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一種高效的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)鏈路層數(shù)據(jù)級聯(lián)方法*

索思亮1黎卓南2

(1.廣州海格通信集團股份有限公司 廣州 510663)(2.武漢大學電子信息學院 武漢 430072)

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)條件下,受接入層效率及高誤碼率等客觀因素影響,鏈路層傳輸性能較低。針對這一問題,提出了一種高效的鏈路層數(shù)據(jù)級聯(lián)方法,使發(fā)端的數(shù)據(jù)既能更好地匹配接入層協(xié)議,得到較高的吞吐量,又能減少高誤碼率對傳輸性能的影響。理論及仿真結(jié)果表明:與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)級聯(lián)方法相比,該方法可獲得更高的鏈路層吞吐量,提升了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)鏈路層的傳輸性能。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò);鏈路層;數(shù)據(jù)級聯(lián)

ClassNumberTN929.5

1 引言

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無線多跳復雜拓撲網(wǎng)絡(luò)[1～4],具有組網(wǎng)靈活、抗毀性強、支持用戶的移動性和動中通、易于快速部署等特點,在商業(yè)、軍事等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用[5～8]。

目前商業(yè)上的鏈路層數(shù)據(jù)級聯(lián)方法大多是針對單跳網(wǎng)絡(luò)P2P或PMP通信場景設(shè)計的,常用的方法有兩種,一種是采用TLV(Type-Length-Value)封裝,通過增加類型頭和長度的方式來級聯(lián)數(shù)據(jù)幀；另一種是采用SLIP(Serial Line Internet Protocol)封裝,通過增加數(shù)據(jù)幀頭、幀尾識別符來級聯(lián)數(shù)據(jù)。不管采用哪種數(shù)據(jù)級聯(lián)方法,均不能較好地適配Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的多跳拓撲環(huán)境。

本文提出一種高效的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)鏈路層數(shù)據(jù)級聯(lián)方法,該方法借鑒了TLV封裝方法的思想,結(jié)合多跳網(wǎng)絡(luò)的實際需求進行改進,從而獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸效率。

2 數(shù)據(jù)級聯(lián)方法概述

如前所述,數(shù)據(jù)級聯(lián)方法主要有SLIP封裝和TLV封裝兩種類型,下面分別介紹兩種方式的實現(xiàn)方式及優(yōu)缺點。

2.1 SLIP封裝方法

SLIP封裝方法[9]是傳統(tǒng)的用于串口通信的鏈路層數(shù)據(jù)封裝方法?？傮w思路是通過END(C0H)標識數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束,對于數(shù)據(jù)幀中與END編碼相同的內(nèi)容,轉(zhuǎn)義成兩個字節(jié)ESC(DBH)和DCH,對于數(shù)據(jù)幀中與ESC編碼相同的內(nèi)容,轉(zhuǎn)義成兩個字節(jié)ESC和DDH。

SLIP封裝下的數(shù)據(jù)級聯(lián)格式如圖1所示。

圖1 SLIP封裝數(shù)據(jù)級聯(lián)格式

SLIP封裝方法的優(yōu)點在于實現(xiàn)簡單,開銷小,可適配MTU；缺點在于在高誤碼率條件下可能出現(xiàn)錯誤拼接分片數(shù)據(jù)的問題,導致傳輸速率下降。

2.2 TLV封裝方法

目前已提出多種TLV封裝方法,總體思路是在原始數(shù)據(jù)之前加入類型(或標識)和長度等字段,用以告知收端如何將級聯(lián)后的數(shù)據(jù)解級聯(lián)成原始數(shù)據(jù)。

方法1提出級聯(lián)數(shù)據(jù)封裝格式如圖2所示。

圖2 TLV-1封裝數(shù)據(jù)級聯(lián)格式

方法2[10]提出級聯(lián)數(shù)據(jù)封裝格式如圖3所示。

圖3 TLV-2封裝數(shù)據(jù)級聯(lián)格式

其中,方法1(TLV-1)的優(yōu)點在于實現(xiàn)簡單；缺點在于無法準確適配鏈路層MTU,且開銷較大；方法2(TLV-2)的優(yōu)點在于開銷較小,可插入高優(yōu)先級數(shù)據(jù)；缺點在于無法級聯(lián)多個目標數(shù)據(jù)。

本文借鑒方法2的設(shè)計思路,在其基礎(chǔ)上加以改進,增加對多個目標數(shù)據(jù)級聯(lián)的功能,設(shè)計實現(xiàn)了優(yōu)化級聯(lián)方法(TLV-N)。

3 級聯(lián)方法優(yōu)化改進

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,鏈路層需同時處理由應用層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和由網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù),所以處理多目標數(shù)據(jù)的概率較高；另一方面,Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的信道資源緊缺,接入層通常采用分布式的信道分配方法,從而導致鏈路層發(fā)送數(shù)據(jù)的機會較少。綜合兩方面的因素,本文提出的TLV-N方法在TLV-2方法的基礎(chǔ)上,增加了多目標數(shù)據(jù)級聯(lián)的功能,可有效提升Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)下鏈路層傳輸?shù)男省?/p>

另一方面,為更好適配Ad Hoc物理層傳輸條件,修改TLV-2方法的長度標識及級聯(lián)標識的配置,長度標識改為2字節(jié)且可以省略,級聯(lián)標識僅在報頭開始處添加,減少報頭開銷,以提升傳輸效率。下面分別介紹本方法在發(fā)送和接收兩端的處理流程。

3.1 發(fā)送端處理流程

1)在發(fā)送端處理流程中,由上層傳遞下來的數(shù)據(jù)包稱為SDU(Service Data Unit,服務(wù)數(shù)據(jù)單元),由鏈路層處理并往下層傳遞的數(shù)據(jù)包稱為PDU(Protocol Data Unit,協(xié)議數(shù)據(jù)單元)。一個PDU可包含一個或多個SDU,也可包含不完整的SDU。

2)每個PDU在報文開始處添加序列號(Sequence Number)和級聯(lián)字段(Cascade Filed),序列號用于收端識別空中是否有丟包,級聯(lián)字段用于收端識別后續(xù)的是長度標識還是數(shù)據(jù)內(nèi)容。

3)發(fā)送端的具體處理流程主要分為兩個分支,一個是待發(fā)送緩存中沒有剩余分片數(shù)據(jù),另一個是待發(fā)送緩存中含有上次發(fā)送剩余的分片數(shù)據(jù)。因為兩個分支的后續(xù)處理流程大致相當,所以下面只介紹第一個分支的處理流程。該分支處理流程分為四個場景,分別是完整發(fā)送一個SDU、級聯(lián)發(fā)送多個SDU、不完整發(fā)送一個SDU、級聯(lián)發(fā)送多個完整的SDU和一個不完整的SDU。

(1)完整發(fā)送一個SDU處理較為簡單,序列號順序遞增(其它場景處理與此相同),級聯(lián)字段置為單包標識,后續(xù)緊跟的是SDU目標地址,不需要長度標識即可完成PDU的封裝；

(2)級聯(lián)發(fā)送多個SDU時,級聯(lián)字段置為級聯(lián)標識,后續(xù)緊跟的是第一個SDU的目標地址和長度標識,后續(xù)每個SDU前均帶一個目標地址和長度標識；

(3)不完整發(fā)送一個SDU是由于鏈路層MTU小于SDU長度所致,遇到這種情況,級聯(lián)字段置為分片標識,后續(xù)緊跟的是目標地址,其后的長度標識設(shè)置成特殊標識；

(4)最后一個場景下,級聯(lián)字段置為級聯(lián)標識,完整SDU級聯(lián)方法與場景二相同,最后一個不完整SDU處理與場景三相同。

圖4 數(shù)據(jù)級聯(lián)發(fā)送端處理流程

3.2 接收端處理流程

1)接收端處理流程首先需要判斷接收的數(shù)據(jù)序號是否連續(xù),如果序號不連續(xù),則需要將接收緩存中的數(shù)據(jù)包刪除,因該原分片數(shù)據(jù)的后續(xù)內(nèi)容已經(jīng)丟失。

2)接著根據(jù)級聯(lián)字段的值分為三個分支,分別是接收單包數(shù)據(jù)分支、接收級聯(lián)數(shù)據(jù)分支和接收分片數(shù)據(jù)分支。

(1)級聯(lián)字段為單包標識時,收到的數(shù)據(jù)是完整的一包SDU,將目的地址為本機的SDU內(nèi)容提取出來并發(fā)往上層即可；

(2)級聯(lián)字段為級聯(lián)標識時,收到的數(shù)據(jù)是多包SDU集合,將目的地址為本機的SDU分別解級聯(lián)出來并發(fā)往上層,需注意判斷最后一包的SDU是否為完整數(shù)據(jù),若非完整數(shù)據(jù)則需將分片內(nèi)容存入對應源地址的接收緩存；

(3)級聯(lián)字段為分片標識時,收到的數(shù)據(jù)是以分片數(shù)據(jù)起始的,若分片數(shù)據(jù)的目的地址為本機,則將其與對應緩存中的數(shù)據(jù)拼接起來,如果后續(xù)有其它級聯(lián)數(shù)據(jù),則需繼續(xù)處理,處理方式與分支二相同。

圖5 數(shù)據(jù)級聯(lián)接收端處理流程

3.3 數(shù)據(jù)PDU格式

圖6 鏈路層級聯(lián)數(shù)據(jù)格式

4 算法仿真

使用Matlab仿真工具研究在模擬Ad Hoc環(huán)境下四種數(shù)據(jù)級聯(lián)方法的鏈路層性能,主要考察多目標節(jié)點下的鏈路層吞吐量和無線誤碼條件下的鏈路層誤幀率。

4.1 鏈路層吞吐量

綜合兩方面的因素,Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)下的鏈路層數(shù)據(jù)級聯(lián)方法需具備較強的多目標數(shù)據(jù)處理能力,而吞吐量指標是該能力的有效反映。

仿真程序以隨機產(chǎn)生的多目標數(shù)據(jù)為仿真輸入,驗證各方法的性能。如圖7所示,橫坐標是業(yè)務(wù)負荷,這里采用的是歸一化方式,1表示滿負荷發(fā)送業(yè)務(wù)；縱坐標是各級聯(lián)方法的吞吐量,也采用歸一化方式表示。

由圖可知,隨著業(yè)務(wù)負荷的增大,各級聯(lián)方法的吞吐量也在增加,但增加幅度有所區(qū)別。本文提出的TLV-N方法由于引入了多目標數(shù)據(jù)級聯(lián)處理,在吞吐量方面顯著優(yōu)于其它方法。

圖7 鏈路層吞吐量仿真結(jié)果

4.2 鏈路層誤幀率

Ad Hoc環(huán)境下的無線誤碼率較高,從而可能導致某些分片數(shù)據(jù)的丟失,在這種情況下,數(shù)據(jù)級聯(lián)方法是否具備容錯能力,減少鏈路層誤幀率,是關(guān)鍵考核指標之一。

仿真程序以隨機產(chǎn)生的多目標數(shù)據(jù)為仿真輸入,并設(shè)定無線丟包率為橫軸坐標。由圖可知,隨著無線丟包率的逐漸增大,各級聯(lián)方法的鏈路層誤幀率也在逐步增加,SLIP方法由于不具備錯誤糾正能力,所以誤幀率較高,而TLV的三種方法在誤幀率方面基本相當。

圖8 鏈路層誤幀率仿真結(jié)果

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)的鏈路層數(shù)據(jù)級聯(lián)方法不能有效匹配Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的需求,本文在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上,提出了一種高效的鏈路層數(shù)據(jù)級聯(lián)方法,通過設(shè)計多目標數(shù)據(jù)級聯(lián)處理、解級聯(lián)容錯處理等措施,提升了其在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)下的性能。仿真結(jié)果表明,本方法在多目標數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)條件下比傳統(tǒng)方法獲得了更高的吞吐量,在無線誤碼條件下也維持了較低的誤幀率,提升了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)鏈路層性能。

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AnEfficientLinkLayerDataCascadeMethodofAdHocNetwork

SUO Siliang1LI Zhuonan2

(1.Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663)
(2.School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072)

In the Ad Hoc network condition, by the low efficiency of MAC Layer and the high BER of wireless factors, the performance of Link Layer is low.To solve this problem, an efficient method is proposed.This method achieves high throughput by good matching, and also reduces the influence of high BER.According to the theory and simulation result, compared with traditional methods, this method can achieve higher link layer throughput;upgrade the performance in Ad Hoc network.

Ad Hoc network, link layer, data cascade

2014年1月11日,

:2014年2月24日

索思亮,男,碩士,工程師,研究方向:自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究。黎卓南,男,研究方向:無線通信網(wǎng)絡(luò)研究。

TN929.5DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.07.022