無線Mesh網中實時數據業務仿真與分析

樊 鷺，白 勇

（海南大學 信息科學與技術學院，海南 ?？?570228）

0 引言

無線網狀網（又稱無線Mesh網）采用多點到多點的網狀Mesh拓撲結構，各網絡節點通過相鄰的網絡節點以無線多跳方式相連。無線Mesh網絡具有結構靈活、快速部署、自組織和自愈合等優點，具有廣泛的應用前景。例如，利用無線Mesh網可以開展災后的應急通信、實現遠海漁船間通信等。

目前標準化的無線Mesh網協議有IEEE 802.11s和IEEE802.16（Mesh模式）等。IEEE 802.11s[1]的無線Mesh網技術以IEEE 802.11為基礎，拓展已有的802.11的媒體接入控制層（MAC，medium access control），以支持Mesh網服務。并在現有標準的基礎上增加回程和網關的功能，使用多跳通信來中繼路徑上來自和去往有線Internet接入點的數據?；贗EEE 802.11s的Mesh網絡架構如圖1所示。

在這種網絡架構中Mesh節點（MP，Mesh Point）之間通過IEEE 802.11鏈路互連，MP到MP的鏈路稱為無線Mesh網的骨干網。Mesh接入點（MAP，Mesh Access Point）在MP的基礎上額外支持Mesh工作站（STA，Station）節點和其它非 Mesh 節點的接入功能。 Mesh網入口節點（MPP，Mesh Portal Point）是從其它網絡（如互聯網）進出Mesh網絡的入口，可擔任網關的功能。

圖1 IEEE 802.11s Mesh網絡架構

近年來人們對 Mesh網絡的應用和路由協議進行了很多研究[2-3]，分析了幾種典型路由協議應用于Mesh網絡中的性能[3]，現對MAC層與路由層對Mesh網絡中實時業務的傳輸性能進行綜合分析。

1 無線Mesh網的實時數據業務傳輸

無線Mesh網出現的初期，主要用于傳輸少量的非實時數據信息。隨著應用的不斷擴展，需要在無線Mesh網中傳輸語音、視頻等實時多媒體信息。實時多媒體信息對帶寬、時延、時延抖動都提出了很高的要求，需要對無線Mesh網中實時數據業務的傳輸性能做進一步的研究。

實時數據業務傳輸一般可通過應用層、實時傳輸協議(RTP)、用戶數據包協議（UDP）、IP（含路由協議）、MAC層和物理層來實現。

下面對實時數據業務性能有較大影響的無線Mesh網的MAC層和路由層加以介紹。

IEEE 802.11 MAC支持 2種操作模式：單點協調功能（PCF）和分布式協調功能（DCF）[4]。PCF提供了可避免競爭的接入方式，而DCF則對基于接入的競爭采取帶有沖突避免的載波偵聽多點接入（CSMA/CA）機制。所使用的載波偵聽機制包括物理載波偵聽和虛擬載波偵聽2種方式。其中虛擬載波偵聽通過網絡分配向量（NAV），NAV的值向每個移動站指示了信道重新空閑所需的時間。在數據傳輸時，MAC包含 4通(four-way)幀交換協議。利用上述載波偵聽過程獲得信道空閑之后，首先由節點發送請求（RTS，Request-to-send）信號，下一跳的節點回復清除發送(CTS, Clear-to-Send)消息，以通知請求的節點開始分組數據傳送。RTS/CTS握手的主要目的是解決隱藏終端（hidden terminal）問題。為減少RTS/CTS握手過程的開銷，在進行實時數據傳輸時，RTS/CTS過程可以關閉掉。請求的節點收到CTS后發送數據分組，下一跳的節點回復接收確認(ACK)消息，以通知請求的節點一個數據分組的成功傳送。在上述數據傳輸過程中如發生消息或數據分組碰撞時，采取隨機的指數退避機制進行消息和數據分組的重發。

在圖2所示的IEEE 802.11鏈式拓撲網絡中任何在節點E傳輸范圍和干擾范圍內的節點都不能同時進行通信。由A向H發送數據流時，由于節點C、D、F和G處于節點E的干擾范圍之內，節點A和E之間有4跳可以并行傳輸。因此，任何4跳內的節點都不能同時通信，否則就會產生隱藏終端和暴露終端問題。可見，跳數的增加將影響數據傳輸性能。

圖2 IEEE 802.11鏈式拓撲中的傳輸干擾

混合無線Mesh網協議（HWMP，Hybrid Wireless Mesh Protocol）[5]是 IEEE 802.11s中默認使用的路由協議，它是將反應式按需距離矢量路由（AODV，Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing）[6]協議和基于樹狀拓撲的先驗式路由協議相結合的綜合性路由協議。AODV協議是反應式路由協議，即當向目的節點發送包時，源節點才在網絡中發起路由查找過程。一個網絡節點要建立連接時首先廣播一個建立路由的請求消息（RREQ，Route Request）。其他的AODV節點轉發這個路由請求消息，并記錄源節點和回到源節點的臨時路由。當節點收到RREQ包時，如果該節點就是請求的目的節點，或者該中間節點具有到達目的節點的有效路由，則產生一個路由應答（RREP，Route Reply），并將該RREP包沿著到源節點的反向路徑發送給發起者。源節點收到RREP后就開始使用這個經由其他節點到達目的節點的路由。當鏈路斷掉時，節點會產生一個路由錯誤消息 RERR（RERR，Route Error）表示活動路由中的鏈路失效，并將RERR消息發送給所有鄰居節點。當路由錯誤被回送給源節點后，源節點重新發起路由查找的過程。

2 仿真結果與性能分析

本文采用 ns-2[7]網絡仿真模擬平臺，仿真拓撲為圖2所示的7個點組成的鏈式拓撲。無線帶寬為2 M，物理層采用TwoRayGround模型，節點間距為500 m，節點接收距離RXThreshold為500 m，偵聽距離CSThreshold為1 100 m。載波頻率為2.4 GHz，發送功率為500 mW，天線高度設為3 m，天線增益為1。仿真采用恒定比特率（CBR，Constant Bit Rate）業務流模擬實時數據業務，數據包大小為512 byte。MAC層使用了速率為2 Mb/s的IEEE 802.11；路由層采用了AODV協議。

首先通過仿真比較MAC層RTS/CTS發送與不發送的兩種情況下的網絡性能。分組的最大重傳次數Retry設為7次。圖3給出了無線Mesh網跳數與網絡能達到的最大吞吐率的關系。

從圖3可以看出，隨著跳數的增加，吞吐率呈下降的趨勢。經過多跳傳輸時，MAC層分組的競爭發生頻繁的碰撞。RTS、CTS、數據分組和路由分組均可能發生碰撞。RTS/CTS的發送帶來更多的網絡開銷并會加劇這種碰撞的發生。在不發送 RTS/CTS的情況下，吞吐率平均提高了22%。

圖3 吞吐率與跳數的關系

然后，仿真MAC層不同的重傳次數下發送速率對網絡性能的影響。MAC層關閉了RTS/CTS的傳輸。數據流在無線Mesh網中經過5跳傳輸。從圖4可以看出，當發送速率小于300 kb/s時，吞吐率隨著發送速率的增加呈直線上升。當超過300 kb/s后，重傳次數為1時的吞吐率急劇下降。重傳次數為3的情況下，當發送速率超過300 kb/s時，吞吐率隨著發送速率的變化緩慢，并且重傳次數為3、5、7的吞吐率相差不大。從圖5可以看出，當發送速率小于300 kb/s時，不同的重傳次數下，丟包率基本為零。超過300 kb/s后，丟包率隨發送速率的增加而增加，重傳次數為 1的丟包率增加更嚴重。從圖6可以看出，發送速率小于最大吞吐率（300 kb/s）時，時延基本保持在20 ms以內，超過300 kb/s后，重傳次數越大時延也越大。

上述結果結合ns-2代碼進一步分析可以得出當超過300 kb/s后，實時數據業務性能的急劇下降主要是由于MAC層和路由層的相互作用。MAC層的碰撞發生后，MAC會調動重傳機制重傳發生沖突的分組。當超過最大重傳次數時，MAC層報告引起鏈路錯誤，AODV的路由將斷開而重新啟動路由建立過程。在ns-2仿真軟件中，通過FailCallback函數指針，MAC層調用aodv_rt_failed_callback觸發AODV路由協議生成一個RERR分組，然后記錄錯誤信息，嘗試本地修復，刪除鄰居列表。源節點重新發送RREQ包發起路由建立過程等。丟包主要發生在路由斷開時引起的路由建立過程中的緩存區溢出。在實際網絡中，協議層通過原語進行交互。當分組傳輸超過最大重傳次數時，MAC層通過原語向AODV路由層報告鏈路錯誤，同樣會引起網絡性能的急劇下降。

圖4 吞吐率與發送速率的關系

圖5 丟包率與發送速率的關系

圖6 時延與發送速率的關系

3 結語

本文通過仿真和分析研究了基于 IEEE 802.11 MAC協議和AODV協議的無線Mesh網中實時數據業務的性能。仿真結果顯示，在無線Mesh網中實時數據業務的多跳傳輸的性能受到 MAC層機制和路由協議等多方面因素的影響。MAC層的RTS/CTS是否使用、數據和消息分組的重傳次數都會影響業務傳輸的性能；同時MAC層分組重傳加劇時會產生鏈路錯誤，引起路由層的錯誤和路由重建，導致網絡性能急劇下降。可以得出，現有基于 CSMA/CA的 MAC層對無線Mesh網多跳實時數據業務的支持效率較低，和AODV路由層協議的相互配合也有待提高。為在無線 Mesh網中更好地支持多跳實時數據業務需要設計更加高效的MAC層機制并考慮與路由層的跨層協議優化。

[1] ZHANG Yan, LUO Jijun, HU Honglin. 無線網狀網：架構、協議與標準[M]. 北京：電子工業出版社, 2008.

[2] 秦裕斌,陳建華,黃曉.無線Mesh網絡技術及其應用[J].通信技術,2009,42(12):144-146.

[3] 莫金旺，蔣文芳，趙利. 無線 Mesh網絡路由協議仿真及性能分析[J].通信技術，2010, 43(10): 65-67.

[4] IEEE Computer Society. LAN/MAN Standards Committee.Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications[S].USA:The Institute of Electrical and Electronic Engineers,1999.

[5] IEEE P802.11s Task Group. Draft Amendment ESS Mesh Networking[S]. USA:[s.n.], 2009.

[6] PERKING C. Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV)Routing[S].USA:[s.n.], 2003.

[7] KEVIN F. The Ns Manual[EB/OL].(2001-02-06)[2011-03-02].http:// www. isi. edu/ nsnam/ ns/ doc/index.html.