無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)組播差錯(cuò)控制協(xié)議性能分析

摘要：從理論上對(duì)典型的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)組播差錯(cuò)控制協(xié)議BLBP、LBLBP以及HLBLBP的性能進(jìn)行分析，通過(guò)MATLAB對(duì)各協(xié)議在不同丟包率情況下的重傳次數(shù)、信道占用時(shí)間及端到端平均時(shí)延等性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。研究結(jié)果表明：HLBLBP的整體性能最優(yōu)，但其未考慮某些信道質(zhì)量較差的節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

關(guān)鍵詞：組播；無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)；基于領(lǐng)導(dǎo)者的協(xié)議；差錯(cuò)控制；性能

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

隨著Internet的發(fā)展和商業(yè)化進(jìn)程的加速，組播[1]以其節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬和減輕服務(wù)器負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)[2]作為“最后一公里”寬帶無(wú)線接入的重要技術(shù)之一，具有高速度、低干擾、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、結(jié)構(gòu)靈活等特點(diǎn)。因此無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的組播應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬低、丟包率高、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)組播傳輸?shù)目煽啃詠?lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

差錯(cuò)控制是保證組播傳輸可靠性的重要方法，而MAC層的控制協(xié)議因?yàn)榫哂刑幚硌舆t短等特點(diǎn)，使它成為目前研究的重點(diǎn)，其中基于領(lǐng)導(dǎo)者的系列組播差錯(cuò)控制協(xié)議最為典型。本文對(duì)典型的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)組播差錯(cuò)控制協(xié)議的性能進(jìn)行分析，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)比較其優(yōu)劣性，以期改進(jìn)出性能更優(yōu)的協(xié)議。本文結(jié)構(gòu)主要如下，第2節(jié)介紹典型的無(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)組播差錯(cuò)控制協(xié)議；第3節(jié)從理論上對(duì)協(xié)議進(jìn)行性能分析；第4節(jié)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果；第5節(jié)對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)并給出下一步研究期望。

2典型無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)組播差錯(cuò)控制協(xié)議

基于領(lǐng)導(dǎo)者的系列組播差錯(cuò)控制協(xié)議以802.11 MAC標(biāo)準(zhǔn)的分布式協(xié)調(diào)機(jī)制[ 3]為基礎(chǔ)，其基本思想是選擇一個(gè)代理（即領(lǐng)導(dǎo)者）來(lái)代表所有的接收者負(fù)責(zé)與發(fā)送者進(jìn)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(lǐng)導(dǎo)者協(xié)議在非領(lǐng)導(dǎo)者是否有發(fā)言權(quán)、是否采用分層以及是否結(jié)合前向糾錯(cuò)等方面存在差異，因而其在重傳次數(shù)、信道占用時(shí)間及端到端平均時(shí)延等方面的性能不同。

定義1 組播源節(jié)點(diǎn)或任意中間需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，在向下一跳發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)稱為發(fā)送者。

2.1LBP

LBP[4]是最基本的領(lǐng)導(dǎo)者協(xié)議，其基本思想是在接收者中選出一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者，作為和發(fā)送者交互的代理。發(fā)送者發(fā)送數(shù)據(jù)后，如果領(lǐng)導(dǎo)者正確接收到了數(shù)據(jù)，則回復(fù)ACK確認(rèn)，其它節(jié)點(diǎn)無(wú)論是否收到數(shù)據(jù)都不做任何回應(yīng)。如果發(fā)送者收到領(lǐng)導(dǎo)者回復(fù)的ACK，則此次傳輸結(jié)束；如果發(fā)送者在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到ACK，則說(shuō)明傳輸過(guò)程發(fā)生錯(cuò)誤，開(kāi)始重傳，直至能正確接收到ACK。如果非領(lǐng)導(dǎo)者沒(méi)有接收到正確數(shù)據(jù)，但領(lǐng)導(dǎo)者回復(fù)了ACK，則發(fā)送者會(huì)認(rèn)為所有節(jié)點(diǎn)都已正確接收數(shù)據(jù)，不會(huì)再進(jìn)行重傳，所以無(wú)法保證非領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)接收到正確數(shù)據(jù)。LBP實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但由于非領(lǐng)導(dǎo)者沒(méi)有話語(yǔ)權(quán)，不能保證組播的可靠性。

2.2BLBP

BLBP[5]在LBP的基礎(chǔ)上，使非領(lǐng)導(dǎo)者能反饋NACK來(lái)告知自己未正確收到數(shù)據(jù)。BLBP要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何統(tǒng)一接收者接收數(shù)據(jù)以及進(jìn)行反饋的時(shí)間。為此，BLBP增加一個(gè)信標(biāo)幀BEACON幀，BEACON幀格式如圖1所示。持續(xù)時(shí)間標(biāo)識(shí)的是即將發(fā)送的數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間，這樣可以使所有接收者能在收到BEACON幀同時(shí)確定數(shù)據(jù)發(fā)送完成的時(shí)間，即同步了所有接收者的時(shí)間。幀序號(hào)標(biāo)識(shí)了當(dāng)前發(fā)送幀的序號(hào)，重傳時(shí)已正確接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以直接丟棄重復(fù)的幀。

BLBP的基本思想是：發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，廣播BEACON幀，這樣所有節(jié)點(diǎn)在收到BEACON幀后可根據(jù)持續(xù)時(shí)間設(shè)定自己回復(fù)ACK/NACK時(shí)間；領(lǐng)導(dǎo)者在成功接收數(shù)據(jù)后，回復(fù)ACK，如果未正確接收，則不回應(yīng)；非領(lǐng)導(dǎo)者成功接收則沉默，否則回復(fù)NACK。如果發(fā)送者收到ACK，則本次組播成功結(jié)束，收到NACK或者ACK等待超時(shí)則本次組播失敗，進(jìn)行重傳，直到發(fā)送者正確接收到領(lǐng)導(dǎo)者回復(fù)的ACK時(shí)，結(jié)束本次組播。

分析BLBP可知，領(lǐng)導(dǎo)者和非領(lǐng)導(dǎo)者接收數(shù)據(jù)的情況有三種。①如果所有節(jié)點(diǎn)都成功接收數(shù)據(jù)，發(fā)送者會(huì)收到ACK；②如果是領(lǐng)導(dǎo)者或者某些非領(lǐng)導(dǎo)者未收到正確數(shù)據(jù)，發(fā)送者會(huì)在ACK等待超時(shí)或者收到NACK后進(jìn)行重傳；③如果領(lǐng)導(dǎo)者正確接收而其他節(jié)點(diǎn)有錯(cuò)誤，則會(huì)同時(shí)回復(fù)ACK和NACK，這樣會(huì)因?yàn)樾诺罌_突導(dǎo)致信道噪音，發(fā)送者會(huì)因?yàn)闊o(wú)法正確接收到ACK而在等待超時(shí)后進(jìn)行重傳。這三種情況下，BLBP都能保證所有接收者正確接收數(shù)據(jù)，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(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中性能較差。

2.3LBLBP

為了使BLBP能適用于多跳環(huán)境，LBLBP[6]在BLBP的基礎(chǔ)上加入分層的概念，將組播的糾錯(cuò)過(guò)程逐跳的進(jìn)行。LBLBP子層內(nèi)用改進(jìn)的BLBP協(xié)議進(jìn)行可靠性保障，且定義了層內(nèi)和層間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。

定義2從組播源節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，按照每增加一跳將組播劃分一層，即到源節(jié)點(diǎn)跳數(shù)相同的節(jié)點(diǎn)處于同一層。

定義3如果某一層中有節(jié)點(diǎn)需要向下轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，那么將該節(jié)點(diǎn)和接收它轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)劃分成一個(gè)子層。

在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，如果是單跳情況下，發(fā)送者只有一個(gè)，可以緊接著重傳；但在多跳環(huán)境下，除子層內(nèi)發(fā)送者外，還有其他的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)信道，所以要對(duì)競(jìng)爭(zhēng)加以限制，因此加入L-C/L-R（Layer-Clear/Layer-Retransmission）幀來(lái)標(biāo)識(shí)子層內(nèi)傳輸完成情況。若子層內(nèi)所有接收者都正確接收到了數(shù)據(jù)，則發(fā)送者組播L-C幀，告知此次發(fā)送成功；如果本次組播出錯(cuò)，則發(fā)送者組播L-R幀，等待一定時(shí)間后發(fā)送者立刻開(kāi)始重傳過(guò)程。

由于存在多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此要協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的使用，LBLBP定義了層內(nèi)和層間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。同層節(jié)點(diǎn)間遵循重傳優(yōu)先，轉(zhuǎn)發(fā)平等的原則。假設(shè)節(jié)點(diǎn)A本次轉(zhuǎn)發(fā)失敗，需要進(jìn)行重傳，此時(shí)同層其他節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到A的L-R幀后會(huì)根據(jù)A的持續(xù)時(shí)間域繼續(xù)等待，以保證A能優(yōu)先重傳。層間采用的是下層節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先的原則，保證數(shù)據(jù)幀能盡快向下傳遞，減小時(shí)延。如圖2，B、C是A的下層節(jié)點(diǎn)。A在成功完成數(shù)據(jù)傳輸后，若仍要繼續(xù)發(fā)送，則需將競(jìng)爭(zhēng)窗口設(shè)置為最小窗口的2倍再參與信道競(jìng)爭(zhēng)，而B、C節(jié)點(diǎn)只要設(shè)為最小競(jìng)爭(zhēng)窗口即可參與信道競(jìng)爭(zhēng)，從而保證數(shù)據(jù)能盡快向下轉(zhuǎn)發(fā)。

分析LBLBP可知，由于子層內(nèi)采用了改進(jìn)的BLBP，因此它能保證組播的可靠性；同時(shí)LBLBP在多跳環(huán)境下定義了信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，避免了無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)，能有效降低傳輸時(shí)延。但LBLBP也存在以下問(wèn)題：當(dāng)任意接收者出錯(cuò)時(shí)，發(fā)送者都要將數(shù)據(jù)包單獨(dú)重傳一次，這會(huì)大大增加重傳的次數(shù)，且花費(fèi)在傳輸控制幀的時(shí)間開(kāi)銷太大。

2.4HLBLBP

HLBLBP[7]在LBLBP的基礎(chǔ)上，采用前向糾錯(cuò)FEC機(jī)制降低重傳次數(shù)，另外為了減少控制幀開(kāi)銷，將BEACON幀與RTS幀通過(guò)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(shù)將一個(gè)數(shù)據(jù)塊的k個(gè)數(shù)據(jù)包編碼成k+n個(gè)包，其中n個(gè)包作為重傳包。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程分為兩部分。首先按照802.11規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送前k-c個(gè)數(shù)據(jù)包，這樣可以減少信道競(jìng)爭(zhēng)和控制幀開(kāi)銷。其中c的取值取決于信道質(zhì)量，在丟包率較小、鄰居節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)較少時(shí)，c取值比較小。其次采用LBLBP機(jī)制發(fā)送余下的包，當(dāng)發(fā)送完k個(gè)包后，發(fā)送者根據(jù)反饋信息決定是否要進(jìn)行重傳糾錯(cuò)。

如果領(lǐng)導(dǎo)者正確收到了k個(gè)數(shù)據(jù)包，則反饋ACK，若接收的正確數(shù)據(jù)包小于k個(gè)，則不反饋任何信息；如果是非領(lǐng)導(dǎo)者正確接收到k個(gè)數(shù)據(jù)包，則不作反饋，若接收到的正確數(shù)據(jù)包小于k個(gè)，則回復(fù)NACK。發(fā)送者根據(jù)反饋，若收到ACK信息，則發(fā)送L-C幀，表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功；若收到NACK或在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)收到ACK幀，則發(fā)送L-R幀，表示需要進(jìn)行糾錯(cuò)。

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(shù)，在組播環(huán)境下單個(gè)的糾錯(cuò)包能同時(shí)糾正不同接收者的不同錯(cuò)誤，因此可以有效的減少重傳次數(shù)。雖然編碼解碼會(huì)增加計(jì)算開(kāi)銷和復(fù)雜性，占用更多的帶寬，但與LBLBP每次出錯(cuò)都要重傳數(shù)據(jù)包相比，帶寬利用率還是更高。

無(wú)線環(huán)境中某些節(jié)點(diǎn)到發(fā)送者的信道質(zhì)量可能很差，只能收到很少的正確包，需要重傳的數(shù)據(jù)包數(shù)量就很大，這樣對(duì)信道質(zhì)量較好的節(jié)點(diǎn)不公平，同時(shí)會(huì)增大數(shù)據(jù)包向下轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，公平性問(wèn)題是基于領(lǐng)導(dǎo)者系列協(xié)議要解決的一個(gè)共同問(wèn)題。

3理論分析

從上節(jié)分析可知LBP不能保證可靠性，而BLBP、LBLBP和HLBLBP三種協(xié)議都能保證可靠性，因此只對(duì)后三種協(xié)議的性能進(jìn)行分析。重點(diǎn)分析協(xié)議的傳輸次數(shù)期望E（N）、數(shù)據(jù)包信道占用時(shí)間期望T（N）和端到端平均時(shí)延DK。假設(shè)本文用到的MAC層控制幀（RTS、CTS、BEACON、ACK/NACK等）都可無(wú)差錯(cuò)地傳輸?shù)浇邮照摺?/p>

3.1傳輸次數(shù)期望

5結(jié)束語(yǔ)

本文從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了BLBP、LBLBP、HLBLBP等典型的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)組播差錯(cuò)控制協(xié)議的性能，結(jié)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(huán)境，而LBLBP和HLBLBP能適用于多跳環(huán)境；在傳輸次數(shù)、信道占用時(shí)間、端到端平均時(shí)延等方面HLBLBP的整體性能最好。但HLBLBP也存在某些信道質(zhì)量較差節(jié)點(diǎn)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，對(duì)信道質(zhì)量好的節(jié)點(diǎn)不公平，因此解決這個(gè)公平性問(wèn)題是下一步的研究目標(biāo)。

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