基于多方向天线阵列的单跳网络性能优化设计

韩仲华，刘经纬

（华北计算技术研究所，北京100083）

0 引 言

目前，无线Mesh网络技术所采用的天线多为全向天线，其通信距离仅为几公里，难以应用在远距离通信场合［1－10］。基于多方 向 天 线 阵 列［11］的 同 步 无 线Mesh 网 络 能够很好解决远距离通信问题，该技术所能实现的最大单跳通信距离可以达到20km 以上。另外，每个节点还能够实现天线的自动扫描与对准，从而节省了网络部署时间，融合了天线阵列技术的无线Mesh网络技术已然成为一种发展趋势。

伴随机动通信组网应用的快速发展，如何提升从部署到组网开通的时间效率是一项重要问题，特别是还同时需要兼具高带宽和快速部署两大任务特性。Mesh网络特别适于宽带机动组网应用，但与此同时，许多应用仍需系统兼具很强的单跳网络通信性能，针对上述情况，基于多方向天线阵列的同步无线Mesh网络技术具有很强潜质。

当前同步无线Mesh网络协议是针对无线多跳网络而设计，其帧结构比较复杂，许多时隙由于各种用途而不能够用于数据传输，一些协议控制包占用了较多的时隙内部时间，因而面向通信的时隙利用率不高。上述技术的数据传输效率在20km 距离并且在数据需确认情况下仅为40%，在调制速率为12Mbps 的情况下，其理论带宽仅为

4.8Mbps。

本文对同步无线Mesh网络技术进行了部分功能收敛与优化，设计了一种基于多方向天线阵列的具有突出单跳通信能力的同步无线Mesh网络技术方案。

1 针对单跳网络的性能优化设计

1.1 节点类型与功能

所有节点都具有多方向天线阵列硬件结构，节点按功能为网关节点与骨干节点：

网关节点：该节点是网络的建网发起者。

骨干节点：所有骨干节点都从网关节点处入网，骨干节点在网络内属于末端节点，它们不再接受其它节点的入网请求。

1.2 网络结构

该网络是层次型网络，但只提供二个层次的星型网络结构，如图1所示。

图1 星型网络结构

（1）针对较远距离下的网络结构

对于如25km 较远距离的应用，可以采用单跳网络，如图2所示。

图2 单跳网络结构

该距离下的应用比较普通，本文所研究的方案将对该距离下的单跳网络进行协议设计优化与性能分析。

（2）针对更远距离下的网络结构

对于如30～50km 更远的通信距离，可以采用下面的网络结构，如图3所示。

图3 一父两子网络结构

1.3 时间帧结构

时间帧结构如图4所示。

图4 帧结构

上述帧结构共分为Hello 时隙和数据时隙两种类型。各时隙的功能如下：

1.3.1 Hello时隙

Hello时隙用于网关节点向骨干节点提供接入服务。在该方案中，由于节点的多方向天线阵列结构中具有8根定向天线，因此该时间帧结构中共有8个Hello时隙。

Hello时隙内收发的数据是一种特殊的协议数据，称为Hello包。Hello包还可以细分为Hello请求包与hello响应包。Hello包的定时产生功能由协议上层其它模块完成。

由于该方案针对的是星型网络，网络中只有网关节点具有周期发送Hello请求包的功能，骨干节点仅在入网前的Hello时隙内执行监听操作，而在入网后的Hello时隙内没有任何动作，即对于已经入网的骨干节点，Hello时隙不起任何作用。

1.3.2 数据时隙

数据时隙用于节点之间传递大部分协议数据和普通数据。在该方案中，数据时隙共有992个。

在使用数据时隙时，时隙分配表、各协议数据包的定时产生功能由协议上层其它模块完成，普通数据包的产生则由上层网络协议栈完成。

由于该方案针对的是星型网络，所有已经入网的骨干节点公平竞争这992个数据时隙。如果网关节点下面只有一个骨干节点，则这992个数据时隙都归该骨干节点所有；如果网关节点下有多个骨干节点，则这些骨干节点各拥有一部分数据时隙，而这些数据时隙总和为992个。

为减少协议的复杂性，每个数据时隙仅发送或接收一个数据包，即单包收发功能。为提高数据发送效率，本方案会对多个数据包进行组包，只要最后长度不超过物理层所规定的最大传输单元长度即可。

在近距离条件下，由于信道质量较好，网络节点可以使用超过24Mbps的调制速率进行数据发送，此时网络节点可以发送更长的数据，甚至达到物理层所规定的最大传输单元长度，但在这种情况下每个数据时隙内会有较大的时间浪费。

在超过20km 距离条件下，网络节点所能够使用的调制速率不会超过12Mbps，此时每个数据时隙内没有时间浪费。

1.4 各种时隙的使用情况

1.4.1 Hello时隙

网关节点在Hello时隙内Hello包收发情况、骨干节点在Hello时隙内的Hello请求包的接收情况、骨干节点在Hello时隙内的Hello响应包的发送情况如图5所示。

（1）网关节点周期对外发送Hello请求包

网关节点在建网后的每个Hello时隙内依次使用自己的每根天线对外发送一个Hello请求包 （即信标），所使用的天线号序列为 ［0、1、2、3、4、5、6、7］；接着便等待接收骨干节点发来的Hello响应包。

图5 Hello时隙内的Hello包收发情况

（2）骨干节点接收Hello请求包

骨干节点在入网前将进行Hello请求包的接收。在接收定时器超时前，骨干节点将在所有Hello时隙内都执行接收动作。

（3）骨干节点回应Hello响应包

当骨干节点的接收Hello请求包定时器超时后，骨干节点将对所接收到的Hello请求包进行排序，从中选择最佳天线对，该算法有专门论文进行论述，文中不再提及。骨干节点为自己选出合适的天线对后，将继续在Hello时隙上执行接收动作，当再次接收到Hello请求包后，便在当前Hello时隙的剩余时间里立即向网关节点回应一个Hello响应包。

1.4.2 数据时隙

网关节点完成了时隙分配以后，每个时间帧中的992个数据时隙也就完全分配给了每个骨干节点，而这些数据时隙中的数据流方向也确定好了，协议底层模块只要在每个数据时隙的边沿到达时执行相应的数据收发动作就可以了。

数据还分为需确认数据与不需确认数据。在实际无线网络环境下，为保证协议底层模块能够尽快对发送失败的数据分组进行重发，数据接收端一般都需要对所收到数据分组进行确认。协议数据都是需确认数据，普通数据一般为需确认数据，但有些数据可以为不需确认数据（如话音数据）。

当前节点在数据时隙内接收需确认数据、发送需确认数据、接收不需确认数据、发送不需确认数据的情况如图6所示。

需确认数据的传输：当前节点接收数据成功后需立即发送一个确认，或者当前节点发送数据成功后需等待接收一个确认。

不需确认数据的传输：当前节点为可以接收充满整个数据时隙的数据，或者当前节点可以发送充满整个数据时隙的数据。

2 性能分析

2.1 各传输单元长度

与该方案相关的各传输单元长度如下：

图6 数据时隙内的数据收发情况

（1）无线接口最大传输单元长度

底层采用的是基于IEEE 802.11a的物理层技术，其最大传输单元长度 （MTU）为2400 字节，其在发送数据时可以选择的调制速率有6Mbps、9Mbps、12Mbps、18Mbps、24Mbps、36Mbps、48Mbps、54Mbps。

（2）以太网帧最大长度

以太网帧最大长度为1518字节。

（3）无线接口确认包长度

确认包长为16 字节，该包始终以6Mbps 调制速率发送。

2.2 公 式

（1）各种包长的无线传输时间计算公式

各种包长的无线传输时间按式 （1）计算：

各值的含义如下：

1）包长为无线接口数据长度，单位为字节。

2）16为PLCP头部中服务类型的比特数。

3）6为尾比特数。

4）NDBPS为一个OFDM 符号含有的比特数。6Mbps下的值为24，9Mbps下为36，12Mbps下为48，18Mbps下为72，24Mbps下为96，36Mbps下为144，48Mbps下为192，54Mbps下为216。

5）t的单位是μs。

（2）数据传输效率

整个时间帧中能够提供数据传输的时间帧使用效率、每个数据时隙内部使用效率、数据传输效率、理论带宽、本方案的带宽分别按式 （2）－式 （6）计算

其中：

1）数据传输效率反映了数据传输能力与时间浪费情况。

2）受物理层最大传输单元长度的限制，在高调制速率情况下，本方案的实际带宽值要小于理论带宽值。

2.3 带宽计算

在25km 距离下，发送数据的调制速率取值范围为6Mbps～12Mbps。

现以该距离下的单跳网络为例，对该方案在实际平台下的性能进行分析。计算每个数据时隙中在各种调制速率下能够发送的最大数据包长时，需要考虑到实际平台所产生的各种时延以及传播时延：

（1）同步中断代码执行时延为5μs。

（2）发包时产生TxE中断的时延为20μs。

（3）接收节点接收数据时产生的RxOk 中断时延为6μs。

（4）中断代码执行时延为5μs。

（5）数据时隙保护时间为20μs。

（6）在一个数据时隙里，近距离的传输时延可以忽略不计，而在25km 距离下的传输时延将达到84μs，这对性能具有较大影响。

2.3.1 数据需确认时的情况

数据时隙使用情况如图7所示。

图7 数据需确认时的情况

其中：时间帧使用效率为99.2%，每个数据时隙的理论使用效率为78.4%，实际使用效率为69.7%，理论数据传输效率为77.8%，实际数据传输效率为69.1%，均比现有方案提升19%。

其理论带宽、实际带宽与数据时隙内最大包长分别见表1。

表1 数据需确认时的情况

2.3.2 数据不需确认时的情况

数据时隙使用情况如图8所示。

图8 数据不需确认时的情况

其中：时间帧使用效率为99.2%，每个数据时隙的理论使用效率为91.6%，实际使用效率为86%，理论数据传输效率为90.8%，实际数据传输效率为85.3%，均比现有方案提升16%。

其理论带宽、实际带宽与数据时隙内最大包长分别见表2。

表2 数据不需确认时的情况

2.4 结 论

在25km 距离并且在数据需确认条件下，在实际平台下的数据时隙内的时间损失为303μs，在调制速率为12Mbps情况下，本方案理论数据传输效率为77.8%，实际数据传输效率为69.1%，均比现有方案提升19%。

在25km 距离并且在数据无确认条件下，在实际平台下的数据时隙内的时间损失为255μs。在调制速率为12Mbps情况下，本方案理论数据传输效率为90.8%，实际数据传输效率为85.3%，均比现有方案提升16%。

3 结束语

现有基于多方向天线阵列的同步无线Mesh 网络协议侧重于多跳组网功能设计，其单跳网络的远距离通信能力不高。提出了一种基于多方向天线阵列的单跳带宽特性强的同步无线Mesh网络技术方案。性能分析结果表明，优化后的时间帧结构设计与数据传输规程设计可以使基于多方向天线阵列的单跳网络的数据传输效率比现有方案提升16%～19%，并适用于远距离快速机动宽带组网应用。

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