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，每一幀都能自適應(yīng)地選擇最優(yōu)傳輸速率，從而提高系統(tǒng)的吞吐量。

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