IEEE﹢802.11s路由切换分析与改进 - 学兔兔 www.bzfxw.com

2012年9月JournalonCommunicationsSeptember2012第33卷第9期通信学报Vol.33No.9IEEE802.11s路由切换分析与改进游波1,2，阎跃鹏1,2(1.中国科学院微电子研究所，北京100029；2.昆山市工业技术研究院，江苏昆山215300)摘要：分析了IEEE802.11s中混合无线mesh协议的路由切换行为，并针对切换过程中的分组丢失问题做出了改进。在IEEE802.11s的mesh对等连接管理协议中加入基于接收信号强度的门限判定机制，通过控制对等连接状态改变HWMP的路由切换时机，避免了路由切换时的分组丢失。实验结果表明在节点低速移动的不受控无线环境中，相比传统的IEEE802.11s，该改进方案的分组丢失率下降了2%~5%。关键词：分组丢失率；路由协议；对等连接；混合无线网状网协议；接收信号强度中图分类号：TP393.02文献标识码：A文章编号：1000-436X(2012)09-0023-08AnalysisandimprovementofrouteswitchinIEEE802.11sYOUBo1,2,YANYue-peng1,2(1.InstituteofMicroelectronicsofChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China;2.KunshanIndustrialTechnologyResearchInstitute,Kunshan215300,China)Abstract:Analyzedtherouteswitchofhybridwirelessmeshprotocol(HWMP)inIEEE802.11sandmadeanimprove-menttoreducethepacketlostratewhenroutesswitchingwasanalyzed.Basedonthereceivedsignalstrengthindica-tor(RSSI)aschemewithjudgmentthresholdinmeshpeerlinkmanagementprotocolwasproposed,whichcontrolledthestatusofpeerlinktochangethetimingofrouteswitch.Inthisway,thepacketlostwasavoided.Theexperimentalresultsshowthattheimprovementreducesthepacketlostrateby2%~5%comparedwithtraditionalIEEE802.11sinuncon-trolledwirelessenvironmentwhennodesmovinginlowspeed.Keywords:packetlostrate;routingprotocol;peerlink;HWMP;RSSI1引言IEEE802.11s[1]是IEEE标准组为无线mesh网络（WMN，wirelessmeshnetwork）设计的一套协议标准，提供邻居发现、路由维护、安全性管理等多项功能。HWMP（hybridwirelessmeshprotocol）是IEEE802.11s推荐的典型路由协议，为mesh网络提供多跳网络最重要的路由发现、路由切换、路由管理以及数据转发等服务。作为一个工作在2层的混合路由协议，HWMP可以同时为树状和网状网络提供路由服务，比传统的3层路由协议开销更小，效率更高[2]。HWMP作为一种较新的路由协议，是学者们研究的热点，现已有针对其各方面的研究成果发表。文献[3]针对不同的节点数量和数据分组大小对HWMP的吞吐量进行了研究；文献[4]针对HWMP的安全性问题提出了改进意见；文献[5]研究了HWMP在树状网络中的负载平衡问题；文献[6]对HWMP进行了全面的介绍并对比了其与AODV（adhocondemanddistancevector）的性能；文献[7]对收稿日期：2011-09-21；修回日期：2012-03-28基金项目：国家科技重大专项基金资助项目（2009ZX03006-005,2010ZX03006-003-02）FoundationItem:TheNationalScienceandTechnologyMajorProjectFoundationofChina(2009ZX03006-005,2010ZX03006-003-02)·24·通信学报第33卷HWMP的扩展性进行了研究；文献[8]认为空时metric的设计不合理并提出了一种探知竞争的新metric；文献[9]提出了适用于HWMP的多径路由方案以降低路由查找开销；文献[10]对HWMP的路由稳定度进行了分析并提出了改进意见。虽然现有研究涵盖了HWMP的很多方面，但是HWMP的路由切换行为并没有得到重视，尚没有这方面的文章发表。本文填补了这方面的空白，贡献有2个方面：1）针对移动节点详细地分析了IEEE802.11s中HWMP的路由切换行为，发现了路由切换过程中的分组丢失问题并挖掘出其根本原因是空时metric对路径可靠程度反应不准确；2）设计了基于RSSI的mesh对等连接管理协议（RB-MPLMP，RSSIbased-meshpeerlinkmanagementprotocol），通过控制对等连接状态改变HWMP的路由切换时机，降低了路由切换时的分组丢失率。2IEEE802.11s路由切换分析2.1HWMP和空时metricHWMP由被动路由和主动路由2部分组成，其被动路由部分从AODV发展而来，加入感知链路质量的metric作为路由判据，是一种改进型的AODV式路由；其主动路由部分是针对树状网络应用的先验式路由，通过路由管理帧周期性地维护路由表。HWMP使用的metric称为空时metric，反映了传输一个帧所需的时间，其公式如下11taxfBCOte=+−(1)其中，O是传输一个帧所需的固定开销，包括信道接入的开销和协议处理的开销，由设备的物理层决定；Bt是帧的长度，以bit为单位；ef是该帧按照速率tx发送时的错误率。空时metric具有可加性，HWMP通过比较路径的空时metric的大小来判断路径的优劣。按照式(1)，空时metric越小说明传输数据帧所需的时间越短，路径质量越好；空时metric越大说明传输数据帧所需的时间越长，路径质量越差。HWMP在对所有可用路径进行比较之后选择空时metric最小的路径作为最佳路由。为了分析方便，本文对空时metric作如下假设：O、Bt、tx固定不变；定义ef为分组丢失率，即源节点发送的数据帧数量与接收到的确认帧数量之差和源节点发送的数据帧数量的比值。2.2HWMP路由切换分析模型本文采用如图1所示模型分析HWMP的路由切换行为。图中A、B为固定节点，C为移动节点。每一节点的通信覆盖范围是以该节点为圆心的圆，R对应RSSI的最小阈值，半径R以外无法与圆心处节点通信，称为无法通信区域；r对应接收误码率小于10−5的接收灵敏度，半径r以内有良好的通信质量，该区域内ef为0，称为可靠通信区域[11]。R−r环形区域内接收误码率随着与圆心距离增大而增大[12]，通信质量无法保证，该区域内ef大于0，称为不可靠通信区域。D1为A的不可靠通信区域；D2为A与B可靠通信区域的覆盖区域；D3为B的不可靠通信区域。M1、N1分别为D3区域两端，T1为D3区域内发生路由切换的可能位置；M2、N2分别为D1区域两端，T2为D1区域内发生路由切换的可能位置。图1HWMP路由切换分析模型2.3移动节点HWMP路由切换分析C此时与某节点通信（图中未画出），共有2条可用路径：Pa，下一跳为A，路径总跳数为Ha，路径总metric为Ca；Pb，下一跳为B，路径总跳数为Hb，路径总metric为Cb。efa为链路C-A的分组丢失率，efb为链路C-B的分组丢失率，2条可用路径中除C-A、C-B外其余部分分组丢失率均为0。C从当前位置沿实线向箭头方向移动（不考虑移动速度），路由切换行为根据Ha与Hb的大小关系有所不同，共分以下3种情况。1)HaHb①C进入D1区域之前，处于A的无法通信区域，无法与A建立对等连接。此时Pb为通信路径，Cb为tbxBOHt+。②C进入D1区域，处于A的不可靠通信区域，第9期游波等：IEEE802.11s路由切换分析与改进·25·与A建立对等连接。Cb为tbxBOHt+；Ca为1(1)1taxfaBOHte+−+−，efa0。CbCa，通信路径为Pb。③C进入D2区域，处于A和B可靠通信区域的覆盖区域。Cb为()tbxBOHt+；Ca为()taxBOHt+。CbCa，维持原通信路径Pb不变。④C进入D3区域，处于B的不可靠通信区域。Cb为1(1)1tbxfbBOHte+−+−，efb0；Ca为taxBOHt+。在从N1向M1移动的过程中，C在B处的RSSI逐渐下降，efb逐渐上升，Cb逐渐增大，直到移动至位置T1时，Cb等于Ca，到达切换临界点。继续移动，CaCb，通信路径切换至Pa。以上分析可知，当HaHb时，路由切换的条件为baCC⇒1(1)1ttbaxfbxBBOHOHtet+−++⇒−1abfbabHHeHH−−+2)Ha=Hb①C进入D1区域之前，与HaHb时一致。②C进入D1区域，与HaHb时一致。③C进入D2区域。Cb为tbxBOHt+；Ca为taxBOHt+。Cb=Ca，维持原通信路径Pb不变。④C进入D3区域，处于B的不可靠通信区域，Cb为1(1)1tbxfbBOHte+−+−，efb0；Ca为taxBOHt+。CaCb，通信路径切换至Pa。以上分析可知，当Ha=Hb时，路由切换的条件为efb0，即进入D3区域。3)HaHb①C进入D1区域之前，与HaHb时一致。②C进入D1区域，处于A的不可靠通信区域，与A建立对等连接。Cb为tbxBOHt+；Ca为1(1)1taxfaBOHte+−+−，efa0。在从N2向M2移动的过程中，C在A处的RSSI逐渐增大，efa逐渐下降，Ca逐渐减小，直到移动至位置T2时，Ca=Cb，达到切换临界点。继续移动，CaCb，通信路径切换至Pa。以上分析可知，当HaHb时，路由切换的条件为abCC⇒1(1)1ttabxfaxBBOHOHtet+−++⇒−1bafabaHHeHH−−+2.4结论从上述分析可知，HWMP在路由切换时无法对路径的分组丢失率变化做出正确的、迅速的反应：当存在多条可用路径的情况下，HWMP有可能会选择分组丢失率大于0但跳数较少的路径作为最佳路由，而非分组丢失率为0但跳数较多的路径。这个问题出现在上述分析的2种情况中：HaHb，C处于N1T1区域；HaHb，C处于T2M2区域。这个问题的出现导致HWMP在路由切换时无法保证可靠传输，会出现分组丢失。从WMN的应用角度讲，大多数应用都要求数据分组传输的可靠性尽可能高，即通信路径的分组丢失率尽可能低，而HWMP不能满足这个要求。出现该问题的原因是HWMP仅仅利用路径的空时metric大小来选择最佳路由，而分组丢失率在式(1)中的权重有限，所以空时metric不能总是正确地从可靠性角度反映路径的真实质量。考虑一个分组丢失率为0的2跳路径和一个分组丢失率大于0的1跳路径，由式(1)可知，1跳路径的分组丢失率处于0~50%之间时，HWMP认为该路径更好；1跳路径的分组丢失率大于50%时，HWMP认为2跳路径更好。一旦1跳路径分组丢失率大于0，从传输可靠性上来看，2跳路径要优于1跳路径，而H