無線Mesh網絡組播差錯控制協議性能分析

摘要：從理論上對典型的無線Mesh網絡組播差錯控制協議BLBP、LBLBP以及HLBLBP的性能進行分析，通過MATLAB對各協議在不同丟包率情況下的重傳次數、信道占用時間及端到端平均時延等性能進行實驗仿真。研究結果表明：HLBLBP的整體性能最優，但其未考慮某些信道質量較差的節點對整個網絡性能的影響。

關鍵詞：組播；無線Mesh網絡；基于領導者的協議；差錯控制；性能

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

1引言

隨著Internet的發展和商業化進程的加速，組播[1]以其節約網絡帶寬和減輕服務器負荷的優勢獲得了越來越多的應用。無線Mesh網絡[2]作為“最后一公里”寬帶無線接入的重要技術之一，具有高速度、低干擾、網絡覆蓋范圍大、結構靈活等特點。因此無線Mesh網絡中的組播應用越來越廣泛。但無線網絡帶寬低、丟包率高、穩定性差的缺點，對無線Mesh網絡組播傳輸的可靠性來說是一個挑戰。

差錯控制是保證組播傳輸可靠性的重要方法，而MAC層的控制協議因為具有處理延遲短等特點，使它成為目前研究的重點，其中基于領導者的系列組播差錯控制協議最為典型。本文對典型的無線Mesh網絡組播差錯控制協議的性能進行分析，通過理論和實驗比較其優劣性，以期改進出性能更優的協議。本文結構主要如下，第2節介紹典型的無線Mesh 網絡組播差錯控制協議；第3節從理論上對協議進行性能分析；第4節實驗仿真結果；第5節對全文進行總結并給出下一步研究期望。

2典型無線Mesh網絡組播差錯控制協議

基于領導者的系列組播差錯控制協議以802.11 MAC標準的分布式協調機制[ 3]為基礎，其基本思想是選擇一個代理（即領導者）來代表所有的接收者負責與發送者進行控制信息的交互，從而避免反饋信息沖突和爆炸。不同的基于領導者協議在非領導者是否有發言權、是否采用分層以及是否結合前向糾錯等方面存在差異，因而其在重傳次數、信道占用時間及端到端平均時延等方面的性能不同。

定義1 組播源節點或任意中間需要轉發數據的節點，在向下一跳發送或者轉發數據時稱為發送者。

2.1LBP

LBP[4]是最基本的領導者協議，其基本思想是在接收者中選出一個領導者，作為和發送者交互的代理。發送者發送數據后，如果領導者正確接收到了數據，則回復ACK確認，其它節點無論是否收到數據都不做任何回應。如果發送者收到領導者回復的ACK，則此次傳輸結束；如果發送者在一定時間內沒有收到ACK，則說明傳輸過程發生錯誤，開始重傳，直至能正確接收到ACK。如果非領導者沒有接收到正確數據，但領導者回復了ACK，則發送者會認為所有節點都已正確接收數據，不會再進行重傳，所以無法保證非領導者節點接收到正確數據。LBP實現簡單，但由于非領導者沒有話語權，不能保證組播的可靠性。

2.2BLBP

BLBP[5]在LBP的基礎上，使非領導者能反饋NACK來告知自己未正確收到數據。BLBP要解決的關鍵問題是如何統一接收者接收數據以及進行反饋的時間。為此，BLBP增加一個信標幀BEACON幀，BEACON幀格式如圖1所示。持續時間標識的是即將發送的數據的持續時間，這樣可以使所有接收者能在收到BEACON幀同時確定數據發送完成的時間，即同步了所有接收者的時間。幀序號標識了當前發送幀的序號，重傳時已正確接收到數據的節點可以直接丟棄重復的幀。

BLBP的基本思想是：發送者在發送數據之前，廣播BEACON幀，這樣所有節點在收到BEACON幀后可根據持續時間設定自己回復ACK/NACK時間；領導者在成功接收數據后，回復ACK，如果未正確接收，則不回應；非領導者成功接收則沉默，否則回復NACK。如果發送者收到ACK，則本次組播成功結束，收到NACK或者ACK等待超時則本次組播失敗，進行重傳，直到發送者正確接收到領導者回復的ACK時，結束本次組播。

分析BLBP可知，領導者和非領導者接收數據的情況有三種。①如果所有節點都成功接收數據，發送者會收到ACK；②如果是領導者或者某些非領導者未收到正確數據，發送者會在ACK等待超時或者收到NACK后進行重傳；③如果領導者正確接收而其他節點有錯誤，則會同時回復ACK和NACK，這樣會因為信道沖突導致信道噪音，發送者會因為無法正確接收到ACK而在等待超時后進行重傳。這三種情況下，BLBP都能保證所有接收者正確接收數據，因此BLBP能保證組播可靠性。

但是BLBP僅考慮了單跳情況，在多跳的無線Mesh網絡環境中性能較差。

2.3LBLBP

為了使BLBP能適用于多跳環境，LBLBP[6]在BLBP的基礎上加入分層的概念，將組播的糾錯過程逐跳的進行。LBLBP子層內用改進的BLBP協議進行可靠性保障，且定義了層內和層間的競爭機制。

定義2從組播源節點開始，按照每增加一跳將組播劃分一層，即到源節點跳數相同的節點處于同一層。

定義3如果某一層中有節點需要向下轉發數據，那么將該節點和接收它轉發數據的節點劃分成一個子層。

在出現錯誤時，如果是單跳情況下，發送者只有一個，可以緊接著重傳；但在多跳環境下，除子層內發送者外，還有其他的轉發節點在競爭信道，所以要對競爭加以限制，因此加入L-C/L-R（Layer-Clear/Layer-Retransmission）幀來標識子層內傳輸完成情況。若子層內所有接收者都正確接收到了數據，則發送者組播L-C幀，告知此次發送成功；如果本次組播出錯，則發送者組播L-R幀，等待一定時間后發送者立刻開始重傳過程。

由于存在多個中間節點需要轉發數據，因此要協調節點對信道的使用，LBLBP定義了層內和層間的競爭機制。同層節點間遵循重傳優先，轉發平等的原則。假設節點A本次轉發失敗，需要進行重傳，此時同層其他節點偵聽到A的L-R幀后會根據A的持續時間域繼續等待，以保證A能優先重傳。層間采用的是下層節點轉發優先的原則，保證數據幀能盡快向下傳遞，減小時延。如圖2，B、C是A的下層節點。A在成功完成數據傳輸后，若仍要繼續發送，則需將競爭窗口設置為最小窗口的2倍再參與信道競爭，而B、C節點只要設為最小競爭窗口即可參與信道競爭，從而保證數據能盡快向下轉發。

分析LBLBP可知，由于子層內采用了改進的BLBP，因此它能保證組播的可靠性；同時LBLBP在多跳環境下定義了信道競爭機制，避免了無序競爭，能有效降低傳輸時延。但LBLBP也存在以下問題：當任意接收者出錯時，發送者都要將數據包單獨重傳一次，這會大大增加重傳的次數，且花費在傳輸控制幀的時間開銷太大。

2.4HLBLBP

HLBLBP[7]在LBLBP的基礎上，采用前向糾錯FEC機制降低重傳次數，另外為了減少控制幀開銷，將BEACON幀與RTS幀通過融合形成新的MRTS幀，格式如圖4所示。

HLBLBP的主要思想是：利用糾刪碼[8]技術將一個數據塊的k個數據包編碼成k+n個包，其中n個包作為重傳包。數據傳輸過程分為兩部分。首先按照802.11規定標準發送前k-c個數據包，這樣可以減少信道競爭和控制幀開銷。其中c的取值取決于信道質量，在丟包率較小、鄰居節點競爭較少時，c取值比較小。其次采用LBLBP機制發送余下的包，當發送完k個包后，發送者根據反饋信息決定是否要進行重傳糾錯。

如果領導者正確收到了k個數據包，則反饋ACK，若接收的正確數據包小于k個，則不反饋任何信息；如果是非領導者正確接收到k個數據包，則不作反饋，若接收到的正確數據包小于k個，則回復NACK。發送者根據反饋，若收到ACK信息，則發送L-C幀，表示數據發送成功；若收到NACK或在一定時間內沒收到ACK幀，則發送L-R幀，表示需要進行糾錯。

分析可知，HLBLBP同樣能夠保證組播的可靠性；由于引入了糾刪碼技術，在組播環境下單個的糾錯包能同時糾正不同接收者的不同錯誤，因此可以有效的減少重傳次數。雖然編碼解碼會增加計算開銷和復雜性，占用更多的帶寬，但與LBLBP每次出錯都要重傳數據包相比，帶寬利用率還是更高。

無線環境中某些節點到發送者的信道質量可能很差，只能收到很少的正確包，需要重傳的數據包數量就很大，這樣對信道質量較好的節點不公平，同時會增大數據包向下轉發的時延，影響整個網絡的性能。因此，公平性問題是基于領導者系列協議要解決的一個共同問題。

3理論分析

從上節分析可知LBP不能保證可靠性，而BLBP、LBLBP和HLBLBP三種協議都能保證可靠性，因此只對后三種協議的性能進行分析。重點分析協議的傳輸次數期望E（N）、數據包信道占用時間期望T（N）和端到端平均時延DK。假設本文用到的MAC層控制幀（RTS、CTS、BEACON、ACK/NACK等）都可無差錯地傳輸到接收者。

3.1傳輸次數期望

5結束語

本文從理論和實驗上分析了BLBP、LBLBP、HLBLBP等典型的無線Mesh網絡組播差錯控制協議的性能，結果表明三者均能保證組播的可靠性；其中BLBP主要適用于單跳環境，而LBLBP和HLBLBP能適用于多跳環境；在傳輸次數、信道占用時間、端到端平均時延等方面HLBLBP的整體性能最好。但HLBLBP也存在某些信道質量較差節點影響整個網絡的性能，對信道質量好的節點不公平，因此解決這個公平性問題是下一步的研究目標。

參考文獻

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[6]席鵬，周顥，趙保華.分層信標幀驅動的無線Mesh網多播差錯控制協議[J].西安交通大學學報.2010.6，44：51-56.

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