无线Mesh网中实时数据业务仿真与分析

樊 鹭，白 勇

（海南大学 信息科学与技术学院，海南 海口 570228）

0 引言

无线网状网（又称无线Mesh网）采用多点到多点的网状Mesh拓扑结构，各网络节点通过相邻的网络节点以无线多跳方式相连。无线Mesh网络具有结构灵活、快速部署、自组织和自愈合等优点，具有广泛的应用前景。例如，利用无线Mesh网可以开展灾后的应急通信、实现远海渔船间通信等。

目前标准化的无线Mesh网协议有IEEE 802.11s和IEEE802.16（Mesh模式）等。IEEE 802.11s[1]的无线Mesh网技术以IEEE 802.11为基础，拓展已有的802.11的媒体接入控制层（MAC，medium access control），以支持Mesh网服务。并在现有标准的基础上增加回程和网关的功能，使用多跳通信来中继路径上来自和去往有线Internet接入点的数据。基于IEEE 802.11s的Mesh网络架构如图1所示。

在这种网络架构中Mesh节点（MP，Mesh Point）之间通过IEEE 802.11链路互连，MP到MP的链路称为无线Mesh网的骨干网。Mesh接入点（MAP，Mesh Access Point）在MP的基础上额外支持Mesh工作站（STA，Station）节点和其它非 Mesh 节点的接入功能。 Mesh网入口节点（MPP，Mesh Portal Point）是从其它网络（如互联网）进出Mesh网络的入口，可担任网关的功能。

图1 IEEE 802.11s Mesh网络架构

近年来人们对 Mesh网络的应用和路由协议进行了很多研究[2-3]，分析了几种典型路由协议应用于Mesh网络中的性能[3]，现对MAC层与路由层对Mesh网络中实时业务的传输性能进行综合分析。

1 无线Mesh网的实时数据业务传输

无线Mesh网出现的初期，主要用于传输少量的非实时数据信息。随着应用的不断扩展，需要在无线Mesh网中传输语音、视频等实时多媒体信息。实时多媒体信息对带宽、时延、时延抖动都提出了很高的要求，需要对无线Mesh网中实时数据业务的传输性能做进一步的研究。

实时数据业务传输一般可通过应用层、实时传输协议(RTP)、用户数据包协议（UDP）、IP（含路由协议）、MAC层和物理层来实现。

下面对实时数据业务性能有较大影响的无线Mesh网的MAC层和路由层加以介绍。

IEEE 802.11 MAC支持 2种操作模式：单点协调功能（PCF）和分布式协调功能（DCF）[4]。PCF提供了可避免竞争的接入方式，而DCF则对基于接入的竞争采取带有冲突避免的载波侦听多点接入（CSMA/CA）机制。所使用的载波侦听机制包括物理载波侦听和虚拟载波侦听2种方式。其中虚拟载波侦听通过网络分配向量（NAV），NAV的值向每个移动站指示了信道重新空闲所需的时间。在数据传输时，MAC包含 4通(four-way)帧交换协议。利用上述载波侦听过程获得信道空闲之后，首先由节点发送请求（RTS，Request-to-send）信号，下一跳的节点回复清除发送(CTS, Clear-to-Send)消息，以通知请求的节点开始分组数据传送。RTS/CTS握手的主要目的是解决隐藏终端（hidden terminal）问题。为减少RTS/CTS握手过程的开销，在进行实时数据传输时，RTS/CTS过程可以关闭掉。请求的节点收到CTS后发送数据分组，下一跳的节点回复接收确认(ACK)消息，以通知请求的节点一个数据分组的成功传送。在上述数据传输过程中如发生消息或数据分组碰撞时，采取随机的指数退避机制进行消息和数据分组的重发。

在图2所示的IEEE 802.11链式拓扑网络中任何在节点E传输范围和干扰范围内的节点都不能同时进行通信。由A向H发送数据流时，由于节点C、D、F和G处于节点E的干扰范围之内，节点A和E之间有4跳可以并行传输。因此，任何4跳内的节点都不能同时通信，否则就会产生隐藏终端和暴露终端问题。可见，跳数的增加将影响数据传输性能。

图2 IEEE 802.11链式拓扑中的传输干扰

混合无线Mesh网协议（HWMP，Hybrid Wireless Mesh Protocol）[5]是 IEEE 802.11s中默认使用的路由协议，它是将反应式按需距离矢量路由（AODV，Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing）[6]协议和基于树状拓扑的先验式路由协议相结合的综合性路由协议。AODV协议是反应式路由协议，即当向目的节点发送包时，源节点才在网络中发起路由查找过程。一个网络节点要建立连接时首先广播一个建立路由的请求消息（RREQ，Route Request）。其他的AODV节点转发这个路由请求消息，并记录源节点和回到源节点的临时路由。当节点收到RREQ包时，如果该节点就是请求的目的节点，或者该中间节点具有到达目的节点的有效路由，则产生一个路由应答（RREP，Route Reply），并将该RREP包沿着到源节点的反向路径发送给发起者。源节点收到RREP后就开始使用这个经由其他节点到达目的节点的路由。当链路断掉时，节点会产生一个路由错误消息 RERR（RERR，Route Error）表示活动路由中的链路失效，并将RERR消息发送给所有邻居节点。当路由错误被回送给源节点后，源节点重新发起路由查找的过程。

2 仿真结果与性能分析

本文采用 ns-2[7]网络仿真模拟平台，仿真拓扑为图2所示的7个点组成的链式拓扑。无线带宽为2 M，物理层采用TwoRayGround模型，节点间距为500 m，节点接收距离RXThreshold为500 m，侦听距离CSThreshold为1 100 m。载波频率为2.4 GHz，发送功率为500 mW，天线高度设为3 m，天线增益为1。仿真采用恒定比特率（CBR，Constant Bit Rate）业务流模拟实时数据业务，数据包大小为512 byte。MAC层使用了速率为2 Mb/s的IEEE 802.11；路由层采用了AODV协议。

首先通过仿真比较MAC层RTS/CTS发送与不发送的两种情况下的网络性能。分组的最大重传次数Retry设为7次。图3给出了无线Mesh网跳数与网络能达到的最大吞吐率的关系。

从图3可以看出，随着跳数的增加，吞吐率呈下降的趋势。经过多跳传输时，MAC层分组的竞争发生频繁的碰撞。RTS、CTS、数据分组和路由分组均可能发生碰撞。RTS/CTS的发送带来更多的网络开销并会加剧这种碰撞的发生。在不发送 RTS/CTS的情况下，吞吐率平均提高了22%。

图3 吞吐率与跳数的关系

然后，仿真MAC层不同的重传次数下发送速率对网络性能的影响。MAC层关闭了RTS/CTS的传输。数据流在无线Mesh网中经过5跳传输。从图4可以看出，当发送速率小于300 kb/s时，吞吐率随着发送速率的增加呈直线上升。当超过300 kb/s后，重传次数为1时的吞吐率急剧下降。重传次数为3的情况下，当发送速率超过300 kb/s时，吞吐率随着发送速率的变化缓慢，并且重传次数为3、5、7的吞吐率相差不大。从图5可以看出，当发送速率小于300 kb/s时，不同的重传次数下，丢包率基本为零。超过300 kb/s后，丢包率随发送速率的增加而增加，重传次数为 1的丢包率增加更严重。从图6可以看出，发送速率小于最大吞吐率（300 kb/s）时，时延基本保持在20 ms以内，超过300 kb/s后，重传次数越大时延也越大。

上述结果结合ns-2代码进一步分析可以得出当超过300 kb/s后，实时数据业务性能的急剧下降主要是由于MAC层和路由层的相互作用。MAC层的碰撞发生后，MAC会调动重传机制重传发生冲突的分组。当超过最大重传次数时，MAC层报告引起链路错误，AODV的路由将断开而重新启动路由建立过程。在ns-2仿真软件中，通过FailCallback函数指针，MAC层调用aodv_rt_failed_callback触发AODV路由协议生成一个RERR分组，然后记录错误信息，尝试本地修复，删除邻居列表。源节点重新发送RREQ包发起路由建立过程等。丢包主要发生在路由断开时引起的路由建立过程中的缓存区溢出。在实际网络中，协议层通过原语进行交互。当分组传输超过最大重传次数时，MAC层通过原语向AODV路由层报告链路错误，同样会引起网络性能的急剧下降。

图4 吞吐率与发送速率的关系

图5 丢包率与发送速率的关系

图6 时延与发送速率的关系

3 结语

本文通过仿真和分析研究了基于 IEEE 802.11 MAC协议和AODV协议的无线Mesh网中实时数据业务的性能。仿真结果显示，在无线Mesh网中实时数据业务的多跳传输的性能受到 MAC层机制和路由协议等多方面因素的影响。MAC层的RTS/CTS是否使用、数据和消息分组的重传次数都会影响业务传输的性能；同时MAC层分组重传加剧时会产生链路错误，引起路由层的错误和路由重建，导致网络性能急剧下降。可以得出，现有基于 CSMA/CA的 MAC层对无线Mesh网多跳实时数据业务的支持效率较低，和AODV路由层协议的相互配合也有待提高。为在无线 Mesh网中更好地支持多跳实时数据业务需要设计更加高效的MAC层机制并考虑与路由层的跨层协议优化。

[1] ZHANG Yan, LUO Jijun, HU Honglin. 无线网状网：架构、协议与标准[M]. 北京：电子工业出版社, 2008.

[2] 秦裕斌,陈建华,黄晓.无线Mesh网络技术及其应用[J].通信技术,2009,42(12):144-146.

[3] 莫金旺，蒋文芳，赵利. 无线 Mesh网络路由协议仿真及性能分析[J].通信技术，2010, 43(10): 65-67.

[4] IEEE Computer Society. LAN/MAN Standards Committee.Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications[S].USA:The Institute of Electrical and Electronic Engineers,1999.

[5] IEEE P802.11s Task Group. Draft Amendment ESS Mesh Networking[S]. USA:[s.n.], 2009.

[6] PERKING C. Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV)Routing[S].USA:[s.n.], 2003.

[7] KEVIN F. The Ns Manual[EB/OL].(2001-02-06)[2011-03-02].http:// www. isi. edu/ nsnam/ ns/ doc/index.html.