馮琳函,錢志鴻,金冬成
(吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012)
無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)是一項(xiàng)在寬帶家庭網(wǎng)絡(luò)、社區(qū)和鄰區(qū)網(wǎng)絡(luò)、協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)管理以及智能傳輸系統(tǒng)等新興商業(yè)應(yīng)用中具有良好前景的無(wú)線技術(shù)。它為服務(wù)提供商和終端用戶提供了對(duì)下一代通信系統(tǒng)的無(wú)縫無(wú)線寬帶接入。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同,無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)地自配置、自組織和自愈合,使其前期成本更低,網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作更方便,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更穩(wěn)固,商用覆蓋更穩(wěn)定。此外,多種高級(jí)無(wú)線技術(shù)(例如多接口、多重接入和智能天線等)也可以用來(lái)提高無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的容量。
目前,正在進(jìn)行制定的IEEE 802.11s標(biāo)準(zhǔn)主要用于規(guī)范無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC層和物理層行為[1],其所定義的mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看到,無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)主要包含3類網(wǎng)元:1)與有線網(wǎng)絡(luò)相連接的節(jié)點(diǎn)叫做mesh Portal,也可稱為Root網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),其主要負(fù)責(zé)將無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)接入到有線網(wǎng)絡(luò)中獲取服務(wù);2)具有mesh組網(wǎng)及路由能力的站稱為mesh STA,其自身具有獲取及提供服務(wù)的能力,同時(shí)起到 mesh組網(wǎng)及路由的功能;3)而不具備 mesh組網(wǎng)及路由能力,只享受服務(wù)的網(wǎng)元稱為終端STA[2]。
圖1 IEEE 802.11s無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)
由于無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)采用多跳技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)流量融合,多跳傳輸后的數(shù)據(jù)流性能會(huì)快速下降。而傳統(tǒng)無(wú)線接入技術(shù)由于僅支持單跳傳輸且必須設(shè)置于接近有線網(wǎng)絡(luò)的位置,無(wú)法滿足更大范圍覆蓋的需求[3~5]。因此,無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)研究工作的焦點(diǎn)主要集中于如何降低鏈路間的競(jìng)爭(zhēng)和干擾并提升網(wǎng)絡(luò)容量。本文論述了關(guān)于這一難點(diǎn)的一些問(wèn)題。
無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)面臨的主要問(wèn)題是帶寬不足。無(wú)線信道由廣播特性進(jìn)行表征,當(dāng)兩端間的鏈路被占用時(shí),覆蓋范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)將不能進(jìn)行傳輸,導(dǎo)致單信道無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的吞吐量較低。寬帶應(yīng)用的用戶需求無(wú)法得到滿足。因此,利用多個(gè)正交信道進(jìn)行數(shù)據(jù)分組傳輸將顯著提升網(wǎng)絡(luò)的吞吐量[6,7]。由此可見(jiàn),建立網(wǎng)絡(luò)資源的高效分配機(jī)制對(duì)于無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的性能提升具有重要意義。無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的資源分配包括2方面內(nèi)容:一是信道分配機(jī)制;另外一個(gè)則是多信道路由協(xié)議。本文主要關(guān)注基于 IEEE 802.11s的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的信道分配策略。
目前,基于802.11s mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配的研究比較開放。文獻(xiàn)[8]采用對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配同樣信道集合的方式來(lái)進(jìn)行信道分配,這種方式雖然易于實(shí)現(xiàn)且也能保證網(wǎng)絡(luò)連通性,但是對(duì)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性不夠;在文獻(xiàn)[9]中提出基于負(fù)載感知的信道分配策略,但其依附于路由協(xié)議聯(lián)合設(shè)計(jì),信道分配前只基于虛鏈路容量進(jìn)行評(píng)估,考慮相對(duì)簡(jiǎn)單;在文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中提出了一種基于C-HYA的準(zhǔn)靜態(tài)信道分配方案,但是該方案沒(méi)有考慮信道干擾,增加了mesh網(wǎng)絡(luò)自身的競(jìng)爭(zhēng)性;文獻(xiàn)[12]提出了基于干擾沖突的貪婪信道分配策略,但鏈路評(píng)估時(shí)沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,降低了網(wǎng)絡(luò)性能。
而本文所介紹的信道分配策略包括流量評(píng)估和信道分配2個(gè)階段,首先引入了用于流量感知計(jì)算的mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量模型及干擾模型,然后以此為基礎(chǔ)提出了改進(jìn)的信道分配機(jī)制,并對(duì)新算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了新算法的波紋效應(yīng)概率以及與一般信道分配機(jī)制的干擾性能對(duì)比。
由上節(jié)可簡(jiǎn)單知曉網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(通常是根節(jié)點(diǎn)Root Portal)是無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)中 STA訪問(wèn)有線網(wǎng)絡(luò)的必經(jīng)節(jié)點(diǎn),通常STA通過(guò)建立到達(dá)Root Portal的路徑來(lái)對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問(wèn),因此流量需經(jīng)過(guò)所有選擇路徑上的節(jié)點(diǎn),這就決定了處于不同位置的中間STA節(jié)點(diǎn)的負(fù)載不同,離Root Portal越近,該STA就需要為越多節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組,其上的流量負(fù)載也就越大。除了STA負(fù)載流量外,STA在信道分配時(shí)還受干擾程度的影響,無(wú)線傳輸?shù)男再|(zhì)決定了STA受其通信范圍內(nèi)所有其他STA的影響。
Mesh網(wǎng)絡(luò)的多跳性決定了中繼 STA需要為其他STA進(jìn)行負(fù)載流量的轉(zhuǎn)發(fā),若假設(shè)流量總是從最外節(jié)點(diǎn)流向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),則每一個(gè)中繼STA的流量由2部分組成,一部分來(lái)源于其外層STA的流量,另一部分為其自身通信服務(wù)范圍內(nèi)mesh終端所發(fā)送的數(shù)據(jù)流量,則第n層的流量負(fù)載 T (n)可表示為
其中, T (n + 1 )表示第 n + 1 層的總流量, R (n,i)表示第n層,第i個(gè)服務(wù)mesh終端所產(chǎn)生的流量。特殊地,若 n = 0 ,則表示該層只有網(wǎng)關(guān) Root Portal節(jié)點(diǎn),只負(fù)責(zé)承載外層流量,即 T ( 0) = T (1);若n = N ,則表示該層為最外層,其流量只由被服務(wù)的mesh終端產(chǎn)生,即
所有第n層節(jié)點(diǎn)均為第n+1層節(jié)點(diǎn)提供負(fù)載中轉(zhuǎn)服務(wù),同時(shí)也都是本層所有 mesh終端的服務(wù)節(jié)點(diǎn),則整個(gè)第n層就可以被看成是一個(gè)排隊(duì)系統(tǒng),而 mesh網(wǎng)絡(luò)也可以被看成是由若干個(gè)獨(dú)立排隊(duì)系統(tǒng)的組合。
假設(shè)mesh終端產(chǎn)生的流量會(huì)被中繼STA全部轉(zhuǎn)發(fā),網(wǎng)關(guān)Root節(jié)點(diǎn)具備無(wú)限的處理能力,同時(shí)每層STA數(shù)據(jù)的到達(dá)速率λ及其對(duì)數(shù)據(jù)分組的處理速率μ服從獨(dú)立的Poisson分布。則由于需承載外層的負(fù)載流量,中繼STA的處理能力可能無(wú)法滿足業(yè)務(wù)量的輸入需求,因此第 n層節(jié)點(diǎn)組成的排隊(duì)系統(tǒng)具有有限的緩存容量 C (n),若第n層有 M (n)個(gè)節(jié)點(diǎn),則該層的排隊(duì)系統(tǒng)可以表示為M/M/M (n)/ C(n)。特殊地,若 n = 0 ,則網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)所在層的系統(tǒng)根據(jù)前面假設(shè)可以表示為 M/M/1/∞;若n = N,則最外層的排隊(duì)系統(tǒng)根據(jù)假設(shè)可以表示為M/M/M (N)/∞。對(duì)于第n層的排隊(duì)系統(tǒng),其穩(wěn)定狀態(tài)下,第k個(gè)數(shù)據(jù)分組的到達(dá)概率如式(2)所示。
其中, p0(n)的計(jì)算式表示為
特殊地,對(duì)于 n = 0 的情況,即Root Portal網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)所在的M/M/1/∞系統(tǒng),其數(shù)據(jù)分組到達(dá)概率為
對(duì)于n = N時(shí)的最外層M/M/M (N)/∞系統(tǒng),其數(shù)據(jù)分組的到達(dá)概率為
由于第 n層排隊(duì)系統(tǒng)為損失制系統(tǒng) M/M/M(n)/C(n),則意味著并不是所有到達(dá)該層的流量負(fù)載都會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)第n-1層,根據(jù)之前的公式,可以計(jì)算第n層中繼STA上的有效到達(dá)率為
其中, Pdis(n)為第n層系統(tǒng)的平均分組丟失率,具體計(jì)算如式(9)所示。
當(dāng) n = 0 時(shí),由于Root Portal STA不承載mesh終端的流量,同時(shí)自身具有無(wú)限緩存能力,則其有效輸出為
而當(dāng)n = N 時(shí),由于最外層的STA不需轉(zhuǎn)發(fā)其他層STA的負(fù)載,同時(shí)對(duì)mesh終端產(chǎn)生的流量具有完全處理能力,則其有效輸出為
干擾模型可以用來(lái)分析某特定信道的干擾,參考文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[13],首先定義節(jié)點(diǎn)的干擾 I ntf(m )為
其中,B為使用同一信道的帶寬,單位為Mbit/s;L為數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度,單位為 byte。然而在實(shí)際應(yīng)用中,以節(jié)點(diǎn)干擾作為感知度量通常對(duì)于多射頻接口并不易實(shí)現(xiàn),因此常以節(jié)點(diǎn)流量干擾模型計(jì)算鏈路的情況,再以鏈路為感知參量計(jì)算節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí),之后再進(jìn)行信道分配。如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)中,總共有5條鏈路使用信道3,然而對(duì)于鏈路A-B而言,其干擾域內(nèi)的相同鏈路為4條(包括A-B自身)。為了方便實(shí)現(xiàn),將鏈路的干擾度定義為
圖2 信道干擾示意
由上面的描述可知,流量及干擾模型可以有效地對(duì)信道情況進(jìn)行評(píng)估,下面討論如何根據(jù)這些評(píng)估結(jié)果來(lái)對(duì)信道進(jìn)行分配的方式。對(duì)于已關(guān)聯(lián)的一對(duì)mesh STA來(lái)說(shuō),它們需要通過(guò)一條共享信道來(lái)建立邏輯的通信鏈路。換而言之,mesh STA可以通過(guò)減少與自己共享公共信道的鄰居STA來(lái)降低干擾。因此,信道分配的目的其實(shí)就是要在保證網(wǎng)絡(luò)連接性的同時(shí)降低干擾到可接受的范圍。目前,無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中的mesh STA設(shè)備具備支持多信道多接口的能力,這使得端到端分組傳輸?shù)臅r(shí)延及帶寬得到很好的性能表現(xiàn),在這種情況下,通常采用固定信道分配的方式,這是因?yàn)橥瑒?dòng)態(tài)和混合方式[14,15]相比,固定方式更加容易實(shí)現(xiàn)。
固定信道分配是指通過(guò)預(yù)先策略分配信道給相關(guān)射頻接口,直到算法被下次激活時(shí)該信道都不會(huì)改變的方式。固定信道分配算法目前的研究工作開展得比較廣泛深入,大部分固定信道分配策略都會(huì)采用貪婪算法。貪婪算法可以保證不需要有過(guò)多的開銷來(lái)進(jìn)行信道協(xié)調(diào),并不需要對(duì)MAC層做出太多修正,但同其他分配策略相比其缺乏靈活性。C-HYA結(jié)構(gòu)及其算法是目前采用比較多的一種固定分配策略,作為分布式信道分配方法,其只需利用本地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和本地業(yè)務(wù)負(fù)載流量信息來(lái)實(shí)現(xiàn)信道分配和路由計(jì)算[16]。但不可避免地,C-HYA結(jié)構(gòu)算法會(huì)面臨“波紋效應(yīng)”的問(wèn)題,即在信道分配過(guò)程中會(huì)進(jìn)行迭代運(yùn)算,為了達(dá)到更優(yōu)的效果,已分配好的鏈路可能會(huì)受到后面分配鏈路的影響而重新分配,從而導(dǎo)致該方法的時(shí)間復(fù)雜度增加。如圖3(a)所示,在節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b沒(méi)有任何信道來(lái)保證連接性,此時(shí)會(huì)分配信道1, 4, 3, 8中的一個(gè)給此鏈路,但是無(wú)論使用哪個(gè)信道,都會(huì)對(duì)其他已經(jīng)被訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)的信道分配造成影響,如圖3(b)所示,就像水中的“波紋”一樣。
圖3 波紋效應(yīng)示意
本文提出的增強(qiáng)型算法可以有效降低波紋效應(yīng)的影響,這是因?yàn)樵摲峙洳呗圆捎昧烁印柏澙贰钡姆绞?,使STA在一次隊(duì)列中進(jìn)行等待,強(qiáng)制每一個(gè)STA只被訪問(wèn)一次。通過(guò)該方法,避免了原方法中由于迭代運(yùn)算造成的已分配信道結(jié)果的更改,因而波紋效應(yīng)問(wèn)題更多的是受設(shè)備能力和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道資源的影響,而不是機(jī)制本身。
不僅如此,該增強(qiáng)型策略對(duì)于隊(duì)列的處理也采用貪婪方式。首先,對(duì)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判斷,判斷依據(jù)如下。1)跳數(shù)開銷。跳數(shù)依據(jù)是指mesh STA和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的最小跳數(shù),其可以決定快速收斂的能力,該信息可從路由表信息中獲取,mesh網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議具備統(tǒng)計(jì)跳數(shù)的能力;2)射頻端口,用以決定其的網(wǎng)絡(luò)容量支持能力,接口越多,優(yōu)先級(jí)越低;3)鏈路負(fù)載,當(dāng)前鏈路負(fù)載越高,越需要被先訪問(wèn),節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)越高[17]。 因此節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)可以由式(4)求出:其中,Link(j)屬于Node(i)。
之后訪問(wèn)各STA,開始實(shí)施第2層次的貪婪算法,根據(jù)鄰對(duì)節(jié)點(diǎn)未被分配的射頻接口數(shù)量,分為3種情況:1)2個(gè)mesh STA都不含有未分配的射頻接口;2)只有其中一個(gè)mesh STA含有未分配的射頻接口;3)2個(gè)mesh STA都含有未被分配的射頻接口。通常,一般算法會(huì)根據(jù)流量模型,將負(fù)載最少的信道分配給射頻接口,但是對(duì)于干擾情況沒(méi)有加以完善的考慮,而實(shí)際上是可以根據(jù)干擾模型,有效利用信道復(fù)用的原理。基于這點(diǎn),對(duì)于第3種情況,首先讓其優(yōu)先考慮干擾域外的信道,無(wú)論該信道資源是否總和負(fù)載量較大,充分復(fù)用信道,之后再考慮干擾域內(nèi)的最小負(fù)載信道。其相關(guān)信息可以從第n+1跳的鄰居節(jié)點(diǎn)獲得,其中,n為干擾距離和通信距離的比值,通常該值介于2~3之間[18]。其實(shí)現(xiàn)的偽碼如圖4所示。
圖4 增強(qiáng)型信道分配策略實(shí)現(xiàn)偽代碼
本節(jié)將從波紋效應(yīng)及信道干擾情況對(duì)信道分配算法進(jìn)行結(jié)果分析。首先,這里采取 5×5的方形格網(wǎng)化模型,如圖5所示,其中,第13節(jié)點(diǎn)為Root節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)與有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連通,其余節(jié)點(diǎn)為普通mesh STA,除網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)外,其余節(jié)點(diǎn)隨機(jī)承載mesh客戶端的流量,同時(shí)每一個(gè)STA配置2個(gè)或3個(gè)射頻接口,復(fù)用的總正交信道數(shù)采用3條或者12條[19,20]以作對(duì)比分析。
圖5 仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>
首先,看一下采用該信道分配算法下波紋效應(yīng)的影響,在這里根據(jù)mesh STA射頻接口和無(wú)線信道的數(shù)量分成4種情況討論。對(duì)仿真網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多次運(yùn)行觀察,一旦發(fā)生某鏈路沒(méi)有信道保證鏈接時(shí),則統(tǒng)計(jì)波紋效應(yīng)發(fā)生次數(shù),該次數(shù)與運(yùn)行次數(shù)取比值后的波紋效應(yīng)發(fā)生概率結(jié)果如表1所示。
表1 波紋效率發(fā)生概率
從表中可以看到,對(duì)于每個(gè)mesh STA有2個(gè)射頻接口的情況,在有3個(gè)無(wú)線信道可被分配時(shí),該發(fā)生概率近似為 9%,此時(shí)波紋效應(yīng)的影響并不明顯。但是對(duì)于當(dāng)存在 12個(gè)無(wú)線信道可分配時(shí),波紋效應(yīng)相當(dāng)明顯,發(fā)生概率達(dá)到35%。在同樣射頻接口資源情況下,造成該大幅增長(zhǎng)的原因就是當(dāng)非重疊的無(wú)線信道資源增長(zhǎng)時(shí),已被優(yōu)先分配信道的離散性會(huì)增強(qiáng),當(dāng)需要分配公共信道時(shí),波紋效應(yīng)就會(huì)增加。而對(duì)每個(gè)mesh STA有3個(gè)射頻接口時(shí),在2種信道數(shù)量條件下,其都不受波紋效應(yīng)的影響,這說(shuō)明充分的射頻接口物理資源可以有效對(duì)抗該效應(yīng),并且比信道資源的影響要重要。同時(shí)由于新的算法只允許每個(gè)STA進(jìn)行一次訪問(wèn),在信道分配后鏈路吞吐性能上會(huì)有所下降,但實(shí)際仿真發(fā)現(xiàn)與原算法差距并不大。圖6顯示了采用該算法下3個(gè)射頻接口12個(gè)信道情況下與非貪婪機(jī)制下每條鏈路的有效吞吐量對(duì)比,從圖中可以發(fā)現(xiàn),由于新算法能獲得鏈路干擾上的大幅改進(jìn)(見(jiàn) 4.3節(jié)的分析),因此從有效吞吐量[21]上看其可以得到相應(yīng)提升。
圖6 有效吞吐量對(duì)比
一旦發(fā)生波紋效應(yīng),簡(jiǎn)單的解決辦法就是利用系統(tǒng)隨機(jī)時(shí)變性,增加信道重分配的響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[18]提出了一種通過(guò)公共信道配置默認(rèn)協(xié)商保證機(jī)制的方法。但總而言之,在有充分射頻資源時(shí),增強(qiáng)型算法產(chǎn)生的波紋效應(yīng)并不明顯且可抗。
圖7表示了采用增強(qiáng)型信道分配算法時(shí)鏈路的干擾情況,采用式(13)來(lái)統(tǒng)計(jì)鏈路干擾度,縱軸表示干擾度(Mbit/s),橫軸表示鏈路編號(hào)。從圖中可以看到,該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c一般算法相比,82.5%的鏈路具有改進(jìn)的效果,平均每一條鏈路的干擾影響降低了將近17.55%,系統(tǒng)總干擾影響降低了14.62%。這說(shuō)明該增強(qiáng)算法對(duì)于干擾抵抗具備有效性,達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。
本文從保證無(wú)線連接性和降低信道干擾之間取得平衡的角度出發(fā),對(duì)IEEE 802.11s 網(wǎng)絡(luò)的信道分配策略進(jìn)行研究,提出了改進(jìn)方法,并進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新的算法在抵抗波紋效應(yīng)和同信道干擾上較改進(jìn)前都有了很大提高。未來(lái)的研究工作將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)從以下3方面展開:隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端的發(fā)展,更多關(guān)注動(dòng)態(tài)信道分配算法及混合信道分配算法的性能改進(jìn);隨著物理層技術(shù)的不斷發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的完善,應(yīng)更大程度從用戶的感知角度出發(fā)考慮算法性能;同時(shí)在本文中,由于做了跨層優(yōu)化的假設(shè),因此需要進(jìn)一步的工作來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。
圖7 鏈路干擾對(duì)比
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