無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)多跳特性研究

王海波 程建明

【摘要】 無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)作為多跳網(wǎng)絡(luò)，其多跳特性研究是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，利用NS3完成無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)的建模，通過(guò)將建模后的無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的單跳Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能上的對(duì)比，研究無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)的多跳特性。

【關(guān)鍵字】 無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò) NS3 多跳 IEEE 802.11

一、應(yīng)用背景

Mesh其義為網(wǎng)格，mesh的特點(diǎn)就是所有節(jié)點(diǎn)都互相連接。Wireles Mesh即無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)，是一種與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型網(wǎng)絡(luò)。在無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)一跳或多跳的方式與一個(gè)或多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。Mesh架構(gòu)作為一種新型的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)架構(gòu)，因其自組織多跳、自愈合高可靠性、靈活快速組網(wǎng)的特性適合于緊急通信或遠(yuǎn)程醫(yī)療等需要快速穩(wěn)定組網(wǎng)的場(chǎng)景。

IEEE 802.11s作為WLAN網(wǎng)絡(luò)下的mesh架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，其物理層所使用的協(xié)議與Wi-Fi完全一致，在MAC層則針對(duì)多跳特性做出了一些修訂。本文針對(duì)IEEE 802.11寫(xiě)的mesh架構(gòu)進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與傳統(tǒng)單跳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對(duì)比，最終分析得到WLAN網(wǎng)絡(luò)下mesh架構(gòu)的多跳特性。

二、無(wú)線(xiàn)mesh架構(gòu)的多跳原理

圍繞無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究層出不窮，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)牡膸譃閿?shù)據(jù)幀、控制幀和管理幀三類(lèi)，數(shù)據(jù)幀能攜帶更高層次的數(shù)據(jù)，控制幀能被用作設(shè)定和認(rèn)證，設(shè)備通過(guò)管理幀來(lái)完成對(duì)一個(gè)本地WLAN或者一條鏈路的搭建、組織和維護(hù)。而IEEE 802.11s協(xié)議針對(duì)mesh網(wǎng)絡(luò)的MAC幀結(jié)構(gòu)做了特殊定義，新定義下的MAC幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。該幀結(jié)構(gòu)中對(duì)地址結(jié)構(gòu)的特殊定義使無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)具備了完成多跳傳輸?shù)哪芰Α?/p>

相對(duì)IEEE 802.11b/g/n協(xié)議下的MAC幀結(jié)構(gòu)而言，s工作組下的MAC幀結(jié)構(gòu)所作出的特殊定義主要為圖3中的藍(lán)色部分，即在802.11幀頭末尾上添加了mesh控制域，用以支持多跳功能。Mesh控制域主要包括mesh時(shí)間來(lái)直播完成同步（TTL），一個(gè)mesh序列號(hào)、mesh標(biāo)識(shí)域和可能的一個(gè)mesh地址擴(kuò)展域。TTL和序列號(hào)信息組被用以避免幀永遠(yuǎn)的循環(huán)下去。Mesh標(biāo)識(shí)域用以標(biāo)識(shí)mesh控制域中是否有額外的MAC地址存在，即是否MAC幀使用了mesh的3對(duì)地址，即單跳源地址和目的地址，mesh路徑中的源地址和目的地址以及端到端的源地址和目的地址。

三、仿真環(huán)境搭建

WLAN環(huán)境下Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)極其普遍。由于IEEE 802.11s下的無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)其物理層與IEEE 802.11所使用的物理層協(xié)議完全一致，因此在IEEE 802.11的基礎(chǔ)上研究無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)具有十分重大的意義。

由于網(wǎng)絡(luò)的多跳通信過(guò)程設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸全過(guò)程，并且需要考慮信道環(huán)境。因此本文使用了NS3來(lái)完成無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級(jí)仿真，仿真過(guò)程中考慮了無(wú)線(xiàn)環(huán)境中的傳輸損耗，并通過(guò)仿真Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)來(lái)參考完成無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)的單跳距離、傳輸損耗模型、信道探測(cè)閾值、能量探測(cè)閾值、天線(xiàn)增益等網(wǎng)絡(luò)搭建的關(guān)鍵參數(shù)選取。

首先搭建了一組AP-STA的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)采用控制變量的方法，把傳輸速率（DataRate）定為1Mbps，然后改變STA節(jié)點(diǎn)與AP節(jié)點(diǎn)的距離，測(cè)試得到了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)。我們運(yùn)用隨機(jī)變量，測(cè)試了兩次，將兩次得到的結(jié)果放在了同一張圖中，使結(jié)果更加可靠。圖2即為吞吐量隨距離變化的結(jié)果。兩次測(cè)試結(jié)果均表明，在150m以?xún)?nèi)，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的吞吐量表現(xiàn)良好，能夠達(dá)到我們?cè)O(shè)定的1Mbps；但是超出150m以外，吞吐量會(huì)急速下降；到了200m以外，吞吐量基本為零，這意味著已經(jīng)超出了這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

通過(guò)分析該性能指標(biāo)，我們可以得出結(jié)論，在這樣的設(shè)定下：

m_txpower = 15dbm，

TxGain/ RxGain = 5dbm，

m_EnergyDet = -87dbm，

m_ccath = -100dbm，

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)良好的覆蓋范圍是100m，此外，參考常用的仿真信道參數(shù)，采用如表1所示的仿真參數(shù)。下文將描述在上述設(shè)定下繼續(xù)多跳測(cè)試。

四、多跳特性仿真結(jié)果分析

4.1 Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與mesh架構(gòu)的比較

上一小節(jié)通過(guò)基本的仿真結(jié)果確定了仿真環(huán)境的核心參數(shù)，本節(jié)仿真將基于上述參數(shù)配置完成多跳仿真，并將測(cè)試結(jié)果與IEEE 802.11環(huán)境下測(cè)試結(jié)果相比較。以數(shù)據(jù)發(fā)送速率（DataRate）作為因變量，看看Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和Mesh網(wǎng)絡(luò)（一跳、兩跳、三跳、四跳）中吞吐量的變化情況，從而分析出多跳的傳輸性能。

需要說(shuō)明的是，Mesh網(wǎng)絡(luò)中不同跳數(shù)的距離分析是一個(gè)平均值。由于單跳傳輸范圍接近150m，而仿真選取的100m為最佳傳輸距離。因此，在3*3的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎路抡娼Y(jié)果得到的傳輸跳數(shù)包括1跳、2跳與4跳的傳輸結(jié)果。三個(gè)在某一跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，本文以這三點(diǎn)的直線(xiàn)距離平均值作為該跳的覆蓋范圍。仿真結(jié)果得到Mesh 1跳的平均距離是120m左右；Mesh 2跳的平均距離是210m左右；Mesh四跳的直線(xiàn)距離是280m左右。圖3所示，仿真結(jié)果比較了Wi-Fi單跳與無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)各跳的傳輸性能。

從圖3中我們可以看到，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和mesh 1跳的吞吐量基本一致的，最大吞吐量都能達(dá)到1.2Mbps左右；mesh 2跳的性能由于距離的增大表現(xiàn)得要差一些，最大吞吐量達(dá)到了800kbps左右；mesh 4跳的性能由于傳輸距離的擴(kuò)大，吞吐量只能達(dá)到100kbps左右，考慮到4跳的直線(xiàn)距離已經(jīng)達(dá)到了280m，這個(gè)結(jié)果還是能夠接受的。因此，從吞吐量這個(gè)指標(biāo)可以看出來(lái)，在相同條件下，相同距離的時(shí)候，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和Mesh網(wǎng)絡(luò)的性能是不相上下的。但是Mesh網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)多跳的方式把覆蓋范圍擴(kuò)大很多，與此同時(shí)，會(huì)犧牲一些吞吐量，這是可以接受的。經(jīng)過(guò)的跳數(shù)越多，吞吐量受到的環(huán)境影響也越大。至于在本文的仿真結(jié)果中，mesh 4跳的吞吐量只能達(dá)到100kbps，這是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和環(huán)境參數(shù)設(shè)定等各種因素綜合影響的結(jié)果。

4.2實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)上述仿真分析，我們可以得出如下結(jié)論：

（1）在單跳的情況下，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與mesh網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍基本一致，有效覆蓋范圍是150m左右。在這個(gè)范圍內(nèi)，兩類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量指標(biāo)基本一致，體現(xiàn)出良好的接入吞吐量。超出這個(gè)范圍，網(wǎng)絡(luò)的性能會(huì)急速下降。

（2）與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)單跳覆蓋相比，Mesh網(wǎng)絡(luò)通過(guò)其多跳特性將無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)母采w范圍擴(kuò)大了兩倍多。此外，Mesh網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的不僅帶來(lái)了覆蓋范圍的增加，還能帶來(lái)良好的解決網(wǎng)絡(luò)擁塞、提高網(wǎng)絡(luò)可靠性等無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)天然的優(yōu)勢(shì)。

（3）隨著數(shù)據(jù)發(fā)送速率的提高，即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量明顯提高。同時(shí)，隨著跳數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量逐漸趨于飽和，跳數(shù)越大，飽和吞吐量越小，因此，在4跳情況下，由于飽和吞吐量很小，數(shù)據(jù)包發(fā)送速率的增加并沒(méi)有引起吞吐量明顯的提高。

五、總結(jié)

本文介紹了WLAN環(huán)境下無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)中多跳的由來(lái)，并使用NS3網(wǎng)絡(luò)仿真軟件搭建Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺(tái)，借助平臺(tái)仿真結(jié)果分析了mesh網(wǎng)絡(luò)多跳的特性。仿真結(jié)果從數(shù)據(jù)的角度體現(xiàn)了多跳網(wǎng)絡(luò)在傳輸速率上可以匹敵Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、在覆蓋范圍上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)。

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