论文研究-无线局域网的速率自适应算法设计与仿真分析.pdf

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目前的IEEE802.11在物理层提供了不同的传输速率,因此根据不同的信道条件可以选择一个合适的传输速率,以使系统吞吐量达到最大。在WLANs中,当有多个用户向同一个接入点传输数据时,碰撞就会产生。Collision-Aware Rate Adaptation(CARA)算法能够有选择地启用Request-To-Send/Clear-To-Send(RTS/CTS)识别出这种碰撞,很大程度上避免了由于碰撞引起的吞吐量下降。但随着碰撞的增加,CARA吞吐量还是有明显下降。为了提高吞吐量,提出了一种新的速率自适应算法Adaptive Avoid Collision Rate Adaptation(
张建军,唐雅娟:无线局域网的速率自适应算法设计与仿真分析 2011,47(4) DIFSI SIFS SIFS SIFS DIFS: Backoff 初始状态 用户 数据包 (m=n=0) 接入点 其他用户 NAV(RTS) 数据包 m++ 等待发射 NAVICTS if(是侦测包){ 图3RTS/CTS机制图 在每一个数据包的传输前都加上 RTS/CTS信号会很大程 T值减1;} 度上降低系统的频带利用率。根据802.11协议,当数据包长 传输侦测包:间包长<Rm 包长≥RTST7 度大于 rts threshold值时才启用 RTS/CTS握手机制。由于 if(非碰撞引起的 或者n<1 传输失败) 或者n≥1 RTS/CTS对频带利用率的降低,所以在WLAN的实际应用中成功传输 i(是侦测包) 很少被启用。 失败传输7值增加两倍,失败传输 ifn≥Tcon){ 23CARA算法简介 降低传输速率; CARA是2006年由JKim等人提出的,该算法在ARF基 发射数据包 成功传输 发射RTS包 础上用 RTS/CTS识别碰撞,但它不是在每个数据包传输前都 进行 RTS/CTS传输,而是当数据包第一次传输失败后才启用 图4 Adaptive-ACRA工作原理图 RTS/CTS。因为CARA对一次性成功传输的数据包不会启 裴1 Adaptive-ACRA工作原理图中相关 用 RTS/CTS,这就在很大程度上减少了 RTS/ CTS的使用次 标记符清单说明表 数,但能有效地避兔由碰撞引起的系统吞吐量急剧下降。第4章 标记符 说明 的仿真结果表明:在有碰撞存在的情况下,CARA的吞吐量明 连续成功传输数据包计数器 连续失败传输 显高于ARF。CARA只是在降低传输速率时用 RTS/CTS进行 Tn 升高传输速率门限值 碰撞识别;在升高传输速率时,CARA会用一个计数器记录连 降低传输速率门限值 续成功传输数据包的个数,计数器个数达到T时,就用更高传 升高一个传输速率 输速率传输一个侦测包,只要有数据包丢失,CARA就会把计 降低一个传输速率 RTS Th 数器清零。假设数据包的丢失是由碰撞引起的,CARA还是 启动 RTS/CTS的数据包长度门艰值 4会把计数器清零,这就造成了CARA不能有效地对高传输速 侦测包的失败传输说明目前的信道条件不支持更高的传 率进行选择。 输速率,这种条件下 Adaptive-ACRA就用增加r的方法减少 Enhance-CARA在CARA基础上对升高传输速率也进行侦测包传输次数,这可以减少侦测包重传次数,提高系统的平 碰撞识别,以进一步提高CARA的吞吐量。 Enhance-CARA的均吞吐量;侦测包的成功传输说明目前的信道条件支持更高 具体做法是只有在通过启用RTS/CTS确定数据包的丢失是由的传输速率,为了使系统的吞吐量最大化应该尽快选择更高 碰撞引起后才把计数器清零,而不是和CARA一样只要有数的传输速率, Adaptive-ACRA减少/以增加侦测包的传输次 据包丢失就把该计数器清零。这种改变使得计数器更容易达数,加快了更高传输速率的选择。 到门限值,更多的用高传输速率传输侦測包。但是当信道条 件处于稳定时,使用更高传输速率传输的侦测包是不可能成4彷真结果 功传输的,更多的用高传输速率传输侦测包意味着系统重传 用NS2仿真软件评估了 Adaptive-ACRA的性能。所用 数据包的次数增加,总体上会降低系统的吞吐量 NS2版本号为V2.33,通过动态数据链库启用了dei802llmr模 块以支持802. 11g PhY,同时还添加了时变的无线信道模 3 Adaptive-ACRA算法 型。各用户都用恒定的CBR数据流以15Mb/s的速度向接入 本章详细介绍了 Adaptive-ACRA算法的工作原理。点传输数据包(包长为1000个字钓),这个速度保证了在所有 Δ daptive-ACRA的一个显著特征是能根据信道条件的不同改彷真过程中传输数据包队列永远不为空,即任何时候都有数 变升髙传输速率门限值。如果目前的信道条件处于稳定状据包传输。在每次仿真过程中,各用户都处于静状态。为了 态,值增加;如果目前信道条件突然变好,T值减少。 评估 Adaptive-ACRA在平稳无线信道和动态无线信道中的性 图4说明了 Adaptive-ACRA的工作原理,表1为相关标记能,仿真过程中分别采用了自由空间信道模型和时变信道模 符说明。∧ daptive^CR∧会根据信道条件的不同选择是否增型。所涉及到的测试方案包括:(1)802llg支持的6-54Mb/s 加侦测包的传输次数,它主要是通过改变T值来实现的。假设8个传输速率;(2)CARA和 Enhance-CARA;(3)未启用 RTS/CTS 目前连续成功传输数据包计数器m计数个数达到T, Adaptive的ARF和启用 RTS/CTS的ARF,其中启用 RTS/CTS的ARF记 ACRA就会以更高传输速率传输侦测包。如果该侦测包传输为 RTS/CTS;(4)新提出的算法 Adaptive-ACRA。 失败, Adaptive-ACRA不但会返回到原来的传输速率,而且会41自由空间模型下的性能评估 把T的值增大两倍(最高为80)。反之,如果该侦测包传输成 本实验中的所有用户都以10dBm的发射功率向接入点 功, Adaptive-ACRA会把T初始化为10。另外,如果接下来连传输数据,背景噪声设为-7745dBm。 续传输的侦测包都能成功传输,那么每成功传输一个侦测包4.1.1无碰撞存在 T减1(最低为2)。 用一个用户向接入点传输数据的一对一拓扑结构来保证 1122011,47(4) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 无碰撞情况产生。图5给出了测试方案(1)、(2)、(4)随用户和CARA产生的平均吞叶量仅为7.122Mbs。相同的现象发生 接入点之间的距离在5米到125米之间变化时,平均吞吐量的在13米到21米和51米到65米之间。 变化趋势。 由23节的分析可知: Enhance-CARA传输侦测包的次数 Adaptive-ACRA 大于CARA,在这种稳定的信道条件下,侦测包传输的次数增 --*- Enhance -CARA 加意味着重传数的增加,总体上会降低系统的平均吞吐量,这 CARA -m…--54Mb/s 就导致了图5中 nhance-CARA平均吞吐量一直小于CARA 10 --48Mb/s -…36Mb/s 的平均吞吐量。 一一● -…18MbS 4.1.2有碰撞存在 -- 12 Mb/s .m9 Mb/s 为了评估有碰撞条件下 Adaptive-ACRA的性能,采用星 候和1…,长常“, 6 Mb/s 形拓扑结构,即用处丁圆周上的多个用户向处丁圆心处的接 入点传输数据。增加用户的数量意味着碰撞程度的加剧。 2 图6对比了在圆的半径为5米和30米时,几种测试方案的吞吐 13212937455361697859301109117125 量随用户数在1到20之间变化的变化情况。由图5可知,与 5米的距离相对应的最佳传输速率是54Mb/s,而与30米对应 图5在一对一拓扑结构中 Adaptive-ACRA、 nhance-CARA 的是24Mb/s CARA和各单一传输速率随距离改变的吞吐量变化情况图 可以看出,当半径为5米时(图6(a)),随着用户数的改变, 从总体上看,所有测试模式产生平均吞吐量都会随距 ARFRTS/CTS和CARA产生的吞吐量都要低于 Adaptive-ACRA 离的增加而降低。当距离比较近的时候,由丁54Mbs的传输和 Enhance-CARA。具体来说,当用户数大于3个后,由于 速度可以使频带利用率达到最大,所以能产生最大的平均昋ARF不能识别碰撞,导致系统产生的吞吐量迅速下降,这与 吐量。但是54Mbs传输速度的纠错能力是最弱的,因此随着2.1节推导的结果相一致。例如在冇3个用户向接入点传输数 距离的增加,54Mbs产牛的吞吐量迅速降为0Mb/s。事实上,据时,系统平均吞吐量为17.665Mb/s,当用户数增加到9个 当距离超过19米后,54Mbs的传输速度就很难保证数据包能时,系统平均吞吐量下降到了8.156Mb/s。 RTS/CTS是在ARF 够成功传输,导致产生的昋吐量接近于0Mb/s。当距离在5米基础上,每一个数据包传输前都传输了RTS/CTS信号,有效地 到丌1米之间时,6Mb/s传输速率以能产生最小的吞吐量,但是避免了系统平均吞吐量迅速下降的现象,这与2.2节的推导结 6Mb/s传输速率的纠错能力是最强的,因此即使用户和接入果相·致。在每个数据包传输前都传输 RTS/CTS信号会降低 4点之间的距离超过71米6Mbs传输速率还是能保证数据包系统的频带利用率,所以当用户数小于5个时 RTS/CTS产生4 的成功传输。其他单一传输速率昋吐量随距离的变化情况都的吞吐量小于∧RF。在ARF基础上,CARA会对丢失的数据 是54Mbs和6Mb/s之间的折中(9Mbs除外,因此9Mb/s在包启用 RTS/CTS进行碰撞识别,有效避免了过多启用RTS/ 速率自适应算法中很少被用到) CTS造成的频带利用率下降。因此当用户数在1到20问变化 注意到在这种不存在碰撞的拓扑结构中,每一个给定的时,CARA产生的平均吞吐量都要优丁ARF。由于CARA没 距离处,都存在一个最合适的传输速率使得系统平均吞吐量有在升高传输速率时用 RTS/CTS进行碰撞识别,因此当用户 最大,例如:在21米时,24Mbs的传输速率就能产生最大的系数量增加到7个后,产生的系统平均吞吐量仍然有明显下降。 统平均吞吐量10.054Mb/s。从图5可以看出:当距离在5米到在有7个用户时,CARA产生的系统平均吞吐量为17.701Mb/s, 125米之间变化时, Adaptive-ACRA产生的吞吐量都接近于最用户数增加到20个后,春吐量降到了13.074Mb/ So Adaptive 大,也就是说 Adaptive -ACRA曲线沿着各单一传输速率曲浅ACRA和 Enhance-CARA在升高传输速率同样也进行碰撞识 的轮廓变化。在这种半稳的信道条件下, Adaptive-ACRA通过别,排除了碰撞引起的传输速率错误选择。所以当用户数在1 提高门限值T可以有效减少侦测包的传输次数,即减少了侦到20间变化时, Adaptive-ACRA和 Enhance-CARA都能产生最 测包的重传次数。因此 Adaptive-ACRA曲线要优于CARA曲高的系统平均吞吐量。当工作于最高传输速率时, Adaptive 线,特别是距离在23米到35米之间时, Adaptive-ACRA所产生ACRA和 Enhance-CARA都不会传输侦测包。因此,即使是在 的平均吞吐量远高于CARA所产生的平均吞吐量。例如在29米平稳信道条件下, Adaplive-ACRA和 Enhance-CARA产生的吞 时, Adaptive-ACRA能够产生8.338Mbs的平均吞吐量,而吐量也是一样的。随着半径增加到30米(图6(b)), Adaptive lI -RTS/CTS 4— RTS/ CTS 一 Enhance-CARA Enhance-CARA Adaptive-ACRA ftive-ACRA 91l13151719 791113151719 Number of contending stations Number of contending stations (a)半径=5m (b)半径=30m 图6在星形拓扑结构中,测试方案(2)(3)(4)的吞吐量随用户数量变化而变化的情况图 张建军,唐雅娟:无线局域网的速率自适应算法设计与仿真分析 2011,47(4)113 ACRA和 Enhance-CARA不再工作于最高传输速率54Mb/s Adaptive-ACRA产生的系统平均吞吐量优于 Enhance-CARA 在有4个用户时, Adaptive-ACRA能产生994lMb/s的系统平均 14 吞吐量,而 Enhance-CARA产生的平均吞吐量仅为9464Mb/s 这是因为 Adaptive-ACRA通过升高减少了侦测包传输引起 的系统重传。 Adaptivc-ACRA Enhance-CARA 42时变信道模型下的性能评估 a98=- ◆CARA 上一节说明了 Adaptive-ACRA在静态信道环境下的优异 性能,这一节主要评估该算法在时变信道下的表现。 101520 550 为了模拟办公室环境,选用了NS2自带的 Shadowing信道 Distance/m 图8当用户数为8个时, Adaptive-ACRA, Enhance-CARA和 模型,其中路径损耗指数设为4:阴影背离指数设为7dB;参 CARA的吞吐量随半径变化而变化的情况图 考距离设为5m。在此基础上,考虑到了多径衰落的影响,受 此影响用户和接入点间的信道会随时间的推移而产生变化。 CARA和CARA产生的平均吞吐量随半径改变的变化情况 随着半径的改变, Adaptive-ACRA产生的系统平均吞吐量都要 为了得到时变的信道,选用了莱斯衰落模型,莱斯分布可表 优于CARA,且 Adaptive-ACRA的变化趋势和 Enhance-CARA 示为 相近。这进一步说明 Adaptive-ACRA在时变信道的优异性能 10(2Kr) 5总结 其中K表示接收信号中直射波的分布参数,a2表示背景噪声 的方差,为接收功率,l(为第一类零阶修正贝塞尔方程吗 提出了一种新的基于IEEE8O2WLAN的碰撞识别速率 自适应算法 Adaptive-ACRA。 Adaptive-ACRA能够根据无线 无线信道的频谱会随移动用户端和它周围环境的相对速度而 信道条件的不同自适应调节升高传输速率门限值,这种调节 改变,注意到这种移动的环境会导致用户和接入点间的无线 使得 Adaptive-ACRA在静态无线信道条件下能减少数据包的 信道产生波动,即使用户端本身并没有移动。在仿真过程中,重传,在动态信道条件下加快对信道变化的反应速度。与现 假设用户和接入点所处移动环境的速度为25ms,这个速度 对应的多普勒频移为20Hz 有算法进行比较, Adaptive-ACRA具有更强的适应能力, 本次仿真仍然采用了星形拓扑结构,所有用户都会以无论是在有碰撞存在的环境下还是无碰撞存在的环境下,该 算法都能够有效提高系统的平均吞吐量。 15dBn的发射功率向接入点传输数据,背景噪声设为-91.55dBm。 致谢本文的研究得到了广东省重点产业科技创新平台-汕头 图7给出了 Adaptive-ACRA、 Enhance-CARA和CARA产生的 轻工装备研究院以及广东高校产学研结合示范基地-汕头大学 平均吞吐量随用户数在1到20间改变的变化情况。随着用户 轻工装备产学研结合示范基地的大力支持,在此表示衷心的 的增加, Adaptive-ACRA产生的香吐量都要高于CARA。在用 感谢。 户数为13个时, Adaptive-ACRA得到的系统平均吞吐量为 10461Mbs,CARA得到的系统平均吞吐量仅为7118Mb/s。 这是因为 Adaptive-ACRA不仅在升高传输速率吋进行了碰撞 参考文献: [1] IEEE 802. 11b, part 11: Wireless LAN Medium Access Control 识别,而且在时变信道环境下减小了T值,加快了对时变信道 (MAC) and Physical Layer(PHY )specifications: Higher-speed 的反应速度,能够更快地选择出一个合适的传输速率。随着 physical layer extension in the 2.4 GHz band[s. 1999 用户数的改变, Adaptive-ACRA和 Enhance-CaRA产生的系统2]IEEB8o2l,prtl1 Wireless lan medium Access Control 平均吞吐量相近,在用户数为14个时,它们间的差距达到最大 (MAC) and Physical Layer(PHY) specifications: High-speed 0.34Mb/s。这说明随着用户数的改变, Adaptive-ACRA不仅 physical layer in the 5 GHz band[s]. 1999 能在41节中的静态信道环境卜产生高的系统半均吞吐量,而[3]IFF802.1g,part1: Wireless lan medium access control 且也适用于时变的信道环境。 (MAC) and Physical Layer(PHY specifications: Further highe 12 data rate extension in the 2. 4 GHz band[s]. 2003 卫,中 [4 IEEE 802. 11, part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC and Physical Layer(PHY specifications[S].IEEE Std 802.11-1999 1999 [5] Starsky W H Y, Yang H, Lu S, et al. Robust rate adaptation for 802.11 wireless networks [ C]i/ACM MobiCom 06, Los Angeles CA.2006:146-157 Enhance-CARA [6 Choi J, Na J, Lim Y S, et al. Collision-aware design of rate adap ☆CARA tation for multi-ratc 802.11 WLANS[IEEE Journal on Sclcct- Nunber of contending stations [7 Kim J, Kim S, Choi S, et al. CARA: Collision-aware rate adapta 图7在半径为20米的星形拓扑结构中 Adaptive-ACRA、 Enhance tion for IEEE 802.11 WLANS[C]/IEEE INFOCOM06, Barcelo- CARA和CARA的吞吐量随用户数量变化而变化的情况图 na,Spain, 2006: I-I 图8给出了在有8个用户时, Adaptive-ACRA、 Enhance 下转116页)

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