無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸可靠性的保障策略

摘要：無線Mesh網(wǎng)技術(shù)是一種新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其核心是任何無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為接入點(diǎn)(AP)和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。無線Mesh網(wǎng)中需要考慮完成通信的多跳過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸可靠性的保障問題。使用第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)的系統(tǒng)架構(gòu)中提出的混合自動重傳請求(HARQ)和自動重傳請求(ARQ)功能，可以對多跳鏈路數(shù)據(jù)可靠傳輸進(jìn)行保障。其中針對HARQ提出了逐跳和端到端兩種方法，而對于ARQ功能除了逐跳和端到端兩種方法外還增加了最后一跳的保障機(jī)制。從協(xié)議棧構(gòu)架設(shè)計(jì)的角度，根據(jù)HARQ和ARQ機(jī)制提出了3種解決方法:分層機(jī)制、Relay ARQ機(jī)制、多跳ARQ機(jī)制。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)也稱為“多跳”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為接入點(diǎn)(AP)和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。如果最近的AP由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣�的話，那么�?shù)據(jù)可以自動重新路由到一個(gè)通信流量較小的鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況，繼續(xù)路由到與之最近的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，直到到達(dá)最終目的地為止。

無線Mesh是一種非常適合于覆蓋大面積開放區(qū)城(包括室外和室內(nèi))的無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)解決方案。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：由一組呈網(wǎng)狀分布的無線AP構(gòu)成，AP均采用點(diǎn)對點(diǎn)的方式通過無線中繼鏈路互聯(lián)，將基本的無線局域網(wǎng)(WLAN)中的無線“熱點(diǎn)”擴(kuò)展為真正大面積覆蓋的無線“熱區(qū)”[1]。

考慮到未來的移動通信系統(tǒng)中，基站(BS)和中繼站(RS)采用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用戶(UT)與基站(BS)間的通信可能是多跳的，這就需要有相應(yīng)的鏈路可靠性保障策略使數(shù)據(jù)能夠正確地到達(dá)對端。在3G和3G的長期演進(jìn) (LTE)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)鏈路的可靠性是由混合自動重傳(HARQ)和自動重傳(ARQ)來保障的。如果Mesh中的節(jié)點(diǎn)是3GPP系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)，那么可以通過改進(jìn)HARQ或ARQ機(jī)制來完成Mesh架構(gòu)下多跳鏈路的數(shù)據(jù)可靠性傳輸。

1 3GPP系統(tǒng)中的傳輸保障機(jī)制

3GPP系統(tǒng)中由媒體接入控制(MAC)層的HARQ和無線鏈路控制(RLC)層的ARQ共同完成了無線鏈路中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员Ｕ蟍2]。

1.1 ARQ

發(fā)送方將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包附加一定的冗余糾錯(cuò)碼一并發(fā)出，接收方則根據(jù)糾錯(cuò)碼對數(shù)據(jù)包進(jìn)行差錯(cuò)檢測，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤就返回?zé)o確認(rèn)(NACK)，發(fā)送方收到NACK后，便重新傳送該數(shù)據(jù)。

1.2 HARQ

HARQ[3]是一種鏈路自適應(yīng)技術(shù)，它組合了前向錯(cuò)誤控制(FEC)原理，在接收方解碼失敗的情況下，可以保存接收到的數(shù)據(jù)，并要求發(fā)送方重傳數(shù)據(jù)。在HARQ中，鏈路層的信息用于重傳判決，HARQ能夠自動地適應(yīng)信道條件的變化并且對測量誤差和時(shí)延不敏感。自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)和HARQ二者結(jié)合起來可以得到最好的效果——AMC提供粗略的數(shù)據(jù)速率選擇而HARQ可以根據(jù)數(shù)據(jù)信道條件對數(shù)據(jù)速率進(jìn)行較精細(xì)的調(diào)整。FEC原理包括了遞增冗余(每次重傳包括了更多的奇偶校驗(yàn)位)和跟蹤組合(同樣的數(shù)據(jù)塊將被完全重傳)。

1.3 ARQ和HARQ的互操作

在HARQ輔助的ARQ操作中，ARQ通過從HARQ處得到的信息了解傳輸塊(TB)的傳輸狀態(tài)。如果HARQ檢測出TB傳輸失敗，即達(dá)到HARQ的最大重傳上限，那么相關(guān)的ARQ傳輸實(shí)體被通知并觸發(fā)重新分段和重傳。

2 無線Mesh網(wǎng)的傳輸保障機(jī)制

無線Mesh網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸可靠性保障機(jī)制，其與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的可靠性保障機(jī)制的主要區(qū)別在于其傳輸鏈路可能是多跳的。這樣無線Mesh網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃跃涂梢院唵蔚貧w結(jié)于多跳鏈路中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詥栴}。下面我們還是根據(jù)單跳網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)傳輸可靠性的保障策略來解決多跳的情況。

2.1 HARQ

多跳網(wǎng)絡(luò)下HARQ[4]可簡單的分為兩大類：逐跳的HARQ，對每跳都進(jìn)行HARQ，見圖1；端到端的HARQ，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬啥诉M(jìn)行HARQ，見圖2。

逐跳的HARQ又可以進(jìn)一步劃分為動態(tài)HARQ和靜態(tài)HARQ。動態(tài)HARQ是指每次HARQ傳輸和重傳都經(jīng)過重新調(diào)度；靜態(tài)HARQ是指數(shù)據(jù)包第一次傳輸時(shí)進(jìn)行資源調(diào)度，然后一直預(yù)留資源塊，重傳時(shí)不需要重新調(diào)度，直到數(shù)據(jù)包成功接收才釋放資源塊。

端到端的HARQ具有一次傳輸時(shí)延小的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)則是如果在傳輸中途出錯(cuò)，端到端HARQ不能及時(shí)檢測出來并請求重傳，只有由最終目的端提出重傳請求。逐跳的HARQ能夠檢測每一跳的傳輸是否正確，因而能夠及時(shí)請求重傳，并且協(xié)議還可優(yōu)化進(jìn)一步減小時(shí)延；但是它的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)操作比較復(fù)雜。

總之，下行多跳HARQ具有多種備選方案，但在選用的時(shí)候需要考慮加入ARQ后的整體性能，還需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇和優(yōu)化。其中，最重要的一個(gè)需求是端到端傳輸時(shí)延。由于LTE中端到端傳輸時(shí)延要求很高(用戶面時(shí)延小于5 ms)，未來國際移動通信(IMT-Advanced)的端到端傳輸時(shí)延應(yīng)至少不大于LTE的需求，多跳中繼系統(tǒng)面臨著一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，還需要繼續(xù)優(yōu)化。

2.2 ARQ

對于多跳下ARQ[5]，單獨(dú)的考慮ARQ可以有3種實(shí)現(xiàn)方法，其中也有逐跳和端到端的機(jī)制，但其因?yàn)锳RQ的特性具體實(shí)現(xiàn)并不相同。

逐跳機(jī)制：位于BS至UT路徑上的每一個(gè)RS解碼出收到的每一個(gè)RLC包，在確認(rèn)按序接收后，再向下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

端到端機(jī)制：所有RS節(jié)點(diǎn)無需解碼出收到的RLC包，它們只需在解碼出MAC包后，在對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理(如級聯(lián))，直接發(fā)送給下一跳RS。RLC的ARQ處理只存在于BS與UT之間。

最后一跳的機(jī)制：如圖3所示，位于BS至UT路徑上除最后一跳之外的其他RS節(jié)點(diǎn)無需解碼出收到的RLC包，它們只需在解碼出MAC包后，在對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理(如級聯(lián))后，直接發(fā)送給下一跳RS；最后一跳RS需要解碼出所收到的RLC層數(shù)據(jù)包，在確認(rèn)已經(jīng)按序接收之后，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給終端。

2.3 HARQ和ARQ的互操作

針對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)多跳的特殊場景，簡單的HARQ、ARQ或者是LTE中提出的ARQ和HARQ簡單結(jié)合的方式已經(jīng)沒有辦法滿足數(shù)據(jù)傳輸可靠性的保障或者數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的需求了。這就需要針對多跳場景設(shè)計(jì)可以綜合HARQ和ARQ優(yōu)點(diǎn)的新的數(shù)據(jù)鏈路可靠性保障機(jī)制。接下來將從協(xié)議棧設(shè)計(jì)的角度分析HARQ和ARQ的互操作[6-8]。

2.3.1 分層合作機(jī)制

如圖4所示，這種方法是基于LTE協(xié)議棧架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，其基本原理就是將層2分成MAC層和RLC層，其中HARQ在MAC層實(shí)現(xiàn)，并采用逐跳機(jī)制，而在RLC層實(shí)現(xiàn)ARQ功能，采用端到端機(jī)制。

分層合作機(jī)制比較靈活，逐跳HARQ保障相鄰節(jié)點(diǎn)間出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤時(shí)數(shù)據(jù)的恢復(fù)，端到端ARQ負(fù)責(zé)丟失數(shù)據(jù)的重傳，不同的逐跳HARQ類型可被用于不同跳的鏈路。逐跳HARQ的數(shù)據(jù)包大小可根據(jù)獨(dú)立的鏈路條件進(jìn)行優(yōu)化。一個(gè)端到端的數(shù)據(jù)包可能被包含在一個(gè)或多個(gè)逐跳幀中(直到端到端協(xié)議傳輸一個(gè)ACK)從源端到終端。這種情況下端到端與逐跳的數(shù)據(jù)包之間是一一對應(yīng)的關(guān)系。

圖5 給出了一個(gè)下行端到端數(shù)據(jù)包傳輸?shù)氖疽鈭D。

分層機(jī)制的協(xié)議互操作和參數(shù)配置比較復(fù)雜。比如說鏈路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的重傳時(shí)延門限的設(shè)計(jì)需要避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)重傳和無線資源的浪費(fèi)。如果端到端的重傳超時(shí)門限值設(shè)的很低那么發(fā)送端可能不會再重發(fā)相同的數(shù)據(jù)。但另一方面如果重傳超時(shí)門限值設(shè)的很高將會造成系統(tǒng)效率降低。如果數(shù)據(jù)丟失發(fā)生在RS間切換的時(shí)候，那么在重傳時(shí)延門限到達(dá)之前各條鏈路的利用率都會降低。另外，逐跳機(jī)制提供按序轉(zhuǎn)發(fā)，如果數(shù)據(jù)包到達(dá)是亂序的，RS要將亂序收到的包重新按序排列再發(fā)出這也會導(dǎo)致鏈路效率低下，因?yàn)�。所以這些問題在設(shè)計(jì)分層的機(jī)制時(shí)，都需要考慮如何優(yōu)化。

2.3.2 Relay ARQ機(jī)制

這種方法[9]是將端到端和逐跳機(jī)制整合到一個(gè)協(xié)議層中，見圖6。Relay ARQ協(xié)議實(shí)體在RS間所有的鏈路上被整合成一個(gè)過程。在BS到UT的所有鏈路上使用相同的數(shù)據(jù)包，相同的序列號。這里使用3種狀態(tài)信息：ACK\NACK\中繼確認(rèn)RACK(Relay-ACK)。

下面以兩跳為例來說明Relay，見圖7。RS保存來自于BS的關(guān)于數(shù)據(jù)包的信息和來自于UT的ACK。RS發(fā)送一個(gè)RACK給BS當(dāng)他收到來自于BS的數(shù)據(jù)包同時(shí)還沒有收到UT的ACK時(shí)，RACK與分層中的逐跳ACK相同。在BS處，RACK表示RS負(fù)責(zé)該數(shù)據(jù)包。BS將該數(shù)據(jù)包保存在發(fā)送緩存中直到收到UT反饋的ACK。UT反饋的ACK相當(dāng)于分層ARQ中的端到端的ACK。如果RS給UT轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)失敗，由于RS間的切換，那么其上一級節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)該數(shù)據(jù)包的重傳，原始發(fā)送方最終對數(shù)據(jù)包負(fù)責(zé)。這種方案與第一種方案基本相同，其優(yōu)點(diǎn)在于對Relay來說協(xié)議結(jié)構(gòu)簡單，但是對整個(gè)系統(tǒng)來說，需要對其他協(xié)議進(jìn)行調(diào)整。

2.3.3 多跳ARQ機(jī)制

這種方法中的端到端的ARQ將不再終止于UT而是UT的上一跳RS，而從該RS到UT執(zhí)行逐跳的HARQ，見圖8。這里任何一種逐跳的鏈路數(shù)據(jù)保障方法都可以使用，這使得UT可以移動于不同的系統(tǒng)中。端到端的協(xié)議與最后的RS連接到UT的逐跳協(xié)議是緊耦合的。

下行端到端協(xié)議確認(rèn)數(shù)據(jù)在到達(dá)最終目的節(jié)點(diǎn)后，上行中最后一個(gè)RS在收到BS的ACK前不會發(fā)送逐跳的ACK給UT，其實(shí)現(xiàn)過程如圖9所示。這種方法最大的優(yōu)勢在于允許UT移動到其他的系統(tǒng)中。另一方面，最后的RS處的端到端的協(xié)議與到UT的協(xié)議應(yīng)該是緊耦合的，為了支持每種逐跳協(xié)議(新老系統(tǒng)的)，這里需要端到端協(xié)議進(jìn)行調(diào)整，以支持整個(gè)鏈路的可靠性保障。這對于UT的計(jì)算復(fù)雜度和存儲要求比其他方法要低。但這種方法與分層的方法有相同的缺點(diǎn)，就是潛在的協(xié)議互操作的缺點(diǎn)。

3 結(jié)束語

作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以是現(xiàn)在無線蜂窩通信系統(tǒng)的有力補(bǔ)充和改進(jìn)。但在具體實(shí)現(xiàn)的時(shí)候必須要研究其特有的多跳鏈路可靠性保障問題，以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的健壯性。本文給出的研究多跳鏈路可靠性保障策略的方法中，給出了不同的研究思路，如從具體實(shí)現(xiàn)來考慮的HARQ和ARQ機(jī)制的改進(jìn)，到從協(xié)議棧角度考慮的對于Mesh節(jié)點(diǎn)，如中繼站的協(xié)議棧的研究，其中就獨(dú)立的HARQ或者ARQ機(jī)制，可以將其思想應(yīng)用于不同的系統(tǒng)中，如802.16系統(tǒng)中。但就時(shí)延的問題來說，端到端的解決方法是優(yōu)于逐跳的方法的。基于協(xié)議棧的解決方法，考慮到系統(tǒng)配置的統(tǒng)一性，分層的方法在保障系統(tǒng)整體協(xié)議棧架構(gòu)相同的條件下，能夠提供時(shí)延較小的可靠性保障策略�？偠�言之，這些方法都可以有效地解決多跳鏈路的可靠性保障問題，但也有其不足之處，所以無線Mesh網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸可靠性的保障策略還需要繼續(xù)的改進(jìn)和補(bǔ)充。

4 參考文獻(xiàn)

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