一種無線Mesh網絡擴展改進方法研究

張春琴

（浙江工業職業技術學院，杭州 312000）

一種無線Mesh網絡擴展改進方法研究

張春琴

（浙江工業職業技術學院，杭州 312000）

0 引言

ECMA-368媒體接入控制層(Madia Access Control,MAC)協議以超幀(Superframe)作為節點接入和資源競爭的周期單位,信道時間的預留以媒體接入時隙(Madia Access Slot,MAS)為單位,一個MAS為256 ,ECMA-368 MAC協議按照節點對來分配信道時間,當將此協議應用于Mesh網絡時,會出現兩個問題:1)預留時間一般大于實際傳輸使用的時間,剩余時間會被釋放,但可能最終沒有節點使用;2)中繼節點信道接入延時較大,網絡整體性能不高。為了解決ECMA-368 MAC協議應用于Mesh網絡時存在的問題,本文提出高級路由時間分配協議(Advanced Route Time Allocation Protocol, ARTAP),在按路由預留的基礎上通過修改DRP IE(Distributed Reservation Protocol Information Element)的幀格式從而更為精確的表示所需要預約的MAS個數,最大程度上利用信道時間,進行有保證的數據傳輸。

1 基本方案

1.1 ECMA-368 MAC層方案

在ECMA-368 MAC協議中,節點有三種信道接入方式,分別為信標期(Beacon Period,BP),分布式預留協議(Distributed Reservation Protocol,DRP)和帶有優先級的競爭接入(Prioritized Contention Access, PCA)。DRP有兩種預約協商方式,顯式(Explicit)預約和隱式(Implicit)預約。對于顯式預約,預約所有者發送DRP預約請求命令幀(Reservation Request Command Frame)給目標節點,命令幀的負載由N個DRP IE組成。DRP IE用于協商特定MAS的預約以及通知被預約的MAS,它的格式如圖1所示。一旦接收到DRP預約請求命令幀,預約目標回復DRP預約應答命令幀(DRP Reservation Response Command Frame)給預約所有者。對于隱式預約,預約協商通過在信標幀中傳輸DRP IE來完成。當預約協商成功之后,節點就可以在預約好的MAS中傳輸數據了。

然而當將此協議應用于無線Mesh網絡時,直接使用該協議會使網絡性能受到一定影響。假設Mesh網絡中常見的一種情況,如圖2所示,節點A要發送數據給節點B,但是B位于A的傳輸范圍之外,所以A要借助于中間節點C,D和E來轉發數據,假設A一次只發送一個數據幀,一次完整的傳輸(從發送數據幀到收到應答幀)需要90us的時間,按照協議規定,信道時間根據節點對來分配,就會導致(A, C),(C, D),(D, E),(E,B)每次傳輸各占用一個MAS。但是真正用來傳輸的時間僅為90us。

圖1 DRP IE格式

圖2 Mesh網絡多跳傳輸場景

1.2 ARTAP方案

在GRATS方案的啟發下,本小節提出一種改進的MAS預約分配方法,高級路由時間分配協議(Advanced Route Time Allocation Protocol,ARTAP)。

首先介紹所需增加的幀格式——MAS Control域,該域和DRP IE中的DRP Allocation域一起實現預留更精確的信道時間。第一個字節First MAS Offset表示預約的連續MAS的第一個MAS的小數位偏移量,第二個字節Last MAS Offset表示預約的最后一個MAS的小數位偏移量。這兩個字節的格式相同,每個字節包括三部份。最高位為符號位,表示是從MAS開始時刻加上還是從結束時刻減去這個偏移量,1表示減去,0表示加上。第6位到第4位為保留位。低4位表示具體的偏移值。其中1010-1111這5個值作為保留值。0000表示偏移值為0,即完整占用被預約的MAS;0001表示偏移值為0.1;0010表示偏移值為0.2;依此類推,1001表示偏移值為0.9。這樣就可以更為精確地表示節點所需預約的MAS個數,可精確到小數點后一位。

1.3 數學分析

假定源節點始終有數據發送,并且總是能協商預約成功,預留的MAS中的多余時間直接空閑處理,不再用于PCA接入。同時假定信道的誤碼率為0,每個數據幀的負載長度為L,Lpream表示前導符長度,Lh表示PLCP Header字節長度,LACK表示確認幀(Acknowledgment, ACK)幀長,Lt表示FCS、Tail和Pad比特的長度,Rd表示數據幀的發送速率,Rb表示幀頭的發送速率,TMAS為一個MAS的時間長度,使用Imm-ACK應答機制。源節點一次發送M個數據幀,不考慮傳播時延,則可以求出兩個節點間一次傳輸所需要的時間為:

如果一次路由需要K次點對點傳輸,則可求得一次路由傳輸時間為:

如果使用ARTAP預約信道時間,則需要預約的MAS個數可以近似表示為:

于是,可以求出使用ARTAP的吞吐率為:

如果使用GRATS算法中按照路由去預約信道時間的做法,則需要預約的MAS個數可以表示為:

這樣,可以求出使用GRATS算法的吞吐率為:

而當使用標準的ECMA-368 MAC協議時,需要預約的MAS個數為:

這樣,可以求出使用標準ECMA-368 MAC協議的吞吐率為:

顯然,由數學的基本知識可知,以下不等式成立:

因此,從理論上分析,使用ARTAP算法的網絡吞吐率好于使用GRATS算法中按照路由分配信道時間以及使用標準ECMA-368 MAC協議的網絡吞吐率。

2 仿真與性能分析

假定所有發送節點事先知道到達目的節點的完整路由,同時始終有數據需要發送且總能預約成功。假設在同一次仿真中,節點的轉發次數以及每次發送的數據幀個數相同。仿真參數參照ECMA-368 MAC協議,一些共用的重要參數取值見表1。假設信道為無錯信道,采用Imm-ACK應答機制。每次通信的傳輸次數最少為1,最大為9。節點每跳發送一個、三個和五個數據幀時的網絡吞吐率情況的仿真結果如圖3所示。

表1 仿真參數和取值

圖3 M=1、M=3、M=5時三種方法的網絡吞吐率情況

由圖3(a)可見,使用GRATS算法中按照路由分配信道時間的方法時,因為節點會根據路由去預約整數個MAS,這樣導致隨著每次發送所需轉發次數的不同,在單位時間內發送的數據量也出現較大不同,反應在圖上就是吞吐率的較大波動。不過雖然吞吐率一直在變化,但在每一種情況下,使用該方法的網絡吞吐率都大于等于使用標準ECMA-368 MAC協議時的網絡吞吐率。而如果使用ARTAP,吞吐率的變化比較平滑,并且在每一點上都要大于等于前兩種方法的吞吐率。這是因為使用ARTAP,對于MAS的預約更為精確,更好的避免了信道時間的浪費。由圖3(b)和(c)可見,在這兩種情況下,使用ARTAP時的網絡吞吐率都要大于等于使用前兩種方法時的網絡吞吐率。特別在M=3時,使用前兩種方法的網絡吞吐率幾乎相等,而使用ARTAP算法,還是能在一定程度上提高吞吐率,優化網絡性能。當然,由圖中還能觀察到,隨著每次發送數據幀個數的增多,使用ARTAP提高的網絡吞吐率會變少。這是由于如果節點的一次傳輸有大量數據需要發送,則需要預約多個MAS,此時浪費的信道時間相比于使用的信道時間,所占比例會變小,自然使用ARTAP后相對提高的吞吐率也會變小。

3 結論

將ECMA-368 MAC協議應用于無線Mesh網絡時,DRP使用節點對間協商的預留方式,使得網絡對多跳業務提供的服務性能不高,本文提出ARTAP算法,經仿真結果表明,該算法能有效地提高網絡吞吐率,減小路由中繼節點接入時延,增強網絡性能。

[1]ECMA International. High Rate Ultra Wideband PHY and MAC Standard, Standard ECMA-368 [S]. Dec 2005.

[2]Xi Chen, Jianhua Lu, Zucheng Zhou. An Enhanced Highrate WPAN MAC for Mesh Networks with Dynamic Bandwidth Management [C]. IEEE Globecom 2005, 28 Nov-2 Dec, 2005. 3408-3412.

[3]文舉, 金建勛, 袁海. 一種無線傳感器網絡四邊測距定位算法[J]. 傳感器與微系統, 2008(4).

An improved method in wireless mesh networks

ZHANG Chun-qin

將ECMA-368協議應用于無線Mesh網絡時，為了使其更好的適應多跳路由協議，提高網絡吞吐率，減小路由中繼節點接入時延，提出針對ECMA-368協議 MAC層的改進方法ARTAP算法，并給出其具體實施步驟及分析過程。仿真結果表明，該方法能夠提高網絡吞吐率，減小中繼節點接入時延，提高網絡對多跳業務的服務性能。

ECMA-368標準；MAC；Mesh網絡；網絡吞吐率；接入時延

張春琴(1977－),女,浙江紹興人,講師,碩士,研究方向為計算機仿真技術。

TN915

B

1009-0134(2011)1(上)-0153-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).46

2010-09-13