同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)研究

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(luò)在一個數(shù)據(jù)時隙內(nèi)只發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，這在發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用高調(diào)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(luò)下的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)進(jìn)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(jī)、序列號與確認(rèn)機(jī)制、涉及到的參量、父子節(jié)點(diǎn)處理流程的詳細(xì)設(shè)計方案。理論性能對比結(jié)果表明，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用高調(diào)制速率發(fā)送數(shù)據(jù)包時，在該網(wǎng)絡(luò)下采用數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)能夠大幅度提高時隙利用率，網(wǎng)絡(luò)性能明顯提升。

關(guān)鍵詞： 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)； 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(xiàn)標(biāo)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(luò)是一種多跳網(wǎng)狀的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋范圍廣、帶寬高、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，在機(jī)動指揮與應(yīng)急通信方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)多采用異步組網(wǎng)技術(shù)[1?12]。該網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)個數(shù)較少并且節(jié)點(diǎn)之間距離較近時的性能比較理想，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時，所有節(jié)點(diǎn)因競爭信道導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)吞吐量急劇下降，無法實(shí)現(xiàn)高速的端到端無線數(shù)據(jù)傳輸，業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)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(luò)（以下簡稱為同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)）[13]。該網(wǎng)絡(luò)除通過定向天線實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)之間的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸外，還采用了同步組網(wǎng)技術(shù)，通過精準(zhǔn)的時隙劃分，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的通信都被安排在合適的時隙中，避免了節(jié)點(diǎn)因競爭信道而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量的急劇下降，通過高效的時隙分配策略則進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。另外，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間具有一定的父子關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)管理也變得更加簡單。

現(xiàn)有同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)采用了一個數(shù)據(jù)時隙（以下簡稱為基本時隙或時隙）內(nèi)單一數(shù)據(jù)包的收發(fā)機(jī)制，即每個節(jié)點(diǎn)在一個時隙內(nèi)只發(fā)送或接收一個數(shù)據(jù)包，當(dāng)?shù)讓诱{(diào)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(dāng)?shù)讓诱{(diào)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(nèi)會有很大的浪費(fèi)。

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

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

數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)涉及到時間幀結(jié)構(gòu)、包類型、單時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)與多時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)。

1.1 時間幀結(jié)構(gòu)

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

時間幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 時間幀結(jié)構(gòu)

時間幀結(jié)構(gòu)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(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)向未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供接入服務(wù)。

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

時間幀結(jié)構(gòu)是同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)工作的基礎(chǔ)。

1.2 包類型

節(jié)點(diǎn)在每個時隙內(nèi)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(guān)：

1.2.1 輪詢包

該包用于父節(jié)點(diǎn)調(diào)度子節(jié)點(diǎn)，該包還可以進(jìn)一步細(xì)分為如下兩類：

（1） 父子輪詢包

當(dāng)父節(jié)點(diǎn)向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，父節(jié)點(diǎn)會在時隙開始時首先向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個父子輪詢包，該包發(fā)完后，父節(jié)點(diǎn)再接著向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

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

（2） 子父輪詢包

當(dāng)父節(jié)點(diǎn)接收子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時，父節(jié)點(diǎn)會在時隙開始時首先向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個子父輪詢包，該包發(fā)完后，父節(jié)點(diǎn)將等待接收子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

該包中含有父節(jié)點(diǎn)規(guī)定的時隙合并的個數(shù)。

1.2.2 確認(rèn)包

當(dāng)數(shù)據(jù)包為需確認(rèn)數(shù)據(jù)時，接收完數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)將立即向?qū)Χ税l(fā)送一個確認(rèn)包，否則接收完數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)將結(jié)束該時隙內(nèi)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(nèi)容與節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對點(diǎn)基本通信相關(guān)，如基本數(shù)據(jù)包類型、目的節(jié)點(diǎn)地址、源節(jié)點(diǎn)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(luò)協(xié)議中不同的功能模塊所定義，如模塊類型、該模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)包類型、數(shù)據(jù)凈荷長度、QoS標(biāo)記。

數(shù)據(jù)凈荷為以太網(wǎng)幀。

校驗(yàn)在數(shù)據(jù)發(fā)送時由無線網(wǎng)卡添加。

1.3 單時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)

1.3.1 功能說明

為提高時隙利用率，發(fā)送節(jié)點(diǎn)應(yīng)在每個時隙內(nèi)盡可能多地發(fā)送數(shù)據(jù)包。

每個時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)包連發(fā)如圖3所示。

圖3 單時隙內(nèi)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(jī)

（1） 單時隙內(nèi)數(shù)據(jù)包最多連發(fā)個數(shù)

發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過計算后應(yīng)在一個時隙內(nèi)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(nèi)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(rèn)包的發(fā)送時間

輪詢包與確認(rèn)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(wù)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(duì)列時便已計算好，仍按公式（1）計算。

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

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

1.3.3 序列號與確認(rèn)機(jī)制

為所有數(shù)據(jù)包安排序列號并加入確認(rèn)機(jī)制。接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)所指示的數(shù)據(jù)包連發(fā)個數(shù)進(jìn)行接收、檢驗(yàn)序列號連續(xù)性并對實(shí)際收到的最后一個數(shù)據(jù)包進(jìn)行確認(rèn)。

接收節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在當(dāng)前時隙的后兩個基本時隙單位開始時刻設(shè)定確認(rèn)包等待定時器，該定時器設(shè)定在該處可以保證接收節(jié)點(diǎn)能夠在25 km距離條件下將確認(rèn)包發(fā)送給發(fā)送節(jié)點(diǎn)。接收節(jié)點(diǎn)如果在當(dāng)前時隙內(nèi)收到了發(fā)送節(jié)點(diǎn)的所有應(yīng)發(fā)數(shù)據(jù)包后，則立即向發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個確認(rèn)包，并取消確認(rèn)包超時定時器；否則，接收節(jié)點(diǎn)在確認(rèn)包等待定時器超時后再向發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個確認(rèn)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(nèi)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(yīng)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(luò)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(diǎn)與某個接收節(jié)點(diǎn)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(diǎn)應(yīng)發(fā)數(shù)據(jù)包個數(shù)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時隙內(nèi)計算出能夠發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)。

發(fā)送節(jié)點(diǎn)實(shí)發(fā)數(shù)據(jù)包個數(shù)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時隙內(nèi)實(shí)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(diǎn)實(shí)發(fā)數(shù)據(jù)包個數(shù)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)應(yīng)發(fā)數(shù)據(jù)包個數(shù)相等。

接收節(jié)點(diǎn)應(yīng)收數(shù)據(jù)包個數(shù)。接收節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時隙內(nèi)應(yīng)該接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)。

接收節(jié)點(diǎn)實(shí)收數(shù)據(jù)包個數(shù)。接收節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時隙內(nèi)實(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(yīng)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(diǎn)流程

父節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時隙內(nèi)的處理流程如圖4所示。

（1） 父節(jié)點(diǎn)在當(dāng)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(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳遞的上下行關(guān)系。

（2） 當(dāng)父節(jié)點(diǎn)向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，父節(jié)點(diǎn)根據(jù)1.3.2節(jié)中的各種時間值計算出當(dāng)前時隙內(nèi)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(shè)為1，表示僅在當(dāng)前一個時隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)包連發(fā)。

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

（4） 父節(jié)點(diǎn)會在所有數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后等待接收子節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)包，等待接收確認(rèn)定時器的超時時間設(shè)在當(dāng)前時隙結(jié)束時。

（5） 父節(jié)點(diǎn)如果收到了子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的確認(rèn)包后，根據(jù)確認(rèn)包中的確認(rèn)序列號判斷出已經(jīng)被子節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)包，將這些數(shù)據(jù)包從發(fā)送隊(duì)列中刪除并釋放內(nèi)存。

（6） 父節(jié)點(diǎn)在等待確認(rèn)定時器超時后仍沒有收到子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的確認(rèn)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(dá)到最大發(fā)送次數(shù)，則將這些數(shù)據(jù)包從發(fā)送隊(duì)列中刪除并釋放內(nèi)存，否則在后續(xù)時隙中繼續(xù)重發(fā)。

（7） 當(dāng)父節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備接收子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包時，父節(jié)點(diǎn)將時隙合并個數(shù)設(shè)為1，并將該值填到子父輪詢包中。

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

（9） 父節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包如果序列號不正確，父節(jié)點(diǎn)則將這些數(shù)據(jù)包從接收隊(duì)列中刪除并釋放內(nèi)存，否則，父節(jié)點(diǎn)將在發(fā)送確認(rèn)定時器超時前接收完子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包。

（10） 當(dāng)發(fā)送確認(rèn)定時器超時后，父節(jié)點(diǎn)針對已收到的最后一個數(shù)據(jù)包向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)包。

1.3.6 子節(jié)點(diǎn)流程

子節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時隙內(nèi)的處理流程如圖5所示。

（1） 子節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時隙中斷到來時等待接收父節(jié)點(diǎn)發(fā)來的輪詢包。

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

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

（4） 子節(jié)點(diǎn)會在所有數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后等待接收父節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)包，等待接收確認(rèn)定時器的超時時間設(shè)在當(dāng)前時隙結(jié)束時。

（5） 子節(jié)點(diǎn)如果收到了父節(jié)點(diǎn)發(fā)送的確認(rèn)包后，根據(jù)確認(rèn)包中的確認(rèn)序列號判斷出已經(jīng)被父節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)包，將這些數(shù)據(jù)包從發(fā)送隊(duì)列中刪除并釋放內(nèi)存。

（6） 子節(jié)點(diǎn)在等待確認(rèn)定時器超時后仍沒有收到父節(jié)點(diǎn)發(fā)送的確認(rèn)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(dá)到最大發(fā)送次數(shù)，則將這些數(shù)據(jù)包從發(fā)送隊(duì)列中刪除并釋放內(nèi)存，否則在后續(xù)時隙中繼續(xù)重發(fā)。

（7） 子節(jié)點(diǎn)如果收到的是父子輪詢包，子節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備接收父節(jié)點(diǎn)發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包。

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

（9） 當(dāng)發(fā)送確認(rèn)定時器超時后，子節(jié)點(diǎn)針對已收到的最后一個數(shù)據(jù)包向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)包。

（10） 如果子節(jié)點(diǎn)沒有收到父節(jié)點(diǎn)的輪詢包，則子節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時隙內(nèi)什么也不做。

1.4 多時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)

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

圖6 多時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)包連發(fā)示意

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

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

（2） 父子節(jié)點(diǎn)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(jī)取消，僅執(zhí)行第一個時隙中的狀態(tài)機(jī)。

2 理論性能對比

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

2.1 約束條件

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

（2） 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)或近距離條件下進(jìn)行對比，忽略傳播時延，忽略實(shí)際平臺所帶來的各種時延。

（3） 輪詢包與確認(rèn)包均始終以6 Mb/s的調(diào)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(diǎn)分別以6～54 Mb/s調(diào)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(luò)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(diǎn)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(diǎn)以9 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以12 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以18 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以24 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以36 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(jié) 論

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

（2） 在達(dá)到18 Mb/s調(diào)制速率或以上時，采用單時隙內(nèi)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(nèi)單包發(fā)送的性能。

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

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以54 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(jié) 語

對基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)進(jìn)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(jī)、序列號與確認(rèn)機(jī)制、涉及到的參量、父子節(jié)點(diǎn)處理流程的詳細(xì)設(shè)計方案。理論性能對比結(jié)果表明，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用高調(diào)制速率發(fā)送數(shù)據(jù)包時，在該網(wǎng)絡(luò)下采用數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)能夠大幅度提高時隙利用率，網(wǎng)絡(luò)性能明顯提升。

參考文獻(xiàn)

[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(luò)集中式信道分配算法設(shè)計[J].無線電工程，2009，39（12）：3235?3237.

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

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

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[9] 謝桂芳，段盛，羅玉玲.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)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(luò)的多播信道分配算法[J].計算機(jī)工程，2011，37（6）：107?109.

[11] 何萍實(shí)，徐子平.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中使用雙收發(fā)器的多信道MAC協(xié)議研究[J].計算機(jī)應(yīng)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(luò)多信道MAC協(xié)議[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2011，47（26）：66?69.

[13] 雷昕，郭琳，韓仲華，等.寬帶無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的多扇區(qū)天線陣列設(shè)計[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)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(diǎn)以9 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以12 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以18 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以24 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以36 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(jié) 論

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

（2） 在達(dá)到18 Mb/s調(diào)制速率或以上時，采用單時隙內(nèi)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(nèi)單包發(fā)送的性能。

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

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以54 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(jié) 語

對基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)進(jìn)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(jī)、序列號與確認(rèn)機(jī)制、涉及到的參量、父子節(jié)點(diǎn)處理流程的詳細(xì)設(shè)計方案。理論性能對比結(jié)果表明，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用高調(diào)制速率發(fā)送數(shù)據(jù)包時，在該網(wǎng)絡(luò)下采用數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)能夠大幅度提高時隙利用率，網(wǎng)絡(luò)性能明顯提升。

參考文獻(xiàn)

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[5] 蘇家勇，許磊，周國.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的信道分配問題研究[J].無線電通信技術(shù)，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(luò)路由機(jī)制研究[J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2009，26（3）：994?996.

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

[8] 劉賀，張陸勇，陳明剛，等.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)集中式信道分配算法設(shè)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(luò)信道分配研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)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(luò)的多播信道分配算法[J].計算機(jī)工程，2011，37（6）：107?109.

[11] 何萍實(shí)，徐子平.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中使用雙收發(fā)器的多信道MAC協(xié)議研究[J].計算機(jī)應(yīng)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(luò)多信道MAC協(xié)議[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2011，47（26）：66?69.

[13] 雷昕，郭琳，韓仲華，等.寬帶無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的多扇區(qū)天線陣列設(shè)計[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)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(diǎn)以9 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以12 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以18 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以24 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以36 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(jié) 論

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

（2） 在達(dá)到18 Mb/s調(diào)制速率或以上時，采用單時隙內(nèi)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(nèi)單包發(fā)送的性能。

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

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(diǎn)以54 Mb/s發(fā)送數(shù)據(jù)包

[＼&單時隙內(nèi)單包＼&單時隙內(nèi)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(jié) 語

對基于多方向天線陣列的同步無線Mesh網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)進(jìn)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(jī)、序列號與確認(rèn)機(jī)制、涉及到的參量、父子節(jié)點(diǎn)處理流程的詳細(xì)設(shè)計方案。理論性能對比結(jié)果表明，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)采用高調(diào)制速率發(fā)送數(shù)據(jù)包時，在該網(wǎng)絡(luò)下采用數(shù)據(jù)包連發(fā)技術(shù)能夠大幅度提高時隙利用率，網(wǎng)絡(luò)性能明顯提升。

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