WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)多信道速率自適應(yīng)MAC協(xié)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(wǎng)絡(luò)多信道速率自適應(yīng)MAC協(xié)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(fā)的性能瓶頸,以及單接口多信道網(wǎng)絡(luò)中接收端忙的問題,在DCF協(xié)議的框架內(nèi)提出一種適用于WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)的分布式多信道速率自適應(yīng)媒體控制接入(MAC)協(xié)議。該協(xié)議允許發(fā)送節(jié)點的鄰居節(jié)點通過協(xié)作應(yīng)答的方式告知相應(yīng)接收節(jié)點所處信道,接收節(jié)點根據(jù)當前信道質(zhì)量合理選擇傳輸速率和傳輸信道反饋給發(fā)送節(jié)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(jié)果證明,該協(xié)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(xiàn)有典型多信道速率自適應(yīng)MAC協(xié)議相比,能有效提高網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量。

WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò);媒體接入控制協(xié)議;多信道;速率自適應(yīng);信號干擾

1 概述

IEEE 802.11協(xié)議［1］是無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域較早的標準協(xié)議,其媒體接入控制(Media Access Control, MAC)層定義的 DCF(Distributed Coordination Function)協(xié)議為WLAN Mesh［2］網(wǎng)絡(luò)的基本信道接入?yún)f(xié)議,該協(xié)議通過物理和虛擬載波檢測機制來避免節(jié)點之間沖突的發(fā)生,要求各節(jié)點采用統(tǒng)一的傳輸速率進行數(shù)據(jù)分組的交互。

近年來,802.11協(xié)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(xié)議［3］允許4種傳輸速率,IEEE 802.11a協(xié)議［4］支持8種傳輸速率。以IEEE 802.11 DCF協(xié)議為基礎(chǔ),文獻［5］提出的RBAR(Receiver-based AutoRate)協(xié)議允許接收節(jié)點根據(jù)接收RTS幀時的信號強度和信噪比情況動態(tài)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(fā)送節(jié)點。仿真實驗證明了多速率MAC協(xié)議與單速率MAC協(xié)議相比在性能上的優(yōu)越性。然而,越來越多的學者指出［6-10］,在多速率網(wǎng)絡(luò)中,占用信道的低速率鏈路需要更長時間完成數(shù)據(jù)傳輸,極大限制了高速率鏈路傳輸優(yōu)勢。為解決該問題,研究人員嘗試將多信道技術(shù)引入多速率網(wǎng)絡(luò)。

多速率多信道(Multi-rate Multi-channel,MRMC)協(xié)議［8］是最早提出的多信道多速率信道接入?yún)f(xié)議之一。該協(xié)議將除無線接入點之外的其余不同速率的節(jié)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(xié)議要求中心無線接入點擁有與無線信道數(shù)相等的網(wǎng)絡(luò)接口數(shù),且協(xié)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。DR-CA(Data Rate adaptive Channel Assignment)算法［9］要求網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)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(wǎng)絡(luò)接入業(yè)務(wù)設(shè)計的RB-CA(Ratebased Channel Assignment)算法［10］通過,選擇合適的中繼節(jié)點,構(gòu)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(wǎng)絡(luò)接入業(yè)務(wù)能同時在不同的信道上進行傳輸,大大提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。然而,RB-CA算法和DR-CA算法都要求網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點均配備多個網(wǎng)絡(luò)接口卡,因而2個算法在實際應(yīng)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(wǎng)絡(luò)性能的影響,以及多信道環(huán)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(wǎng)絡(luò)的分布式多信道速率自適應(yīng)(Multichannel Rate Adaptive,MCRA)接入?yún)f(xié)議,并結(jié)合仿真實驗證明該協(xié)議的有效性。

2 相關(guān)問題分析

2.1 多速率單信道瓶頸問題

在IEEE 802.11 DCF協(xié)議基礎(chǔ)上,研究人員提出了一些多速率信道接入?yún)f(xié)議。然而,該類協(xié)議在應(yīng)用于單信道環(huán)境時普遍存在瓶頸。在圖1所示網(wǎng)絡(luò)拓撲中,每條鏈路上業(yè)務(wù)負載均配置為11 Mb/s。圖1(a)中2條鏈路傳輸速率均設(shè)定為11 Mb/s,圖1(b)中節(jié)點0和節(jié)點1組成的鏈路傳輸速率設(shè)為2 Mb/s,節(jié)點2和節(jié)點3組成的鏈路傳輸速率設(shè)為11 Mb/s。在100 s仿真時間中,節(jié)點2和節(jié)點3在仿真開始時即建立業(yè)務(wù)并傳輸數(shù)據(jù)至仿真結(jié)束,節(jié)點0和節(jié)點1上的業(yè)務(wù)在第50 s開始建立至仿真結(jié)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(huán)境下網(wǎng)絡(luò)總吞吐量性能隨仿真時間的變化趨勢。在網(wǎng)絡(luò)僅存在相同傳輸速率的多條業(yè)務(wù)時,新業(yè)務(wù)流的加入促成了網(wǎng)絡(luò)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(yè)務(wù)的加入會導致整個網(wǎng)絡(luò)總吞吐量急劇下降。

2.2 多信道網(wǎng)絡(luò)中的接收端忙問題

在單接口多信道網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點通過動態(tài)切換信道的方式利用多信道,收發(fā)節(jié)點常常由于處在不同信道上而無法順利地進行信道預(yù)約。在圖3中,節(jié)點1和節(jié)點2當前正在信道1上進行數(shù)據(jù)傳輸,信道0上的節(jié)點0則認為當前信道空閑。當節(jié)點0需要向節(jié)點1傳輸數(shù)據(jù)時,其發(fā)送的RTS幀始終無法被節(jié)點1應(yīng)答。即使節(jié)點1完成了與節(jié)點2之間的數(shù)據(jù)傳輸,處于信道1上的節(jié)點1仍然無法接收節(jié)點0重新發(fā)送的RTS幀,造成節(jié)點0的RTS幀多次重傳失敗。

圖3 接收端忙場景

3 MCRA協(xié)議描述

在上述分析的基礎(chǔ)上,本文提出了一種適用于WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)的多信道多速率信道接入?yún)f(xié)議(MCRA)。假定網(wǎng)絡(luò)中存在4個互不重疊的對等信道0,1,2和3,它們對應(yīng)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(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點保存有一致的(傳輸速率、信道編號)對應(yīng)表。MCRA協(xié)議僅要求網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點配備單個網(wǎng)絡(luò)接口卡和單個半雙工收發(fā)信機,允許節(jié)點在不同信道間動態(tài)切換。在DCF協(xié)議的2種載波檢測機制的框架內(nèi),以RTS/CTS/Data/ACK四相握手過程為基礎(chǔ),MCRA協(xié)議引入以下機制。

(1)基于接收信號強度的動態(tài)信道切換

MCRA協(xié)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(yù)約時間長度的Duration字段替換為表示數(shù)據(jù)分組比特數(shù)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(fā)送節(jié)點發(fā)送的RTS幀到達對應(yīng)接收節(jié)點時,接收節(jié)點根據(jù)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(wǎng)卡［11］的標準設(shè)計發(fā)射機和接收機模型及性能參數(shù),假定發(fā)射機發(fā)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(jié)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(guān)系進行。

表1 物理層多速率傳輸相關(guān)參數(shù)

接收節(jié)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(jié)點通過查找保存的(傳輸速率,信道編號)對應(yīng)表確定該傳輸速率所對應(yīng)的信道,待CTS幀發(fā)送結(jié)束后該接收節(jié)點將切換到指定信道等待接收數(shù)據(jù)幀。發(fā)送節(jié)點依據(jù)收到的CTS幀內(nèi)的Rate字段,通過查找(傳輸速率,信道編號)對應(yīng)表確定該傳輸速率對應(yīng)的信道,若判斷接收節(jié)點選擇的信道與當前信道不一致,則該發(fā)送節(jié)點將切換到對應(yīng)信道。

(2)引入信道切換通告幀CSA

當發(fā)送節(jié)點依據(jù)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(fā)送節(jié)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(fā)送節(jié)點地址SourceAddress、數(shù)據(jù)分組比特數(shù)BitsofData和發(fā)送Data幀將使用的傳輸速率Rate等信息。CSA幀發(fā)送結(jié)束后,發(fā)送節(jié)點將立即切換到指定信道并嘗試發(fā)送Data幀。

(3)維護鄰居節(jié)點信道對應(yīng)表

MCRA協(xié)議要求網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點維護一張三維的鄰居節(jié)點信道對應(yīng)表,該表的每個表項保存有3個數(shù)據(jù)域,分別為對應(yīng)信道編號chID、鄰居節(jié)點地址NhID和該節(jié)點的信道釋放時刻值Trv。節(jié)點偵聽到其他節(jié)點發(fā)送的RTS/CTS/CSA/Data幀時將建立或更新對應(yīng)節(jié)點的信道對應(yīng)表項(chID,NhID,Trv)。MCRA協(xié)議中節(jié)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(jié)點偵聽到鄰居節(jié)點發(fā)送的RTS幀時,將當前信道上 RTS幀的發(fā)送節(jié)點的信道釋放時刻值設(shè)置為:

其中,currentTime為當前時刻值;LCTS為CTS幀的比特數(shù);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(jié)點偵聽到鄰居節(jié)點發(fā)送的CTS幀時,當前信道上 CTS幀的發(fā)送節(jié)點的信道釋放時刻值設(shè)置如下:

其中,BitsofData為CTS幀中攜帶的數(shù)據(jù)分組比特數(shù);LACK為 ACK幀的比特數(shù);tcs為信道切換時延。當Rate與Rate_C不一致時,CTS偵聽節(jié)點還需設(shè)置傳輸速率Rate所對應(yīng)信道上CTS幀發(fā)送節(jié)點的信道釋放時刻值:

其中,LCSA為CSA幀的比特數(shù)。

3)節(jié)點偵聽到鄰居節(jié)點發(fā)送的CSA幀時,將當前信道上CSA幀發(fā)送節(jié)點的信道釋放時刻值設(shè)置為:

并將Rate字段值所對應(yīng)信道上CSA幀發(fā)送節(jié)點的信道釋放時刻值設(shè)置為:

4)節(jié)點偵聽到鄰居節(jié)點發(fā)送的Data幀時,將設(shè)置當前信道上Data幀發(fā)送節(jié)點的信道釋放時刻值:

一方面,發(fā)送節(jié)點可以通過查找其維護的鄰居節(jié)點信道對應(yīng)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(xù)忙的時間,退避等待從而避免沖突,實現(xiàn)虛擬載波檢測;另一方面,各節(jié)點還可根據(jù)鄰居節(jié)點信道對應(yīng)表中的信息獲知特定節(jié)點的當前所處信道,協(xié)助發(fā)送節(jié)點解決多信道環(huán)境下的接收端忙問題。

4 仿真與結(jié)果分析

本文在GloMoSim［12］仿真環(huán)境中實現(xiàn)了所提出的MCRA協(xié)議,各協(xié)議參數(shù)如表2所示,MCRA協(xié)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(xié)議與經(jīng)典的單信道速率自適應(yīng)協(xié)議RBAR進行了比較。本文主要進行2種網(wǎng)絡(luò)拓撲中的仿真實驗。

表2 MCRA協(xié)議參數(shù)

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(yè)務(wù),數(shù)據(jù)分組大小為1 024 Byte。1→0上的CBR業(yè)務(wù)從仿真開始時建立持續(xù)到結(jié)束, 2→3上的CBR業(yè)務(wù)則在第40 s開始建立持續(xù)到結(jié)束。根據(jù)表1所示參數(shù),在完成一次RTS/CTS控制幀交互后,1→0上的CBR業(yè)務(wù)會選擇5.5 Mb/s的速率進行隨后的數(shù)據(jù)傳輸,2→3上的CBR業(yè)務(wù)則會選擇2 Mb/s的速率進行數(shù)據(jù)傳輸。而第40 s后,低速率業(yè)務(wù)的加入大大占用了同一信道上的高速率業(yè)務(wù)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C會,導致高速率業(yè)務(wù)吞吐量的顯著下降。與RBAR協(xié)議的表現(xiàn)不同,2→3上的低速率業(yè)務(wù)加入后,MCRA協(xié)議中1→0上的高速率業(yè)務(wù)的吞吐量并未受到影響。此外,與RBAR協(xié)議相比,MCRA協(xié)議中新加入的低速率業(yè)務(wù)能獲得穩(wěn)定的更高的吞吐量。根據(jù)圖5給定鏈狀拓撲的仿真結(jié)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(jié)果

4.2 隨機格狀拓撲

本文隨后在隨機格狀網(wǎng)絡(luò)拓撲中進行了仿真實驗?？紤]邊長為900 m的正方形區(qū)域,均勻劃分為36個網(wǎng)格,每個網(wǎng)格內(nèi)隨機放置一個節(jié)點。從仿真開始起,在36個節(jié)點中隨機建立5個發(fā)送端和接收端均不相同的CBR業(yè)務(wù),其中每條CBR流的發(fā)送節(jié)點均在其400 m范圍內(nèi)隨機選擇一個節(jié)點作為其業(yè)務(wù)接收節(jié)點。

不同的業(yè)務(wù)負載條件下,圖7給出了采用MCRA協(xié)議和RBAR協(xié)議時網(wǎng)絡(luò)總吞吐量的比較結(jié)果。

圖7 不同負載條件下的網(wǎng)絡(luò)總吞吐量

可以看出,當每條業(yè)務(wù)的負載量增大到1 Mb/s時,RBAR協(xié)議的總吞吐量隨業(yè)務(wù)流負載的增加保持不變。當節(jié)點MAC層使用MCRA協(xié)議時,多信道技術(shù)的引入大大提高了網(wǎng)絡(luò)的容量,增加了業(yè)務(wù)流進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C會。因此,隨著網(wǎng)絡(luò)負載的增加,MCRA協(xié)議獲得的網(wǎng)絡(luò)總吞吐量不斷增大,且始終遠遠高于RBAR協(xié)議獲得的吞吐量值。

5 結(jié)束語

本文對現(xiàn)有多速率信道接入?yún)f(xié)議應(yīng)用于單信道環(huán)境時產(chǎn)生的問題,以及多信道網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)上,提出了一種支持多信道的速率自適應(yīng)信道接入?yún)f(xié)議,并通過不同網(wǎng)絡(luò)拓撲中的仿真實驗證明了該協(xié)議的有效性。下一步將研究多信道速率自適應(yīng)條件下的MAC協(xié)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(chuàng)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(wèi)星應(yīng)用研究院創(chuàng)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(wǎng)絡(luò);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(wǎng)絡(luò)多信道速率自適應(yīng)MAC協(xié)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.