基于最小化干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配算法設(shè)計與研究

鞏慶志++劉朝霞

摘要：如何對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的信道進行分配及算法優(yōu)化成為研究熱點，這也是本文的研究內(nèi)容。本文對幾種常用的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配算法以及無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中信道間的干擾進行了分析，在理論分析和推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于最小化干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配算法，本算法主要解決或減輕路徑內(nèi)干擾對網(wǎng)絡(luò)吞吐率產(chǎn)生嚴重影響的問題，是一種分布式動態(tài)的信道分配算法，具有很高的靈活性。

關(guān)鍵詞：無線Mesh網(wǎng)絡(luò) 信道分配 信道間干擾 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0141-02

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)）也稱為“多跳（multi-hop）”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)豐富了Internet接入方式的多樣性，在無線電技術(shù)發(fā)展的過程中有著重要的時代意義。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中單跳傳輸受距離影響較大，對有線網(wǎng)絡(luò)存在較大的依賴性。為更好的滿足人類需求，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到快速發(fā)展。區(qū)別于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的單跳傳輸，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)以多跳的方式進行無線接入。其中，無線接入點（Access Point， 簡稱AP）既可以接入無線終端，例如PC機、手機、PDA等，又可以作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)基地，所以多個無線AP可以構(gòu)成一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。該方式在提高無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、降低成本及提升帶寬等方面有著較好的效果。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中干擾因素的存在，導(dǎo)致傳統(tǒng)單射頻單信道的多跳無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量隨規(guī)模增大而劇烈降低，對網(wǎng)絡(luò)的性能有著嚴重的影響。而單射頻多信道的多跳無線Mesh網(wǎng)絡(luò)方案需要頻繁切換信道，這也導(dǎo)致了切換延時的存在，因而不適合無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)階段無線Mesh網(wǎng)絡(luò)多采用多射頻多信道的構(gòu)造，可以使得多個無線AP可以同時工作在無重疊的多個信道中，其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。為提升網(wǎng)絡(luò)性能，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中信道合理分配的問題成為了研究熱點。

1 常用的信道分配算法

網(wǎng)絡(luò)中的性能很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)中可用信道的數(shù)目以及通信時采用的何種信道分配方案。一個好的信道分配策略，它通過分配數(shù)量有限的可用信道給鏈路，能夠極大的降低通信時無線鏈路之間的干擾，最大程度的提高無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能和降低網(wǎng)絡(luò)通信時的丟包率，因此，一個好的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配方案顯得尤其重要。

近年來，國內(nèi)外專家和學(xué)者對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配問題進行了一定的研究。文獻[1]中提出網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都使用統(tǒng)一的信道分配方案，也就是把信道1和信道2分別分配給節(jié)點的接口卡1和接口卡2，以此類推。但是盡管這種方案比較簡單，但是性能與其它算法相比較而言不是很高。文獻[2]根據(jù)鏈路調(diào)度在動態(tài)信道分配和靜態(tài)信道分配之間最大化多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的容量，根據(jù)不同的流量需求來增加天線和信道的數(shù)量。文獻[3]為無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的多天線節(jié)點提出一個聯(lián)合的信道分配、路由、鏈路的方案，這種方案可以適應(yīng)不同的信道分配和鏈路策略對于不同的通信模式。文獻[4]在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中提出了一種自適應(yīng)分布式信道分配方案，該方案提高了可利用信道的利用率，通過分配不使用的時間槽給新節(jié)點，有效的利用了信道帶寬。文獻[5]引進拓撲結(jié)構(gòu)化簡技術(shù)，對多接口無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的信道分配算法進行改進，使網(wǎng)絡(luò)中的干擾度降到最低。文獻[6]研究了在不同數(shù)量的Mesh路由器的情況下，幾種不同信道分配策略給網(wǎng)絡(luò)帶來的影響。

2 基于最小化干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配算法

目前在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配的算法研究上，人們已經(jīng)提出了一些分配方案，其中針對干擾模型的研究相對較多，本文正是針對路徑內(nèi)干擾對網(wǎng)絡(luò)吞吐率產(chǎn)生嚴重影響的問題進行分析，從而設(shè)計出一種基于最小化干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配算法。

本信道分配算法旨在解決無線Mesh網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化的問題，根據(jù)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的特性以及無線信號傳輸特性的分析，提出了算法設(shè)計的幾條基本原則：

（1）同一節(jié)點不能有兩個射頻工作在相同信道。

（2）下層節(jié)點要適應(yīng)上層節(jié)點的的信道。

（3）盡量保證一條路徑上連續(xù)3跳沒有相同信道。

在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，大部分節(jié)點都扮演著一個數(shù)據(jù)中繼的角色，數(shù)據(jù)從上層鄰居流入，同時轉(zhuǎn)發(fā)給下層鄰居，或者數(shù)據(jù)從下層鄰居流入，同時轉(zhuǎn)發(fā)給上層鄰居。與上層鄰居通信的稱為上行射頻，與下層鄰居通信的稱為下行射頻，上行射頻的工作信道稱為該節(jié)點的上行通道，下行射頻的工作信道稱為該節(jié)點的下行通道。對于節(jié)點s，上行信道選擇算法和下行信道選擇算法分別如圖2-1和圖2-2所示。其中，射頻i的繁忙度為，與節(jié)點s之間產(chǎn)生干擾的概率為，基礎(chǔ)繁忙度是一個0到1之間的比較小的值（繁忙度是指該射頻在過去的一段時間T內(nèi)，處于發(fā)送狀態(tài)的時間t占總時間的比例）令所有可選信道集合為全集U，節(jié)點已經(jīng)選取的信道集合為N，上層節(jié)點的信道集合為，上層節(jié)點的上行信道集合為，上層節(jié)點的下行信道集合為，工作在信道c的3跳內(nèi)鄰居射頻集合為節(jié)點依次對每個上行射頻和下行射頻進行信道分配。

在備選集合的各個信道之間選擇時，總是選繁忙度最小的信道可以使干擾最小。

3 仿真與測試

本文對最小化干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配算法在NS2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺上進行了仿真，仿真場景如圖3-1所示。

圖3-1中橫坐標是基于單條數(shù)據(jù)流條件下的網(wǎng)絡(luò)速度，而縱坐標是網(wǎng)關(guān)成功接收到數(shù)據(jù)幀的吞吐率。從以上仿真結(jié)果實驗可以看出，在信道配置方面，都處于相同的路徑設(shè)置，如果在數(shù)據(jù)流量處于較大的情況下，在附近發(fā)生信道擁塞。本文提出的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配算法性能比較理想，針對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中1/3問題，使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點干擾降到最低。

4 結(jié)語

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，從無線設(shè)備的角度來看，各個節(jié)點之間并沒有明細的區(qū)別，都能夠?qū)⑵湓O(shè)置為AP和路由器，各個節(jié)點不僅可以作為信號的接收功能的使用，也可以用作節(jié)點的發(fā)送功能，節(jié)點之間可以進行相互交叉的方式來達到網(wǎng)絡(luò)通信的目的。

在這種情況下，如果最近的AP因為網(wǎng)絡(luò)流量較大而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸擁堵的情況，數(shù)據(jù)可以采用自動分配的方法，進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的流量重新分配，將其分配到附近流量較小的節(jié)點上進行網(wǎng)絡(luò)通信。這種狀況可以無線傳輸，直到到達最終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問。

在未來，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)發(fā)展是基于多種技術(shù)的相互的融合的過程，并實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量全面的提升，和社區(qū)網(wǎng)之間相互鏈接，不斷提高用戶的無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)質(zhì)通信體驗，獲得更多的通信便利。

參考文獻

[1]候冠博，楊壽寶，胡云.WMN中基于鏈路質(zhì)量的信道分配算法[J].計算機工程，2010，36（11）.

[2]田克，張寶賢，馬建，姚鄭.無線多跳網(wǎng)絡(luò)中的機會路由[J]，軟件學(xué)報，2010（10）.

[3]李彬，王文杰，殷勤業(yè)，楊榮，楊小勇，王慧明.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)作的節(jié)能路由傳輸[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2012（6）.

收稿日期：2016-09-12

基金項目：遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃資助（No.LJQ2014127）。遼寧省教育廳2013年度一般項目資助 （No.L2013433）。2013年大連外國語大學(xué)科研基金項目一般項目。

作者簡介：鞏慶志（1975—），男，漢族，山東莒縣人，講師，工學(xué)碩士，研究方向：無線網(wǎng)絡(luò)，嵌入式，機器學(xué)習(xí)。