基于IEEE802.11s的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究(二)
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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MP記錄根節(jié)點(diǎn)的信息,同時,向根MP發(fā)送一個單播的PREQ 消息,根MP會發(fā)送一個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表項。如果在一個時間間隔內(nèi)沒有找到另一個有到根節(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,含空時度量總和最小的路徑為最優(yōu)路徑。
鏈路的空時損耗ATC(Airtime Cost)Ca 為:
其中,一幀的信道接入開銷Oca、MAC協(xié)議開銷Op、比特數(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,差錯率為efr 時的速率。
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,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個固定節(jié)點(diǎn)、30個節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)拓?fù)?。以Random Waypoint模型仿真移動節(jié)點(diǎn)的固定速率隨機(jī)移動。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.
端到端平均時延,是指所有成功傳遞的分組的接收時間和發(fā)送時間差的平均值。如圖10所示,與ATC 相比,ATCn機(jī)制的平均端到端時延較小。基于鏈路質(zhì)量的路由判據(jù)減少了平均端到端時延。
吞吐量是指目的節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包個數(shù)/仿真時間。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)制在開始時有較長的時延,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。