RAM演算法原理

星際男孩發表於2023-02-05

1 應用場景
  通道的不對稱性和通道的高波動是移動環境中無線通道的兩個顯著特徵。因此,當在車輛網路等移動環境中使用IEEE 802.11裝置時,有一個能夠處理這些問題的有效速率自適應方案至關重要。RAM採用基於接收機的方法來處理通道不對稱性,並採用保守的訊雜比預測演算法來處理高通道波動。更重要的是,RAM允許接收器透過ACK傳輸速率的變化以創造性的方式傳遞反饋資訊,這不需要更改裝置韌體,因此可以在裝置驅動程式級別上實現。透過在室內靜態和移動環境和室外車輛環境中的實驗評價,以及基於從實驗中收集到的訊雜比軌跡的模擬研究,證明了RAM的有效性。

2 背景
  移動環境中的實用速率自適應主要涉及3個問題:靜態統計問題、收發SNR不對稱問題和SNR高波動問題。
2.1 靜態統計
2.1.1 傳送視窗
  傳送視窗主要包括2種:時間視窗或報文視窗。
  傳送視窗潛在問題:
  1、視窗時效性問題。即當前視窗統計過時資料,不是實時性資料。
  2、視窗大小(時間)問題。即視窗過大,很多資料已淘汰,不具有參考性,影響取樣準確性;視窗過小,取樣資料量不充分,影響演算法準確度。
2.1.2 速率自適應
  速率自適應主要依據連續傳輸成功和失敗報文數量。例如連續10個傳送成功之後,增加傳送速率;連續2個傳輸失敗,降低傳送速度。
  速率自適應潛在問題:
  1、增加速率取樣方案過於保守,不利於速率快速恢復,無法充分利用網路頻寬,不適應高頻寬場景。
  2、降低速率取樣方案過於激進,不利於頻寬充分利用,無法充分利用網路頻寬,不適應高傳輸場景。

2.2 SNR不對稱性
  通道對稱是現有自適應演算法前提之一,例如CHARM和SGRA演算法等。收發SNR不對稱問題存在實際各個場景。
2.2.1 室內
  主要包括2種場景:靜態實驗和動態實驗。


2.2.2 室外
  主要包括2種場景:靜態實驗和動態實驗。


2.3 SNR波動性
2.3.1 實驗資料


2.3.2 遺留問題
  移動場景下,SNR變化特點:
  1、受環境影響,變化具有瞬時性。
  2、暫時無好的演算法處理SNR瞬時問題。


3 RAM演算法
3.1 架構


3.2 原理
3.2.1 方案
3.2.1.1 基於接收機
  RAM是一種實用的基於接收機的方案和可以直接使用商用802.11裝置實現。RAM以可控的方式改變ACK的傳輸速率指示下一幀的速率選擇決定傳輸。
  802.11標準規定,ACK幀應在基本速率集中的最高速率傳輸,小於或等於它所承認的資料幀的傳輸速率。我們稱這種ACK傳輸速率為預設的ACK速率。
  RAM利用ACK傳輸速率的變化隱式地傳遞反饋資訊。具體地說,如果接收機想要通知發射機以與先前成功傳輸的幀相同的速率或以下一個更高的速率傳輸下一幀,那麼它將分別以預設的高速率或低速率傳輸ACK幀。
3.2.1.2 基於訊雜比
  RAM是基於訊雜比的,而不是基於資料包統計資料的。訊雜比是對通道條件的直接度量,即使當通道條件頻繁波動,RAM也表現良好。
3.2.1.3 訊雜比預測演算法
  RAM採用了一種保守的訊雜比預測演算法來處理高訊雜比波動。RAM試圖儘可能準確地預測未來的訊雜比值,而不高估它們。
3.2.1.4 自適應RTS
  RAM使用自適應RTS來處理隱藏的節點。在RAM中,我們提出了一種新的自適應RTS方法,它使用RTS視窗來調節RTS幀的使用。與現有速率適應方案中使用的其他自適應RTS方法相比,我們的方法設計基於對所有可能的傳輸結果的徹底檢查,並及時更新RTS視窗。
3.2.2 方法
3.2.2.1 SNR預測
  一個簡單的保守訊雜比預測演算法,保持了訊雜比值的移動平均值和對平均訊雜比值的偏差。
    Savg =(1−δ)·Savg + δ·Scurr,
    DEVavg =(1−ρ)·DEVavg + ρ·|Scurr−Savg |,
  預測下一幀的訊雜比值為:
    Sest = Savg−η·DEVavg
  說明:δ = ρ = 0.1,η = 1。
  優點:
  1、參考TCP/IP協議Jacobson/Karels演算法原理。
  2、解決Scurr不被感知問題,考慮Scurr方差。方差較小,Sest 接近Savg;方差較大,導致DEVavg 主導計算。
  缺點:
  1、無法區分傳輸失敗型別。即在成功接收幀之前,每個不成功的傳輸嘗試(如果有的話)都有兩種可能的結果:幀被損壞或者幀完全丟失。
3.2.2.2 速率選擇
  為了下一個幀傳輸選擇適當的速率以最大限度地提高吞吐量,RAM維護一個吞吐量vs-(速率,訊雜比)表。對於表中的每一對(速率= R,訊雜比= S),我們使用G(R,S)來表示幀以速率R傳輸時的預期吞吐量,其在接收端的訊雜比為S,可以計算為:
    G(R, S) = L(R, S) / T(R, S),
  根據預測的訊雜比值(Sest),接收機查詢表,並選擇下一幀傳輸的速率如下:
    R = argmaxG(R, S)
  說明:L (R、S)和T (R、S)以速率R和訊雜比為S成功接收的資料總量和幀總傳輸時間。
  優點:
  1、表項實時性好,即每個成功接收的資料幀上更新。
  2、查表法簡單快捷。

  缺點:
  1、受表項數目限制,可選擇性少。
  2、表項特點,不能很好體現真實情況。

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