CN1845486B - 一种无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，包括：预设封包错误率；在符合封包错误率下，针对传送端的实体层建立简化实体层模式表，简化实体层模式表包含实体层的传输速率及相对应的信杂比值；传送端的媒体存取控制层首先以初始传输速率，传送封包至接收端；通过传送端的媒体存取控制层判断接收来自接收端的回传封包的成功与否；当成功时，传送端的媒体存取控制层根据回传封包计算出信杂比值，及利用磁滞效应的方式设置门槛值，并依据该门槛值及信杂比值相对应的调整传输速率传送其它封包；及当不成功时，在下一次的传送会以较低的传输速率来传。本发明可快速调整传输速率以符合信道的变化，同时也解决了传输失败时所发生的问题。

Description

一种无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法

技术领域

本发明涉及一种无线局域网络的速率调整方法，特别是涉及一种拥有多组传输速率的通信系统，通过媒体存取控制层从实体层的多种传输速率中，选择一种传输速率的无线局域网络跨层速率调整方法。

背景技术

无线通信是利用无线电波的传递，以达到信息传送的通信方法。其起源相当久远，也广泛地应用在许多方面，例如军事、航海、航空、科学研究等。至于用以提供公众通信的服务，则是近数十年的事。自从蜂窝式移动动通信技术开发出来后，更是大大地促进了无线通信技术在民生用上的使用。

过去数年无线通信的发展相当迅速，短短几年中使用普及率的增加，远超过以往数十年所累积的成果，并且已深深融入每个人的日常生活中。究其原因，除了技术发展之外全球电信自由化的潮流与趋势也造就了自由竞争市场，以及物美价廉的产品。

而随着无线通信技术的发展，而将无线的技术结合网络也是现今科技发展的一大主流，目前的无线网络依照传输涵盖的范围大小主要可区分成四种，如无线广域网(Wireless Wide Area Network，WWAN)、无线城域网(WirelessMetropolitan Area Network，WMAN)、无线局域网(Wireless Local AreaNetwork，WLAN)、以及无线个人网络(Wireless Personal Area Network，WPAN)。

近年来无线通信为生活所带的便利，也使得无线局域网络的普及程度逐渐与传统的有线网络Ethernet并驾齐驱，也因此有很多的国内外学者投入这研究领域中。而无线局域网络的功能主要是能提供非常高速的数据传输，其传输速度已经可以达到54M bps。利用无线网络使用网际网络，同时享有移动性与便利性，故非常适合在家中、会议厅、办公室、机场、以及餐厅等人口聚集场所使用。

无线局域网络规格的制定也由早期的IEEE802.11b一直成长到目前的IEEE802.11a/g，在无线的环境下，如何根据信道的状态变化而采用最合适的解调技术去当作数据传输速率一直是很重要的课题。过去在无线局域网络关于如何作数据传输速率调整的相关技术有很多，根据它们的特性去分类，大略的可以分为三类。第一类是没有考虑到信道链路状况而以传送成功与否去设计，像是Lucent和AMD所提出的方法。其中，最著名的技术是1997年由贝尔实验室提出并应用于Lucent公司所生产的WaveLAN-II网络卡的AutoRateFallback(ARF)机制。WaveLAN-II是采用IEEE 802.11的规格，支持1Mbps和2Mbps的传输速率.ARF机制会根据计数器的计数和回传封包失败的次数，在传输速率为1Mbps和2Mbps之间去做交替.如果传送端连续两次没收到正确的回传封包，系统将会重新启动计数器以及调降下一次的传输速率.当传送端成功接收回传封包达到十次后，系统将调升传输速率以及重新启动计数器.明显地，这ARF机制对于无线信道的变化并没有够快的反应时间去做传输速率的调整.另外，由AMD公司所提出的调整传输速率方法，“0TransmissionStatistics”，也是根据传送成功与否当作判断的准则.第二类是AT&T公司所提出的“Packet Shaping”方法，其传输速率会随着其传送数据的长度作改变，旨在要求每次的传输时间长度都相等，达到公平使用无线信道的原则。而第三类方法是依据信道的链路状况去作设计，利用无线信道的状态建立不同传输速率的门槛值。这方面的技术大多由Philips公司提出，例如信道的链路状况可以根据接收信号的信号强度(Received Signal Strength，RSS)，噪声容限(Noise Margin)或信道路径损失(Path Loss)等因素而得知，系统将会评估之前信道链路状况的好坏，然后再根据不同传输速率的门槛值去调整传输速率。而以上这些机制的运作与否是根据信号传输是否成功。如果传送失败，系统将会失去信道链路状况的信息而无法做速率的调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种跨层速率调整方法，用来快速调整传输速率以符合信道的变化，同时也提出补偿机制，以解决传输失败时所发生的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，其特点在于，包括如下步骤：预设一封包错误率；在符合该封包错误率下，针对一传送端的实体层，建立一简化实体层模式表，该简化实体层模式表包含实体层的传输速率及相对应的信杂比值；使用一无线传输系统的一规格，其包含多个传输速率；求出在满足该封包错误率下的该规格中的该多个传输速率的相应多个信杂比值；及以该多个信杂比值作为判断依据，比较该多个信杂比值的传输效率，传输效率较佳地至少一个信杂比值，结合相对应的传输速率建立该简化实体层模式表该传送端的媒体存取控制层首先以一初始传输速率，传送封包至一接收端；通过该传送端的媒体存取控制层判断接收来自该接收端的一回传封包的成功与否；当接收该回传封包成功时，该传送端的媒体存取控制层根据该回传封包计算出一信杂比值，及利用磁滞效应的方式设置一门槛值，并依据该门槛值及该信杂比值相对应的一调整传输速率，传送其它封包；及当接收该回传封包不成功时，选择采用补偿机制决定下一次传送的传输速率，该传送端在下一次的传送会以较低的传输速率当作补偿传输速率来传。

上述无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，其特点在于，当接收该回传封包成功时，而以该调整传输速率传送下一个封包所需的总时间包含：

其中L1为第一信框封包的数据长度、SIFS为接收端回传ACK前等待的时间、DIFS为传送端下次传送前等待的时间、T_backoff为该传送端等待延后存取的时间、L2为第二信框封包的数据长度、R1为该初始传输速率、R2为该调整的传输速率、以及T_ACK为传送该回传封包长度所需时间。

上述无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，其特点在于，该初始传输速率选自简化实体层模式表中最低的传输速率。

上述无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，其特点在于，当接收该回传封包不成功时，依据该简化实体层模式表中的最低传输速率当作该补偿传输速率，重传该封包。

上述无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，其特点在于，当接收该回传封包不成功时，依据该简化实体层模式表中的低于上次传输速率一级的传输速率当作该补偿传输速率，重传该封包.

上述无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，其特点在于，该方法的适用信道包含瑞莱(Rayleigh)、雷斯(Rician)、纳卡嘎米(Nakagami-m)信道模型。

本发明的功效，在于可快速调整传输速率以符合信道的变化，同时也提出补偿机制，以解决传输失败时所发生的问题。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法的流程图；

图2为本发明的第一实施例的IEEE802.11a的传输速率、解调技术与编码率表；

图3为本发明的第一实施例的IEEE802.11a的传输速率在封包错误率10％下的所需信杂比值表；

图4为本发明的第一实施例的IEEE802.11a的简化实体层模式表；

图5为本发明的第一实施例的IEEE802.11a在不同均方根延迟扩展之下封包错误率与相对应信杂比的仿真曲线图；

图6为本发明的第一实施例的IEEE802.11a的利用磁滞方式的门槛值示意图；及

图7为本发明的第一实施例的IEEE802.11a的简化模式的直接速率调整机制调整传输速率的所需要时间示意图。

其中，附图标记：

ACK       回传封包的数据长度

DIFS      传送端等待时间

L1        第一个封包的数据长度

L2        第二信框封包的数据长度

SIFS      接收端等待时间

T_backoff  延后存取时间

步骤200   判断接收回传封包是否成功

步骤300  简化模式直接速率调整机制

步骤400  补偿机制

具体实施方式

图1为本发明的无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法的流程图。其中本发明特别针对传送端有无成功接收回传封包，而分别采用不同机制来决定下一次传送的传输速率。

本发明的无线局域网络跨层速率调整方法，如图1所示，步骤200，传送端中的媒体存取控制层(MAC)先判断接收回传封包是否成功，当接收回传封包成功时，步骤300，媒体存取控制层(MAC)则选择采用简化模式的直接速率调整机制，决定下一个传送封包的传输速率；而当接收回传封包不成功时，步骤400，媒体存取控制层(MAC)则选择采用补偿机制，决定下一次传送的传输速率.以下将逐步讨论图1的左半边的简化模式的直接速率调整机制以及右半边的补偿机制.

对于包含多个传输速率的无线传输系统，以IEEE802.11a为例，由于IEEE802.11a为一个拥有多组传输速率的通信系统，如图2所示，其实体层定义了八种数据率(如6Mbps、9Mbps、12Mbps、18Mbps、24Mbps、36Mbps、48Mbps、以及54Mbps)的解调技术与编码率。而依照IEEE802.11a的标准，其可容忍的封包错误率(PER)为10％。此外，考虑多重路径的信道模型，如下：

$h_k=N(0,\frac{1}{2}{\mathrm{\σ}}_k^2)+\mathrm{jN}(0,\frac{1}{2}{\mathrm{\σ}}_k^2)),$

${\mathrm{\σ}}_k^2={\mathrm{\σ}}_0^2{e}^{-k{T}_s/T_{\mathrm{RMS}}};$ ${\mathrm{\σ}}_0^2=1-e^{-T_2/T_{\mathrm{RMS}}},$

其中是代表平均值为零，变异数为

的高斯随机变量，且

其中，T_s是取样周期，T_RMS是信道延迟扩展的均方根值。以此多重路径信道加上直视信号(Line-of-Sight)的信号成分去架构成纳卡嘎米(Nakagami-m)信道模型。而在瑞莱(Rayleigh)(Nakagami-m信道，m＝1)信道满足封包错误率要求之下，可得到八种实体层(PHY)模式所对应的信杂比值(E_b/N₀)，如图3所示。观察图3内容，当数据速率为24Mbps时，所需要的信杂比值(E_b/N₀)比9Mbps与18Mbps数据速率所要求的信杂比值(E_b/N₀)小，由此可知9Mbps与18Mbps数据速率对IEEE802.11a而言是没有效率的。同理，可观察到6Mbps和12Mbps数据速率有相近的信杂比值(E_b/N₀)，因此6Mbps实体层(PHY)模式的传输方式是不需要的，可以用12Mbps的数据传输速率取而代之。由以上的观察结果，我们使用12Mbps、24Mbps、36Mbps、48Mbps和54Mbps实体层(PHY)模式当作IEEE 802.11a的数据传输速率。由于删除一些较没效率的实体层(PHY)模式传输速率，故称此机制为简化模式直接速率调整机制，此外可得到简化模式直接速率调整机制的简化模式表，如图4所示，其中包含5个等级的实体层模式(PHY＝1、2、3、4、以及5)分别代表传输速率为12Mbps、24Mbps、36Mbps、48Mbps、以及54Mbps，以及在这5种传输速率之下所要求的信杂比值(E_b/N₀)，另外还列出各别传输速率下的相关信杂比值(E_b/N₀)的操作范围。

在无线的环境下，信道是时变且具有多重路径的现象，而以下将探讨均方根延迟扩展T_RMS参数对于无线信道的影响程度，考虑固定的封包错误率，在不同的均方根延迟扩展下的比较，其仿真结果如图5所示，可发现在不同的均方根延迟扩展下并满足封包错误率为10％所要求的信杂比值(E_b/N₀)是很相近的，而且其差异只在1到2dB内。因此，可采用100nsec延迟扩展的结果来当作通用的简化模式表。

此外，针对在不同延迟传播的环境之下简化模式表的小差异，提出利用磁滞效应的方式，可对简化模式表达到微调改善的效果，也可避免发生在边界值区域的乒乓(ping-pong)效应。所谓的磁滞效应，如图6所示，假设数据传输速率12Mbps和24Mbps切换的信杂比值(E_b/N₀)门槛值为15dB，一旦当接收回传封包的信杂比值(E_b/N₀)大于15dB时会由12Mbps切换至24Mbps，但是如果当信杂比值(E_b/N₀)的值是落于15dB附近，会造成12Mbps和24Mbps来回切换的乒乓(ping-pong)效应，所以加上0.5dB磁滞方式的门槛值，当接收回传封包的信杂比值(E_b/N₀)大于15dB时并不马上切换，而是大于15.25dB时才做切换。

接下来分析简化模式的直接速率调整机制所需要花费的时间，如图7所示，包含传送端传送数据长度为L1的封包、回传封包长度ACK、接收端回传ACK前等待的时间SIFS、传送端下次传送前等待的时间DIFS、传送端等待的延后存取时间T_backoff、传送端传送数据长度为L2的封包、R1为初始传输速率、R2为调整的传输速率、以及传送回传封包所需时间T_ACK。可以下列式子表示：

另一方面，图1的右半边的补偿机制，当接收回传封包不成功时，即失去了信道信息(回传封包的信杂比值)，补偿机制为一种降低传输速率以换取下一次传输成功的方法。以下提出两种减少传输速率的机制。

第一种补偿机制为自下而上的速率调整(Bottom-Up Rate Adaptation)的机制，是当接收回传封包失败后，在下次传输的速率将回归到最低值(初始值)开始传输。例如，当传送端使用54Mbps(PHY＝5)传输且接收端无响应(或接收回传封包失败)，下次传送端的数据速率将由12Mbps(PHY＝1)开始传送。

第二种补偿机制，是当接收回传封包失败后，传送端在下次传输的速率将逐步减少降低。例如，当传送端使用54Mbps(PHY＝5)传输且接收回传封包失败后，下次传送端的传输速率将采取48Mbps(PHY＝4)来传送。

由上所讨论有关本发明的无线局域网络跨层速率调整方法，由于其中的简化模式的直接速率调整机制比起其它传统的机制如WaveLAN-II的ARF机制，能更快速地做传输速率的调整。当在信道传输品质较佳的时候，简化模式的直接速率调整机制的传输速率欲从最小的初始值增加到最大值只需花费一次通信传输的时间，而WaveLAN-II的ARF机制须花费比简化模式的直接速率调整机制多达19倍的时间。因为ARF须接收到10次成功的回传封包，其传输速率才会增加一个等级，且传输速率在最小到最大之间有四个等级，因此本发明的简化模式的直接速率调整机制在根据信道状态的变化比传统的方法更有效率。

本发明的无线局域网络跨层速率调整方法，主要是根据信道的传输连结品质去调整传输速率，提供一个可以快速做传输速率调整的方法。传输连结的品质是依测量接收到回传封包的信杂比值(E_b/N₀)而获得。本发明提供的简化模式，其精神是通过挑选比较有效率的传输速率来传送。此外在不同延迟传播信道下，可容忍的信杂比值(E_b/N₀)的差异非常小，所以我们只需采用在Rayleigh衰变通道下的简化模式表，即可应用于任意的延迟传播环境。如果当传输失败时，也有因应的补救方法，此补偿机制的目标在于去减少因传送失败所造成的损失。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

预设一封包错误率；

在符合该封包错误率下，针对一传送端的实体层，建立一简化实体层模式表，该简化实体层模式表包含实体层的传输速率及相对应的信杂比值；使用一无线传输系统的一规格，其包含多个传输速率；求出在满足该封包错误率下的该规格中的该多个传输速率的相应多个信杂比值；及以该多个信杂比值作为判断依据，比较该多个信杂比值的传输效率，传输效率较佳地至少一个信杂比值，结合相对应的传输速率建立该简化实体层模式表；

该传送端的媒体存取控制层首先以一初始传输速率，传送封包至一接收端；

通过该传送端的媒体存取控制层判断接收来自该接收端的一回传封包的成功与否；

当接收该回传封包成功时，该传送端的媒体存取控制层根据该回传封包计算出一信杂比值，及利用磁滞效应的方式设置一门槛值，并依据该门槛值及该信杂比值相对应的一调整传输速率，传送其它封包；及

当接收该回传封包不成功时，选择采用补偿机制决定下一次传送的传输速率，该传送端在下一次的传送会以较低的传输速率当作补偿传输速率来传。

2.根据权利要求1所述的无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，其特征在于，当接收该回传封包成功时，而以该调整传输速率传送下一个封包所需的总时间包含：

其中L1为第一信框封包的数据长度、SIFS为接收端回传ACK前等待的时间、DIFS为传送端下次传送前等待的时间、Tbackoff为该传送端等待延后存取的时间、L2为第二信框封包的数据长度、R1为该初始传输速率、R2为该调整的传输速率、以及T_ACK为传送该回传封包长度所需时间。

3.根据权利要求1所述的无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，其特征在于，该初始传输速率选自简化实体层模式表中最低的传输速率。

4.根据权利要求1所述的无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，其特征在于，当接收该回传封包不成功时，依据该简化实体层模式表中的最低传输速率当作该补偿传输速率，重传该封包。

5.根据权利要求1所述的无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，其特征在于，当接收该回传封包不成功时，依据该简化实体层模式表中的低于上次传输速率一级的传输速率当作该补偿传输速率，重传该封包。

6.根据权利要求1所述的无线局域网络通过跨层分析的速率调整方法，其特征在于，该方法的适用信道包含瑞莱、雷斯、纳卡嘎米-m信道模型。

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