信道分配與負(fù)載均衡相結(jié)合的多信道路由協(xié)議

欒淵鑫，葉竹君

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

信道分配與負(fù)載均衡相結(jié)合的多信道路由協(xié)議

欒淵鑫，葉竹君

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

為了降低鄰居節(jié)點(diǎn)間的信道沖突，最大化并行傳輸?shù)男诺罃?shù)目，從而提高移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的性能，提出了一種信道分配和路由選擇相結(jié)合的多信道路由協(xié)議LBMMR.LBMMR協(xié)議在MAC層和路由層間進(jìn)行實(shí)時(shí)的信道狀態(tài)的信息交互，節(jié)點(diǎn)根據(jù)信道狀態(tài)列表，在每一跳中始終選擇信道干擾指數(shù)最小的信道，從而減少與鄰居節(jié)點(diǎn)的信道干擾和沖突.在路由選擇方面，以信道已用帶寬和節(jié)點(diǎn)接口隊(duì)列長(zhǎng)度作為負(fù)載均衡的判據(jù)，在全路徑范圍內(nèi)找到一條負(fù)載均衡且干擾最小的路徑.仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有的多信道路由協(xié)議相比，LBMMR在網(wǎng)絡(luò)吞吐量、端到端時(shí)延等方面具有明顯的性能提升.

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；信道分配算法；路由算法；多信道多接口；負(fù)載均衡

移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組具有無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的自組織通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間不需依賴(lài)其他網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施便可以自主的進(jìn)行通信[1].多信道技術(shù)是解決無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的干擾性、提高網(wǎng)絡(luò)容量的最有效、最常用的技術(shù).無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)中的隱藏和暴露終端，以及無(wú)線(xiàn)信道相干性限制了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的容量，采用多信道技術(shù)可降低這一影響，多信道技術(shù)在信道利用率和網(wǎng)絡(luò)容量方面都有顯著的提高，所以多信道技術(shù)成為了當(dāng)前和未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向.

目前在無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)中多信道技術(shù)研究主要集中在多信道路由協(xié)議和多信道跨層設(shè)計(jì)方面[2-3].文獻(xiàn)[4]提出了多射頻多信道 WMN 網(wǎng)絡(luò)中的公平帶寬分配問(wèn)題，以網(wǎng)絡(luò)效用最大化來(lái)建立跨層優(yōu)化，將信道分配作為優(yōu)化變量，以降低干擾為目的在多信道傳輸中.文獻(xiàn)[5]將信道分配和路由選擇聯(lián)合優(yōu)化，在路由建立過(guò)程中動(dòng)態(tài)分配信道，聯(lián)合信道分配的跨層優(yōu)化可以明顯提升網(wǎng)絡(luò)性能.文獻(xiàn)[6]提出一種多接口鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR，MR-LQSR是DSR協(xié)議的改進(jìn)版本W(wǎng)CETT考慮了路徑總時(shí)延和瓶頸信道的時(shí)延.MCR[7]參考了MR-LQSR的路由度量策略，使用了比信道數(shù)少的接口數(shù)，能夠支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?文獻(xiàn)[8]提出了基于機(jī)會(huì)路由的多信道路由協(xié)議，綜合考慮接口和信道分配、數(shù)據(jù)流傳輸調(diào)度等問(wèn)題并提出一個(gè)按優(yōu)先級(jí)的機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)算法以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量.

1 J-CAR協(xié)議描述

J-CAR[9](Joint Channel Assignment and Routing Protocol)是一個(gè)在A(yíng)ODV[10]基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的按需式分布多信道路由協(xié)議.相鄰節(jié)點(diǎn)在控制信道上周期性的廣播HELLO交換包，用來(lái)相互確認(rèn).當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，它首先在自己的路由列表中查找到目的節(jié)點(diǎn)的路由，如果路由存在并有效，則立即開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)；如果沒(méi)有找到有效路徑，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)RREQ(路由請(qǐng)求)包，并攜帶其建議發(fā)送和接受的信道用于該路由.每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)會(huì)檢查所建議信道的可用性，附加自己的信道選擇在RREQ中并廣播給下一跳節(jié)點(diǎn).當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到第一個(gè)RREQ，它將啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器用于發(fā)現(xiàn)其他不同路徑的RREQ包.當(dāng)定時(shí)結(jié)束時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)選擇最寬路徑，并通過(guò)反向路徑發(fā)送一個(gè)RREP(路由應(yīng)答)包給源節(jié)點(diǎn)，在確認(rèn)選擇路徑的同時(shí)，將對(duì)應(yīng)信道分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn).

1.1 接口分配與信道分配

J-CAR中一個(gè)節(jié)點(diǎn)配有多個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口，其中有一個(gè)接口被分配到固定的控制信道進(jìn)行操作，被稱(chēng)為控制接口.它主要用于傳播控制信息和廣播包.剩下的接口被稱(chēng)為數(shù)據(jù)接口，用于在不同的數(shù)據(jù)信道上傳輸數(shù)據(jù).J-CAR在執(zhí)行所選擇的數(shù)據(jù)信道時(shí)采用802.11四次握手機(jī)制即RTS-CTS-DATA-ACK.相應(yīng)的在控制信道的負(fù)載會(huì)減輕，因?yàn)榭刂菩诺郎现话酚尚畔⒑虷ELLO包.剩余的容量可以被用于承載數(shù)據(jù)包來(lái)提高信道的利用率.控制信道有一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送概率P：當(dāng)p=0時(shí)，該控制信道不會(huì)用來(lái)傳輸任何數(shù)據(jù)分組；當(dāng)p=l時(shí)，控制信道和其他數(shù)據(jù)信道一樣，有同等的機(jī)會(huì)被選中傳輸數(shù)據(jù)分組.對(duì)比預(yù)先分配接收信道的機(jī)制，J-CAR需要更少的信道數(shù).

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)基于信道干擾指數(shù)選擇最佳的信道進(jìn)行通信.J-CAR提出的信道干擾指數(shù)不會(huì)主動(dòng)的感知信道，它依賴(lài)于定期發(fā)送HELLO報(bào)文對(duì)信道狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，這使得它可以充分利用數(shù)據(jù)接口發(fā)送分組.由于干擾參數(shù)將協(xié)議和物理干擾模型考慮在內(nèi)，相比單一的干擾模型，J-CAR具有更好的信道選擇.此外，J-CAR的干擾參數(shù)可以使用適當(dāng)?shù)穆窂綋p耗指數(shù)適應(yīng)不同的傳播條件.

1.2 長(zhǎng)度受限的最寬路徑路由

帶寬可能是路由最重要的性能指標(biāo)，但確定無(wú)線(xiàn)鏈路的剩余帶寬是不容易的.不同于大多數(shù)分布式聯(lián)合信道分配和路由算法如文獻(xiàn)[11-12]，只是簡(jiǎn)單的尋找最短或者延遲最小的路徑.J-CAR使用信道干擾指數(shù)為路由的鏈路帶寬做啟發(fā)式度量.路徑帶寬是由具有最大參數(shù)值(瓶頸)鏈路來(lái)確定.對(duì)于一個(gè)雙向路徑，正向路徑是由源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)起的連接，而反向路徑與正向路徑相反.J-CAR可以提供不同的優(yōu)先級(jí)，以找到一個(gè)更好的正向/反向路徑，J-CAR重點(diǎn)放在尋找?guī)捵顚挼恼蚵窂?

路由過(guò)程中，瓶頸鏈路的干擾指數(shù)被記錄在RREQ中.由于RREQ是被廣播的，多個(gè)RREQ包(每個(gè)對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的路徑)將先后到達(dá)目的節(jié)點(diǎn).當(dāng)?shù)谝粋€(gè)RREQ包到達(dá)時(shí)，節(jié)點(diǎn)不會(huì)立即回復(fù)RREP，目的節(jié)點(diǎn)此時(shí)會(huì)啟動(dòng)一個(gè)delay_RREP定時(shí)器來(lái)記錄隨后到達(dá)的RREQ包.在定時(shí)器超時(shí)之后到達(dá)的RREQ包將會(huì)丟棄，因?yàn)樗休^長(zhǎng)的傳播時(shí)延.在所有接收到的RREQ包中，用最小跳數(shù)-距離(hmin)的路徑將會(huì)被確認(rèn).一般情況下，一個(gè)較長(zhǎng)跳數(shù)-距離的路徑分組碰撞的概率較高，容易對(duì)其他路徑產(chǎn)生更多干擾.為避免選擇過(guò)長(zhǎng)的路徑，一個(gè)可調(diào)節(jié)的閾值(TH)被使用.所有路徑長(zhǎng)度小于hmin+ TH跳數(shù)的路徑將被作為候選路徑.目的節(jié)點(diǎn)在候選路徑中選擇帶寬最寬的路徑，并發(fā)送RREP確認(rèn)此路徑.

值得注意的是，最寬路徑選擇同樣發(fā)生在每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只沿最寬路徑轉(zhuǎn)發(fā)RREQ.這樣雖然可以進(jìn)一步提高路由性能，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的時(shí)延因?yàn)橹虚g節(jié)點(diǎn)必須等待一定時(shí)間來(lái)識(shí)別該RREQ的最寬路徑.

1.3 J-CAR協(xié)議存在的不足

J-CAR雖然在很多方面有不錯(cuò)的表現(xiàn)，但仍然存在著不足之處.首先，J-CAR協(xié)議的信道分配方式使節(jié)點(diǎn)根據(jù)鏈路的干擾參數(shù)選擇信道，并沒(méi)有實(shí)時(shí)地參考MAC層的信道狀況，這種信道分配方式是不完善的.其次，由于J-CAR在路徑選擇方面采用的是長(zhǎng)度受限的最短路徑策略，由于移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性，路由建立后鏈路依然有可能發(fā)生重大變化，這時(shí)協(xié)議不能有效的感知變化從而做出相應(yīng)的調(diào)整.最后，J-CAR沒(méi)有對(duì)路徑進(jìn)行負(fù)載均衡，原文作者認(rèn)為J-CAR已經(jīng)在多跳路徑中選擇了帶寬最寬的路徑，便沒(méi)有必要來(lái)消耗額外的資源對(duì)所選路徑進(jìn)行負(fù)載均衡了.然而一個(gè)好的路由選擇算法，應(yīng)該避免某些節(jié)點(diǎn)或鏈路負(fù)載過(guò)重而另外一些節(jié)點(diǎn)或鏈路出現(xiàn)空閑的情況，如果大量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)集中在某些節(jié)點(diǎn)，必然會(huì)使這些節(jié)點(diǎn)負(fù)載過(guò)重從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)瓶頸或擁塞，使得網(wǎng)絡(luò)性能下降.

2 基于節(jié)點(diǎn)負(fù)載的跨層多信道路由協(xié)議

2.1 協(xié)議的改進(jìn)

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種新的信道分配與路由選擇相結(jié)合的多信道路由協(xié)議LBMMR(Load Balance Multi-channel Multi-interface Routing)，該協(xié)議采用動(dòng)態(tài)的接口分配策略，將接口分為控制接口、發(fā)送模式接口和接收模式接口.控制接口用于接收和發(fā)送控制信道上的信息，在發(fā)送模式下的接口可以切換到不同的數(shù)據(jù)信道將數(shù)據(jù)包發(fā)送到不同的鄰居節(jié)點(diǎn)，但它被禁止接受數(shù)據(jù)包.在接收模式下，接口只能工作在一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)信道，主要用于數(shù)據(jù)接收和有限的數(shù)據(jù)發(fā)送.在信道分配策略方面，LBMMR協(xié)議在MAC層和路由層間進(jìn)行信道狀態(tài)的信息交互，節(jié)點(diǎn)在MAC層實(shí)時(shí)的收集在其通信范圍內(nèi)數(shù)據(jù)信道的狀態(tài)信息，并建立信道狀態(tài)列表.節(jié)點(diǎn)根據(jù)信道狀態(tài)列表，在每一跳中始終選擇信道干擾指數(shù)最小的信道，并通過(guò)設(shè)計(jì)新的MRTS/MCTS框架，在控制信道來(lái)完成數(shù)據(jù)信道的預(yù)約，這樣有效的避免了多信道隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題.最后在路由選擇方面，將節(jié)點(diǎn)發(fā)送接口隊(duì)列長(zhǎng)度和信道可用帶寬，作為度量值來(lái)衡量節(jié)點(diǎn)的負(fù)載.信道已用帶寬越大，接口隊(duì)列越長(zhǎng)說(shuō)明節(jié)點(diǎn)的負(fù)載越重.通過(guò)探測(cè)機(jī)制，收集鏈路的負(fù)載信息，在多條路徑間動(dòng)態(tài)的調(diào)整負(fù)載分配，實(shí)現(xiàn)了多路徑間的最大程度上的負(fù)載均衡.

2.2 基于信道干擾指數(shù)的多信道分配機(jī)制

LBMMR協(xié)議通過(guò)MAC層和路由層間進(jìn)行的信道狀態(tài)信息交互，節(jié)點(diǎn)在MAC層實(shí)時(shí)的收集在其通信范圍內(nèi)數(shù)據(jù)信道的狀態(tài)信息并建立信道狀態(tài)列表.當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要跟另一節(jié)點(diǎn)相互通信時(shí)，它通過(guò)廣播包將路由層上的路徑信息傳遞給MAC層.廣播是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)重要的活動(dòng).在LBMMR中我們通過(guò)廣播信標(biāo)BB(Broadcast Beacon)來(lái)宣布廣播包到來(lái)的時(shí)間.

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)基于信道干擾指數(shù)選擇最佳的信道進(jìn)行通信.在不考慮節(jié)點(diǎn)感知的情況下，我們定義信道i的干擾指數(shù)為：

(1)

k是干擾范圍，γ是路徑損耗因子，usage(i,j)是信道使用列表.每個(gè)節(jié)點(diǎn)維持一個(gè)信道使用列表usage(i,j)用來(lái)記錄節(jié)點(diǎn)使用信道i在j跳范圍內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)量.i∈[0,n-1]，j∈[0,k+1]當(dāng)j=0，usage(i,j)是節(jié)點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)下的信道使用情況.每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算它的發(fā)送負(fù)載，并利用周期性的廣播HELLO包來(lái)與其相鄰節(jié)點(diǎn)交換它的發(fā)送負(fù)載.節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播包上的路徑信息，根據(jù)式(1)在每一跳中選取信道干擾指數(shù)Indexi最小的信道進(jìn)行通信.并通過(guò)設(shè)計(jì)新的MRTS/MCTS框架，在控制信道上完成信道的競(jìng)爭(zhēng)和預(yù)約.

LBMMR分配了專(zhuān)用的控制信道用于數(shù)據(jù)信道的競(jìng)爭(zhēng)和路由信息的廣播，圖1中C1、C2代表數(shù)據(jù)信道，C0代表控制信道.本文采用IEEE 802.11 RTS / CTS的握手機(jī)制的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)多信道在移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的傳輸機(jī)制.在LBMMR中我們?nèi)∶麨镸RTS/MCTS，不同于802.11RTS/CTS握手機(jī)制，更多的信息需要被使用來(lái)表示其他數(shù)據(jù)信道的使用情況.

圖1 LBMMR數(shù)據(jù)傳輸圖

圖2 MRTS幀格式

MRTS控制幀格式如圖2所示，接收地址代表接收節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)，發(fā)送地址代表發(fā)送節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)包信息計(jì)算出各個(gè)信道的干擾指數(shù)Indexi并將干擾指數(shù)的數(shù)值計(jì)入信道可用列表中.當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)MRTS幀時(shí)，它首先比較MRTS信道可用列表中的信道狀態(tài)，從中挑選出信道干擾指數(shù)最小的信道作為數(shù)據(jù)信道，并將所選信道和信道占用時(shí)間等信息放入MCTS包中回復(fù)給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，若所選信道在發(fā)送方一端也可用則信道分配成功.否則預(yù)選信道不能被接受.接收節(jié)點(diǎn)將回復(fù)CRI，要求延遲twait后重新競(jìng)爭(zhēng)信道.MCTS和CRI結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 MCTS和CRI的幀結(jié)構(gòu)

2.3 動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡路由機(jī)制

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的負(fù)載均衡，本文采用文獻(xiàn)[13]建立的探測(cè)機(jī)制，新增了一對(duì)路由控制報(bào)文：LDQ和LDP即負(fù)載監(jiān)測(cè)請(qǐng)求包和應(yīng)答包.他們的作用是用來(lái)實(shí)時(shí)的記錄路徑上節(jié)點(diǎn)的負(fù)載信息，LDQ是由發(fā)送節(jié)點(diǎn)在路由建立后立即發(fā)出的請(qǐng)求包，目的節(jié)點(diǎn)在收到LDQ包后回復(fù)LDP應(yīng)答包給發(fā)送節(jié)點(diǎn)，LDQ和LDP在經(jīng)過(guò)中間節(jié)點(diǎn)是便會(huì)記錄各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載信息，并將其傳遞給發(fā)送節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn).

本文將信道已用帶寬和發(fā)送接口隊(duì)列長(zhǎng)度作為衡量節(jié)點(diǎn)負(fù)載的重要參數(shù)，他們是通過(guò)負(fù)載監(jiān)測(cè)包LDQ和LDP得到的數(shù)值.信道已用帶寬和發(fā)送接口隊(duì)列長(zhǎng)度能夠準(zhǔn)確的反映信道的使用情況，信道已占用帶寬越大、發(fā)送接口隊(duì)列長(zhǎng)度越大說(shuō)明節(jié)點(diǎn)的負(fù)載越重；反之，則越輕.信道的已用帶寬定義如下：

(2)

Tbusy是在給定時(shí)間T內(nèi)，信道處于發(fā)送、接收和碰撞等繁忙狀態(tài)的總時(shí)間.將兩個(gè)時(shí)間的比值乘以信道理論的最大帶寬便是信道的已用帶寬.路徑A的信道已用帶寬為各節(jié)點(diǎn)信道已占用帶寬的總和即：

(3)

其中:Boccupied(k)表示節(jié)點(diǎn)k的已占用信道帶寬，路徑A的隊(duì)列接口長(zhǎng)度LenlinkA為各節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的總長(zhǎng)度值：

(4)

由此可得出路徑A的總負(fù)載狀況值LRrouteA由信道已占用總帶寬Bload_linkA和隊(duì)列接口總長(zhǎng)度LenlinkA組成的，其計(jì)算公式如下：

(5)

其中:α為權(quán)重值，α∈[0,1].LR越大，表示鏈路的負(fù)載越重，鏈路的整體性能越差.在計(jì)算LR準(zhǔn)則過(guò)程中，首先將信道已占用總帶寬和隊(duì)列接口總長(zhǎng)度進(jìn)行歸一化，然后進(jìn)行加權(quán)求和.α代表選路權(quán)重，當(dāng)α=1時(shí)改進(jìn)機(jī)制退化為完全由信道已用帶寬決定.反之，當(dāng)α=0時(shí)意味著完全采用隊(duì)列接口長(zhǎng)度作為選路標(biāo)準(zhǔn).目的節(jié)點(diǎn)綜合考慮信道已用帶寬和隊(duì)列接口長(zhǎng)度，選擇最優(yōu)路徑，并回復(fù)REEP消息，源節(jié)點(diǎn)收到RREP后完成路徑建立過(guò)程.通過(guò)MAC層和路由層間進(jìn)行信息交互，將路徑信息通過(guò)廣播包的方式傳遞給MAC層，在所選路徑的每一跳中選擇信道干擾值最小的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并完成信道分配，這樣增加了并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)，從而提高了網(wǎng)絡(luò)性能.

3 仿真結(jié)果與分析

本文在NS2.34下對(duì)LBMMR的性能進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并且與J-CAR、MCR進(jìn)行了對(duì)比.路徑損耗因子γ= 4，用于利用公式(1)確定信道的干擾參數(shù).在MAC層實(shí)現(xiàn)了信道分配和MRTS/MCTS沖突回避機(jī)制，在路由層建立了基于探測(cè)機(jī)制的負(fù)載均衡，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)負(fù)載.其中參數(shù)α=0.7，因?yàn)樾诺酪延脦捀軌蛴行У姆从承诺喇?dāng)前的狀況，節(jié)點(diǎn)接口隊(duì)列長(zhǎng)度可能不完全屬于同一條路徑，但它預(yù)示著未來(lái)一個(gè)階段鏈路的負(fù)載程度同樣不可忽略其影響.

3.1 靜態(tài)單跳場(chǎng)景

靜態(tài)單跳仿真場(chǎng)景如下：16個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于200 m×200 m的范圍內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3塊網(wǎng)絡(luò)接口，全網(wǎng)共有4個(gè)不重疊的信道，所有UDP產(chǎn)生的CBR業(yè)務(wù)流為1 000 packet/s，即4 MB/s，信道的傳輸速率為6 MB/s.仿真場(chǎng)景中共設(shè)置7對(duì)業(yè)務(wù)流，仿真時(shí)業(yè)務(wù)流隨機(jī)的選取發(fā)送節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，仿真時(shí)間為60 s，為了減小隨機(jī)誤差，仿真結(jié)果取20次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值.

將LBMMR與J-CAR、MCR在不同業(yè)務(wù)負(fù)載下進(jìn)行比較，系統(tǒng)的總吞吐量如圖4所示.由于在單跳網(wǎng)絡(luò)中，路由的影響很小，因此網(wǎng)絡(luò)性能很大程度上取決于信道分配策略.由于MCR采用了信道預(yù)分配策略，信道分配是在路由建立之前完的，因此接收節(jié)點(diǎn)可能使用相同的信道在接受數(shù)據(jù)時(shí).相比之下，J-CAR平均分配各信道的數(shù)據(jù)流，選擇信道干擾指數(shù)最小的信道使系統(tǒng)性能有所提升，但J-CAR協(xié)議僅通過(guò)send channel list(S-list)和receive channel list(R-list)來(lái)完成信道協(xié)商，信道分配機(jī)制不夠完善.LBMMR協(xié)議在MAC層和路由層間進(jìn)行信道狀態(tài)的交互，并通過(guò)設(shè)計(jì)新的MRTS/MCTS框架，在控制信道完成數(shù)據(jù)信道的預(yù)約，有效降低了信道間的干擾和沖突，呈現(xiàn)出最佳的網(wǎng)絡(luò)性能.

圖4 靜態(tài)場(chǎng)景總吞吐量

3.2 動(dòng)態(tài)多跳場(chǎng)景

本節(jié)在多跳動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中來(lái)研究路由選擇和信道分配的綜合影響，仿真使用3塊網(wǎng)絡(luò)接口和12個(gè)不重疊的物理信道，信道的通信距離為250 m.隨機(jī)放置50個(gè)節(jié)點(diǎn)在700 m×700 m的區(qū)域內(nèi).運(yùn)動(dòng)方向和速度隨機(jī)生成，運(yùn)動(dòng)速度v為0～25之間的隨機(jī)值，服從均勻分布，改變v的大小，觀(guān)察其性能的變化，每次模擬隨機(jī)產(chǎn)生5條數(shù)據(jù)流.見(jiàn)圖5、6.

圖5 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景端到端延遲

圖6 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景總吞吐量

三種協(xié)議在不同節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度下的平均端到端時(shí)延和總吞吐量如圖所示.由于網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性，節(jié)點(diǎn)較高的移動(dòng)速度會(huì)導(dǎo)致更多的路徑故障，從而使網(wǎng)絡(luò)中原有的路由逐漸失效.此時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)便需要尋找新的路由.LBMMR通過(guò)實(shí)時(shí)的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，可以使負(fù)載較輕的節(jié)點(diǎn)及時(shí)的接入路由中，這樣有效的避開(kāi)了擁塞程度較高的路徑，從而有效的降低了端到端時(shí)延.同時(shí)由于避開(kāi)了網(wǎng)絡(luò)中的擁塞節(jié)點(diǎn)，并且保持了路由層和MAC層實(shí)時(shí)的信道信息交換，采用了動(dòng)態(tài)的信道分配機(jī)制，在多個(gè)信道中選擇信道干擾指數(shù)最小的信道避免了信道間的干擾和沖突，提高了網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了多信道多接口的路由協(xié)議.為降低共用信道的干擾，提高網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量.本文在J-CAR協(xié)議的基礎(chǔ)上改進(jìn)了多信道分配機(jī)制，并建立了具有動(dòng)態(tài)探測(cè)機(jī)制的路由負(fù)載均衡，提出一種新的多信道跨層路由協(xié)議LBMMR.仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的LBMMR較J-CAR和MCR在端到端時(shí)延和系統(tǒng)總吞吐量性能方面均有了明顯的提升.但由于LBMMR協(xié)議實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況，導(dǎo)致路由的維護(hù)成本增加，另外算法中用到的參數(shù)，如路徑損耗因子γ，負(fù)載參數(shù)α都需要進(jìn)一步的優(yōu)化.在以后工作中，應(yīng)考慮改進(jìn)已有的路由選擇算法，降低路由開(kāi)銷(xiāo)，從而進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能.

[1] 于宏毅. 無(wú)線(xiàn)移動(dòng)自組織網(wǎng)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2005.

[2] IEEE Std 802.11. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY) specifications[C]// NewYork : Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1997.

[3] ZHAO C X, WANG R C. Multi-channel Assignment in wireless mesh network [J]. Journal of Nanjing University of Post and Telecommunication, 2010, 30(1): 18-25.

[4] RAD A H M, WONG V W S. Cross-layer fair bandwidth sharing for multi-channel wireless mesh networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, 7(9): 3436-3445.

[5] CHIU H S, YEUNG K L, LUI K. J-CAR: an efficient joint channel assignment and routing protocol for IEEE 802.11-based multi-channel multi-interface mobile ad hoc networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications, 2009, 8(4): 1706-1715.

[6] TARIQUE M, TEPE K. Minimum energy hierarchical dynamic source routing for mobile ad hoc networks[C]// Ad Hoc Networks, 2009: 1125-1135.

[7] 梁文峰. 多信道無(wú)線(xiàn) Ad-Hoc 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2011. 4-22.

[8] CHIU H S, YEUNG K L, LUI K S. J-CAR: An Efficient Joint Channel Assignment and Routing Protocol for IEEE 802.11-BasedMulti-Channel Multi-InterfaceMobile Ad Hoc Networks [J].IEEE Transactions on Wireless Communications, 2009: 1706-1715.

[9] D STAROBINSKI, XIAO W, QIN X,etal. Near- Optimal Data Dissemination Policies for Multi- Channel[C]//Single Radio Wireless Sensor Networks, Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Communications, 2007: 955- 963.

[10] 曹 勇. 多信道自組織網(wǎng)絡(luò)容量和路由協(xié)議研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2008. 7-46.

[11] SHU T, CUI S, KRUNZ M. Medium access control for multi-channel parallel transmission in cognitive radio networks[C]// IEEE GLOBECOM Conference, 2006. 1-5.

[12] ZHEN Y, WU D, SUN B,etal. Parallel Packet RedundancyMechanism Based on Link Lifetime Estimation in MANET[C]// Wireless Communications, Networking and Mobile Computing. 2008. 1-4.

[13] 張理軼, 樊曉平, 廖志芳. 一種適用于移動(dòng)自組網(wǎng)的多徑多信道負(fù)載均衡路由協(xié)議[J]. 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 2013, 34(8): 1763-1767.

A multi-channel routing protocol for channel assignment and routing algorithm joint

LUAN Yuan-xin, YE Zhu-jun

(School of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In order to reduce co-channel conflict and maximize the number of parallel transmission, thereby improving the performance of mobile Ad hoc networks, this paper proposed a multi-channel routing protocol LBMMR which combines with channel assignment and routing. The channel state and information can be exchanged between MAC and routing layer in real time. In order to reduce channel interference and conflicts with neighboring nodes, each node according to the channel usage list has always selected the least channel interference index at each hop. To find the least interfered path for network load balancing on a global scale, LBMMR employed occupied channel bandwidth and the length of the node’s interface-queue as the reference of the node routing. Simulation results showed that compared with the existing multi-channel routing protocols, LBMMR provided much higher system total throughputs and shorter end-to-end packet delays.

Ad hoc network; channel assignment; routing; multi-channel multi-radio; load balancing

2014-04-23.

欒淵鑫(1987-)，男，碩士，研究方向：無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò).

TP393

A

1672-0946(2015)05-0583-06