一种改善Ad Hoc网络链路层性能的方法＊

徐玲玲

（广州海格通信集团股份有限公司 广州 510663)

1 引言

Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统［1］。由于它具有组网灵活、抗毁性强、支持用户的移动性和动中操作、易于快速部署等特点，从一开始就在商业、军事、经济领域获得了广泛的应用［2］。

一般采用自适应技术来克服无线信道的时变衰落特性，就其链路层而言，自适应编码调制技术已经得到广泛的研究和应用［3］。自适应编码调制AMC（Adaptive Modulation and Coding)技术根据收端反馈的信道状态信息选择编码调制方式，提高了频谱利用率［4～5］，其中信道状态信息一般包括：误帧率FER（Frame Error Ratio)、接收端信噪比SNR（Signal－to－Noise Ratio)等［6］。基于 FER对编码调制方式进行调节的方法，实现简单，但由于FER不能及时精确地反映时变衰落信道的变化情况，所以性能较差；而采用SNR作为信道状态信息的AMC技术，其性能较好，但实现过程复杂，并且估计过程中的误差以及反馈过程中的延时都将影响系统的性能。本文提出一种适用于慢衰落环境下的基于FER与SNR估计的AMC方法，结合FER和SNR的优点，从而获得更高的系统吞吐量及频谱效率。

2 AMC的系统框图

与传统的Ad Hoc网络相比，采用AMC技术的Ad Hoc网络增加了信道状态估算模块，并通过反馈信道传递该模块估算的结果，发端依据反馈的结果结合预先定义好的AMC策略调整调制编码方式（不同的速率对应不同的调制编码)，以便在不同的信道条件下获得最大的数据吞吐量［7～9］。

图1 AMC系统框图

3 AMC方法分析

本文从数据传输机制、AMC策略、优缺点、性能统计结果等几个方面分析基于FER的AMC方法和新提出的基于FER与SNR估计的AMC方法。两种方法遵循共同的约定：如果一个数据包中的每个帧都被正确接收或者所有N个数据帧的重传次数总和不超过三次，则此数据包被成功接收。

3.1 基于FER的AMC方法（方法Ⅰ)

数据传输机制：发端发送一个数据包的N个数据帧，收端向发端反馈接收情况，发端将重传未正确接收的帧，直到收端反馈正确接收或达到最大重传次数。

AMC策略：如果收端连续两次未正确接收数据帧，发端降一级发送速率；若降级后紧接着的数据帧未能成功接收，发端再降一级发送速率，超过三次未正确接收则放弃本包数据发送；当累积成功接收十次数据帧时，发端将提升一级发送速率。

存在的缺陷：这种AMC技术不需要信道预测，实现起来比较简单；但是该技术不能对无线信道的波动产生迅速的反应，因此其性能也无法达到最优。

不考虑降速的影响，数据包的接收成功率为

不考虑降速的影响，不管是重传成功还是被发端丢弃，平均需要的传输时间为

其中，Pε表示误帧率，T表示发送每帧数据需要的时间。

3.2 基于FER与SNR估计的AMC方法（方法Ⅱ)

数据传输机制：在方法Ⅰ的基础上，收端对接收的数据增加SNR估计，并反馈到发端。

AMC策略：在方法Ⅰ的基础上，增加SNR估计对发送速率的决策，如果收端未正确接收数据帧，且发送速率高于SNR估计推荐的速率，在第一次重传时，使用推荐的速率；如果连续三次正确接收数据帧，且都低于SNR估计推荐的速率，在发送下一个数据帧时使用推荐的速率。

优点分析：增加了SNR估计，使发送速率较为迅速地适应信道的波动；将FER与SNR估计结合使用，也降低了单纯依赖SNR估计的风险。

假设第一次重传时使用推荐的速率就能发送成功，改进方法后，数据包的接收成功率为

同样的假设，平均需要的传输时间为

实际上，SNR估计的准确度与帧长、前后内插用的帧的个数以及归一化多普勒频移有关，估计的准确度可以达到0.9以上［10］。

4 算法仿真

使用Matlab仿真工具研究采用这两种方法的链路层性能，主要研究数据包接收成功率和传输时延。

4.1 数据包接收成功率

N表示一个数据包的数据帧个数，图2给出了N值为4、5、6时，数据包接收成功率随误帧率增加的关系曲线。从图中可以看出，同一种方法，N越大，数据包接收成功率越低；在相同N值时，方法Ⅱ的数据包接收成功率显著高于方法Ⅰ；方法Ⅱ的数据包接收成功率随帧误码率的提高下降缓和，在误码率为0.5时还能保持较高的接收成功率，而方法Ⅰ在误码率为0.5时接收成功率不足0.5。

图2 两方法数据包接收成功率与帧误码率的关系对比

此仿真结果是在方法Ⅰ不考虑降速处理对成功率的提升、方法Ⅱ不考虑SNR估计的成功率的情况下得出的，实际的结果应该介于两条曲线之间。

4.2 传输时延

图3给出了传输时延随误帧率增加的关系曲线。从图中可以看出，同一种方法，N越大，传输时延越大；在相同N值时，方法Ⅱ的传输时延小于方法Ⅰ，并且方法Ⅱ的传输时延随误帧率的增加上升缓和，在误码率为0.5时传输时延控制在0.75以内，而方法Ⅰ在误码率为0.5时传输时延将近0.85。

图3 两方法传输时延与帧误码率的关系对比

同样的，此仿真结果是在方法Ⅰ不考虑降速处理对成功率的提升、方法Ⅱ不考虑SNR估计的成功率的情况下得出的，实际的结果应该介于两条曲线之间。

5 结语

针对单纯基于FER或SNR估计的AMC技术的不足，本文结合两种方法的优缺点，提出了一种改进的AMC技术，并用数学统计方法推导出了两种方法的数据包接收成功率和传输时延。系统仿真表明，方法Ⅱ在高误帧率的情况下还维持了较高接收成功率、较低传输时延的特性，提升了Ad Hoc网络链路层性能。

［1］王金龙，王呈贵，吴启晖，等.Ad Hoc移动无线网络［M］.北京：国防工业出版社，2004：12.

［2］盛敏.移动Ad Hoc网络关键技术研究［D］.西安：西安电子科技大学，2003，1.

［3］J.M.Torrence，L.Hanzo.Upper bound performance of adaptive modulation in a slow Rayleigh fading channel［J］.IEEE Electronics Letters，1996，32（4)：718.

［4］Goldsmith A J.VariableRate VariablePower MQAM for Fading Channels［J］.IEEE Transactions on Communications，1997，45（10)：12181230.

［5］Goldsmith A J.Adaptive coded modulation for fading channels［J］.IEEE Transactions on Communications，1998，46（5)：595602.

［6］葛跃田.链路自适应技术的仿真研究［D］.南京：东南大学，2004，17.

［7］Dennis L，Goeckel.Adaptive coding for timevarying channels using outdated fading estimates［J］.IEEE Transactions on Communications，1999，47（6)：844855.

［8］Paul Lettieri，Curt Schurgers，Mani Srivastava.Adaptive link layer strategies for energy efficient wireless networking［J］.Wireless Network，1999：339355.

［9］Pinar Ormeci，Xueting Liu，Dennis L，et al.Adaptive BitInterleaved Coded Modulation［J］.IEEE Transactions on Communications，2001，49（9)：15721581.

［10］单超，张邦宁.自适应编码调制技术［J］.军事通信技术，2005，26（1)：4650.