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摘要：该文根据无线Mesh网络节点间的均衡特性，研究了网络在TDD方式下时延问题的影响。参考GSM网络中的TA（时间提前量）的方法，分析了TA方案在Mesh结构下的不适应性，以及提出了基于TA思想的改进方案使之适应Mesh特殊的网络结构。
关键词：无线；Mesh；时延碰撞；TDD；TA时间提前量
中图分类号：TP393.02文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)36-2621-02
Wireless Mesh Mode Delay Collision Study
ZHONG Wei-zhi, CHEN Xiao-shu
(Southeast University College of Information Science and Engineering; Nanjing 210096,China)
Abstract: According to the wireless mesh network node balance between the characteristics of the research network in TDD mode delay the issue. GSM Network in reference to the TA (the amount of time in advance) method to analyze the structure of the Mesh in the TA program under the non-adaptive, and based on the thinking of the TA to improve the program so that they meet the special Mesh network.
Key words: wireless; mesh; collision delay; TDD; TA amount of time in advance
無线Mesh网络是一种多点对多点的网状网络，各节点之间的关系均衡，是一种对等的网络结构。在Mesh网络中TDD工作方式下，时隙分配的算法需要考虑时延带来的影响。在一定的条件下，未考虑时延影响的时隙分配算法将导致一些隐性的碰撞，降低时隙带宽的利用效率。
该文结合东南大学国家重点实验室的石油传感器数据采集网络的项目背景，分析了时延带来的碰撞问题，以及在多大的范围内这种碰撞带来的影响大小。对比了cell结构下的时延问题，分析了其TA解决方案的不适用性，并提出了改进的方案以解决Mesh结构下的新问题。
1 无线网络的时延问题
无线信号在空间上的传播是全方向的，而不是定向的。这就是各节点发出的信号是共享空间资源的。若采用TDD的工作方式，而其它资源如频率和码域等都共享的情况下，则时间上的分配在共有空间上必须做到完全独立，不然则可能发生冲突。
1.1 无线情况下的时延
考虑一个3km的传输距离，无线传输的点到点时延t=3km/c=0.01ms。802.16-2004标准下Mesh模式的帧长为2.5-20ms。选取一种短帧T=2.5ms的情况来分析，一个TDD帧除去前端的控制子帧，剩下部分划分成了256个minislot，则每个minislot所占的时长为2.5/256≈0.01ms，这与传输时延是在一个数量级别上。考虑如图1所示A的网络拓扑情况。
其中d(A,C)=2km,d(A,D)=5Km。这样C,D两点信号传输到A点的传播时间差将是0.01ms左右，若在时隙分配算法中DC两个节点分别分配得到前后紧邻的两个时隙来传输各自信息，D在前而C在后，那么两个无线信号到达A的时刻将要重叠掉0.01ms，即大约是一个minislot大小的时隙。于是可能产生碰撞。
1.2 时延的影响
图2 的发送提前，BS‘准时’接收
图4 Mesh下引入TA后仍存在的冲突示意
图5 两种解决方案示意
时延的影响范围与网络的覆盖范围有密切的联系，考虑GSM网络的覆盖范围设为3KM，即超出3KM的范围的MS系统拒绝其接入。这个范围下时延的大小τ=3km/c=0.01ms。中国移动GSM网络的比特速率为270Kbit/s，在τ内所传输的比特数约为3bit。即时延对GSM网络的影响范围是3Bit的滑动。
802.16-2004的室外覆盖范围达50KM，数据传输速率达到70Mbit/s。这个范围下的时延大小为τ=50km/c=0.17ms。
2 GSM网络cell结构中的解决方案
前面的讨论中谈到，因为有传输时延的影响，无线信号的到达时间相对于发送有一个时间偏移。不同的节点间的位置关系不同，传输距离不同，这个时间偏移量也不相同。
GSM网络也是一个时分的体制，所以这个问题也是不可避免的。在广泛商用的GSM网络中，它是有一个专门的用来处理这种点到点的时延问题的机制的。
在GSM网络中设有一个TA值，TA（time advance）即时间提前量。它的值的大小为d/v，这里的距离d是移动台MS相对于基站的距离，这个提前量也就是无线信号从MS传输到基站BS（或反过来）所需的时间。不同的MSn就有不同的TAn。
引入这个提前量之后，MSn在每次需要发送数据时，相对所分配的时隙提前TAn时间发送，这样他们到达基站的时间严格按统一的标准，在BS处的时隙上严格占据分配给自己的那个时隙（如图2所示）。而对于下行，只有BS一个在发，BS按照自身的时间轴，在不同时隙把信号发送给不同的MSn，MSn只要提前各自的TAn去真正属于自己的那个时隙里接收就能收到发送给自己的信息，这样就不会存在碰撞的问题（如图3所示）。
3 方案改良及其他方向
在GSM网络的TA方案中，我们可以看到，问题的解决得益于，无论上下行时隙的定义都找到了一个共同的参考，即BS处的时间坐标。应该说Ta值方案的提出就是针对cell结构的。GSM网络是一个cell结构，即一个中心基站，多个移动台。因为它有1个中心，上下行信号都以BS为中心来发送和接收，所以一个共同的时间基准本身是存在的。TA值的引入只是把不同MS处的时间统一调整到BS这个共同的时间基准上来，从而屏蔽了不同空间的时间维度差异所造成的碰撞。接下来我们将讨论这个方案移植到Mesh网络的情况。
3.1 TA方案在Mesh模式下的不适应性
在Mesh模式下，若是用这种传统的TA值的方法，首先碰到的一个问题是TA值，TA相对谁提前呢？因为在Mesh网络里所有节点将是平等的，没有所谓中心站的概念。时间提前量将没有一个统一的标准了。
3.2 新的网络环境中的应用TA思想
TA在Mesh模式下的不适应性主要原因是没有一个基准，所以要利用它，关键的问题是找到共同的标准。考虑一个节点的接收问题，如果所有发给同一个节点A的信号都相对节点A做提前，这样算是找到了参考的标准，我们来分析一下它的可行性。对于发送给A点的信号能做到各个时隙严格的分割开来。但是这只是一个节点，在Mesh中每个结点是平等的，所以有多少个节点就有多少个这样的标准。这样所有发送给A的信号不会发生冲突，但是发给B的信号却可能与发送给A的信号冲突。因为发给B的信号是相对B做的提前，它保证在B的时间轴上不与这个轴上的A的时隙冲突。但是这个轴上的A时隙不是实际A轴上的A时隙，而有一个时间偏移，所以可能出现碰撞。
如4图示，有线段相连的节点之间有邻居关系，当B有数据发送给C，同时E有数据传输给A，考虑E，B发出的信号都能传到A点，这时候有效的时隙分配算法肯定会在两个不同的时隙上安排适当的带宽给B，E。但是因为没有考虑时延的影响，很可能在分配给B传输的时隙之后下一个minislot开始的时隙就分配给E了。由于B离A的距离比B离C的距离远，所以B发出的数据到达A点时将推迟一些，于是与E发出的信号重叠了，即发生冲突。
现在，对于这个方案的移植来说，关键的是如何解决发送给不同的节点的信号因为相对不同参考系而造成的冲突问题。确切的来说，只有在一个结点发送给它的一个邻居而另一距离更远的邻居下一时隙正好接收信号的时候，冲突才会产生。因为不是邻居的节点(remote node)的信号传不过来，也就不会造成节点的接收冲突。只要解决了这种冲突，TA值方法就能很好的解决Mesh中的时延碰撞问题。
为解决这个问题，我们要考虑当一个节点A分配了一时隙用于发送给其邻居B时其后的时隙不再分配A的距离大于da-b(即TAa-b 3.3 Mesh下新的TA方案
通过上面的分析，我们知道，当一个节点发送时由于其不同邻居的距离不同，提前的TA的参考系只是目的节点，而没有考虑无线信号到达别的邻居时的位移，只有在这种情形下才会产生上述GSM网络中没有的额外的碰撞问题。所以问题的关键也就转移到了解决与不同邻居的参考系的冲突问题。
在TDD的Mesh系統中，MAC层有时隙分配的算法来保证各节点之间的发送和接收不产生碰撞。解决时延问题的方法即是在这个时隙分配算法中增加一些约束条件。
针对问题我们提出了以下2种解决方案。两种解决方案示意图如图5所示。
1）增大保护间隔的思想，若根据时隙分配算法，分配了连续的两个时隙分别用于A发送给其一邻居B而下一时隙用于分配给A的另一邻居C接收，而TAa-b 2）在带宽分配即分组调度算法中考虑加入时延影响，设置约束条件，在某一时隙分配给A用以发送给其一邻居B时，下一时隙不能分配给其另一邻居C(若TAa-b 这两种方案的比较：加保护间隔方法通过增大开销减少碰撞，时隙分配算法中加入时延影响约束条件的方法则通过增加算法复杂度避免了碰撞发生的可能性。
4 结束语
该文通过对GSM网络中TA值方法的改进，成功的把TA值思想移植到了Mesh网络中，提出了新环境下新问题的解决方案。
参考文献：
[1] IEEE Std 802.16-2004.2004.10.1.
[2] 祁玉生,邵世祥.现代移动通信系统[M].北京：人民邮电出版社.2003.6.
关键词：无线；Mesh；时延碰撞；TDD；TA时间提前量
中图分类号：TP393.02文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)36-2621-02
Wireless Mesh Mode Delay Collision Study
ZHONG Wei-zhi, CHEN Xiao-shu
(Southeast University College of Information Science and Engineering; Nanjing 210096,China)
Abstract: According to the wireless mesh network node balance between the characteristics of the research network in TDD mode delay the issue. GSM Network in reference to the TA (the amount of time in advance) method to analyze the structure of the Mesh in the TA program under the non-adaptive, and based on the thinking of the TA to improve the program so that they meet the special Mesh network.
Key words: wireless; mesh; collision delay; TDD; TA amount of time in advance
無线Mesh网络是一种多点对多点的网状网络，各节点之间的关系均衡，是一种对等的网络结构。在Mesh网络中TDD工作方式下，时隙分配的算法需要考虑时延带来的影响。在一定的条件下，未考虑时延影响的时隙分配算法将导致一些隐性的碰撞，降低时隙带宽的利用效率。
该文结合东南大学国家重点实验室的石油传感器数据采集网络的项目背景，分析了时延带来的碰撞问题，以及在多大的范围内这种碰撞带来的影响大小。对比了cell结构下的时延问题，分析了其TA解决方案的不适用性，并提出了改进的方案以解决Mesh结构下的新问题。
1 无线网络的时延问题
无线信号在空间上的传播是全方向的，而不是定向的。这就是各节点发出的信号是共享空间资源的。若采用TDD的工作方式，而其它资源如频率和码域等都共享的情况下，则时间上的分配在共有空间上必须做到完全独立，不然则可能发生冲突。
1.1 无线情况下的时延
考虑一个3km的传输距离，无线传输的点到点时延t=3km/c=0.01ms。802.16-2004标准下Mesh模式的帧长为2.5-20ms。选取一种短帧T=2.5ms的情况来分析，一个TDD帧除去前端的控制子帧，剩下部分划分成了256个minislot，则每个minislot所占的时长为2.5/256≈0.01ms，这与传输时延是在一个数量级别上。考虑如图1所示A的网络拓扑情况。
其中d(A,C)=2km,d(A,D)=5Km。这样C,D两点信号传输到A点的传播时间差将是0.01ms左右，若在时隙分配算法中DC两个节点分别分配得到前后紧邻的两个时隙来传输各自信息，D在前而C在后，那么两个无线信号到达A的时刻将要重叠掉0.01ms，即大约是一个minislot大小的时隙。于是可能产生碰撞。
1.2 时延的影响
图2 的发送提前，BS‘准时’接收
图4 Mesh下引入TA后仍存在的冲突示意
图5 两种解决方案示意
时延的影响范围与网络的覆盖范围有密切的联系，考虑GSM网络的覆盖范围设为3KM，即超出3KM的范围的MS系统拒绝其接入。这个范围下时延的大小τ=3km/c=0.01ms。中国移动GSM网络的比特速率为270Kbit/s，在τ内所传输的比特数约为3bit。即时延对GSM网络的影响范围是3Bit的滑动。
802.16-2004的室外覆盖范围达50KM，数据传输速率达到70Mbit/s。这个范围下的时延大小为τ=50km/c=0.17ms。
2 GSM网络cell结构中的解决方案
前面的讨论中谈到，因为有传输时延的影响，无线信号的到达时间相对于发送有一个时间偏移。不同的节点间的位置关系不同，传输距离不同，这个时间偏移量也不相同。
GSM网络也是一个时分的体制，所以这个问题也是不可避免的。在广泛商用的GSM网络中，它是有一个专门的用来处理这种点到点的时延问题的机制的。
在GSM网络中设有一个TA值，TA（time advance）即时间提前量。它的值的大小为d/v，这里的距离d是移动台MS相对于基站的距离，这个提前量也就是无线信号从MS传输到基站BS（或反过来）所需的时间。不同的MSn就有不同的TAn。
引入这个提前量之后，MSn在每次需要发送数据时，相对所分配的时隙提前TAn时间发送，这样他们到达基站的时间严格按统一的标准，在BS处的时隙上严格占据分配给自己的那个时隙（如图2所示）。而对于下行，只有BS一个在发，BS按照自身的时间轴，在不同时隙把信号发送给不同的MSn，MSn只要提前各自的TAn去真正属于自己的那个时隙里接收就能收到发送给自己的信息，这样就不会存在碰撞的问题（如图3所示）。
3 方案改良及其他方向
在GSM网络的TA方案中，我们可以看到，问题的解决得益于，无论上下行时隙的定义都找到了一个共同的参考，即BS处的时间坐标。应该说Ta值方案的提出就是针对cell结构的。GSM网络是一个cell结构，即一个中心基站，多个移动台。因为它有1个中心，上下行信号都以BS为中心来发送和接收，所以一个共同的时间基准本身是存在的。TA值的引入只是把不同MS处的时间统一调整到BS这个共同的时间基准上来，从而屏蔽了不同空间的时间维度差异所造成的碰撞。接下来我们将讨论这个方案移植到Mesh网络的情况。
3.1 TA方案在Mesh模式下的不适应性
在Mesh模式下，若是用这种传统的TA值的方法，首先碰到的一个问题是TA值，TA相对谁提前呢？因为在Mesh网络里所有节点将是平等的，没有所谓中心站的概念。时间提前量将没有一个统一的标准了。
3.2 新的网络环境中的应用TA思想
TA在Mesh模式下的不适应性主要原因是没有一个基准，所以要利用它，关键的问题是找到共同的标准。考虑一个节点的接收问题，如果所有发给同一个节点A的信号都相对节点A做提前，这样算是找到了参考的标准，我们来分析一下它的可行性。对于发送给A点的信号能做到各个时隙严格的分割开来。但是这只是一个节点，在Mesh中每个结点是平等的，所以有多少个节点就有多少个这样的标准。这样所有发送给A的信号不会发生冲突，但是发给B的信号却可能与发送给A的信号冲突。因为发给B的信号是相对B做的提前，它保证在B的时间轴上不与这个轴上的A的时隙冲突。但是这个轴上的A时隙不是实际A轴上的A时隙，而有一个时间偏移，所以可能出现碰撞。
如4图示，有线段相连的节点之间有邻居关系，当B有数据发送给C，同时E有数据传输给A，考虑E，B发出的信号都能传到A点，这时候有效的时隙分配算法肯定会在两个不同的时隙上安排适当的带宽给B，E。但是因为没有考虑时延的影响，很可能在分配给B传输的时隙之后下一个minislot开始的时隙就分配给E了。由于B离A的距离比B离C的距离远，所以B发出的数据到达A点时将推迟一些，于是与E发出的信号重叠了，即发生冲突。
现在，对于这个方案的移植来说，关键的是如何解决发送给不同的节点的信号因为相对不同参考系而造成的冲突问题。确切的来说，只有在一个结点发送给它的一个邻居而另一距离更远的邻居下一时隙正好接收信号的时候，冲突才会产生。因为不是邻居的节点(remote node)的信号传不过来，也就不会造成节点的接收冲突。只要解决了这种冲突，TA值方法就能很好的解决Mesh中的时延碰撞问题。
为解决这个问题，我们要考虑当一个节点A分配了一时隙用于发送给其邻居B时其后的时隙不再分配A的距离大于da-b(即TAa-b
通过上面的分析，我们知道，当一个节点发送时由于其不同邻居的距离不同，提前的TA的参考系只是目的节点，而没有考虑无线信号到达别的邻居时的位移，只有在这种情形下才会产生上述GSM网络中没有的额外的碰撞问题。所以问题的关键也就转移到了解决与不同邻居的参考系的冲突问题。
在TDD的Mesh系統中，MAC层有时隙分配的算法来保证各节点之间的发送和接收不产生碰撞。解决时延问题的方法即是在这个时隙分配算法中增加一些约束条件。
针对问题我们提出了以下2种解决方案。两种解决方案示意图如图5所示。
1）增大保护间隔的思想，若根据时隙分配算法，分配了连续的两个时隙分别用于A发送给其一邻居B而下一时隙用于分配给A的另一邻居C接收，而TAa-b
4 结束语
该文通过对GSM网络中TA值方法的改进，成功的把TA值思想移植到了Mesh网络中，提出了新环境下新问题的解决方案。
参考文献：
[1] IEEE Std 802.16-2004.2004.10.1.
[2] 祁玉生,邵世祥.现代移动通信系统[M].北京：人民邮电出版社.2003.6.