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自适应变速率及自适应算法.doc

发布时间：2022-05-31 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.36M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    国内外研究现状 无线信号在传播过程中会受到多径信号的影响，导致性能急剧恶化。虽然可 以用提高发射功率客服锐利衰落，但同时也增加了干扰。现在人们认可的一种方 法就是自适应地改变信息传输速率：当衰落小时，提高传输率；衰落大时，降低 传输率。这种智能传输方式要求对信道瞬时特性的评估越准越好。针对当前各种 瑞利衰落信道下各种变速率解决方案，分别阐述和分析如下： 1） 基于实时信道估计的自适应变速率传输机制，那一种更适合在瑞利信道 调制技术是通信系统的关键技术之一，调制方案选择的优劣直接关系到系统 的传输质量及频带资源的利用。在移动数字通信系统中，由于无线传输环境恶劣， 因此需要设计一个既能自适应地减少信道衰落的影响，又具有高的频带利用率， 能应用于高速多媒体信息传输的调制方案。 朱旭明等在《变速率 MQAM 调制技术的研究及其在移动通信中的应用》中研 究了常见的 MPSK、矩形 MQAM、圆形 MQAM 、方形 MQAM 调制方式。在三种调制方 案中圆形 MQAM 的带外辐射较少，可减小对林频道的干扰；抗相位抖动性能好； 已调信号采用非相干解调，无需载波恢复及 AGC 电路，更容易实现，电路更加简 单。因此圆形 MQAM 调制方式更适用于瑞利衰落信道。 而储振勇等人在《几种 M 元扩频体制的分析》中在元直接序列扩频、M 元多 码扩频和 M 元多载波扩频 3 种扩频方式的基础上提出了一种新的正交多载波调制 M 元多码扩频方案，它将信息分别在时域和频域扩展后并行传输,因而可以获得 更高的频带利用率。通过改变码片速率实现多速率传输，与传统扩频相比,M 元 扩频方式在抗干扰能力、保密能力、抗衰落能力和频带利用率上有着明显的优势。 以上两种调制方式都是通过改变同一调制类型的 M 级数来实现多速率传输 的，接下来的研究则是并行存在多种调制方式。 刘海燕等在《基于星地通信系统的变速率通信质量控制方法》提出一种能使 系统吞吐量达到最大的变速率方法 VCTRM，同时具有编码率和变调制两种变速率 调制方式的优点。在满足系统误比特率的要求前提下，自适应改变调制方式和码 元传输速率，以提高系统吞吐量。 陈仪等在《基于 FPGA 的多速率调制解调器的实现》中从低阶调制到高阶调 制采用了四种不同的调制方式来保证系统的有效性和可靠性（BPSK、π/4-DQPSK、 8PSK、16QAM，分别提供不同的传输速率）。根据目前的信道状态（信噪比门限） 进行调制解调方式的选择，当信道状况较好时，使用高阶调制解调方式，当信道 状况较差时，使用低阶调制解调方式。 薛德志等在《一种联合 AMC 和自适应帧长技术的 ARQ 方案》提出一种联合 AMC 技术和自适应帧长技术的 ARQ 方案。在数据传输过程中,根据信道状态选择 使系统吞吐量达到最佳的传输模式和帧长，首先分析各种帧长和传输模式下的系 统吞吐量，然后根据信道估计出的信噪比确定采用的帧长和传输模式。该方案能 有效提高系统吞吐量。 Vincent of Variable K.N.Lau 在 提出每符号自适应比特交织编码 ABICM。在衰落信道中，比特 交织通过消除传输符号比特间的相关性，进一步增加了编码分集增益，提高系统 Analysis
    的频带利用率。在这篇文章中通过仿真得到 ABICM 机制在平均吞吐量和信噪比恒 定时表现良好，可获得较好的信噪比增益和吞吐量增益。 2） 自适应参数估计算法及自适应算法的仿真与研究。 一．对现有的经典算法的总结和归纳： 1. ARF 算法：第一个用于实际网络中的速率自适应算法。它利用发送方传输时连续成功或 者连续失败作为判断信道好坏的标志，进而进行速率调整。ARF 在速率自适应方面做了有 益的尝试，但是存在的不足： (1)连续两次失败就降低一档速度，ARF 往往趋向于较低的速率。 (2)由于需要连续 10 次成功且探测帧成功才能提高速率，提高速率的门槛很高，这就导致 ARF 对信道的变化不敏感，使结果往往都趋向于较低的速率。 (3)如果在某一速率表现稳定，但相邻高速率丢帧率很高，会导致探测帧发送几乎全部失败， 浪费 1/10 的吞吐量。 2. AARF 算法：针对 ARF 原理中存在的不合理因素进行了改善。该算法根据信道情况的变 化不停的调整发送探测帧的阈值。与 ARF 进行对比可以看出，当探测帧失败时，速率回到 原来的低速率，但是连续成功的阈值扩大一倍，最大阈值为 50。当出速率发生改变时，阈 值重置为 10。后来提出 ARF3-10 算法，其核心思想是:每个速率应该有不同的成功阐值，成 功阐值依赖于信道状态(多普勒效应带来的频偏影响、接收功率)以及数据帧的长度 3. RBAR 算法 RBAR 算法作为一种依据物理层特点进行的速率自适应方法。RBAR 算法主要思想是通过 RTS 帧完成对信道质量的估计，RBAR 有以下特点： (1) 接收端进行信道评估和速率判断，并通过 CTS 将判断结果发送至发射端。 (2) 根据 SNR 的值和其与 BER 的对应关系进行速率选择。 (3) 速率选择信息通过 RTS/CTS 信息进行交换。 RBAR 算法的不足： (1) SNR，RSSI 等指标和丢帧率并没有很强的对应关系，在实际系统中难以加以应用 (2) 在实际网络中，由于 RTS、CTS 对吞吐量有较大的影响，所以往往关闭该机制，通过计 算可知，加上 RTS 与 CTS 后，吞吐量影响从 8.214%到 25.11%不等。
    (3)基于跨层设计的思想在实现和实际应用上也存在困难，需要对原有协议进行较大的改动 (例如更改帧结构等)，难以应用。 4. OAR 算法 是一种基于接收节点来完成速率自适应 MAC 层算法，OAR 关键思想是让高速节点一次性 传输多个连续的分组以充分利用高质量信道时刻的信道。当节点的多速率 MAC 机制表明信 道当前条件较好，就允许使用超过基本速率发送数据，OAR 算法并没有解决低速率节点性 能不高问题。 OAR 算法的特点如下: (1)由接收节点对信道质量进行估计，如可以使用 RBAR 算法，通过一次 RTS/CTS 握手来完 成信道估计; (2)如果通过信道估计，发现信道质量好于基本速率(2Mbps)时，按照一定比例传输更多的数 据包，就按照 11Mbps 连续传输 5 个数据包，如果信道质量下降，就停止传输;OAR 算法牺 牲局部的公平性提高了整个网络吞吐量。 5. RRAA 算法 这种算法基于一种直观的假设:足够小(大)的丢帧率说明信道情况足够好(差)，所以应该提高 (降低)速率。在一定的窗口范围内统计丢帧率，与相应门限进行比较，作出速率选择的判断。 优点：可以克服随机丢帧导致的速率误判，由于在一段时间内进行计算，偶然的丢帧并不会 使速率下降，带来不必要的吞吐量损失。RRAA 是目前为止最为准确的门限估计方法。 算法的不足：出现了重复速率抖动(RRI)现象，导致吞吐量大幅下降。 6. SLRA 算法 SLRA 是一种有效的自学习速率自适应算法。这种算法基本遵循 RRAA 的判断准则，但利 用信道的时间相关性和空间相关性来弥补 RRAA 的不足。该算法在运行过程中不断记录速 率选择后的运行情况，当需要进行速率调整时，速率选择分两步进行，首先估计当前速率的 丢帧率，并作出速率调整决定。然后通过与历史记录进行比较，剔除其认为不必要的速率变 动。 SLRA 算法的不足： (1) SLRA 的估计窗口为 15，这种长时间的平滑会导致无法利用信道的增益，降低吞吐量 (2) 门限采用非常简单的计算方法，不是按照理想吞吐量来计算，很不准确。 7. RARA 算法 通过改变 ACK 传输速率指示发送端调整数据传输速率，具体算法：
    仿真：使用 NS2 进行系统仿真。以下是三种情况（不同距离，基站数量，衰落因子 K）下 的仿真结果。 优点：1. 接收端估计信道质量，并在给定的时间内选择合适的速率 2. 当信道质量变好时，发送端在接受 ACK 后自适应提高传输速率 3. 可以快速反应当前的信道状况。 衰落因子 K 对算法的影响：RARA 算法在 K 的整个变化范围内都可以使系统达到较高的吞 吐量，性能良好。这表明 RARA 算法无论信道质量好坏都表现性能稳定。 8. 基于实际吞吐量比较的速率自适应算法 该算法继承了传统 RRAA 算法的特点在一定窗口内统计丢帧率，且设定了上下门限， 同时又兼顾了实际吞吐量，严格推导出门限公式，将丢帧率与实时计算的门限比较，避免了 RRJ 现象，提高了速率选择的准确性，从而提高了网络性能。 算法的设计：当节点以速率 Ri 发送帧时，在其中以一定规则插入 Ri-1 和 Ri+1 的探测帧， 当达到窗口大小时，分别计算当前速率和相邻速率的丢帧率;根据传输帧大小我们就可以计 算出理想吞吐量;接下来结合理想吞吐量与丢帧率就可计算出预估的实际吞吐量，进而以此 计算上下跳门限，选择最合适的速率进行传输。 该算法在瑞利信道下的性能评估：为了验证算法的性能，采用 Ns2 对算法的性能进行 仿真，并与主要的速率自适应算法(ARF，RRAA 和 SLRA)进行比较。仿真结果表明基于实 际吞吐量比较的速率自适应算法（图中用 our method 表示）在 Rayleigh(瑞利)信道表现稳定， 吞吐量优于这些知名的速率。 a:在固定拓扑结构下的
    b:在动态拓扑结构下的性能仿真结果： 二．《一种新的信道估计方法》 ①研究了瑞利衰落信道中基于时分复用的导频信号辅助的信道估计。提出了使用导频信号的 Chebyshev 多项式的数学插值佑计信道参数的信道佑计方法.仿真结果表明该方法能快速跟
    踪信道的衰落，有效地佑计出各时隙中数据段的信道参数。与使用分段插值的线性插值相比， 利用该方法，接收机的性能可得到显著的改善。 ②物理帧结构为： 在系统下行链路中导频和数据信号采用了时分复用的结构。其中每个符号 P 表示一个 导频符号，D 为数据符号，N 为这个时隙中总的符号数。这个帧结构的目的是可以改变导频 和数据符号的个数，以适应不同的移动速度对导频准确度的要求。 ③仿真结果与分析： 仿真条件如下： 仿真结果：
    结果分析： 由于在系统中，信道的最大多普勒频移变化范围大，其信道参数变化速率也比较大， 因而原来的线性插值的信道估计方法不能满足系统要求。本文提出使用 Chebyshev 多项式插 值的信道估计方法，通过在一个时隙的不连续的导频符号上对导频符号信道参数的总的插值 及平滑，来估计一个时隙中数据段的信道参数，从而改善系统的性能。仿真结果证明，改方 法在中、低速的情况下，能显著改善系统性能，在高速的情况下，对系统的性能改善也是很 明显的。建议使用 Chebyshev 多项式插值的信道估计方法进行信道估计时，多项式的阶数不 宜大于 6 阶。 3) 瑞利衰落信道中影响速率自适应算法性能的因素 1.没有直射分量时，波束宽度对系统估计性能的影响？ 波束越窄，信号能量越集中于某一特定方向，相对于全向天线而言，越有利于信 号的接收，因此 MSE 的性能也会变好，即波束越窄，信道估计性能越好。 2.当信道中含有直视分量时会对系统的估计性能产生影响? 在信噪比较低的情况下，直视分量的存在可以有效地改善系统的估计性能，但随 着信噪比的增加，直视分量在估计性能上起的作用越来越弱，说明当信道的其它 参数不变，信道中存在直视分量且其能量很强的时候，系统的估计性能是比较稳 定的。 3.到达角对信道估计性能的影响？ 到达角的分布对估计性能和估计性能均没有影响。 4.信道参数对 CSNR 选择门限的影响？ 在 AMC 系统中，由于估计误差的存在，使得发送端在选择每种编码调制方案时， 各个方案间的门限值普遍提高了。并且在同样考虑到估计误差的情况下，对于不 同功率谱的信道而言，在低信噪比时估计性能对门限选择的影响比在高信噪比时 明显。 4) 速率自适应调制解调器的帧结构设计 现有 802．11 在 MAC 层没有具体的对速率自适应的规定和支持，无线网络中 标准的 MAC 层 RTS／CTS 帧格式。数据帧结构中，帧控制区中为帧的识别信息， 比如帧的类型，协议版本信息和控制标识之类，而接下来的两个字节中包含的是
    帧传输的时间，表明为一个 MAC 帧的成功传输所占用的信道时间。接下来 12 个 字节是地址位，地址字段的数量和意义根据环境而改变，地址类型包括源、目的、 传输节点和接收节点。BSSID 是独特的网络标识。序列控制，包括一个 4 位的分 段标号子字段，用于分段和重装。一个 12 位的序列号用来为给定的传输者和接 收者之间来往的帧计数。帧体包括一个 LLC 协议数据单元或 MAC 控制信息，最后 是帧校验序列。RTS 与 CTS 帧中的对应位所表示的也是与之类似或相同的作用。 陈仪等在《基于 FPGA 的多速率调制解调器的实现》中从低阶调制到高阶调 制采用了四种不同的调制方式：包括 BPSK、π/4-DQPSK、8PSK、16QAM。系统使 用的同步头包含 3 部分：13 位巴克码用于帧同步，M 位 0、1 码用于频偏估计，7 位巴克码用于定界（即区分有效信息同同步头）。在自适应调制解调系统中，同 步头结构在 7 位巴克码后面还要加上 N 比特数据（2N 种调制解调方式）用于判 别调制方式。其结构如图所示。 朱旭明等在《变速率 MQAM 调制技术的研究及其在移动通信中的应用》每次 发送的数据结构至少包括两部分：反映调制电平数 M 的已调 MPSK 信号和已调 MQAM 信号。采用 BCH 循环编码技术实现冗余误码检测。当接收机解调接收信号 后，判决其是否发生误码(或是否超过某一误码率)，并以发生误码的多少来评估 信道条件的好坏。的如图： 薛德志等在《一种联合 AMC 和自适应帧长技术的 ARQ 方案》中在 MAC 层中提
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