基于長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)整算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)整算法，以接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）為依據(jù)進(jìn)行速率選擇，快速鎖定幾個(gè)有可能達(dá)到最佳吞吐率的MCS，并把這幾個(gè)MCS的集合稱為一個(gè)速率集，之后在這個(gè)速率集內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)，即可迅速定位到最佳速率。
【專利說明】基于長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)整算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率自適應(yīng)調(diào)整算法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于IEEE802.11的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)(LDmesh)由多個(gè)長(zhǎng)距離無線鏈路組成，相鄰節(jié)點(diǎn)間距離可以達(dá)到幾十甚至上百公里。無需額外的頻帶費(fèi)用，可以在極端惡劣的野外環(huán)境下使用。LDmesh網(wǎng)絡(luò)具有成本低、帶寬高、覆蓋廣、易于部署和維護(hù)等特點(diǎn)，性價(jià)比高，特別適合選做偏遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)接入方案。這一方面國(guó)內(nèi)的研究才剛剛起步[1]。
[0003]IEEE802.1ln標(biāo)準(zhǔn)的引入，給LDmesh網(wǎng)絡(luò)性能帶來質(zhì)的飛躍。IEEE802.1ln在物理層通過信道綁定、多輸入多輸出(MMO)等技術(shù)提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，而且在802.1la正交頻分復(fù)用(OFDM)的基礎(chǔ)上增加了子載波數(shù)量，在MAC層通過幀聚合和塊確認(rèn)提高傳輸效率，使得理論最高數(shù)據(jù)速率達(dá)到600Mbps，相對(duì)于802.lla/b/g的54Mbps吞吐率上限有顯著的提升，這給LDmesh網(wǎng)絡(luò)的上層應(yīng)用提供高速的物理層數(shù)據(jù)速率支持[2]。
[0004]當(dāng)前的長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)主要采用時(shí)分復(fù)用多路訪問(TDMA)的接入方式，即有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，(以A和B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為例)要相互傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，把時(shí)間片等分為兩份，一半的時(shí)間用來從A向B發(fā)送數(shù)據(jù)，另一半的時(shí)間用來從B向A發(fā)送數(shù)據(jù)，這種方法的主要問題就是，網(wǎng)絡(luò)上雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并不是近似相等的，例如下載文件這樣的過程，幾乎在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都是單向數(shù)據(jù)，因此，有一半左右的時(shí)間信道是空閑的，因此，在這種極端情況下，鏈路利用率僅僅為50%，而且，使用TDMA時(shí)時(shí)鐘同步問題是一個(gè)較難解決的問題。
[0005]當(dāng)前的近距離無線網(wǎng)絡(luò)主要采用載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)的機(jī)制，在這種機(jī)制下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先偵聽信道一個(gè)固定的時(shí)長(zhǎng)，如果信道空閑，達(dá)到偵聽時(shí)間后，則進(jìn)行隨機(jī)退避，退避時(shí)間的計(jì)算方法為:在(0，cwmin)之間選取一個(gè)隨機(jī)數(shù)X，X乘以slottime即為退避時(shí)間，如果在acktimeout白勺時(shí)間內(nèi)沒有收到ACK,貝U認(rèn)為丟包，需要進(jìn)行重傳，步驟與第一次發(fā)送時(shí)相同，只是退避時(shí)間的因子X變成了(0，min (cwmin*2, cwmax))之間的隨機(jī)數(shù),每次重傳都把競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小翻一倍，因此也叫做指數(shù)級(jí)退避。
[0006]長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)很少使用CSMA/CA的原因是，由于距離太長(zhǎng)，保持原有slottime的情況下，偵聽和退避的作用會(huì)變得很低，從而增大了碰撞的幾率，而且，由于傳輸時(shí)間變長(zhǎng)，一個(gè)數(shù)據(jù)包即使正確傳輸，也不可能在acktimeout時(shí)間內(nèi)返回ACK,從而使發(fā)送方認(rèn)為丟包。但是由于前文描述的TDMA存在的鏈路利用率低的問題，可以通過增長(zhǎng)slottime和acktimeout來使得CSMA/CA能夠在長(zhǎng)距離鏈路上使用，而且取得比TDMA更高的信道利用率和吞吐率。
[0007]為了使物理層數(shù)據(jù)傳輸速率得到最好的利用，在MAC層需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸速率的選擇，由此出現(xiàn)了一系列的數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)整算法，主要以接收方返回的回饋信息為依據(jù)進(jìn)行選擇，如SampleRate對(duì)速率進(jìn)行探測(cè)取樣,來選取最佳速率?], Atheros網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)中自帶的兩個(gè)算法原理類似，Ath9k算法把所有的可用速率進(jìn)行排序，根據(jù)信道狀況，即ACK的反饋信息向上或者向下探測(cè)，直到不如當(dāng)前速率時(shí)停止探測(cè)，事實(shí)證明，Ath9k的排序方式是不合理的，例如，40MHz，使用短保護(hù)間隔(SGI)，當(dāng)前接收端的接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)約為25的情況下的三個(gè)速率MCSll (MCS，Modulation and Coding Scheme，調(diào)制編碼方案)、MCS7和 MCS12，Ath9k 按照速率值進(jìn)行排序 MCSll (120Mbps)〈MCS7 (150Mbps)〈MCS12 (180Mbps)，如果只考慮這三個(gè)速率且當(dāng)前在使用MCSl I，投遞率高于90 %，要向高速率進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)MCS7的投遞率不足20%，說明高速率性能不好，即停止探測(cè)，而實(shí)際上，此時(shí)MCS12的投遞率也高于90%，它的性能是這三個(gè)速率中最好的，卻因?yàn)镸CS7排在了前面而沒有探測(cè)的機(jī)會(huì)。Minstrel算法間隔一定時(shí)間隨機(jī)選擇速率探測(cè)，并根據(jù)ACK信息比較選擇，這就帶來不必要的探測(cè)開銷，尤其是對(duì)于低MCS來說，同樣以40MHz、SGI為例，本專利實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中常用的調(diào)制編碼方案是MCS12，而MCS12的比特率是MCSO的十多倍，而且，根據(jù)驅(qū)動(dòng)的調(diào)整策略，低MCS的聚合程度也低，進(jìn)一步拉低了速率。MiRA考慮了空間流數(shù)的影響，對(duì)速率重新進(jìn)行排序，在單/雙流模式內(nèi)和模式間進(jìn)行折線型探測(cè)[4]，缺點(diǎn)在于受信道波動(dòng)的影響，會(huì)發(fā)生劇烈的抖動(dòng)，比如某聚合幀可能因?yàn)榕既坏腗AC層頭部錯(cuò)誤導(dǎo)致整幀丟失，或出現(xiàn)偶然的高丟包現(xiàn)象，從下一聚合幀開始依舊幾乎沒有丟包，那么就不應(yīng)該換用低速率，而MiRA就會(huì)認(rèn)為信道狀況變差而觸發(fā)向低MCS的探測(cè)和切換，直到下一次因探測(cè)超時(shí)而重新探測(cè)時(shí)，才能探測(cè)回到高速率，這也就造成了 MiRA速率變化曲線中較大的波動(dòng)。
[0008]當(dāng)前的速率調(diào)整算法主要是針對(duì)室內(nèi)的場(chǎng)景，若把這個(gè)算法直接放到室外的環(huán)境上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有固定速率時(shí)的吞吐率高，因此，現(xiàn)有的速率調(diào)整算法不能很好地適用于長(zhǎng)距離鏈路，而且在長(zhǎng)距離鏈路上，傳輸延時(shí) 大，即大量的時(shí)間用于傳輸和等待ACK，因此鏈路利用率很低。
[0009]在發(fā)明本專利之前，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，包括測(cè)量了在晴天、大霧、小雨等各種天氣條件下，固定MCS(MCS0-15)、幀聚合長(zhǎng)度上限(FA = 1,2,4,6,……，30，32)、帶寬(20/40MHZ)、是否開啟載波偵聽及隨機(jī)退避這1088種參數(shù)組合的性能，以及Ath9k、Minstrel兩種速率調(diào)整算法的效果。
[0010]根據(jù)各種調(diào)制編碼方案的投遞率、吞吐率變化，以及開啟載波偵聽時(shí)與禁用載波偵聽時(shí)吞吐率的差值，分析發(fā)現(xiàn)，在RSSI固定的情況下，哪些MCS可以正常工作，哪些MCS投遞率接近于0，有一個(gè)基本不變的規(guī)律，而在802.1ln標(biāo)準(zhǔn)中提到，各種調(diào)制編碼方案的投遞率的理論值與信噪比(SNR)有相似的變化規(guī)律，而不同調(diào)制編碼方案從投遞率開始上升，到投遞率趨于100%對(duì)應(yīng)的RSSI窗口是不同的。在室內(nèi)由于選擇性衰落和多徑效應(yīng)等原因，無法呈現(xiàn)這樣的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)中在戶外使用變化發(fā)送功率的方法改變接收端的接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)，多次重復(fù)測(cè)量，進(jìn)行了大量充足的投遞率(TOR)與信噪比(SNR)變化規(guī)律的測(cè)量，得到如圖7所示的結(jié)果，根據(jù)圖中所示的規(guī)律，SNR可以作為選擇速率的標(biāo)準(zhǔn)，并且，可以由此制定供速率選擇使用的速率表。
[0011]在此之如，也有許多致力于提聞無線網(wǎng)絡(luò)性能提聞的專利，其中，以改進(jìn)物理層編碼及傳輸機(jī)制的方式來解決該問題的為主，例如針對(duì)編碼解碼上的不足，如較低的信號(hào)干擾噪聲比(SINR)會(huì)限制碼多分址(CDMA)的工作的問題，美國(guó)朗訊科技公司在2006年提出用格式化信號(hào)的混合方法在高數(shù)據(jù)速率無線系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)，通過把數(shù)據(jù)部分則交給OFDMA傳輸來替代CDMA傳輸，提高了抗干擾能力[6]。針對(duì)發(fā)射功率有限導(dǎo)致高速率無線傳輸可靠性不高的問題，浙江大學(xué)在2008年提出基于網(wǎng)絡(luò)編碼的分布式MMO技術(shù)，適用于多個(gè)信源和信宿節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景，利用MIMO的機(jī)制大幅提高無線網(wǎng)絡(luò)的容量和可靠性m。除此之外，也有少量的專利在數(shù)據(jù)鏈路層通過速率調(diào)整來提高長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)的性能，有代表性的是通過信源發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，由信宿節(jié)點(diǎn)根據(jù)誤碼率決定采用哪一種調(diào)制方式(QPSK、16QAM、64QAM或128QAM中的一種)并反饋給信源，信源根據(jù)反饋信息調(diào)整調(diào)制方式[8]。但這只是局限于幾種調(diào)制方式的選擇，802.1ln的提出，使得物理層的數(shù)據(jù)率得到的空前的飛躍，而MAC層的速率調(diào)整機(jī)制由于選擇太多、環(huán)境變化等因素難以用現(xiàn)有的方案充分發(fā)揮物理層的優(yōu)勢(shì)。
[0012]參考文獻(xiàn)
[0013][I]趙增華,王楠,竇志斌,張連芳,舒炎泰.基于IEEE802.11的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò).計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2012年6期.[0014][2]IEEE802.lln.Standard for Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications Amendment5 !Enhancements for HigherThroughput[S].2009.[0015][3]Bicket J C.Bit-rate selection in wireless networks[D].MassachusettsInstitute of Technology,2005.[0016][4]Pefkianakis I, Hu Y, Wong S H Y, et al.MIMO rate adaptation in802.1lnwireless networks[A].1n-Proceedings of the sixteenth annual internationalconference on Mobile computing and networking[C].ACM:2010.257—268.[0017][5]張松.基于IEEE802.1ln的長(zhǎng)距離無線鏈路性能實(shí)驗(yàn)研究[D].天津:天津大學(xué)，2012.[0018][6]潘特利斯?莫諾吉爾迪斯，美國(guó)朗迅科技公司.用于分組數(shù)據(jù)的高速率無線通信方法[P].中國(guó):CN1832375, 2006-09-13.[0019][7]謝磊，王政，陳惠芳，趙民建，王匡，浙江大學(xué).基于網(wǎng)絡(luò)編碼的分布式MMO傳輸方法[P].中國(guó):CN101309127, 2008-11-19.[0020][8]林志華.一種遠(yuǎn)距離無線傳輸方法[P].中國(guó):CN101459968，2009-06-17.
【發(fā)明內(nèi)容】
[0021]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了新的適應(yīng)于長(zhǎng)距離無線鏈路的自適應(yīng)速率調(diào)整算法RainbowRate，旨在提出了一種新的適用于長(zhǎng)距離鏈路的速率調(diào)整算法，重新設(shè)定802.11標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的參數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)性能，提高吞吐率。
[0022]本發(fā)明提出的一種基于802.1ln長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)整算法，該方法包括以下步驟:
[0023]步驟101:對(duì)需調(diào)整的長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)進(jìn)行掃描，若收到其他站點(diǎn)的信標(biāo)幀，此時(shí)根據(jù)配置來初始化速率表；
[0024]步驟102:發(fā)送端根據(jù)是否支持40MHz帶寬和當(dāng)前的RSSI決定當(dāng)前應(yīng)使用的速率集，獲取當(dāng)前選定的速率集中應(yīng)該使用的速率和聚合幀長(zhǎng)度上限；
[0025]步驟103:根據(jù)已發(fā)包數(shù)量決定是否要觸發(fā)探測(cè)，默認(rèn)設(shè)定的發(fā)包數(shù)量是有12.5%的數(shù)據(jù)包用于探測(cè)，包括向高速率、低速率、更高聚合幀上限以及更低幀聚合上限的探測(cè)；
[0026]步驟104:如果進(jìn)行探測(cè)，則依據(jù)探測(cè)策略選擇本次探測(cè)使用的速率與幀聚合上限；
[0027]步驟105:如果不進(jìn)行探測(cè)，則選取本速率集、當(dāng)前使用的速率以及當(dāng)前使用的幀聚合上限；
[0028]步驟106:將上述步驟104和步驟105所選取的速率集、速率號(hào)、幀聚合上限信息存入緩存；
[0029]步驟107:等待返回ACK或ACK超時(shí)，若收到ACK或接收到接收方反饋，則得到RSSI，并存入緩存；
[0030]步驟108:本次發(fā)送的聚合幀的實(shí)際聚合長(zhǎng)度，其中包括被正確接收的子幀數(shù)與丟失的子幀數(shù)，并存入緩存；
[0031]步驟109:當(dāng)一個(gè)幀發(fā)送完成后，更新狀態(tài):首先更新系統(tǒng)RSSI，收到接收端反饋的RSSI，若接收端未反饋則從發(fā)送方底層獲取ACK幀的RSSI，如果之前的RSSI與本次獲取的RSSI差值超過3，則表明信道發(fā)生劇烈變化或者是獲取的第一個(gè)RSSI，此時(shí)直接更新系統(tǒng)記錄的RSSI的值，即根據(jù)公式(I)進(jìn)行賦值:
[0032]current, rssi = this, rssi (I)
[0033]否則根據(jù)公式(2)更新系統(tǒng)RSSI值:
【權(quán)利要求】
1.一種基于長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)整算法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟(101):對(duì)需調(diào)整的長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)進(jìn)行掃描，若收到其他站點(diǎn)的信標(biāo)幀，則根據(jù)配置來初始化速率表； 步驟(102):發(fā)送端根據(jù)是否支持40MHz帶寬和當(dāng)前的RSSI決定當(dāng)前應(yīng)使用的速率集，獲取當(dāng)前選定的速率集中應(yīng)該使用的速率和聚合幀長(zhǎng)度上限； 步驟(103):根據(jù)已發(fā)包數(shù)量決定是否要觸發(fā)探測(cè)，默認(rèn)設(shè)定的發(fā)包數(shù)量是有12.5%的數(shù)據(jù)包用于探測(cè)，包括向高速率、低速率、更高聚合幀上限以及更低幀聚合上限的探測(cè)；步驟(104):如果進(jìn)行探測(cè)，則依據(jù)探測(cè)策略選擇本次探測(cè)使用的速率與幀聚合上限；步驟(105):如果不進(jìn)行探測(cè)，則選取本速率集、當(dāng)前使用的速率以及當(dāng)前使用的幀聚合上限； 步驟(106):將上述步驟(104)和步驟(105)所選取的速率集、速率號(hào)、幀聚合上限信息存入緩存； 步驟(107):等待返回ACK或ACK超時(shí)，若收到ACK或接收到接收方反饋，則得到RSSI，并存入緩存； 步驟(108):本次發(fā)送的聚合幀的實(shí)際聚合長(zhǎng)度，其中包括被正確接收的子幀數(shù)與丟失的子幀數(shù)，并存入緩存； 步驟(109):當(dāng)一個(gè)幀發(fā)送完成后，更新狀態(tài):首先更新系統(tǒng)RSSI，收到接收端反饋的RSSI，若接收端未反饋 則從發(fā)送方底層獲取ACK幀的RSSI，如果之前的RSSI與本次獲取的RSSI差值超過3，則表明信道發(fā)生劇烈變化或者是獲取的第一個(gè)RSSI，此時(shí)直接更新系統(tǒng)記錄的RSSI的值，即根據(jù)公式(I)進(jìn)行賦值:current.rssi = this.rssi (I) 否則根據(jù)公式(2)更新系統(tǒng)RSSI值:
2.如權(quán)利要求1所述的基于長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)整算法，其特征在于，所述步驟(104)的探測(cè)策略，具體包括以下處理: 根據(jù)已發(fā)包數(shù)判斷，如果應(yīng)該向更高速率進(jìn)行探測(cè)，則判斷該速率集是否存在更高速率，更高速率是否被設(shè)置為disable,如果被設(shè)置為disable 了，是否已經(jīng)超過了 disable的時(shí)間，如果存在非disable或已經(jīng)disable超時(shí)的更高速率，則使用更高速率，以更高速率默認(rèn)的幀聚合長(zhǎng)度上限進(jìn)行發(fā)包； 如果應(yīng)該向更低速率進(jìn)行探測(cè)，則判斷當(dāng)前速率的need_probe域是否為true,如果為true，則使用更低速率以及更低速率默認(rèn)的幀聚合長(zhǎng)度上限進(jìn)行探測(cè)，如果為false，則仍使用當(dāng)前速率而不是更低速率發(fā)送數(shù)據(jù)包； 如果應(yīng)該向更低幀聚合長(zhǎng)度上限上進(jìn)行探測(cè)且當(dāng)前幀聚合長(zhǎng)度上限值大于1，此時(shí)若當(dāng)前速率的need_probe域?yàn)閠rue,則將幀聚合上限的值減I,如果need_probe域?yàn)閒alse,則仍使用原來的幀聚合長(zhǎng)度上限； 如果應(yīng)該向更高幀聚合長(zhǎng)度上限上進(jìn)行探測(cè)且當(dāng)前幀聚合長(zhǎng)度上限值小于幀聚合長(zhǎng)度上限，則將幀聚合上限的值加I ; 存儲(chǔ)重傳次數(shù)、當(dāng)前速率集號(hào)、當(dāng)前速率號(hào)以及當(dāng)前幀聚合長(zhǎng)度上限的值。
3.如權(quán)利要求1所述的基于長(zhǎng)距離無線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)整算法，其特征在于，所述步驟(109)中，比較包括當(dāng)前速率/幀聚合長(zhǎng)度上限RF、較高速率R+、較低速率R-、較高幀聚合長(zhǎng)度上限F+、較高幀聚合長(zhǎng)度上限F-在內(nèi)的這五種參數(shù)下的投遞率pdr和理論吞吐率tp的吞吐率，找到更佳參數(shù)組合后更新當(dāng)前使用的MCS、幀聚合長(zhǎng)度上限等參數(shù)，具體選擇策略流程包括: 如果當(dāng)前速率的投遞率小于20%，將當(dāng)前速率禁用，設(shè)置開始禁用的時(shí)間。所謂禁用，是指在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)再向該速率進(jìn)行探測(cè)； 如果探測(cè)的最佳速率是較大的速率且該速率的投遞率大于20%，則將當(dāng)前發(fā)送速率設(shè)置為這個(gè)更大的速率，否則，將這個(gè)較大速率禁用，設(shè)置開始禁用的時(shí)間； 如果最佳速率是在更小的速率參數(shù)，或者在不同的幀聚合上限時(shí)取得的，則修改當(dāng)前的發(fā)送速率或幀聚合長(zhǎng)度上限； 如果最佳速率的投遞率小于20%且current_rssi的值小于28,說明可能是這個(gè)地方的SNR-PDR窗口與我們的測(cè)量結(jié)果微有不同，將current_rssi的值降低2 (或其它的值)，如果最大吞吐的投遞率小于20%,但是current_rssi的值大于等于28,且當(dāng)前速率集中還有更小速率，則切換更小速率為當(dāng)前發(fā)送速率； 如果當(dāng)前最大吞吐率的速率的投遞率超過90%，則在一個(gè)探測(cè)周期內(nèi)，該速率不向更差的參數(shù)上探測(cè)； 重置各結(jié)構(gòu)體的nframe_ok和nframe_bad。
【文檔編號(hào)】H04L1/00GK104022843SQ201410128453
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】趙增華, 張富城, 郭少平 申請(qǐng)人:天津大學(xué)