WLAN Mesh網絡多信道速率自適應MAC協議

李科艷,雷 磊,羅 誠,董 濤

(1.南京航空航天大學電子信息工程學院,南京210016;2.航天恒星科技有限公司,北京100086)

WLAN Mesh網絡多信道速率自適應MAC協議

李科艷1,雷 磊1,羅 誠1,董 濤2

(1.南京航空航天大學電子信息工程學院,南京210016;2.航天恒星科技有限公司,北京100086)

針對多種傳輸速率的鏈路共存于同一信道時引發的性能瓶頸,以及單接口多信道網絡中接收端忙的問題,在DCF協議的框架內提出一種適用于WLAN Mesh網絡的分布式多信道速率自適應媒體控制接入(MAC)協議。該協議允許發送節點的鄰居節點通過協作應答的方式告知相應接收節點所處信道,接收節點根據當前信道質量合理選擇傳輸速率和傳輸信道反饋給發送節點。通過上述機制,將不同傳輸速率的鏈路分配在不同的信道上。仿真結果證明,該協議能避免不同傳輸速率鏈路之間的相互干擾,解決接收端忙問題。與現有典型多信道速率自適應MAC協議相比,能有效提高網絡的總吞吐量。

WLAN Mesh網絡;媒體接入控制協議;多信道;速率自適應;信號干擾

1 概述

IEEE 802.11協議［1］是無線網絡領域較早的標準協議,其媒體接入控制(Media Access Control, MAC)層定義的 DCF(Distributed Coordination Function)協議為WLAN Mesh［2］網絡的基本信道接入協議,該協議通過物理和虛擬載波檢測機制來避免節點之間沖突的發生,要求各節點采用統一的傳輸速率進行數據分組的交互。

近年來,802.11協議體系逐漸在物理層增加了對多種傳輸速率的支持。例如 IEEE 802.11b協議［3］允許4種傳輸速率,IEEE 802.11a協議［4］支持8種傳輸速率。以IEEE 802.11 DCF協議為基礎,文獻［5］提出的RBAR(Receiver-based AutoRate)協議允許接收節點根據接收RTS幀時的信號強度和信噪比情況動態選擇隨后的Data/ACK幀交互過程的傳輸速率,并將所選擇的傳輸速率值反饋給發送節點。仿真實驗證明了多速率MAC協議與單速率MAC協議相比在性能上的優越性。然而,越來越多的學者指出［6-10］,在多速率網絡中,占用信道的低速率鏈路需要更長時間完成數據傳輸,極大限制了高速率鏈路傳輸優勢。為解決該問題,研究人員嘗試將多信道技術引入多速率網絡。

多速率多信道(Multi-rate Multi-channel,MRMC)協議［8］是最早提出的多信道多速率信道接入協議之一。該協議將除無線接入點之外的其余不同速率的節點分離在不同的信道上,避免了同一信道上存在多種傳輸速率鏈路的情況。然而,MRMC協議要求中心無線接入點擁有與無線信道數相等的網絡接口數,且協議的運行依賴中心接入點的支持,因而無法適用于分布式的網絡架構。DR-CA(Data Rate adaptive Channel Assignment)算法［9］要求網絡中每個節點保存所有鏈路的傳輸速率信息,為最小化不同傳輸速率的鏈路之間的相互干擾,DR-CA算法將具有相同或相當傳輸速率的鏈路分配在同一信道,并使得每個信道上的所有鏈路的傳輸速率總和大致相等。與已有方案相比,DR-CA算法能獲得更好的性能。針對無線網絡接入業務設計的RB-CA(Ratebased Channel Assignment)算法［10］通過,選擇合適的中繼節點,構建由多條相同傳輸速率的鏈路組成的HMPs(High-rate Multi-channel Paths),使得網絡接入業務能同時在不同的信道上進行傳輸,大大提高了網絡的性能。然而,RB-CA算法和DR-CA算法都要求網絡中各節點均配備多個網絡接口卡,因而2個算法在實際應用時需要額外的硬件開銷。

本文針對多種傳輸速率的鏈路共存于同一信道時對網絡性能的影響,以及多信道環境中的接收端忙問題進行了詳細分析,提出一種適用于WLAN Mesh網絡的分布式多信道速率自適應(Multichannel Rate Adaptive,MCRA)接入協議,并結合仿真實驗證明該協議的有效性。

2 相關問題分析

2.1 多速率單信道瓶頸問題

在IEEE 802.11 DCF協議基礎上,研究人員提出了一些多速率信道接入協議。然而,該類協議在應用于單信道環境時普遍存在瓶頸。在圖1所示網絡拓撲中,每條鏈路上業務負載均配置為11 Mb/s。圖1(a)中2條鏈路傳輸速率均設定為11 Mb/s,圖1(b)中節點0和節點1組成的鏈路傳輸速率設為2 Mb/s,節點2和節點3組成的鏈路傳輸速率設為11 Mb/s。在100 s仿真時間中,節點2和節點3在仿真開始時即建立業務并傳輸數據至仿真結束,節點0和節點1上的業務在第50 s開始建立至仿真結束。

圖1 單信道單/多速率鏈路場景

圖2 給出了單速率鏈路和多速率鏈路在單信道環境下網絡總吞吐量性能隨仿真時間的變化趨勢。在網絡僅存在相同傳輸速率的多條業務時,新業務流的加入促成了網絡總吞吐量一定程度的增加。然而,當多種傳輸速率的鏈路共存于同一信道時,低速率鏈路上業務的加入會導致整個網絡總吞吐量急劇下降。

2.2 多信道網絡中的接收端忙問題

在單接口多信道網絡中,節點通過動態切換信道的方式利用多信道,收發節點常常由于處在不同信道上而無法順利地進行信道預約。在圖3中,節點1和節點2當前正在信道1上進行數據傳輸,信道0上的節點0則認為當前信道空閑。當節點0需要向節點1傳輸數據時,其發送的RTS幀始終無法被節點1應答。即使節點1完成了與節點2之間的數據傳輸,處于信道1上的節點1仍然無法接收節點0重新發送的RTS幀,造成節點0的RTS幀多次重傳失敗。

圖3 接收端忙場景

3 MCRA協議描述

在上述分析的基礎上,本文提出了一種適用于WLAN Mesh網絡的多信道多速率信道接入協議(MCRA)。假定網絡中存在4個互不重疊的對等信道0,1,2和3,它們對應的信道速率分別為1 Mb/s, 2 Mb/s,5.5 Mb/s和11 Mb/s,要求網絡中每個節點保存有一致的(傳輸速率、信道編號)對應表。MCRA協議僅要求網絡中各節點配備單個網絡接口卡和單個半雙工收發信機,允許節點在不同信道間動態切換。在DCF協議的2種載波檢測機制的框架內,以RTS/CTS/Data/ACK四相握手過程為基礎,MCRA協議引入以下機制。

(1)基于接收信號強度的動態信道切換

MCRA協議首先對RTS和CTS控制幀的格式進行修改,如圖4所示,將RTS幀中原有的指示信道預約時間長度的Duration字段替換為表示數據分組比特數的BitsofData字段,CTS幀中的Duration字段則替換為BitsofData字段和所選擇的傳輸速率Rate字段。

圖4 修改后的RTS幀和CTS幀格式

當發送節點發送的RTS幀到達對應接收節點時,接收節點根據當前信道的信噪比和RTS幀接收信號強度確定隨后Data/ACK幀交互過程中的傳輸速率。具體的,若按照朗訊公司制造的Orinoco系列無線網卡［11］的標準設計發射機和接收機模型及性能參數,假定發射機發射功率為3 dBm,采用雙線地面反射(Two-Ray)的信道傳播模型的條件下,節點傳輸速率的選擇可參照表1所示的信噪比門限和接收門限與傳輸速率之間的關系進行。

表1 物理層多速率傳輸相關參數

接收節點將選擇的速率值寫入 CTS幀中的Rate字段,若所選擇的傳輸速率與當前信道的傳輸速率不一致,節點通過查找保存的(傳輸速率,信道編號)對應表確定該傳輸速率所對應的信道,待CTS幀發送結束后該接收節點將切換到指定信道等待接收數據幀。發送節點依據收到的CTS幀內的Rate字段,通過查找(傳輸速率,信道編號)對應表確定該傳輸速率對應的信道,若判斷接收節點選擇的信道與當前信道不一致,則該發送節點將切換到對應信道。

(2)引入信道切換通告幀CSA

當發送節點依據收到的CTS幀中的信息得知需要切換到其他信道時,在進行信道切換之前該發送節點將在當前信道上廣播一個信道切換通告幀CSA。CSA幀中包含發送節點地址SourceAddress、數據分組比特數BitsofData和發送Data幀將使用的傳輸速率Rate等信息。CSA幀發送結束后,發送節點將立即切換到指定信道并嘗試發送Data幀。

(3)維護鄰居節點信道對應表

MCRA協議要求網絡中每個節點維護一張三維的鄰居節點信道對應表,該表的每個表項保存有3個數據域,分別為對應信道編號chID、鄰居節點地址NhID和該節點的信道釋放時刻值Trv。節點偵聽到其他節點發送的RTS/CTS/CSA/Data幀時將建立或更新對應節點的信道對應表項(chID,NhID,Trv)。MCRA協議中節點的信道釋放時刻值獲取與更新過程按以下步驟進行:

1)節點偵聽到鄰居節點發送的RTS幀時,將當前信道上 RTS幀的發送節點的信道釋放時刻值設置為:

其中,currentTime為當前時刻值;LCTS為CTS幀的比特數;Rate_C為當前信道的傳輸速率;tPhdr為物理層頭部的傳輸時間;SIFS為幀間間隔時間;σ為物理層定義的時隙長度。

2)節點偵聽到鄰居節點發送的CTS幀時,當前信道上 CTS幀的發送節點的信道釋放時刻值設置如下:

其中,BitsofData為CTS幀中攜帶的數據分組比特數;LACK為 ACK幀的比特數;tcs為信道切換時延。當Rate與Rate_C不一致時,CTS偵聽節點還需設置傳輸速率Rate所對應信道上CTS幀發送節點的信道釋放時刻值:

其中,LCSA為CSA幀的比特數。

3)節點偵聽到鄰居節點發送的CSA幀時,將當前信道上CSA幀發送節點的信道釋放時刻值設置為:

并將Rate字段值所對應信道上CSA幀發送節點的信道釋放時刻值設置為:

4)節點偵聽到鄰居節點發送的Data幀時,將設置當前信道上Data幀發送節點的信道釋放時刻值:

一方面,發送節點可以通過查找其維護的鄰居節點信道對應表中當前信道編號的各表項中Trv字段的最大值獲知當前信道將持續忙的時間,退避等待從而避免沖突,實現虛擬載波檢測;另一方面,各節點還可根據鄰居節點信道對應表中的信息獲知特定節點的當前所處信道,協助發送節點解決多信道環境下的接收端忙問題。

4 仿真與結果分析

本文在GloMoSim［12］仿真環境中實現了所提出的MCRA協議,各協議參數如表2所示,MCRA協議中不同信道上信號的有效傳輸距離參見表1。仿真將MCRA協議與經典的單信道速率自適應協議RBAR進行了比較。本文主要進行2種網絡拓撲中的仿真實驗。

表2 MCRA協議參數

4.1 給定鏈狀拓撲

本文考慮圖5所示的鏈狀拓撲,實驗中按圖中箭頭所示方向建立2條負載量均為8 Mb/s的恒定比特率(CBR)業務,數據分組大小為1 024 Byte。1→0上的CBR業務從仿真開始時建立持續到結束, 2→3上的CBR業務則在第40 s開始建立持續到結束。根據表1所示參數,在完成一次RTS/CTS控制幀交互后,1→0上的CBR業務會選擇5.5 Mb/s的速率進行隨后的數據傳輸,2→3上的CBR業務則會選擇2 Mb/s的速率進行數據傳輸。而第40 s后,低速率業務的加入大大占用了同一信道上的高速率業務進行數據傳輸的機會,導致高速率業務吞吐量的顯著下降。與RBAR協議的表現不同,2→3上的低速率業務加入后,MCRA協議中1→0上的高速率業務的吞吐量并未受到影響。此外,與RBAR協議相比,MCRA協議中新加入的低速率業務能獲得穩定的更高的吞吐量。根據圖5給定鏈狀拓撲的仿真結果如圖6所示。

圖5 給定鏈狀拓撲

圖6 給定鏈狀拓撲的仿真結果

4.2 隨機格狀拓撲

本文隨后在隨機格狀網絡拓撲中進行了仿真實驗。考慮邊長為900 m的正方形區域,均勻劃分為36個網格,每個網格內隨機放置一個節點。從仿真開始起,在36個節點中隨機建立5個發送端和接收端均不相同的CBR業務,其中每條CBR流的發送節點均在其400 m范圍內隨機選擇一個節點作為其業務接收節點。

不同的業務負載條件下,圖7給出了采用MCRA協議和RBAR協議時網絡總吞吐量的比較結果。

圖7 不同負載條件下的網絡總吞吐量

可以看出,當每條業務的負載量增大到1 Mb/s時,RBAR協議的總吞吐量隨業務流負載的增加保持不變。當節點MAC層使用MCRA協議時,多信道技術的引入大大提高了網絡的容量,增加了業務流進行數據傳輸的機會。因此,隨著網絡負載的增加,MCRA協議獲得的網絡總吞吐量不斷增大,且始終遠遠高于RBAR協議獲得的吞吐量值。

5 結束語

本文對現有多速率信道接入協議應用于單信道環境時產生的問題,以及多信道網絡中普遍存在的接收端忙問題進行詳細分析。在上述分析的基礎上,提出了一種支持多信道的速率自適應信道接入協議,并通過不同網絡拓撲中的仿真實驗證明了該協議的有效性。下一步將研究多信道速率自適應條件下的MAC協議飽和吞吐量建模方法。

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編輯 金胡考

Multi-channel Rate Adaptive MAC Protocol for WLAN Mesh Network

LI Keyan1,LEI Lei1,LUO Cheng1,DONG Tao2
(1.College of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;
2.Space Star Technology Co.,Ltd.,Beijing 100086,China)

This paper gives a detailed analysis of the performance anomaly when multiple links using different transmission rates share a common wireless channel,and the missing receiver problem in single-radio multi-channel networks.Furthermore,a Multi-channel Rate Adaptive(MCRA)Media Access Control(MAC)protocol is proposed for WLAN Mesh network.The neighboring nodes can cooperatively inform the transmitter of the channel used by the receiver in the proposed protocol.Besides,the receiver can choose the feasible transmission rate and channel and send back them to the transmitter.Simulation results show that the proposed protocol can eliminate the interference between the links using different transmission rates,and effectively solve the missing receiver problem,thus significantly improve the overall performance of the network.The proposed protocol can significantly improve the total throughput of the network compared with the existing representative protocol.

WLAN Mesh network;Media Access Control(MAC)protocol;multi-channel;rate adaptive;signal interference

1000-3428(2014)11-0026-05

A

TP393

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.11.005

國家自然科學基金資助項目(61100195,61301103);南京航空航天大學研究生創新基地(實驗室)開放基金資助項目(kfjj120113);中國航天科技集團公司衛星應用研究院創新基金資助項目(2014_CXJJ-TX_09)。

李科艷(1988-),女,碩士,主研方向:無線通信網絡;雷 磊(通訊作者),副教授、博士;羅 誠,碩士;董 濤,研究員、博士。

2013-08-21

2013-10-10E-mail:leilei@nuaa.edu.cn

中文引用格式:李科艷,雷 磊,羅 誠,等.WLAN Mesh網絡多信道速率自適應MAC協議［J］.計算機工程, 2014,40(11):26-30.

英文引用格式:Li Keyan,Lei Lei,Luo Cheng,et al.Multi-channel Rate Adaptive MAC Protocol for WLAN Mesh Network［J］.Computer Engineering,2014,40(11):26-30.