鐘九洲

（達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 達(dá)州 635000）

0 引言

基于IP協(xié)議新型的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有快速部署、易安裝、非視距傳輸、健壯性、結(jié)構(gòu)靈活及高帶寬的特點(diǎn)。目前無線網(wǎng)絡(luò)用戶和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)多元化的發(fā)展，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的相互影響導(dǎo)致了數(shù)據(jù)傳輸性能的降低；同時(shí)，數(shù)據(jù)在路由層采用WMN傳輸協(xié)議，傳統(tǒng)的單射頻通信需要在信道間頻繁切換，切換過程的時(shí)延降低了網(wǎng)絡(luò)的通信效率。研究人員發(fā)現(xiàn)在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中使用多射頻配合多信道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，信道間不相互影響，提高了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。信道分配策略是提高網(wǎng)絡(luò)交換量的關(guān)鍵因素，結(jié)合目前信道分配方案優(yōu)點(diǎn)和方案制約，本文提出一種基于鏈路層最優(yōu)信道分配算法。

1 MAC協(xié)議的研究

1.1 多信道的MAC協(xié)議

單信道MAC協(xié)議傳輸中，是多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)競爭一個(gè)信道傳輸數(shù)據(jù)和控制信息，節(jié)點(diǎn)對信道的競爭非常激烈，往往相鄰的節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，以及對QoS支持困難，多信道是解決該問題的方法之一。采用多信道傳輸，相鄰節(jié)點(diǎn)能在不同的信道同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，接入控制更加靈活，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能，同時(shí)增加網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性，使網(wǎng)絡(luò)具有更好的抗衰落和噪聲容限。因此在設(shè)計(jì)多信道MAC協(xié)議時(shí)應(yīng)充分考慮信道的分配策略。通過使用信道分配算法，為各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的信道，消除數(shù)據(jù)分組的沖突，使同時(shí)通信的節(jié)點(diǎn)最大化，解決了MA C協(xié)議的瓶頸問題，進(jìn)一步的提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

1.2 MAC協(xié)議面臨的問題

MAC協(xié)議的主要作用是保證資源共享的公平性和有效性，在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中為了提高網(wǎng)絡(luò)交換容量，一般采用多射頻加多信道的方法，同時(shí)使用MAC協(xié)議保證信道公平性和進(jìn)行有效的資源共享。但也存在一些問題。

1.2.1 隱藏終端和暴露終端

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，存在信道分配和競爭問題。各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號，信號會(huì)受無線信道中的噪聲、信道衰落和障礙物的影響，節(jié)點(diǎn)之間的通信跟距離極限有關(guān)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號，網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)不一定都能收到，從而會(huì)出現(xiàn)“隱藏終端”和“暴露終端”問題。受隱藏終端的影響，接收端將因?yàn)閿?shù)據(jù)碰撞而不能正確接收信息，造成發(fā)送端的有效信息的丟失和大量時(shí)間的浪費(fèi)，從而降低了系統(tǒng)的吞吐量。當(dāng)某個(gè)終端成為暴露終端后，由于它偵聽到另外的終端對某一時(shí)隙的占用信息，而放棄了預(yù)約該時(shí)隙進(jìn)行信息傳送。 “隱藏終端”和“暴露終端”的存在，會(huì)造成無線Mesh網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙資源的無序爭用和浪費(fèi)，增加數(shù)據(jù)碰撞概率，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和容量，加大了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)的控制與管理

在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中對WMN的控制和管理主要是通過網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)來完成，在多射頻多信道網(wǎng)絡(luò)中使用MAC協(xié)議，MAC協(xié)議面臨分布式的CA問題會(huì)更加具體和困難，所以在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議應(yīng)充分考慮對WAN的控制和管理。

1.2.3 信道協(xié)商、選擇策略

在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間通信需要在相同的信道上才可以完成，如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不在相同信道則需要通過協(xié)商同步到相同的信道上，因此通信節(jié)點(diǎn)需要利用共享信息獲取信道相關(guān)信息，因此共享信息協(xié)商策略十分重要。共享信息獲取主要使用逐個(gè)查看方法和單一查看方法，實(shí)現(xiàn)技術(shù)有公共控制信道技術(shù)、公共控制時(shí)期技術(shù)、私有信道技術(shù)和私有跳頻序列技術(shù)。

在多個(gè)可用的信道中匹配一個(gè)可用的信道，而且匹配的信道對于兩個(gè)互聯(lián)節(jié)點(diǎn)都有利，這就是信道選擇策略，信道選擇策略可以分為全局機(jī)制和局部機(jī)制。所以在多信道MAC協(xié)議發(fā)送端和接受端使用什么策略協(xié)商、選擇信道交換數(shù)據(jù)是十分重要的。

2 信道分配策略面臨的問題

在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的信道分配時(shí)會(huì)遇到許多問題，如節(jié)點(diǎn)路由數(shù)量問題、正交信道個(gè)數(shù)有限的問題、公共信道不能到達(dá)理論值等，這一系列的問題使用圖像著色算法并不能完全解決，所以在信道分配策略中還要注意以下幾個(gè)方面。

2.1 拓?fù)浔Ｗo(hù)和信道利用率問題

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)相連節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，需要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)使用公共的信道。如何設(shè)計(jì)一個(gè)新的信道分配算法，新的算法主要目的是提高信道的利用率和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的交換量，同時(shí)會(huì)將原來網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓瘯?huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)割據(jù)和鏈路損壞，互聯(lián)性降低等，所以在設(shè)計(jì)新的信道分配策略時(shí)要同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托诺览寐手g的平衡。

2.2 節(jié)點(diǎn)間協(xié)調(diào)問題

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)采用分布式組網(wǎng)方式，沒有中心控制節(jié)點(diǎn)和機(jī)制，而采用動(dòng)態(tài)信道分配方案節(jié)點(diǎn)射頻和信道可以自由切換，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)的射頻端可以使用任意信道，但當(dāng)各節(jié)點(diǎn)與動(dòng)態(tài)CA進(jìn)行通信時(shí)，為了防止各個(gè)節(jié)點(diǎn)間切換到不同的信道，需要一個(gè)協(xié)調(diào)機(jī)制來控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)在相同的公共信道中。

2.3 波紋效應(yīng)

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的射頻端能夠十分方便地與不同的信道切換，其中原節(jié)點(diǎn)切換到新的信道上，原節(jié)點(diǎn)本來連接的鄰居節(jié)點(diǎn)為了繼續(xù)建立通信，也要進(jìn)行相同的信道切換，從而導(dǎo)致其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)必須改變信道分配策略，產(chǎn)生波紋效應(yīng)。

3 基于鏈路層最優(yōu)信道分配策略

基于鏈路層最優(yōu)信道分配策略主要目的是將網(wǎng)絡(luò)信道間的相互干擾優(yōu)化到最小值，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。為了求解分配策略，可以使用ILP模型，將CA問題轉(zhuǎn)化為ILP模型，然后通過求解驗(yàn)證鏈路層最優(yōu)信道策略的準(zhǔn)確性。

3.1 系統(tǒng)模型

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中鏈路和節(jié)點(diǎn)用連接圖G=(V,E)來表示，（其中E表示鏈路集合，V表示節(jié)點(diǎn)集合）為了便于實(shí)驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)最大傳輸距離相同，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)如果在自己覆蓋的范圍就可以互聯(lián)。文章中可用正交集合用C代表，（C={1，2，…，Cmax}）不同的正交信道可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸相互不干擾，同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以配置多個(gè)射頻端。

3.1.2 干擾模型

兩個(gè)相鄰的鏈路在同時(shí)通信時(shí)極有可能產(chǎn)生相互干擾，需要通過干擾模型來進(jìn)行判斷。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道干擾模型一般采用物理模型和協(xié)議模型兩種，協(xié)議模型較為常用。在協(xié)議模型中任意一個(gè)鏈路ei的節(jié)點(diǎn)與鏈路ej的節(jié)點(diǎn)是鄰居節(jié)點(diǎn)，這樣兩條鏈路就有可能相互干擾。

圖1 原網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖2 使用信道分配后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在圖1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲杏蠥至J 10個(gè)節(jié)點(diǎn)，e1到e1313條鏈路.可用信道C1到C4。結(jié)合協(xié)議模型鏈路e10干擾鏈路有e1,e2,e3,e5,e6,e7,e9,e11,當(dāng)信道分配完成以后，真正干擾鏈路只有e3,e11兩條。

3.2 ILP模型

ILP模型需要使用以下概念：

（1）如果鏈路(a,b)和鏈路(i,j)相互干擾，鏈路(i,j)潛在干擾鏈路是(a,b)，(a,b)與(i,j)同時(shí)在相同的信道上傳輸數(shù)據(jù)時(shí),兩條鏈路才會(huì)真正地產(chǎn)生干擾。

（2）與鏈路(a,b)互成潛在干擾的鏈路總數(shù)是鏈路(a,b)的潛在干擾數(shù)，實(shí)際干擾數(shù)是真正相互干擾鏈路總和。

（3）變量I(a,b)(I,j),(a,b)(I,j)∈E,表示鏈路是否受到干擾，當(dāng)一條鏈路是另一條鏈路干擾鏈路，I(a,b)(I,j),為1，相反為 0。

（6）實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)鏈路一般都超過正交的信道數(shù)，所以一條鏈路只能分配一條信道，公式為=1，如果每條鏈路的流量都相同，信道分配后，網(wǎng)絡(luò)中干擾對數(shù)公式為

根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境和各個(gè)節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的干擾情況，就可以使用Lindo軟件進(jìn)行求解確定I(a,b)(I,j)的值，從而得到鏈路層最優(yōu)的信道分配方法。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境采用面向?qū)ο蟮腘S2軟件，使用Hyacinth多信道擴(kuò)展模型擴(kuò)展接口和信道。仿真實(shí)驗(yàn)一共設(shè)20個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的通信距離最大20m，干擾距離最大4om，各個(gè)節(jié)點(diǎn)有效射頻端3個(gè)，正交信道5個(gè)，流量模式采用CBR模式，CBR流大小為0-1Mbps，包大小為1000比特，測試時(shí)間為20秒。下圖是與cca算法比較。

圖3 與cca算法比較

與cca算法對比，本算法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量更大，干擾更少，提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。

5 結(jié)語

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有成本低、維護(hù)簡單、便于擴(kuò)展等優(yōu)勢，是以后無線網(wǎng)接入Internet的重要方式。對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配的研究以及路由的研究，可以對網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和健壯性增強(qiáng)和提高。

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