無線mesh網絡多跳特性研究

王海波 程建明

【摘要】 無線mesh網絡作為多跳網絡，其多跳特性研究是當前的一個研究熱點。本文針對無線局域網絡環境，利用NS3完成無線mesh網絡的建模，通過將建模后的無線mesh網絡與傳統的單跳Wi-Fi網絡進行性能上的對比，研究無線mesh網絡的多跳特性。

【關鍵字】 無線mesh網絡 NS3 多跳 IEEE 802.11

一、應用背景

Mesh其義為網格，mesh的特點就是所有節點都互相連接。Wireles Mesh即無線網狀網，是一種與傳統的無線網絡完全不同的新型網絡。在無線mesh網絡中，每個節點都可以通過一跳或多跳的方式與一個或多個對等節點進行通信。Mesh架構作為一種新型的無線組網架構，因其自組織多跳、自愈合高可靠性、靈活快速組網的特性適合于緊急通信或遠程醫療等需要快速穩定組網的場景。

IEEE 802.11s作為WLAN網絡下的mesh架構標準，其物理層所使用的協議與Wi-Fi完全一致，在MAC層則針對多跳特性做出了一些修訂。本文針對IEEE 802.11寫的mesh架構進行仿真，并將仿真結果與傳統單跳網絡進行了對比，最終分析得到WLAN網絡下mesh架構的多跳特性。

二、無線mesh架構的多跳原理

圍繞無線mesh網絡架構的研究層出不窮，IEEE 802.11標準將無線網絡中傳輸的的幀分為數據幀、控制幀和管理幀三類，數據幀能攜帶更高層次的數據，控制幀能被用作設定和認證，設備通過管理幀來完成對一個本地WLAN或者一條鏈路的搭建、組織和維護。而IEEE 802.11s協議針對mesh網絡的MAC幀結構做了特殊定義，新定義下的MAC幀結構如圖1所示。該幀結構中對地址結構的特殊定義使無線mesh網絡具備了完成多跳傳輸的能力。

相對IEEE 802.11b/g/n協議下的MAC幀結構而言，s工作組下的MAC幀結構所作出的特殊定義主要為圖3中的藍色部分，即在802.11幀頭末尾上添加了mesh控制域，用以支持多跳功能。Mesh控制域主要包括mesh時間來直播完成同步（TTL），一個mesh序列號、mesh標識域和可能的一個mesh地址擴展域。TTL和序列號信息組被用以避免幀永遠的循環下去。Mesh標識域用以標識mesh控制域中是否有額外的MAC地址存在，即是否MAC幀使用了mesh的3對地址，即單跳源地址和目的地址，mesh路徑中的源地址和目的地址以及端到端的源地址和目的地址。

三、仿真環境搭建

WLAN環境下Wi-Fi網絡極其普遍。由于IEEE 802.11s下的無線多跳網絡其物理層與IEEE 802.11所使用的物理層協議完全一致，因此在IEEE 802.11的基礎上研究無線多跳網絡具有十分重大的意義。

由于網絡的多跳通信過程設計網絡的傳輸全過程，并且需要考慮信道環境。因此本文使用了NS3來完成無線mesh網絡的系統級仿真，仿真過程中考慮了無線環境中的傳輸損耗，并通過仿真Wi-Fi網絡來參考完成無線mesh網絡的單跳距離、傳輸損耗模型、信道探測閾值、能量探測閾值、天線增益等網絡搭建的關鍵參數選取。

首先搭建了一組AP-STA的Wi-Fi網絡，通過采用控制變量的方法，把傳輸速率（DataRate）定為1Mbps，然后改變STA節點與AP節點的距離，測試得到了Wi-Fi網絡的性能指標。我們運用隨機變量，測試了兩次，將兩次得到的結果放在了同一張圖中，使結果更加可靠。圖2即為吞吐量隨距離變化的結果。兩次測試結果均表明，在150m以內，Wi-Fi網絡的吞吐量表現良好，能夠達到我們設定的1Mbps；但是超出150m以外，吞吐量會急速下降；到了200m以外，吞吐量基本為零，這意味著已經超出了這個網絡的覆蓋范圍。

通過分析該性能指標，我們可以得出結論，在這樣的設定下：

m_txpower = 15dbm，

TxGain/ RxGain = 5dbm，

m_EnergyDet = -87dbm，

m_ccath = -100dbm，

Wi-Fi網絡表現良好的覆蓋范圍是100m，此外，參考常用的仿真信道參數，采用如表1所示的仿真參數。下文將描述在上述設定下繼續多跳測試。

四、多跳特性仿真結果分析

4.1 Wi-Fi網絡與mesh架構的比較

上一小節通過基本的仿真結果確定了仿真環境的核心參數，本節仿真將基于上述參數配置完成多跳仿真，并將測試結果與IEEE 802.11環境下測試結果相比較。以數據發送速率（DataRate）作為因變量，看看Wi-Fi網絡和Mesh網絡（一跳、兩跳、三跳、四跳）中吞吐量的變化情況，從而分析出多跳的傳輸性能。

需要說明的是，Mesh網絡中不同跳數的距離分析是一個平均值。由于單跳傳輸范圍接近150m，而仿真選取的100m為最佳傳輸距離。因此，在3*3的網絡拓撲下仿真結果得到的傳輸跳數包括1跳、2跳與4跳的傳輸結果。三個在某一跳范圍內的節點，本文以這三點的直線距離平均值作為該跳的覆蓋范圍。仿真結果得到Mesh 1跳的平均距離是120m左右；Mesh 2跳的平均距離是210m左右；Mesh四跳的直線距離是280m左右。圖3所示，仿真結果比較了Wi-Fi單跳與無線mesh網絡各跳的傳輸性能。

從圖3中我們可以看到，Wi-Fi網絡和mesh 1跳的吞吐量基本一致的，最大吞吐量都能達到1.2Mbps左右；mesh 2跳的性能由于距離的增大表現得要差一些，最大吞吐量達到了800kbps左右；mesh 4跳的性能由于傳輸距離的擴大，吞吐量只能達到100kbps左右，考慮到4跳的直線距離已經達到了280m，這個結果還是能夠接受的。因此，從吞吐量這個指標可以看出來，在相同條件下，相同距離的時候，Wi-Fi網絡和Mesh網絡的性能是不相上下的。但是Mesh網絡可以通過多跳的方式把覆蓋范圍擴大很多，與此同時，會犧牲一些吞吐量，這是可以接受的。經過的跳數越多，吞吐量受到的環境影響也越大。至于在本文的仿真結果中，mesh 4跳的吞吐量只能達到100kbps，這是網絡拓撲結構和環境參數設定等各種因素綜合影響的結果。

4.2實驗總結

通過上述仿真分析，我們可以得出如下結論：

（1）在單跳的情況下，Wi-Fi網絡與mesh網絡的覆蓋范圍基本一致，有效覆蓋范圍是150m左右。在這個范圍內，兩類網絡的吞吐量指標基本一致，體現出良好的接入吞吐量。超出這個范圍，網絡的性能會急速下降。

（2）與Wi-Fi網絡單跳覆蓋相比，Mesh網絡通過其多跳特性將無線傳輸的覆蓋范圍擴大了兩倍多。此外，Mesh網絡帶來的不僅帶來了覆蓋范圍的增加，還能帶來良好的解決網絡擁塞、提高網絡可靠性等無線多跳網絡天然的優勢。

（3）隨著數據發送速率的提高，即單位時間內發送的數據包數量增加，網絡吞吐量明顯提高。同時，隨著跳數增加，網絡吞吐量逐漸趨于飽和，跳數越大，飽和吞吐量越小，因此，在4跳情況下，由于飽和吞吐量很小，數據包發送速率的增加并沒有引起吞吐量明顯的提高。

五、總結

本文介紹了WLAN環境下無線mesh網絡中多跳的由來，并使用NS3網絡仿真軟件搭建Wi-Fi網絡與無線mesh網絡的仿真平臺，借助平臺仿真結果分析了mesh網絡多跳的特性。仿真結果從數據的角度體現了多跳網絡在傳輸速率上可以匹敵Wi-Fi網絡、在覆蓋范圍上遠遠超越Wi-Fi網絡的優勢。

參 考 文 獻

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