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浙江j ：业大学硕十学位论文 非饱和状态下的无线局域网速率自适应的研究 摘要 近年来，无线局域网( w l a n ) 因其布线灵活便于移动的特点，受 到越来越多的人的关注，且越来越多的行业开始应用这项技术。遗憾 的是，虽然无线局域网的协议标准一直在不断的进化和完善，以支持 更高速的传输速率，然而，始终没有规定多种速率间的切换方式，即 速率自适应机制。因此，无线局域网的速率自适应机制一直是近些年 来学术界研究的热点之一，特别是在饱和状态下已经取得了不少研究 成果。然而，非饱和状态下的研究却因为种种原因仍近似空白。本文 在这种背景下，分析了现有饱和状态下得出的自适应机制为何在非饱 和状态下效果不够理想的原因，并在此基础上提出两种更适合非饱和 状态的自适应机制：计时器值可变的a r f 改进算法是在a r f 算法的 基础上改变了用于控制传输速率的计时器的工作方式，使速率的变化 更快的适应信道环境的变化；探测帧机制更充分的利用了非饱和状态 的特点，采用探测帧评价信道环境的即时状况，以最恰当的速率发送 数据包，由此将因使用不合适的速率传输数据包引起的丢包和延时减 至最小。最后，本文通过n s 2 仿真实验比较了四种自适应机制在非饱 和状态下的性能，证明本文提出的两种自适应机制比现有的速率自适 浙江i 业人学硕士学位论文 应t d l n 具有更高的效率。 关键词：无线局域网( w l a n ) ，i e e e8 0 2 1 1 ，非饱和状态，速率自适 应，探测帧机制，n s 2 浙江f + 业人学硕十学位论文 r e s e a r c ho nr a t ea d a p t a t l o nf o rw l a nl nt h e u n g r e e d ym o d e a b s t r a c t r e c e n t l y , m o r ep e o p l ep a ya t t e n t i o nt ow i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w e a n ) b a s e do ni e e e8 0 2 11 ，a n dm o r ee n t e r p r i s e s s t a r tt ou s ei t b e c a u s eo fi t sf a c i l i t ya n dm o b i l i t y u n f o r t u n a t e l y , e v e ni ft h ep r o t o c o lo f w l a ni si m p r o v i n gt os u p p o r tt h eh i g h e rr a t e s ，i td o e sn o td e f i n eh o wt o s w i t c hb e t w e e nt h er a t e s ，n a m e l y , t h er a t ea d a p t a t i o n t h e r e f o r e ，m o r e s c h o l a r sa r ed e v o t i n gt or e s e a r c h i n gi t ，a n dh a v eg o t t e ns o m er e s u l t s ， e s p e c i a l l y , u n d e rt h eg r e e d ym o d e h o w e v e r ，t h eo u t c o m eo f t h er e s e a r c h w h i c hi su n d e rt h eu n g r e e d ym o d ei ss t i l lb l a n k t h i sp a p e ra n a l y s e st h e r e a s o nw h yt h ee x i s t i n gr a t ea d a p t a t i o nc a nn o tw o r kw e l lu n d e rt h e u n g r e e d ym o d e ，a n dp r e s e n t st w or a t ea d a p t a t i o n sw h i c ha r em o r ea d a p tt o w o r k i n gu n d e rt h eu n g r e e d ym o d e ：t h em o d i f i e da r fa l g o r i t h mw h i c hh a s a c h a n g e a b l ev a l u eo f t i m e ri so nt h eb a s i so fa r fa l g o r i t h m ，a n dc h a n g e s 浙江f 业人乎硕十学位论文 t h em e t h o do ft h et i m e rw h i c hi su s e dt oc h o o s et h er a t eo ft h ep a c k e t ，i n o r d e rt om a k et h ec h a n g eo ft h er a t ea d a p tt ot h ec h a n g eo ft h ec h a n n e l s c o n d i t i o n t h eo t h e ri st h em e c h a n i s mo ft e s tf r a m e i tf u l l yu t i l i z e st h e f e a t u r eo fu n g r e e d ym o d e ，a n du s e st h et e s tf r a m e st oe s t i m a t et h e c o n d i t i o no fc h a n n e li no r d e rt oc h o o s et h ec o r r e c tr a t et ot r a n s m i tt h e p a c k e t c o n s e q u e n t l y , t h i sm e c h a n i s mc a n r e d u c ep a c k e tl o s sr a t ea n dd e l a y t om i n i m u m a tl a s t ，t h i sp a p e ru s e st h er e s u l t so fn s 2 ss i m u l a t i o nt o c o m p a r et h ep e r f o r m a n c e so ff o u rr a t ea d a p t a t i o n su n d e rt h eu n g r e e d y m o d e i tc a l lp r o v et h a tt h et w or a t ea d a p t a t i o n sw h i c ha r ep r e s e n t e di nt h e t h e s i sa r em o r ee 衢c i e n t k e yw o r d ：w l a n ，i e e e8 0 2 11 ，t h eu n g r e e d ym o d e ，r a t ea d a p t a t i o n ， t h em e c h a n i s mo f t e s tf r a m e ，n s 2 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 律责任。 作者签名：日期：2 年f 2 月2 ；日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全都或部分内 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密酣 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：蝴、日期：k ( 年1 2 月鸟日 导师签名：鳐串、枯约隰脚年棚彤日 浙江l ：业大学硕+ 学馋论文 第一章绪论 本章首先对本文的研究背景与研究意义做了总结与概括，之后介绍了目前针 对无线局域网速率自适应的问题所做的相关研究工作。然后就本论文的主要研究 贡献进行归纳。最后介绍了本论文结构和内容安排。 1 1 研究背景 当您走进辛巴克咖啡厅时，是否会惊叹对座的商务人士正一边上网工作一边 悠闲的喝着咖啡呢? 没错，这就是无线局域网技术的贡献。 无线局域网技术( w l a n ) 最早可追朔到】9 7 1 年，夏威夷大学的研究人员创 造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络，被称为a l o h n e t 网络，这是最 早的无线局域网络。然而其真正的成长始于上世纪8 0 年代中期，由美国联邦通信 委员会( f c c ) 为工业、科研和医学( i s m ) 频段的公共应用提供授权而产生的。 这项政策使各大公司和终端用户不需要获得f c c 许可证，就可以应用无线产品。 随着t 9 9 7 年全球第一个无线局域网标准i e e e8 0 2 11 的诞生，无线局域网迎来黄 金期，开始高速发展。 出于无线局域网利用电磁波在空气中发送和接收数据，而无需线缆介质，使 覆盖范围内的计算机具有可移动性，能快速、方便地解决有线方式不易实现的网 络信道的连通问题。与有线网络相比，w l a n 具有以下优点j ： 覆盖范围广：在有线网络中，网络设备的安放位蹙受网络信息点位置的限制。 而无线局域网的通信范围，不受环境条件的限制，网络的传输范围大大拓宽， 最大传输范围可达到几十公里。 布线简便：无线局域网的安装工作简单，它无需施工许可证，不需要布线或丌 挖沟槽。它的安装时i h j 只是安装有线网络时问的零头。 降低成本：由于有线网络很难进行后期调整，因此在规划时如果预留的资源太 多，将导致利用率太低；而如果预留的资源太少，又势必需要花费较多费用进 行网络改造。无线局域网不受稚线接点位置的限制，具有传统局域网无法比拟 的灵活性，可以避免或减少以上情况的发生。 易于扩展：在已有无线网络的基础上，只需通过增加a p ( 无线接入点) 及相应 的软件设置即可对现有网络进行有效扩展。无线网络的易扩展性是有线网络所 浙江l ：业火学硕十学位论文 不能比拟的。 传输速率高：w l a n 的数据传输速率现在已经能够达到1 1 m b i t s ，传输距离可 远至2 0 k i n 以上。应用到证交频分复用( o f d m ) 技术的w l a n ，甚至可以达 到5 4 m b i t s 。 正是因为无线局域网有着诸多的优点，人们丌始越来越多的关注并使用它。 近些年来，无线局域网已经在医院、商店、展览、会议、会融机构、轮船码头等 不适合网络布线的场合得到了广泛的应用。无线局域网将越来越影响我们的生活 与工作。 1 2 研究的目的与意义 随着无线局域网应用范围的不断扩大，人们在不断追求高速率的同时，也发 现了无线局域网技术中存在的一些问题。这些问题的存在会严重阻碍无线局域网 的进一步发展，而服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 问题成为这些问题中关注度 最高的一个。在当前的无线局域网环境中，要提供q o s 保证仍存在着较大的问题。 例如，用户对信道的带宽无法充分使用，就是一个典型的q o s 问题。 由于1 e e e8 0 2 1 1 协议支持多种传输速率，采用哪种传输速率由当时的信道环 境所决定。因此，当信道环境发生变化时，传输速率就应该发生相应的变化。然 而遗憾的是，i e e e8 0 2 1 l 标准并没有定义一种有效的算法来选择一个传输速率以 适应信道的变化。目前，已经有不少学者提出了相应的解决方案，但遗憾的是， 这些方案基本都是在假定饱和状态的条件下得出的，对于非饱和状态则涉及甚少。 因此，本论文针对这一状况，以目前广泛应用的基础结构模式( i n f r a s t r u c t u r e m o d e ) 网络( 如图1 1 ) 为背景，分析现有各种现有的速率自适应机制，并评价他们的优 缺点，最后提出了一种新的速率自适应机制以适应非饱和状态条件的需要，通过 实验证明信道带宽得到充分的利用。 2 浙江：r 业人学硕士学位论文 ：，餐 $ “：。：”r fs t o ，“ 幽1 1i n f r a s t r u c t u r e 模式无线局域网组网 1 3 国内外相关的研究工作 目前，国内外已经有不少关于i e e e8 0 2 1 1 无线局域网速率自适应方面的研究 成果1 2 矗凹讲1 。根据是否使用来自接收端的反馈信息，现有的速率自适应机制可以 划分成反馈型和无反馈型两种模式。 g h o l l a n d l 2 等人提出的基于接收端速率自动调整机制( r b a r ，r e e e i v e r - b a s e d a u t o r a t c ) 是一种典型的反馈型速率自适应机制。p d 3 a r 机制的最大特点在于速率 的选择在接收端而不是发送端。r b a r 机制使用r t s c t s ( 请求发送，允许发送) 机制，并对c t s 帧做了部分修改：发送端在发送数据帧之前先发送r t s 以预约无 线信道，接收端根扼；收到的r t s 性能对信道环境作出预估算，并选择与信道环境 相适应的传输速率。之后，接收端将选中的速率信息通过c t s 反馈给发送端，发 送端以此速率传输等待发送的帧。 r b a r 的优点在于对信道环境估算在数据帧发送前已经做出，因此所选择的 传输速率最能适应信道环境的变化，可以说是一种响应最快的自适应方式；另外 由于采用了r t s c t s 机制，各发送端之自j 将不再有冲突发生。 遗憾的是，r b a r 机制为了支持反馈，对c t s 帧格式做了部分修改，这将造 成8 0 2 】1 设备兼容性的问题。此外，在不存在隐终端问题的无线环境中，对于每 一个数据帧都采用r t s c t s 机制本身就是一种带宽的浪费。 浙江：i = 业火学硕士学伉论文 图1 2 ( a ) 修改前的c t s 帔格式 ( b ) 修改后的c t s 帧格式 为了解决反馈型速率自适应机制无法很好的兼容8 0 2 1 1 设备的问题，无反馈 型机制应运而生。在无反馈型机制中，仅由发送端根据a c k 信息做出传输速率的 选择，而不需要在发送端与接收端之问协商，无需改变c t s 帧格式，从而解决了 设备兼容性问题。 无反馈型速率自适应机制又可以进一步分成两个类型：第一种类型根据收到 的a c k 帧性能对无线信道作出预估计，并由此调整传输速率；第二种类型则仅仅 是根据有否收到a c k 帧来调整速率。 d a j iq i a o l 3 】等人提出了一种基于m p d u 的链路自适应机制，其核心思想如下： 发送端根据数据帧净负荷长度l 、衡量无线信道环境的s n r 和数据帧的重传 次数n ，预先建立个物理层调制方式选择表，如图1 3 。 ， ，：。 ， - n 2 ， 一，。，。? 。，。，j 7 。一一 “j。a，： 00 1 c! s 嚣辨 s n p f 娆l 例1 3 物理层调制方式选择表 图中每一个选中的调制方式都是在特定的( 1 ，s n r ，n ) 情况下发送性能最好 的调制方式。每一个调制方式又对应一种传输速率，如图1 4 ，因此所得的传输速 率即为最优传输速率。值得注意的是，对于不同的重传次数n ，所对应的物理层调 制方式边界会有一定的偏移。总的来说，重传次数越小，对应的速率越高。例如， s n r 为2 1 d b 时，第一次重传使用的调制方式为模式7 ( 对应的速率为4 8 n , l b p s ) ， 而第七次重传使用的调制方式为模式6 ( 对应的速率为3 6 m b p s ) 。 4 一一 浙江工业大学硕士学位论文 i m o d em o d u l a ! 曲nc o d e r a l cd a t ar a t eb p s lb p s ki ，26m b p s3 2 b p s k鲋9m b p s4 5 3 q p s k l ，21 2m h m6 4 q p k 3 4 1 8m 1 1 l 、 9 5 l f p q a m i ；2 2 4 h m 6l 札o a m3 4 3 6m h ms 7 6 4 0 a m 4 8m 妇、甜 86 4 0 4 m3 ，4 5 4 m b t , s 2 7 图1 48 0 2 1 l a 调制模式和速率的对应关系 当发送端发送数据时，s n r 评估器会不断的测试无线信道环境，根据测得的 结果查找调制选择表，获得一个与信道环境相适应的调制模式，以此调制待发送 的下一个数据帧，如图1 5 。 妻赢m p t y o 铡 + ll 蚤 ! l 竺翼p i o 二= 川 图1 5 基于m p d u 的链路自适应机制的工作模块 基于m p d u 的链路自适应机制通过预先建立查找表，在发送数据时只要简单 的使用监测到时s n r 信息，就可以很快的做出响应，得到相适应的速率。另外由 于是预先建表，无需在发送数据时进行额外的计算，减少了开销。因此，它是一 种性能最接近反馈型机制的自适应算法。 但是该算法需要许多额外的辅助装置，例如s n r 评估器等，这些无疑增加了 设备的复杂性，也增加了实现的难度。 a dk a m e r m a n 4 1 等人提出的a r f 算法( a u t o r a t ef a l l b a c ka l g o r i t h m ) 相比较 而言则是一种较容易实现的机制。a r f 算法的原理如下： 1 ) 如果发送端没有正确接收连续两个a c k ，那么发送端将降低一档传输速率 来发送下一帧，同时启动计时器； 2 ) 如果发送端连续收到1 0 个正确的a c k ，那么发送端将提高一档传输速率 来发送下一帧，同时取消计时器； 3 ) 如果计时器超时，那么发送端也将提高一档传输速率来发送下一帧。但是， 如果这一帧的a c k 没有正确接收，那么发送端将回复到之前的较低速率进行重传， 5 墓趁，0 浙江：业大学硕十学位论文 同时启动计时器。 由于a r f 算法实现简单，所以得到了广泛的应用。目前许多8 0 2 1 1 的设备都 使用了这种速率自适应算法，例如l u c e n t t e c h n o l o g i e s w a v e l a n i iw l a n 设备。 但是，a r f 算法是一种完全凭借经验且较保守的机制，它无法对无线信道环 境的变化做出及时的响应( 因为增减速度的条件都是事先确定的) 。另外，它不能 区分造成数据帧出错的原因：冲突或是信道环境恶化。 d a j i q i a o l 5 】等人在a r f 算法的基础上提出了一种改进算法来弥补a r f 算法增 加速率方面的缺陷。因为a r f 算法必须连续正确接收1 0 个a c k 后才能提高速率， 这将无法对信道环境的快速变化做出及时的响应；相反，如果信道环境变化地非 常慢，a r f 算法又会造成不必要地提速尝试。这些问题的根源都是增速尝试时间 间隔是固定的( 连续l o 个成功的a c k ) 。因此，【5 】采用了自适应尝试时间问隔。 鼻：l 墨坐1 二里兰坠业竺堕型l lx 1 1 u l a t t t u i t “l l l 一n 。j j ( 1 1 ) 上式中t o 和t 1 分别代表初始时刻和计算尝试时问时刻；x m i td u r a t i o n ( r c u r r e n t ) 表示以当前速率传输下一帧所需的时自j ；x m i td u r a t i o n ( r h i g h ) 表示以高一档的速率 传输下一帧所需的时间；f t a r g e t 表示目标时延因子：f t a r g e t 越小，增速尝试| b j 隔 也越小。为了兼顾信道环境变化的快慢，f t a r g e t 一般取中间值( 如3 o ) 。通过1 1 式的调整，增速尝试时间间隔更为可变，随着增速尝试失败次数的增加，其间隔 也就会越来越大，从而减少了不必要的尝试。 a r f 改进算法虽然很好的解决了a r f 算法在增加速率时无法改变尝试间隔的 问题，但仍然沿用了a r f 算法降低速率时的不可变尝试间隔。此外，也无法很好 的区分造成错帧的原因：冲突或信道恶化。因此，当无线用户数增加时，势必会 造成不必要的降速传输。 j o n g s e o kk i m l 6 等人提出的c a r a 算法( c o l l i s i o n a w a r er a t ea d a p t a t i o n ) 能 很好的区分冲突和信道恶化所导致的错帧，非常适于多用户的使用。同时，和a r f 算法一样，它也是一种非常容易实现的技术，无需额外的辅助模块。它的核心思 想如下： ( 1 ) 如果有一个数据帧的a c k 没有收到，发送端认为是由冲突造成的，将 启用r t s c t s 机制来预约信道，重传该帧的速率保持不变； 、( 2 ) 如果重传帧的a c k 仍然没有收到，发送端此时将认为是因为信道环境 恶化所导致的a c k 丢失，因此将速率降低档后重传该帧； ( 3 ) 如果连续成功的收到1 0 个a c k ，发送端将速率提高一档后发送下一帧。 浙江。f ：业大学硕七学位论文 ；! ! ，0 隆 ；，一j ，。 j 。 。f ? 1 _ !l ：= r t 5p w ， l 上上礁一：。圈 | j 一、 ， 5 ， ，一jf 、2 ：一一j 刘，。 u=l 叠。 幽1 6 a r f 算法与c a r a 算法性能比较 上图是a r f 算法和c a r a 算法性能上的比较。使用a r f 算法时，s 2 的第三 帧与s 】的第四帧因为冲突而出错，重传时再次与s 1 的第五帧发生冲突，因此s 2 降低了一档传输速率( 1 1 m b p s - 5 5 m b p s ) ，而实际上，造成这两次错帧并不是因 为信道环境的恶化，所以采用降速传输是一种对信道资源的浪费。 相反，采用c a r a 算法时，s 1 的第四帧与s 2 的第三帧冲突后，立刻采用了 r t s c t s 机制来预约信道，并没有降低传输速率。这样做的结果是传输相同的帧 采用c a r a 算法比爿采用a r f 算法所花费的时间要少( t l p i f s 时，便可以直接发送无竞争业务。 ( 3 ) d i f s ( d f si n t e r - f r a m es p a c e ) 最长的i f s ，优先级最低，用于异步帧竞争接入的时延。在d i f s 模式下，终 浙江。l 业学硕十学位论文 端采用d i f s 问隔传输数据帧( m p d u ) 或管理帧( m m p d u ) ，一旦终端通过载波监测 到上一帧成功发送并接收后，当信道空闲 d i f s ，终端便可占用信道发送帧。 2 3 5 退避( b a c k o f f ) 算法 想要发送帧的站点进行载波检测机制，判断信道的忙闲状态，如果信道忙则 选择随机退避时间，等到信道空闲后丌始退避计数；如果正好信道空闲，则立即 丌始退避计算。m a c 监测机制利用下面的公式计算随机退避时间： b a c k o f f l i m e = r a n d o m o x a s l o t t i m e r 1 、 ， 其中r a n d o m ( ) 是一个平均分命在1 0 ，c w 段上的伪随机整数，c w ( 竞争窗口) 是介于管理信息库( m i b ) q b 的c w m i n ( c w 最小值) 和c w m a x ( c w 最大值) 之问的 一个整数。取自这个范围的随机数是独立于各个终端的。图2 6 表述了终端持续重 发数据时的c w 值变化，可见随着退避次数的增多，c w 值呈指数增长，使得无 论高网络利用率还是低网络利用率的情况下，都可以将碰撞降低到最低的程度， 同时最大化网络吞吐量。 网络利用率低情况下，终端无需在发送帧前等待很长时间，一般只需要等很 短的时间( 第一次或者第二次试发) 就能成功地完成发送任务；而在网络利用率很高 的情况下，协议会将终端的发送延迟一个相对较长的时间，以免多个s t a 同时发 送帧而造成的阻塞。 高利用率下，c w 的值在成功发送帧后增长的相当高，为需要发送帧的终端之 间提供足够的发送间隔。虽然高利用率的网络环境中，终端在发送帧之i ；i f 等待时 间相对较长，但是这种机制在避免碰撞方面表现的非常出色。在成功传送后，c w 被重新置为c w m i n 。 盛 盈 l l 圈2 6 退避窗口指数增k 示意图 1 6 浙江：业人学硕士学位论文 第三章非饱和状态下速率自适应机制的问题与解决方案 本章首先分析了无线局域网环境下使用速率自适应机制的作用与意义，然后 指出在非饱和状态下现有的自适应机制普遍存在的缺陷，由此提出了改进方案， 并分析其可行性。 3 1 采用速率自适应机制的必要性 i e e e8 0 2 1 1 协议定义了多个传输速率：i e e e8 0 2 1 1 b 支持1 、2 、5 5 、1 1 m b p s 等四种速率；i e e e8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 9 均支持6 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、5 4 m b p s 等六种 速率。因此，选用何种速率传输数据以最大限度的利用信道就成为急需解决的问 题。 g h o l l a n d 等人在 2 1 文中给出了传输速率与s n r ( 信噪比) 、b e r ( 误码率) 之问的关系，如图3 1 。 0。：二2 , 2- _ ： s x r t d b l 一一： = j o i o 。 一e 绺。 v ，二 一c 3 - ：一v x ： c ：? 均h + “5 7 5 ：、； 图3 1b e r 、s n r 与速率之间的关系 从上图中，可以得出以下结论： a 对于每一种传输速率，随着信噪比( s n r ) 的增大，误比特率( b e r ) 减小。 b 对于某一个给定的s n r ，随着传输速率的增大，产生的b e r 将增大。 对于无线局域网而寄，路径损耗、衰减和干扰都将导致s n r 的变化，从而弓 1 7 e e e c e e e 缘 孵 弼 科 ” 譬= 一 浙江j 二业人学硕十学镪论文 起b e r 的变化。而当b e r 大于可纠错的值后，接收端将无法识别发送端所发的帧， 而将其丢弃。发送端因没有收到接收端的应答( a c k ) ，将重传该帧，这就造成了 信道带宽的浪费。因此，当无线信道环境变坏时，发送端应选择一个较低的速率 传输数据包。 一 相反，如果信道环境得到改善后仍以较低的速率传输，则信道没有被充分利 用，同样将造成信道带宽的浪费。 速率最人传输距离 平均吞吐量 i m b p s 3 0 0 m o 8 m b p s 2 m b p s 2 4 0 m 1 5 m b p s 5 5 m b p s 1 4 0 m 3 2 m b p s 1 1 m b p s 5 0 m 4 8 m b p s 表3 1 实测i e e e8 0 2 1 1 b 四种速率的最人传输距离 表3 1 是使用i e e e8 0 2 1 1 b 设备实际测试的结果。从表中可以看出，不同的传 输速率对应不同的最大传输距离，因此，随着传输距离的变化，应在不同的速率 间切换，这是恒定速率机制无法实现的。速率自适应机制正是一种解决这个问题 的方法，根据信道环境的变化，选择一种最适合的速率传输数据，充分的利用信 道带宽。 然而，i e e e 8 0 2 1 1 协议并没有定义任何速率自适应机制，因此，这也成为目 前研究的热点。 3 2 评判速率自适应机制优劣的标准 经过多年的研究，已经诞生了多个速率自适应机制，它们在性能上有着显著 的差异，因此，评价速率自适应机制的标准就显得尤为重要。本文先以饱和状态 为例介绍两种学术界当前应用最广泛、最频繁的评价指标，继而推广至非饱和状 态。 浙江l = 业人学硕十学位论文 口。，口。，。嚣。 圈3 2 饱和状态卜- 儿种白适麻机制的记较仰 ( 1 ) 对信道变化的响应时间( d ) 当信道环境发生变化时，希望自适应机制能尽快的检测到，并采用最合适的 速率发送接下来的数据包，遥免信道浪费的发生( 用低速速率占用高速信道) 。因 此，希望d 越小越好。( 理论上d = 0 是完全没有响应时延) 图3 2 列举了3 种自适应机制：s 1 每成功发送1 个数据包做一次增速尝试； s 2 每成功发送3 个数据包就一次增速尝试；s 3 每成功发送6 个数据包做一次增速 尝试。由图可知，在t x 时刻信道环境得到改善后，s 1 对信道变化的响应时问最短 ( d i s t a r 3 4 3 实现流程图 图3 4 计时器值可变的a r f 算法流程图 浙江i ：业大学硕十学位论文 3 5 探测帧机制 3 5 1 设计思想 计时器值可变的a r f 改进算法虽然很好的继承了a r f 算法实现简单的特点， 并改善了在非饱和状态下的性能，但仍然无法彻底的解决丢包问题：当计时器超 时后，发送端对下一个数据包傲增速尝试，然而，如果此时信道环境并没有改善， 则该数据包将无法被接收端币确检测而丢弃。由于以a r f 算法为基础的一系列自 适应机制都采用这种以有意义的数据包做增减速尝试，因此丢包就意味着有意义 数据包的丢失，由此造成的重传又增加了时延。 为了更好的解决上述问题，本文提出了一种采用无意义的数据帧作增速尝试 的速率自适应机制。考虑到非饱和状态下信道有大量的空闲时间，因此发送端完 全可以利用信道的空闲发送一些无实际意义的探测帧，以检测信道环境是否发生 了改变。如果信道确实得到了改善，则紧接着的一个有意义的数据包将提高一档 速率发送；如果信道没有改善，则该有意义的数据包仍按原速发送。通过探测帧 来测试信道环境的变化状况，既能快速的对信道环境的变化做出响应，确保有意 义的数据包以最合适的速率进行传输，又避免了数据包因增速尝试的失败而无谓 的丢弃，减小了丢包率和时延。 另外，探测帧机制也能很好的兼顾饱和状态。在饱和状态下，信道始终被占 用，因此无法插入探测帧。此时，探测帧机制将会完全依赖有意义数据包的a c k 来进行增减速尝试，这等同于a r f 算法。由于a r f 算法在饱和状态下有着较为出 色的性能，因此探测帧机制同样有良好的表现。 3 5 2 算法介绍 探测帧机制在连续2 个a c k 没有收到后，下降一档速率重传该数据包，同时 打丌探测帧计时器，当计时器超时后： ( 1 ) 如果此时发送端没有正在传输数据，则生成无意义的探测帧，并以比现行 的速率高一档的速率发送该帧。如果能收到该帧的a c k ，则说明信道环境 已经改善，之后所有有意义的数据包都采用该速率进行传输；如果没有收 到a c k ，说明信道环境没有变化，则回复原先的速率重传该探测帧，并重 新打开探测帧计时器，之后有意义的数据包也仍按原速率传输。 浙江一1 ：业大学硕十学位论文 ( 2 ) 如果发送端证有数据传输，则重新打丌探测帧计时器，并将变量f l a g 加l ， 表示探测帧有1 次无法发送。当f l a g 5 时，说明生成探测帧的时刻多次与 发送有意义数据包的时间相重叠，即发送端很可能正处于饱和状念。此时， 发送端将使用连续成功接收1 0 个a c k 来进行增速尝试( 和a r f 算法相同) 。 其算法描述如下： w h e n2 a c k smn o tr e c e i v e d ： r a t e ( p a c 缸 o = t h e l o w e r r a 把 r e t r a n s m i t t i n gm i sp k n t e s tc o u n t e r s t a r t t h ev a l u eo f t e s tc o u n t e r = i n i t i a lp o i u e w h e nt h e t e s t c o u n t e r i so v e r ： i f b u s y ( p a c k e t ) = 0 m a k i n gu pt h et e s t f r a m e r a t e ( t e s t f r a m e ) = t h eh i g h e rr a t e t r a n s m i t t i n gt h et e s t f r a m e l f t h en e x t a c k i sr e c e i v e d r a t e ( f o l l o w i n g p a c k e t ) 。t h eh i g h e rr a t e e l s e r a t e ( t e s t f r a m e ) = t h e l o w e r r a t e r e t r a n s m i t t i n gt h et e s t f r a m e t e s t c o u n t e r s t a r t t h ev a l u eo f t e s tc o u n t e r + + i f b u s y ( p a c k e t ) = j t e s t c o u n t e r s t a r t f l a g + + i f f l a g 5 t e s t c o n n t e r - s t o p 浙江二业大学硕士学位论文 3 5 3 实现流程图 3 5 4 探测帧的格式 图3 5 t e s t 算法流税幽 i e e e8 0 2 1l 协议定义了无线局域网的多个m a c 帧格式，包括数据帧、a c k 、 r t s 、c t s 等。这些由办议标准定义的帧格式被所有厂商的设备所支持。然而，如 果某种速率自适应算法需要重新定义某个帧，那么就会产生兼容性的问题，例如 被认为最高效的r b a r 机制就是因为无法在各厂商设备间通用而没有得到广泛的 推广。 本文提出的探测帧机制也需要引入一种新的帧探测帧，以完成对信道环 境的检测。因此，设备的兼容性问题尤为重要。本文使用的解决方案是将探测帧 套用并修改数据帧格式，使得接收端认为探测帧就是普通的数据帧，并给予应答 浙江i ：业大学硕士学位论文 ( a c k ) ，从而能在不同的厂商设备问通信，解决了兼容性问题。 下面先介绍i e e e8 0 2 1 1 协议定义的数据帧和a c k 帧的格式，然后引出探测 帧机制所需的探测帧格式，并分析探测帧为何能解决兼容问题。 3 5 ，4 1 数据帧格式 o c t e t s ：22666 2o _ 2 3 1 24 卜一舭h e a d e r 叫 幽3 6 数据帧格式 ( 1 ) f m m ec o n t r o l ( 帧控制) ：载有在工作站之间发送的控制信息，定义了该帧 是数据帧、管理帧或是控制帧，图3 7 对帧控制字段的子字段结构进行了说 明。 幽3 7 帧控制字段 a p r o t o c o lv e f s i o n ( 协议版本) ：对于当前协议，协议版本为0 ； b t y p e ( 类型) ：表明当前的帧是管理帧( 0 0 ) 、控制帧( 1 0 ) 还是数据帧( 0 1 ) ； c s u b t y p e ( 子类型) ：说明帧的功能，如r t s 、c t s 、a c k 、数据帧等。 对于数据帧，t y p e 子字段= o l ，s u b t y p e 子字段= o o o o ； d t od s ( 发往分布系统) ：当帧的目盼站位于另一个a p 的无线小区单元时，该 字段的值将霹为l ，否则为0 ； e f r o md s ( 来自分布系统) ：当帧来自另一个a p 的无线小区单元时，该字段将 置为1 ，否则为0 。即当某帧从一个a p 经分布系统发送到另一个a p 时，t o d s 和f r o m d s 字段均簧为l ： m o r ef r a g ( 分段) ：如果一个m s d u 被分段成若干帧，则除最后一帧外的所有 帧该字段都置为l ； g r e t r y ( 重传) ：对于重传的帧，该字段置为l ； h p w r m 垂( 电源管理) ：指明发送站在完成目前的帧交换序列后的店员管理模式。 浙江一f 业大学硕士学位论文 如果进入节能模式，则将该字段黄为1 ，置0 则表示工作站仍处于激活模式； i m o r ed a t a ( 更多的数据) ：如果发送端还有m s d u 要发往处于节能模式的接收 端，那么发送端将该字段置为1 ，其他种类的发送则置为0 ； j w e p ：该字段置为1 表示向接收端声明：净负荷已经被w e p 算法加密过； k o r d e r ( 排序) ：所有采用严格顺序服务级别的数据帧，该字段都置l ，表示向 接收端声明：这些帧必须按顺序处理。 ( 2 ) d u r a t i o n ( 持续时间) ：该数据帧和相应的应答( a c k ) 的传输时自j 之和， 发送端从发出该帧后丌始计时，如果超过了这个时间还没有收到a c k ，就 认为这个帧已丢弃，并重传该帧。 ( 3 ) d e s t a d d r e s s ( 目的地址) ：接收端地址。 ( 4 ) s o u r c e a d d r e s s ( 源地址) ：发送端地址。 ( 5 ) b s s i d ( 基本服务组标识) ：也称网络i d ，不同的a p 对应不同的b s s i d ， 即决定发送端与哪一个a p 通信。 ( 6 ) s e q u e n c e c o n t r o l ( 序列控制) ：每一个不同的数据帧都对应唯一的序列控制， 即标识其身份。如果接收端收到一个帧的序列控制与先前的帧相同或者 重传位置为l ，那么就可以判定该帧是一个重复的帧。 ( 7 ) f r a m eb o d y ( 净负荷) ：这个字段的有效长度可变，承载了由上层协议传下 来的数据( m s d u ) 。如果一个m s d u 大于m a c 最大有效净负荷时，将被 分段( m o r e f l a 酽1 ) 传输。 ( 8 ) f c s ( 帧校验序列) ：发送端的m a c 层利用c r c 对m a c 层帧头和净负荷 进行计算，得出一个3 2 位的帧校验序列，并将结果存入该字段。接收端对 收到得帧头和净负荷做同样的c r c 校验，若计算的结果和f c s 字段值相同， 则说明接收萨确，否则认为接收到的帧出错，丢弃之。 3 5 4 2 c k 帧格式 幽3 8 a c k 帧格式 当接收端收到一个无误的帧后，会向发送端发送一个a c k ( 应答) 帧，以确 认帧已经被成功的接收。 f r a m e c o n t r o l 字段中的t y p e 子字段= 1 0 ，s u b t y p e 子字段= 1 0 1 1 ，代表a c k 帧。 浙江上业人学硕士学位论文 d u r a t i o n 字段的值以微秒为单位，当接收的数据帧的帧控制字段中m o r ef r a g 为0 时，该a c k 的d u r a t i o n 字段的值也为0 ：如果m o r e f r a g 为l 时，则该d u r a t i o n 字段的值等于接收的数掘帧的d u r a t i o n 字段的值减去发送a c k 帧和s 1 f s 自j 隔的 时间。 3 5 4 3 探测帧格式 o c t e t s ：22 66620 54 幽3 9 探测帧格式 从图3 9 可以看出，探测帧格式与一般的数据帧格式完全相同，主要的区别是 探测帧使用的净负荷较小，这是因为探铡帧并不是由上层产生的，两是完全出m a c 层生成，因此无需承载有意义的净负荷。探测帧唯一的作用就是测试信道环境是 否改善，因此只要能使接收端能正确识别帧格式，并做应答，所以其净负荷无需 很大，只要适量填充一些较小的数据即可