专利名称：一种通过估算信噪比优化选择802.11传输速度和包长度的方法
一.应用领域本发明专利属于无线数据通信领域，是一种通过估算信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)优化选择802.11传输速度和包长度，从而得到最大有效带宽(goodput)的方法，该方法只对当前IEEE 802.11x协议栈进行改进，而不需要特定的硬件支持，因此特别适用于当前广泛使用的IEEE 802.11x系列网络。
二.技术背景IEEE 802.11x系列协议是当前无线数据传输领域中一种事实上的标准，目前它包括15个子协议802.11，802.11a，b，…n。802.11x的传输速率跨度非常大，从基本的1Mbps，目前802.11a/g所支持的54Mbps，到即将成为标准的802.11n所支持的100Mbps。尽管IEEE802.11x有这么大的速率范围，但是协议本身却没有制定具体的速率自适应机制，而将这个问题留给研究界和生产厂家。
根据香农定理C＝H*log2(1+S/N)可知当固定信号带宽情况下，信噪比越高，信道的最大数据传输速率越大，因此，简单而精确发现当前信道信噪比是IEEE 802.11x速率自适应的关键。迄今，业界专家和学者对SNR的精确估算进行了大量理论研究，包括①采用纯软件方法，通过测量帧错误率(Frame Error Rate，FER)来估算SNR；②利用训练系列进行SNR估计的方法，如果不用训练序列，其估计的精度取决于符号错误特性；③通过对接收信号强度方差矩阵的特征根进行分解来得到SNR的估计值；④通过将接收信号投影到表征期望信号的子空间上来估计SNR；⑤假设噪声强度不变，通过测量接收端信号强度的值来估算SNR。综观以上这些方法，要么很不精确且测量周期长(如Lucent公司采用的、通过测量错帧率来调整传输速度的Auto-Rate Fallback，ARF)，要么假设条件过多(如Receiver-based RateControl，RBAR，它需要准确知道对方信号强度，通过测量接收信号强度，来推测SNR)，要么过于复杂、不适用于IEEE802.11广泛应用的便携式设备。
三.发明概述本发明专利主要提出了一种基于查表方式的、简单的SNR估算方法，因为它是基于表查找方法，而且也不需要特定的硬件支持，所以它特别适于IEEE802.11x的移动便携式应用。
本专利受如下两点启发①当无线调制方式和传输速率确定时，BER和SNR之间存在一对一映射关系，如图1为IEEE802.11b协议中BPSK，QPSK和CCK5.5/11等几种调制方式和速率的BER/SNR关系图，该关系图既可由理论推导得出，又可实测得出，实际应用中大多采用实测经验曲线；②根据BER/SNR关系图可以发现在SNR相同时，各个发送速率的BER差别很大，如附图1中在信噪比SNR为5dB时，2/5.5/11Mbps的误码率分别为10-6/10-3/10-2。
因此，本发明专利提出了如下方式估算SNR通过发送公知的、无需校验码的、高速率特征序列串，计算BER的值，然后查表得出当前信道的SNR值，这样做的原因是①速率越高，越容易发生误码，如IEEE 802.11b中以5.5Mbps发送1000比特的数据，出现位错误的概率为1/1000，也就是很难捕获到误码，而同样情况下，用11Mbps发送时，1000位数据中，平均将出现10位误码；这点类似于在各领域广泛应用的“压力实验”这种方法，即通过设置苛刻的实验条件，让故障更容易表现出来；②采用双方公知的、无需校验码的序列串时，可以直接计算出比特误码率；而非公知的序列串却不能实现这种效果，即使采用CRC校验码，也只能定性地指示有错误发生，而不能定量地指示出比特误码率的程度。
通过上述方法得到当前信道的SNR后，同时可以得到各种可选速率下的BER。当得到BER后，并不意味着选择最高速率就可以达到最大系统有效带宽，如果在高速率时因误码较多而引发的重传较多，则传输同一个包的时间较长，然后根据有效带宽的计算公式Goodput＝8*Length/Tframe如果采用基本传输方式，即没有RTS/CTS传输过程，则有Tframe=Σi=1∞P[n=i]·Σj=0i-1[aSIFSTime+Tackm+aSlotTime+T‾bkoff(j)+Tdatam(L)]+Tdatam(L)+aSIFSTime+Tackm]]>上式中P[n＝i]表示在第i次重传一个帧成功的概率，P[n=i]=[1-Psuccessm(L)]i-1*Psuccessm(L)]]>上式中Psuccessm(L)为以速率Vm发送一个帧长为L的数据时，成功的概率，它可以由数据帧错误概率，和应答帧错误概率得到，即Psuccessm(L)=(1-Pe_datam(L))·(1-Pe_aclm)≈(1-Pe_datam(L))=(1-BERm)8*L]]>所以，当选定发送速率Vm时，BERm也就确定了；此时有效带宽Goodput仅和帧长度L相关，此时我们根据G(L，BERm，Vm)/L＝0，从而可以求得Lopt，当L＝Lopt时，有效带宽的值最大。
针对当前无线信道信噪比SNR的状况，我们可以知道与发送速率Vm对应的BERm，依照上述方法，我们可以求得各个速率下的最优带宽Lopt(m)及其对应的有效带宽Gm。即在当前信道状况SNR下，采用Vm和包长度Lopt(m)发送数据，就能达到系统的最大有效带宽Gm。
四.
图1IEEE 802.11b的位误码率和信噪比关系2通用测试帧参考格式图3单纯测试帧参考格式图4单纯反馈帧参考格式图5接收过程流程6发送过程流程7当IEEE 802.11出现包错误时，采用该方法测试SNR的例程五.具体实施方法BER和SNR的测量都要是由接收者具体执行，然后接收者通过某种方式将测量结果反馈给发送者。该方法的实施包括两个前提条件①发送者(sender)和接收者(receiver)知道双方所采用调制方式在各种发送速率下的BER/SNR经验曲线，以及测试采用的特征序列串；②在发送测试用特征序列串之前，sender能同步receiver，能通知receiver本次发送特征序列串长度、速度，以及能向receiver捎带反馈receiver前次测试结果BERformer(如果receiver前次发送过测试帧，就正常反馈BERformer；如果receiver前次没有测试需求，将该值设为全1)。
对于第一个条件，我们采用①将BER/SNR曲线转换成查找表，作为初始化数据存贮在sender和receiver的内存中；②采用公知的特征序列串，如1010……1010。
对于第二个条件，我们可以①采用特定的同步头，将sender和receiver同步；②在同步之后设置固定的低速率协商字段，该字段包括本次测试采用的特征序列串的长度(len)和发送速度(rate)、以及对方前次测试结果BERformer，需要特别指出的是该低速率协商字段要确保无误，因此，我们采用CRC对该字段进行校验；③紧接协商字段之后，才是以rate速率发送的长度为len的特征序列串。这种同步和协商方法现在广泛采用的、行之有效的方式，如IEEE802.11b中的一种帧格式就是144bit的同步头，用来指示数据长度和发送速度的48bit的协商数据头，这两者以1Mbps的低速率发送，后续才是指定发送速率的、可变长度数据。
图2给出了测试帧的参考格式，根据需要，每个节点都可以发送3种类型的测试帧
1.如果仅需测试，不需反馈前次测试结果，就按需求设置len和rate，但把BER设为全1，我们称之为单纯测试帧，参见图3，该帧用于发起测试、以及发起者的对方不要求测试的情况；2.如果仅需反馈前次测试，本身不需要测试BER，就设置len＝0，rate＝0，BER为前次测试结果，我们称之为单纯反馈帧，参见图4，该帧用于反馈普通测试帧；3.如果既需要反馈对方前次测试结果，自己还需要测试BER，就按需求设置len和rate、将BER设置为前次测试结果，这就是图2所示的通用测试帧，该帧既反馈前次结果，又发起本身的测试。
整测试包括两个阶段接收阶段，和测试阶段；测试过程相应分为两个接收和发送两个过程，每个节点都含有这两个过程。
图5是具体的接收过程流程图，接收过程主要完成接收并分析收到的帧，得到SNR结果，并为接下来可能的发送设置参数。其中我们指定①sender和receiver双方支持的最小传输速率是Vmin，最大传输速率为Vmax；②BERformer是接收帧中捎带而来的数据，是前次特征序列串的误码率，BERcur是当前接收帧的误码率，由计数得来；③BERtoobig是误码率上限，设置该值的目的是为了准确测量SNR，因为太大的BER只能表示当前干扰太大、不能用来精确估算SNR，为了进一步精确测量SNR，就需要降低速率来推算SNR，当推算出来的SNR波动范围很小、前后两次测量值的差值小于测量精度SNRdlt时(SNRdlt是SNR测量精度，该值主要是为了提高测量精度)，就认为测量准确了。BERtoobig、SNRdlt、特征序列串长度len等测量参数根据具体网络协议、测量需求而定，原则上是测试帧长度越长，测量越准确，但是测量时间也越长；BERtoobig和SNRdlt反映测试精度，精度需求越高时，测试代价也越大。
图6为具体的发送过程，有两种情况需要确定初始化速度①无任何背景知识、首次发送数据包，发送者估算采取何种速率比较合适，此时我们设置Vtest＝(Vmin+Vmax)/2，BERformer全1；②在某一速率下，帧错误频发，发送者要通过测量BER、推算SNR、进而找到可用的最大发送速率，此时我们设置Vtest＝(Verror+Vmax)/2，其中Verror引起帧错误时的发送速率。特别注意的是如果连续两次以Vmax为速率测试SNR时，BER仍然为0，则不能准确估计信噪比，只能认为当前信道质量较好；在连续以最低速度Vmin发送特征序列串2次之后，BER仍然大于BERtoolarge，则不能准确估计信噪比，只能认为当前信道质量很差。
求出无线信噪比SNR后，就可以查表找到各种速率下的BER，然后，就可以根据G(L，BERm，Vm)/L＝0，从而可以求得Lopt，当L＝Lopt时，有效带宽的值最大Gm。一般情况下，IEEE 802.11x大多应用于便携式无线移动环境，计算条件简单。
为了解决这个问题，我们采用将上述计算过程转化为查表过程的方法，即针对选定的包长度L，求出其在当前SNR下各种Vm下的Gm以及达到该Gm的Vopt(m)，这样就得出了一个关于长度L、SNR、和Vm的三维表格。在实际应用中，在知道SNR后，查找并比较各种长度L下的Gm，使得Gm最大时，就是最优化的Vm和Vopt(m)。
图7为当IEEE 802.11出现包错误时，采用该方法测试SNR的例程，它主要分两步①包错误发送时，sender进入发送过程，以高于Verror发送测试帧，当receiver接收到该帧后，计算出BERcur，就可以知道前向SNR；②receiver将BERformer＝BERcur，然后发送通用测试帧，sender收到该帧后，就可以知道前向和后向两个SNR，由于IEEE 802.11要求，Data和ACK速度要一致，所以sender就从前向SNR和后向SNR中选择较小的一个，作为选择下次发送数据速率的依据。
权利要求
1.一种通过估算信噪比优化选择802.11传输速度和包长度的方法，该方法包括信噪比估算过程，以及最优发送速率和包长的查找过程。其特征在于发送端向接收端发送高速特征序列串，接收端计量比特误码率，并向发送端反馈，发送端进而根据BER/SNR的经验曲线，采用查表法得出信噪比，以及当前信噪比下各种速率的比特误码率；然后通过查找速率、包长度、和最优有效带宽表，找到当前SNR下采用何种速率、和何种包长发送时，能达到系统最大有效带宽。
2.按照权利要求1的方法，它包含信噪比估计过程，其特征在于特征序列串为双方共知，且在特征序列串实际发送之前，发送方和接收方已经达到同步，并且接收方知道特征序列串长度和发送速度。
3.按照权利要求2的过程，其特征在于发送方先通过发送特定同步头，使双方同步；紧邻同步头的是以固定低速率发送的、固定长度的三个字段速度、长度、前次测试比特误码率(如果前次没有进行测试，则该字段为全1)，他们分别指示特征序列串的发送速度、长度和前次测试的比特误码率；接下来发送已知长度和速率的特征序列串。
4.按照权利要求1的方法，它包含信噪比估计过程，其特征在于发送方可以根据要求的信噪比精度、以及对方反馈的比特误码率，重新调整下次发送特征序列串的发送速度。
5.按照权利要求4的过程，其特征在于如果反馈的比特误码率大于BERtoolarge(该值根据具体无线通讯协议、以及精度要求而定)，则减小发送速率为(Vtest+Vmin)/2；如果对方反馈的比特误码率为0、或其他情况，则提高发送速率为(Vtest+Vmax)/2，其中Vtest，Vmin和Vmax双方前次发送数率、以及双方支持的最小和最大传输速率。
6.按照权利要求1的方法，它包含信噪比估计过程，其特征在于如果是因包错误而触发测试信噪比，则特征序列串的初始速度为(Verror+Vmax)/2，其中Verror为错误时传输速度；如果是首次发送数据前测试信噪比，则特征序列串的初始速度为(Vmin+Vmax)/2。
7.按照权利要求1的方法，它包含信噪比估计过程，其特征在于在连续以最高速度Vmax发送特征序列串2次之后，BER仍然为0，则不能准确估计信噪比，只能认为当前信道质量较好；在连续以最低速度Vmin发送特征序列串2次之后，BER仍然大于BERtoolarge，则不能准确估计信噪比，只能认为当前信道质量很差。
8.按照权利要求1的方法，它包含最优发送速率和包长的查找过程，其特征在于速率、包长度、和最优有效带宽表是预先计算好的表格，这样做的目的是为了用查表代替计算，提高速度。
9.按照权利要求8的过程，其特征在于表中的速率、包长度是一系列离散的典型值，这样做的目的是为了减少表格的存储空间。
10.按照权利要求8的过程，其特征在于权利要求8中所涉及的表格是的计算过程如下在当前信噪比情况下，对于某一指定速度，可以通过查找SNR/BER表找到其比特误码率，然后根据有效带宽和包长度之间的函数关系，通过对有效带宽求包长度的偏导，找到使有效带宽最大的包长度。依此类推，就能得到速度、包长度、最大有效带宽的表格。
全文摘要
本发明涉及一种通过估算信噪比优化选择802.11传输速度和包长度的方法，它包括两个①通过发送高速特征序列串来测量比特误码率BER，进而根据BER/SNR的经验曲线，查表得出当前信道的SNR，进而可以得出当前SNR下各种速率的BER；②通过查找预先计算好的速率、包长度、和最优有效带宽对照表，找出当前SNR下，以何种速率和包长度发送数据，能达到最大有效带宽，这样做的目的是为了用查表代替计算，提高速度；另外，表中的速率、包长度是一系列离散的典型值，这样做的目的是为了减少表格的存储空间。该方法采用“压力实验”方式的SNR估算、和查表方式的有效带宽优化，简单易行，特别适合便携式无线设备。
文档编号H04L12/56GK1750521SQ20041007790
公开日2006年3月22日 申请日期2004年9月17日 优先权日2004年9月17日
发明者冯彦君 申请人:冯彦君