CN101977097A - 远距离WiFi链路的自适应速率和功率联合调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域。为提供一种可应用于远距离TDMA无线传输的发送速率、发送功率调整算法，使其能够对链路质量变化迅速做出反应，有效提高链路吞吐率，并且尽量降低设备功耗。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，远距离WiFi链路的自适应速率和功率联合调整方法，包括以下步骤：先探测出接收到信号的物理层信息与无线网络性、设备能耗之间的函数关系，然后通过上一时隙接收到帧的物理层信息来选择下一时隙适当的发送速率及功率。本发明主要应用于无线通信、无线网络。

Description

远距离WiFi链路的自适应速率和功率联合调整方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种远距离WiFi链路的自适应速率和功率调整方法。

背景技术

近年来，随着网络技术的高速发展和日益普及，偏远乡村地区对于接入Internet的需求越来越紧迫。这些地区地域广阔而人口分布较为稀疏，其网络拓扑往往由几公里甚至几十公里的远距离链路组成。基于WiFi的远距离(WiLD)网状网络是一种远距离无线传输技术，其只需要802.11的成品无线设备以及定向天线，具有成本低、布置简单等特点。但是目前WiLD网络的实际应用还存在很多问题。远距离WiFi链路的信号受到路径损耗、多径衰落、定向天线的旁瓣效应、周围无线信号的干扰等影响，链路质量随时间变化非常明显。在这样的环境中，需要根据链路质量的变化，及时调整信号的发送速率。此外，由于户外无线设备的供能受到限制，一般采用太阳能电池等，因此出于节能考虑，还需要对网卡发送功率进行动态控制。

传统的速率调整算法主要针对CSMA/CA协议下的WiFi链路设计，按照调整的依据主要可分为基于统计的算法和基于物理层信息的算法。

基于统计的算法一般根据以多个包为单位的统计信息调整发送速率。ARF算法[1]是较早的一种基于统计的算法，它通过维护发送包所需的重传情况来判断链路状况。自适应的ARF[2]、Fast-LA[3]等算法在ARF算法的基础上进行改进，将连续成功或失败的次数阈值设置为可以动态调整的量，以减少探测信道所需要的时间。CARA算法[4]为了解决分辨衰落引起的误码和冲突引起的误码问题，在需要判断丢帧原因时通过打开RTS/CTS来排除冲突造成的丢帧。SampleRate算法[5]通过周期性地以各种速率发送探测帧，通过回馈的ACK来获取时间间隔信息，建立发送速率与成功发送一帧所需时间之间关系的表格。此类算法对于链路状况的反应较慢，不能适应信道快速变化的情况，而且算法一般依赖于每一帧的反馈信息，而在远距离WiFi链路中采用TDMA分时隙传输，在严格的发送/接收时隙下，只能使用累积ACK，因此此类算法不适用于远距离WiFi链路的传输环境。

第二类是基于物理层信息的算法，可以更迅速地对链路状况做出反应。RBAR算法[6]利用物理层的信噪比(SNR)信息来调整发送速率，算法在接收端获取RTS帧的SNR，通过SNR选择合适的发送速率，然后附加在CTS帧中反馈给发送方。CHARM算法[7]统计接收对方帧的速率和重传次数等信息，根据信道互惠理论来推测信道状态。SoftRate算法[8]是利用softradio实现的一种速率调整算法，它利用了接收到的每个比特的对数似然比(LLR)和误码率(BER)之间的关系，可以迅速对链路状况变化做出调整，但是需要对物理层进行修改。WOOF算法[9]在SampleRate的基础上改进，利用了底层的信道闲忙时间比(CBT)信息来区分造成误码的原因。此类算法能够更直观地反映信道状况，更迅速地选择合适的发送速率。但是上述算法也依赖于每帧ACK反馈的信息，不能够适用于TDMA链路的速率调整，因此也不能应用于远距离WiFi链路中。

国内相关专利中，也提出一种无线宽带接入网中网络速率自适应调整方法[10]，其算法是根据发送多个数据包后的统计信息，观察包的重传次数，若达到一定的阈值则上调或下调发送速率。其方法实现较为简单，易于实现，但是从本质上也是一种基于统计的算法，对于链路状况的反应较慢，不能适应信道快速变化的情况。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，目的是提供一种可应用于远距离TDMA无线传输的发送速率、发送功率调整算法，使其能够对链路质量变化迅速做出反应，有效提高链路吞吐率，并且尽量降低设备功耗。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，远距离WiFi链路的自适应速率和功率联合调整方法，包括以下步骤：先探测出接收到信号的物理层信息与无线网络性能、设备能耗之间的函数关系，然后通过上一时隙接收到帧的物理层信息来选择下一时隙适当的发送速率及功率。

所述方法进一步细化为：选择接收信号强度RSSI作为参考的物理层信息量，RSSI是Received Signal Strength Indicator的缩写，是一个表征信号强度的量，表示接收到一个帧时天线接收的信号强度，RSSI由网卡驱动中直接获得；

第一步，通过发送多组探测包来探测RSSI与网络性能之间的关系，各组探测包使用不同的物理层发送速率及发送功率，接收方收到后，在下一时隙的累积ACK中，一方面将接收到的RSSI反馈回来，另一方面将接收到包的个数反馈回来，以计算投递率等网络性能数据，综合二者，即可得到RSSI和网络性能之间的函数关系；

第二步，在正常通信过程中，双方分别在各自的时隙内交替进行发送和接收，一方的发送时隙结束后，进入接收时隙，此时首先会收到另一方发来的ACK，其中包含上一时隙中对方收到的RSSI，据此可以推断下一个发送时隙中对方收到的RSSI；

第三步，根据RSSI与网络性能之间的关系，以及预测的下一个时隙中对方收到的RSSI，来选择下一时隙中应该使用的发送速率和发送功率，以成功发送1比特数据所需的平均能耗作为选择发送速率、功率的标准；

当周围干扰信号强度发生严重改变时，应重新进行第一步的探测过程，以得到准确的函数关系，其中获取周围干扰信号的情况，是通过监听周围无线AP的信标帧的丢包情况来实现即发现信标帧的丢包情况突然发生剧烈变化时，就认为周围干扰信号发生了变化。

所述综合二者，即可得到RSSI和网络性能之间的函数关系是指：取多个<RSSI，FDR>组合的点来近似描绘两者之间的函数曲线，而相邻两点之间的曲线则以线性函数代替。即：

(RSSI_i-1≤rssi＜RSSI_i)为了得到这些点，将每个可能的发送速率和发送功率作为一个组合<bit-rate，tx power>，然后对于每个组合发送一组探测帧，接收端收到后记录其RSSI值并通过下一时隙的ACK反馈给发送方，发送方取其RSSI的平均值作为RSSI_i，即：

${\mathrm{RSSI}}_i=\underset{k\&Element;C}{\mathrm{\&Sigma;}}{p}_k\&times;{\mathrm{RSSI}}^k$

其中RSSI^k表示接收到一个帧的RSSI为k，其范围C表示RSSI可能的取值范围，一般为0dB～127dB，p_k表示接收方正确接收到此帧的概率，一组探测帧发送完毕后，根据其中正确接收的比例以及计算出的RSSI_i，就可以得到一个<bit-rate，tx power>组合下的RSSI和对应的FDR；

对此过程进行优化：令ET_tr(rssi)＝FDR_tr(rssi)×tr

为发送速率为tr、信号强度为rssi时的有效吞吐率，假设当发送速率和功率组合为<tr1，p1>时的信号强度为rssil，且对于另一发送速率tr2，有ET_tr1(rssi1)＞tr2。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益的效果：

1、可适用于TDMA的分时隙MAC协议中；

2、选择接收信号强度RSSI作为参考的物理层信息量，能够对链路状况变化迅速做出反应，能够感知周围干扰情况的变化并对算法进行调整；

3、算法利用远距离传输TDMA协议使用的累积ACK，其额外开销较少；

4、算法在不影响网络性能的前提下，尽量降低设备功耗，达到节能的目的。

附图说明

图1.发送速率及功率调整算法工作流程。

图中，FDR：正确投递率；RSSI：接收信号强度；ACK：确认帧；FDR_RSSI_PROBING：探测FDR与RSSI关系算法。

具体实施方式

为达到上述目的，本发明基于简单的分时隙TDMA的MAC协议，设计一种发送速率、发送功率联合调整的技术方案。其主要思想是先探测出接收到信号的物理层信息与无线网络性、设备能耗之间的函数关系，然后通过上一时隙接收到帧的物理层信息来选择下一时隙适当的发送速率及功率。

本发明选择接收信号强度(RSSI)作为参考的物理层信息量。RSSI是一个表征信号强度的量，它表示接收到一个帧时天线接收的信号强度。RSSI可由网卡驱动中直接获得，并且可以较好地反应链路状况，因此可以用来作为速率调整的依据。

第一步，通过发送多组探测包来探测RSSI与网络性能之间的关系。各组探测包使用不同的发送速率及功率，接收方收到后，在下一时隙的累积ACK中，一方面将接收到的RSSI反馈回来，另一方面将接收到包的个数反馈回来，以计算投递率等网络性能数据。综合二者，即可得到RSSI和网络性能之间的函数关系。

第二步，在正常通信过程中，双方分别在各自的时隙内交替进行发送和接收。一方的发送时隙结束后，进入接收时隙，此时首先会收到另一方发来的ACK，其中包含上一时隙中对方收到的RSSI，据此可以推断下一个发送时隙中对方收到的RSSI。

第三步，根据RSSI与网络性能之间的关系，以及预测的下一个时隙中对方收到的RSSI，来选择下一时隙中应该使用的发送速率和发送功率。选择的标准应综合考虑网络性能和设备能耗，若发送功率过大，则耗电量太大，并对周围无线通信造成干扰；若发送功率过小，则可能造成丢包过多，发送同样的数据需要多次重传，同样也会浪费能量。因此，以正确发送1比特数据所需的平均能耗作为选择发送速率、功率的标准，既可以保证吞吐率，又可以尽量节约能量。

此外，RSSI与网络性能之间的函数关系会随着周围信号干扰情况的变化而变化。因此，当周围干扰信号强度发生严重改变时，应重新进行第一步的探测过程，以得到正确的函数关系。其中获取周围干扰信号的情况，是通过监听周围无线AP的信标帧的丢包情况来实现的。在户外远距离WiFi传输的环境下，周围一般都有大量无线AP存在。信标帧是802.11协议中的管理帧，由AP周期性地广播，可以被任意节点接收到。当周围干扰信号较为强烈时，节点接收到的AP信标帧也会被干扰导致丢包。因此当发现信标帧的丢包情况突然发生剧烈变化时，就可以认为周围干扰信号发生了变化。

下面结合附图和实施例，进一步详细说明本发明。

本发明提供一种基于TDMA分时隙MAC协议的发送速率、功率联合调整算法，其工作原理流程如附图说明中的图1所示，具体实施主要包括以下几个方面：

1、探测RSSI与投递率之间的关系。正确投递率(FDR)是指一个帧能够被正确接收的概率，它直接影响着无线链路的网络性能，算法可以以FDR达到某一个阈值作为调整的目标。因此只要获得不同情况下RSSI和FDR之间的对应关系，就能以其为基础选择合适的发送速率。在没有干扰的情况下，RSSI与FDR的关系可以近似看作线性函数，而在存在干扰时则不一定为线性。在实际实现中，取多个<RSSI，FDR>组合的点来近似描绘两者之间的函数曲线，而相邻两点之间的曲线则以线性函数代替。即

(RSSI_i-1≤rssi＜RSSI_i)为了得到这些点，将每个可能的发送速率和发送功率作为一个组合<bit-rate，tx power>，然后对于每个组合发送一组探测帧。接收端收到后记录其RSSI值并通过下一时隙的ACK反馈给发送方。发送方取其RSSI的平均值作为RSSI_i，即

${\mathrm{RSSI}}_i=\underset{k\&Element;C}{\mathrm{\&Sigma;}}{p}_k\&times;{\mathrm{RSSI}}^k$

其中RSSI^k表示接收到一个帧的RSSI为k，其范围C表示RSSI可能的取值范围，一般为0dB～127dB，p_k表示接收方正确接收到此帧的概率。这样一组探测帧发送完毕后，根据其中正确接收的比例以及计算出的RSSI_i，就可以得到一个<bit-rate，tx power>组合下的RSSI和对应的FDR。

算法实现中，为了尽可能地缩短探测时间，还可以对此过程进行优化。令

ET_tr(rssi)＝FDR_tr(rssi)×tr

为发送速率为tr、信号强度为rssi时的有效吞吐率，假设当发送速率和功率组合为<tr1，p1>时的信号强度为rssil，且对于另一发送速率tr2，有

ET_tr1(rssi1)＞tr2

那么显然组合<tr2，p1>就不需要探测了。根据此原则，优化后的算法伪代码如下面RSSI-FDR函数关系探测过程伪代码。其中A为所有发送速率的集合，B为所有发送功率的集合，C代表已探测过的发送功率的集合，H代表所有已探测过的组合的FDR数据集合，n代表每个组合需要发送的探测帧的个数，th代表探测结束的阈值，txrate(a)和txpwr(a)分别代表组合a的发送速率和发送功率。

2、预测下一时隙中接收方收到的RSSI。为了进行预测，发送方首先需要得到下一时隙之前，接收方收到的RSSI的一系列历史值。得到历史值的方式有两种，一是发送时隙结束后，接收方反馈回来的RSSI信息；二是接收时隙中，收到对方的帧的RSSI值。因为根据信道互惠理论，在短时间内信道两个方向的衰减是相同的。

有了一系列历史值之后，对其进行滑动平均，即

其中RSSI_cur为每一个孤立的历史值点，RSSI_avg为逐渐求得的滑动平均值，这样最终得到的RSSI_avg就是预测的下一个发送时隙中接收方收到的RSSI值。然后通过前面得出的RSSI与FDR的函数关系，判断是否需要调整发送速率及功率。

3、探测周围信号干扰情况的变化。在户外远距离WiFi传输的环境下，周围一般都有大量无线AP存在。信标帧是802.11协议中的管理帧，由AP周期性地广播，可以被任意节点接收到，以便无线基站发现AP后进行认证连接等过程。当周围干扰信号较为强烈时，节点接收到的AP信标帧也会被干扰导致丢包。因此可以令远距离传输WiFi设备始终监听周围的信标帧，根据丢包情况判断干扰信号的情况。当信标帧的丢包情况突然发生剧烈变化时，就认为周围干扰信号发生了变化。

CUSUM算法是一种基于似然比的算法，它可以在持续进行的观察统计过程中迅速地检测出分布发生变化的时刻。因此，CUSUM算法可以用于此处检测信标帧丢包情况突然变化的过程。令{X_i}为信标帧的丢包率随时间变化的一个系列值，设当前平均的丢包率为取常数a使得取常数b使得令

$Z_i=\left\{\begin{array}{cc}\max (0,Z_{i-1}+X_i-a)& i>0\\ 0& i=0\end{array}\right.,$ $D_i=\left\{\begin{array}{cc}\min (0,D_{i-1}+X_i-b)& i>0\\ 0& i=0\end{array}\right.$

那么Z_i和D_i也是随时间变化的值。显然，当丢包率变化不大时，Z_i保持为0；当丢包率突然变大时，Z_i就成为一个不断增大的累积值。因此，可以用Z_i来作为监测丢包率是否突然变大的警报值。同理，D_i可以用来作为监测丢包率是否突然变小的警报值。当发现丢包率发生剧烈变化时，就重新执行第一步的探测过程，然后重新选择合适的a和b。

4、发送速率和功率的选择。此为算法的核心部分，即根据已得到的RSSI-FDR函数关系，在发送正常数据时，选择最优的发送速率和发送功率。由于前面已经预测了在当前功率下，下一发送时隙中，对方接收到的RSSI值，因此也就可以得出在其他各个功率下，对方将会接收到的RSSI值。这样，就得到了各个<bit-rate，tx power>组合对应的RSSI值，然后再通过RSSI-FDR函数关系曲线，就可以得到各个发送速率和功率下的FDR值。接下来，就是根据一定的策略选择一个组合。

显然，令FDR最大化的发送功率和速率是不可取的。因为FDR虽然随着RSSI的递增而递增，但是在一定的阈值之后，FDR每增加一点，都需要RSSI很大幅度的提高，也就需要很大程度地提高发送功率，造成严重的能源浪费。为了达到节能的目的，本发明采用每比特平均能耗ERB来作为评估的标准：

$\mathrm{ERB}=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{tr}}\left(\mathrm{tp}\right)\&times;\mathrm{tr}}{{\mathrm{FDR}}_{\mathrm{tr}}\left(\mathrm{rssi}\right)\&times;\mathrm{tr}}$

其中η_tr(tp)是指在发送速率为tr，发送功率为tp时，网卡发送1比特所需的能量。这个值由实际使用的设备决定，可以通过事先测量得出。最终，选择ERB值最小的发送速率和发送功率，作为下一时隙发送数据时使用的值。这样就可以达到在最小的能耗下，获得较好的网络性能。

参考文献

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[3]Daji Qiao and Sunghyun Choi，Fast-Responsive Link Adaptation for IEEE 802.11 WLANs.In Proc.IEEEICC，Seoul，Korea，May 2005.

[4]Kim，S.Kim，S.Choi and D.Qiao.CARA：Collision-Aware Rate Adaptation for IEEE 802.11 WLANs.InIEEE INFOCOM，Barcelona，Spain，April 2006.

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[8]Mythili Vutukuru，Hari Balakrishnan and Kyle Jamieson.Cross-Layer Wireless Bit Rate Adaptation.In ACMSIGCOMM 2009，Barcelona，Spain.

[9]P.Acharya，A.Sharma，E.Belding，K.Almeroth and K.Papagiannak.Congestion-Aware Rate Adaptation inWireless Networks：A Measurement-Driven Approach.In IEEE SECON，San Francisco，CA，June 2008.

[10]雷绪恳，张军.无线宽带接入网中网络速率自适应调整方法.中国专利：CN101150501A，2008-03-26.

Claims (3)

1.一种远距离WiFi链路的自适应速率和功率联合调整方法，其特征是，包括以下步骤：先探测出接收到信号的物理层信息与无线网络性能、设备能耗之间的函数关系，然后通过上一时隙接收到帧的物理层信息来选择下一时隙适当的发送速率及功率。

2.根据权利要求1所述的一种远距离WiFi链路的自适应速率和功率联合调整方法，其特征是，所述方法进一步细化为：选择接收信号强度RSSI作为参考的物理层信息量，RSSI是Received Signal Strength Indicator的缩写，是一个表征信号强度的量，表示接收到一个帧时天线接收的信号强度，RSSI由网卡驱动中直接获得；

第一步，通过发送多组探测包来探测RSSI与网络性能之间的关系，各组探测包使用不同的物理层发送速率及发送功率，接收方收到后，在下一时隙的累积ACK中，一方面将接收到的RSSI反馈回来，另一方面将接收到包的个数反馈回来，以计算投递率等网络性能数据，综合二者，即可得到RSSI和网络性能之间的函数关系；

第二步，在正常通信过程中，双方分别在各自的时隙内交替进行发送和接收，一方的发送时隙结束后，进入接收时隙，此时首先会收到另一方发来的ACK，其中包含上一时隙中对方收到的RSSI，据此可以推断下一个发送时隙中对方收到的RSSI；

第三步，根据RSSI与网络性能之间的关系，以及预测的下一个时隙中对方收到的RSSI，来选择下一时隙中应该使用的发送速率和发送功率，以成功发送1比特数据所需的平均能耗作为选择发送速率、功率的标准；

当周围干扰信号强度发生严重改变时，应重新进行第一步的探测过程，以得到准确的函数关系，其中获取周围干扰信号的情况，是通过监听周围无线AP的信标帧的丢包情况来实现即发现信标帧的丢包情况突然发生剧烈变化时，就认为周围干扰信号发生了变化。

3.根据权利要求1所述的一种远距离WiFi链路的自适应速率和功率联合调整方法，其特征是，所述综合二者，即可得到RSSI和网络性能之间的函数关系是指：取多个<RSSI，FDR>组合的点来近似描绘两者之间的函数曲线，而相邻两点之间的曲线则以线性函数代替。即：

(RSSI_i-1≤rssi＜RSSI_i)为了得到这些点，将每个可能的发送速率和发送功率作为一个组合<bit-rate，tx power>，然后对于每个组合发送一组探测帧，接收端收到后记录其RSSI值并通过下一时隙的ACK反馈给发送方，发送方取其RSSI的平均值作为RSSI_i，即：

${\mathrm{RSSI}}_i=\underset{k\&Element;C}{\mathrm{\&Sigma;}}{p}_k\&times;{\mathrm{RSSI}}^k$

其中RSSI^k表示接收到一个帧的RSSI为k，其范围C表示RSSI可能的取值范围，一般为0dB～127dB，p_k表示接收方正确接收到此帧的概率，一组探测帧发送完毕后，根据其中正确接收的比例以及计算出的RSSI_i，就可以得到一个<bit-rate，tx power>组合下的RSSI和对应的FDR；

对此过程进行优化：令ET_tr(rssi)＝FDR_tr(rssi)×tr

为发送速率为tr、信号强度为rssi时的有效吞吐率，假设当发送速率和功率组合为<tr1，p1>时的信号强度为rssil，且对于另一发送速率tr2，有ET_tr1(rssi1)＞tr2。

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