CN107070599A - 一种长距离链路变速率选择重传方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种长距离链路变速率选择重传方法，包括：(10)调整帧结构；(20)发送端以固定发送功率，采用不同MCS唯一对应的发送速率发送数据，在接收端统计接收信号强度和帧投递率，得到不同MCS下MAC层帧投递率与接收信号强度的关系；(30)首次发送数据时，发送端随机选择一个速率，发送数据帧；(40)接收端根据接收到的数据帧，向发送端反馈BA帧；(50)判断是否需要发送下一帧，是则转至(60)发送端以指定速率发送数据帧步骤，否则结束；(60)发送端采用BA帧中MCS指示区编号对应的速率发送数据帧，转至(40)步骤。本发明的重传方法，能有效提高信道质量变差时的传输效率。

Description

一种长距离链路变速率选择重传方法
技术领域
本发明属于长距离无线通信技术，特别是一种长距离无线链路变速率选择重传方法。
背景技术
当代科技发展日新月异，网络已经成为城市生活中必不可少的一部分。但在偏远的乡村地区，卫星通信成本高，移动蜂窝网络(3G/4G)和WiMAX由于人口密度低需要部署大量基站，开销大，网络接入难题严重制约着教育、医疗和各种生活服务业的发展。目前，网络接入方式主要有卫星通信、移动蜂窝网络(3G/4G)和光纤接入等方式，但是卫星接入方式成本高且带宽有限，在地广人稀的乡村地区或大区域野外，铺设光纤困难且昂贵，采用移动蜂窝网络需要大量的基站，成本高且利用率低。长距离无线网络(WiFi based LongDistance，WiLD)提供了一种基于IEEE802.11协议的长距离无线通信方式，其采用公开的ISM(Industrial Scientific Medical)频段，无需缴纳频段使用费，节点配备大功率无线网卡和高增益定向天线，点与点之间的通信距离可达几十到上百公里。WiLD的主要特点有：(1)传输距离远，覆盖范围广；(2)带宽高；(3)结构灵活，健壮性强；(4)成本低；(5)易于安装和部署。
传统802.11a/b/g协议MAC层的CSMA/CA在长距离传输时会遇到侦听失效、ACK超时、效率低等问题，并不适合直接用于WiLD。近十多年来，大量研究采用TDMA代替CSMA/CA，但TDMA较低的资源利用率及时间同步问题制约着其研究与发展。
IEEE802.11n协议对传统802.11协议进行了物理层和MAC层增强，提高了物理层数据速率，在MAC层增加了帧聚合(FA)和块确认(BA)功能，提供了高吞吐量使得长距离链路性能获得了很大的提升。但在信道条件不理想，部分数据出错的情况下，重传整个聚合帧的代价很大，会对业务性能产生很大影响。因此，在帧聚合策略下设计一种灵活有效的重传机制具有重要意义。
长距离信道的衰落模型和干扰模型与短距离信道的差别较大，影响其性能的因素也不尽相同，普通802.11无线局域网的速率自适应算法并不适用于长距离链路。在长距离无线网络中由于节点间距离远，传播时延大，重传会造成信道利用率的急剧下降，在链路状态变化时，保证数据的可靠传输具有重要意义。
目前基于聚合帧的选择重传策略并没有考虑到长距离重传的巨大代价，长距离无线链路自适应算法，也未结合802.11n协议的帧聚合和块确认特点，均不能保证重传可靠性从而确保链路的整体性能，避免信道利用率因聚合帧反复重传导致的急剧下降。
因此，现有技术存在的问题是：在信道衰落随机变化的链路中，数据帧重传效率较低、可靠性差，重传代价很大，会造成性能的急剧下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长距离无线链路变速率选择重传方法，信道利用率高、可靠性好。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种长距离链路变速率选择重传方法，其特征在于，包括如下步骤：
(10)调整帧结构：数据帧不进行MPDU分片，块确认帧采用压缩块确认形式，并在记分板后增加1Byte MCS指示区；
(20)探测信道收发关系：发送端以固定发送功率，采用不同MCS唯一对应的发送速率发送数据，在接收端统计接收信号强度和帧投递率，得到不同MCS下MAC层帧投递率与接收信号强度的关系，所述MCS指调制编码策略，MAC层指媒体接入控制层；
(30)发送端随机速率发送数据帧：首次发送数据时，发送端随机选择一个速率，发送数据帧；
(40)接收端反馈块确认帧：接收端根据接收到的数据帧，向发送端反馈BA帧，所述BA帧指块确认帧；
(50)判断是否需要发送下一帧：发送端接收到BA帧后，判断上一帧是否成功接收及上层有无新的业务需要传输，若上一帧尚未成功接收或者上层有新的业务，则转至(60)发送端以指定速率发送数据帧步骤，否则，不需要发送下一帧，传送结束；
(60)发送端以指定速率发送数据帧：发送端采用BA帧中MCS指示区编号对应的速率发送数据帧，转至(40)接收端反馈块确认帧步骤。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)重传效率高：该策略采用基于聚合帧的选择重传策略，传输出错时仅重传出错子帧(MPDUs)而不是重传整个A-MPDU，大大降低了重传的开销，提高了传输效率。
(2)反应速度快：普通速率自适应算法一般采用周期性信道探测调整速率，由于长距离下传播时延很大，信道探测代价高、效率低且反应速度慢。本发明采用接收端根据RSSI决定发送速率的方法，一旦开始传输数据就不需要信道探测，能够根据信道质量变化，更快更准确的调整速率。
(3)重传可靠性高：当数据传输过程中信道质量变差时，会出现数据帧丢失的现象，若采用原速率重传出错的子帧，则可能由于链路的变化导致连续的失败，从而引起反复重传，传输效率大大降低。本发明能够灵活调整数据重传时的速率，从而保证重传可靠性，避免反复重传，提高有损链路的整体性能。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明长距离无线链路变速率选择重传方法的主流程图。
图2是图1中调整帧结构步骤中调整后的帧结构示意图。
图3是信道探测得到的FDR-RSSI关系曲线。
图4是图1中接收端反馈块确认帧步骤的流程图。
图5是接收端在立即块确认实现的典型功能划分。
图6是图1中判断是否需要发送下一帧步骤的流程图。
图7是图1中发送端指定速率发送数据步骤的流程图。
图8是采用本发明方法的重传策略性能仿真图。
具体实施方式
如图1所示，本发明长距离链路变速率选择重传方法，其特征在于，包括如下步骤：
(10)调整帧结构：数据帧不进行MPDU分片，块确认帧采用压缩块确认形式，并在记分板后增加1Byte MCS指示区，调整后的数据帧和块确认帧结构如图2所示；
所述(10)调整帧结构步骤包括：
(11)调整数据帧结构：不采用MPDU分片，每个A-MPDU由多个MPDU聚合而成，每个MPDU前有一个4Bytes的分隔符。每个MPDU由MPDU头、MSDUs和FCS构成。所述MPDU为MAC协议数据单元，A-MPDU指聚合MAC协议单元，FCS指帧校验序列；
选择重传策略依据调整后的数据帧结构设计，每个聚合帧包括前导码和PSDU，PSDU即由MAC层底部送来的A-MPDU构成，A-MPDU由多个MPDU聚合而成；每个MPDU之前有一个分隔符，用于区分不同的MPDU，末尾有0-4Bytes的填充，使得整个子帧在4Bytes位置上对齐；每个MPDU由MPDU头、一个或多个MSDUs和FCS构成。(12)调整块确认帧结构：采用压缩块确认，BA帧的记分板区域由64*1bits构成，每个比特位的值代表对应MPDU的接收状态。在记分板后加入1字节MCS指示区。计入帧头、控制字段及帧校验序列，BA帧的总长度为31字节。
(20)探测信道收发关系：发送端以固定发送功率，采用不同MCS唯一对应的发送速率发送数据，在接收端统计接收信号强度和帧投递率，得到不同MCS下MAC层帧投递率与接收信号强度的关系，所述MCS指调制编码策略，MAC层指媒体接入控制层；
所述(20)探测信道收发关系步骤中：
将最小竞争窗口设为3，聚合帧长度设为最大值65535Bytes，关闭MAC层ACK，并将最大重传次数设置为0，发送端有饱和业务待发送，依次从0-15改变MCS，每次以固定的发送功率和MCS发送数据，持续120s，接收端统计接收信号强度及对应的帧投递率，从而得到MAC层帧投递率与接收信号强度的关系，所述ACK指确认。
探测信道收发关系结果示例如图3所示。
横轴为RSSI-接收信号强度，纵轴为FDR-MAC层帧投递率，不同的曲线代表不同的MCS。可以看出，每种MCS在一定RSSI范围内，帧投递率从0上升到100％，每种MCS的一个FDR值(百分比)对应一个RSSI值。
(30)发送端随机速率发送数据帧：首次发送数据时，发送端随机选择一个速率，发送数据帧；
所述(30)发送端随机速率发送数据帧步骤具体为：
打开MAC层ACK，并将最大重传次数设置为4，其余设置保持不变，随机选择一个速率发送数据帧。
(40)接收端反馈块确认帧：接收端根据接收到的数据帧，向发送端反馈BA帧，所述BA帧指块确认帧；
如图4所示，所述(40)接收端反馈块确认帧步骤包括：
(41)设置BA记分板：利用分隔符对接收到的A-MPDU进行定界，依次判断各MPDU的接收情况，若当前MPDU接收成功，将BA记分板对应位置0，否则，置1，直到整个聚合帧的末尾；
(42)选择速率：若(41)中记分板区域为全零，选择FDR>95％对应的MCS，否则，选择FDR>99％对应的MCS，并将其对应的编号写入BA帧的MCS指示区；
(43)发送BA帧：接收端将BA帧反馈给发送端。
接收端的主要功能划分如图5所示，由BA记分板和MCS字节组成BA帧的功能在网络接口中实现，而接收成功的MPDUs送入重排序缓冲区并进行重排序的功能是在主机系统中实现，这种实现结构能够提供较大的缓冲区用于重排序，尤其适用于聚合帧较大的网络。
(50)判断是否需要发送下一帧：发送端接收到BA帧后，判断上一帧是否成功接收及上层有无新的业务需要传输，若上一帧尚未成功接收或者上层有新的业务，则转至(60)发送端以指定速率发送数据帧步骤，否则，不需要发送下一帧，传送结束；
如图6所示，所述(50)判断是否需要发送下一帧步骤包括：
(51)提取BA记分板信息：发送端接收到接收端反馈的BA帧后，从中提取BA记分板信息；
(52)判断上一帧是否成功接收：若BA记分板区域为全零，则上一帧成功接收，否则，上一帧尚未成功接收，需要重传；
(53)判断是否需要发送下一帧：若(52)中判断得出上一帧尚未成功接收或者上层有新的业务传送，则需要发送下一帧，否则不需要发送。
(60)发送端以指定速率发送数据帧：发送端采用BA帧中MCS指示区编号对应的速率发送数据帧，转至(40)接收端反馈块确认帧步骤。
如图7所示，如图所述(60)发送端指定速率发送数据步骤包括：
(61)提取MCS信息：发送端从接收到的BA帧中MCS指示区提取MCS编号；
(62)组帧：依据(51)中提取的记分板信息判断各MPDU的接收状态，组装将要发送的帧。若BA记分板区域不为全零，将1比特位对应的MPDU组装成帧；否则，丢弃该帧，从上层缓冲区获取新的数据，组成数据帧；
(63)发送数据帧：采用(61)中提取的MCS编号对应的速率发送(62)中组装好的数据帧。
基于以上步骤，对本发明提出的变速率选择重传算法进行数学建模及仿真，设聚合帧长为30000Bytes，首次传输速率R＝130Mbps，误子帧率Pe＝0.1，重传时降一档速率Rs＝117，假设此时误子帧率降为0.01，平均服务时间随距离的变化趋势如图8所示，仿真结果表明：在该条件下，本发明提出的重传策略(RAASR-ARQ)的平均服务时间远远低于普通聚合帧的选择重传策略(ASR-ARQ)，传输效率得到了很大提升，且距离越远本发明的效果越显著。

Claims (7)

1.一种长距离链路变速率选择重传方法，其特征在于，包括如下步骤：
(10)调整帧结构：数据帧块不进行MPDU分片，确认帧采用压缩块确认形式，并在记分板后增加1Byte MCS指示区；
(20)探测信道收发关系：发送端以固定发送功率，采用不同MCS唯一对应的发送速率发送数据，在接收端统计接收信号强度和帧投递率；
得到不同MCS下MAC层帧投递率与接收信号强度的关系，所述MCS指调制编码策略，MAC层指媒体接入控制层；
(30)发送端随机速率发送数据帧：首次发送数据时，发送端随机选择一个速率，发送数据帧；
(40)接收端反馈块确认帧：接收端根据接收到的数据帧，向发送端反馈BA帧，所述BA帧指块确认帧；
(50)判断是否需要发送下一帧：发送端接收到BA帧后，判断上一帧是否成功接收及上层有无新的业务需要传输，若上一帧尚未成功接收或者上层有新的业务，则转至(60)发送端以指定速率发送数据帧步骤，否则，不需要发送下一帧，传送结束；
(60)发送端以指定速率发送数据帧：发送端采用BA帧中MCS指示区编号对应的速率发送数据帧，转至(40)接收端反馈块确认帧步骤。
2.根据权利要求1所述的重传方法，其特征在于，所述(10)调整帧结构步骤包括：
(11)调整数据帧结构：不采用MPDU分片，每个A-MPDU由多个MPDU聚合而成，每个MPDU前有一个4Bytes的分隔符。每个MPDU由MPDU头、MSDUs和FCS构成。所述MPDU为MAC协议数据单元，A-MPDU指聚合MAC协议单元，FCS指帧校验序列；
(12)调整块确认帧结构：采用压缩块确认，BA帧的记分板区域由64*1bits构成，每个比特位的值代表对应MPDU的接收状态。在记分板后加入1字节MCS指示区。计入帧头、控制字段及帧校验序列，BA帧的总长度为31字节。
3.根据权利要求1所述的重传方法，其特征在于，所述(20)探测信道收发关系步骤中：
将最小竞争窗口设为3，聚合帧长度设为最大值65535Bytes，关闭MAC层ACK，并将最大重传次数设置为0，发送端有饱和业务待发送，依次从0-15改变MCS，每次以固定的发送功率和MCS发送数据，持续120s，接收端统计接收信号强度及对应的帧投递率，从而得到MAC层帧投递率与接收信号强度的关系，所述ACK指确认。
4.根据权利要求1所述的重传方法，其特征在于，所述(30)发送端随机速率发送数据帧步骤具体为：
打开MAC层ACK，并将最大重传次数设置为4，其余设置保持不变，随机选择一个速率发送数据帧。
5.根据权利要求1所述的重传方法，其特征在于，所述(40)接收端反馈块确认帧步骤包括：
(41)设置BA记分板：利用分隔符对接收到的A-MPDU进行定界，依次判断各MPDU的接收情况，若当前MPDU接收成功，将BA记分板对应位置0，否则，置1，直到整个聚合帧的末尾；
(42)选择速率：若(41)中记分板区域为全零，选择FDR>95％对应的MCS，否则，选择FDR>99％对应的MCS，并将其对应的编号写入BA帧的MCS指示区；
(43)发送BA帧：接收端将BA帧反馈给发送端。
6.根据权利要求1所述的重传方法，其特征在于，所述(50)判断是否需要发送下一帧步骤包括：
(51)提取BA记分板信息：发送端接收到接收端反馈的BA帧后，从中提取BA记分板信息；
(52)判断上一帧是否成功接收：若BA记分板区域为全零，则上一帧成功接收，否则，上一帧尚未成功接收，需要重传；
(53)判断是否需要发送下一帧：若(52)中判断得出上一帧尚未成功接收或者上层有新的业务传送，则需要发送下一帧，否则不需要发送。
7.根据权利要求1所述的重传方法，其特征在于，所述(60)发送端以指定速率发送数据步骤包括：
(61)提取MCS信息：发送端从接收到的BA帧中MCS指示区提取MCS编号；
(62)组帧：依据(51)中提取的记分板信息判断各MPDU的接收状态，组装将要发送的帧。若BA记分板区域不为全零，将1比特位对应的MPDU组装成帧；否则，丢弃该帧，从上层缓冲区获取新的数据，组成数据帧；
(63)发送数据帧：采用(61)中提取的MCS编号对应的速率发送(62)中组装好的数据帧。
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