多接口無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由技術(shù)研究

王昊++李舸++石勁濤

摘 要：由于集成電路以及通信網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的迅猛快速發(fā)展，基于基站的傳統(tǒng)單跳網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍和部署實(shí)施方面呈現(xiàn)出很大的局限性；隨著無(wú)線收發(fā)機(jī)在小型化、低成本方面的發(fā)展，在相同的無(wú)線節(jié)點(diǎn)上集成多個(gè)無(wú)線的收發(fā)機(jī)顯然很普遍，所以多個(gè)接口多個(gè)信道多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)變成了以后無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展領(lǐng)域之一。多接口多信道多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的資源分配問(wèn)題較傳統(tǒng)的單跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜，需要考慮到資源有時(shí)域、空域、頻域等許多方面，原本屬于不同網(wǎng)絡(luò)間的節(jié)點(diǎn)也有可能暫時(shí)接入到網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)流量的突發(fā)性問(wèn)題顯得更加明顯，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系更加復(fù)雜。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源分配的目的以及問(wèn)題也有很大差異。在該文中，筆者考慮多跳無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)、多接口無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域無(wú)線共享網(wǎng)絡(luò)三個(gè)具體場(chǎng)景下的多接口多信道多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的資源分配問(wèn)題，并分別進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：多接口無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道分配路由技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（b）-0024-02

多接口多信道技術(shù)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中減少鏈路干擾、提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的有效途徑，但如何合理有效地進(jìn)行信道分配已成為多接口多信道無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所面臨的主要問(wèn)題之一。針對(duì)自私的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，該文使用非合作博弈對(duì)異構(gòu)條件下多接口節(jié)點(diǎn)的信道分配問(wèn)題進(jìn)行建模分析，其納什均衡解為解決該問(wèn)題所需的穩(wěn)定的信道分配方案。該文首先討論納什均衡的存在條件并提出實(shí)現(xiàn)納什均衡的分布式算法。此外，考慮到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)僅能感知局部信道信息以及接口工作信道受限等因素，該文進(jìn)一步改進(jìn)算法并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其收斂性進(jìn)行證明，通常由媒質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）層來(lái)處理某個(gè)競(jìng)爭(zhēng)空域的資源分配問(wèn)題，譬如調(diào)度型的分配—時(shí)分多址接入（TDMA）、碼分多址接入（CDMA）、頻分多址接入（FDMA），競(jìng)爭(zhēng)型的分配—載波監(jiān)聽多址接入（CSMA）等。該文會(huì)在實(shí)驗(yàn)室的前期工作基礎(chǔ)上針對(duì)該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的資源分配問(wèn)題展開研究，其重點(diǎn)主要從信道分配以及路由協(xié)議兩個(gè)層面開始闡述。盡管雖然多接口多信道多跳無(wú)線通信技術(shù)的研究都有共性的問(wèn)題，但是在不同應(yīng)用場(chǎng)合下，網(wǎng)絡(luò)的自身同樣有著一些特殊性，在分配資源的過(guò)程中所遇到的問(wèn)題都不相同。

1 在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源分配問(wèn)題中多跳線多接口多信道的研究綜述

多跳線多接口多信道無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道分配面臨著前所未有的巨大挑戰(zhàn)：干擾是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能下降的最主要原因，由于干擾問(wèn)題，絕大多數(shù)情況下會(huì)導(dǎo)致信道分配成為NP-hard問(wèn)題；在討論多接口多信道網(wǎng)絡(luò)連通性問(wèn)題時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就存在著節(jié)點(diǎn)無(wú)法連接的危險(xiǎn)，信道分配方案需要考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；然而引起漣漪效應(yīng)和信道震蕩現(xiàn)象甚至破壞網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性則是由壞的信道分配方案造成的。

多接口多信道多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道分配方案的判斷方法有很多，在該篇文本中則以網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的不同分為分布式和集中式兩大類。對(duì)于集中式的方法，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)存在一個(gè)中心控制器，它能知道全網(wǎng)信息。遇到這種情況，信道分配多數(shù)是以建模方式進(jìn)行運(yùn)算，在由得出結(jié)果的中央控制器進(jìn)行非配節(jié)點(diǎn)或者調(diào)度鏈路的方式。由流量的類型，也可以把分布式細(xì)分為兩類：面向個(gè)體方案和網(wǎng)關(guān)方案。前者假定網(wǎng)絡(luò)為多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通信是無(wú)固定的模式，在此情境下的網(wǎng)絡(luò)流量一般顯現(xiàn)出一定的不確定性；后者假定在無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，網(wǎng)絡(luò)中大部分流量源自網(wǎng)關(guān)或者去網(wǎng)關(guān)，所以可看出信道分配方案是：送給相近網(wǎng)關(guān)的鏈路比較高的信道帶寬。（如圖1）

由路由信息傳遞給網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的息的方式可將多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議分為兩種：按表格驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議與按需路由。按需路由只有在源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，才開始廣泛傳播路由并且發(fā)現(xiàn)報(bào)文，探尋路由初始化過(guò)程。只需發(fā)現(xiàn)所有可能的路由或者只要找到一條路由均已檢查完成，就可以結(jié)束在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的找路過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)路由緩存都由一個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)，在這當(dāng)中記錄著原來(lái)發(fā)現(xiàn)的路由，以此來(lái)杜絕重復(fù)性尋路的發(fā)生。將路由創(chuàng)建完畢后，根據(jù)一種路由維護(hù)機(jī)制維護(hù)此路由，當(dāng)發(fā)生異常中斷或無(wú)效時(shí)路由將重新尋路。

表格驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)均建立并維護(hù)一個(gè)或多個(gè)儲(chǔ)存信息的表格，以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的最新路由信息可以從所有的節(jié)點(diǎn)到達(dá)其他任意節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)需要周期性的發(fā)送控制報(bào)文以維護(hù)這些路有信息。

實(shí)際上無(wú)論是按需理由或者表格驅(qū)動(dòng)路由的協(xié)議，路由的網(wǎng)絡(luò)性能主要由路由評(píng)價(jià)指標(biāo)決定。

2 對(duì)路由與不確定流量的信道分配的改進(jìn)

頻域范圍內(nèi)的接口與信道資源、時(shí)域和空域范圍的鏈路資源等三項(xiàng)組成了多接口無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)資源項(xiàng)。它們的分配需要對(duì)路由協(xié)議和信道分配方式進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。信道分配的方式規(guī)定了不同時(shí)隙中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口（和鏈路）與信道之間的對(duì)應(yīng)性。源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的路由是否有效，則分屬于路由協(xié)議的方向。信道分配方式和路由協(xié)議之間互相影響，在對(duì)這兩者不斷調(diào)整之后，最終會(huì)得到模型的最優(yōu)解。對(duì)此，基于時(shí)分復(fù)用的鏈路調(diào)度可以有效的實(shí)現(xiàn)模型的最優(yōu)解。

該文中可以假設(shè)網(wǎng)絡(luò)流量具有一定隨機(jī)性，同時(shí)忽略多徑傳輸所帶來(lái)的額外協(xié)議開銷。

將一隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，并分別定義為集合S和D。網(wǎng)絡(luò)流量可以用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)u代表V中的聚合流量需求。由節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)的實(shí)際速率就是節(jié)點(diǎn)在所在鏈路的實(shí)際流量，可得出?？梢钥闯觯?jié)點(diǎn)間的流量通過(guò)多徑路由方式經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的均衡，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。通過(guò)一個(gè)中央調(diào)度服務(wù)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鏈路周期性循環(huán)調(diào)度，選取一個(gè)公共信道作為所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的控制信令傳輸信道，鏈路調(diào)度的周期設(shè)為T。中央調(diào)度器為每一條鏈路分配工作信道，安排一組鏈路處于激活狀態(tài)，所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口支持信道切換，每個(gè)時(shí)間間隙內(nèi)一個(gè)節(jié)電接口只能被一條鏈路使用，只有節(jié)點(diǎn)對(duì)工作與多個(gè)不同的信道上的鏈路時(shí)才可以并行傳輸，從而獲得聚合流量。

3 時(shí)延最小化的多接口自組網(wǎng)路由協(xié)議框架

固定信道接口的信道管理主要包括兩個(gè)過(guò)程：節(jié)點(diǎn)選擇合適的固定通道作為自己的信道接口，把自己當(dāng)前的信道通知相鄰節(jié)點(diǎn)。該文使用本地化分布式協(xié)議來(lái)為固定通道接口分配信道，確保所有的相鄰節(jié)點(diǎn)都能夠使用不同的信道作為自己的固定通道。正如上文所述，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的固定信道信息表NT。同時(shí)節(jié)點(diǎn)還包含一個(gè)信道使用表CUL，通過(guò)這個(gè)信道使用表可以知道節(jié)點(diǎn)兩跳之內(nèi)使用某個(gè)信道作為固定信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。endprint

通過(guò)提高空間復(fù)用度的方式可以減少多接口多信道的干擾，以達(dá)到提高吞吐量的目的。節(jié)點(diǎn)內(nèi)部處理時(shí)延不予考慮，傳輸時(shí)延為整條路徑的端到端主要時(shí)延，通過(guò)鏈路的等效帶寬計(jì)算可以獲得。網(wǎng)絡(luò)鏈路之間干擾的影響下鏈路的實(shí)際有效帶寬為鏈路的等效帶寬。對(duì)于路由評(píng)價(jià)指標(biāo)DSRM，其路由框架如圖2。

在協(xié)議框架中，對(duì)現(xiàn)有按需路由協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行修改，以使其能夠支持多接口多信道特性。此外，根據(jù)具體的鏈路模型進(jìn)行時(shí)延評(píng)估，所以路由評(píng)價(jià)中對(duì)競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)延的計(jì)算并不局限于某一具體的MAC層協(xié)議（如圖3）。

4 結(jié)語(yǔ)

多接口多信道多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要考慮的系統(tǒng)資源有時(shí)域和空域范圍的鏈路資源、頻域范圍內(nèi)的信道資源與接口等。物理層、MAC層以及網(wǎng)絡(luò)層等都被這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的資源分配問(wèn)題的研究所涵蓋，于信道分配和路由協(xié)議的設(shè)計(jì)是資源分配的關(guān)鍵所在。雖然多接口多信道技術(shù)的研究具有一些共性問(wèn)題，但網(wǎng)絡(luò)自身在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下存在著特殊性，因此網(wǎng)絡(luò)在資源分配過(guò)程中所面臨的問(wèn)題各不相同。

目前多接口多信道多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)研究已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，該網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議的研究和信道分配方案己經(jīng)取得了豐碩的研究成果。但是這些成果還存在著不少局限性，很多關(guān)鍵技術(shù)和理論問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。雖然現(xiàn)有的多接口多信道多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用仍然存在不少困難，但隨著國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者的共同努力以及硬件成本的進(jìn)一步減少，可以預(yù)見未來(lái)無(wú)線通信技術(shù)必有多接口多信道多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

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