无线mesh网络多跳特性研究

王海波 程建明

【摘要】 无线mesh网络作为多跳网络，其多跳特性研究是当前的一个研究热点。本文针对无线局域网络环境，利用NS3完成无线mesh网络的建模，通过将建模后的无线mesh网络与传统的单跳Wi-Fi网络进行性能上的对比，研究无线mesh网络的多跳特性。

【关键字】 无线mesh网络 NS3 多跳 IEEE 802.11

一、应用背景

Mesh其义为网格，mesh的特点就是所有节点都互相连接。Wireles Mesh即无线网状网，是一种与传统的无线网络完全不同的新型网络。在无线mesh网络中，每个节点都可以通过一跳或多跳的方式与一个或多个对等节点进行通信。Mesh架构作为一种新型的无线组网架构，因其自组织多跳、自愈合高可靠性、灵活快速组网的特性适合于紧急通信或远程医疗等需要快速稳定组网的场景。

IEEE 802.11s作为WLAN网络下的mesh架构标准，其物理层所使用的协议与Wi-Fi完全一致，在MAC层则针对多跳特性做出了一些修订。本文针对IEEE 802.11写的mesh架构进行仿真，并将仿真结果与传统单跳网络进行了对比，最终分析得到WLAN网络下mesh架构的多跳特性。

二、无线mesh架构的多跳原理

围绕无线mesh网络架构的研究层出不穷，IEEE 802.11标准将无线网络中传输的的帧分为数据帧、控制帧和管理帧三类，数据帧能携带更高层次的数据，控制帧能被用作设定和认证，设备通过管理帧来完成对一个本地WLAN或者一条链路的搭建、组织和维护。而IEEE 802.11s协议针对mesh网络的MAC帧结构做了特殊定义，新定义下的MAC帧结构如图1所示。该帧结构中对地址结构的特殊定义使无线mesh网络具备了完成多跳传输的能力。

相对IEEE 802.11b/g/n协议下的MAC帧结构而言，s工作组下的MAC帧结构所作出的特殊定义主要为图3中的蓝色部分，即在802.11帧头末尾上添加了mesh控制域，用以支持多跳功能。Mesh控制域主要包括mesh时间来直播完成同步（TTL），一个mesh序列号、mesh标识域和可能的一个mesh地址扩展域。TTL和序列号信息组被用以避免帧永远的循环下去。Mesh标识域用以标识mesh控制域中是否有额外的MAC地址存在，即是否MAC帧使用了mesh的3对地址，即单跳源地址和目的地址，mesh路径中的源地址和目的地址以及端到端的源地址和目的地址。

三、仿真环境搭建

WLAN环境下Wi-Fi网络极其普遍。由于IEEE 802.11s下的无线多跳网络其物理层与IEEE 802.11所使用的物理层协议完全一致，因此在IEEE 802.11的基础上研究无线多跳网络具有十分重大的意义。

由于网络的多跳通信过程设计网络的传输全过程，并且需要考虑信道环境。因此本文使用了NS3来完成无线mesh网络的系统级仿真，仿真过程中考虑了无线环境中的传输损耗，并通过仿真Wi-Fi网络来参考完成无线mesh网络的单跳距离、传输损耗模型、信道探测阈值、能量探测阈值、天线增益等网络搭建的关键参数选取。

首先搭建了一组AP-STA的Wi-Fi网络，通过采用控制变量的方法，把传输速率（DataRate）定为1Mbps，然后改变STA节点与AP节点的距离，测试得到了Wi-Fi网络的性能指标。我们运用随机变量，测试了两次，将两次得到的结果放在了同一张图中，使结果更加可靠。图2即为吞吐量随距离变化的结果。两次测试结果均表明，在150m以内，Wi-Fi网络的吞吐量表现良好，能够达到我们设定的1Mbps；但是超出150m以外，吞吐量会急速下降；到了200m以外，吞吐量基本为零，这意味着已经超出了这个网络的覆盖范围。

通过分析该性能指标，我们可以得出结论，在这样的设定下：

m_txpower = 15dbm，

TxGain/ RxGain = 5dbm，

m_EnergyDet = -87dbm，

m_ccath = -100dbm，

Wi-Fi网络表现良好的覆盖范围是100m，此外，参考常用的仿真信道参数，采用如表1所示的仿真参数。下文将描述在上述设定下继续多跳测试。

四、多跳特性仿真结果分析

4.1 Wi-Fi网络与mesh架构的比较

上一小节通过基本的仿真结果确定了仿真环境的核心参数，本节仿真将基于上述参数配置完成多跳仿真，并将测试结果与IEEE 802.11环境下测试结果相比较。以数据发送速率（DataRate）作为因变量，看看Wi-Fi网络和Mesh网络（一跳、两跳、三跳、四跳）中吞吐量的变化情况，从而分析出多跳的传输性能。

需要说明的是，Mesh网络中不同跳数的距离分析是一个平均值。由于单跳传输范围接近150m，而仿真选取的100m为最佳传输距离。因此，在3*3的网络拓扑下仿真结果得到的传输跳数包括1跳、2跳与4跳的传输结果。三个在某一跳范围内的节点，本文以这三点的直线距离平均值作为该跳的覆盖范围。仿真结果得到Mesh 1跳的平均距离是120m左右；Mesh 2跳的平均距离是210m左右；Mesh四跳的直线距离是280m左右。图3所示，仿真结果比较了Wi-Fi单跳与无线mesh网络各跳的传输性能。

从图3中我们可以看到，Wi-Fi网络和mesh 1跳的吞吐量基本一致的，最大吞吐量都能达到1.2Mbps左右；mesh 2跳的性能由于距离的增大表现得要差一些，最大吞吐量达到了800kbps左右；mesh 4跳的性能由于传输距离的扩大，吞吐量只能达到100kbps左右，考虑到4跳的直线距离已经达到了280m，这个结果还是能够接受的。因此，从吞吐量这个指标可以看出来，在相同条件下，相同距离的时候，Wi-Fi网络和Mesh网络的性能是不相上下的。但是Mesh网络可以通过多跳的方式把覆盖范围扩大很多，与此同时，会牺牲一些吞吐量，这是可以接受的。经过的跳数越多，吞吐量受到的环境影响也越大。至于在本文的仿真结果中，mesh 4跳的吞吐量只能达到100kbps，这是网络拓扑结构和环境参数设定等各种因素综合影响的结果。

4.2实验总结

通过上述仿真分析，我们可以得出如下结论：

（1）在单跳的情况下，Wi-Fi网络与mesh网络的覆盖范围基本一致，有效覆盖范围是150m左右。在这个范围内，两类网络的吞吐量指标基本一致，体现出良好的接入吞吐量。超出这个范围，网络的性能会急速下降。

（2）与Wi-Fi网络单跳覆盖相比，Mesh网络通过其多跳特性将无线传输的覆盖范围扩大了两倍多。此外，Mesh网络带来的不仅带来了覆盖范围的增加，还能带来良好的解决网络拥塞、提高网络可靠性等无线多跳网络天然的优势。

（3）随着数据发送速率的提高，即单位时间内发送的数据包数量增加，网络吞吐量明显提高。同时，随着跳数增加，网络吞吐量逐渐趋于饱和，跳数越大，饱和吞吐量越小，因此，在4跳情况下，由于饱和吞吐量很小，数据包发送速率的增加并没有引起吞吐量明显的提高。

五、总结

本文介绍了WLAN环境下无线mesh网络中多跳的由来，并使用NS3网络仿真软件搭建Wi-Fi网络与无线mesh网络的仿真平台，借助平台仿真结果分析了mesh网络多跳的特性。仿真结果从数据的角度体现了多跳网络在传输速率上可以匹敌Wi-Fi网络、在覆盖范围上远远超越Wi-Fi网络的优势。

参 考 文 献

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