Mobicom09-Frequency-Aware Rate Adaptation and MAC

1.      Mobicom09-Frequency-Aware Rate Adaptation and MAC Protocols

09/18/09

背景及动机介绍：

无线技术朝更宽的频谱发展。举例如1）802.11n用40MHz和超宽频UWB；2）FCC允许使用DTV信道间未使用的频率，即whitespace，大约100MHz-250MHz；3）近期在WiFi上的研究建议废除信道划分的概念，一个节点限制在一个20MHz的信道内，可能导致负载不均衡，允许所有节点按需接入到整个802.11的频谱中。

更宽频谱带来频率分集的机会。

不同的频率经历不同的衰减，对于某一对Tx和Rx不同频率表现出不同的SNR（差异超过20dB，不同SNR可允许不同的速率），TxRx对不同对应的好频率也不同。

那么只有一对时，为每个子信道选择最佳的速率，即调制和编码方式（都是基于OFDM，现状是所有子信道20MHz都采用一样的速率）；

多对时，应为不同的TxRx分别分配好的、适合的频率，频带可间断或离散。

目前的速率调整和MAC都忽略这些信息，无法处理把握更宽频谱带来的频率分集机会。

 

主要贡献：

提出FARA一种有频率意识的速率调整和MAC协议。它利用频率的不同SNR性质来增加吞吐量。

1）通过一般数据传输稳定计算每个频率或子信道的SNR。

2）每个子信道根据自己的SNR独立地选择速率，而不是整个链路，即所有子信道选同一个速率；

3）在MAC层，为不同TxRx对分配工作最适宜的频率；

4）在FPGA上实现FARA，与802.11比较提高3.1倍的吞吐量。

 

实现细节：

FARA分成4个部分：1）每个频率的SNR估计，干扰与否都可估计；2）频率意识的速率调整；3）频率意识的MAC；4）负载竞争（这一部分有凑分嫌疑）。

 

1）  如何估计SNR？

OFDM有导频信道，用于收发端同步，发生的是已知位，由BPSK调制。FARA为每个数据子信道估计SNR。用数据信道估计信号强度，用导频信道的已知位估计噪音。

每个数据子信道可测量接收强度Ri，信号强度Si= Ri – Ni。

SNRi=Si/Ni=Ri/Ni -1。

在同一个链路上，所有子信道的噪音是一样的，Ni=N0，因为噪音来自接收方的硬件、量化和计算错误，与频率无关。

计算N0时，为每个导频信道的每个符号计算ni[K]，然后求中值。

ni[K] = yi[k]- Hi xi[k] = 第K个符号的接受样本 – 信道* 传输样本。

（疑惑：样本是什么单位？Hi表示信道是什么值，噪音不是与频率无关，那么Hi是什么含义？）

每到一个包，就可以计算新的SNR，用时间权重得到平均SNR值，每个包更新。

a)      干扰还可以估计？干扰了还可计算接收强度；噪音估计只要求导频，因为是已知，而且用BPSK稳定，所以噪音估计还能精确。（有干扰后，收到的接受强度是R=S+I+N，就把干扰信息也包含在内，得到的还是原来信道的SNR吗？）

b)      估计有多精确？信号和噪音的估计横跨了整个包，比之前的只用前导码估计要精确。

c)      速率不影响SNR估计？SNR估计只测量子信道的功率，在任何包上完成独立于传输的调制和编码模式。

2）  频率意识的速率调整

FARA用与802.11一样的调制和编码模式，但FARA为每个子信道选择独立的调制和编码方式。但不需要添加新硬件，把样本缓存，用一样的通道处理就行。（本一起处理调制和编码的，变成分开处理，而且为不加硬件并行变成串行，时间是不是花比较久了？）

将SNR映射到最优速率：SNR性质表，固定不变，一旦形成只需查询。表中标明某种速率或调制编码方式要求的最小SNR。接收方为每个子信道选择该SNR能支持的最高速率。SNR低于最小值的子信道不被使用。这个表独立于位置和时间，有些硬件已经提供，没提供的可以强制方式执行。

Rx为每个子信道计算最优选择，用802.11的同步ack反馈给Tx，在ack中增加一个域。

 

具体协议流程：

第一次通信：

Tx为所有子信道选最保守的速率发送；

Rx第一次估计SNR和速率，为快速跳到合适的速率上，反馈ACK中直接包含合适速率。

之后的通信：

因为速率改变一般从当前速率到邻近速率，为减少反馈开销，只反馈改变。2bit就足够，上升，下降或不变。

不变时，可进一步用run-length编码压缩，硬件中容易应用。

 

变长的ack不会影响802.11行为，802.11本来就有同步ack，等待SIFS后才能发送。下一个包开始发送必须等媒介空闲。

包或ack丢失怎么办？Rx在每个ack中包含序列号，存储Tx收到ack后的速率状态；Tx在数据包中包含接收到最后一个ack的序号；Rx收到数据包后，查看ack序号对应的状态，可得到需反馈的累计差异。

因为ack同步，Rx只需要多保存最后被Tx收到的ack序号。然后把原来的ack序号和累计差异包含在新ack中，表示累计差异的基于谁的，以便Tx更新。

 

3）  频率意识的MAC

FARA允许同时有多个下一跳，给他们分配不重叠的OFDM子信道集，可以不连续。通过选择并发下一跳集和分配信道，以最大化吞吐量。选择分配原则：最小化占有媒介的时间，使传输时间相等。包大小一样，速率分配要相等。包大小不一样，按包大小比率。这是个NP难问题，约简后是双包装问题（bin-packing problem），采用近似解。

具体原则：1）使速率相等；2）使Rx各自使用到最好的频率，该频率对应的SNR较高。

具体流程：

1）选择N个包

一次并发只能传N个包（2-5个），Tx为每个下一跳准备索引队列指向原始队列中的数据包。先选原始队列头的包，然后从队列非空的下一跳中随机选N-1个，对应的索引队列头指向的包，随机确保公平性。

2）给N个下一跳分配频率，随机贪婪法

SubbandAssignment: 子信道个数，为每个子信道分配下一跳

RateCounter: N，每个下一跳的总速率

随机排列N个下一跳，先将所有频率分给第1个。为最小总速率的下一跳选最优的子信道，对某个最小速率下一跳nmin，找最大总速率下一跳nmax，从nmax中找对nmin优对nmax差的子信道，选择deta[i]=ratenmin[i]-ratenmax[i]最大的信道分给nmin，i为分给nmax的子信道。调整上面两个参数。

重复过程直到不能给最小的速率再增加。

 

通过deta[i]，分配较佳的频率给下一跳。

通过重复分配，达到相等速率的目的。

多个下一跳，按顺序回复ack。

WLan中一般节点只有AP一个下一跳，不能从FARA MAC中获得增益。AP和Mesh中的节点可以从FARA的速率调整和MAC中获得好处。

 

4）  负载意识的竞争

FARA允许使用整个802.11频谱，直接用之前的技术来负载均衡。

技术1：通过队列中活跃节点的个数来模拟竞争。当有N个活跃节点，AP从N个时间竞争槽中随机选，选择最小时间槽的发生。

技术2：测量竞争窗口大小。竞争窗口大小是竞争者个数的函数。IdleSense按媒介空闲时间长度来更新最小竞争窗口。

使用完整的频谱，导致更高的竞争可能。可用RTS-CTS来解决隐藏终端问题。

 

实验效果：

在FPGA上同时实现FARA和802.11。

1．验证不同频率的SNR差距大。非视距内差15-25dB（），视距差5-10dB。而且在秒时段内保持稳定，这是使用频率分集的要求。否则如是微妙的变化，太快，开销大。

2．验证SNR映射到最佳速率是强健的。给定某SNR可支持的最高速率是独立于位置和时间的，也与频率无关。在所有位置，给所有子信道所有编码方式进行测试，得到某编码方式下SNR和1MHz信道上的速率关系。在不同位置不同时间得到的最大速率包迹基本一致。

3．来自速率调整的增益。分别在20MHz和100MHz带宽的情况下与SampleRate比较，所有的位置上都测试5次，增益分别为1.1-1.5倍和1.4-3.6倍，平均1.25倍和2.1倍。为迁就较差的频率，802.11只能选较低的速率。

4．来自MAC的增益。只有5个板子，1个为Tx，4个Rx。改变4个Rx的位置增加次数，每次10遍。在100MHz的带宽下，FARA一个帧发4个包，少了进入媒介的开销，为只体现频率分集的效果，允许802.11的发生着不同等媒介空闲才发送，节省进入媒介的时间，反正只有1个发生者。与原始的802.11CSMA MAC+SampleRate比较吞吐量，一个为纯FARA，一个为CSMA MAC + FARA Rate adaption，前者3.1倍，后者为2.6倍。增益来自于一对（速率调整）约70%，也来自于多对（MAC）约30%。

5．负载更均衡。2个AP，一个有多个用户，一个只有1个用户。比较不同用户比率下公平性。用jain fairness index表示公平性，1最公平，1/n最不公平。在40MHz带宽下实验，802.11两个AP分别各有20MHz，FARA共享40MHz。FARA保持1，802.11线性下降。