无线Mesh网络中基于链路层最优信道分配策略研究

2013-08-14钟九洲

重庆电子工程职业学院学报 2013年1期

钟九洲

（达州职业技术学院，四川达州 635000）

0 引言

基于IP协议新型的无线Mesh网络技术，具有快速部署、易安装、非视距传输、健壮性、结构灵活及高带宽的特点。目前无线网络用户和网络业务多元化的发展，无线Mesh网络节点之间的相互影响导致了数据传输性能的降低；同时，数据在路由层采用WMN传输协议，传统的单射频通信需要在信道间频繁切换，切换过程的时延降低了网络的通信效率。研究人员发现在无线Mesh网络中使用多射频配合多信道同时进行数据的传输，信道间不相互影响，提高了网络的健壮性。信道分配策略是提高网络交换量的关键因素，结合目前信道分配方案优点和方案制约，本文提出一种基于链路层最优信道分配算法。

1 MAC协议的研究

1.1 多信道的MAC协议

单信道MAC协议传输中，是多个通信节点竞争一个信道传输数据和控制信息，节点对信道的竞争非常激烈，往往相邻的节点不能同时传输数据，以及对QoS支持困难，多信道是解决该问题的方法之一。采用多信道传输，相邻节点能在不同的信道同时发送数据，接入控制更加灵活，提高了网络的整体性能，同时增加网络时延特性，使网络具有更好的抗衰落和噪声容限。因此在设计多信道MAC协议时应充分考虑信道的分配策略。通过使用信道分配算法，为各个节点分配相应的信道，消除数据分组的冲突，使同时通信的节点最大化，解决了MA C协议的瓶颈问题，进一步的提高网络的健壮性。

1.2 MAC协议面临的问题

MAC协议的主要作用是保证资源共享的公平性和有效性，在无线Mesh网络中为了提高网络交换容量，一般采用多射频加多信道的方法，同时使用MAC协议保证信道公平性和进行有效的资源共享。但也存在一些问题。

1.2.1 隐藏终端和暴露终端

无线Mesh网络具有动态变化的网络拓扑结构，存在信道分配和竞争问题。各个节点发送信号，信号会受无线信道中的噪声、信道衰落和障碍物的影响，节点之间的通信跟距离极限有关。一个节点发出的信号，网络中的其它节点不一定都能收到，从而会出现“隐藏终端”和“暴露终端”问题。受隐藏终端的影响，接收端将因为数据碰撞而不能正确接收信息，造成发送端的有效信息的丢失和大量时间的浪费，从而降低了系统的吞吐量。当某个终端成为暴露终端后，由于它侦听到另外的终端对某一时隙的占用信息，而放弃了预约该时隙进行信息传送。 “隐藏终端”和“暴露终端”的存在，会造成无线Mesh网络时隙资源的无序争用和浪费，增加数据碰撞概率，严重影响网络的吞吐量和容量，加大了数据传输时延。

1.2.2 网络的控制与管理

在无线Mesh网络中对WMN的控制和管理主要是通过网络中的各个节点来完成，在多射频多信道网络中使用MAC协议，MAC协议面临分布式的CA问题会更加具体和困难，所以在设计MAC协议应充分考虑对WAN的控制和管理。

1.2.3 信道协商、选择策略

在无线Mesh网络中节点间通信需要在相同的信道上才可以完成，如果两个节点不在相同信道则需要通过协商同步到相同的信道上，因此通信节点需要利用共享信息获取信道相关信息，因此共享信息协商策略十分重要。共享信息获取主要使用逐个查看方法和单一查看方法，实现技术有公共控制信道技术、公共控制时期技术、私有信道技术和私有跳频序列技术。

在多个可用的信道中匹配一个可用的信道，而且匹配的信道对于两个互联节点都有利，这就是信道选择策略，信道选择策略可以分为全局机制和局部机制。所以在多信道MAC协议发送端和接受端使用什么策略协商、选择信道交换数据是十分重要的。

2 信道分配策略面临的问题

在无线Mesh网络中的信道分配时会遇到许多问题，如节点路由数量问题、正交信道个数有限的问题、公共信道不能到达理论值等，这一系列的问题使用图像着色算法并不能完全解决，所以在信道分配策略中还要注意以下几个方面。

2.1 拓扑保护和信道利用率问题

无线Mesh网络中两个相连节点进行数据交换，需要两个节点使用公共的信道。如何设计一个新的信道分配算法，新的算法主要目的是提高信道的利用率和整个网络的交换量，同时会将原来网络的拓扑结构改变，网络拓扑的变化会导致网络割据和链路损坏，互联性降低等，所以在设计新的信道分配策略时要同时考虑网络拓扑和信道利用率之间的平衡。

2.2 节点间协调问题

无线Mesh网络采用分布式组网方式，没有中心控制节点和机制，而采用动态信道分配方案节点射频和信道可以自由切换，这样每个节点的射频端可以使用任意信道，但当各节点与动态CA进行通信时，为了防止各个节点间切换到不同的信道，需要一个协调机制来控制各个节点在相同的公共信道中。

2.3 波纹效应

无线Mesh网络中各个节点的射频端能够十分方便地与不同的信道切换，其中原节点切换到新的信道上，原节点本来连接的邻居节点为了继续建立通信，也要进行相同的信道切换，从而导致其他相关节点必须改变信道分配策略，产生波纹效应。

3 基于链路层最优信道分配策略

基于链路层最优信道分配策略主要目的是将网络信道间的相互干扰优化到最小值，提高网络的吞吐量。为了求解分配策略，可以使用ILP模型，将CA问题转化为ILP模型，然后通过求解验证链路层最优信道策略的准确性。

3.1 系统模型

3.1.1 网络模型

无线Mesh网络中链路和节点用连接图G=(V,E)来表示，（其中E表示链路集合，V表示节点集合）为了便于实验，网络中每个节点最大传输距离相同，两个节点如果在自己覆盖的范围就可以互联。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时进行数据传输相互不干扰，同时每个节点可以配置多个射频端。

3.1.2 干扰模型

两个相邻的链路在同时通信时极有可能产生相互干扰，需要通过干扰模型来进行判断。无线Mesh网络信道干扰模型一般采用物理模型和协议模型两种，协议模型较为常用。在协议模型中任意一个链路ei的节点与链路ej的节点是邻居节点，这样两条链路就有可能相互干扰。

图1 原网络拓扑

图2 使用信道分配后网络拓扑

在图1网络拓扑中有A至J 10个节点，e1到e1313条链路.可用信道C1到C4。结合协议模型链路e10干扰链路有e1,e2,e3,e5,e6,e7,e9,e11,当信道分配完成以后，真正干扰链路只有e3,e11两条。

3.2 ILP模型

ILP模型需要使用以下概念：

（1）如果链路(a,b)和链路(i,j)相互干扰，链路(i,j)潜在干扰链路是(a,b)，(a,b)与(i,j)同时在相同的信道上传输数据时,两条链路才会真正地产生干扰。

（2）与链路(a,b)互成潜在干扰的链路总数是链路(a,b)的潜在干扰数，实际干扰数是真正相互干扰链路总和。

（3）变量I(a,b)(I,j),(a,b)(I,j)∈E,表示链路是否受到干扰，当一条链路是另一条链路干扰链路，I(a,b)(I,j),为1，相反为 0。

（6）实际的网络链路一般都超过正交的信道数，所以一条链路只能分配一条信道，公式为=1，如果每条链路的流量都相同，信道分配后，网络中干扰对数公式为

根据实际的网络拓扑环境和各个节点相应的干扰情况，就可以使用Lindo软件进行求解确定I(a,b)(I,j)的值，从而得到链路层最优的信道分配方法。

4 仿真实验

网络仿真环境采用面向对象的NS2软件，使用Hyacinth多信道扩展模型扩展接口和信道。仿真实验一共设20个节点，节点间的通信距离最大20m，干扰距离最大4om，各个节点有效射频端3个，正交信道5个，流量模式采用CBR模式，CBR流大小为0-1Mbps，包大小为1000比特，测试时间为20秒。下图是与cca算法比较。