可预测的802.11数据包传送的无线信道测量外文翻译资料

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可预测的802.11数据包传送的无线信道测量

摘要

接收的信号强度指示（RSSI）是无线链路是否工作的易变的指标，原因是许多方面的。这极大地复杂了操作，因为它需要测试和适应，以寻找到最佳的速率，传输功率或其他参数，来进行调整以提高性能。我们发现，对于第一次，无线数据包传输可以只从他们提供的信道的测量来准确地预测802.11内置网卡（NIC）商品。我们的模型采用的是802.11n信道状态信息的测量，作为我们利用有效信噪比的概念研制的一个正交频分复用技术（OFDM）的接收模型的输入。它很简单，易于部署，广泛使用，并且准确。它给802.11a/g 单变量控制系统（SISO）的速率和802.11n多变量控制系统（MIMO）的速率进行数据包传输的预测，为发射功率和天线增加选择。我们报告的试验台实验表明，窄的过渡区（＜2 d B的大多数链接）类似于理想情况下的窄带，频率的平坦的信道。不像接收的信号强度指示（RSSI），这允许我们预测最高的速率，会为一个链接工作，整齐的传输功率，还有更多。我们使用的跟踪驱动的模拟表明，我们的速率预测和802.11a/g的最佳速率自适应算法一样好，甚至超过动态信道，并且将这一良好性能拓展延伸到802.11n。

分类和主题描述

C.2.1[计算机通信网络]：网络的体系结构和设计的无线通信

一般说法

设计，实验

1. 介绍

基于802.11的无线区域网络几乎使用在所有的地方，从机场到动物园，在城市，郊区和农村地区。现代无线网卡提供了一个大的，不断增长的物理层配置，让这一范围内的环境能够获得良好的性能。802.11n标准，这个在大多数笔记本电脑，组合的调制、编码和空间流上使用的最新版本的标准，提供了从6 Mbps到600 Mbps的速率。其他重要的选择包括了发射功率，信道和天线。

为了良好的性能，可靠性和覆盖率，物理层设置应该让射频信道的无线信号和发送信号相匹配。这是明显的速率适配方案，以确定最高的传输速率，因为一个好的方案有很大的吞吐量的影响。其他工作采用传输速率用以减少同信道的干扰。

在理论上，选择物理层配置是很简单的，因为这是直接由无线电频率特性直接决定的。信噪比（SNR）是窄带信道性能的黄金标准。教科书的公式涉及到不同的调制到信噪比的错误率。然后，最好的速率或所需的发射功率的计算就会变得很简单。

在实践中，802.11局域网从来没有将信道测量的使用超过预期性能的指标的范畴。这只是观察测量原理和实际性能不匹配的理论预测的许多方式。比如：最方便的信道测量方式是接受的信号强度指示（RSSI），它像一个代理服务器一样地给真正信噪比服务。接受的信号强度指示（RSSI）测量是样品，它可能随数据包的接收而变化，被错误校准，或者被干扰所损坏，所有的这些都是实践中已知的问题。即使接受的信号强度指示（RSSI）是完美的，它并不反映802.11信道的频率选择性衰落，这些并不接近窄带。它也不考虑不完美的接收器可能会大大降低性能。由于这些因素，最小的接受的信号强度指示（RSSI）在一个变化超过10db的速率的真正的链接的情况下开始工作。

为了调和这些观点，一种形式的引导搜索在实践中广泛的使用，用以选择操作点。数据包的传输只是简单地测试一个速率或发送功率，看看它是如何工作的。如果损失的速率太高，一个较低的速率（或更多的功率）被使用，否则一个较高的速率（或更少的功率）被测试。这种寻找传输速率的方法中，采样率是一个众所周知的算法，这种方法对缓慢变化的渠道和简单的配置是非常有效的（例如，有固定的发射功率和信道的几个速率），因为最好的设置将很快被发现。

然而，搜索变得不那么有效，因为信道变化地更加迅速，配置空间变得更加地复杂，这些因素都是趋势：802.11客户端在他们是真正的移动时，应用地越来越多，无论是步行时还是在车里时；无线网卡现在正在和取决于多天线的802.11被部署着，这增加了另一个维度，并增加了搜索空间的大小。除此之外，调整组合，比如速率和功率是更复杂的。

对于速率的选择，最近的工作已经通过了测量数据包接收的符号级别的细节取得了进展。特别是，软速率使用维特比软编码输出对每个符号来估计误码率（BER）。这使得它可以预测数据包传输的变化率的影响。准确速率使用符号误差向量为了同样的目的。然而，这些方法没有被定义为选择其他有用的参数，比如发射功率，他们没有从802.11a/g 扩展到802.11n标准，例如，当选择天线或数字的空间流时。

在这项工作中，我们返回到用理论和实践相结合来看待802.11无线网卡在真正链路上测量信道的特性的基本问题。能够有取得进展的机会是两点原因。第一，802.11n网卡测量信道的OFDM子载波电平支持MIMO（多天线）操作。他们在一个标准的信道状态信息（CSI）出版物中报告此信息。这提供了比RSSI更丰富的信息源。注意这个CSI自然地适用于802.11a/g速率，因为他们是802.11n速率的一个子集。第二，现代无线网卡使用OFDM，这给了信道估计比展布频谱更少的容易收的干扰（因为较低的相关性），和校准。这两个因素都导致了比过去更有意义的测量。

我们使用CSI作为输入到一个模型的接收器处理，我们开发的用来预测数据包的传送。我们的模型使用的概念是一个有效的信噪比为多载波通道，比如OFDM，在这其中也有不同的子载波的信噪比，加上近似编码，MIMO流之间的干扰，和解码算法。它不需要每一个链接的校准和预测都从一个单一的CSI测量提供了一个广泛的配置（包括速率，发射功率，天线选择，空间流）。我们也期望它可以扩展到其他新的因素，比如波束的形成，它在未来更广泛的适用性。

我们在这篇文章中做出了两点贡献。我们的主要贡献是展示如何准确预测商品802.11 OFDM无线网卡的性能，在真正链路中只使用无线网卡提供的信道测量。我们相信这是第一位的。我们的数据包传输模型是在由许多PC机和3-天线英特尔802.11a/g/n无线网卡组成的两个固定室内无线测试平台上进行测试与评估的。对于范围广泛的配置，我们可以预测一个链路是否会成功地传输数据包（gt;90%），外部的一个窄带（lt;2dB对于大部分链路）的不确定性区域，这是在附近的理想信道的节点连接的电线的类似的行为。这让我们始终如一地预测使用一个信道的最佳速率，并执行其他任务，比如修剪过量的传输功率。相比之下，RSSI往往不能够反映一个足够宽的边缘的不可靠的预测的最佳速率或者功率设置的性能，特别是密集的调制和更高的编码速率（过渡gt; 7 d B 10%的链路）。这种改进的一个关键因素是捕获频率选择性衰落的有效信噪比的使用，这在我们的测试平台当中是显而易见的事情。在我们所知道的知识中，没有发表的作品已经在超越模拟以外的802.11中探索到了有效的信噪比措施。需要注意的是，我们的有效信噪比模型是不预测干扰下的链路的性能的。然而，我们的测量结果表明，它的对无干扰链路质量的估计对传输有强大的干扰。同时，我们还讨论了如何处理持久性干扰的方法。

我们的方法是可行的，而且可以应用到很多经典的问题中，包括速率适配，发射功率调整、信道和天线的选择。虽然在未来的工作中，我们必须离开这些的大部分，但是我们展示了我们的模型是如何能够激活速率适配的。我们的第二个贡献是一个速率选择算法，它和最好的802.11a/g速率自适应算法一样好，并且将这一个很棒的特性扩展到了802.11n。我们的算法简单地使用我们的模型来预测信道的最高速率，并且随着时间的推移重复地跟踪信道。我们使用一个跟踪驱动模拟来把它和采样速率相比较，这广泛地使用在实践中，和软速率相比较，它有着最好的已知的性能。我们的算法接近最可能地跟踪最佳速率，即使是动态的移动的信道。它对MIMO速率有着很好的执行，并且支持增强比如发射功率微调和天线选择。据我们所知，并没有其他的报告在研究802.11n速率适配，为真正的802.11信道进行评估，并没有其他的速率自适应算法能够支持这些增强功能。

1. 动机

对于一个给定的链路数据包的传输现有的预测是基于接收的信号强度指示（RSSI）的值。这是广泛使用的信噪比的代理。我们描述这个映射，用以激励我们的研究。

802.11设置。我们的工作适用于802.11a/g/n收音机，它使用编码正交频分复用（OFDM）。20或40 MHz的信道分到312.5 kHz频段的称为载波，其中每个独立的数据同时发送。卷积编码适用于整个比特的纠错，比特是交叉存取的，以便在频率中传播。每个数据包中的副载波频率是被同等调制的，使用BPSK，QPSK，QAM-16，或者分别是1，2，4，6每符号比特的QAM-64。数据速率取决于调制和编码的组合。

我们的实验平台采用在20 MHz信道操作的802.11n无线电。单流802.11n速率如表1所示。在802.11n的主要创新是空间复用的多天线的使用。通过利用MIMO处理，多个数据流可以同时发送，每个在单流的速率，来提高整体速率的水平。需要注意的是，单流802.11n的细节和802.11a/g略有不同（优化的编码速率和更多的数据子载波），但这种方法不是我们的工作材料，因此我们可以把802.11n作为802.11a/g的一个扩展集。

数据包传输和RSSI/SNR。教材对调制方案的分析给了传输一种根据单信号的信噪比比率的可能性，通常表示在对数分贝。该模型适用于加性高斯白噪声的窄带信道。它预测了一个急剧的1—2dB的过渡区域，一个从非常有损到高度可靠的链路变化。这使得信噪比成为一个很有价值的性能指标。

内置网卡报告给RSSI的值给出了一个对每个接收到的数据包的总信号功率的评估。在RSSI中，数据包的信噪比可以很容易地使用网卡噪声测量计算出来。我们使用信噪比为一个真正的802.11n内置网卡，和一个单一的发射和接收天线，通过一个简单的有线链路的可变衰减器产生了一个性能曲线。我们观察一个特征鲜明的过渡区域的数据包接收速率（PRR）与信噪比。尽管这是相对较宽的20 MHz信道，56 OFDM副载波，编码和其他的位级操作。这是我们想要从一个链路度量，以预测数据包传送的行为。

相比之下，在真正的无线通道的数据包传送并没有表现出相同的图片。过渡区的信噪比可以超过10dB，因此，一些链路容易为一个给定的信噪比工作，同时其他的链路不工作。速率之间不再会有明显的分离。这与其他报告的测量表明RSSI不预测实际链路的数据包传输一致。

频率选择性衰落的影响。许多可能的因素导致了所观察到的真正的信道的变化，包括网卡，校准，干扰，采样和多路径。在这里，我们看到由于多路径，频率选择性衰落作为我们的实验表明这是一个主要的因素。

多路径引起的某些副载波明显比别人工作的更好，虽然都使用了相同的调制和编码工作。这些信道的细节影响着数据包的投递，而不是简单地由RSSI提供的整体信号强度决定。所有的链路都在最近的传输功率水平上出现，在当使用52 Mbps 速率，2dB，80%数据包传输的时候。然而，衰落的配置文件在四个链路上有很大的不同。一个在副载波上分布地很平坦，而其他三个在频率选择性衰落上有不同程度的显示。其中的两个链路有两个深度衰落的副载波，从波峰到波谷超过了20dB。

这些链路利用不同的效率得到了接收功率。越衰落的链路就越有可能存在错误，必须要进行编码的修复，并且需要额外的传输功率来进行补偿。因此，虽然性能大致相同，最多的频率选择性链路需要一个具有更高的整体性的数据包信噪比（30.2dB），而不是频率平坦的链路（16.5dB）。这接近14dB的差异突出说明了为什么基于RSSI的信噪比对性能的预测是不可靠的。衰落和它的影响是众所周知的。然而，数据显示真正的链路和内置网卡的衰落是很少见到的，因为它一直很难去进行测量。

多流的影响。多天线的使用增加了另一个维度关于预测数据包传送的问题。虽然我们在这里不关注未来的激励数据，我们简单地说明，这让问题变得更加复杂，而不是更容易。首先，现在这里每一个接收天线都有一个RSSI。这使得它很难知道使用哪一个RSSI或RSSI的功能去预测传输，即使有一个单一的空间流的时候。当多个数据流同时发送时，它们会干扰信道。MIMO处理常常用于分离他们，这取决于信道的细节，并且如果射频路径相关，更少的信号会被使用。这会增加变化性，加剧衰落的影响。

1. 数据包传输模式

我们的目标是开发一个能够准确地预测一个给定的物理层配置运行在给定信道的商品802.11内置网卡的数据包传送的概率模型。我们希望我们的模型是简单和实用的，因此，它可以很容易地部署，并且覆盖一个广泛的物理层配置范围，以便它可以应用在许多设置和许多任务当中。特别的是，我们的模型的范围是802.11n，包括多天线模式，其中的单天线802.11a/g是一个子集。这个范

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