多接口无线网络信道分配与路由技术研究

王昊++李舸++石劲涛

摘 要：由于集成电路以及通信网络等信息技术的迅猛快速发展，基于基站的传统单跳网络在覆盖范围和部署实施方面呈现出很大的局限性；随着无线收发机在小型化、低成本方面的发展，在相同的无线节点上集成多个无线的收发机显然很普遍，所以多个接口多个信道多跳无线网络变成了以后无线通信网络的发展领域之一。多接口多信道多跳无线网络的资源分配问题较传统的单跳无线网络更加复杂，需要考虑到资源有时域、空域、频域等许多方面，原本属于不同网络间的节点也有可能暂时接入到网络中，网络流量的突发性问题显得更加明显，网络节点之间的关系更加复杂。在不同的应用场景下，无线网络资源分配的目的以及问题也有很大差异。在该文中，笔者考虑多跳无线接入网络、多接口无线自组织网络和区域无线共享网络三个具体场景下的多接口多信道多跳无线网络的资源分配问题，并分别进行研究。

关键词：多接口无线网络信道分配路由技术

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（b）-0024-02

多接口多信道技术是无线网络环境中减少链路干扰、提高网络吞吐量的有效途径，但如何合理有效地进行信道分配已成为多接口多信道无线网络所面临的主要问题之一。针对自私的网络节点，该文使用非合作博弈对异构条件下多接口节点的信道分配问题进行建模分析，其纳什均衡解为解决该问题所需的稳定的信道分配方案。该文首先讨论纳什均衡的存在条件并提出实现纳什均衡的分布式算法。此外，考虑到实际网络中节点仅能感知局部信道信息以及接口工作信道受限等因素，该文进一步改进算法并通过仿真实验对其收敛性进行证明，通常由媒质访问控制（MAC）层来处理某个竞争空域的资源分配问题，譬如调度型的分配—时分多址接入（TDMA）、码分多址接入（CDMA）、频分多址接入（FDMA），竞争型的分配—载波监听多址接入（CSMA）等。该文会在实验室的前期工作基础上针对该网络环境下的资源分配问题展开研究，其重点主要从信道分配以及路由协议两个层面开始阐述。尽管虽然多接口多信道多跳无线通信技术的研究都有共性的问题，但是在不同应用场合下，网络的自身同样有着一些特殊性，在分配资源的过程中所遇到的问题都不相同。

1 在无线网络资源分配问题中多跳线多接口多信道的研究综述

多跳线多接口多信道无线网络信道分配面临着前所未有的巨大挑战：干扰是无线网络性能下降的最主要原因，由于干扰问题，绝大多数情况下会导致信道分配成为NP-hard问题；在讨论多接口多信道网络连通性问题时，网络拓扑结构就存在着节点无法连接的危险，信道分配方案需要考虑网络拓扑结构的变化；然而引起涟漪效应和信道震荡现象甚至破坏网络的稳定性则是由坏的信道分配方案造成的。

多接口多信道多跳无线网络信道分配方案的判断方法有很多，在该篇文本中则以网络场景的不同分为分布式和集中式两大类。对于集中式的方法，假设网络存在一个中心控制器，它能知道全网信息。遇到这种情况，信道分配多数是以建模方式进行运算，在由得出结果的中央控制器进行非配节点或者调度链路的方式。由流量的类型，也可以把分布式细分为两类：面向个体方案和网关方案。前者假定网络为多跳无线网络，网络通信是无固定的模式，在此情境下的网络流量一般显现出一定的不确定性；后者假定在无线mesh网络场景下，网络中大部分流量源自网关或者去网关，所以可看出信道分配方案是：送给相近网关的链路比较高的信道带宽。（如图1）

由路由信息传递给网络的节点的息的方式可将多跳无线网络的路由协议分为两种：按表格驱动路由协议与按需路由。按需路由只有在源节点需要发送数据的时候，才开始广泛传播路由并且发现报文，探寻路由初始化过程。只需发现所有可能的路由或者只要找到一条路由均已检查完成，就可以结束在网络内的找路过程。网络中每一个路由缓存都由一个节点维护，在这当中记录着原来发现的路由，以此来杜绝重复性寻路的发生。将路由创建完毕后，根据一种路由维护机制维护此路由，当发生异常中断或无效时路由将重新寻路。

表格驱动路由协议规定网络中的任意节点均建立并维护一个或多个储存信息的表格，以维护网络中的最新路由信息可以从所有的节点到达其他任意节点。节点需要周期性的发送控制报文以维护这些路有信息。

实际上无论是按需理由或者表格驱动路由的协议，路由的网络性能主要由路由评价指标决定。

2 对路由与不确定流量的信道分配的改进

频域范围内的接口与信道资源、时域和空域范围的链路资源等三项组成了多接口无线网络的系统资源项。它们的分配需要对路由协议和信道分配方式进行联合优化。信道分配的方式规定了不同时隙中网络节点接口（和链路）与信道之间的对应性。源节点与目的节点对之间的路由是否有效，则分属于路由协议的方向。信道分配方式和路由协议之间互相影响，在对这两者不断调整之后，最终会得到模型的最优解。对此，基于时分复用的链路调度可以有效的实现模型的最优解。

该文中可以假设网络流量具有一定随机性，同时忽略多径传输所带来的额外协议开销。

将一随机网络中的部分节点作为源节点和目的节点，并分别定义为集合S和D。网络流量可以用网络节点u代表V中的聚合流量需求。由节点发送数据到节点的实际速率就是节点在所在链路的实际流量，可得出。可以看出，节点间的流量通过多径路由方式经由网络传输，实现了网络流量的均衡，提高了网络吞吐量。通过一个中央调度服务器对网络进行链路周期性循环调度，选取一个公共信道作为所有网络节点的控制信令传输信道，链路调度的周期设为T。中央调度器为每一条链路分配工作信道，安排一组链路处于激活状态，所有的网络节点接口支持信道切换，每个时间间隙内一个节电接口只能被一条链路使用，只有节点对工作与多个不同的信道上的链路时才可以并行传输，从而获得聚合流量。

3 时延最小化的多接口自组网路由协议框架

固定信道接口的信道管理主要包括两个过程：节点选择合适的固定通道作为自己的信道接口，把自己当前的信道通知相邻节点。该文使用本地化分布式协议来为固定通道接口分配信道，确保所有的相邻节点都能够使用不同的信道作为自己的固定通道。正如上文所述，网络中的每一个节点都包含一个相邻节点的固定信道信息表NT。同时节点还包含一个信道使用表CUL，通过这个信道使用表可以知道节点两跳之内使用某个信道作为固定信道的节点数量。endprint

通过提高空间复用度的方式可以减少多接口多信道的干扰，以达到提高吞吐量的目的。节点内部处理时延不予考虑，传输时延为整条路径的端到端主要时延，通过链路的等效带宽计算可以获得。网络链路之间干扰的影响下链路的实际有效带宽为链路的等效带宽。对于路由评价指标DSRM，其路由框架如图2。

在协议框架中，对现有按需路由协议的路由发现过程进行修改，以使其能够支持多接口多信道特性。此外，根据具体的链路模型进行时延评估，所以路由评价中对竞争接入时延的计算并不局限于某一具体的MAC层协议（如图3）。

4 结语

多接口多信道多跳无线网络需要考虑的系统资源有时域和空域范围的链路资源、频域范围内的信道资源与接口等。物理层、MAC层以及网络层等都被这种网络环境中的资源分配问题的研究所涵盖，于信道分配和路由协议的设计是资源分配的关键所在。虽然多接口多信道技术的研究具有一些共性问题，但网络自身在不同的应用场景下存在着特殊性，因此网络在资源分配过程中所面临的问题各不相同。

目前多接口多信道多跳无线网络的技术研究已经得到了长足的发展，该网络中路由协议的研究和信道分配方案己经取得了丰硕的研究成果。但是这些成果还存在着不少局限性，很多关键技术和理论问题还有待进一步研究。虽然现有的多接口多信道多跳无线网络的应用仍然存在不少困难，但随着国内外众多专家学者的共同努力以及硬件成本的进一步减少，可以预见未来无线通信技术必有多接口多信道多跳无线网络的应用。

参考文献

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