樊 鷺，白 勇

（海南大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，海南 海口 570228）

0 引言

無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)（又稱(chēng)無(wú)線Mesh網(wǎng)）采用多點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)狀Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)相鄰的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以無(wú)線多跳方式相連。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有結(jié)構(gòu)靈活、快速部署、自組織和自愈合等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，利用無(wú)線Mesh網(wǎng)可以開(kāi)展災(zāi)后的應(yīng)急通信、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海漁船間通信等。

目前標(biāo)準(zhǔn)化的無(wú)線Mesh網(wǎng)協(xié)議有IEEE 802.11s和IEEE802.16（Mesh模式）等。IEEE 802.11s[1]的無(wú)線Mesh網(wǎng)技術(shù)以IEEE 802.11為基礎(chǔ)，拓展已有的802.11的媒體接入控制層（MAC，medium access control），以支持Mesh網(wǎng)服務(wù)。并在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加回程和網(wǎng)關(guān)的功能，使用多跳通信來(lái)中繼路徑上來(lái)自和去往有線Internet接入點(diǎn)的數(shù)據(jù)?；贗EEE 802.11s的Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

在這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中Mesh節(jié)點(diǎn)（MP，Mesh Point）之間通過(guò)IEEE 802.11鏈路互連，MP到MP的鏈路稱(chēng)為無(wú)線Mesh網(wǎng)的骨干網(wǎng)。Mesh接入點(diǎn)（MAP，Mesh Access Point）在MP的基礎(chǔ)上額外支持Mesh工作站（STA，Station）節(jié)點(diǎn)和其它非 Mesh 節(jié)點(diǎn)的接入功能。 Mesh網(wǎng)入口節(jié)點(diǎn)（MPP，Mesh Portal Point）是從其它網(wǎng)絡(luò)（如互聯(lián)網(wǎng)）進(jìn)出Mesh網(wǎng)絡(luò)的入口，可擔(dān)任網(wǎng)關(guān)的功能。

圖1 IEEE 802.11s Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

近年來(lái)人們對(duì) Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和路由協(xié)議進(jìn)行了很多研究[2-3]，分析了幾種典型路由協(xié)議應(yīng)用于Mesh網(wǎng)絡(luò)中的性能[3]，現(xiàn)對(duì)MAC層與路由層對(duì)Mesh網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的傳輸性能進(jìn)行綜合分析。

1 無(wú)線Mesh網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸

無(wú)線Mesh網(wǎng)出現(xiàn)的初期，主要用于傳輸少量的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，需要在無(wú)線Mesh網(wǎng)中傳輸語(yǔ)音、視頻等實(shí)時(shí)多媒體信息。實(shí)時(shí)多媒體信息對(duì)帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)都提出了很高的要求，需要對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸性能做進(jìn)一步的研究。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸一般可通過(guò)應(yīng)用層、實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)、用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（UDP）、IP（含路由協(xié)議）、MAC層和物理層來(lái)實(shí)現(xiàn)。

下面對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能有較大影響的無(wú)線Mesh網(wǎng)的MAC層和路由層加以介紹。

IEEE 802.11 MAC支持 2種操作模式：?jiǎn)吸c(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF）和分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）[4]。PCF提供了可避免競(jìng)爭(zhēng)的接入方式，而DCF則對(duì)基于接入的競(jìng)爭(zhēng)采取帶有沖突避免的載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入（CSMA/CA）機(jī)制。所使用的載波偵聽(tīng)機(jī)制包括物理載波偵聽(tīng)和虛擬載波偵聽(tīng)2種方式。其中虛擬載波偵聽(tīng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分配向量（NAV），NAV的值向每個(gè)移動(dòng)站指示了信道重新空閑所需的時(shí)間。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，MAC包含 4通(four-way)幀交換協(xié)議。利用上述載波偵聽(tīng)過(guò)程獲得信道空閑之后，首先由節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求（RTS，Request-to-send）信號(hào)，下一跳的節(jié)點(diǎn)回復(fù)清除發(fā)送(CTS, Clear-to-Send)消息，以通知請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始分組數(shù)據(jù)傳送。RTS/CTS握手的主要目的是解決隱藏終端（hidden terminal）問(wèn)題。為減少RTS/CTS握手過(guò)程的開(kāi)銷(xiāo)，在進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，RTS/CTS過(guò)程可以關(guān)閉掉。請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)收到CTS后發(fā)送數(shù)據(jù)分組，下一跳的節(jié)點(diǎn)回復(fù)接收確認(rèn)(ACK)消息，以通知請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)一個(gè)數(shù)據(jù)分組的成功傳送。在上述數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中如發(fā)生消息或數(shù)據(jù)分組碰撞時(shí)，采取隨機(jī)的指數(shù)退避機(jī)制進(jìn)行消息和數(shù)據(jù)分組的重發(fā)。

在圖2所示的IEEE 802.11鏈?zhǔn)酵負(fù)渚W(wǎng)絡(luò)中任何在節(jié)點(diǎn)E傳輸范圍和干擾范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都不能同時(shí)進(jìn)行通信。由A向H發(fā)送數(shù)據(jù)流時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)C、D、F和G處于節(jié)點(diǎn)E的干擾范圍之內(nèi)，節(jié)點(diǎn)A和E之間有4跳可以并行傳輸。因此，任何4跳內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都不能同時(shí)通信，否則就會(huì)產(chǎn)生隱藏終端和暴露終端問(wèn)題?？梢?jiàn)，跳數(shù)的增加將影響數(shù)據(jù)傳輸性能。

圖2 IEEE 802.11鏈?zhǔn)酵負(fù)渲械膫鬏敻蓴_

混合無(wú)線Mesh網(wǎng)協(xié)議（HWMP，Hybrid Wireless Mesh Protocol）[5]是 IEEE 802.11s中默認(rèn)使用的路由協(xié)議，它是將反應(yīng)式按需距離矢量路由（AODV，Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing）[6]協(xié)議和基于樹(shù)狀拓?fù)涞南闰?yàn)式路由協(xié)議相結(jié)合的綜合性路由協(xié)議。AODV協(xié)議是反應(yīng)式路由協(xié)議，即當(dāng)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送包時(shí)，源節(jié)點(diǎn)才在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找過(guò)程。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要建立連接時(shí)首先廣播一個(gè)建立路由的請(qǐng)求消息（RREQ，Route Request）。其他的AODV節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)路由請(qǐng)求消息，并記錄源節(jié)點(diǎn)和回到源節(jié)點(diǎn)的臨時(shí)路由。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到RREQ包時(shí)，如果該節(jié)點(diǎn)就是請(qǐng)求的目的節(jié)點(diǎn)，或者該中間節(jié)點(diǎn)具有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的有效路由，則產(chǎn)生一個(gè)路由應(yīng)答（RREP，Route Reply），并將該RREP包沿著到源節(jié)點(diǎn)的反向路徑發(fā)送給發(fā)起者。源節(jié)點(diǎn)收到RREP后就開(kāi)始使用這個(gè)經(jīng)由其他節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。當(dāng)鏈路斷掉時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)路由錯(cuò)誤消息 RERR（RERR，Route Error）表示活動(dòng)路由中的鏈路失效，并將RERR消息發(fā)送給所有鄰居節(jié)點(diǎn)。當(dāng)路由錯(cuò)誤被回送給源節(jié)點(diǎn)后，源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起路由查找的過(guò)程。

2 仿真結(jié)果與性能分析

本文采用 ns-2[7]網(wǎng)絡(luò)仿真模擬平臺(tái)，仿真拓?fù)錇閳D2所示的7個(gè)點(diǎn)組成的鏈?zhǔn)酵負(fù)?。無(wú)線帶寬為2 M，物理層采用TwoRayGround模型，節(jié)點(diǎn)間距為500 m，節(jié)點(diǎn)接收距離RXThreshold為500 m，偵聽(tīng)距離CSThreshold為1 100 m。載波頻率為2.4 GHz，發(fā)送功率為500 mW，天線高度設(shè)為3 m，天線增益為1。仿真采用恒定比特率（CBR，Constant Bit Rate）業(yè)務(wù)流模擬實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)包大小為512 byte。MAC層使用了速率為2 Mb/s的IEEE 802.11；路由層采用了AODV協(xié)議。

首先通過(guò)仿真比較MAC層RTS/CTS發(fā)送與不發(fā)送的兩種情況下的網(wǎng)絡(luò)性能。分組的最大重傳次數(shù)Retry設(shè)為7次。圖3給出了無(wú)線Mesh網(wǎng)跳數(shù)與網(wǎng)絡(luò)能達(dá)到的最大吞吐率的關(guān)系。

從圖3可以看出，隨著跳數(shù)的增加，吞吐率呈下降的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)多跳傳輸時(shí)，MAC層分組的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生頻繁的碰撞。RTS、CTS、數(shù)據(jù)分組和路由分組均可能發(fā)生碰撞。RTS/CTS的發(fā)送帶來(lái)更多的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)并會(huì)加劇這種碰撞的發(fā)生。在不發(fā)送 RTS/CTS的情況下，吞吐率平均提高了22%。

圖3 吞吐率與跳數(shù)的關(guān)系

然后，仿真MAC層不同的重傳次數(shù)下發(fā)送速率對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。MAC層關(guān)閉了RTS/CTS的傳輸。數(shù)據(jù)流在無(wú)線Mesh網(wǎng)中經(jīng)過(guò)5跳傳輸。從圖4可以看出，當(dāng)發(fā)送速率小于300 kb/s時(shí)，吞吐率隨著發(fā)送速率的增加呈直線上升。當(dāng)超過(guò)300 kb/s后，重傳次數(shù)為1時(shí)的吞吐率急劇下降。重傳次數(shù)為3的情況下，當(dāng)發(fā)送速率超過(guò)300 kb/s時(shí)，吞吐率隨著發(fā)送速率的變化緩慢，并且重傳次數(shù)為3、5、7的吞吐率相差不大。從圖5可以看出，當(dāng)發(fā)送速率小于300 kb/s時(shí)，不同的重傳次數(shù)下，丟包率基本為零。超過(guò)300 kb/s后，丟包率隨發(fā)送速率的增加而增加，重傳次數(shù)為 1的丟包率增加更嚴(yán)重。從圖6可以看出，發(fā)送速率小于最大吞吐率（300 kb/s）時(shí)，時(shí)延基本保持在20 ms以內(nèi)，超過(guò)300 kb/s后，重傳次數(shù)越大時(shí)延也越大。

上述結(jié)果結(jié)合ns-2代碼進(jìn)一步分析可以得出當(dāng)超過(guò)300 kb/s后，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能的急劇下降主要是由于MAC層和路由層的相互作用。MAC層的碰撞發(fā)生后，MAC會(huì)調(diào)動(dòng)重傳機(jī)制重傳發(fā)生沖突的分組。當(dāng)超過(guò)最大重傳次數(shù)時(shí)，MAC層報(bào)告引起鏈路錯(cuò)誤，AODV的路由將斷開(kāi)而重新啟動(dòng)路由建立過(guò)程。在ns-2仿真軟件中，通過(guò)FailCallback函數(shù)指針，MAC層調(diào)用aodv_rt_failed_callback觸發(fā)AODV路由協(xié)議生成一個(gè)RERR分組，然后記錄錯(cuò)誤信息，嘗試本地修復(fù)，刪除鄰居列表。源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送RREQ包發(fā)起路由建立過(guò)程等。丟包主要發(fā)生在路由斷開(kāi)時(shí)引起的路由建立過(guò)程中的緩存區(qū)溢出。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)議層通過(guò)原語(yǔ)進(jìn)行交互。當(dāng)分組傳輸超過(guò)最大重傳次數(shù)時(shí)，MAC層通過(guò)原語(yǔ)向AODV路由層報(bào)告鏈路錯(cuò)誤，同樣會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)性能的急劇下降。

圖4 吞吐率與發(fā)送速率的關(guān)系

圖5 丟包率與發(fā)送速率的關(guān)系

圖6 時(shí)延與發(fā)送速率的關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)仿真和分析研究了基于 IEEE 802.11 MAC協(xié)議和AODV協(xié)議的無(wú)線Mesh網(wǎng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的性能。仿真結(jié)果顯示，在無(wú)線Mesh網(wǎng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多跳傳輸?shù)男阅苁艿?MAC層機(jī)制和路由協(xié)議等多方面因素的影響。MAC層的RTS/CTS是否使用、數(shù)據(jù)和消息分組的重傳次數(shù)都會(huì)影響業(yè)務(wù)傳輸?shù)男阅?；同時(shí)MAC層分組重傳加劇時(shí)會(huì)產(chǎn)生鏈路錯(cuò)誤，引起路由層的錯(cuò)誤和路由重建，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降?？梢缘贸?，現(xiàn)有基于 CSMA/CA的 MAC層對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)多跳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持效率較低，和AODV路由層協(xié)議的相互配合也有待提高。為在無(wú)線 Mesh網(wǎng)中更好地支持多跳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要設(shè)計(jì)更加高效的MAC層機(jī)制并考慮與路由層的跨層協(xié)議優(yōu)化。

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