（通信与信息系统专业论文）无线局域网速率自适应技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 随着无线通信技术的不断发展，无线局域网(wireless local area network: wlan)以其接入灵活、成本低廉、覆盖面宽、易于扩展等优势得到了广泛应用。 一直以来，无线局域网的吞吐量优化问题始终是学界关注的焦点之一。在无线局 域网中，采用传输链路自适应，能根据无线信道在时间、频率和空间上的变化特 性，自适应调整传输参数，一方面能保证传输信息的正确接收，另一方面也能在 满足不同业务的 qos 需求的前提下，提高系统的平均频带利用率和传输速率，进 而提高系统容量。 速率自适应是传输链路自适应的实现方式之一，信道质量估计和速率选择是速 率自适应的重要组成部分。本文针对采用自适应调制编码技术的无线局域网中速 率自适应开展研究，通过对开环类和闭环类速率自适应的典型算法的性能分析和 比较，针对存在的问题进行改进。主要内容包括： 1)以基于 ieee802.11 标准的 wlan 为研究对象， 阐述传输链路自适应中速率 自适应的基本原理、研究方法，分析不同速率选择策略对系统吞吐量的影响。 2)通过对 rbar、oar 等典型的闭环类速率自适应算法的性能和技术特点的 分析，对闭环类算法的特征进行总结和比较。 3)通过对 arf、arf 系列以及 rraa等典型的开环类速率自适应算法的性能 和技术特点的分析，对开环类算法的特征进行总结比较。 4)针对隐藏终端对无线局域网吞吐量的影响分析，结合隐藏终端检测机制，以 cara 算法为基础，提出一种抗抖动的 en- cara 改进算法，该算法结合了隐藏 终端检测机制，能避免 rts 振荡效应，有效降低冲突概率，提高系统性能。在随 机生成的拓扑结构下对 cara 算法和改进算法进行了仿真分析，结果表明，改进 算法性能较好。 关键词：ieee802.11，速率自适应，抗抖动，隐藏终端 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract with the development of wireless communication technology, wlan (wireless local area network) has been widely used because of its access flexibility, low cost, wide coverage, easy to extend etc. so far, the optimization of the throughput of the wlan has attracted more and more attention in academic circles. on the one hand, according to characteristics of wireless channel at the time, frequency and space, adaptive transmission links can adjust the transmission parameters adaptively to ensure the accuracy of the received information. on the other hand, wlan can not only meet the qos requirements of different business, but also improve the average bandwidth utilization and transmission rate to increase the system capacity. rate adaptation is one way to achieve adaptive transmission links. the estimation of channel quality and the selection of transmission rate are important parts of the rate adaptation. in the thesis, rate adaptation using adaptive modulation coding in wlan is studied and the existing problems are solved by analyzing and comparing the performances of open- loop rate adaptive algorithm with that of the closed- loop. the contents of the thesis are as follows: 1、 wlan based on the ieee802.11 is researched. the basic principles and method of rate adaptation in transmission link adaptation are elaborated and the effect of different rate selection strategy on the throughput of system is analyzed in detail. 2、the characteristics of closed- loop algorithm is summarized by analyzing the performance and technical features of typical closed- loop rate adaptation algorithm, such as rbar、oar, etc. 3、the characteristics of open- loop algorithm is summarized by analyzing the performance and technical features of typical open- loop rate adaptation algorithm, such as arf、are series and rraa, etc. 4、an anti- jitter en- cara algorithm is proposed by analyzing the effect of hidden terminal on the throughput of wlan and improving the cara algorithm. the algorithm using hidden terminal detection mechanism can avoid the rts oscillating effect, reduce the probability of collision effectively, and improve system performance. the cara algorithm and new algorithm are analyzed in the randomly generated topology. simulation results show that the new algorithm performs well keywords: ieee802.11, rate adaptation, anti- jitter, hidden terminals 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 研究背景 自 20 世纪 60 年代以来，计算机网络经历了从 arparnet 到今天的 internet 的发展变迁。人们利用 internet，不仅能获取各种信息资源，还能作为彼此沟通交 流的重要媒介，已成为人们工作和生活中不可或缺的组成部分。目前 internet 访问 主要依靠有线接入，随着无线通信新技术的不断涌现，无线网络以其接入灵活、 成本低廉、覆盖面宽、易于扩展等优势也得到了广泛应用。无线局域网(wireless local area network: wlan)、移动自组织网络(mobile ad- hoc network: manet)以 及无线传感器网络(wireless sensor network: wsn)等网络结构、相关技术和标准化 引起了业界的极大关注和全面研究1234。 一直以来，无线网络中的吞吐量优化问题始终是学界关注的焦点之一，根据 不同的信道环境，配置不同的传输速率已被证明是提高网络吞吐量的有效手段， 如在基于 ieee802.11 系列标准的 wlan 中，802.11a 物理层支持 8 种传输速率 (654mbps)、802.llb 物理层支持 4 种传输速率(111mbps)、802.11g物理层支持 12 种传输速率(l54mbps)。 如何选择不同的传输速率？依据什么条件选择传输速率？为此，在无线通信 系统中，提出了传输链路自适应的概念。传输链路自适应是指系统根据无线信道 在时间、频率和空间上的变化特性，自适应的调整传输参数，使系统在信道条件 较好时提供较高的传输速率，信道条件较差时提高传输单元抗干扰的鲁棒性，以 保证传输信息的正确接收。采用链路自适应技术能在维持不同业务的 qos 需求的 前提下，提高系统的平均频带利用率和传输速率，进而提高系统容量。从无线传 输系统的物理层看，可供选择的传输参数包括发射功率、符号速率、交织参数、 调制方式、信道编码方式、码率和数据帧长等参数的任意组合。随着无线通信资 源可用维数的增加，例如时间、频率、空间、码字、分组等，链路自适应策略也 变得越来越灵活，可以进行多维传输参数的动态调整，以更好的适应无线信道环 境的变化。 鉴于无线传输链路自适应技术对通信系统性能提高的重要作用，本文重点研 究 wlan 中速率选择对网络吞吐量的影响，并提出改进方案以提高 wlan 的传 输性能。 1.2 国内外技术现状 由于受无线信道广播特性和动态特性的影响，信道衰落具有很大的随机性和 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 时变性，这对通信非常不利。在无线通信技术发展的早期，为了保证一定的通信 质量，往往按照最差信道条件和最低性能指标来设计系统，采用较高的发射功率、 低阶的调制模式和健壮的编码方式来保证通信质量。这种方式虽然实现简单，但 是在信道条件变好时仍然只能按照信道衰落最坏时进行通信，极大的浪费了频谱 资源和有效功率，降低了系统容量。链路自适应思想的出现很好地解决了这个矛 盾。早在 1968 年，hayes 就提出自适应调整发射功率的功率控制方法。为了克服 自适应功率调整所带来的同信道干扰等问题，cavers 在 1972 年提出根据接收电平 调整符号传输速率来对抗信道衰落5。相对于功率控制的自适应技术，自适应调制 是一种更有效的抗衰落技术。steele 和 webb 提出了基于星形 qam 的自适应调制 6，otsuki 和 sampei 提出了更容易实现的基于矩形 qam 的自适应调制7。1996 年，hanzo 等提出了基于调制转换门限的自适应调制方案8，并进行了深入研究。 在此基础上，choi 和 hanzo 进一步提出了根据平均信噪比(average signal noise rate: snr)可变门限的自适应调制9，之后又发展出了宽带系统链路自适应、多载 波 ofdm 自适应调制等一系列新的技术。此外，链路自适应的思想也扩展到了诸 如空间、码字等信息传输领域，如自适应编码速率，自适应天线阵列等，这些扩 展的链路自适应手段与自适应调制和功率相结合，形成了可以灵活调整多维信号 传输参数的链路自适应策略，有效地改善了系统的资源利用率，提高了系统容量。 近年来，链路自适应技术已经成为无线通信领域一个新的研究热点，被应用到多 种环境下的无线通信系统中，同时也被 ieee、3gpp 等国际标准化组织正式列入 到诸如 3g、4g、wlan、宽带无线接入等新兴无线通信技术的国际标准中。 典型的传输链路自适应技术包括10： 功率控制技术 所谓功率控制就是通过改变发射功率的大小来适应无线传输信道状态的变 化。作为最早提出的链路自适应技术的代表，由于其技术成熟、实现简单，功率 控制技术己经成功运用到诸如 2g、3g 等移动通信系统中。功率控制的基本原理 是在信道条件好的时候使用较小的发射功率；在信道条件差的时候使用较大的发 射功率，以保证接收信噪比稳定在可以正确接收的范围内，从而使得在不同信道 条件下，发送端都可以以最小的发射功率来保证系统获得固定的传输速率和时延， 保证通信的质量。在某些系统中，当信道衰落深度落入一个特定域值以下时，功 率控制会中断信号传输，以保证恒定的接收信噪比，提高频谱利用率。 目前，常用的功率控制技术根据发射功率的更新频率不同，可以分为快速功 率控制和慢速功率控制。其中，快速功率控制主要用来克服时变信道的快衰落效 应，发射功率的更新频率一般达到 1khz左右才能较好地适应信道变化。而慢速功 率控制用于跟踪平均路径损耗和慢衰落的变化，发射功率更新频率通常为 2hz 左 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 右。以 cdma is95 系统为例，其上行链路采用了更新频率为 800hz的快速功率控 制技术，下行链路则使用了慢速功率控制技术。而 wcdma 系统在上行和下行链 路都使用了快速功率控制技术，更新频率设定为 1500hz，可以同时较好地应对无 线信道的各种衰落。 功率控制技术采用调整发射功率的方法来补偿信道的变化，从而保证了通信 质量，但是这一技术本身也存在无法克服的缺陷。首先，功率控制技术存在“ 远近 效应” ，即由于对少数距离较远的用户采用较大的发射功率，使得发送端的大部分 功率被占用，而无法服务其他信道条件较好的用户，从而限制了系统容量。其次， 功率控制技术还存在“ 噪声提升效应” ，即在采用快速功率控制时，发送端根据链路 的快衰落变化来调节各个用户的发射功率，从而导致接收端接收到其他用户的干 扰功率不断变化，这样就造成了大约 39db 的额外噪声恶化。因此，现在的链路 自适应系统一般采用功率控制技术与其他自适应技术相结合的策略进行调整，只 有这样，才能很好的克服功率控制技术的自身缺陷，获得最高的系统吞吐性能。 自适应调制编码技术 由于功率控制技术本身具有不可弥补的缺陷和局限性，已不能满足日益发展 的无线多媒体数据业务的需求，因此自适应调制编码(adaptive modulation code: amc)技术正在取代功率控制技术，成为应用最广泛的链路自适应技术之一。自适 应调制编码技术的核心思想是在保证系统性能的前提下，根据通信环境和业务的 qos要求， 动态的改变发送端的调制和编码等级(modulation and code scale: mcs)， 以提高系统资源的利用率或传输速率，获得较高的系统吞吐量和容量。在许多无 线分组数据传输系统的国际标准中都采用了自适应调制编码技术，例如作为 wcdma 增强技术的高速下行分组接入系统(high speed downlink packet access: hsdpa)、无线局域网(wireless local area network: wlan)标准 802.11a，以及宽 带无线接入系统 ieee802.16e 等都建议采用自适应调制编码技术来提高系统的吞 吐量和频谱效率。 自适应调制编码技术根据接收端反馈的信道状态信息来调整系统的调制和编 码策略，其技术实现包括四个部分：信道估计和预测、mcs 级数选择、mcs 同步 机制以及最优模式选择算法。其中信道估计和预测主要为接收端提供可以表征下 一发送时刻信道环境的信道参数信息，如信噪比、系统差错率等参数。这些参数 作为最优 mcs 的选择依据，根据特定的选择算法确定下一发送时刻最优的调制编 码方式；最优模式选择算法是自适应调制编码技术的核心，它直接影响着链路传 输性能的改善， 只有选择最合适通信环境的mcs才能获得最优的链路自适应效果。 目前应用最广泛的 mcs 选择算法是 3gpp 组织推荐的“ 基于 snr的门限判别法” 。 它以系统仿真的先验性能曲线的交点作为区间划分的门限，把信道划分为几个区 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 域，在每个区域内选择使系统吞吐量最大的最优 mcs，以获得整体系统的最大吞 吐性能。 混合重传技术 除了 amc 技术之外，混合重传技术(hybrid automatic repeat request: harq) 也是目前自适应技术的研究热点之一。harq 结合了前向纠错(forward error correction: fec)和自动请求重传(automatic repeat request: arq)两种技术，通过对 无法正确解码信息的重新传输来自动适应信道变化，提高系统传输性能。此外， harq 技术还可以根据需求，灵活地调整编码速率，同时接收端对重传信息的合 并解码也会带来额外的时间分集增益，以补偿由于无线链路的深衰落所带来的误 码。由于 harq 无需进行信道估计，而是依靠接收端实时接收数据正确与否的反 馈信息来决定重传次数和编码速率，因此可以提供较为准确的实时信道状态参数。 在实际系统中，往往先通过 amc 提供粗略的 mcs 选择方案，然后再使用 harq 来提供精确的级数调节， 从而提高自适应调节的精度和资源利用率。 harq 在 3g、 b3g系统的 mac 层设计以及 wcdma的增强技术 hsdpa、 cdma2000 1x ev- do 系统等中，将其与 amc 结合作为链路自适应技术。 除了上述三种典型的自适应技术外，常用的链路自适应技术还包括：自适应 帧长技术、自适应分组技术、自适应 qos 服务、自适应天线阵列和扩频增益等。 在无线通信系统中，往往根据需要对这些扩展的自适应技术进行有机组合和调整， 以实现最优的系统性能提升。 表 1.1 所示为目前无线通信系统中广泛使用的链路自 适应技术。 表 1.1 链路自适应技术应用举例 table 1.1 link adaptive technology applications 链路自适应技术 应用系统 自适应阵列天线 td- scdma 功率控制 is- 95、cdma2000、wcdma amc gprs、 edge、 cdma2000、 hsdpa、 802.11a、 802.16e harq cdma2000、cdma2000、hsdpa、802.11a、802.16e 可变扩频增益 cdma2000、wcdma 动态信道分配 phs、dect 1.3 论文的主要内容和章节安排 目前，自适应调制编码技术和混合重传技术已成为主流的链路自适应技术， 广泛应用于许多无线通信系统中。本文针对采用自适应调制编码技术的无线局域 网中速率自适应开展研究，通过对开环类和闭环类速率自适应的典型算法的性能 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 5 分析和比较，针对存在的问题进行改进。论文的组织结构如下： 第一章：绪论。介绍本文的研究背景、传输链路自适应技术的国内外研究和 发展现状。 第二章：介绍无线局域网和速率自适应技术基础。以基于 ieee802.11 标准的 wlan 为研究对象，阐述传输链路自适应中速率自适应的基本原理、研究方法以 及速率选择对系统吞吐量的影响分析。 第三章：针对 rbar、oar 等典型的闭环类速率自适应算法进行性能分析和 比较，同时对闭环类算法的特征进行总结比较。 第四章：针对 arf、arf 系列、rraa等典型的开环类速率自适应算法进行 性能分析和比较，同时对开环类算法的特征进行总结比较。 第五章：通过对目前典型的速率自适应算法的性能分析和比较，以 cara 算 法为基础，提出一种抗抖动的 en- cara 改进算法。该算法结合隐藏终端检测机 制，能避免 rts 振荡效应，有效降低冲突概率，进一步改善和提高系统性能。 第六章：全文研究成果总结，并指出未来的研究思路和方向。 重庆大学硕士学位论文 2 无线局域网与速率自适应技术基础 6 2 无线局域网与速率自适应技术基础 2.1 无线局域网 无线局域网(wireless local area network: wlan)是指通过 2.4ghz或 5.8ghz 免申请的 ism(industry science medicine)频段传输信号的一种局域网，不要求收发 双方必须可见，无线接入点(access point: ap)通过电缆连接到以太网上，其它无线 设备通过无线接入点接入网络。无线局域网用户之间的信息交换可以在移动状态 下进行，只要在笔记本电脑、pc 机等设备上安装有无线接入设备，用户就能够在 无线网络覆盖区内自由移动而保持与网络的连接。 1971 年，美国夏威夷大学的研究人员发明了第一个基于封包式技术的无线通 信网络，称为 alohanet 网络，是最早的无线局域网络。该网络包括了 7 台计 算机，采用双向星型拓扑横跨四座夏威夷岛屿，中心计算机位于瓦胡岛，从此， 无线局域网正式诞生了。随着计算机应用的发展和普及，上世纪 80 年代末期，由 美国摩托罗拉公司开发出了第一代无线局域网。 1990 年， ieee 启动了 802.11 项目， 正式开始了无线局域网的标准化工作； 1997 年， ieee 改进了 802.11 协议的互通标 准；2001 年，ieee 对 qos 和无线局域网安全性草案做了明确表述；2002 年，已 经有超过 130 家参与公司成为标准投票成员。 2.1.1 无线局域网工作模式 无线局域网的工作模式分为两类：结构化模式(infrastructure)和无中心模式(ad hoc)或点对点模式(peer to peer)。 结构化模式 在结构化模式中，无线接入点通过电缆接入网络，以无线接入点为中心，其 它无线设备用过无线接入点进入网络，如图2.1 所示。这种模式是目前主流的工作 模式之一，其优点是可扩展性强、故障容易排除，但是如果负载过多可能会造成 网络拥塞。 ap1 ap2 有线网络 图 2.1 结构化工作模式 fig.2.1 infrastructure mode 重庆大学硕士学位论文 2 无线局域网与速率自适应技术基础 7 无中心模式 无中心模式可以使一台无线工作站(station: sta)和另一台或多台无线工作站 直接通信，如图 2.2 所示。通常该对等网络由一组拥有无线接口的计算机组成。这 些计算机有相同的工作组名、essid 和密码。对等网络组网灵活，任何时间，只 要两个或更多的无线接口互相都在彼此的覆盖范围内，就可以建立一个独立网络， 这些根据要求建立起来的典型网络在管理和协调方面没有任何要求。 sta 1sta2 sta3 图 2.2 无中心工作模式 fig.2.2 ad hoc mode 2.1.2 无线局域网的特点 无线局域网支持用户的可移动性，它提供了不受电缆限制的应用，使用户可 以随时随地上网。无线局域网容易安装、无须布线，大大节约了建网时间和成本。 无线局域网组网灵活、即插即用、网络管理人员可以迅速将终端加入无线局域网 中，而且发生故障定位容易，无需检查物理线路。无线局域网作为有线网络的补 充与替代，在许多行业、领域有着越来越广泛的应用。其优点主要有： 可移动性：由于没有线缆限制，用户可以在不同地方移动工作，网络用户 不管在任何地方都可以实时交互信息。 建网快捷：由于无需布线，因此安装容易，建网时间可大大缩短。 组网灵活：无线局域网可以组成多种拓扑结构，可以容易地从少数用户的 点对点模式扩展到上千用户的基础架构网络。 wlan 产业正在蓬勃发展，但是由于其自身的特点，也面临着很多危机和挑 战。例如产品标准过多造成不同标准产品的不兼容，相对于有线网络，wlan 产 品价格过高、保密性能差，自身技术存在缺陷等。 此外，由于无线局域网采用免申请的 ism 频段作为传输媒体，任何人都有条 件窃听或干扰信息，因此对越权存取和窃听行为不易防备。在 2001 年拉斯维加斯 的黑客会议上，安全专家就指出，无线网络将成为黑客攻击的另一块热土。而事 实上，现在许多对于安全性要求很高的场合，无线局域网正是由于存在安全隐患 而无法发挥其巨大作用。 重庆大学硕士学位论文 2 无线局域网与速率自适应技术基础 8 到目前为止，无线产品的性能还不尽如人意，传输速度虽然有了大幅提高， 但仍不能满足某些场合的需要，而且无线设备成本较高，虽然后期投入比有线网 络少，但无线网络的架设和调试成本还是高于有线产品。 2.1.3 无线局域网的应用前景 无线时代正在来临，这意味着可以在任何便于工作的地方，如会议室、医院、 教室、自助餐厅、实验室、办公室以及在野外的野餐桌旁，享受工作的自由和灵 活性。无线网络正在成为每个企业根本的、必备的合作工具。无线局域网技术的 新发展表现为更高的速度、更好的互操作性以及安全性。无线局域网具有的高灵 活性和可靠性，可以提高生产率，在各行业的广泛应用取得了引人瞩目的成果， 展示了极为广阔的市场前景，它将创造崭新的生活和工作风尚。目前无线局域网 在以下应用场合得到了用户的高度认同。 移动办公环境：大型企业、医院等移动工作人员应用的环境； 难以布线的环境：历史建筑、校园、工厂车间、城市建筑群、大型仓库等 不能布线或者难于布线的环境； 频繁变化的环境：活动的办公室、零售商店、售票点、医院、野外勘测、 试验、军事、公安和银行金融以及流动办公、网络结构经常变化或者临时组建的 局域网； 公共场所：航空公司、机场、货运公司、码头、展览和交易会等； 小型网络用户：办公室、家庭办公室(soho)用户。 从技术角度看，无线网络正在克服存在的各种问题，尤其是安全性能已经大 大提高，各种加密算法的研究是目前无线网络的热点问题，各种解决办法层出不 穷，无线局域网的安全性能取得了长足进步；同时，无线网络的速度也得到了提 升，现在主流的产品从 11mbps 发展到以 54mbps 为主，并有被 108mbps 产品取代 的趋势，无线网络在速度上的瓶颈正在逐渐消除。 2.2 ieee802.11 协议 2.2.1 ieee 802.11 标准概述 ieee 802.11 是 ieee 于 1998 年推出的无线局域网标准11，也是无线局域网领 域内第一个被国际认可的协议。ieee 802.11 主要针对无线网络的物理层(phy层) 和媒体访问控制子层(mac 层)进行了规定。后来又连续推出了 802.11a12、 802.11b13、802.11g14等几个新的标准。 最先推出的 ieee802.11a 占用 5ghz自由频段，工作于 5.155.25、5.255.35、 5.7255.825ghz 频段的正交频分复用模式，采用经 bpsk 或 qpsk、16- qam 或 64- qam 调制后的 52 个子载波。由于这一频段其它应用不多，干扰较少。ieee 重庆大学硕士学位论文 2 无线局域网与速率自适应技术基础 9 802.11a 可以提供速率为 6、9、12、18、24、36、48 和 54mbps 的数据通信能力。 其中必须支持 6、 12 和 24mbps 的数据速率。 在 10 米范围内其速率可高达 54mbps， 但随着距离的增加，其速率快速下降，70 米时下降到 10mbps 以内。 ieee 802.11b 占用 2.4ghz的自由频段，但由于许多国家的无绳电话、蓝牙设 备甚至微波炉都使用这个频段，所以干扰要大一些。它采用补码键控(cck: complementary code keying)或二进制卷积编码(pbcc: packet binary convolutional coding)调制方式，并采用相对简单的直接序列扩频(dsss: direct sequence spread spectrum)技术，除了 1mbps 和 2mbps 速率，还可以支持 5.5mbps 和 11mbps 的数 据速率，并且速率可因环境变化而动态漂移，但考虑到物理层开销以及自由频段 易受到干扰等情况，其速率远低于此。虽然 ieee802.11a 开始制定的时间要早于 ieee802.11b，但由于后者容易实现、完成得较早，所以 ieee 802.11b 产品反而占 据了较大的市场份额。 ieee802.11g解决了由于使用不同的频段造成的 802.11a 产品和 802.11b 产品 不相兼容的问题。在与 802.11b 兼容的基础上提高了速度和传输距离。802.11g 规 定的调制方式有两种，包括 802.11a 中采用的 ofdm 与 802.11b 中采用的 cck。 利用这两种调制方式，既达到了在 2.4ghz 频段实现 802.11a 的数据传送速率，又 确保了与 802.11b 产品的兼容。但干扰的存在决定了 802.11g 不可能达到 802.11a 的高速率。 如果利用 wlan 开展 ip 电话和视频播放这类大量消耗带宽的多媒体业务， 54mbps 还远远不够。因此 ieee又成立了一个新的工作小组，制定高速 wlan 标 准 802.11n。该标准采用多输入多输出(mimo: multiple input multiple output)技术 和正交频分复用(ofdm: orthogonal frequency division multiplexing)技术，将 wlan 的传输速率从 54mbps 提升至 108mbps 以上，以实现与百兆有线网的无缝 结合。 覆盖范围上，802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵 列，动态调整波束，确保 wlan 用户接收到稳定的信号，并减少对其它用户的干 扰。因此其覆盖范围可以扩大到几平方公里，使 wlan 移动性极大提高。在兼容 性方面，802.11n采用了软件无线电技术，它是一个完全可编程的硬件平台，使得 不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，这使得 wlan 的兼容性得到极大改善，意味着 wlan 不但能实现 802.11n向前后兼容， 也能实现 wlan 与无线广域网络 3g 的结合。broadcom公司已于 2006 年推出了 新标准的芯片组，这是第一个符合 802.11n标准的芯片组，名为 intensi- fi，可用于 路由器、笔记本电脑和插入式 pc 卡。 2.2.2 ieee 802.11 标准 mac 协议 网络控制方式 重庆大学硕士学位论文 2 无线局域网与速率自适应技术基础 10 ieee802.11 标准的 mac 协议定义了两种对信道的访问方式，如图 2.3 所示。 包括中心网络访问控制方式(pcf: point coordination function)和分布式网络控制方 式(dcf: distributed coordination function)。 中心网络访问控制方式p c f 分布式网络控制方式d c f 物理层 m a c 层 无竞争服务竞争服务 图 2.3 ieee 802.11 的 mac 层 fig.2.3 ieee 802.11 mac pcf 采用集中控制接入算法(一般在接入点实现集中控制)，工作于非竞争期 (cfp: contention free period)， 用类似于轮询的方法将发送数据轮流交给各个站点， 以避免碰撞的产生。dcf 是 ieee802.11 最基本且被广泛接受和应用的媒体访问方 式，它提供了一种基于竞争的访问方式，是标准所定义的强制性访问方式；它直 接建立在物理层之上，作用于媒体竞争期(cp: contention period)，所有站点均支持 dcf，其核心是 csma/ca(carrier sense multiple access with collision avoidance) 协议，即基于冲突避免的载波侦听信道接入，包括载波检测机制、帧间隔和随机 退避规程。pcf 是该标准定义的可选访问方式，实际的 802.11 设备中很少实现， 本文也只涉及到 dcf 方式。 为了避免冲突，ieee 802.11x的 mac 层规定，所有站点在完成数据发送后， 必须等待一段时间(继续侦听)才能发送下一帧。这段时间称为帧间隔(inter fame space: ifs)。帧间隔的长短取决于该站点欲发送数据的帧类型，高优先级帧等待时 间较短，若低优先级帧还没有来得及发送而其它站点的高优先级帧已经发送到媒 体，则媒介变为忙态，因此低优先级帧只能继续侦听信道，以此减少发生碰撞的 几率。 dcf 方式关键技术 dcf 定义了两种工作方式15：基本工作方式(csma/ca 方式)和 rts/cts 机 制。 1)csma/ca方式 在 csma/ca方式下，数据传输过程为：data- ack，如图 2.4 所示。如果源 站点要发送数据，首先对信道进行侦听。如果信道连续空闲了一段特定的时间间 重庆大学硕士学位论文 2 无线局域网与速率自适应技术基础 11 隔 difs(dcf ifs)，源站点才可以发送数据帧。如果目的站点成功的收到数据帧， 也要侦听信道一段特定的时间间隔 sifs(short ifs)，如果信道空闲，目的站点向源 站点发送一个 ack 应答帧。如果信道忙，源站点等待信道变为空闲，并且再等待 difs 的时间；如果信道仍然空闲，源站点在一个特定的竞争窗口中随机选择一段 时间进行避退，如果退避期间信道仍然空闲，当退避时间结束，才可以发送数据 帧；如果在退避期间检测到信道忙，将退避定时器冻结，等待下次信道空闲时继 续避退。 源节点 目的节点 邻居节点 d a t a n e x t f r a m e a c k s i f sd i f s c o n t e n t i o n w i n d o w s d e f e r a c c e s sb a c k o f f s l o t t i m e 图 2.4 ieee 802.11 的 csma/ca协议 fig. 2.4 csma/ca protocol of ieee802.11 因为 csma/ca 不是通过站点监听自己的发送来检测冲突的，所以目的站点 应发送一个 ack 帧表明成功接收到了数据包。ack 应在数据包发送完成后，再 经过 sifs 立刻发送。sifs(再加上传播延迟)比 difs 短，因此其他站点在 ack 结 束前不可能检测到信道空闲时间大于 difs。如果发送站点在 ack_timeout(等于 一个 ack 帧的时间加上 sifs)内没有接收到 ack，或检测到信道上有另外一个数 据包在传输，将根据退避机制重新安排数据包的发送。 2)退避机制 由于效率原因， dcf 选择了离散时间退避算法。 捕获到一个 difs 空闲时间后， 退避时间立即开始，站点只能在每个时隙开始时发送。时隙的大小等于任何一个 站点检测到其他站点发送的数据包所需要的时间。所以它依赖于物理层，是传播 延时、站点从接收状态转为发送状态所需要的转换时间(rx_tx_turnaround_time) 和通知 mac 层信道状态所需时间的总和。 dcf 采用二进制指数退避机制16。避退的最小时间间隔为一个时隙(slot time)s。每个数据包发送时，退避时间一律在(0，w- 1)中取值。w 称为竞争窗口 (contention window: cw)，取决于数据包发送失败的次数。第一次发送尝试时，w 设为 cwmin，称为最小竞争窗口(minimum contention window)。每次发送失败后， w 翻番，直到变为最大值 maxmin 2mcwcw=，其中 m 代表退避算法可避退的最大退 重庆大学硕士学位论文 2 无线局域网与速率自适应技术基础 12 避级数(max backoff stage)，cwmin 和 cwmax由 phy 确定，标准规定的参数值 如表 2.1 所示。 表 2.1 ieee 802.11 竞争窗口大小 table 2.1 ieee802.11 contention window size phy slot time() min cw max cw fhss 50us 16 1024 dsss 20us 32 1024 ir 8us 64 1024 3)rts/cts 方式 dcf 还定义了另外一种可选的四次握手技术。这种机制称为 rts/cts，如图 2.5 所示。欲发送数据包的站点侦听到信道空闲时间大于 difs 后，不发送数据包， 而是发送一个请求发送 rts(request to send)帧。目的站点检测到 rts 后，在 sifs 后发送相应的允许发送 cts(clear to send)响应帧。发送站点只有在正确接收 cts 后才发送数据包。 source destination others rts cts data ack nav（rts） nav（cts） sifssifssifsdifs delayed medium accesschannel access with backoff 图 2.5 rts/cts 机制 fig.2.5 rts/cts mechanism rts 和 cts 帧载有将要发送的数据包的长度信息，任何监听站点都可以获取 此信息。监听站点以此更新网络分配向量(nav: network allocation vector)，nav 包含了信道繁忙的时间信息。无论是发送站点还是接收站点的隐藏终端1718，只 要检测到 rts 和 cts 中的一个，它就可以适当的延迟发送数据，从而避免冲突。 rts/cts 机制有效的提高了系统性能，尤其是在大数据包的情况下，因为它 降低了竞争过程中的帧的长度。事实上，在每个站点都可以理想的侦听信道的假 设下，冲突只可能发生在有两个或更多的数据包要发送的时隙中。如果两个发送 站点都使用 rts/cts 机制，那么只可能是 rts 帧发生冲突，发送站点可以通过 重庆大学硕士学位论文 2 无线局域网与速率自适应技术基础 13 cts 响应帧的缺失检测出冲突。 rts/cts 机制解决了发送长帧时易发生碰撞从而导致信道利用率急剧下降的 问题，缓解了“ 隐藏终端” 问题。 4)crc 校验和包分段 802.11 mac 子层提供了另外两个有用的功能，crc 校验和包分段。在 ieee802.11 标准中，每一个在无线网络中传输的数据包都被附加上了校验位以保 证它在传送时不会出现错误，这和 internet 中通过上层 tcp/ip 协议来对数据进行 校验有所不同。包分段的功能允许大的数据包在传送时被分成较小的部分分批传 送。这在网络十分拥挤或者存在干扰的情况下(大数据包在这种环境下传送非常容 易遭到破坏)是一个非常有用的特性。这项技术大大减少了许多情况下数据被重传 的概率， 从而提高了无线网络的整体性能。 mac 子层负责将收到的分段进行重组， 对于上层协议这个分段的过程是完全透明的。 2.3 速率自适应技术基础 ieee802.11x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 (数据帧、管理帧、控制帧)规定了不同的速率，却没有规定某一类型的帧，特别是 数据帧。如何根据信道状态选择和切换合适的发送速率，以提高系统性能，依据 信道质量自适应的速率选择算法成为目前的研究热点。 吞吐量是衡量通信系统性能的一个重要参数，希望在各种信道环境下都以尽 可能高的速率和尽可能低的误码率进行数据传输。通常在链路质量较好的情况下 选择传输速率较高的调制方式可以获得较高的吞吐量，而在链路质量较差时，采 用传输速率高的调制方式却会因为误码率的增加反而降低吞吐量。实际上，吞吐 量是传输速率和误码率的函数，高传输速率会造成更高的误码率，降低吞吐量。 因此，为了使吞吐量在一定信道环境下达到最优，可以采用很多方法，方法之一 是根据信道状态自适应的选择数据帧的发送速率。 2.3.1 基本原理 文献19从理论上阐述了为什么在信道状态变化时，改变调制方式从而改变速 率可以提高系统的吞吐量。为了方便说明，简化研究环境，只针对理想环境，如 高斯白噪声环境下的信道进行阐述。选择 bpsk、qpsk、qam- 16 和 qam- 64 作 为多速率的调制方式，并且假设不使用纠错编码。 在高斯白噪声信道环境下，对于 bpsk 调制，误比特率可以表示为： bpsk： (2) bb pq= (2.1) 对于 qpsk 调制，误比特率可近似为： qpsk： (2) bb pq (2.2) 重庆大学硕士学位论文 2 无线局域网与速率自适应技术基础 14 对于 qam- m 调制，误比特率可近似为： qam- m： 2 2 3log41 (1) () log1 b b m pq mmm (2.3) 式中 b 为接收端信号比特信噪比， b 与符号信噪比 snr 的关系可表示为： 2 /log b snrm = (2.4) (.)q为高斯q函数，表达为： 2 1 ( )exp() 22 z x q zdx =