李茜+劉經(jīng)緯+呂仁健+韓仲華

摘 要： 現(xiàn)有的基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網(wǎng)絡在一個數(shù)據(jù)時隙內只發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，這在發(fā)送節(jié)點采用高調制速率發(fā)送數(shù)據(jù)包時會造成時隙利用率的下降。針對該問題，對該網(wǎng)絡下的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術進行了研究，給出了最多可連發(fā)的數(shù)據(jù)包個數(shù)與計算時機、序列號與確認機制、涉及到的參量、父子節(jié)點處理流程的詳細設計方案。理論性能對比結果表明，在發(fā)送節(jié)點采用高調制速率發(fā)送數(shù)據(jù)包時，在該網(wǎng)絡下采用數(shù)據(jù)包連發(fā)技術能夠大幅度提高時隙利用率，網(wǎng)絡性能明顯提升。

關鍵詞： 無線Mesh網(wǎng)絡； 同步； 時隙利用； 數(shù)據(jù)包連發(fā)

中圖分類號： TN711?34； TP393.04 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0049?06

Research on data packet continuous transmission technology

in synchronization wireless Mesh networks

LI Qian1， LIU Jing?wei1， L? Ren?jian1， 2， HAN Zhong?hua1

（1. North China Institute of Computing Technology， Beijing 100083， China； 2. Beijing University of Posts and Telecommunication， Beijing 100876， China）

Abstract： Only one data packet is sent in a time?slot in synchronization wireless Mesh network based on the existing multi?directional antenna array， which will decrease the slot utilization rate when data packets are sent in high modulation rate at transmitting node. To solve this problem， the technology of data packet continuous ransmission in this network environment is studied. The detailed design scheme of the number of maximum data packet continuous ransmission， calculation opportunity， sequence number， acknowledgment mechanism， parameters and node processing flow is offered in this paper. The technology was fully tested in actual hardware environment. The comparison result shows， when data packets are sent in high modulation rate at transmitting node， the technology of the data packet continuous ransmission can improve time?slot utilization， and the performance of the network can be improved obviously.

Keywords： wireless Mesh network； synchronization； time?slot utilization； data packet continuous ransmission

0 引 言

無線Mesh網(wǎng)絡是一種多跳網(wǎng)狀的寬帶無線網(wǎng)絡，具有覆蓋范圍廣、帶寬高、魯棒性強等特點，在機動指揮與應急通信方面有著廣闊的應用前景。

無線Mesh網(wǎng)絡多采用異步組網(wǎng)技術[1?12]。該網(wǎng)絡在節(jié)點個數(shù)較少并且節(jié)點之間距離較近時的性能比較理想，但當網(wǎng)絡規(guī)模擴大時，所有節(jié)點因競爭信道導致了網(wǎng)絡吞吐量急劇下降，無法實現(xiàn)高速的端到端無線數(shù)據(jù)傳輸，業(yè)務的服務質量也就難以保證。

目前出現(xiàn)了一種基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網(wǎng)絡（以下簡稱為同步無線Mesh網(wǎng)絡）[13]。該網(wǎng)絡除通過定向天線實現(xiàn)了節(jié)點之間的遠距離數(shù)據(jù)傳輸外，還采用了同步組網(wǎng)技術，通過精準的時隙劃分，網(wǎng)絡內所有節(jié)點的通信都被安排在合適的時隙中，避免了節(jié)點因競爭信道而導致網(wǎng)絡吞吐量的急劇下降，通過高效的時隙分配策略則進一步提高了網(wǎng)絡的吞吐量。另外，網(wǎng)絡中節(jié)點之間具有一定的父子關系，網(wǎng)絡管理也變得更加簡單。

現(xiàn)有同步無線Mesh網(wǎng)絡采用了一個數(shù)據(jù)時隙（以下簡稱為基本時隙或時隙）內單一數(shù)據(jù)包的收發(fā)機制，即每個節(jié)點在一個時隙內只發(fā)送或接收一個數(shù)據(jù)包，當?shù)讓诱{制速率較低時，該數(shù)據(jù)包的長度較短，其收發(fā)時間會占滿整個時隙，即時隙的利用率較高；而當?shù)讓诱{制速率較高時，該數(shù)據(jù)包的長度受到底層無線接口最大傳輸單元長度（MTU）的限制，其收發(fā)時間不能占滿整個時隙，因而時隙內會有很大的浪費。

為在底層高調制速率下提高時隙利用率，本文對同步無線Mesh網(wǎng)絡下的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術進行了研究，提出了設計方案并對性能進行了對比分析。

1 同步無線Mesh網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包連發(fā)技術

數(shù)據(jù)包連發(fā)技術涉及到時間幀結構、包類型、單時隙內的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術與多時隙內的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術。

1.1 時間幀結構

時隙浪費與時隙長度有關。當時隙較長時，高調制速率下會產(chǎn)生時隙內的時間浪費；當時隙長度設計得過小時，由于協(xié)議控制包的開銷而導致時隙內數(shù)據(jù)收發(fā)利用率下降，另外，也給底層同步平臺設計帶來難度，系統(tǒng)資源消耗也因此增加。因此，時隙長度應主要參考系統(tǒng)在實際使用時最大可能出現(xiàn)的底層調制速率值，同時保證底層同步平臺能夠實現(xiàn)，而系統(tǒng)資源消耗也能夠接受。

時間幀結構如圖1所示。

圖1 時間幀結構

時間幀結構中具有以下兩種類型的時隙：

（1） Hello時隙。Hello時隙的時間長度為1個基本時隙長度，用于網(wǎng)絡內節(jié)點向未入網(wǎng)節(jié)點提供接入服務。

（2） 數(shù)據(jù)時隙。數(shù)據(jù)時隙內的每個基本時隙用于實際數(shù)據(jù)傳輸。

時間幀結構是同步無線Mesh網(wǎng)絡內各節(jié)點協(xié)調工作的基礎。

1.2 包類型

節(jié)點在每個時隙內的通信都會涉及各種包的交互，數(shù)據(jù)通信則與以下包相關：

1.2.1 輪詢包

該包用于父節(jié)點調度子節(jié)點，該包還可以進一步細分為如下兩類：

（1） 父子輪詢包

當父節(jié)點向子節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，父節(jié)點會在時隙開始時首先向子節(jié)點發(fā)送一個父子輪詢包，該包發(fā)完后，父節(jié)點再接著向子節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。

該包中含有父節(jié)點本次即將連發(fā)數(shù)據(jù)包的個數(shù)與父節(jié)點規(guī)定的時隙合并的個數(shù)。

（2） 子父輪詢包

當父節(jié)點接收子節(jié)點的數(shù)據(jù)時，父節(jié)點會在時隙開始時首先向子節(jié)點發(fā)送一個子父輪詢包，該包發(fā)完后，父節(jié)點將等待接收子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

該包中含有父節(jié)點規(guī)定的時隙合并的個數(shù)。

1.2.2 確認包

當數(shù)據(jù)包為需確認數(shù)據(jù)時，接收完數(shù)據(jù)的節(jié)點將立即向對端發(fā)送一個確認包，否則接收完數(shù)據(jù)的節(jié)點將結束該時隙內的收發(fā)動作。

1.2.3 數(shù)據(jù)包

數(shù)據(jù)包格式如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)包格式

第一層包頭的內容與節(jié)點之間點對點基本通信相關，如基本數(shù)據(jù)包類型、目的節(jié)點地址、源節(jié)點地址、序列號、后續(xù)數(shù)據(jù)包個數(shù)等。

第二層包頭，由同步無線Mesh網(wǎng)絡協(xié)議中不同的功能模塊所定義，如模塊類型、該模塊內的數(shù)據(jù)包類型、數(shù)據(jù)凈荷長度、QoS標記。

數(shù)據(jù)凈荷為以太網(wǎng)幀。

校驗在數(shù)據(jù)發(fā)送時由無線網(wǎng)卡添加。

1.3 單時隙內的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術

1.3.1 功能說明

為提高時隙利用率，發(fā)送節(jié)點應在每個時隙內盡可能多地發(fā)送數(shù)據(jù)包。

每個時隙內的數(shù)據(jù)包連發(fā)如圖3所示。

圖3 單時隙內數(shù)據(jù)包連發(fā)

1.3.2 最多連發(fā)的數(shù)據(jù)包個數(shù)與計算時機

（1） 單時隙內數(shù)據(jù)包最多連發(fā)個數(shù)

發(fā)送節(jié)點通過計算后應在一個時隙內盡可能多地發(fā)送數(shù)據(jù)包，但需要規(guī)定最多發(fā)包個數(shù)，規(guī)定最多連發(fā)數(shù)據(jù)包的個數(shù)不超過16個，一個時隙內連發(fā)數(shù)據(jù)包的個數(shù)一般為2或3。

（2） 輪詢包與確認包的發(fā)送時間

輪詢包與確認包的發(fā)送時間（單位：μs）為固定值，可按式（1）計算：

[t=數(shù)據(jù)包長×8+B+NwNDBPS×4+20] （1）

各值的含義如下：

包長為無線接口數(shù)據(jù)長度，單位為字節(jié)；[B]為PLCP頭部中服務類型的比特數(shù)；[Nw]為尾比特數(shù)；[NDBPS]為一個OFDM符號含有的比特數(shù)，6 Mb/s時的值為24，9 Mb/s時為36，12 Mb/s時為48，18 Mb/s時為72，24 Mb/s時為96，36 Mb/s時為144，48 Mb/s時為192，54 Mb/s時為216。

（3） 每個數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間

每個數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間在數(shù)據(jù)包被加入到數(shù)據(jù)發(fā)送隊列時便已計算好，仍按公式（1）計算。

（4） 單時隙內數(shù)據(jù)包最多連發(fā)個數(shù)的計算時機

發(fā)送節(jié)點在當前時隙開始時計算該時隙內最多能夠發(fā)送多少個數(shù)據(jù)包。

1.3.3 序列號與確認機制

為所有數(shù)據(jù)包安排序列號并加入確認機制。接收節(jié)點根據(jù)發(fā)送節(jié)點所指示的數(shù)據(jù)包連發(fā)個數(shù)進行接收、檢驗序列號連續(xù)性并對實際收到的最后一個數(shù)據(jù)包進行確認。

接收節(jié)點剛剛收到的數(shù)據(jù)包中的序列號如果與收到的上一個數(shù)據(jù)包的序列號不連續(xù)，則丟棄剛剛收到的數(shù)據(jù)包。

接收節(jié)點在當前時隙的后兩個基本時隙單位開始時刻設定確認包等待定時器，該定時器設定在該處可以保證接收節(jié)點能夠在25 km距離條件下將確認包發(fā)送給發(fā)送節(jié)點。接收節(jié)點如果在當前時隙內收到了發(fā)送節(jié)點的所有應發(fā)數(shù)據(jù)包后，則立即向發(fā)送節(jié)點回復一個確認包，并取消確認包超時定時器；否則，接收節(jié)點在確認包等待定時器超時后再向發(fā)送節(jié)點回復一個確認包。

1.3.4 涉及到的參量

數(shù)據(jù)包連發(fā)過程中涉及到以下參量：

數(shù)據(jù)包最大連發(fā)個數(shù)。一個時隙內所發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)與多個連續(xù)時隙所發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)都不應超過該值，數(shù)據(jù)包連發(fā)個數(shù)過多，失敗重傳的次數(shù)也會增加，網(wǎng)絡性能反而下降。

最大時隙合并個數(shù)。該值表示某個發(fā)送節(jié)點與某個接收節(jié)點之間共享的連續(xù)時隙數(shù)，在連續(xù)時隙里可以持續(xù)收發(fā)數(shù)據(jù)包。

發(fā)送節(jié)點應發(fā)數(shù)據(jù)包個數(shù)。發(fā)送節(jié)點在當前時隙內計算出能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)。

發(fā)送節(jié)點實發(fā)數(shù)據(jù)包個數(shù)。發(fā)送節(jié)點在當前時隙內實際發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)，在正常情況下，發(fā)送節(jié)點實發(fā)數(shù)據(jù)包個數(shù)與發(fā)送節(jié)點應發(fā)數(shù)據(jù)包個數(shù)相等。

接收節(jié)點應收數(shù)據(jù)包個數(shù)。接收節(jié)點在當前時隙內應該接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)。

接收節(jié)點實收數(shù)據(jù)包個數(shù)。接收節(jié)點在當前時隙內實際接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)。

發(fā)送序列號。發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時在每個數(shù)據(jù)包中添加的序列號，該序列號按模遞增。

接收序列號。接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)時從每個數(shù)據(jù)包中獲得的序列號，在正常情況下，接收序列號應等于發(fā)送序列號，即接收序列號也是按模遞增。

1.3.5 父節(jié)點流程

父節(jié)點在當前時隙內的處理流程如圖4所示。

（1） 父節(jié)點在當前時隙中斷到來時開始確定是發(fā)送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)，即確定父子節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳遞的上下行關系。

（2） 當父節(jié)點向子節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，父節(jié)點根據(jù)1.3.2節(jié)中的各種時間值計算出當前時隙內能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)并將該值填到父子輪詢包中。另外，時隙合并個數(shù)設為1，表示僅在當前一個時隙內進行數(shù)據(jù)包連發(fā)。

（3） 父節(jié)點向子節(jié)點發(fā)送父子輪詢包，在父子輪詢包發(fā)送成功后，父節(jié)點繼續(xù)向子節(jié)點連續(xù)發(fā)送所有數(shù)據(jù)包。

（4） 父節(jié)點會在所有數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后等待接收子節(jié)點的確認包，等待接收確認定時器的超時時間設在當前時隙結束時。

（5） 父節(jié)點如果收到了子節(jié)點發(fā)送的確認包后，根據(jù)確認包中的確認序列號判斷出已經(jīng)被子節(jié)點成功接收的數(shù)據(jù)包，將這些數(shù)據(jù)包從發(fā)送隊列中刪除并釋放內存。

（6） 父節(jié)點在等待確認定時器超時后仍沒有收到子節(jié)點發(fā)送的確認包時，根據(jù)已發(fā)送數(shù)據(jù)包的發(fā)送次數(shù)決定在后續(xù)時隙中是否重發(fā)，如果這些數(shù)據(jù)包已經(jīng)達到最大發(fā)送次數(shù)，則將這些數(shù)據(jù)包從發(fā)送隊列中刪除并釋放內存，否則在后續(xù)時隙中繼續(xù)重發(fā)。

（7） 當父節(jié)點準備接收子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包時，父節(jié)點將時隙合并個數(shù)設為1，并將該值填到子父輪詢包中。

（8） 父節(jié)點向子節(jié)點發(fā)送子父輪詢包，在子父輪詢包發(fā)送成功后，父節(jié)點等待從子節(jié)點接收數(shù)據(jù)包。

（9） 父節(jié)點接收的數(shù)據(jù)包如果序列號不正確，父節(jié)點則將這些數(shù)據(jù)包從接收隊列中刪除并釋放內存，否則，父節(jié)點將在發(fā)送確認定時器超時前接收完子節(jié)點發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包。

（10） 當發(fā)送確認定時器超時后，父節(jié)點針對已收到的最后一個數(shù)據(jù)包向子節(jié)點發(fā)送確認包。

1.3.6 子節(jié)點流程

子節(jié)點在當前時隙內的處理流程如圖5所示。

（1） 子節(jié)點在當前時隙中斷到來時等待接收父節(jié)點發(fā)來的輪詢包。

（2） 子節(jié)點如果收到的是子父輪詢包，子節(jié)點則記錄時隙合并個數(shù)，并計算出當前時隙內能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)。

（3） 子節(jié)點向父節(jié)點連續(xù)發(fā)送所有數(shù)據(jù)包。

（4） 子節(jié)點會在所有數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后等待接收父節(jié)點的確認包，等待接收確認定時器的超時時間設在當前時隙結束時。

（5） 子節(jié)點如果收到了父節(jié)點發(fā)送的確認包后，根據(jù)確認包中的確認序列號判斷出已經(jīng)被父節(jié)點成功接收的數(shù)據(jù)包，將這些數(shù)據(jù)包從發(fā)送隊列中刪除并釋放內存。

（6） 子節(jié)點在等待確認定時器超時后仍沒有收到父節(jié)點發(fā)送的確認包時，根據(jù)已發(fā)送數(shù)據(jù)包的發(fā)送次數(shù)決定在后續(xù)時隙中是否重發(fā)，如果這些數(shù)據(jù)包已經(jīng)達到最大發(fā)送次數(shù)，則將這些數(shù)據(jù)包從發(fā)送隊列中刪除并釋放內存，否則在后續(xù)時隙中繼續(xù)重發(fā)。

（7） 子節(jié)點如果收到的是父子輪詢包，子節(jié)點準備接收父節(jié)點發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包。

（8） 子節(jié)點接收的數(shù)據(jù)包如果序列號不正確，子節(jié)點則將這些數(shù)據(jù)包從接收隊列中刪除并釋放內存，否則，子節(jié)點將在發(fā)送確認定時器超時前接收完成父節(jié)點發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包。

（9） 當發(fā)送確認定時器超時后，子節(jié)點針對已收到的最后一個數(shù)據(jù)包向父節(jié)點發(fā)送確認包。

（10） 如果子節(jié)點沒有收到父節(jié)點的輪詢包，則子節(jié)點在當前時隙內什么也不做。

1.4 多時隙內的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術

多時隙內的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術，又稱時隙合并技術，該技術是對單時隙內數(shù)據(jù)包連發(fā)技術基礎上做出的功能提升，發(fā)送節(jié)點通過在多個連續(xù)時隙內連發(fā)數(shù)據(jù)包，減少了中間時隙內的輪詢包與確認包的個數(shù)，從而進一步提高時隙利用率。多時隙內的數(shù)據(jù)包連發(fā)示意如圖6所示。

圖6 多時隙內的數(shù)據(jù)包連發(fā)示意

多時隙內的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術中的最多連發(fā)的數(shù)據(jù)包個數(shù)與計算時機、序列號與確認機制、涉及到的常量與變量、父子節(jié)點的處理流程與單時隙內的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術均相同，這里不再贅述。它們的不同之處在于：

（1） 父子節(jié)點需要計算多個連續(xù)時隙內最多能夠發(fā)送多少個數(shù)據(jù)包。

（2） 父子節(jié)點將多個連續(xù)時隙中除第一個時隙以外的后續(xù)所有時隙中的狀態(tài)機取消，僅執(zhí)行第一個時隙中的狀態(tài)機。

2 理論性能對比

現(xiàn)分別對單跳網(wǎng)絡在使用單時隙內的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術前后的理論性能進行對比：

2.1 約束條件

（1） 每個時間幀內有980個數(shù)據(jù)時隙，即時間幀使用效率為98%。

（2） 在實驗室內或近距離條件下進行對比，忽略傳播時延，忽略實際平臺所帶來的各種時延。

（3） 輪詢包與確認包均始終以6 Mb/s的調制速率發(fā)送，按公式（1）可算出它們的發(fā)送時間均為48 μs。

（4） 發(fā)送節(jié)點分別以6～54 Mb/s調制速率發(fā)送數(shù)據(jù)包。

（5） 不使用組包功能，但使用分段功能。

（6） 同步無線Mesh網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)包凈荷為以太網(wǎng)幀，而以太網(wǎng)幀最大長度為1 518 B，因此發(fā)送節(jié)點能夠發(fā)送的最大數(shù)據(jù)包長度為1 518+40+4=1 562 B。

2.2 理論性能對比

理論性能對比情況分別見表1～表7。

表1 發(fā)送節(jié)點以9 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&1＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&991＼&991＼&時隙使用效率 /%＼&90.4＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&7.8＼&7.8＼&]

表2 發(fā)送節(jié)點以12 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&1＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 323＼&1 323＼&時隙使用效率 /%＼&90.4＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&10.4＼&10.4＼&]

表3 發(fā)送節(jié)點以18 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&2＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，384＼&時隙使用效率 /%＼&71.2＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&15.3＼&]

表4 發(fā)送節(jié)點以24 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&2＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 029＼&時隙使用效率 /%＼&54＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&20.3＼&]

表5 發(fā)送節(jié)點以36 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&3＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 167＼&時隙使用效率 /%＼&36＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&33.6＼&]

2.3 結 論

（1） 在6～12 Mb/s調制速率下，一個時隙內只能發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，因此單時隙內單包發(fā)送與單時隙內多包發(fā)送的性能相同。

（2） 在達到18 Mb/s調制速率或以上時，采用單時隙內多包發(fā)送的時隙使用效率仍為90.4%，其性能明顯高于單時隙內單包發(fā)送的性能。

表6 發(fā)送節(jié)點以48 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&4＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 562，261＼&時隙使用效率 /%＼&28＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&38.8＼&]

表7 發(fā)送節(jié)點以54 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&4＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 562，942＼&時隙使用效率 /%＼&24.8＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&44.1＼&]

3 結 語

對基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網(wǎng)絡下的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術進行了研究，給出了最多可連發(fā)的數(shù)據(jù)包個數(shù)與計算時機、序列號與確認機制、涉及到的參量、父子節(jié)點處理流程的詳細設計方案。理論性能對比結果表明，在發(fā)送節(jié)點采用高調制速率發(fā)送數(shù)據(jù)包時，在該網(wǎng)絡下采用數(shù)據(jù)包連發(fā)技術能夠大幅度提高時隙利用率，網(wǎng)絡性能明顯提升。

參考文獻

[1] VASUDEVAN S， KUROSE J， TOWSLEY D. On neighbor discovery in wireless networks with directional antennas [C]// INFOCOM 2005 24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. [S.l.]： IEEE， 2005， 4： 2502?2512.

[2] CHARBONNEAU Terrance Wayne. Scan synchronous directional antennas for time division multiple access in multi?hop Ad Hoc wireless networks [D]. USA： Purdue University， 2005.

[3] 李佳，周杰.無線Mesh網(wǎng)絡集中式信道分配算法設計[J].無線電工程，2009，39（12）：3235?3237.

[4] 韓冬，鄢楚平，王志泉，等.基于NDIS的無線Mesh網(wǎng)絡協(xié)議的研究和實現(xiàn)[J].計算機工程與設計，2011，32（3）：784?787.

[5] 蘇家勇，許磊，周國.無線Mesh網(wǎng)絡中的信道分配問題研究[J].無線電通信技術，2009，33（5）：4?6.

[6] 張克非，楊壽保，胡云，等.基于多QoS參數(shù)約束的無線Mesh網(wǎng)絡路由機制研究[J].計算機應用研究，2009，26（3）：994?996.

[7] 秦瑩瑩.無線Mesh網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[J].軟件導刊，2012，11（2）：99?101.

[8] 劉賀，張陸勇，陳明剛，等.無線Mesh網(wǎng)絡集中式信道分配算法設計[J].無線電工程，2011，41（5）：4?6.

[9] 謝桂芳，段盛，羅玉玲.無線Mesh網(wǎng)絡信道分配研究[J].計算機工程與應用，2011，47（18）：85?87.

[10] 邱振謀，姚國祥，官全龍，等.多信道無線Mesh網(wǎng)絡的多播信道分配算法[J].計算機工程，2011，37（6）：107?109.

[11] 何萍實，徐子平.無線Mesh網(wǎng)絡中使用雙收發(fā)器的多信道MAC協(xié)議研究[J].計算機應用研究，2010，27（1）：327?329.

[12] 李鶴松，冷甦鵬.一種新型無線Mesh網(wǎng)絡多信道MAC協(xié)議[J].計算機工程與應用，2011，47（26）：66?69.

[13] 雷昕，郭琳，韓仲華，等.寬帶無線Mesh網(wǎng)絡中的多扇區(qū)天線陣列設計[J].中國電子科學研究院學報，2012，7（4）：178?181.

2.2 理論性能對比

理論性能對比情況分別見表1～表7。

表1 發(fā)送節(jié)點以9 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&1＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&991＼&991＼&時隙使用效率 /%＼&90.4＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&7.8＼&7.8＼&]

表2 發(fā)送節(jié)點以12 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&1＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 323＼&1 323＼&時隙使用效率 /%＼&90.4＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&10.4＼&10.4＼&]

表3 發(fā)送節(jié)點以18 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&2＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，384＼&時隙使用效率 /%＼&71.2＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&15.3＼&]

表4 發(fā)送節(jié)點以24 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&2＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 029＼&時隙使用效率 /%＼&54＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&20.3＼&]

表5 發(fā)送節(jié)點以36 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&3＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 167＼&時隙使用效率 /%＼&36＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&33.6＼&]

2.3 結 論

（1） 在6～12 Mb/s調制速率下，一個時隙內只能發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，因此單時隙內單包發(fā)送與單時隙內多包發(fā)送的性能相同。

（2） 在達到18 Mb/s調制速率或以上時，采用單時隙內多包發(fā)送的時隙使用效率仍為90.4%，其性能明顯高于單時隙內單包發(fā)送的性能。

表6 發(fā)送節(jié)點以48 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&4＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 562，261＼&時隙使用效率 /%＼&28＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&38.8＼&]

表7 發(fā)送節(jié)點以54 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&4＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 562，942＼&時隙使用效率 /%＼&24.8＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&44.1＼&]

3 結 語

對基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網(wǎng)絡下的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術進行了研究，給出了最多可連發(fā)的數(shù)據(jù)包個數(shù)與計算時機、序列號與確認機制、涉及到的參量、父子節(jié)點處理流程的詳細設計方案。理論性能對比結果表明，在發(fā)送節(jié)點采用高調制速率發(fā)送數(shù)據(jù)包時，在該網(wǎng)絡下采用數(shù)據(jù)包連發(fā)技術能夠大幅度提高時隙利用率，網(wǎng)絡性能明顯提升。

參考文獻

[1] VASUDEVAN S， KUROSE J， TOWSLEY D. On neighbor discovery in wireless networks with directional antennas [C]// INFOCOM 2005 24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. [S.l.]： IEEE， 2005， 4： 2502?2512.

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[3] 李佳，周杰.無線Mesh網(wǎng)絡集中式信道分配算法設計[J].無線電工程，2009，39（12）：3235?3237.

[4] 韓冬，鄢楚平，王志泉，等.基于NDIS的無線Mesh網(wǎng)絡協(xié)議的研究和實現(xiàn)[J].計算機工程與設計，2011，32（3）：784?787.

[5] 蘇家勇，許磊，周國.無線Mesh網(wǎng)絡中的信道分配問題研究[J].無線電通信技術，2009，33（5）：4?6.

[6] 張克非，楊壽保，胡云，等.基于多QoS參數(shù)約束的無線Mesh網(wǎng)絡路由機制研究[J].計算機應用研究，2009，26（3）：994?996.

[7] 秦瑩瑩.無線Mesh網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[J].軟件導刊，2012，11（2）：99?101.

[8] 劉賀，張陸勇，陳明剛，等.無線Mesh網(wǎng)絡集中式信道分配算法設計[J].無線電工程，2011，41（5）：4?6.

[9] 謝桂芳，段盛，羅玉玲.無線Mesh網(wǎng)絡信道分配研究[J].計算機工程與應用，2011，47（18）：85?87.

[10] 邱振謀，姚國祥，官全龍，等.多信道無線Mesh網(wǎng)絡的多播信道分配算法[J].計算機工程，2011，37（6）：107?109.

[11] 何萍實，徐子平.無線Mesh網(wǎng)絡中使用雙收發(fā)器的多信道MAC協(xié)議研究[J].計算機應用研究，2010，27（1）：327?329.

[12] 李鶴松，冷甦鵬.一種新型無線Mesh網(wǎng)絡多信道MAC協(xié)議[J].計算機工程與應用，2011，47（26）：66?69.

[13] 雷昕，郭琳，韓仲華，等.寬帶無線Mesh網(wǎng)絡中的多扇區(qū)天線陣列設計[J].中國電子科學研究院學報，2012，7（4）：178?181.

2.2 理論性能對比

理論性能對比情況分別見表1～表7。

表1 發(fā)送節(jié)點以9 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&1＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&991＼&991＼&時隙使用效率 /%＼&90.4＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&7.8＼&7.8＼&]

表2 發(fā)送節(jié)點以12 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&1＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 323＼&1 323＼&時隙使用效率 /%＼&90.4＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&10.4＼&10.4＼&]

表3 發(fā)送節(jié)點以18 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&2＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，384＼&時隙使用效率 /%＼&71.2＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&15.3＼&]

表4 發(fā)送節(jié)點以24 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&2＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 029＼&時隙使用效率 /%＼&54＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&20.3＼&]

表5 發(fā)送節(jié)點以36 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&3＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 167＼&時隙使用效率 /%＼&36＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&33.6＼&]

2.3 結 論

（1） 在6～12 Mb/s調制速率下，一個時隙內只能發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，因此單時隙內單包發(fā)送與單時隙內多包發(fā)送的性能相同。

（2） 在達到18 Mb/s調制速率或以上時，采用單時隙內多包發(fā)送的時隙使用效率仍為90.4%，其性能明顯高于單時隙內單包發(fā)送的性能。

表6 發(fā)送節(jié)點以48 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&4＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 562，261＼&時隙使用效率 /%＼&28＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&38.8＼&]

表7 發(fā)送節(jié)點以54 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內單包＼&單時隙內多包＼&數(shù)據(jù)包個數(shù)＼&1＼&4＼&數(shù)據(jù)包長度 /B＼&1 562＼&1 562，1 562，1 562，942＼&時隙使用效率 /%＼&24.8＼&90.4＼&帶寬 /（Mb/s）＼&12.2＼&44.1＼&]

3 結 語

對基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網(wǎng)絡下的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術進行了研究，給出了最多可連發(fā)的數(shù)據(jù)包個數(shù)與計算時機、序列號與確認機制、涉及到的參量、父子節(jié)點處理流程的詳細設計方案。理論性能對比結果表明，在發(fā)送節(jié)點采用高調制速率發(fā)送數(shù)據(jù)包時，在該網(wǎng)絡下采用數(shù)據(jù)包連發(fā)技術能夠大幅度提高時隙利用率，網(wǎng)絡性能明顯提升。

參考文獻

[1] VASUDEVAN S， KUROSE J， TOWSLEY D. On neighbor discovery in wireless networks with directional antennas [C]// INFOCOM 2005 24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. [S.l.]： IEEE， 2005， 4： 2502?2512.

[2] CHARBONNEAU Terrance Wayne. Scan synchronous directional antennas for time division multiple access in multi?hop Ad Hoc wireless networks [D]. USA： Purdue University， 2005.

[3] 李佳，周杰.無線Mesh網(wǎng)絡集中式信道分配算法設計[J].無線電工程，2009，39（12）：3235?3237.

[4] 韓冬，鄢楚平，王志泉，等.基于NDIS的無線Mesh網(wǎng)絡協(xié)議的研究和實現(xiàn)[J].計算機工程與設計，2011，32（3）：784?787.

[5] 蘇家勇，許磊，周國.無線Mesh網(wǎng)絡中的信道分配問題研究[J].無線電通信技術，2009，33（5）：4?6.

[6] 張克非，楊壽保，胡云，等.基于多QoS參數(shù)約束的無線Mesh網(wǎng)絡路由機制研究[J].計算機應用研究，2009，26（3）：994?996.

[7] 秦瑩瑩.無線Mesh網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[J].軟件導刊，2012，11（2）：99?101.

[8] 劉賀，張陸勇，陳明剛，等.無線Mesh網(wǎng)絡集中式信道分配算法設計[J].無線電工程，2011，41（5）：4?6.

[9] 謝桂芳，段盛，羅玉玲.無線Mesh網(wǎng)絡信道分配研究[J].計算機工程與應用，2011，47（18）：85?87.

[10] 邱振謀，姚國祥，官全龍，等.多信道無線Mesh網(wǎng)絡的多播信道分配算法[J].計算機工程，2011，37（6）：107?109.

[11] 何萍實，徐子平.無線Mesh網(wǎng)絡中使用雙收發(fā)器的多信道MAC協(xié)議研究[J].計算機應用研究，2010，27（1）：327?329.

[12] 李鶴松，冷甦鵬.一種新型無線Mesh網(wǎng)絡多信道MAC協(xié)議[J].計算機工程與應用，2011，47（26）：66?69.

[13] 雷昕，郭琳，韓仲華，等.寬帶無線Mesh網(wǎng)絡中的多扇區(qū)天線陣列設計[J].中國電子科學研究院學報，2012，7（4）：178?181.