基于IEEE802.11s的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究（二）

2.4 HWMP協(xié)議的樹型路由

HWMP 協(xié)議將按需路由與先驗(yàn)式路由相結(jié)合，樹型結(jié)構(gòu)將一個(gè)MP(通常是MPP)配置為根節(jié)點(diǎn)，其他的MP均先驗(yàn)式地維護(hù)到根節(jié)點(diǎn)的路徑，生成并維護(hù)一個(gè)距離矢量樹。HWMP中樹型路由有兩種實(shí)現(xiàn)方式：

(1)先驗(yàn)式樹型路由

通過PREQ 消息與PREP 消息的交互實(shí)現(xiàn)，即HWMP注冊標(biāo)志位RE未注冊，如圖9所示。首先，根節(jié)點(diǎn)廣播PREQ 消息，收到PREQ 消息的MP 進(jìn)行逐級(jí)路由查找并建立路由，從而將根節(jié)點(diǎn)到所有MP的路由建立起來，由此先驗(yàn)式樹型路由建立成功。在該實(shí)現(xiàn)方式中，MP可以先驗(yàn)用PREQ消息和PREP消息進(jìn)行路由建立，并先驗(yàn)式維護(hù)到根節(jié)點(diǎn)的路徑。

(2)按需樹型路由

該方式通過RANN消息實(shí)現(xiàn)，即HWMP注冊標(biāo)志位已注冊，如圖9所示。在拓?fù)湫纬蛇^程中，首先根節(jié)點(diǎn)廣播RANN消息，RANN消息中包含了到根MP的路由met-ric.在Mesh中的收到RANN消息的每個(gè)MP記錄根節(jié)點(diǎn)的信息，同時(shí)，向根MP發(fā)送一個(gè)單播的PREQ 消息，根MP會(huì)發(fā)送一個(gè)PREP消息響應(yīng)接收到的PREQ消息，從而由根節(jié)點(diǎn)建立樹型路由。

無論是先驗(yàn)式樹型路由還是按需樹型路由，被選為根節(jié)點(diǎn)的MP要周期性地發(fā)送PREQ或RANN以維護(hù)和更新樹。一旦MP選擇了到根節(jié)點(diǎn)路徑的父MP,它將周期的向父MP發(fā)送維護(hù)PREQ 并接收返回的PREP來維護(hù)這條路徑。只要當(dāng)前父節(jié)點(diǎn)不能提供最優(yōu)路徑，MP將根據(jù)在根節(jié)點(diǎn)上配置的策略切換到另一個(gè)父節(jié)點(diǎn)。

如果當(dāng)前父路徑丟失，MP 立刻廣播拓?fù)銹REQ 并沿著這個(gè)拓?fù)浒l(fā)送PRER,使任何包含這條鏈路按需路由的節(jié)點(diǎn)能夠從路由表中刪除這個(gè)表項(xiàng)。如果在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)沒有找到另一個(gè)有到根節(jié)點(diǎn)的有效路徑的父MP,向所有子MP發(fā)送PERR.

2.5 ATC度量機(jī)制

空中傳播時(shí)間鏈路判據(jù)(Airtime Link Metric)是IEEE 802.11s設(shè)備互操作默認(rèn)的RA(Radio-aware)路徑度量機(jī)制，影響特定鏈路上發(fā)送一幀所消耗的信道資源，含空時(shí)度量總和最小的路徑為最優(yōu)路徑。

鏈路的空時(shí)損耗ATC(Airtime Cost)Ca 為：

其中，一幀的信道接入開銷Oca、MAC協(xié)議開銷Op、比特?cái)?shù)Bt 三者均為常數(shù)，其值取決于IEEE 802.11 傳輸技術(shù)。傳輸比特率r Mb/s 是在當(dāng)前的條件下，Mesh 節(jié)點(diǎn)傳輸大小為Bt 的幀，差錯(cuò)率為efr 時(shí)的速率。

2.6 ATCn改進(jìn)機(jī)制

ALM 是一種近似的測量方法，其主要目的是為了降低具體實(shí)現(xiàn)和交互的難度。該度量機(jī)制考慮的是傳輸速率與信道質(zhì)量。但是，鏈路質(zhì)量好壞直接影響著路徑的選擇，其也是路由判據(jù)中需要考慮的重要因素。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的ALM判據(jù)基礎(chǔ)上，增加鏈路質(zhì)量作為路由判據(jù)，可得到式(2)。

鏈路的空時(shí)損耗ATCn(Airtime Cost)Cap 為：

3 HWMP 仿真場景及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用NS 仿真軟件構(gòu)建無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺(tái)，對基于ATC度量機(jī)制的HWMP協(xié)議和ATCn度量機(jī)制的HWMP協(xié)議進(jìn)行對比分析驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：在1 000 m×1 000 m范圍內(nèi)，產(chǎn)生5個(gè)固定節(jié)點(diǎn)、30個(gè)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)拓?fù)?。以Random Waypoint模型仿真移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的固定速率隨機(jī)移動(dòng)。節(jié)點(diǎn)配置single-radio單接口，傳輸協(xié)議采用UDP.

仿真參數(shù)的設(shè)置見表1.

端到端平均時(shí)延，是指所有成功傳遞的分組的接收時(shí)間和發(fā)送時(shí)間差的平均值。如圖10所示，與ATC 相比，ATCn機(jī)制的平均端到端時(shí)延較小?；阪溌焚|(zhì)量的路由判據(jù)減少了平均端到端時(shí)延。

吞吐量是指目的節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)/仿真時(shí)間。如圖11所示，基于ATCn機(jī)制的HWMP協(xié)議的吞吐量高于基于ATC機(jī)制的HWMP協(xié)議。該機(jī)制進(jìn)行鏈路質(zhì)量選擇，減少了包的沖突數(shù)量，且丟包數(shù)量降低，從而吞吐量得到了提高。

4 結(jié)語

HWMP 協(xié)議將按需路由與先驗(yàn)式路由結(jié)合，具有先驗(yàn)式路由協(xié)議的靈活性，亦具有按需路由協(xié)議的有效性。對該協(xié)議度量機(jī)制做出的改進(jìn)，與ALM 機(jī)制下的HWMP 協(xié)議相比，在端到端時(shí)延和吞吐量等性能方面都有一定程度的提升。但其也有不足之處，主要表現(xiàn)在：(1)由于樹狀拓?fù)淞髁繀R聚，靠近根部的鏈路容易形成網(wǎng)絡(luò)流量的瓶頸;(2)混合路由機(jī)制在開始時(shí)有較長的時(shí)延，特別當(dāng)消息從Mesh外經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)向Mesh內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳輸過程;(3)與傳統(tǒng)的按需路由機(jī)制相比，混合路由機(jī)制只有確定目的節(jié)點(diǎn)在Mesh內(nèi)的情況下才使用泛洪路徑發(fā)現(xiàn);數(shù)據(jù)的組播和廣播不再需要泛洪，通過樹型拓?fù)溥M(jìn)行數(shù)據(jù)的組播和廣播更加有效。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的機(jī)動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)能力強(qiáng)、靈活且易部署，具有自適應(yīng)性、可靠性和可擴(kuò)充性等優(yōu)點(diǎn)，路由等關(guān)鍵技術(shù)在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中起著重要的作用，相信在不久的將來，靈活方便的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)將大大提高寬帶無線接入能力，并在應(yīng)急通信等特殊應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮其重要作用。