基于多方向天線陣列的單跳網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

韓仲華，劉經(jīng)緯

（華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京100083）

0 引 言

目前，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所采用的天線多為全向天線，其通信距離僅為幾公里，難以應(yīng)用在遠(yuǎn)距離通信場合［1－10］?；诙喾?向 天 線 陣 列［11］的 同 步 無 線Mesh 網(wǎng) 絡(luò) 能夠很好解決遠(yuǎn)距離通信問題，該技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的最大單跳通信距離可以達(dá)到20km 以上。另外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還能夠?qū)崿F(xiàn)天線的自動掃描與對準(zhǔn)，從而節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)間，融合了天線陣列技術(shù)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已然成為一種發(fā)展趨勢。

伴隨機(jī)動通信組網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展，如何提升從部署到組網(wǎng)開通的時(shí)間效率是一項(xiàng)重要問題，特別是還同時(shí)需要兼具高帶寬和快速部署兩大任務(wù)特性。Mesh網(wǎng)絡(luò)特別適于寬帶機(jī)動組網(wǎng)應(yīng)用，但與此同時(shí)，許多應(yīng)用仍需系統(tǒng)兼具很強(qiáng)的單跳網(wǎng)絡(luò)通信性能，針對上述情況，基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有很強(qiáng)潛質(zhì)。

當(dāng)前同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是針對無線多跳網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，其幀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，許多時(shí)隙由于各種用途而不能夠用于數(shù)據(jù)傳輸，一些協(xié)議控制包占用了較多的時(shí)隙內(nèi)部時(shí)間，因而面向通信的時(shí)隙利用率不高。上述技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸效率在20km 距離并且在數(shù)據(jù)需確認(rèn)情況下僅為40%，在調(diào)制速率為12Mbps 的情況下，其理論帶寬僅為

4.8Mbps。

本文對同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了部分功能收斂與優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種基于多方向天線陣列的具有突出單跳通信能力的同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案。

1 針對單跳網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 節(jié)點(diǎn)類型與功能

所有節(jié)點(diǎn)都具有多方向天線陣列硬件結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)按功能為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與骨干節(jié)點(diǎn)：

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)：該節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)發(fā)起者。

骨干節(jié)點(diǎn)：所有骨干節(jié)點(diǎn)都從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處入網(wǎng)，骨干節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)屬于末端節(jié)點(diǎn)，它們不再接受其它節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該網(wǎng)絡(luò)是層次型網(wǎng)絡(luò)，但只提供二個(gè)層次的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）針對較遠(yuǎn)距離下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對于如25km 較遠(yuǎn)距離的應(yīng)用，可以采用單跳網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 單跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該距離下的應(yīng)用比較普通，本文所研究的方案將對該距離下的單跳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)議設(shè)計(jì)優(yōu)化與性能分析。

（2）針對更遠(yuǎn)距離下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對于如30～50km 更遠(yuǎn)的通信距離，可以采用下面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 一父兩子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3 時(shí)間幀結(jié)構(gòu)

時(shí)間幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 幀結(jié)構(gòu)

上述幀結(jié)構(gòu)共分為Hello 時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)隙兩種類型。各時(shí)隙的功能如下：

1.3.1 Hello時(shí)隙

Hello時(shí)隙用于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)向骨干節(jié)點(diǎn)提供接入服務(wù)。在該方案中，由于節(jié)點(diǎn)的多方向天線陣列結(jié)構(gòu)中具有8根定向天線，因此該時(shí)間幀結(jié)構(gòu)中共有8個(gè)Hello時(shí)隙。

Hello時(shí)隙內(nèi)收發(fā)的數(shù)據(jù)是一種特殊的協(xié)議數(shù)據(jù)，稱為Hello包。Hello包還可以細(xì)分為Hello請求包與hello響應(yīng)包。Hello包的定時(shí)產(chǎn)生功能由協(xié)議上層其它模塊完成。

由于該方案針對的是星型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中只有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有周期發(fā)送Hello請求包的功能，骨干節(jié)點(diǎn)僅在入網(wǎng)前的Hello時(shí)隙內(nèi)執(zhí)行監(jiān)聽操作，而在入網(wǎng)后的Hello時(shí)隙內(nèi)沒有任何動作，即對于已經(jīng)入網(wǎng)的骨干節(jié)點(diǎn)，Hello時(shí)隙不起任何作用。

1.3.2 數(shù)據(jù)時(shí)隙

數(shù)據(jù)時(shí)隙用于節(jié)點(diǎn)之間傳遞大部分協(xié)議數(shù)據(jù)和普通數(shù)據(jù)。在該方案中，數(shù)據(jù)時(shí)隙共有992個(gè)。

在使用數(shù)據(jù)時(shí)隙時(shí)，時(shí)隙分配表、各協(xié)議數(shù)據(jù)包的定時(shí)產(chǎn)生功能由協(xié)議上層其它模塊完成，普通數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生則由上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧完成。

由于該方案針對的是星型網(wǎng)絡(luò)，所有已經(jīng)入網(wǎng)的骨干節(jié)點(diǎn)公平競爭這992個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙。如果網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)下面只有一個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)，則這992個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙都?xì)w該骨干節(jié)點(diǎn)所有；如果網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)下有多個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)，則這些骨干節(jié)點(diǎn)各擁有一部分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)隙，而這些數(shù)據(jù)時(shí)隙總和為992個(gè)。

為減少協(xié)議的復(fù)雜性，每個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙僅發(fā)送或接收一個(gè)數(shù)據(jù)包，即單包收發(fā)功能。為提高數(shù)據(jù)發(fā)送效率，本方案會對多個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行組包，只要最后長度不超過物理層所規(guī)定的最大傳輸單元長度即可。

在近距離條件下，由于信道質(zhì)量較好，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以使用超過24Mbps的調(diào)制速率進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送更長的數(shù)據(jù)，甚至達(dá)到物理層所規(guī)定的最大傳輸單元長度，但在這種情況下每個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙內(nèi)會有較大的時(shí)間浪費(fèi)。

在超過20km 距離條件下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所能夠使用的調(diào)制速率不會超過12Mbps，此時(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙內(nèi)沒有時(shí)間浪費(fèi)。

1.4 各種時(shí)隙的使用情況

1.4.1 Hello時(shí)隙

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在Hello時(shí)隙內(nèi)Hello包收發(fā)情況、骨干節(jié)點(diǎn)在Hello時(shí)隙內(nèi)的Hello請求包的接收情況、骨干節(jié)點(diǎn)在Hello時(shí)隙內(nèi)的Hello響應(yīng)包的發(fā)送情況如圖5所示。

（1）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)周期對外發(fā)送Hello請求包

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在建網(wǎng)后的每個(gè)Hello時(shí)隙內(nèi)依次使用自己的每根天線對外發(fā)送一個(gè)Hello請求包 （即信標(biāo)），所使用的天線號序列為 ［0、1、2、3、4、5、6、7］；接著便等待接收骨干節(jié)點(diǎn)發(fā)來的Hello響應(yīng)包。

圖5 Hello時(shí)隙內(nèi)的Hello包收發(fā)情況

（2）骨干節(jié)點(diǎn)接收Hello請求包

骨干節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)前將進(jìn)行Hello請求包的接收。在接收定時(shí)器超時(shí)前，骨干節(jié)點(diǎn)將在所有Hello時(shí)隙內(nèi)都執(zhí)行接收動作。

（3）骨干節(jié)點(diǎn)回應(yīng)Hello響應(yīng)包

當(dāng)骨干節(jié)點(diǎn)的接收Hello請求包定時(shí)器超時(shí)后，骨干節(jié)點(diǎn)將對所接收到的Hello請求包進(jìn)行排序，從中選擇最佳天線對，該算法有專門論文進(jìn)行論述，文中不再提及。骨干節(jié)點(diǎn)為自己選出合適的天線對后，將繼續(xù)在Hello時(shí)隙上執(zhí)行接收動作，當(dāng)再次接收到Hello請求包后，便在當(dāng)前Hello時(shí)隙的剩余時(shí)間里立即向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)回應(yīng)一個(gè)Hello響應(yīng)包。

1.4.2 數(shù)據(jù)時(shí)隙

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成了時(shí)隙分配以后，每個(gè)時(shí)間幀中的992個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙也就完全分配給了每個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)，而這些數(shù)據(jù)時(shí)隙中的數(shù)據(jù)流方向也確定好了，協(xié)議底層模塊只要在每個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙的邊沿到達(dá)時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)收發(fā)動作就可以了。

數(shù)據(jù)還分為需確認(rèn)數(shù)據(jù)與不需確認(rèn)數(shù)據(jù)。在實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，為保證協(xié)議底層模塊能夠盡快對發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行重發(fā)，數(shù)據(jù)接收端一般都需要對所收到數(shù)據(jù)分組進(jìn)行確認(rèn)。協(xié)議數(shù)據(jù)都是需確認(rèn)數(shù)據(jù)，普通數(shù)據(jù)一般為需確認(rèn)數(shù)據(jù)，但有些數(shù)據(jù)可以為不需確認(rèn)數(shù)據(jù)（如話音數(shù)據(jù)）。

當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)時(shí)隙內(nèi)接收需確認(rèn)數(shù)據(jù)、發(fā)送需確認(rèn)數(shù)據(jù)、接收不需確認(rèn)數(shù)據(jù)、發(fā)送不需確認(rèn)數(shù)據(jù)的情況如圖6所示。

需確認(rèn)數(shù)據(jù)的傳輸：當(dāng)前節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)成功后需立即發(fā)送一個(gè)確認(rèn)，或者當(dāng)前節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)成功后需等待接收一個(gè)確認(rèn)。

不需確認(rèn)數(shù)據(jù)的傳輸：當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為可以接收充滿整個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙的數(shù)據(jù)，或者當(dāng)前節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送充滿整個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙的數(shù)據(jù)。

2 性能分析

2.1 各傳輸單元長度

與該方案相關(guān)的各傳輸單元長度如下：

圖6 數(shù)據(jù)時(shí)隙內(nèi)的數(shù)據(jù)收發(fā)情況

（1）無線接口最大傳輸單元長度

底層采用的是基于IEEE 802.11a的物理層技術(shù)，其最大傳輸單元長度 （MTU）為2400 字節(jié)，其在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以選擇的調(diào)制速率有6Mbps、9Mbps、12Mbps、18Mbps、24Mbps、36Mbps、48Mbps、54Mbps。

（2）以太網(wǎng)幀最大長度

以太網(wǎng)幀最大長度為1518字節(jié)。

（3）無線接口確認(rèn)包長度

確認(rèn)包長為16 字節(jié)，該包始終以6Mbps 調(diào)制速率發(fā)送。

2.2 公 式

（1）各種包長的無線傳輸時(shí)間計(jì)算公式

各種包長的無線傳輸時(shí)間按式 （1）計(jì)算：

各值的含義如下：

1）包長為無線接口數(shù)據(jù)長度，單位為字節(jié)。

2）16為PLCP頭部中服務(wù)類型的比特?cái)?shù)。

3）6為尾比特?cái)?shù)。

4）NDBPS為一個(gè)OFDM 符號含有的比特?cái)?shù)。6Mbps下的值為24，9Mbps下為36，12Mbps下為48，18Mbps下為72，24Mbps下為96，36Mbps下為144，48Mbps下為192，54Mbps下為216。

5）t的單位是μs。

（2）數(shù)據(jù)傳輸效率

整個(gè)時(shí)間幀中能夠提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間幀使用效率、每個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙內(nèi)部使用效率、數(shù)據(jù)傳輸效率、理論帶寬、本方案的帶寬分別按式 （2）－式 （6）計(jì)算

其中：

1）數(shù)據(jù)傳輸效率反映了數(shù)據(jù)傳輸能力與時(shí)間浪費(fèi)情況。

2）受物理層最大傳輸單元長度的限制，在高調(diào)制速率情況下，本方案的實(shí)際帶寬值要小于理論帶寬值。

2.3 帶寬計(jì)算

在25km 距離下，發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)制速率取值范圍為6Mbps～12Mbps。

現(xiàn)以該距離下的單跳網(wǎng)絡(luò)為例，對該方案在實(shí)際平臺下的性能進(jìn)行分析。計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙中在各種調(diào)制速率下能夠發(fā)送的最大數(shù)據(jù)包長時(shí)，需要考慮到實(shí)際平臺所產(chǎn)生的各種時(shí)延以及傳播時(shí)延：

（1）同步中斷代碼執(zhí)行時(shí)延為5μs。

（2）發(fā)包時(shí)產(chǎn)生TxE中斷的時(shí)延為20μs。

（3）接收節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的RxOk 中斷時(shí)延為6μs。

（4）中斷代碼執(zhí)行時(shí)延為5μs。

（5）數(shù)據(jù)時(shí)隙保護(hù)時(shí)間為20μs。

（6）在一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙里，近距離的傳輸時(shí)延可以忽略不計(jì)，而在25km 距離下的傳輸時(shí)延將達(dá)到84μs，這對性能具有較大影響。

2.3.1 數(shù)據(jù)需確認(rèn)時(shí)的情況

數(shù)據(jù)時(shí)隙使用情況如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)需確認(rèn)時(shí)的情況

其中：時(shí)間幀使用效率為99.2%，每個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙的理論使用效率為78.4%，實(shí)際使用效率為69.7%，理論數(shù)據(jù)傳輸效率為77.8%，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸效率為69.1%，均比現(xiàn)有方案提升19%。

其理論帶寬、實(shí)際帶寬與數(shù)據(jù)時(shí)隙內(nèi)最大包長分別見表1。

表1 數(shù)據(jù)需確認(rèn)時(shí)的情況

2.3.2 數(shù)據(jù)不需確認(rèn)時(shí)的情況

數(shù)據(jù)時(shí)隙使用情況如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)不需確認(rèn)時(shí)的情況

其中：時(shí)間幀使用效率為99.2%，每個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙的理論使用效率為91.6%，實(shí)際使用效率為86%，理論數(shù)據(jù)傳輸效率為90.8%，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸效率為85.3%，均比現(xiàn)有方案提升16%。

其理論帶寬、實(shí)際帶寬與數(shù)據(jù)時(shí)隙內(nèi)最大包長分別見表2。

表2 數(shù)據(jù)不需確認(rèn)時(shí)的情況

2.4 結(jié) 論

在25km 距離并且在數(shù)據(jù)需確認(rèn)條件下，在實(shí)際平臺下的數(shù)據(jù)時(shí)隙內(nèi)的時(shí)間損失為303μs，在調(diào)制速率為12Mbps情況下，本方案理論數(shù)據(jù)傳輸效率為77.8%，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸效率為69.1%，均比現(xiàn)有方案提升19%。

在25km 距離并且在數(shù)據(jù)無確認(rèn)條件下，在實(shí)際平臺下的數(shù)據(jù)時(shí)隙內(nèi)的時(shí)間損失為255μs。在調(diào)制速率為12Mbps情況下，本方案理論數(shù)據(jù)傳輸效率為90.8%，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸效率為85.3%，均比現(xiàn)有方案提升16%。

3 結(jié)束語

現(xiàn)有基于多方向天線陣列的同步無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議側(cè)重于多跳組網(wǎng)功能設(shè)計(jì)，其單跳網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離通信能力不高。提出了一種基于多方向天線陣列的單跳帶寬特性強(qiáng)的同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案。性能分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的時(shí)間幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)傳輸規(guī)程設(shè)計(jì)可以使基于多方向天線陣列的單跳網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效率比現(xiàn)有方案提升16%～19%，并適用于遠(yuǎn)距離快速機(jī)動寬帶組網(wǎng)應(yīng)用。

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