同步無線Mesh網絡數據包連發技術研究

李茜+劉經緯+呂仁健+韓仲華

摘 要： 現有的基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網絡在一個數據時隙內只發送一個數據包，這在發送節點采用高調制速率發送數據包時會造成時隙利用率的下降。針對該問題，對該網絡下的數據包連發技術進行了研究，給出了最多可連發的數據包個數與計算時機、序列號與確認機制、涉及到的參量、父子節點處理流程的詳細設計方案。理論性能對比結果表明，在發送節點采用高調制速率發送數據包時，在該網絡下采用數據包連發技術能夠大幅度提高時隙利用率，網絡性能明顯提升。

關鍵詞： 無線Mesh網絡； 同步； 時隙利用； 數據包連發

中圖分類號： TN711?34； TP393.04 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0049?06

Research on data packet continuous transmission technology

in synchronization wireless Mesh networks

LI Qian1， LIU Jing?wei1， L? Ren?jian1， 2， HAN Zhong?hua1

（1. North China Institute of Computing Technology， Beijing 100083， China； 2. Beijing University of Posts and Telecommunication， Beijing 100876， China）

Abstract： Only one data packet is sent in a time?slot in synchronization wireless Mesh network based on the existing multi?directional antenna array， which will decrease the slot utilization rate when data packets are sent in high modulation rate at transmitting node. To solve this problem， the technology of data packet continuous ransmission in this network environment is studied. The detailed design scheme of the number of maximum data packet continuous ransmission， calculation opportunity， sequence number， acknowledgment mechanism， parameters and node processing flow is offered in this paper. The technology was fully tested in actual hardware environment. The comparison result shows， when data packets are sent in high modulation rate at transmitting node， the technology of the data packet continuous ransmission can improve time?slot utilization， and the performance of the network can be improved obviously.

Keywords： wireless Mesh network； synchronization； time?slot utilization； data packet continuous ransmission

0 引 言

無線Mesh網絡是一種多跳網狀的寬帶無線網絡，具有覆蓋范圍廣、帶寬高、魯棒性強等特點，在機動指揮與應急通信方面有著廣闊的應用前景。

無線Mesh網絡多采用異步組網技術[1?12]。該網絡在節點個數較少并且節點之間距離較近時的性能比較理想，但當網絡規模擴大時，所有節點因競爭信道導致了網絡吞吐量急劇下降，無法實現高速的端到端無線數據傳輸，業務的服務質量也就難以保證。

目前出現了一種基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網絡（以下簡稱為同步無線Mesh網絡）[13]。該網絡除通過定向天線實現了節點之間的遠距離數據傳輸外，還采用了同步組網技術，通過精準的時隙劃分，網絡內所有節點的通信都被安排在合適的時隙中，避免了節點因競爭信道而導致網絡吞吐量的急劇下降，通過高效的時隙分配策略則進一步提高了網絡的吞吐量。另外，網絡中節點之間具有一定的父子關系，網絡管理也變得更加簡單。

現有同步無線Mesh網絡采用了一個數據時隙（以下簡稱為基本時隙或時隙）內單一數據包的收發機制，即每個節點在一個時隙內只發送或接收一個數據包，當底層調制速率較低時，該數據包的長度較短，其收發時間會占滿整個時隙，即時隙的利用率較高；而當底層調制速率較高時，該數據包的長度受到底層無線接口最大傳輸單元長度（MTU）的限制，其收發時間不能占滿整個時隙，因而時隙內會有很大的浪費。

為在底層高調制速率下提高時隙利用率，本文對同步無線Mesh網絡下的數據包連發技術進行了研究，提出了設計方案并對性能進行了對比分析。

1 同步無線Mesh網絡數據包連發技術

數據包連發技術涉及到時間幀結構、包類型、單時隙內的數據包連發技術與多時隙內的數據包連發技術。

1.1 時間幀結構

時隙浪費與時隙長度有關。當時隙較長時，高調制速率下會產生時隙內的時間浪費；當時隙長度設計得過小時，由于協議控制包的開銷而導致時隙內數據收發利用率下降，另外，也給底層同步平臺設計帶來難度，系統資源消耗也因此增加。因此，時隙長度應主要參考系統在實際使用時最大可能出現的底層調制速率值，同時保證底層同步平臺能夠實現，而系統資源消耗也能夠接受。

時間幀結構如圖1所示。

圖1 時間幀結構

時間幀結構中具有以下兩種類型的時隙：

（1） Hello時隙。Hello時隙的時間長度為1個基本時隙長度，用于網絡內節點向未入網節點提供接入服務。

（2） 數據時隙。數據時隙內的每個基本時隙用于實際數據傳輸。

時間幀結構是同步無線Mesh網絡內各節點協調工作的基礎。

1.2 包類型

節點在每個時隙內的通信都會涉及各種包的交互，數據通信則與以下包相關：

1.2.1 輪詢包

該包用于父節點調度子節點，該包還可以進一步細分為如下兩類：

（1） 父子輪詢包

當父節點向子節點發送數據時，父節點會在時隙開始時首先向子節點發送一個父子輪詢包，該包發完后，父節點再接著向子節點發送數據包。

該包中含有父節點本次即將連發數據包的個數與父節點規定的時隙合并的個數。

（2） 子父輪詢包

當父節點接收子節點的數據時，父節點會在時隙開始時首先向子節點發送一個子父輪詢包，該包發完后，父節點將等待接收子節點發送的數據包。

該包中含有父節點規定的時隙合并的個數。

1.2.2 確認包

當數據包為需確認數據時，接收完數據的節點將立即向對端發送一個確認包，否則接收完數據的節點將結束該時隙內的收發動作。

1.2.3 數據包

數據包格式如圖2所示。

圖2 數據包格式

第一層包頭的內容與節點之間點對點基本通信相關，如基本數據包類型、目的節點地址、源節點地址、序列號、后續數據包個數等。

第二層包頭，由同步無線Mesh網絡協議中不同的功能模塊所定義，如模塊類型、該模塊內的數據包類型、數據凈荷長度、QoS標記。

數據凈荷為以太網幀。

校驗在數據發送時由無線網卡添加。

1.3 單時隙內的數據包連發技術

1.3.1 功能說明

為提高時隙利用率，發送節點應在每個時隙內盡可能多地發送數據包。

每個時隙內的數據包連發如圖3所示。

圖3 單時隙內數據包連發

1.3.2 最多連發的數據包個數與計算時機

（1） 單時隙內數據包最多連發個數

發送節點通過計算后應在一個時隙內盡可能多地發送數據包，但需要規定最多發包個數，規定最多連發數據包的個數不超過16個，一個時隙內連發數據包的個數一般為2或3。

（2） 輪詢包與確認包的發送時間

輪詢包與確認包的發送時間（單位：μs）為固定值，可按式（1）計算：

[t=數據包長×8+B+NwNDBPS×4+20] （1）

各值的含義如下：

包長為無線接口數據長度，單位為字節；[B]為PLCP頭部中服務類型的比特數；[Nw]為尾比特數；[NDBPS]為一個OFDM符號含有的比特數，6 Mb/s時的值為24，9 Mb/s時為36，12 Mb/s時為48，18 Mb/s時為72，24 Mb/s時為96，36 Mb/s時為144，48 Mb/s時為192，54 Mb/s時為216。

（3） 每個數據包的發送時間

每個數據包的發送時間在數據包被加入到數據發送隊列時便已計算好，仍按公式（1）計算。

（4） 單時隙內數據包最多連發個數的計算時機

發送節點在當前時隙開始時計算該時隙內最多能夠發送多少個數據包。

1.3.3 序列號與確認機制

為所有數據包安排序列號并加入確認機制。接收節點根據發送節點所指示的數據包連發個數進行接收、檢驗序列號連續性并對實際收到的最后一個數據包進行確認。

接收節點剛剛收到的數據包中的序列號如果與收到的上一個數據包的序列號不連續，則丟棄剛剛收到的數據包。

接收節點在當前時隙的后兩個基本時隙單位開始時刻設定確認包等待定時器，該定時器設定在該處可以保證接收節點能夠在25 km距離條件下將確認包發送給發送節點。接收節點如果在當前時隙內收到了發送節點的所有應發數據包后，則立即向發送節點回復一個確認包，并取消確認包超時定時器；否則，接收節點在確認包等待定時器超時后再向發送節點回復一個確認包。

1.3.4 涉及到的參量

數據包連發過程中涉及到以下參量：

數據包最大連發個數。一個時隙內所發送的數據包個數與多個連續時隙所發送的數據包個數都不應超過該值，數據包連發個數過多，失敗重傳的次數也會增加，網絡性能反而下降。

最大時隙合并個數。該值表示某個發送節點與某個接收節點之間共享的連續時隙數，在連續時隙里可以持續收發數據包。

發送節點應發數據包個數。發送節點在當前時隙內計算出能夠發送的數據包個數。

發送節點實發數據包個數。發送節點在當前時隙內實際發送的數據包個數，在正常情況下，發送節點實發數據包個數與發送節點應發數據包個數相等。

接收節點應收數據包個數。接收節點在當前時隙內應該接收到的數據包個數。

接收節點實收數據包個數。接收節點在當前時隙內實際接收到的數據包個數。

發送序列號。發送節點發送數據時在每個數據包中添加的序列號，該序列號按模遞增。

接收序列號。接收節點接收數據時從每個數據包中獲得的序列號，在正常情況下，接收序列號應等于發送序列號，即接收序列號也是按模遞增。

1.3.5 父節點流程

父節點在當前時隙內的處理流程如圖4所示。

（1） 父節點在當前時隙中斷到來時開始確定是發送數據還是接收數據，即確定父子節點之間數據傳遞的上下行關系。

（2） 當父節點向子節點發送數據時，父節點根據1.3.2節中的各種時間值計算出當前時隙內能夠發送的數據包個數并將該值填到父子輪詢包中。另外，時隙合并個數設為1，表示僅在當前一個時隙內進行數據包連發。

（3） 父節點向子節點發送父子輪詢包，在父子輪詢包發送成功后，父節點繼續向子節點連續發送所有數據包。

（4） 父節點會在所有數據包發送完畢后等待接收子節點的確認包，等待接收確認定時器的超時時間設在當前時隙結束時。

（5） 父節點如果收到了子節點發送的確認包后，根據確認包中的確認序列號判斷出已經被子節點成功接收的數據包，將這些數據包從發送隊列中刪除并釋放內存。

（6） 父節點在等待確認定時器超時后仍沒有收到子節點發送的確認包時，根據已發送數據包的發送次數決定在后續時隙中是否重發，如果這些數據包已經達到最大發送次數，則將這些數據包從發送隊列中刪除并釋放內存，否則在后續時隙中繼續重發。

（7） 當父節點準備接收子節點發送的數據包時，父節點將時隙合并個數設為1，并將該值填到子父輪詢包中。

（8） 父節點向子節點發送子父輪詢包，在子父輪詢包發送成功后，父節點等待從子節點接收數據包。

（9） 父節點接收的數據包如果序列號不正確，父節點則將這些數據包從接收隊列中刪除并釋放內存，否則，父節點將在發送確認定時器超時前接收完子節點發送的所有數據包。

（10） 當發送確認定時器超時后，父節點針對已收到的最后一個數據包向子節點發送確認包。

1.3.6 子節點流程

子節點在當前時隙內的處理流程如圖5所示。

（1） 子節點在當前時隙中斷到來時等待接收父節點發來的輪詢包。

（2） 子節點如果收到的是子父輪詢包，子節點則記錄時隙合并個數，并計算出當前時隙內能夠發送的數據包個數。

（3） 子節點向父節點連續發送所有數據包。

（4） 子節點會在所有數據包發送完畢后等待接收父節點的確認包，等待接收確認定時器的超時時間設在當前時隙結束時。

（5） 子節點如果收到了父節點發送的確認包后，根據確認包中的確認序列號判斷出已經被父節點成功接收的數據包，將這些數據包從發送隊列中刪除并釋放內存。

（6） 子節點在等待確認定時器超時后仍沒有收到父節點發送的確認包時，根據已發送數據包的發送次數決定在后續時隙中是否重發，如果這些數據包已經達到最大發送次數，則將這些數據包從發送隊列中刪除并釋放內存，否則在后續時隙中繼續重發。

（7） 子節點如果收到的是父子輪詢包，子節點準備接收父節點發送的所有數據包。

（8） 子節點接收的數據包如果序列號不正確，子節點則將這些數據包從接收隊列中刪除并釋放內存，否則，子節點將在發送確認定時器超時前接收完成父節點發送的所有數據包。

（9） 當發送確認定時器超時后，子節點針對已收到的最后一個數據包向父節點發送確認包。

（10） 如果子節點沒有收到父節點的輪詢包，則子節點在當前時隙內什么也不做。

1.4 多時隙內的數據包連發技術

多時隙內的數據包連發技術，又稱時隙合并技術，該技術是對單時隙內數據包連發技術基礎上做出的功能提升，發送節點通過在多個連續時隙內連發數據包，減少了中間時隙內的輪詢包與確認包的個數，從而進一步提高時隙利用率。多時隙內的數據包連發示意如圖6所示。

圖6 多時隙內的數據包連發示意

多時隙內的數據包連發技術中的最多連發的數據包個數與計算時機、序列號與確認機制、涉及到的常量與變量、父子節點的處理流程與單時隙內的數據包連發技術均相同，這里不再贅述。它們的不同之處在于：

（1） 父子節點需要計算多個連續時隙內最多能夠發送多少個數據包。

（2） 父子節點將多個連續時隙中除第一個時隙以外的后續所有時隙中的狀態機取消，僅執行第一個時隙中的狀態機。

2 理論性能對比

現分別對單跳網絡在使用單時隙內的數據包連發技術前后的理論性能進行對比：

2.1 約束條件

（1） 每個時間幀內有980個數據時隙，即時間幀使用效率為98%。

（2） 在實驗室內或近距離條件下進行對比，忽略傳播時延，忽略實際平臺所帶來的各種時延。

（3） 輪詢包與確認包均始終以6 Mb/s的調制速率發送，按公式（1）可算出它們的發送時間均為48 μs。

（4） 發送節點分別以6～54 Mb/s調制速率發送數據包。

（5） 不使用組包功能，但使用分段功能。

（6） 同步無線Mesh網絡協議數據包凈荷為以太網幀，而以太網幀最大長度為1 518 B，因此發送節點能夠發送的最大數據包長度為1 518+40+4=1 562 B。

2.2 理論性能對比

理論性能對比情況分別見表1～表7。

表1 發送節點以9 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&1＼&數據包長度 /B＼&991＼&991＼&時隙使用效率 /%＼&90.4＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&7.8＼&7.8＼&]

表2 發送節點以12 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&1＼&數據包長度 /B＼&1 323＼&1 323＼&時隙使用效率 /%＼&90.4＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&10.4＼&10.4＼&]

表3 發送節點以18 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&2＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，384＼&時隙使用效率 /%＼&71.2＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&15.3＼&]

表4 發送節點以24 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&2＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 029＼&時隙使用效率 /%＼&54＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&20.3＼&]

表5 發送節點以36 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&3＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 167＼&時隙使用效率 /%＼&36＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&33.6＼&]

2.3 結 論

（1） 在6～12 Mb/s調制速率下，一個時隙內只能發送一個數據包，因此單時隙內單包發送與單時隙內多包發送的性能相同。

（2） 在達到18 Mb/s調制速率或以上時，采用單時隙內多包發送的時隙使用效率仍為90.4%，其性能明顯高于單時隙內單包發送的性能。

表6 發送節點以48 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&4＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 562，261＼&時隙使用效率 /%＼&28＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&38.8＼&]

表7 發送節點以54 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&4＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 562，942＼&時隙使用效率 /%＼&24.8＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&44.1＼&]

3 結 語

對基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網絡下的數據包連發技術進行了研究，給出了最多可連發的數據包個數與計算時機、序列號與確認機制、涉及到的參量、父子節點處理流程的詳細設計方案。理論性能對比結果表明，在發送節點采用高調制速率發送數據包時，在該網絡下采用數據包連發技術能夠大幅度提高時隙利用率，網絡性能明顯提升。

參考文獻

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2.2 理論性能對比

理論性能對比情況分別見表1～表7。

表1 發送節點以9 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&1＼&數據包長度 /B＼&991＼&991＼&時隙使用效率 /%＼&90.4＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&7.8＼&7.8＼&]

表2 發送節點以12 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&1＼&數據包長度 /B＼&1 323＼&1 323＼&時隙使用效率 /%＼&90.4＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&10.4＼&10.4＼&]

表3 發送節點以18 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&2＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，384＼&時隙使用效率 /%＼&71.2＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&15.3＼&]

表4 發送節點以24 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&2＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 029＼&時隙使用效率 /%＼&54＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&20.3＼&]

表5 發送節點以36 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&3＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 167＼&時隙使用效率 /%＼&36＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&33.6＼&]

2.3 結 論

（1） 在6～12 Mb/s調制速率下，一個時隙內只能發送一個數據包，因此單時隙內單包發送與單時隙內多包發送的性能相同。

（2） 在達到18 Mb/s調制速率或以上時，采用單時隙內多包發送的時隙使用效率仍為90.4%，其性能明顯高于單時隙內單包發送的性能。

表6 發送節點以48 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&4＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 562，261＼&時隙使用效率 /%＼&28＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&38.8＼&]

表7 發送節點以54 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&4＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 562，942＼&時隙使用效率 /%＼&24.8＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&44.1＼&]

3 結 語

對基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網絡下的數據包連發技術進行了研究，給出了最多可連發的數據包個數與計算時機、序列號與確認機制、涉及到的參量、父子節點處理流程的詳細設計方案。理論性能對比結果表明，在發送節點采用高調制速率發送數據包時，在該網絡下采用數據包連發技術能夠大幅度提高時隙利用率，網絡性能明顯提升。

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2.2 理論性能對比

理論性能對比情況分別見表1～表7。

表1 發送節點以9 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&1＼&數據包長度 /B＼&991＼&991＼&時隙使用效率 /%＼&90.4＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&7.8＼&7.8＼&]

表2 發送節點以12 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&1＼&數據包長度 /B＼&1 323＼&1 323＼&時隙使用效率 /%＼&90.4＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&10.4＼&10.4＼&]

表3 發送節點以18 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&2＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，384＼&時隙使用效率 /%＼&71.2＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&15.3＼&]

表4 發送節點以24 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&2＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 029＼&時隙使用效率 /%＼&54＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&20.3＼&]

表5 發送節點以36 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&3＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 167＼&時隙使用效率 /%＼&36＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&33.6＼&]

2.3 結 論

（1） 在6～12 Mb/s調制速率下，一個時隙內只能發送一個數據包，因此單時隙內單包發送與單時隙內多包發送的性能相同。

（2） 在達到18 Mb/s調制速率或以上時，采用單時隙內多包發送的時隙使用效率仍為90.4%，其性能明顯高于單時隙內單包發送的性能。

表6 發送節點以48 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&4＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 562，261＼&時隙使用效率 /%＼&28＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&38.8＼&]

表7 發送節點以54 Mb/s發送數據包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數據包個數＼&1＼&4＼&數據包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 562，942＼&時隙使用效率 /%＼&24.8＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&44.1＼&]

3 結 語

對基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網絡下的數據包連發技術進行了研究，給出了最多可連發的數據包個數與計算時機、序列號與確認機制、涉及到的參量、父子節點處理流程的詳細設計方案。理論性能對比結果表明，在發送節點采用高調制速率發送數據包時，在該網絡下采用數據包連發技術能夠大幅度提高時隙利用率，網絡性能明顯提升。

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