無線mesh網(wǎng)的跨層設(shè)計(jì)及其應(yīng)用*

張永忠，馮穗力

（1.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州　510006；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣州　510310）

無線mesh網(wǎng)的跨層設(shè)計(jì)及其應(yīng)用*

張永忠**1，2，馮穗力1

（1.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣州510006；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣州510310）

根據(jù)無線mesh網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)的基本原理，分析了跨層設(shè)計(jì)系統(tǒng)中各模塊的功能和各種需要考慮的因素。提出一種綜合了無線mesh網(wǎng)高效的狀態(tài)信息交換方法和先進(jìn)路由算法的跨層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前鏈路狀態(tài)、擁塞情況和能量等因素，合理選擇傳輸路徑。同時(shí)還給出了該方法在電網(wǎng)高壓輸電監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。仿真和實(shí)驗(yàn)表明所提方案在實(shí)際應(yīng)用時(shí)在強(qiáng)壯性、吞吐量和時(shí)延等方面都有良好的性能。

無線mesh網(wǎng)；跨層設(shè)計(jì)；資源調(diào)度管理；能量均衡；高壓輸電監(jiān)控系統(tǒng)

1　引　言

無線mesh網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)通常包括無線傳輸鏈路容易受到各種干擾的影響、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化、節(jié)點(diǎn)能量受限等。極端情況下，需要同時(shí)考慮上述各種不利因素［1］。無線mesh網(wǎng)的調(diào)度管理和資源優(yōu)化配置等很大程度上歸結(jié)為選路問題。目前無線mesh網(wǎng)的路由協(xié)議主要有兩類∶一是先應(yīng)式路由協(xié)議，主要包括節(jié)點(diǎn)序列距離矢量協(xié)議（Destination Sequenced Distance Vector Routing，DSDV）［2］、無線路由協(xié)議（Wireless Routing Protocol，WRP）［3］和優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議（Optimized Link State Routing，OLSR）等；二是反應(yīng)式路由協(xié)議，主要包括無線自組網(wǎng)按需距離向量路由協(xié)議（Ad hoc On -Demand Distance Vector Routing，AODV）、動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議（Dynamic Source Routing，DSR）等。前者能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化適時(shí)調(diào)整路由表，轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)快，但開銷較大；后者無需定期發(fā)送路由交互信息，開銷較小，但每次連接需要尋路，時(shí)延較大。為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源利用，減少開銷及時(shí)延，人們提出了跨層設(shè)計(jì)的概念，通過不斷收集網(wǎng)絡(luò)傳輸需求和運(yùn)行的狀態(tài)信息，合理選擇傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化利用。

本文系統(tǒng)地分析了無線mesh網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)基本原理和方法，針對(duì)無線mesh在電網(wǎng)高壓輸電線路監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用需求，提出一種結(jié)合跨層設(shè)計(jì)和能量均衡的資源調(diào)度方法和路由策略，給出了仿真結(jié)果和工程應(yīng)用的示例。

2　無線mesh網(wǎng)跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)建模

無線mesh網(wǎng)的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)最優(yōu)化建模與計(jì)算問題，其基本思路是首先確定反映優(yōu)化目標(biāo)的效用函數(shù)，效用函數(shù)視不同的優(yōu)化目標(biāo)而異，如可以是系統(tǒng)吞吐量最大、平均時(shí)延最小或能耗最低等，也可以是一個(gè)體現(xiàn)若干個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的聯(lián)合優(yōu)化函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)資源可以被看成是由各種要素，包括頻譜帶寬、功率、節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)能量、節(jié)點(diǎn)處理能力和緩沖空間大小等組成的一個(gè)集合。若用s表示網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)端到端的數(shù)據(jù)流，xs表示相應(yīng)的速率；Res表示一個(gè)單位數(shù)據(jù)流s需要使用某一個(gè)資源e的數(shù)量，Ce表示某一個(gè)資源e擁有的總的有限容量，Us（xs）表示所設(shè)定的效用函數(shù)，跨層設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化問題可以表達(dá)為如下一般形式［4-5］的優(yōu)化問題∶

根據(jù)具體建模后優(yōu)化問題的具體表達(dá)式，可以進(jìn)一步分為凸問題和非凸問題。凸問題一定有最優(yōu)解，主要考慮的是如何降低計(jì)算復(fù)雜度。非凸問題的求解較為復(fù)雜，目前仍有不少研究是關(guān)于如何求解非凸問題的。某些非凸問題可以通過變換，變?yōu)槟撤N限定條件下凸問題來求解，還有一些則可通過拉格朗日對(duì)偶轉(zhuǎn)化來求這些問題的次優(yōu)解。大量的研究集中在如何采用智能計(jì)算方法，如模擬退火算法、遺傳算法、蟻群算法等來求解非凸問題［4-7］。

采用跨層設(shè)計(jì)的無線mesh網(wǎng)優(yōu)化過程是動(dòng)態(tài)循環(huán)的，主要包括三個(gè)階段∶一是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息獲取，收集包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、信道特性、擁塞和能量情況等狀態(tài)信息，并將信息匯聚到控制中心或者交換到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分布式控制的各個(gè)節(jié)點(diǎn)；二是優(yōu)化計(jì)算，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及相應(yīng)的約束條件，計(jì)算得到新的資源配置調(diào)整結(jié)果，如新的路由表等；三是控制信息發(fā)布與配置，對(duì)于采用集中控制方式的mesh網(wǎng)絡(luò)，需要將控制信息發(fā)布到各個(gè)需要調(diào)整工作參數(shù)的節(jié)點(diǎn)；對(duì)于采用分布式控制的mesh網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)可直接計(jì)算得到結(jié)果，并對(duì)節(jié)點(diǎn)工作參數(shù)進(jìn)行新的配置。對(duì)于一個(gè)典型的分布式控制的無線mesh網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)系統(tǒng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的功能模塊和相互間的關(guān)系如圖1所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)定期或不定期地獲取網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)在各層中的狀態(tài)信息并存放到節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息庫中，策略庫中可預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的各種參數(shù)，如節(jié)點(diǎn)是否是使用再生能源供電、選用何種路由策略、優(yōu)化過程考慮什么約束條件等。為降低系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的計(jì)算復(fù)雜度，在應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)具體情況對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化問題進(jìn)行簡(jiǎn)化。

圖1　無線mesh網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)功能模塊Fig.1 The cross-layer design function block for wireless mesh network

在采用跨層設(shè)計(jì)的無線mesh網(wǎng)中，要保證系統(tǒng)的高效率運(yùn)行，最關(guān)鍵的是要保證在各個(gè)節(jié)點(diǎn)間能夠及時(shí)有效地獲取自身的狀態(tài)信息和交換其他節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。無線mesh網(wǎng)的物理層和鏈路層可以采用面向連接的工作機(jī)制，如IEEE 802.16 mesh的工作模式；也可以采用非面向連接的工作機(jī)制，如IEEE 802.11 mesh的工作模式。在我們?cè)O(shè)計(jì)路由協(xié)議CLWRP（Cross-layer Wireless Routing Protocol）中，節(jié)點(diǎn)間主要通過HELLO和拓?fù)淇刂疲═opology Control，TC）兩種消息來交換網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，其中HELLO消息用于建立節(jié)點(diǎn)的鄰居表，通過周期性廣播和偵聽HELLO消息，獲取兩跳拓?fù)鋬?nèi)所有鄰居節(jié)點(diǎn)和二跳鄰居節(jié)點(diǎn)的信息。HELLO分組只在一跳的范圍廣播，不被轉(zhuǎn)發(fā)。TC消息則用于交換全網(wǎng)絡(luò)中的部分或者全部節(jié)點(diǎn)的各層狀態(tài)信息。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)所包含的具體功能模塊和相互之間關(guān)系如圖2所示。當(dāng)有報(bào)文到達(dá)時(shí)，根據(jù)不同的報(bào)文類型做相應(yīng)的操作∶

（1）普通數(shù)據(jù)報(bào)文，進(jìn)一步確定是否發(fā)送到本節(jié)點(diǎn)的報(bào)文，若是，則送到相應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)程；若不是，則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）HELLO報(bào)文，則可據(jù)此判斷鄰居節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)鏈路的工作狀況，由此可維系網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間可達(dá)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

（3）TC報(bào)文，則從中可以得到網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息，如節(jié)點(diǎn)的端口數(shù)及端口的連接狀態(tài)、可用的射頻信道以及信道特性、節(jié)點(diǎn)的擁塞情況，還可以包括應(yīng)用層所需傳輸?shù)念愋秃蜆I(yè)務(wù)量以及相關(guān)節(jié)點(diǎn)能量?jī)?chǔ)備等，節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)則可以從不同功能的層中直接獲取。

圖2　功能模塊間的關(guān)系Fig.2 The relationship among function blocks

跨層設(shè)計(jì)的參數(shù)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息庫中的信息和策略及算法庫預(yù)設(shè)的方法來決定。參數(shù)更新的間隔則主要由網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)變化情況而定，一般情況下可以周期性更新，遇到網(wǎng)絡(luò)較大的狀態(tài)變化時(shí)，如鏈路故障或擁塞時(shí)，則可立刻發(fā)送更新的信息。獲得新的跨層設(shè)計(jì)參數(shù)后，可對(duì)本節(jié)點(diǎn)相應(yīng)層的工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；對(duì)于網(wǎng)絡(luò)層來說，主要涉及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整和路由表更新；同時(shí)本節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)或參數(shù)變化情況也通過TC消息方式通告網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)。CLWRP路由協(xié)議中TC報(bào)文的交換方式，采用了OLSR路由中多點(diǎn)中繼的機(jī)制和自適應(yīng)朦朧視覺的發(fā)布策略，由此可以最大限度地節(jié)省傳遞TC消息的開銷。

3　跨層設(shè)計(jì)與能量均衡

3.1CLWRP的跨層設(shè)計(jì)與綜合路由策略

CLWRP路由協(xié)議采用的跨層設(shè)計(jì)方法，綜合采用了如下3種技術(shù)∶

（1）OLSR中的多點(diǎn)中繼（Multi-Point Relay， MPR）技術(shù)

每個(gè)發(fā)送TC消息的源節(jié)點(diǎn)，如圖3所示的節(jié)點(diǎn)A，會(huì)將TC消息發(fā)往所有的一跳節(jié)點(diǎn)，但對(duì)二跳節(jié)點(diǎn)不再采用傳統(tǒng)洪泛方式，只有被節(jié)點(diǎn)A選中為MPR節(jié)點(diǎn)的一跳節(jié)點(diǎn)才會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)TC消息，MPR節(jié)點(diǎn)選取原則是其能夠連接最多的下一跳節(jié)點(diǎn)（如圖中H、I、J和K），MPR機(jī)制可節(jié)省大量的傳輸資源。

圖3　多點(diǎn)中繼示意圖Fig.3 The multi-point relay diagram

（2）自適應(yīng)朦朧視覺（Adaptive Hazy Sighted Link State，A-HSLS）技術(shù)

A-HSLS算法是一種仿生魚眼的方法。魚眼對(duì)于其附近的視覺是清晰的，而對(duì)于遠(yuǎn)處則是模糊的，魚通常關(guān)注其周圍的情況。A-HSLS算法將TC消息進(jìn)行分類，不同類別的TC消息發(fā)布的范圍不同。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的位置瞬時(shí)有變化時(shí)，或者其鄰居節(jié)點(diǎn)探測(cè)到其變化時(shí)，會(huì)及時(shí)通過TC消息告知周圍節(jié)點(diǎn)。但這些頻繁發(fā)送TC消息并不是每次都擴(kuò)散到全網(wǎng)，發(fā)布到全網(wǎng)的TC消息相對(duì)周期較大。這樣既可以使拓?fù)涞淖兓罱K傳遍全網(wǎng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也不會(huì)使得TC消息報(bào)文占據(jù)過多傳輸資源。合理選擇A-HSLS算法中不同類別的TC消息發(fā)布范圍可保證無線mesh網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)頻繁變化的環(huán)境下仍能高效工作。

圖4給出了一個(gè)示例，當(dāng)節(jié)點(diǎn)D的位置發(fā)生移動(dòng)時(shí)，附近的節(jié)點(diǎn)首先感知其變化，感知到變化后的相鄰節(jié)點(diǎn)會(huì)立刻修改到該節(jié)點(diǎn)的路由，因?yàn)檫@些突變產(chǎn)生的TC消息發(fā)布范圍較小，因此變化后的拓?fù)湫畔⒅鸩讲艜?huì)擴(kuò)散到全網(wǎng)。在此期間，若節(jié)點(diǎn)S有報(bào)文要發(fā)送給節(jié)點(diǎn)D，當(dāng)其未察覺節(jié)點(diǎn)D的位置已經(jīng)發(fā)生變化時(shí)，依然會(huì)選擇原來的傳輸路徑S-AB-C-D；因?yàn)榭拷麯的節(jié)點(diǎn)會(huì)首先知道D位置的變化，例如此時(shí)節(jié)點(diǎn)B已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了D的移動(dòng)，會(huì)自動(dòng)修改路由，使得最終的路徑為S-A-B-E-D。AHSLS算法很好的利用了實(shí)際系統(tǒng)中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)短時(shí)間內(nèi)都不可能發(fā)生大的位置突變的特點(diǎn)，所采用的網(wǎng)絡(luò)張貼信息發(fā)布策略大大減少了無線mesh網(wǎng)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的路由信息傳輸開銷。

圖4　A-HSLS算法工作示意圖Fig.4 The adaptive hazy sighted link state algorithm diagram

（3）跨層設(shè)計(jì)技術(shù)

在CLWRP路由協(xié)議中，通過跨層設(shè)計(jì)各層的功能模塊，可周期性地獲取自身和通過TC消息得到網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，這些數(shù)據(jù)匯聚到節(jié)點(diǎn)中的網(wǎng)絡(luò)狀況數(shù)據(jù)庫后，便可進(jìn)行各層工作參數(shù)的計(jì)算。其中，最關(guān)鍵的路由選擇度量值的計(jì)算公式可以抽象表示為式中∶m是路徑選擇的綜合判據(jù)；nHop是路徑跳數(shù)；RLData是路徑可達(dá)速率；QSize是路徑上節(jié)點(diǎn)隊(duì)列長(zhǎng)度；PPError是誤包率；EPower是路徑上節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能大小。在必要的時(shí)候，選路時(shí)還可考慮所傳輸數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)類型。在實(shí)際系統(tǒng)中，跨層設(shè)計(jì)需要考慮優(yōu)化的指標(biāo)和選路時(shí)考慮的因素視不同情況而定。例如，某節(jié)點(diǎn)屬車載設(shè)備，能耗不是重要的因素，在參數(shù)中可去掉EPower項(xiàng)。f（·）是一個(gè)多元的函數(shù)，函數(shù)的形式和各變量參數(shù)對(duì)路由選擇影響的大小會(huì)因不同的需求而異。理論上最佳的路徑要通過最優(yōu)化的方法確定，為易于工程應(yīng)用，f（·）可以采用加權(quán)和函數(shù)形式，此時(shí)式（1）可以選擇以m最小作為選路的依據(jù)∶

每個(gè)加權(quán)系數(shù)有特定的量綱，將每個(gè)所考慮的參數(shù)轉(zhuǎn)換為沒有量綱的度量值。通過改變權(quán)重因子可以調(diào)整不同參數(shù)對(duì)路由判據(jù)的影響。

式（1）也可以以某種算法的形式實(shí)現(xiàn)，給定傳輸要求后，對(duì)需要考慮的因素或條件逐一分析，以尋求合理的傳輸路徑。例如，可以先按照經(jīng)典的Dijkstra路由算法計(jì)算得到的跳數(shù)最小的路徑，然后判斷路徑上瓶頸鏈路的可用帶寬RLData、誤包率PPError是否滿足要求、是否有節(jié)點(diǎn)擁塞以及節(jié)點(diǎn)上的能量是否充足等，如果不滿足要求，再考慮下一跳數(shù)較小的路由，直到找到合適的路徑。

3.2能量均衡與節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)控制

能量均衡問題可作為跨層設(shè)計(jì)優(yōu)化的一個(gè)子問題。有許多無線mesh網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合，如本文后面討論的其在電網(wǎng)輸電監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的場(chǎng)景，因?yàn)椴捎迷偕茉矗ㄈ缣柲芑蝻L(fēng)能）供電，能量的供給不是很穩(wěn)定，需要考慮信道的大尺度衰落特性和系統(tǒng)能量均衡問題。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)位置一般固定在高壓輸電塔上，節(jié)點(diǎn)間的信道特性主要受大尺度衰落的影響，此時(shí)接收信噪比特性可以表示為

式中∶di表示鏈路i所對(duì)應(yīng)的發(fā)送端與接收端間的距離；k是衰減因子；G0表示天線增益；Pti是發(fā)送功率；N0是噪聲功率?？梢姶藭r(shí)節(jié)點(diǎn)間的距離是影響傳輸性能的主要因素。鏈路i的權(quán)值可定義為

作為判決依據(jù)的源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的路徑p權(quán)值的和則為

根據(jù)分析［6］，采用節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率受限和剩余能量最大化的聯(lián)合優(yōu)化模型時(shí)，可得到節(jié)點(diǎn)之間鏈路權(quán)值為

式中∶Ei是鏈路i的發(fā)送節(jié)點(diǎn)所剩余的能量。由此得到源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的路徑p的權(quán)值計(jì)算公式為

進(jìn)一步地，可以根據(jù)確定最短路徑的Dijkstra定理來選擇能效最高的最佳傳輸路徑。

在實(shí)際系統(tǒng)中為避免頻繁的操作，只有當(dāng)剩余能量的變化達(dá)到一定的程度時(shí)，才會(huì)觸發(fā)產(chǎn)生狀態(tài)變化的信息。圖5給出了一種節(jié)點(diǎn)剩余能量分級(jí)的方法，把剩余能量多少分為若干等級(jí)。每下降一個(gè)等級(jí)或上升一個(gè)等級(jí)時(shí)，才會(huì)觸發(fā)路由TC消息的更新過程。因?yàn)樵诓捎迷偕茉磿r(shí)，充電和耗電同時(shí)進(jìn)行，剩余能量的大小變化可能會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，為避免由于抖動(dòng)導(dǎo)致頻繁地發(fā)布TC消息，可采用所謂余量滯后機(jī)制。當(dāng)能量的增大變化超過一個(gè)等級(jí)，觸發(fā)產(chǎn)生TC消息的發(fā)布后，只有當(dāng)能量的減少達(dá)到預(yù)先設(shè)定的滯后變化量ε時(shí)，才會(huì)觸發(fā)產(chǎn)生TC消息。ε主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定，仿真和實(shí)驗(yàn)中采用的是最大能量值的3%。

圖5　能量等級(jí)與滯后變化量Fig.5 The energy grade and delay of variable quantity

為保證節(jié)點(diǎn)有效工作，設(shè)置了如下不同儲(chǔ)能等級(jí)，采取了在不同等級(jí)下允許傳輸不同類型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的控制策略。

（1）正常狀態(tài)∶節(jié)點(diǎn)的剩余能量大于50%視為處于正常狀態(tài)，此時(shí)可以響應(yīng)控制中心獲取各類信息的要求，傳輸包括視頻、圖片和文本數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

（2）控制能耗狀態(tài)∶節(jié)點(diǎn)的剩余能量小于50%、大于20%處于控制能耗狀態(tài)。此時(shí)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)控制中心要求圖片和文本數(shù)據(jù)的要求，但拒絕大數(shù)據(jù)量的傳輸視頻信號(hào)的要求。

（3）告警狀態(tài)∶節(jié)點(diǎn)的剩余能量小于20%、大于10%時(shí)則進(jìn)入告警狀態(tài)。處于告警狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)可以響應(yīng)控制中心傳輸重要數(shù)據(jù)的要求，拒絕類似視頻和圖片等較大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)傳輸要求。

（4）休眠狀態(tài)∶節(jié)點(diǎn)的剩余能量小于10%自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。處于休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)仍可接收中心的控制信息、交換TC消息等，但一般不響應(yīng)其他的請(qǐng)求。

依剩余能量分級(jí)的方法使得節(jié)點(diǎn)可根據(jù)自身的狀況自動(dòng)調(diào)整工作狀態(tài)，在保證系統(tǒng)不崩潰的情況下最大限度的發(fā)揮系統(tǒng)效能。在應(yīng)用過程中，上述有關(guān)不同工作狀態(tài)的門限也可以在控制中心根據(jù)需要進(jìn)行必要調(diào)整。

3.3跨層設(shè)計(jì)與能量均衡的方法在電網(wǎng)高壓輸電

監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

無線mesh網(wǎng)在電網(wǎng)高壓輸電監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用的情形如圖6所示，網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)某種帶狀的結(jié)構(gòu)。每經(jīng)過若干個(gè)太陽能供電的無線節(jié)點(diǎn)，設(shè)置一個(gè)連接骨干網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)（Gateway，GW）節(jié)點(diǎn)。為保證系統(tǒng)的強(qiáng)壯性，避免因某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)覆蓋范圍可達(dá)至少兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)非網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)都是采用太陽能供電，因此設(shè)計(jì)時(shí)主要目標(biāo)就是要在最惡劣的天氣情況下也能保證基本業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)間的位置固定，相互間的距離是已知的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)周期地交換TC消息，此外一旦儲(chǔ)能變化達(dá)到一個(gè)不同的等級(jí)，會(huì)觸發(fā)向全網(wǎng)發(fā)布一個(gè)相應(yīng)的TC消息，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以知道節(jié)點(diǎn)間的距離和較快地了解各節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)能情況。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，有報(bào)文需要發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，可根據(jù)式（6）確定各鏈路的權(quán)值，同時(shí)根據(jù)權(quán)值和的大小來決定傳遞的路徑，包括采用跨越一個(gè)節(jié)點(diǎn)還是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)以及選擇帶狀結(jié)構(gòu)中左側(cè)網(wǎng)關(guān)或是右側(cè)網(wǎng)關(guān)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還增加了通過控制中心來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)選路和配置的工作方式。此時(shí)無線mesh網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)將原來僅在節(jié)點(diǎn)間交換的TC消息轉(zhuǎn)發(fā)到控制中心，由控制中心來決定傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)、路由方式和傳輸資源的分配，使得系統(tǒng)很容易過渡到未來的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Definition Network，SDN）的工作模式。

圖6　無線mesh網(wǎng)在電網(wǎng)高壓輸電監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用Fig.6 The wireless mesh network application in high voltage transmission monitoring system

4　仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1性能仿真及結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的平臺(tái)為NS2，仿真范圍1 500 m ×1 500 m，通信距離250 m，鏈路層和物理層為IEEE 802.11 mesh，仿真時(shí)間150 s。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示，其中節(jié)點(diǎn)用數(shù)字編號(hào)，節(jié)點(diǎn)外的大圈表示相應(yīng)節(jié)點(diǎn)無線信號(hào)可有效工作的范圍。

圖7　無線mesh網(wǎng)仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 The simulation topology structure of wireless mesh network

仿真主要比較CLWRP路由算法和簡(jiǎn)單的根據(jù)跳數(shù)選路的OLSR路由算法的性能，仿真過程中設(shè)計(jì)了兩個(gè)數(shù)據(jù)流∶數(shù)據(jù)流1的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)分別為節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)13；數(shù)據(jù)流2的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)分別為節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)10。圖7（a）是根據(jù)OLSR算法選路得到的傳輸路徑，因?yàn)閮H僅根據(jù)跳數(shù)來選路，兩個(gè)數(shù)據(jù)流的傳輸路徑分別為1-3-5-9-10-13和9-10，在節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)10的路徑間出現(xiàn)重疊，但簡(jiǎn)單的OLSR路由算法無法判斷該段路徑上出現(xiàn)瓶頸路徑。圖7（b）是采用CLWRP路由算法在網(wǎng)絡(luò)狀況發(fā)生變化后重新選路的結(jié)果，由于在跨層設(shè)計(jì)中引入了節(jié)點(diǎn)鏈路層中的隊(duì)列長(zhǎng)度作為選路的參數(shù)之一，因此可以發(fā)現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)9到節(jié)點(diǎn)10間出現(xiàn)瓶頸路徑，通過重新選路可使數(shù)據(jù)流1成功地避開該路徑。

仿真所得的吞吐量特性如圖8所示，在50 s之前，僅有數(shù)據(jù)流1，CLWRP路由算法選擇路徑1-3-5-9-10-13發(fā)送報(bào)文，此時(shí)與采用OLSR算法選擇的路徑一樣。50 s之前兩條曲線是重疊的；50 s之后，數(shù)據(jù)流2產(chǎn)生，網(wǎng)絡(luò)在路徑9-10之間出現(xiàn)瓶頸，CLWRP通過跨層模塊獲取到節(jié)點(diǎn)9到節(jié)點(diǎn)10上的鏈路狀態(tài)信息后，重新計(jì)算路由，使數(shù)據(jù)流1經(jīng)由1 -3-6-8-11-13傳輸，而數(shù)據(jù)流2保持原來的路徑不變，此時(shí)系統(tǒng)的吞吐量得到了顯著提高。圖9給出了相應(yīng)的報(bào)文的時(shí)延特性，隨著瓶頸路徑的出現(xiàn)，時(shí)延開始增大，但采用CLWRP路由算法從第20 000個(gè)報(bào)文開始，通過跨層設(shè)計(jì)調(diào)整路由，使得時(shí)延回歸到較低的水平。

圖8　吞吐量特性Fig.8 The throughput characteristic

圖9　時(shí)延特性Fig.9 The delay time characteristic

4.2基于剩余能量的跨層設(shè)計(jì)仿真結(jié)果分析

在分析基于剩余能量的系統(tǒng)性能時(shí)，考慮應(yīng)用于高壓輸電線路監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，如圖10所示，此時(shí)無線mesh網(wǎng)呈現(xiàn)帶狀的結(jié)構(gòu)，其中節(jié)點(diǎn)1，2，…，10是安裝設(shè)置在高壓輸電線塔架上的節(jié)點(diǎn)，由太陽能電池供電；節(jié)點(diǎn)3和8是作為無線mesh網(wǎng)進(jìn)出口的兩個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，可分別通過一跳連接到有線骨干網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B。每個(gè)無線mesh網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)有兩級(jí)的發(fā)射功率，可分別覆蓋一跳或兩跳的節(jié)點(diǎn)，例如節(jié)點(diǎn)8的一跳信號(hào)可以覆蓋相鄰的7和9，兩跳信號(hào)可以覆蓋節(jié)點(diǎn)6、7、9和10。

圖10　帶狀結(jié)構(gòu)的無線mesh網(wǎng)Fig.10 The wireless mesh network ribbon structure

假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)射頻信號(hào)發(fā)送為每個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗的主要因素。正常工作情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)總是采用一跳的傳輸方式。其中節(jié)點(diǎn)1、2、4和5選擇節(jié)點(diǎn)3為連接到控制中心的有線骨干網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)6、7、9和10選擇節(jié)點(diǎn)8為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。但網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗是不均衡的，因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和靠近網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)需要更多地轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，因此能耗較大。此時(shí)除了在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上配置強(qiáng)大的再生能源外，還可以根據(jù)能量均衡的策略調(diào)整，使得距離網(wǎng)關(guān)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)更多地啟用兩跳的發(fā)射模式，使得能耗可以得到更好的均衡。圖11給出了沒有考慮剩余能量和考慮剩余能量進(jìn)行選路以及沒有充電和有充電工作模式下，可能成為瓶頸節(jié)點(diǎn)7或9上能量消耗的特性，當(dāng)采用考慮剩余能量的選路策略時(shí)，其能耗有較顯著的降低，因此能夠保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

圖11　能量變化特性Fig.11 The energy variable characteristic

4.3系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文所提出的跨層設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到了南方電網(wǎng)某示范工程上，該工程的兩段線路如圖12所示。圖中無線mesh設(shè)備不僅作為視頻攝像頭和各類傳感器的接入點(diǎn)，同時(shí)也可作為視頻數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。在開闊的區(qū)域上，單跳4.5 km；單跳1 km可達(dá)40 Mb/s；單跳PING時(shí)延小于1 ms，經(jīng)過6跳PING時(shí)延大約為2 ms。網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點(diǎn)一般選取變電站取電，子節(jié)點(diǎn)太陽能電池容量約為200 A·h。綜合實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)在不同的天氣狀況下可穩(wěn)定運(yùn)行，獲取的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可及時(shí)匯集到控制中心，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖12　系統(tǒng)示范工程組網(wǎng)示意圖Fig.12 The network diagram of system demonstration project

5　結(jié)束語

本文介紹了無線mesh網(wǎng)跨層設(shè)計(jì)的基本原理，重點(diǎn)研究了跨層設(shè)計(jì)的方法在實(shí)際系統(tǒng)中具體如何應(yīng)用。文中提出的方法綜合了現(xiàn)有無線mesh網(wǎng)路由算法的主要優(yōu)點(diǎn)，考慮了實(shí)際系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種主要因素和問題，因此所揭示的原理和方法具有較好的一般性。與現(xiàn)有的工作相比，本文提出的網(wǎng)絡(luò)跨層信息交互與原有路由信息交換結(jié)合實(shí)現(xiàn)的方法，可更好地降低網(wǎng)絡(luò)的開銷；同時(shí)將跨層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化調(diào)度利用問題，歸結(jié)為綜合各種因素的度量值計(jì)算和傳輸路徑選擇，使得其在工程應(yīng)用中更容易實(shí)現(xiàn)，因此具有很好的實(shí)際意義。文中通過仿真實(shí)驗(yàn)說明了這些方法的優(yōu)點(diǎn)，并在實(shí)際的電網(wǎng)高壓輸電無線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用中驗(yàn)證了其有效性。有關(guān)本課題下一步將研究網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息交互時(shí)延變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響以及在跨層設(shè)計(jì)時(shí)如何引入網(wǎng)絡(luò)空間安全等問題。

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HOSSAIN E，LEUNG K K.Wireless Mesh Network Architecture and Procotol［M］.Translated by YI Yan，LI Qiang，LIU Bo，et al.Beijing∶Machine Industry Press，2009.（in Chinese）

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GUO Ke，CHEN Ling，WEI Youhua.The optimization method and its application［M］.Beijing∶Higher Education Press，2007.（in Chinese）

張永忠（1970—），男，安徽壽縣人，2003年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為研究員、博士研究生，主要研究方向?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)與智能感知技術(shù)；

ZHANG Yongzhong was born in Shouxian，Anhui Province，in 1970.He received the M.S. degree in 2003.He is now a senior engineer of professor and currently working toward the Ph.D.degree.His researchconcernscommunicationsystemandintelligence sensing.

Email∶zyzanis@vip.sina.com

馮穗力（1955—），男，廣東梅州人，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾畔⒕W(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)。

FENG Suili was born in Meizhou，Guangdong Province，in 1955.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns information network theory and technology.

Cross-layer Design for Wireless Mesh Network and Its Application

ZHANG Yongzhong1，2，F(xiàn)ENG Suili1
（1.School of Electronic and Information，South China University of Technology，Guangzhou 510006，China；2.The 7th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation（CETC），Guanghzou 510310，China）

∶According to the basic principles of cross-layer design for wireless mesh network，the functions of major modules and the various factors to be taken into account in the system are analyzed.An implementation scheme of cross-layer design is proposed，in which the efficient method for network state information exchange and advanced routing algorithm are employed.With the method a reasonable transmission route can be determined by the factors including current link states，congestion and energy of the network.A example of the scheme application in a high voltage transmission monitoring system is presented.The simulation and experiment show that the scheme has good performance in robustness，throughput and delay.

∶wireless mesh network；cross-layer design；resource scheduling management；energy balance；high voltage transmission monitoring system

The National High-tech R&D Program of China（863 Program）（2012AA050801）

TN925.1

A

1001-893X（2016）05-0517-08

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.05.008

張永忠，馮穗力.無線mesh網(wǎng)的跨層設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［J］.電訊技術(shù)，2016，56（5）∶517-524.［ZHANG Yongzhong，F(xiàn)ENG Suili.Cross-layer design for wireless mesh network and its application［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（5）∶517-524.］

2015-11-16；

2016-04-11Received date：2015-11-16；Revised date：2016-04-11

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2012AA050801）

**通信作者：zyzanis@vip.sina.comCorresponding author：zyzanis@vip.sina.com