無線Ｍｅｓｈ網絡中數據傳輸可靠性的保障策略

摘要：無線Mesh網技術是一種新的無線網絡技術，其核心是任何無線設備節點都可以同時作為接入點(AP)和路由器，網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個節點都可以與一個或者多個對等節點進行直接通信。無線Mesh網中需要考慮完成通信的多跳過程中產生的數據傳輸可靠性的保障問題。使用第三代合作伙伴計劃(3GPP)的系統架構中提出的混合自動重傳請求(HARQ)和自動重傳請求(ARQ)功能，可以對多跳鏈路數據可靠傳輸進行保障。其中針對HARQ提出了逐跳和端到端兩種方法，而對于ARQ功能除了逐跳和端到端兩種方法外還增加了最后一跳的保障機制。從協議棧構架設計的角度，根據HARQ和ARQ機制提出了3種解決方法:分層機制、Relay ARQ機制、多跳ARQ機制。

關鍵詞：混合自動重傳請求；自動重傳請求；多跳；無線網狀網

Abstract: The wireless Mesh is a newly developed wireless network. Its most important character is that all wireless components work not only as Access Points (AP) but also as routers. In the network， every node can send and receive the information and communicate with one or several other peer nodes. But in this process of multi-hop communications， the reliability of data transmission must be considered. Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) and Automatic Repeat Request (ARQ) used in Third Generation Partnership Program (3GPP) system are suggested as solutions for reliable transmission of data in multi-hop links. For HARQ， hop-by-hop and edge-to-edge methods are used; for ARQ， besides edge-to-edge and hop-by-hop， the last hop guarantee mechanismis also applied. According to the protocol structure design， there are three solutions namely， layered mechanism， Relay ARQ mechanism and multi-hop ARQ mechanism.

Key words: HARQ; ARQ; multi-hop; wireless mesh network

無線Mesh網絡也稱為“多跳”網絡，它是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡。在無線Mesh網絡中，任何無線設備節點都可以同時作為接入點(AP)和路由器，網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個節點都可以與一個或者多個對等節點進行直接通信。如果最近的AP由于流量過大而導致擁塞的話，那么數據可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節點進行傳輸。依此類推，數據包還可以根據網絡的情況，繼續路由到與之最近的下一個節點進行傳輸，直到到達最終目的地為止。

無線Mesh是一種非常適合于覆蓋大面積開放區城(包括室外和室內)的無線區域網絡解決方案。無線Mesh網絡的特點是：由一組呈網狀分布的無線AP構成，AP均采用點對點的方式通過無線中繼鏈路互聯，將基本的無線局域網(WLAN)中的無線“熱點”擴展為真正大面積覆蓋的無線“熱區”[1]。

考慮到未來的移動通信系統中，基站(BS)和中繼站(RS)采用無線Mesh網絡架構，用戶(UT)與基站(BS)間的通信可能是多跳的，這就需要有相應的鏈路可靠性保障策略使數據能夠正確地到達對端。在3G和3G的長期演進 (LTE)系統中數據鏈路的可靠性是由混合自動重傳(HARQ)和自動重傳(ARQ)來保障的。如果Mesh中的節點是3GPP系統中節點的演進，那么可以通過改進HARQ或ARQ機制來完成Mesh架構下多跳鏈路的數據可靠性傳輸。

1 3GPP系統中的傳輸保障機制

3GPP系統中由媒體接入控制(MAC)層的HARQ和無線鏈路控制(RLC)層的ARQ共同完成了無線鏈路中數據傳輸的可靠性保障[2]。

1.1 ARQ

發送方將要發送的數據包附加一定的冗余糾錯碼一并發出，接收方則根據糾錯碼對數據包進行差錯檢測，若發現錯誤就返回無確認(NACK)，發送方收到NACK后，便重新傳送該數據。

1.2 HARQ

HARQ[3]是一種鏈路自適應技術，它組合了前向錯誤控制(FEC)原理，在接收方解碼失敗的情況下，可以保存接收到的數據，并要求發送方重傳數據。在HARQ中，鏈路層的信息用于重傳判決，HARQ能夠自動地適應信道條件的變化并且對測量誤差和時延不敏感。自適應調制編碼(AMC)和HARQ二者結合起來可以得到最好的效果——AMC提供粗略的數據速率選擇而HARQ可以根據數據信道條件對數據速率進行較精細的調整。FEC原理包括了遞增冗余(每次重傳包括了更多的奇偶校驗位)和跟蹤組合(同樣的數據塊將被完全重傳)。

1.3 ARQ和HARQ的互操作

在HARQ輔助的ARQ操作中，ARQ通過從HARQ處得到的信息了解傳輸塊(TB)的傳輸狀態。如果HARQ檢測出TB傳輸失敗，即達到HARQ的最大重傳上限，那么相關的ARQ傳輸實體被通知并觸發重新分段和重傳。

2 無線Mesh網的傳輸保障機制

無線Mesh網中的數據傳輸可靠性保障機制，其與傳統網絡中的可靠性保障機制的主要區別在于其傳輸鏈路可能是多跳的。這樣無線Mesh網絡數據傳輸的可靠性就可以簡單地歸結于多跳鏈路中數據傳輸的可靠性問題。下面我們還是根據單跳網絡下數據傳輸可靠性的保障策略來解決多跳的情況。

2.1 HARQ

多跳網絡下HARQ[4]可簡單的分為兩大類：逐跳的HARQ，對每跳都進行HARQ，見圖1；端到端的HARQ，在數據傳輸的兩端進行HARQ，見圖2。

逐跳的HARQ又可以進一步劃分為動態HARQ和靜態HARQ。動態HARQ是指每次HARQ傳輸和重傳都經過重新調度；靜態HARQ是指數據包第一次傳輸時進行資源調度，然后一直預留資源塊，重傳時不需要重新調度，直到數據包成功接收才釋放資源塊。

端到端的HARQ具有一次傳輸時延小的優點，缺點則是如果在傳輸中途出錯，端到端HARQ不能及時檢測出來并請求重傳，只有由最終目的端提出重傳請求。逐跳的HARQ能夠檢測每一跳的傳輸是否正確，因而能夠及時請求重傳，并且協議還可優化進一步減小時延；但是它的網絡節點操作比較復雜。

總之，下行多跳HARQ具有多種備選方案，但在選用的時候需要考慮加入ARQ后的整體性能，還需要根據實際需求進行選擇和優化。其中，最重要的一個需求是端到端傳輸時延。由于LTE中端到端傳輸時延要求很高(用戶面時延小于5 ms)，未來國際移動通信(IMT-Advanced)的端到端傳輸時延應至少不大于LTE的需求，多跳中繼系統面臨著一個很大的挑戰，還需要繼續優化。

2.2 ARQ

對于多跳下ARQ [5]，單獨的考慮ARQ可以有3種實現方法，其中也有逐跳和端到端的機制，但其因為ARQ的特性具體實現并不相同。

逐跳機制：位于BS至UT路徑上的每一個RS解碼出收到的每一個RLC包，在確認按序接收后，再向下一跳節點進行轉發。

端到端機制：所有RS節點無需解碼出收到的RLC包，它們只需在解碼出MAC包后，在對數據包進行處理(如級聯)，直接發送給下一跳RS。RLC的ARQ處理只存在于BS與UT之間。

最后一跳的機制：如圖3所示，位于BS至UT路徑上除最后一跳之外的其他RS節點無需解碼出收到的RLC包，它們只需在解碼出MAC包后，在對數據包進行處理(如級聯)后，直接發送給下一跳RS；最后一跳RS需要解碼出所收到的RLC層數據包，在確認已經按序接收之后，再將數據發送給終端。

2.3 HARQ和ARQ的互操作

針對無線Mesh網絡多跳的特殊場景，簡單的HARQ、ARQ或者是LTE中提出的ARQ和HARQ簡單結合的方式已經沒有辦法滿足數據傳輸可靠性的保障或者數據傳輸時延的需求了。這就需要針對多跳場景設計可以綜合HARQ和ARQ優點的新的數據鏈路可靠性保障機制。接下來將從協議棧設計的角度分析HARQ和ARQ的互操作[6-8]。

2.3.1 分層合作機制

如圖4所示，這種方法是基于LTE協議棧架構來實現的，其基本原理就是將層2分成MAC層和RLC層，其中HARQ在MAC層實現，并采用逐跳機制，而在RLC層實現ARQ功能，采用端到端機制。

分層合作機制比較靈活，逐跳HARQ保障相鄰節點間出現傳輸錯誤時數據的恢復，端到端ARQ負責丟失數據的重傳，不同的逐跳HARQ類型可被用于不同跳的鏈路。逐跳HARQ的數據包大小可根據獨立的鏈路條件進行優化。一個端到端的數據包可能被包含在一個或多個逐跳幀中(直到端到端協議傳輸一個ACK)從源端到終端。這種情況下端到端與逐跳的數據包之間是一一對應的關系。圖5 給出了一個下行端到端數據包傳輸的示意圖。

分層機制的協議互操作和參數配置比較復雜。比如說鏈路中各個節點的重傳時延門限的設計需要避免多個節點同時重傳和無線資源的浪費。如果端到端的重傳超時門限值設的很低那么發送端可能不會再重發相同的數據。但另一方面如果重傳超時門限值設的很高將會造成系統效率降低。如果數據丟失發生在RS間切換的時候，那么在重傳時延門限到達之前各條鏈路的利用率都會降低。另外，逐跳機制提供按序轉發，如果數據包到達是亂序的，RS要將亂序收到的包重新按序排列再發出這也會導致鏈路效率低下，因為。所以這些問題在設計分層的機制時，都需要考慮如何優化。

2.3.2 Relay ARQ機制

這種方法[9]是將端到端和逐跳機制整合到一個協議層中，見圖6。Relay ARQ協議實體在RS間所有的鏈路上被整合成一個過程。在BS到UT的所有鏈路上使用相同的數據包，相同的序列號。這里使用3種狀態信息：ACK\\NACK\\中繼確認RACK(Relay-ACK)。

下面以兩跳為例來說明Relay，見圖7。RS保存來自于BS的關于數據包的信息和來自于UT的ACK。RS發送一個RACK給BS當他收到來自于BS的數據包同時還沒有收到UT的ACK時，RACK與分層中的逐跳ACK相同。在BS處，RACK表示RS負責該數據包。BS將該數據包保存在發送緩存中直到收到UT反饋的ACK。UT反饋的ACK相當于分層ARQ中的端到端的ACK。如果RS給UT轉發數據失敗，由于RS間的切換，那么其上一級節點負責該數據包的重傳，原始發送方最終對數據包負責。這種方案與第一種方案基本相同，其優點在于對Relay來說協議結構簡單，但是對整個系統來說，需要對其他協議進行調整。

2.3.3 多跳ARQ機制

這種方法中的端到端的ARQ將不再終止于UT而是UT的上一跳RS，而從該RS到UT執行逐跳的HARQ，見圖8。這里任何一種逐跳的鏈路數據保障方法都可以使用，這使得UT可以移動于不同的系統中。端到端的協議與最后的RS連接到UT的逐跳協議是緊耦合的。

下行端到端協議確認數據在到達最終目的節點后，上行中最后一個RS在收到BS的ACK前不會發送逐跳的ACK給UT，其實現過程如圖9所示。這種方法最大的優勢在于允許UT移動到其他的系統中。另一方面，最后的RS處的端到端的協議與到UT的協議應該是緊耦合的，為了支持每種逐跳協議(新老系統的)，這里需要端到端協議進行調整，以支持整個鏈路的可靠性保障。這對于UT的計算復雜度和存儲要求比其他方法要低。但這種方法與分層的方法有相同的缺點，就是潛在的協議互操作的缺點。

4 結束語

作為一種新型的網絡架構，無線Mesh網絡可以是現在無線蜂窩通信系統的有力補充和改進。但在具體實現的時候必須要研究其特有的多跳鏈路可靠性保障問題，以增強網絡的健壯性。本文給出的研究多跳鏈路可靠性保障策略的方法中，給出了不同的研究思路，如從具體實現來考慮的HARQ和ARQ機制的改進，到從協議棧角度考慮的對于Mesh節點，如中繼站的協議棧的研究，其中就獨立的HARQ或者ARQ機制，可以將其思想應用于不同的系統中，如802.16系統中。但就時延的問題來說，端到端的解決方法是優于逐跳的方法的。基于協議棧的解決方法，考慮到系統配置的統一性，分層的方法在保障系統整體協議棧架構相同的條件下，能夠提供時延較小的可靠性保障策略。總而言之，這些方法都可以有效地解決多跳鏈路的可靠性保障問題，但也有其不足之處，所以無線Mesh網中數據傳輸可靠性的保障策略還需要繼續的改進和補充。

5 參考文獻

[1] 方旭明， 等.下一代無線因特網技術:無線Mesh網絡[M]. 北京:人民郵電出版社， 2006.

[2] 3GPP TS 36.300 v8.0.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2[S]. 2007.

[3] 胡崧. 基于TDD的第四代移動通信技術[M]. 北京:電子工業出版社， 2005.

[4] 許獻聰. Multihop HARQ in WiMAX network with relays[EB/OL]. 2007-10-18.http://www. netlab18.cis.nctu.edu.tw/Short_course07/3_Multi_hop%20HARQ.

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[7] IST-2003-507581 WINNER D3.5. Proposal of the best suited deployment concepts for the identified scenarios and related RAN protocols[S]. 2005.

[8] IST-4-027756 WINNER II D4.8.1. WINNER II intramode and intermode cooperation schemes definition[S]. 2006.

[9] Wiemann h， Meyer m， Ludwig r， et al. A novel multi-hop ARQ concept[C]// Proceedings of 61st Vehicular Technology Conference (VTC2005-Spring): Vol 5， May 30-Jun 1， 2005， Stockholm， Sweden. Piscataway， NJ， USA: IEEE， 2005: 3097-3101.

收稿日期：2008-01-16

趙楠，中興通訊股份有限公司無線預研部工程師。學士畢業于西北工業大學通信工程專業，碩士畢業于德國烏佩塔爾綜合大學電子技術專業。現從事IMT-Advanced系統的預研工作，主要研究方向為無線通信系統架構和接入網高層協議。