嵌入式系统/ARM技术中的一种基于IEEE 802.11的多速率自适应MAC协议
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2020-12-08
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嵌入式系统嵌入式系统/ARM技术中的一种基于技术中的一种基于IEEE 802.11的多速率自适的多速率自适
应应MAC协议协议
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核心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
1 引引 言言
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核心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，精确地获取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，其中最著名的是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，该文的核心思想是：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]的核心思想是，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，保证在最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)表示第一次尝试高速率状态。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最大值100和一个最小值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：
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