多速率IEEE802.11b网络控制包速率调整

1、多速率IEEE 8 0 2 .lib网络控制包速率调 整 Rate adaptation for control packets in multi-rate IEEE 802.11b networks CAI Zhiqiang1 ，LI Pei1 ， ZHANGChunpeng1，XUYinlong1 ， WANG Qingshan 1， 2 (1. Anhui Province-MOST Key Co-Lab of High Performance Computing and its Application ， Univ. of Sci. & Tech. of China，Hefei 230

2、027 ，China ； 2. School of Sci.，Hefei Univ. of Tech.， Hefei 230029 ， China) ：With the fact that control packets are transmitted in a lower rate in IEEE 802.11b ad hoc networks and the network performance is decreased ， a rate adaptation scheme is proposed. The main idea is that AARF(Adaptive Auto Rat

3、e Fallback) is used to adjust transmission rates automatically for RTS(Request to Send) ， ACK(ACKnowledge)and DATA packets while the CTS(Clear to Send)packets are not adjusted to reduce time occupied by control packets. The simulationresults indicatethat the throughput of IEEE 802.11b ad hoc network

4、s can be significantly improved by the scheme. 0 引 言 无线自组网是由无线节点或终端组成的网络 . 网络中无固定 基站， 节点同时具备路由器和终端的功能， 节点间通过共享无线 信道以广播的形式进行通信 . 由于无线自组网架设简单，已被广 泛应用于战场通信、抢险救灾、野外科考等领域，近年来越来越 受到学术界和工业界的重视 . 最初的IEEE 802.111协议只提供1种传输速率.目前,EEE 802.11a2 ，IEEE 802.11b3 和 IEEE 802.11g4 协议在物理 层已经支持多速率传输 .IEEE 802.11b 中允许使用的传

5、输速率有 1 Mb/s ， 2 Mb/s ，5.5 Mb/s 和 11 Mb/s ，IEEE 802.11a 和 IEEE 802.11g 支持从 6 Mb/s 到 54 Mb/s 的 8 种传输速率 . 对于多速率 传输的研究内容主要包括：当信道条件能保证信噪比 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 足够大时，尽量选择较高的速率来 提高网络的吞吐量 5-7.ARF(Auto Rate Fallback)5 是第 1 个 实现多速率的商用 MAC机制.基于ARF,若传输连续成功，则在 发送端提高传输速率， 否则降低传输速率 .RBAR(Receiver-Based Auto R

6、ate)6的速率选择在接收端进行.基于RBAR接收端根 据接收到的 RTS(Request to Send) 信号强度决定后续数据包的 传输速率，并通过 CTS(Clear to Send) 将传输速率传给发送端 . 传输速率越高， BER(Bit Error Rate) 越大，因此需要更高的传 输功率来保证BER达到可以接收的数值6，通过降低传输速率 节省能量 .8 ， 9QIAO 等8 使用传输功率控制和速率调整建立 离线最优速率功率组合表格， 通过查找该表格决定每个包的传 输速率. 不同的数据包速率对应不同的 SNR阈值，SNR直越高，使用 的数据传输率就越高， 但同时接收节点所受到的干

7、扰范围也会增 大.文献10提出用传输功率控制方式调整CTS的传输能量，使 得CTS的传输范围正好覆盖上述干扰范围，这样就能有效解决隐 终端带来的干扰，增加网络吞吐量 . 文献11，12提出在高速率下使用 RTS/CTS机制是无效的观 点.IEEE 802.11弓I入RTS/CTS机制是为了解决隐终端问题，在 4 次握手过程中，其他节点几乎无法接入信道，所以当RTS传输成 功后，其他的帧很少有干扰发生， 因冲突所造成的信道浪费大多 发生在RTS传输时间.高数据速率在信道条件良好的情况下使 用，此时，控制包 RTS和 CTS仍然使用Basic Rate的低速率， 物理头传输时间固定 . 在这种条件

8、下，随着数据速率的增加，控 制包传输所占用的时间比例会越来越大，浪费的资源越来越多 . 当控制包速率远低于数据包速率时， 则其传输时间就有可能相差 不大，此时冲突的时间比例就会相对增大，所以使用RTS/CTS机 制在这种情况下是无效的 . 本文从多速率角度出发，针对 IEEE 802.11b 协议提出 1 种 速率调整策略，通过使用 AARF(Adaptive Auto Rate Fallback)13 算法调整 RTS和 ACK(ACKnowledge的速率，使得 每个节点各自的 RTS ACK与 DATA勺速率保持一致，而CTS不使 用该算法调整，仍使用 Basic Rate进行传输.模拟

9、实验验证该策 略确实能提高网络的吞吐量 . 1 IEEE 802.11b 的多速率简介 IEEE 802.11b 协议可以提供 4种传输速率，分别为 1 Mb/s， 2 Mb/s ， 5.5 Mb/s 和 11 Mb/s. 根据信道状态状况，可以选择使 用不同的速率进行传输，其中 1 Mb/s 和 2 Mb/s 被指定为 Basic Rate，控制包在进行传输时使用 Basic Rate.lEEE 802.11b可以 使用各种不同算法调整速率，例如： ARF5 ， AARF 1 3等. 为保证一定的BER每个速率都对应着不同的信干噪比 SlNR(Signal-to-lnterference a

10、nd NoiseRatio)，速率越高则 对应的SINR越大.在传输功率不变的情况下，随着速率的增加， 节点传输范围将减小.图1中，r 1，r 2，r 5.5和r 11分别是 速率为 1 Mb/s ， 2 Mb/s ， 5.5 Mb/s ， 11 Mb/s 时所对应的传输 范围，可以看出 r 1r 2r 5.5r 11. 同时随着速率的增加，接 收节点被其他节点干扰的范围将增大 . 如图 2 所示， 2 个虚线圆形区域分别是节点 A 和节点 B 的传输范围， R1， R2， R 5.5 和 R11 分别是速率为 1 Mb/s， 2 Mb/s， 5.5 Mb/s和11 Mb/s时所对应的干扰范围，也即当节点A在使 用上述 4 种速率进行传输时， 如果有其他节点在相应速率的干扰 范围内同时进行传输就会与 B发生冲突.从图2可以明显看出， 随着节点传输速率的增加，节点干扰范围也在增大，即： R1 从实验结果可见， 改进后的速率调整策略在同时传输数据流较少 的大场景中以及通信节点距离较近的场景中性能有所提高 . 4 结束语 对IEEE 80