速率自適應

速率自適應，即在通信系統中，根據當前信道實時狀態，改變傳送數據速率，以提高系統傳輸性能。速率自適應的速率選擇算法核心是及時獲取能夠實時反映信道狀態的信息。

基本介紹

• 中文名：速率自適應

背景

隨著無線通信新技術的不斷湧現，無線網路以其接入靈活、成本低廉、覆蓋面寬、易於擴展等優勢也得到了廣泛套用。一直以來，無線網路中的吞吐量最佳化問題始終是學界關注的焦點之一，根據不同的信道環境，配置不同的傳輸速率已被證明是提高網路吞吐量的有效手段。

如何選擇不同的傳輸速率？依據什麼條件選擇傳輸速率？

速率自適應技術基礎

IEEE 802.11x標準在物理層支持利用多種速率進行傳輸，但是並未規定速率選擇策略。如何根據信道狀態選擇和切換合適的傳送速率，以提高系統性能，依據信道質量自適應的速率選擇算法成為研究焦點。

吞吐量是衡量通信系統性能的一個重要參數，希望在各種信道環境下都以儘可能高的速率和儘可能低的誤碼率進行數據傳輸。實際上，吞吐量是傳輸速率和誤碼率的函式，高傳輸速率會造成更高的誤碼率，降低吞吐量。因此，為了使吞吐量在一定信道環境下達到最優，可以採用很多方法，方法之一是根據信道狀態自適應地選擇數據幀的傳送速率。

基本原理

文獻從理論上闡述了為什麼在信道狀態變化時，改變調製方式從而改變速率可以提高系統的吞吐量。

傳送速率對吞吐量的影響

為了更好地利用物理層的多速率能力，媒體接入控制（MAC）協定應能夠自適應地選擇最佳傳輸速率，以適應信道變化，達到最佳的系統吞吐量。具備這種特徵的MAC協定稱為速率自適應MAC協定、多速率MAC協定或者自動速率MAC協定。在無線區域網路中，由於無線信道的多徑衰落特點和拓撲結構節點運動等隨機因素的影響，網路吞吐量很難用固定的解析式表達，但是如果不考慮上述因素，文獻直觀地給出了無線區域網路在理想情況下的吞吐量最大值的表達式：

分別表示數據幀大小、IP報頭大小、UDP報頭大小、幀間時隙、短時隙、ACK幀傳輸時間、幀的平均傳輸延遲時間。假如在拓撲、協定和信道特性、節點間距相對穩定以及幀大小不變的情況下，從上式可知吞吐量和傳輸速率成正比，傳輸速率越大，占用信道時間越短，吞吐量越大。

在使用共享信道中，數據包在傳輸過程中，首先要注意各節點之間的協調，也就是各個節點公平地分享信道；其次要針對信道的時變特點，不斷地根據信道狀態實時調整適合該時段的傳輸速率，使吞吐量最大。

經典算法

下面是一些經典算法。

速率自適應研究方法

速率自適應的核心是獲取實時變化的無線信道的狀態信息（CSI），有兩類獲得CSI的方法：對信道信息直接測量（閉環類）和基於統計信息的方法（開環類）。

（1）閉環類速率自適應算法

閉環類速率自適應算法是一種直觀的獲取CSI的方法，直接測量信道狀態信息，如信噪比（SNR）、接收信號強度（RSS）或者誤碼率（BER）等。

由於不同的傳送速率使用不同的調製和編碼方式，而這些調製和編碼方式抵抗噪聲的能力不同，因此在滿足一定誤碼率的條件下，各種速率所需要的信噪比也不同。反過來，通過測量接收信號的信噪比，可以選擇合適的傳送速率。

（2）開環類速率自適應算法

開環類速率自適應算法是通過計算在一段時間內的傳送數據的統計信息獲得參數，如誤幀率、接收的ACK個數以及吞吐量等，用於判斷無線信道的狀態。基於統計的方法能夠獲得在較長時間內的信道狀態信息，但很難反映信道再短時間內的快速變化。然而，這種方法可以很容易地通過驅動程式等軟體實現，幾乎所有廠商都採用基於統計的方法。目前，主要有三種基於統計的方法：吞吐量統計、FER統計和ACK幀統計。這三種方法中，基於吞吐量統計的方法對信道變化的回響最慢，而基於ACK幀統計的方法對信道的變化回響最快。

分類

現有的速率自適應可分為以下4類：

1.利用傳送幀連續的成功和失敗次數來估計信道質量。比如ARF算法，如果連續沒有收到兩個ACK，則降低一檔速率，傳送下面的數據並啟動一個定時器；如果連續收到10個幀或者定時器時間到，則提高傳送速率。缺點：連續成功或失敗的次數很難及時適應信道的快速變化。

2.利用物理層指標(如SNIR,RSS)估計信道質量。缺點：已有文獻證明SNIR,RSS等指標和丟幀率並沒有很強的對應關係，而且基於跨層的設計思想在實際套用中存在困難。

3.每隔一段時間以不同速率傳送一個或者一些試探幀，用來估計不同數量在信道中的表現。這種方法提高了對其他速率的實時估計能力，但是因為不能傳送過多的試探幀，導致個別試探幀的成敗決定了速率選擇，容易造成誤判。如SampleRate。

4.利用近一段時間的數據幀的統計特徵來決定傳送速率。比如RRAA。RRAA在一段時間（視窗）內統計丟幀率等信息，並將其與相應的門限進行比較。這種方法禁止了因為隨機丟幀而導致的誤判，如果視窗選擇合適，能夠對信道變化作出及時反應。