基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，具体公开了一种基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法。


背景技术：

2.移动自组织网络(mobile ad hoc network，manet)是一种多跳的临时性自治系统。该网络采用了计算机网络中的分组交换机制，每个用户终端都兼有路由器和主机两种功能。作为一种分布式网络，移动自组织网络是一种自治、多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，能否在不能利用或者不便利用现有网络基础设备的情况下，提供终端之间的相互通信。节点之间会采用不同的调制编码(modulation and coding scheme,mcs)方式以应对不同的信道状况。
3.宽带自组织网络的核心要点是有效应对信道的复杂性、网络拓扑的动态性，提供有保证的服务质量。具体来说，就是通过宽带自组织网络的两个机制，即波束成形和空间分集，设计两种工作模式，将数据平面和控制平面进行分离。传统ad hoc网络中数据面和控制面无法分离，无法解决马赛克战通信组网面临的两个挑战。采用宽带自组织网络技术后，数据平面和控制平面相互分离，一系列新型关键技术，如动态自适应调制编码、波束成形算法、基于网络态势感知的空时频资源调度、基于业务感知的端到端路由机制和基于情境感知的网络拓扑动态重构等均可以应用到马赛克战通信组网设计中。ieee802.11标准并没有对ad hoc模式定义不同调制编码方式间的选择方式，mcs的自适应算法主要由硬件厂商在设备中定义。现在主流的mcs自适应算法大致分为三类：第一类是基于历史信息的发端决定的算法，包括aarf算法、minstrel算法、onoe算法等，其都是利用ack进行发送正确/失败的统计，对mcs进行调整。此类算法的弊端在于需要在较大的时间尺度上统计收包正确率，当用于ad hoc这种突发性、信道情况变化快的场景时，可能出现无法快速进行高低速率切换的问题；第二类是基于信息反馈的收端决定的算法，包括rbar算法、oar算法、aar算法等，其都是使用rts/cts进行反馈，需要改变rts/cts的帧结构。其问题在于需要更改帧结构，与绝大部分的802.11设备不兼容；第三类是基于接收节点处的snr预测反馈的算法，包括sgra、charm等算法，其都是在发送端，利用发送节点和接收节点之间的信道互易性，预测接收节点处的snr。其问题在于网络覆盖范围大，信道质量参差不齐的情况下，就会出现收发两端节点噪声功率不对称的情况，造成snr不对称，预测出现偏差。
4.本发明针对ad hoc这种突发性、信道情况快速变化的场景，ad-hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网；整个网络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中，由于终端无线覆盖取值范围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器；并利用此种新型ad hoc设备中将数据平面和控制平面进行分离的结构特点，公开了一种基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适
应选择方法。本发明方法1)能够直接利用数据时隙获取接收端的snr数据，避免了传统的基于预测接收节点处snr的算法引入的预测偏差；2)能够根据帧传输率动态调整snr门槛，动态性较强，克服统计类算法无法应对快速变化的信道情况的问题；3)能够适用于基于控制面与数据面分离的新型移动自组网设备，合理利用控制面信息，对数据时隙的发送速率进行决策，提高系统的吞吐量。


技术实现要素：

5.发明目的：为了克服1)minstrel、aarf等算法对于ad hoc网络这种突发性、信道情况快速变化响应较慢的问题；2)未区分信道丢包和碰撞丢包的问题；3)rbar、oar等算法改变rts/cts的帧结构而不适用于绝大部分802.11设备的问题；4)sgra、charm等算法预测接收节点处的snr作为选择mcs的依据而带来偏差的问题；同时适用于本设备的控制面与数据面分离的新架构，本发明公开了一种基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法。
6.本发明的技术方案是：基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法，控制面和数据面分离的移动自组网(mobile ad hoe network，manet)中，在控制时隙中采用载波监听多路访问(carrier sense multiple access，csma)机制，竞争发送自己融合后的态势信息，完成邻居节点的勘测与感知；态势信息包括链路传输质量和节点队列长度；为了保证每个节点都有发送态势信息的机会，态势信息要足够短并且足够实时，且每个节点的控制时帧最多发送一次，同时还要考虑退避。在数据平面中，同样采用csma机制，但是需要利用控制平面的态势信息，形成一定的“网络秩序”，减少错包和碰撞而引发的吞吐的下降；在传统的基于信噪比(signal-to-noise ratio，snr)的速率自适应算法的基础上，对算法进行改进，并应用于采用控制面与数据面分离的移动自组网设备，包括以下步骤：
7.步骤一、在移动自组网设备内构建一张关于当前链路snr低门槛和所有支持的调制与编码策略(modulation and coding scheme，mcs)索引值的映射表；
8.步骤二、从控制时隙接收的态势帧中读取最新更新的发送节点到接收节点的snr；
9.步骤三、遍历步骤一建立的映射表，选择当前snr对应的mcs索引值作为基本速率；
10.步骤四、采样传输过程：使用4种速率r0/r1/r2/r3分别传输c0/c1/c2/c3次，决策出传输速率，同时更新基本速率；
11.步骤五、正常传输过程：使用步骤三中决策出的传输速率发送数据包；
12.步骤六、根据ack(确认消息)的反馈统计帧传输率；
13.步骤七、在数据时隙结束时，根据帧传输率调整snr低门槛值；
14.步骤八、对snr进行门槛矫正；
15.步骤九、新的控制时隙到来，循环执行步骤二至八，直到节点没有发送需求。
16.在步骤一中，使用snri表示选择mcsi进行传输的低门槛值，设置snr0为th0，snr梯度为δ，即snr1＝th0+δ，snr2＝th0+2
×
δ，
…
，snrn＝th0+n
×
δ。获取一张snr-mcs映射表。
17.在步骤三中，802.11射频速率的配置通过索引值实现。mcs调制编码表是802.11为表征wlan的通讯速率而提出的一种表示形式。mcs将所关注的影响通讯速率的因素作为表的列，将mcs索引作为行，形成一张速率表。所以，每一个mcs索引其实对应了一组参数下的
物理传输速率。
18.在步骤四中，结合步骤三中得到的基本速率r0，找到4个速率对，它们分别是：基本速率r0/c0，高试探速率r1/c1，低试探速率r2/c2，最低可用速率r3/c3；其中基本速率从mcs-snr映射表中得到，高、低试探速率是与基本速率对应的mcs索引值相邻的两个mcs索引值对应的速率，最低可用速率是保证发送成功的速率；在采样传输过程中至多发送(c0+c1+c2+c3)个帧，首先以基本速率r0发送c0次，如果发送成功，则考虑使用高试探速率r1发送c1次，如果再次发送成功，则选择高试探速率r1作为传输速率；如果使用高试探速率r1在c1次之内没有发送成功，则以基本速率r0作为传输速率；如果使用基本速率r0在c0次之内没有发送成功，则考虑使用低试探速率r2传输c2次，如果传输成功，则设置低试探速率r2为传输速率；如果传输失败，则使用最低可用速率r3作为传输速率。
19.在步骤六中，使用步骤四中决策的传输速率，对剩余帧进行发送，统计在一个数据时隙中的帧传输率(frame delivery ratio,fdr)，其中需要区分碰撞丢包和信道丢包的情况：每发送一帧则总帧数t＝t+1；每次当rts/cts预约信道失败时，预约失败计数器β＝β+1；每次当成功发送数据帧时，则α＝α+1；那么此时的fdr由下式给出：
[0020][0021]
在步骤七中，使用的在线校准机制如下：对于整个数据时隙统计的fdr，控制时隙读取的snr，当snr《snriand fdr》0.1时，snri＝snr；当snr《snr
i+1
and fdr》0.9时，snr
i+1
＝snr。
[0022]
更新门槛后，可能会存在更新的门槛值大于下一个速率对应的门槛值的情况，因此需要在步骤八中对门槛的单调性进行矫正，矫正过程需要保证：1)snri≤snr
i+1
；2)snr
i+1
≤snri+δ。当判断需要矫正时，将δ作为上下移动的参考值，即snr
aftercalibration
＝snr
beforecalibration
±
δ。
[0023]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：本发明方法1)能够直接利用数据时隙获取接收端的snr信息，避免了传统的基于预测接收节点处的snr的算法引入的预测偏差；2)能够根据帧传输率动态调整snr门槛，动态性较强，克服统计类算法无法应对快速变化的信道情况的问题；3)能够适用于基于控制面与数据面分离的新型移动自组网设备，合理利用控制面信息，对数据时隙的发送速率进行决策，提高系统的吞吐量。
附图说明
[0024]
图1是实施例涉及的基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法的阶段流程图；
[0025]
图2是实施例涉及的控制时隙态势帧结构图；
[0026]
图3是实施例涉及的采样传输过程中的传输速率选择流程图；
[0027]
图4是实施例涉及的在线校准机制的校准过程图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
本实施例所涉及的适用于移动自组网的调制编码自适应选择方法主要分为九个阶段：初始化映射表-获取snr-选择mcs-采样传输过程-正常传输过程-统计fdr-更新snr门槛-门槛矫正-时隙刷新，附图1是基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法的阶段流程图。
[0030]
步骤一、初始化映射表
[0031]
使用低门槛值表示选择当前mcs的最低snr值，每一个mcs对应于一个snr的低门槛，即当snri≤snr《snr
i+1
时，选择mcsi。设置snr0为th0，mcs0对应的snr低门槛为th0，此门槛的典型值可以根据实际测量给出，通用典型值为5db。设置snr梯度为δ，即snr1＝th0+δ，snr2＝th0+2
×
δ，
…
，snrn＝th0+n
×
δ，其中δ的典型值为4db。获取一张snr-mcs映射表，覆盖所有mcs。
[0032]
步骤二、获取snr
[0033]
在该设备构建的移动自组织网络中，每个节点的相对位置不停地变化，因此每个节点接收其他节点的信号功率以及节点在每个位置的噪声功率也在实时变化，实际应用中需要每个节点采用一定的时间间隔。该设备的数据链路层以时分的形式实现了控制平面与数据平面分离，形成两个相对独立的ad hoc虚拟子网。在控制时隙中，本节点将接收来自于邻居节点的态势帧信息，将之与本地已有的邻居节点信息进行融合，同时感知邻居节点与本节点的链路状态，计算snr，将之填充在本节点将要发送的态势帧中。在控制平面子网中，采用有优先级的cmsa的机制，确保每个节点都有发送态势的机会。在数据平面子网中，同样采用csma机制，同时可以利用控制平面的态势信息，形成一定的“网络秩序”，减少错包和碰撞而引发的吞吐的下降。
[0034]
移动自组网中，某个接收端周围经常存在多个邻居节点，却该接收方各个邻居节点的snr大小不尽相同，因此需要特定的态势帧结构对不同链路之间的snr进行区分，格式如图2所示。
[0035]
当邻居节点接收到该帧后，会提取该帧中的mac信息，与本地保存的邻居节点信息进行匹配，如果存在则更新相应的snr信息，如果不存在则创建新的邻居节点信息，保存在本地。数据时隙开始时，当有数据帧向目的mac地址发送时，则先遍历本地记录的邻居节点mac和snr映射信息，找到目的mac地址项，读取对应的snr信息。
[0036]
步骤三、选择mcs
[0037]
802.11射频速率的配置通过索引值实现。mcs调制编码表是802.11为表征wlan的通讯速率而提出的一种表示形式。mcs将所关注的影响通讯速率的因素作为表的列，将mcs索引作为行，形成一张速率表。所以，每一个mcs索引其实对应了一组参数下的物理传输速率。
[0038]
根据本地存储的邻居节点信息，获取数据帧的目的mac地址，对应接收端接收侧的snr信息，遍历snr-mcs映射表的各项，找到snr对应的mcs作为基本速率。
[0039]
步骤四、采样传输过程
[0040]
具体的采样传输过程如附图2所示。结合上一步获得的基本速率r0，可以延伸出4个速率对，表示成速率/重试次数的形式，它们分别是：基本速率r0/c0，高试探速率r1/c1，低试探速率r2/c2，最低可用速率r3/c3；其中基本速率是从上一步建立的映射表中根据本地存
储的邻居信息中读取的snr对应得到，高、低试探速率是与基本速率对应的mcs索引值相邻的两个mcs索引值对应的速率，最低可用速率是保证可以发送成功的速率，一般选择mcs1。在采样传输过程至多发送前(c0+c1+c2+c3)个帧，首先以基本速率r0发送c0次，如果发送成功，则考虑使用高试探速率r1发送c1次，如果再次发送成功，则选择高试探速率r1作为传输速率和基本速率；如果使用高试探速率r1在c1次之内没有发送成功，则以基本速率r0作为传输速率和基本速率；如果使用基本速率r0在c0次之内没有发送成功，则考虑使用低试探速率r2传输c2次，如果传输成功，则设置低试探速率r2为传输速率和基本速率；如果传输失败，则使用最低可用速率r3作为传输速率，同时设置基本速率为max(r2-1,r3)，表示r2对应的mcs索引值减一得到的索引值对应的速率与r3中较大的一个。在采样传输过程中，c0/c1/c2/c3的典型值为(2,4,4,2)。
[0041]
步骤五、采样传输过程
[0042]
此过程使用上一步中决策出的传输速率r，在数据时隙传输需要发送的数据帧。
[0043]
步骤六、统计fdr
[0044]
在数据时隙发帧的同时，统计在一个数据时隙中传输帧的帧传输率fdr，统计过程需要区分碰撞丢包和信道丢包的情况：每发送一帧则总帧数t＝t+1；每次当rts/cts预约信道失败时，即发送了rts预约信道，但是没有收到cts，此时预约失败计数器β＝β+1；每次当成功发送数据帧，即可以收到接收端反馈的ack时，则α＝α+1；那么此时的fdr由下式给出：
[0045][0046]
步骤七、更新snr门槛
[0047]
具体的更新机制如附图3所示。结合数据时隙统计得到的fdr，控制时隙读取的snr联合进行门槛更新。当snr《snriand fdr》0.1时，snri＝snr，即将当前mcs对应的snr门槛更新为从控制时隙读取到的snr；当snr《snr
i+1
and fdr》0.9时，snr
i+1
＝snr，即将当前mcs高一级的snr低门槛更新为从控制时隙读取到的snr；当snr和fdr不满足以上任何一个条件时，门槛值不变。
[0048]
如当前使用mcs＝5进行发送，此时snr5＝22，snr6＝26，若此时从控制时隙读取的snr为24，而fdr＝0.92》0.9，则更新snr6＝24；若经过决策，使用mcs＝6进行发送，而fdr＝0.35》0.1，则更新snr6＝24；若此时决策使用mcs＝5进行传输，但是fdr＝0.75《0.9，门槛值将保持不变。
[0049]
步骤八、门槛矫正
[0050]
更新门槛后，可能会存在更新的门槛值大于高一个mcs对应的门槛值的情况，因此需要对门槛的单调性进行矫正，矫正过程需要保证：1)snri≤snr
i+1
；2)snr
i+1
≤snri+δ。当判断需要矫正时，将δ作为上下移动的参考值，即snr
aftercalibration
＝snr
beforecalibration
±
δ。其中δ为snr的变化梯度。
[0051]
步骤九、时隙刷新
[0052]
经过以上步骤，mcs对应的snr的低门槛值得到更新，当新的控制时隙到来时，本节点重新从态势帧中读取接收节点的snr值，根据snr-mcs映射关系，重新选择mcs对应速率作为基本速率，利用采样传输过程选择传输速率并在正常传输过程进行传输，联合snr和fdr进行门槛更新，重复步骤二到八，实现调制编码自适应的过程。
[0053]
以上所述实施例仅为本发明的优选实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法，其特征是，控制面和数据面分离的移动自组网(mobile ad hoe network，manet)中，在控制时隙中采用载波监听多路访问(carrier sense multiple access，csma)机制，竞争发送自己融合后的态势信息，完成邻居节点的勘测与感知；态势信息包括链路传输质量和节点队列长度；为了保证每个节点都有发送态势信息的机会，态势信息要足够短并且足够实时，且每个节点的控制时帧最多发送一次，同时还要考虑退避。在数据平面中，同样采用csma机制，但是需要利用控制平面的态势信息，形成一定的“网络秩序”，减少错包和碰撞而引发的吞吐的下降；在传统的基于信噪比(signal-to-noise ratio，snr)的速率自适应算法的基础上，对算法进行改进，并应用于采用控制面与数据面分离的移动自组网设备，包括以下步骤：步骤一、在移动自组网设备内构建一张关于当前链路snr低门槛和所有支持的调制与编码策略(modulation and coding scheme，mcs)索引值的映射表；步骤二、从控制时隙接收的态势帧中读取最新更新的发送节点到接收节点的snr；步骤三、遍历步骤一建立的映射表，选择当前snr对应的mcs索引值作为基本速率；步骤四、采样传输过程：使用4种速率r0/r1/r2/r3分别传输c0/c1/c2/c3次，决策出传输速率，同时更新基本速率；步骤五、正常传输过程：使用步骤三中决策出的传输速率发送数据包；步骤六、根据ack(确认消息)的反馈统计帧传输率；步骤七、在数据时隙结束时，根据帧传输率调整snr低门槛值；步骤八、对snr进行门槛矫正；步骤九、新的控制时隙到来，循环执行步骤二至八，直到节点没有发送需求。2.根据权利要求1所述的基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法，其特征是，在步骤一中，使用snr
i
表示选择mcs
i
进行传输的低门槛值，设置snr0为th0，snr梯度为δ，即snr1＝th0+δ，snr2＝th0+2
×
δ，
…
，snr
n
＝th0+n
×
δ。3.根据权利要求1所述的基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法，其特征是，在步骤三中，802.11射频速率的配置通过索引值实现。mcs调制编码表是802.11为表征wlan的通讯速率而提出的一种表示形式。mcs将所关注的影响通讯速率的因素作为表的列，将mcs索引作为行，形成一张速率表。所以，每一个mcs索引其实对应了一组参数下的物理传输速率。4.根据权利要求1所述的基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法，其特征是，在步骤四中，结合步骤三中得到的基本速率r0，找到4个速率对，它们分别是：基本速率r0/c0，高试探速率r1/c1，低试探速率r2/c2，最低可用速率r3/c3；其中基本速率从mcs-snr映射表中得到，高、低试探速率是与基本速率对应的mcs索引值相邻的两个mcs索引值对应的速率，最低可用速率是保证发送成功的速率；在采样传输过程中至多发送(c0+c1+c2+c3)个帧，首先以基本速率r0发送c0次，如果发送成功，则考虑使用高试探速率r1发送c1次，如果再次发送成功，则选择高试探速率r1作为传输速率；如果使用高试探速率r1在c1次之内没有发送成功，则以基本速率r0作为传输速率；如果使用基本速率r0在c0次之内没有发送成功，则考虑使用低试探速率r2传输c2次，如果传输成功，则设置低试探速率r2为传输速率；如果传输失败，则使用最低可用速率r3作为传输速率。5.根据权利要求1所述的基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择
方法，其特征是，在步骤六中，使用步骤四中决策的传输速率，对剩余帧进行发送，统计在一个数据时隙中的帧传输率(frame delivery ratio,fdr)，其中需要区分碰撞丢包和信道丢包的情况：每发送一帧则总帧数t＝t+1；每次当rts/cts预约信道失败时，预约失败计数器β＝β+1；每次当成功发送数据帧时，则α＝α+1；那么此时的fdr由下式给出：6.根据权利要求1所述的基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法，其特征是，在步骤七中，使用的在线校准机制如下：对于整个数据时隙统计的fdr，控制时隙读取的snr，当snr<snr
i
and fdr>0.1时，snr
i
＝snr；当snr<snr
i+1
and fdr>0.9时，snr
i+1
＝snr。7.根据权利要求1所述的基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法，其特征是，步骤八中对门槛的单调性进行矫正，矫正过程需要保证：1)snr
i
≤snr
i+1
；2)snr
i+1
≤snr
i
+δ；当判断需要矫正时，将δ作为上下移动的参考值，即snr
aftercalibration
＝snr
beforecalibration
±
δ。

技术总结
基于控制面与数据面分离的移动自组网调制编码自适应选择方法，控制面和数据面分离的移动自组网中，在控制时隙中采用载波监听多路访问CSMA机制，竞争发送自己融合后的态势信息，完成邻居节点的勘测与感知；态势信息包括链路传输质量和节点队列长度；在数据平面中，同样采用CSMA机制，但是需要利用控制平面的态势信息，形成一定的“网络秩序”，减少错包和碰撞而引发的吞吐的下降；在传统的基于信噪比SNR的速率自适应算法的基础上，对算法进行改进，并应用于采用控制面与数据面分离的移动自组网设备。组网设备。组网设备。


技术研发人员：王健 郭庆远 严沛鑫 鲁安卓
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2023.02.15
技术公布日：2023/7/11