信道自适应的交叉层MAC协议设计研究

近年来，无线局域网以其廉价、方便、快捷的无线接入方式日益为越来越多的人所青睐，关于无线局域网的媒体访问控制(MAC)技术也引起了学术界和工业界的广泛关注和深入研究。由于无线信道的高误码率特性和时变特性，使得传统的分层协议效率较低，而交叉层的协议设计能够优化系统的整体性能，得到了学者广泛的认同和研究。本文使用交叉层的设计思想，以无线局域网为应用背景，对信道自适应的MAC协议进行了深入研究，主要的内容和创新性成果如下： 首先，提出了一种基于帧片段的网络仿真模型。目前网络仿真软件大都假设信道状态在一帧的发送期间内保持恒定，然而如果帧的发送时间较长，或者信道的变化较快，信道状态在一帧数据的发送期间将发生较大变化，仿真的结果不够精确。本文提出的基于帧片段的网络仿真模型，其基本思想是根据信道变化的快慢，将帧分为若干个片段，在每个片段之内，假设信道状态保持恒定。该模型在仅增加少量仿真时间的条件下能够有效地提高仿真精度，为本文信道自适应的MAC协议研究提供了仿真平台。 其次，提出了一种区分碰撞和传输错误的机制。IEEE 802．11协议不能区分帧的丢失是由碰撞还是传输错误引起，只要没有收到ACK信号，即假设发生了碰撞，并增大竞争窗口进行避退。通过对IEEE 802．11标准进行少量的改动，本文提出了一种在单跳的网络中能够区分碰撞和传输错误的机制——EACK (EnhancedACK)，该机制能够应用于各种结合信道的交叉层协议设计中。 第三，研究了有噪信道下的帧长自适应机制。通过分析有噪信道下帧长度、误码率(BER)以及发送节点数目对IEEE 802．11饱和吞吐量的影响，发现为了达到最大吞吐量，最优帧长的选择只与BER有关，而与发送节点的数目无关，并提出了一种简单有效的基于BER区间划分的帧长自适应发送策略。进一步，研究了IEEE 802．11分段机制在拥塞网络和有噪信道下的性能，提出了一种信道自适应的分段机制(ADF)，该机制能够减少网络碰撞的影响，并且能够根据信道的状况快速地调整段的大小，且无需预知信道信息。 第四，研究了信道自适应的多速率MAC协议。首先，提出了一种信道自适应的多速率ARF协议(AMARF)。与ARF协议类似，AMARF通过统计ACK帧的接收信息来判断信道状况并切换速率；然而，在AMARF协议中，每个速率被赋予一个单独的成功阈值，并且阈值大小能够根据运行状况(例如帧长度、信号的平均接收功率、信道的变化快慢等)自适应地调整。AMARF不需要修改现有的IEEE 802．11标准，其算法可以通过软件实现。大量的仿真表明，与ARF协议以及其他的改进协议相比较，AMARF协议能够显著地提高吞吐量。利用EACK机制，本文还提出了一种根据信噪比来选择速率的多速率MAC协议MEACK(MultirateEACK)。MEACK协议使用ACK帧反馈信道信息，协议的关键是使用可靠的方式对数据帧的MAC头进行调制与编码，使得接收方能够对MAC头进行解码。研究表明MEACK协议能够快速地响应信道变化，同时又具有很少的开销。 第五，研究了高速网络中的MAC协议。基于MEACK协议，提出了一种恒定发送时间方案(CDT)，能够解决IEEE 802．11协议在高速无线网络中所遇到的最大吞吐量限制和平均吞吐量限制的问题。CDT利用了时变信道的相关性，根据所使用的发送速率将多个MSDU (MAC Protocol Service Data Unit)汇聚到一个超帧中发送，超帧的发送时间保持大致恒定。超帧中的MSDU共用一个帧头，但是使用独立的校验和，因此接收方能够对每一个MSDU单独地进行解码。CDT方案的有效性通过理论分析与仿真得到了证实。为了进一步改善CDT方案在快速时变信道下的性能，本文尝试了使用AR (Autoregressive)模型对时变信道进行预测来减小对信道的估计误差，仿真结果表明使用二阶或三阶预测即可有效地提高网络吞吐量。