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信 息 科 学 与 技 术 学 院
毕 业 设 计 开 题 报 告
无限局域网络多速率
切换和ARF算法的仿真与分析
学 号: 20092342 姓 名: 吴儒鑫 班 级: 通信一班 专 业: 通信工程 指导老师: 何 蓉 职 称: 副教授
2013年 3 月 7 日
开题报告的内容应包括
（1） 本课题的目的、意义。
（2） 本课题国内外研究现状（国内外文献综述，给出参考文献）。 （3） 本课题设计任务与要求。 （4） 拟采取的技术路线与试验方案。
（5） 预期成果（包括预期能够完成的设计或者理论研究成果，拟提交
的软件、硬件、仿真程序等）。 （6） 设计进度安排。
注：（1）开题报告工作由毕业设计指导小组组织实施，目的是帮助学生执行选题论证。 （2）毕业设计指导小组的论证意见以“通过”、“不通过”结论。通过者按计划开展论文
工作。不通过者，整改后重新提交开题报告，如果仍然不通过则取消毕业设计资格。
开 题 报 告 主 要 内 容 1. 本课题的目的、意义 随着计算机技术和网络应用的大规模应用，传统局域网络已经越来越不能满足人们的生活和需求，于是无线局域网应运而生。IEEE 802.11[1]是美国电机电子工程师协会(IEEE)为解决无线网路设备互联，于1997年6月制定发布的无线局域标准，主要用于解决办公室局域网和用户终端的无线接入。经过十几年的发展，IEEE 802.11逐渐形成了一个家族，其中既有正式标准，又有对标准的修正案，IEEE 802.11标准依靠修订案来进行更新。例如：由于802.11在速率和传输距离上不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了802.11b[2]和802.11a[3]两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于MAC[4] (Media Access Control)子层和物理层。如802.11a标准工作在5GHZ U-NII频带，物理层速率最高可达54Mbps，传输层速率最高可达25Mbps。可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧接口，以及TDD/TDMA的空中接口；支持语言、数据、图像业务；一个扇形可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。 无线局域网中，由于存在多径效应和多普勒扩展等因素影响，因此数据在传输时刻具有不确定性。若采用固定的传输速率，网络性能将产生巨大的起伏，这既不利于系统达到最大的网络吞吐量，又不能很好地保证服务质量。IEEE 802.11标准支持WLAN多速率数据传输，为了获得更好的数据传输性能，信道节点需要根据信道质量的改变在多种传输速率之间进行切换，但IEEE 802.11标准中并没有规定具体的速率自适应算法，因此根据不同的需要，各种不同的算法被提出，Automatic Rate Fallback(ARF)[5]算法由于实现简单，被广泛应用与所有的WLAN设备中。ARF的基本思想是：一旦连续的2个数据丢失就降低传输速率；反之，有连续的10个数据包成功传输就用更高速率传输下一个数据包。称这10个连续成功传输的数据包为升高传输速率门限值，而称第一个以更高速率传输的数据包为侦测包。在ARF中，如果侦测包成功传输就用所选择的更高速率传输以后的数据包，如果侦测包传输失败就返回原来的传输速率。本毕业设计题目要求针对IEEE 802.11 机制，基于NS2[6](Network Simulator,version 2)仿真平台，实现无线局域网中基本多速率切换和ARF算法程序设计，在典型WLAN拓扑结构下，设计tcl脚本对不同网络负载条件、不同类型业务流传输性能和公平性能进行仿真和分析。根据仿真结果分析采用ARF算法对提高网络吞吐量和接入公平性的作用，画出对应的性能曲线图，比较各种算法下系统吞吐量、丢包率、包传输时延等QoS指标，并得出相关结论。 2. 本课题国内外研究现状（国内外文献综述，给出参考文献） 在当前的无线接入市场上，IEEE 802.11系列已成为主流。众所周知，IEEE 802工作委员会已经创建了众多的局域网（LAN）工业标准，包括802.3以太网标准、802.4令牌总线网标准、802.5令牌环形网标准等等。IEEE 802.11标准是由802工作委员会创建的无线局域网标准，是由一系列标准组成的标准族。为了适应不同环境条件下无线信道传输质量的改变，IEEE 802.11标准提供了多种数据传输速率的支持。例如IEEE 802.11b提供了1、2、5、5以及11Mpbs等4中传输速率支持。这四种速率分别对应四种不同的物理层技术，分别是BPSK，QPSK，CCK5.5以及CCK11。而更高速率的传输要求有更好的
信道质量保证，为了获得更好的数据传输性能，节点需要根据信道质量的改变在多种传输速率之间进行切换。尽管如此，IEEE 802.11标准中并没有包含相应的算法指定。目前在多数基于 IEEE 802.11的网络产品中，应用比较广泛的算法是自动速率回退（ARF）算法。 ARF算法最初由Lucent提出并应用于WaveLan-II无线网络产品中，其次主要特点是机制简单并且易于实现。近年来,国内外大量文献和实际设备中提出了并应用了许多速率自适应算法。在典型的WLANs中，节点竞争共享的无线信道，由于采用了DCF[7]（Distributed Coordination Function）机制，帧冲突不可避免。因此速率自适应算法的有效性不仅依赖对于信道变化的快捷性，也与冲突检测的识别和处理密切相关法。已有的速率自适应算法主要分为两类，闭环方式[8]和开环方式[9]。闭环类自适应速率控制技术通过对信道参数进行实时监测，由接收机利用反馈信道将参数估计值送回发送端，并对发送端数据加以控制，以提高系统传输性能。目前主要通过如信噪比(SNR)、接收信号强度(RSS)等来直接测量信道状态信息。典型的闭环自适应算法包括RBAR[10] (Receiver-Based AutoRate) 、OAR[11](Opportunistic Auto Rate)。开环类自适应速率控制算法基于系统传输性能记录的评估机制来判断当前调制和编码方案(MCS)性能的好坏，并根据评估结果调整MCS的选择，逐渐逼近最优速率。它利用经验通信结果作为MCS的调整准则，避免了由主观估计和预测所带来的与真实传输性能的偏差。典型的开环自适应算法包括ARF，RRAA[12] (Robust Rate Adaptation Algorithm)。其中RRAA算法利用在一段时间内统计丢帧率（Frame Loss Ratio，FLR）等信息，并将丢帧率与相应的门限进行比较，以选择合适的速率。该方法在一个估计窗口内统计丢帧率，有效屏蔽了因为随机丢帧而导致的速率误判，如果窗口选择合适，可以对信道变化做出及时反应。针对RRAA算法中门限参数选择不当可能造成的速率抖动，文献[13]提出了一种抗抖动的AF-RRAA算法。当无线局域网中存在大量竞争节点时，已有的大都数开环算法由于无法区分帧冲突引起的帧传输错误和信道原因引起的帧传输错误，可能造成不恰当的降速判断导致系统吞吐量反而下降，为此，文献[14]提出了一种能意识到冲突的速率自适应算法-CARA（Collision Aware Rate Adaptation）算法，该算法通过自适应的使用RTS/CTS和CCA(Clear Channel Assessment)检测功能来检测帧冲突，与其他开环速率自适应算法相比，CARA算法能够做出更加准确的速率选择判决。 目前已经存在很多优秀的网络仿真软件，比如OPNET，Matlab,NS2等，这些仿真软件为研究人员提供了很好的平台，大多采用离散时间仿真技术，并且提供了很多网络模型和编程接口，这提高了网络仿真的灵活性。我们这里主要介绍NS2仿真软件，其是一种面向对象的网络仿真器，本质上是一个离散时间模拟器。由UC Berkeley开发而成。它本身有一个虚拟失真，所有的仿真都有离散事件驱动。NS2的无线网络模型以移动节点(MobileNode)作为核心，在节点上附加各种功能特性来模拟各种无线网络，在开始阶段较多的应用是在有线网络中针对传输协议和路由算法的性能仿真，现在NS2在无线网络仿真中也越来显出其优势：对开源性能决定了比OPNET更节约科研成本，具有更灵活的自主扩展性；常见无线网络的底层代码比较丰富，又有不少第三方扩展包(如UMTS、WiMax等)；相对Matlab更方便实现MAC层及以上的网络级仿真[15]。利用NS2提供的基本仿真模块，可以满足用户的一些基本需求，用户如果要加入新的模块或者算法，只需要在C++层次编写对应的模块即可完成相应的功能。 参考文献 [1] IEEE 802.11 Wireless LAN Medium Control (MAC) and Physical Layer (PHY)
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