无线Mesh网络组播差错控制协议性能的理论综述

1、无线Mesh网络组播差错控制协议性能的理论综述1引言随着Internet的发展和商业化进程的加速，组播【1】以其节约网络带宽和减轻服务器负荷的优势获得了越来越多的应用。无线Mesh网络【2】作为最后一公里;宽带无线接入的重要技术之一，具有高速度、低干扰、网络覆盖范围大、结构灵活等特点。因此无线Mesh网络中的组播应用越来越广泛。但无线网络带宽低、丢包率高、稳定性差的缺点，对无线Mesh网络组播传输的可靠性来说是一个挑战。差错控制是保证组播传输可靠性的重要方法，而MAC层的控制协议因为具有处理延迟短等特点，使它成为目前研究的重点，其中基于领导者的系列组播差错控制协议最为典型。本文对典型的无线Me

2、sh网络组播差错控制协议的性能进行分析，通过理论和实验比较其优劣性，以期改进出性能更优的协议。本文结构主要如下，第2节介绍典型的无线Mesh 网络组播差错控制协议；第3节从理论上对协议进行性能分析；第4节实验仿真结果；第5节对全文进行总结并给出下一步研究期望。2典型无线Mesh网络组播差错控制协议基于领导者的系列组播差错控制协议以802.11 MAC标准的分布式协调机制为基础，其基本思想是选择一个代理（即领导者）来代表所有的接收者负责与发送者进行控制信息的交互，从而避免反馈信息冲突和爆炸。不同的基于领导者协议在非领导者是否有发言权、是否采用分层以及是否结合前向纠错等方面存在差异，因而其在重传次

3、数、信道占用时间及端到端平均时延等方面的性能不同。定义1 组播源节点或任意中间需要转发数据的节点，在向下一跳发送或者转发数据时称为发送者。2.1LBPLBP【4】是最基本的领导者协议，其基本思想是在接收者中选出一个领导者，作为和发送者交互的代理。发送者发送数据后，如果领导者正确接收到了数据，则回复ACK确认，其它节点无论是否收到数据都不做任何回应。如果发送者收到领导者回复的ACK，则此次传输结束；如果发送者在一定时间内没有收到ACK，则说明传输过程发生错误，开始重传，直至能正确接收到ACK。如果非领导者没有接收到正确数据，但领导者回复了ACK，则发送者会认为所有节点都已正确接收数据，不会再进行

4、重传，所以无法保证非领导者节点接收到正确数据。LBP实现简单，但由于非领导者没有话语权，不能保证组播的可靠性。2.2BLBPBLBP【5】在LBP的基础上，使非领导者能反馈NACK来告知自己未正确收到数据。BLBP要解决的关键问题是如何统一接收者接收数据以及进行反馈的时间。为此，BLBP增加一个信标帧BEACON帧，BEACON帧格式如图1所示。持续时间标识的是即将发送的数据的持续时间，这样可以使所有接收者能在收到BEACON帧同时确定数据发送完成的时间，即同步了所有接收者的时间。帧序号标识了当前发送帧的序号，重传时已正确接收到数据的节点可以直接丢弃重复的帧。BLBP的基本思想是：发送者在发送

5、数据之前，广播BEACON帧，这样所有节点在收到BEACON帧后可根据持续时间设定自己回复ACK/NACK时间；领导者在成功接收数据后，回复ACK，如果未正确接收，则不回应；非领导者成功接收则沉默，否则回复NACK。如果发送者收到ACK，则本次组播成功结束，收到NACK或者ACK等待超时则本次组播失败，进行重传，直到发送者正确接收到领导者回复的ACK时，结束本次组播。分析BLBP可知，领导者和非领导者接收数据的情况有三种。如果所有节点都成功接收数据，发送者会收到ACK；如果是领导者或者某些非领导者未收到正确数据，发送者会在ACK等待超时或者收到NACK后进行重传；如果领导者正确接收而其他节点有

6、错误，则会同时回复ACK和NACK，这样会因为信道冲突导致信道噪音，发送者会因为无法正确接收到ACK而在等待超时后进行重传。这三种情况下，BLBP都能保证所有接收者正确接收数据，因此BLBP能保证组播可靠性。但是BLBP仅考虑了单跳情况，在多跳的无线Mesh网络环境中性能较差。2.3LBLBP为了使BLBP能适用于多跳环境，LBLBP【6】在BLBP的基础上加入分层的概念，将组播的纠错过程逐跳的进行。LBLBP子层内用改进的BLBP协议进行可靠性保障，且定义了层内和层间的竞争机制。定义2从组播源节点开始，按照每增加一跳将组播划分一层，即到源节点跳数相同的节点处于同一层。定义3如果某一层中有节点

7、需要向下转发数据，那么将该节点和接收它转发数据的节点划分成一个子层。在出现错误时，如果是单跳情况下，发送者只有一个，可以紧接着重传；但在多跳环境下，除子层内发送者外，还有其他的转发节点在竞争信道，所以要对竞争加以限制，因此加入L-C/L-R（Layer-Clear/Layer-Retransmission）帧来标识子层内传输完成情况。若子层内所有接收者都正确接收到了数据，则发送者组播L-C帧，告知此次发送成功；如果本次组播出错，则发送者组播L-R帧，等待一定时间后发送者立刻开始重传过程。由于存在多个中间节点需要转发数据，因此要协调节点对信道的使用，LBLBP定义了层内和层间的竞争机制。同层节点

8、间遵循重传优先，转发平等的原则。假设节点A本次转发失败，需要进行重传，此时同层其他节点侦听到A的L-R帧后会根据A的持续时间域继续等待，以保证A能优先重传。层间采用的是下层节点转发优先的原则，保证数据帧能尽快向下传递，减小时延。如图2，B、C是A的下层节点。A在成功完成数据传输后，若仍要继续发送，则需将竞争窗口设置为最小窗口的2倍再参与信道竞争，而B、C节点只要设为最小竞争窗口即可参与信道竞争，从而保证数据能尽快向下转发。分析LBLBP可知，由于子层内采用了改进的BLBP，因此它能保证组播的可靠性；同时LBLBP在多跳环境下定义了信道竞争机制，避免了无序竞争，能有效降低传输时延。但LBLBP也

9、存在以下问题：当任意接收者出错时，发送者都要将数据包单独重传一次，这会大大增加重传的次数，且花费在传输控制帧的时间开销太大。2.4HLBLBPHLBLBP【7】在LBLBP的基础上，采用前向纠错FEC机制降低重传次数，另外为了减少控制帧开销，将BEACON帧与RTS帧通过融合形成新的MRTS帧，格式如图4所示。HLBLBP的主要思想是：利用纠删码技术将一个数据块的k个数据包编码成k+n个包，其中n个包作为重传包。数据传输过程分为两部分。首先按照802.11规定标准发送前k-c个数据包，这样可以减少信道竞争和控制帧开销。其中c的取值取决于信道质量，在丢包率较小、邻居节点竞争较少时，c取值比较小。

10、其次采用LBLBP机制发送余下的包，当发送完k个包后，发送者根据反馈信息决定是否要进行重传纠错。如果领导者正确收到了k个数据包，则反馈ACK，若接收的正确数据包小于k个，则不反馈任何信息；如果是非领导者正确接收到k个数据包，则不作反馈，若接收到的正确数据包小于k个，则回复NACK。发送者根据反馈，若收到ACK信息，则发送L-C帧，表示数据发送成功；若收到NACK或在一定时间内没收到ACK帧，则发送L-R帧，表示需要进行纠错。分析可知，HLBLBP同样能够保证组播的可靠性；由于引入了纠删码技术，在组播环境下单个的纠错包能同时纠正不同接收者的不同错误，因此可以有效的减少重传次数。虽然编码解码会增加

11、计算开销和复杂性，占用更多的带宽，但与LBLBP每次出错都要重传数据包相比，带宽利用率还是更高。无线环境中某些节点到发送者的信道质量可能很差，只能收到很少的正确包，需要重传的数据包数量就很大，这样对信道质量较好的节点不公平，同时会增大数据包向下转发的时延，影响整个网络的性能。因此，公平性问题是基于领导者系列协议要解决的一个共同问题。3理论分析从上节分析可知LBP不能保证可靠性，而BLBP、LBLBP和HLBLBP三种协议都能保证可靠性，因此只对后三种协议的性能进行分析。重点分析协议的传输次数期望E（N）、数据包信道占用时间期望T（N）和端到端平均时延DK。假设本文用到的MAC层控制帧（RTS、

12、CTS、BEACON、ACK/NACK等）都可无差错地传输到接收者。3.1传输次数期望5结束语本文从理论和实验上分析了BLBP、LBLBP、HLBLBP等典型的无线Mesh网络组播差错控制协议的性能，结果表明三者均能保证组播的可靠性；其中BLBP主要适用于单跳环境，而LBLBP和HLBLBP能适用于多跳环境；在传输次数、信道占用时间、端到端平均时延等方面HLBLBP的整体性能最好。但HLBLBP也存在某些信道质量较差节点影响整个网络的性能，对信道质量好的节点不公平，因此解决这个公平性问题是下一步的研究目标。参考文献【1】周贤伟.IP组播与安全.北京：国防工业出版社，2006.【2】方旭明.下一

13、代无线因特网技术：无线Mesh网络.北京：北京邮电出版，2007.【3】IEEE Standards Department. Wireless LAN medium access control （MAC） and physical layer （PHY） specifications.Piscataway，NJ，USA.IEEE，2000.【4】J Kuri， SK Kasera. Reliable multicast in multiaccess wireless LANs.ACM/Kliwer Wireless Networks Journal.2001，7（4）：445-487.【5】Zhao Li，Herfet T. BLBP：A Beacondriven Leader Based Protocol for MAC Layer Multicast Error Control in Wireless LANs.Wicom08.HJ，USA.IEEE，2008：1-4.【6】席鹏，周颢，赵保华.分层信标帧驱动的无线Mesh网多播差错控制协议.西安交通大学学报.2010.6，44：51-56.【7】CHI Xinzhe， ZHOU Hao，ZHAO Baohua. M