吳 宇，喻 明

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

0 引言

無線Mesh網(wǎng)[1-3]是基于IP協(xié)議的無線寬帶接入技術(shù)，它融合了WLAN[4]和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)[5-6]的優(yōu)勢，支持多點對多點的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有自組網(wǎng)、自修復(fù)、多跳級聯(lián)、節(jié)點自我管理等智能優(yōu)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(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)成為一種有效的寬帶接入手段。

傳統(tǒng)WLAN是有中心基站的單跳網(wǎng)絡(luò)，而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點都可同時作為路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都能發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都能與一個或多個對等節(jié)點進行直接通信。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢為：如果最近的節(jié)點由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣脑?，?shù)據(jù)可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節(jié)點進行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況，繼續(xù)路由到與之最近的下一個節(jié)點進行傳輸，直到到達最終目的地為止，從而實現(xiàn)了多跳訪問。

由于當(dāng)前IEEE 802.11 WLAN設(shè)備隨處可見，因此基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)是目前主流。但是，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)并沒有對速率自適應(yīng)算法進行規(guī)范，而在Mesh這種多跳、移動環(huán)境下，速率自適應(yīng)需求卻更加突出，因此在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，如何根據(jù)當(dāng)前發(fā)送端和接收端之間的信道質(zhì)量選擇合適的調(diào)制速率，保持鏈路傳輸穩(wěn)定，同時使整個網(wǎng)絡(luò)達到最大的信道容量，一直以來都是Mesh領(lǐng)域研究的熱點[7-11]。

目前，Mesh網(wǎng)絡(luò)速率自適應(yīng)算法主要可歸結(jié)為以統(tǒng)計為基礎(chǔ)的速率自適應(yīng)算法和以信道質(zhì)量(例如SNR)為基礎(chǔ)的速率自適應(yīng)算法這兩類。從實際應(yīng)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(tǒng)計信息和信道質(zhì)量，提出了一種新的速率自適應(yīng)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(guān)鍵問題，通過仿真驗證，取得了較好的性能。

1 基于統(tǒng)計的速率自適應(yīng)算法

朗訊公司最早提出了以統(tǒng)計為基礎(chǔ)的速率自適應(yīng)(Auto Rate Fallback,ARF)算法[12]。該算法的基本思想是如果連續(xù)發(fā)送2幀數(shù)據(jù)失敗，則降低傳輸速率一個級別；若在一段時間內(nèi)采用同一速率連續(xù)發(fā)送10幀數(shù)據(jù)均成功，則速率向上調(diào)整一個級別。這種算法的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，但缺點也是顯而易見的，算法在執(zhí)行過程中無法避免地進行了一些不匹配信道質(zhì)量的速率嘗試，降低了信道容量，同時也會使得調(diào)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(diào)的門限值，當(dāng)一段時間內(nèi)采用同一速率連續(xù)發(fā)送10幀成功后，速率向上調(diào)整一級；若此時上調(diào)的速率等級與信道質(zhì)量不匹配，速率將回退至原來的等級，同時提高調(diào)制速率向上調(diào)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(diào)制速率與信道質(zhì)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(dǎo)致的發(fā)送失敗進行剔除，802.11a標(biāo)準(zhǔn)采用CSMA/CA為媒介接入控制協(xié)議[14-16]。這種隨機接入媒介的方法無法避免地會產(chǎn)生多個設(shè)備同時發(fā)送而導(dǎo)致信號碰撞，進而導(dǎo)致發(fā)送失敗，但顯然這種失敗不是因為信道質(zhì)量和調(diào)制速率不匹配導(dǎo)致的，故應(yīng)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(chǔ)上發(fā)展而來，該算法基于CSMA/CA協(xié)議中RTS/CTS預(yù)約信道的方式，剔除RTS/CTS預(yù)約失敗導(dǎo)致的傳輸失敗，這種改進使CARA算法更加切合實際應(yīng)用。

2 基于信噪比的速率自適應(yīng)算法

由于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間相對位置是實時變化的，發(fā)射端設(shè)備以固定的發(fā)射功率進行發(fā)射時，根據(jù)電磁波在自由空間傳播的損耗公式，可知接收端設(shè)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(yīng)算法，即根據(jù)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(diào)制速率的解調(diào)SNR門限，選擇恰當(dāng)?shù)恼{(diào)制速率進行數(shù)據(jù)幀發(fā)送。一般無線發(fā)送設(shè)備獲取SNR的方法有以下2種。

2.1 以發(fā)送端接收的SNR為依據(jù)

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?shù)男盘栍绊懯窍嗷ΨQ的假設(shè)，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(xiàn)時，由于每次發(fā)送完一次數(shù)據(jù)幀，接收端都會反饋一個ACK幀，發(fā)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(jù)發(fā)送端周圍的噪聲環(huán)境獲得噪聲強度，最終獲得反向信道的SNR值。發(fā)送端在下一次發(fā)送數(shù)據(jù)前，即根據(jù)該SNR值大小選擇合適的調(diào)制速率進行發(fā)送。這種方案在較小范圍的網(wǎng)絡(luò)和較優(yōu)的信道環(huán)境中，表現(xiàn)尚可。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，信道質(zhì)量參差不齊的情況下，就會出現(xiàn)收發(fā)兩端節(jié)點噪聲功率不對稱的情況，這種情況下即使在收發(fā)兩端獲取的信號強度大小對稱，但SNR卻不對稱，故發(fā)送端無法再以發(fā)送端的接收SNR為依據(jù)選擇恰當(dāng)?shù)恼{(diào)制速率。

2.2 以接收端接收的SNR為依據(jù)

這種方案一般通過某種報文將接收端獲得的SNR反饋至發(fā)射端，發(fā)射端再根據(jù)此SNR選擇一個合適的調(diào)制速率進行數(shù)據(jù)傳輸。這種方式解決了收發(fā)兩端噪聲環(huán)境不對稱的情況，但在動態(tài)變化的無線信道中，收發(fā)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(fā)送端，才能保證發(fā)送端每次發(fā)送數(shù)據(jù)幀時所依據(jù)的SNR值是有效的，這種情況下又會產(chǎn)生一定的信道容量開銷。

3 統(tǒng)計和SNR相結(jié)合的改進算法

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

大學(xué)從它產(chǎn)生到現(xiàn)在已有上千年的歷史，中世紀(jì)大學(xué)僅是傳授已有知識的場所，而從19世紀(jì)開始興起的現(xiàn)代大學(xué)，主要是將科學(xué)研究當(dāng)作它的主要目標(biāo)。同時在教育過程中培養(yǎng)出相應(yīng)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(xué)術(shù)自由[1]。大學(xué)職能的實現(xiàn)主要依靠大學(xué)課堂，隨著時代的發(fā)展，幕課、反轉(zhuǎn)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(zhì)，即“老師教”與“學(xué)生學(xué)”。國家根據(jù)教育改革所提出的綱要中，已經(jīng)指出了在學(xué)習(xí)過程中要注重思考，教學(xué)的方式也要多樣化，盡可能的鼓勵學(xué)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(fā)式教學(xué)，努力使學(xué)生真正理解如何學(xué)習(xí)。

而基于統(tǒng)計成功率的速率自適應(yīng)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(huán)境影響，系統(tǒng)容量未必能達到最大。

因此本文提出一種以統(tǒng)計和SNR相結(jié)合的綜合性算法，基本思想為采用統(tǒng)計成功率的方式，在不同的環(huán)境下自動調(diào)整調(diào)制速率和各個速率對應(yīng)的最小解調(diào)SNR門限值，同時采用無線Mesh設(shè)備路由協(xié)議廣播報文作為設(shè)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(shè)備在各種工作環(huán)境下都能根據(jù)SNR和發(fā)送成功率的大小選擇匹配當(dāng)前信道環(huán)境的最佳調(diào)制速率。

3.1 接收SNR的交換機制

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

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

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，某個接收端周圍經(jīng)常存在多個鄰居節(jié)點，且該接收方接收各個鄰居節(jié)點的SNR大小不盡相同，這就需要在嵌入路由協(xié)議廣播報文的SNR值前分別加入各個鄰居節(jié)點的MAC地址，格式如圖2所示。

圖1 速率自適應(yīng)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(dāng)鄰居節(jié)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(yīng)速率模塊將解析該報文中的MAC地址和SNR信息。當(dāng)查找到匹配本設(shè)備MAC的地址，則將該MAC地址攜帶的SNR信息提取并對應(yīng)保存至該報文的源MAC地址位置，當(dāng)有數(shù)據(jù)報文向該源MAC地址發(fā)送時，則根據(jù)相應(yīng)保存的SNR信息選擇合適的調(diào)制速率，例如某節(jié)點發(fā)送如圖2所示的廣播報文，鄰居1節(jié)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(dāng)鄰居1節(jié)點有數(shù)據(jù)報文向該節(jié)點發(fā)送時，鄰居1節(jié)點則讀取事先保存的接收鄰居1的SNR值，再查找調(diào)制速率和最小解調(diào)SNR門限的對應(yīng)表格(表格建立方法見3.2節(jié))，選擇相應(yīng)的調(diào)制速率進行報文發(fā)送。

3.2 基于接收信噪比與調(diào)制速率的映射表

在IEEE802.11協(xié)議[18]中，不同的編碼碼率和不同的調(diào)制方式組合構(gòu)成了不同的調(diào)制速率，以20 MHz帶寬為例，不同的調(diào)制速率對應(yīng)的調(diào)制和編碼方式如表1所示。

表1 802.11a OFDM系統(tǒng)定義的調(diào)制速率
Tab.1 802.11a OFDM modulation

調(diào)制編碼卷積碼碼率子載波比特數(shù)OFDM符號編碼比特數(shù)OFDM符號數(shù)據(jù)比特數(shù)調(diào)制速率/MbpsBPSK1/2148246BPSK3/4148369QPSK1/22964812QPSK3/4296721816-QAM1/24192962416-QAM3/441921443664-QAM2/362881924864-QAM3/4628821654

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

表2 調(diào)制速率及其解調(diào)門限SNR對照表
Tab.2 Table of modulation rate and its demodulation threshold

調(diào)制速率/Mbps解調(diào)門限/dB6SNR6_Threshold9SNR9_Threshold12SNR12_Threshold18SNR18_Threshold24SNR24_Threshold36SNR36_Threshold48SNR48_Threshold54SNR54_Threshold

為克服不同信道環(huán)境下各種調(diào)制速率所需的最小解調(diào)SNR門限不同，在確定一個初始的對應(yīng)表格后，還需設(shè)備根據(jù)不同的工作環(huán)境自動調(diào)整表格，使得設(shè)備可以在不同的環(huán)境下，根據(jù)發(fā)送成功率對每種調(diào)制速率的最小解調(diào)SNR門限進行相應(yīng)的調(diào)整，同時根據(jù)前文討論CSMA/CA這類隨機接入?yún)f(xié)議無法避免的信號碰撞，在實際統(tǒng)計發(fā)送成功率時，需剔除RTS/CTS預(yù)約信道失敗導(dǎo)致的發(fā)送失敗幀數(shù)量，使發(fā)送成功率完全體現(xiàn)信道質(zhì)量變化對調(diào)制速率的影響，故定義發(fā)送成功率計算公式為：

(2)

為實現(xiàn)對信道變化的精準(zhǔn)控制，同時結(jié)合程序編寫的難易程度，將節(jié)點的整個SNR值變化范圍以ΔSNR為間隔劃分為大小相等的區(qū)間，并在每個區(qū)間對應(yīng)統(tǒng)計當(dāng)前區(qū)間調(diào)制速率的發(fā)送成功率，建立SNR區(qū)間表，如表3所示。

表3 SNR區(qū)間表
Tab.3 SNR threshold table

SNR調(diào)制速率/Mbps總發(fā)幀數(shù)預(yù)約信道失敗幀數(shù)成功發(fā)送幀數(shù)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(yīng)速率工作前，首先需將設(shè)備的射頻接口用饋線連接，依次測試各個調(diào)制速率對應(yīng)的解調(diào)SNR門限值，獲得表2;每次設(shè)備初始化時，將表2中SNR門限和調(diào)制速率寫入表3中，同時將成功率統(tǒng)計的總發(fā)送幀數(shù)量、預(yù)約信道失敗幀數(shù)量和成功發(fā)送幀數(shù)量均清零。

3.3 速率自適應(yīng)算法流程

無線Mesh設(shè)備初始化完成后，通過路由協(xié)議周期性廣播報文的交換，獲得了所有鄰居節(jié)點接收本設(shè)備的SNR值，當(dāng)有單播數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行報文發(fā)送前，則根據(jù)鄰居節(jié)點廣播的SNR值在表3選擇相應(yīng)的調(diào)制速率，并將每次發(fā)送的結(jié)果記錄值表格中：

① 每發(fā)送一次，無論成功或失敗，總發(fā)送幀數(shù)加1；

② 每成功發(fā)送一次，成功發(fā)送幀數(shù)加1；

③ 若長數(shù)據(jù)報文的RTS/CTS信道預(yù)約失敗或者短報文第一次發(fā)送失敗，則將預(yù)約信道失敗發(fā)送加1。

根據(jù)式(2)計算成功率，當(dāng)成功率高于設(shè)定的速率上調(diào)閾值時，調(diào)制速率向上調(diào)整一級，并將相同調(diào)制速率且SNR值大于當(dāng)前區(qū)間的所有SNR區(qū)間對應(yīng)的調(diào)制速率上調(diào)一級；當(dāng)成功率低于設(shè)定的速率下調(diào)閾值時，調(diào)制速率向下調(diào)整一級，并將相同調(diào)制速率且SNR值小于當(dāng)前SNR區(qū)間對應(yīng)的調(diào)制速率下調(diào)一級；當(dāng)發(fā)送成功率處于上調(diào)閾值和下調(diào)閾值之間時，調(diào)制速率保持不變。

3.4 速率自適應(yīng)算法的應(yīng)用

為檢驗改進的速率自適應(yīng)算法的實際效果，采用兩臺Mesh設(shè)備進行饋線連接，并在饋線間連接可調(diào)的信號衰減器，依次固定調(diào)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(shè)備4種調(diào)制速率下的最小SNR門限和對應(yīng)吞吐量大小，測試結(jié)果如表4所示。

表4 固定速率測試結(jié)果
Tab.4 Test results of fixed rate

接收設(shè)備的SNR/dB發(fā)送設(shè)備的發(fā)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(shè)備恢復(fù)至自適應(yīng)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(yīng)速率在每個SNR值下選擇的調(diào)制速率和吞吐量大小，測試結(jié)果如表5所示。

表5 自適應(yīng)速率算法測試結(jié)果
Tab.5 Test results of adaptive rate

接收設(shè)備的SNR/dB發(fā)送設(shè)備的發(fā)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(yīng)速率算法得到的發(fā)送調(diào)制速率和吞吐量結(jié)果，并與理論結(jié)果進行了對比(即固定調(diào)制速率曲線)，結(jié)果表明自適應(yīng)速率功能符合實際應(yīng)用的預(yù)期。

圖3 調(diào)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(jié)束語

本文提出了一種聯(lián)合采用傳輸成功率統(tǒng)計信息和信噪比來確定速率自適應(yīng)算法中動態(tài)解調(diào)門限的方法。該方法可根據(jù)不同工作環(huán)境自動調(diào)整每種調(diào)制速率的解調(diào)門限。在該方法中，相鄰信噪比區(qū)間的調(diào)整具有聯(lián)動機制，使得速率調(diào)整更加精準(zhǔn)和快速，能夠更好地適應(yīng)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(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議廣播報文中，能夠在很大程度上節(jié)省信道占用。