AP下行聚合帧长度和速率的自适应调整系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种AP下行聚合帧长度和速率的自适应调整系统和方法，主要解决无线网络中AP与站点之间，因信道质量频繁变化而导致发送帧的速率和帧长不能适应信道变化的问题。其实现步骤为：1)AP计算当前聚合帧的传输速率和误子帧率并估算有效吞吐量，以预测信道质量；2)AP根据比特码表前后两段误子帧率大小预测信道的变化趋势；3)AP自适应地调整聚合帧的长度和速率，并根据BACK的信噪比选择物理层的MIMO工作模式；4)AP分析比特码表中最大连续“0”的个数，判断当前传输是否碰撞，并自适应地启用RTS/CTS机制避免碰撞。本发明专利技术具有对信道变化反应快，适应性好的优点，可用于信道质量频繁变化的无线网络。

【技术实现步骤摘要】
AP下行聚合帧长度和速率的自适应调整系统和方法
本专利技术涉及无线通信网络领域，尤其涉及一种通过介质访问控制MAC层和物理层协同实现的接入点AP下行聚合帧长度和速率自适应调整的系统及方法，用于解决基础结构型无线网络中当AP与接收节点之间信道质量频繁变化而导致当前发送帧的传输速率和聚合帧帧长不能够适应信道而造成过多传输失败的问题，提高网络的传输性能。
技术介绍
无线局域网WLAN目前采用的主要技术是IEEE802.11系列标准协议。从1999年IEEE802.11工作组相继提出了IEEE802.11a以及IEEE802.11b标准到2003年提出802.11g标准，其物理层规定了不同的调制和编码方式，均支持多速率数据传输。其中，IEEE802.11b物理层运用直接扩频跳频DSSS技术，工作在2.4GHz频段上，速率带宽最高可达11Mbps，根据网络环境的实际情况还可采用1Mbps、2Mbps和5.5Mbps传输速率。为了提高无线局域网的传输速率，IEEE802.11a物理层采用OFDM技术以取代802.11bDSSS技术，工作在5.8GHz频段，最高速率可达到54Mbps，可以使用6Mbps、9Mbps、129Mbps、189Mbps、249Mbps、369Mbps、489Mbps、54Mbps等8种速率进行传输。到2003年，802.11工作组提出了802.11g标准，其工作在2.4GHz频段上，采用正交频分复用OFDM技术，同样拥有高达54Mbps的传输速率。随着物理层传输技术的不断提高，2009年IEEE又批准了802.11n高速无线局域网标准。IEEE802.11n采用了几项重要技术来增加自己的数据传输速率，包括：MIMO多天线技术、物理层信道合并和MAC层帧聚合技术。另外，其核心是MIMO和OFDM技术，工作在2.4GHz频段和5GHz频段，使用带宽为20MHZ的信道传输时速度最高为300Mbps，当使用由两个20MHZ的信道合并成的一个40MHZ带宽信道时，传输速度最高可达600Mbps。随着技术的发展和不断改进，IEEE802.11协议在高速多媒体移动业务方面的应用已经相当成熟。然而，当前的无线局域网的发展仍然受到诸多方面的挑战。例如如何尽可能提高无线网络资源利用率，如何在复杂环境下提高网络的抗干扰能力，如何在保证QoS的情况下提供实时的支持可移动性的高速业务等等。虽然新的标准在速率上已经有了很大的提高，但是高速并不意味着较高的链路吞吐量和服务质量。由于无线网络环境中信号衰落、节点移动以及突发干扰的影响，无线信道质量会快速频繁的变化，无线信道上的数据传输速率以及整个网络的性能表现都需随之变化。因此在传输过程中节点仍然需要实时地估计和预测信道质量的变化，并且自适应调整其数据传输速率。速率自适应问题对提高无线资源利用率，和整个网络的性能有着重要的影响。为了提高网络的吞吐率，国内外在预测信道质量，并自适应的调整其发送速率方面，即对速率自适应算法进行了许多研究。其中，主要的技术方案有以下三种：1.基于统计连续传送成功和失败次数调整速率的方法。在这种方法中，节点不区分帧丢失原因，不论帧的丢失是由于信号衰落变化引起，还是由于突发干扰造成碰撞引起，都一律认为当前传输失败是由于信道质量恶化造成。在传输过程中，节点MAC层通过统计连续传送成功和失败次数来估计信道质量的好坏。即当节点连续成功传输N次，则认为当前信道质量良好，可以支持更高速率传输，因此提高节点传输速率，且如果提高速率后传输立即发生失败，则节点退回到原来的低速率进行传输；当节点连续传输失败M次，则认为当前信道质量恶化，不能支持高速率传输，因此节点降低传输速率。该类方法需要基于多个帧的传输结果进行信道质量的估算，不能对信道状况的变化做出及时的调整和反应，导致大部分传输所用速率低于实际信道能够支持的最大速率。2.基于测量物理层信噪比或接收信号强度调整速率的方法。在这种方法中，节点通过测量物理层接收信号信噪比SNR或接收信号强度RSSI来估计信道质量状况。当测量到SNR或RSSI超过某一门限时，则认为当前信道质量良好，可以支持更高速率传输，因此节点提高传输速率；当测量到SNR或RSSI低于某一门限时，则认为当前信道质量恶化，不能支持高速率传输，因此降低数据传输速率。或者根据提前估算得到的SNR或RSSI与传输速率之间的映射关系表，直接查表得到适应当前信道条件的数据传输速率。该类方法在实际的无线网络环境中，由于信号的快速衰落、节点移动以及突发干扰的影响，无线信道质量会快速频繁的变化，信道的最佳传输速率和与SNR或RSSI之间并不存在相互对应的关系。3.通过估算统计窗口内的误帧率调整速率的方法。在这种方法中，节点在一个固定大小或者大小自适应变化的传输时间窗口内，连续地发送数据帧进行信道质量探测，通过统计该探测周期内接收到的ACK、重传次数和发包次数来估算误帧率，从而预测信道质量状况。当误帧率小于某一门限时，则认为当前信道质量良好，可以支持更高速率传输，因此节点提高传输速率；当误帧率大于某一门限时，则认为当前信道质量恶化，不能支持高速率传输，因此降低数据传输速率。该类方法需要根据一个较长的统计窗口内的传输情况来预测信道，并且同一个传输窗口内都采用相同的速率进行数据传输，因此对信道质量的突变不敏感。上述这些方法均由于无法准确估计信道，从而导致估计的传输速率并非最佳传输速率,影响网络吞吐量的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术问题，在现有的IEEE802.11n协议的基础上，提出一种AP下行聚合帧长度和速率的自适应调整方法，以提高网络吞吐量。本专利技术的技术方案是这样实现的：一.术语说明MAC：媒质接入控制；PHY：物理层；MCS：调制与编码策略；AP：接入点；STA：站点；MIMO：多重输入与多重输出；RSSI：接收信号强度指示；SNR：接收信噪比；ADDBA：建立块接收确认帧机制的管理帧；LQE：链路质量估计；SFER：误子帧率；Bitmap：子帧传输情况确认表；数据帧DATA：承载用户数据业务内容的链路层协议单元；控制帧：承载信令信息，用于实现控制管理等任务的媒质接入控制层协议单元；RTS/CTS/ACK：三种用于实现802.11无线网络媒质接入控制握手协议的控制帧，分别对应为发送请求帧RTS、发送允许CTS和接收确认帧ACK。A-RTS：自适应发送请求帧；BACK：块接收确认帧，用于对多帧进行确认；AMPDU：聚合的媒质接入控制协议数据单元；FAMPDU：第一个聚合的媒质接入控制协议数据单元；NAV定时器：网络分配向量定时器；发送节点：发送帧的无线设备；接收节点：接收帧的无线设备；通信或会话：发送节点和目的节点间的一次帧收发。二.系统结构一种AP下行聚合帧长度和速率的自适应调整系统，包括：媒质接入控制MAC层分布式接入管理单元(1)、物理信道管理单元(2)、媒质接入控制MAC层帧提取单元(3)、解聚合单元(4)、接收机(5)、物理层帧形成单元(6)、帧聚合单元(7)、发射机(8)和射频前端单元(9)，其特征在于：还包括用于调整发送速率和聚合帧长度的调整单元(10)，该调整单元(10)的输入与媒质接入控制MAC层帧提取单元(3)的输出连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种接入点AP下行聚合帧长度和速率的自适应调整系统，包括：媒质接入控制MAC层分布式接入管理单元(1)、物理信道管理单元(2)、媒质接入控制MAC层帧提取单元(3)、解聚合单元(4)、接收机(5)、物理层帧形成单元(6)、帧聚合单元(7)、发射机(8)和射频前端单元(9)，其特征在于：还包括用于调整发送速率和聚合帧长度的调整单元(10)，该调整单元(10)的输入与媒质接入控制MAC层帧提取单元(3)的输出连接，其输出与媒质接入控制MAC层分布式接入管理单元(1)和帧聚合单元(7)的输入连接。

【技术特征摘要】
1.一种接入点AP下行聚合帧长度和速率的自适应调整系统，包括：媒质接入控制MAC层分布式接入管理单元(1)、物理信道管理单元(2)、媒质接入控制MAC层帧提取单元(3)、解聚合单元(4)、接收机(5)、物理层帧形成单元(6)、帧聚合单元(7)、发射机(8)和射频前端单元(9)，其特征在于：还包括用于调整发送速率和聚合帧长度的调整单元(10)，该调整单元(10)的输入与媒质接入控制MAC层帧提取单元(3)的输出连接，其输出与媒质接入控制MAC层分布式接入管理单元(1)和帧聚合单元(7)的输入连接；所述的调整单元(10)包括：帧接收信息管理模块(101)，用于从媒质接入控制MAC层帧提取单元(3)中识别并提取比特码表Bitmap，记录当前块接收确认帧BACK的接收功率以及前一个聚合帧AMPDU的传输速率；误子帧率估计模块(102)，用于从帧接收信息管理模块(101)得到比特码表Bitmap并计算该比特码表的整体误子帧率SFER、前半段的误子帧率SFER1以及后半段的误子帧率SFER2；信噪比测量模块(103)，用于从帧接收信息管理模块(101)得到块接收确认帧BACK，并计算其信噪比；有效吞吐量估计模块(104)，用于利用帧接收信息管理模块(101)得到的聚合帧AMPDU的传输速率，以及误子帧率估计模块(102)得到的误子帧率SFER，计算前一次传输聚合帧AMPDU的有效吞吐量；比特码表Bitmap分析模块(105)，用于根据比特码表Bitmap中“0”和“1”的分布，判断当前信道的变化趋势，并计算当前比特码表Bitmap中最大连续“0”的个数；聚合帧长度确认模块(106)，用于从比特码表Bitmap分析模块(105)得到当前信道的状况和变化趋势，自适应的调整等待发送的聚合帧AMPDU的聚合度；传输速率确定模块(107)，用于从信噪比测量模块(103)得到块接收确认帧BACK的信噪比，自适应地调整多入多出MIMO工作模式，从有效吞吐量估计模块(104)得到当前信道状况，自适应地调整下一次发送的聚合帧AMPDU的传输速率；碰撞检测和处理模块(108)，用于根据从比特码表Bitmap分析模块(105)得到最大连续“0”的个数，判断前一个聚合帧AMPDU是否发生了碰撞，当确定发生碰撞后，启用RTS/CTS握手机制进行信道预约，其中RTS/CTS表示发送请求帧和发送允许...

【专利技术属性】
技术研发人员：边策，刘吉龙，陈庆勇，姚明旿，邱智亮，刘焕峰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61