无线Mesh网络中数据传输可靠性的保障策略

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摘要：无线Mesh网技术是一种新的无线网络技术，其核心是任何无线设备节点都可以同时作为接入点(AP)和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。无线Mesh网中需要考虑完成通信的多跳过程中产生的数据传输可靠性的保障问题。使用第三代合作伙伴计划(3GPP)的系统架构中提出的混合自动重传请求(HARQ)和自动重传请求(ARQ)功能，可以对多跳链路数据可靠传输进行保障。其中针对HARQ提出了逐跳和端到端两种方法，而对于ARQ功能除了逐跳和端到端两种方法外还增加了最后一跳的保障机制。从协议栈构架设计的角度，根据HARQ和ARQ机制提出了3种解决方法:分层机制、Relay ARQ机制、多跳ARQ机制。
　　无线Mesh网络也称为“多跳”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络。在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为接入点(AP)和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。
　　无线Mesh是一种非常适合于覆盖大面积开放区城(包括室外和室内)的无线区域网络解决方案。无线Mesh网络的特点是：由一组呈网状分布的无线AP构成，AP均采用点对点的方式通过无线中继链路互联，将基本的无线局域网(WLAN)中的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”[1]。
　　考虑到未来的移动通信系统中，基站(BS)和中继站(RS)采用无线Mesh网络架构，用户(UT)与基站(BS)间的通信可能是多跳的，这就需要有相应的链路可靠性保障策略使数据能够正确地到达对端。在3G和3G的长期演进 (LTE)系统中数据链路的可靠性是由混合自动重传(HARQ)和自动重传(ARQ)来保障的。如果Mesh中的节点是3GPP系统中节点的演进，那么可以通过改进HARQ或ARQ机制来完成Mesh架构下多跳链路的数据可靠性传输。
1 3GPP系统中的传输保障机制
　　3GPP系统中由媒体接入控制(MAC)层的HARQ和无线链路控制(RLC)层的ARQ共同完成了无线链路中数据传输的可靠性保障[2]。
　　1.1 ARQ
　　发送方将要发送的数据包附加一定的冗余纠错码一并发出，接收方则根据纠错码对数据包进行差错检测，若发现错误就返回无确认(NACK)，发送方收到NACK后，便重新传送该数据。
　　1.2 HARQ
　　HARQ[3]是一种链路自适应技术，它组合了前向错误控制(FEC)原理，在接收方解码失败的情况下，可以保存接收到的数据，并要求发送方重传数据。在HARQ中，链路层的信息用于重传判决，HARQ能够自动地适应信道条件的变化并且对测量误差和时延不敏感。自适应调制编码(AMC)和HARQ二者结合起来可以得到最好的效果——AMC提供粗略的数据速率选择而HARQ可以根据数据信道条件对数据速率进行较精细的调整。FEC原理包括了递增冗余(每次重传包括了更多的奇偶校验位)和跟踪组合(同样的数据块将被完全重传)。
　　1.3 ARQ和HARQ的互操作
　　在HARQ辅助的ARQ操作中，ARQ通过从HARQ处得到的信息了解传输块(TB)的传输状态。如果HARQ检测出TB传输失败，即达到HARQ的最大重传上限，那么相关的ARQ传输实体被通知并触发重新分段和重传。
2 无线Mesh网的传输保障机制
　　无线Mesh网中的数据传输可靠性保障机制，其与传统网络中的可靠性保障机制的主要区别在于其传输链路可能是多跳的。这样无线Mesh网络数据传输的可靠性就可以简单地归结于多跳链路中数据传输的可靠性问题。下面我们还是根据单跳网络下数据传输可靠性的保障策略来解决多跳的情况。
　　2.1 HARQ
　　多跳网络下HARQ[4]可简单的分为两大类：逐跳的HARQ，对每跳都进行HARQ，见图1；端到端的HARQ，在数据传输的两端进行HARQ，见图2。

　　

　　逐跳的HARQ又可以进一步划分为动态HARQ和静态HARQ。动态HARQ是指每次HARQ传输和重传都经过重新调度；静态HARQ是指数据包第一次传输时进行资源调度，然后一直预留资源块，重传时不需要重新调度，直到数据包成功接收才释放资源块。
　　端到端的HARQ具有一次传输时延小的优点，缺点则是如果在传输中途出错，端到端HARQ不能及时检测出来并请求重传，只有由最终目的端提出重传请求。逐跳的HARQ能够检测每一跳的传输是否正确，因而能够及时请求重传，并且协议还可优化进一步减小时延；但是它的网络节点操作比较复杂。
　　总之，下行多跳HARQ具有多种备选方案，但在选用的时候需要考虑加入ARQ后的整体性能，还需要根据实际需求进行选择和优化。其中，最重要的一个需求是端到端传输时延。由于LTE中端到端传输时延要求很高(用户面时延小于5 ms)，未来国际移动通信(IMT-Advanced)的端到端传输时延应至少不大于LTE的需求，多跳中继系统面临着一个很大的挑战，还需要继续优化。
　　2.2 ARQ
　　对于多跳下ARQ[5]，单独的考虑ARQ可以有3种实现方法，其中也有逐跳和端到端的机制，但其因为ARQ的特性具体实现并不相同。
　　逐跳机制：位于BS至UT路径上的每一个RS解码出收到的每一个RLC包，在确认按序接收后，再向下一跳节点进行转发。
　　端到端机制：所有RS节点无需解码出收到的RLC包，它们只需在解码出MAC包后，在对数据包进行处理(如级联)，直接发送给下一跳RS。RLC的ARQ处理只存在于BS与UT之间。
　　最后一跳的机制：如图3所示，位于BS至UT路径上除最后一跳之外的其他RS节点无需解码出收到的RLC包，它们只需在解码出MAC包后，在对数据包进行处理(如级联)后，直接发送给下一跳RS；最后一跳RS需要解码出所收到的RLC层数据包，在确认已经按序接收之后，再将数据发送给终端。

　　

　　2.3 HARQ和ARQ的互操作
　　针对无线Mesh网络多跳的特殊场景，简单的HARQ、ARQ或者是LTE中提出的ARQ和HARQ简单结合的方式已经没有办法满足数据传输可靠性的保障或者数据传输时延的需求了。这就需要针对多跳场景设计可以综合HARQ和ARQ优点的新的数据链路可靠性保障机制。接下来将从协议栈设计的角度分析HARQ和ARQ的互操作[6-8]。
　　2.3.1 分层合作机制
　　如图4所示，这种方法是基于LTE协议栈架构来实现的，其基本原理就是将层2分成MAC层和RLC层，其中HARQ在MAC层实现，并采用逐跳机制，而在RLC层实现ARQ功能，采用端到端机制。

　　

　　分层合作机制比较灵活，逐跳HARQ保障相邻节点间出现传输错误时数据的恢复，端到端ARQ负责丢失数据的重传，不同的逐跳HARQ类型可被用于不同跳的链路。逐跳HARQ的数据包大小可根据独立的链路条件进行优化。一个端到端的数据包可能被包含在一个或多个逐跳帧中(直到端到端协议传输一个ACK)从源端到终端。这种情况下端到端与逐跳的数据包之间是一一对应的关系。
　　图5 给出了一个下行端到端数据包传输的示意图。

　　

　　分层机制的协议互操作和参数配置比较复杂。比如说链路中各个节点的重传时延门限的设计需要避免多个节点同时重传和无线资源的浪费。如果端到端的重传超时门限值设的很低那么发送端可能不会再重发相同的数据。但另一方面如果重传超时门限值设的很高将会造成系统效率降低。如果数据丢失发生在RS间切换的时候，那么在重传时延门限到达之前各条链路的利用率都会降低。另外，逐跳机制提供按序转发，如果数据包到达是乱序的，RS要将乱序收到的包重新按序排列再发出这也会导致链路效率低下，因为。所以这些问题在设计分层的机制时，都需要考虑如何优化。
　　2.3.2 Relay ARQ机制
　　这种方法[9]是将端到端和逐跳机制整合到一个协议层中，见图6。Relay ARQ协议实体在RS间所有的链路上被整合成一个过程。在BS到UT的所有链路上使用相同的数据包，相同的序列号。这里使用3种状态信息：ACKNACK中继确认RACK(Relay-ACK)。
　　下面以两跳为例来说明Relay，见图7。RS保存来自于BS的关于数据包的信息和来自于UT的ACK。RS发送一个RACK给BS当他收到来自于BS的数据包同时还没有收到UT的ACK时，RACK与分层中的逐跳ACK相同。在BS处，RACK表示RS负责该数据包。BS将该数据包保存在发送缓存中直到收到UT反馈的ACK。UT反馈的ACK相当于分层ARQ中的端到端的ACK。如果RS给UT转发数据失败，由于RS间的切换，那么其上一级节点负责该数据包的重传，原始发送方最终对数据包负责。这种方案与第一种方案基本相同，其优点在于对Relay来说协议结构简单，但是对整个系统来说，需要对其他协议进行调整。

　　2.3.3 多跳ARQ机制
　　这种方法中的端到端的ARQ将不再终止于UT而是UT的上一跳RS，而从该RS到UT执行逐跳的HARQ，见图8。这里任何一种逐跳的链路数据保障方法都可以使用，这使得UT可以移动于不同的系统中。端到端的协议与最后的RS连接到UT的逐跳协议是紧耦合的。
　　下行端到端协议确认数据在到达最终目的节点后，上行中最后一个RS在收到BS的ACK前不会发送逐跳的ACK给UT，其实现过程如图9所示。这种方法最大的优势在于允许UT移动到其他的系统中。另一方面，最后的RS处的端到端的协议与到UT的协议应该是紧耦合的，为了支持每种逐跳协议(新老系统的)，这里需要端到端协议进行调整，以支持整个链路的可靠性保障。这对于UT的计算复杂度和存储要求比其他方法要低。但这种方法与分层的方法有相同的缺点，就是潜在的协议互操作的缺点。

3 结束语
　　作为一种新型的网络架构，无线Mesh网络可以是现在无线蜂窝通信系统的有力补充和改进。但在具体实现的时候必须要研究其特有的多跳链路可靠性保障问题，以增强网络的健壮性。本文给出的研究多跳链路可靠性保障策略的方法中，给出了不同的研究思路，如从具体实现来考虑的HARQ和ARQ机制的改进，到从协议栈角度考虑的对于Mesh节点，如中继站的协议栈的研究，其中就独立的HARQ或者ARQ机制，可以将其思想应用于不同的系统中，如802.16系统中。但就时延的问题来说，端到端的解决方法是优于逐跳的方法的。基于协议栈的解决方法，考虑到系统配置的统一性，分层的方法在保障系统整体协议栈架构相同的条件下，能够提供时延较小的可靠性保障策略。总而言之，这些方法都可以有效地解决多跳链路的可靠性保障问题，但也有其不足之处，所以无线Mesh网中数据传输可靠性的保障策略还需要继续的改进和补充。
4 参考文献
　　[1] 方旭明, 等.下一代无线因特网技术:无线Mesh网络[M]. 北京:人民邮电出版社, 2006.
　　[2] 3GPP TS 36.300 v8.0.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2[S]. 2007.
　　[3] 胡崧. 基于TDD的第四代移动通信技术[M]. 北京:电子工业出版社, 2005.
　　[4] 许献聪. Multihop HARQ in WiMAX network with relays[EB/OL]. 2007-10-18.http://www. netlab18.cis.nctu.edu.tw/Short_course07/3_Multi_hop HARQ.
　　[5] Lott M. ARQ for multi-hop networks[C]// Proceedings of 62nd Vehicular Technology Conference (VTC2005-Fall): Vol 3, Sep 25-28, 2005, Dallas, TX, USA. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2005: 1708- 1712.
　　[6] IST-2003-507581 WINNER WP3 D3.2. Description of deployment concepts for future radio scenarios integrating different relaying technologies in a cellular infrastructure including definition, assessment and performance comparison of RAN protocols for relay based systems[S]. 2005.
　　[7] IST-2003-507581 WINNER D3.5. Proposal of the best suited deployment concepts for the identified scenarios and related RAN protocols[S]. 2005.
　　[8] IST-4-027756 WINNER II D4.8.1. WINNER II intramode and intermode cooperation schemes definition[S]. 2006.
　　[9] Wiemann h, Meyer m, Ludwig r, et al. A novel multi-hop ARQ concept[C]// Proceedings of 61st Vehicular Technology Conference (VTC2005-Spring): Vol 5, May 30-Jun 1, 2005, Stockholm, Sweden. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2005: 3097-3101.