基于选择性扫描的无线Mesh网信道扫描算法

赵子龙，文　鸿，徐　曦，李绍帅，欧阳旻

（湖南工业大学 计算机与通信学院，湖南 株洲 412007）

基于选择性扫描的无线Mesh网信道扫描算法

赵子龙，文鸿，徐曦，李绍帅，欧阳旻

（湖南工业大学 计算机与通信学院，湖南 株洲 412007）

针对轨道交通的无线Mesh网络信道切换存在时延问题，提出了一种基于选择性信道扫描算法。通过最小化信道扫描数目，以减少探测时延；并从理论分析了选择性信道扫描与全信道扫描的切换探测时延，并通过OPNET对切换场景进行仿真分析。仿真结果表明：与全信道扫描算法相比，选择性信道扫描算法可降低切换时延约130 ms，能有效提高轨道交通无线Mesh网络的性能。

轨道交通；信道切换；选择性扫描；OPNET

0　引言

无线Mesh网络具有动态自组织、自配置、成本低等特点，可以方便、快速地进行网络扩展，因此其在城市轨道交通中具有广阔的应用前景。为保证无线Mesh网络的通信连续性，车载MAP（mesh access point，即Mesh接入点）需与轨旁MAP进行频繁的信道切换。目前，对于无线Mesh网的移动切换研究主要借鉴WLAN的切换策略［1］，国内外研究学者提出了预测切换、邻居图切换、异构网络层次化切换等多种切换策略［2-9］。文献［2］采用差分算法，对移动站接收到的不同时刻的接收信号强度（received signal strength indicator，RSSI）值进行差分，得到RSSI变化趋势，选择RSSI较好的MAP提前认证和接入，以此降低切换时延。文献［7］提出了一种移动主机（mobile host，MH）代理登记机制，对LLC层（logical link control）与MAC层（media accesscontrol）进行跨层设计，以此减小丢包率，但此算法只针对单信道无线Mesh网的内部切换，不能满足轨道交通的多信道需求。针对无线Mesh网切换中移动节点的认证安全问题，文献［8］采用邻居图与矩阵密钥分配方法来实现快速认证，该方法的认证时间少于探测扫描时延。文献［9］将IPv6应用于无线Mesh网中，MPP（mesh portal point）、MP（mesh point）和MAP都有唯一的IPv6和MAC地址，但此方法只适合于无线Mesh网的域内切换。

考虑到同频干扰影响，在轨道交通中无线Mesh网部署不能使用单一信道，轨旁MAP需直线部署并采用无重叠覆盖的无线信道。为减少切换时延，本文提出一种基于选择性扫描的无线Mesh网信道切换策略，以改善切换性能。

1　轨道交通无线Mesh网络模型

无线Mesh网络是Ad-Hoc网络与WLAN网络的结合。在无线Mesh网络中，MAP节点可以看成是MP与AP（wireless access point）节点的结合，MP负责转发数据，AP负责移动终端接入。在车地通信无线Mesh网络中，无线Mesh骨干网主要由MPP、车载MAP和轨旁MAP组成，如图1所示。MPP由以太网卡和无线网卡组成，以太网卡连接Internet服务器，提供Internet服务；无线网卡与MP或者MAP通过无线连接，提供数据转发服务。地面设备中，MAP主要完成数据的转发服务，保持与车载MAP的连接；车载MAP主要完成STA的接入以及将数据转发给地面设备MAP；STA为终端设备，主要包括具有无线接入功能的手机、PDA、笔记本电脑等。

图1　轨道交通无线Mesh网络拓扑图Fig. 1　Topology of rail traffic wireless Mesh network

2　2种信道扫描算法介绍与比较

2.1信道扫描算法介绍

无线Mesh网在进行信道切换时，移动终端先断开与旧MAP的连接，再与新MAP重新建立连接。整个切换过程分为3个阶段：1）信道扫描（probe）阶段，即发现阶段，完成信道接入及探测；2）认证（authentication）阶段，完成接入点的认证；3）重关联（reassociation）阶段，完成接入点与被接入点的绑定。

在切换过程中，由于STA移动，造成无线通信链路质量下降，如接收信号强度RSSI和信噪比降低等。当这些参数数值低于阈值时，STA开始发起切换，执行信道扫描，搜索新的MAP。对MAP的扫描主要分为主动扫描和被动扫描2种。被动扫描中，MAP发出信标帧beacon（包含时间戳、容量、信标间隔、ESSID、业务指标等信息）来扫描可能存在的STA，STA通过被动扫描来搜索附近的BSS。主动扫描中，当信号质量低于阈值时，STA依次在各个信道发送探测请求帧，探测附近的MAP节点，收到相应帧后，再切换至另一信道进行探测帧的发送。随后比较无线信道的质量，选择链路质量较好的MAP接入并进行认证与重关联。

目前，常用的无线接入点运行频段为2.4 GHz和5 GHz。在2.4 GHz频段，有14个信道（欧洲标准只有前11个信道可用），相邻信道的中心频率相差5 MHz，每个信道带宽约22 MHz。14个信道中，只有1， 6， 11信道频谱是完全非重叠的。而全信道扫描时，STA将依次切换至各个信道发送探测帧，直至完成对11个信道的扫描，这样切换时延较长。

本文针对列车行动路线的特殊性，局部范围内可将其看成一条直线，因此，选用1， 6， 11信道作为MAP节点频率，当STA发生切换时，只选择扫描这3个信道。这样既能有效减少信道扫描时延，又能有效避免同频和邻频干扰。选择性信道扫描算法如图2所示。

图2　选择性信道扫描算法Fig. 2　The switching scheme of selective scanning channels

2.2算法比较

在无线Mesh网络中，STA切换时延主要由信道探测时延、安全认证时延以及重关联时延构成。信道探测时延占时最长，占STA切换时间的90%以上；安全认证时延最短；重关联时延主要受接入点内部协议IAPP（Inter Access Point Protocal）时延影响。

在主动扫描过程中，若STA发送探测请求帧，则需等待该信道上可能存在的MAP探测响应，等待时间取决于信道是否存在可接入的MAP。如果在最小信道驻留时延Tmin_chan内，该信道没有收到任何流量，表明该信道为空，即无可接入的MAP，此次信道扫描结束；否则必须等待至最大信道驻留时延Tmax_chan。

Te为当前信道没有MAP即空信道下的信道扫描时延［10］，即

式中TD为帧取得传输媒介使用权的接入时延。

Tu为当前信道存在MAP情况下的信道扫描时延，即

u为有MAP存在的信道个数，e为无MAP存在的信道个数，则探测时延Ts为

轨道交通中，无线Mesh网络的MAP基本沿轨道部署，其覆盖模型如图3所示。

图3　MAP覆盖模型图Fig. 3　The diagram of MAP coverage model

由图3可以看出，当STA移动进入重叠区域，发生切换时，若只有2个MAP存在，则：

1）对于全信道扫描算法，此时u=2，e=9，

2）对于选择性信道扫描算法，此时u=2，e=1，

802.11协议并未对Tmax_chan和Tmin_chan的值作具体说明，一般认为Tmax_chan等于TD。根据802.11协议的MAC访问机制可知，Tmin_chan为

式中：TDIFS为接入优先级等待时间；

CWmin为最小竞争窗口，在直序列扩频技术中其值为31；

Tslot为一个时隙长度。

TDIFS可通过式（7）得到，即

式中：TSIFS为短帧间间隔，802.11g协议中TSIFS为10s；

Tslot为9s。

可知TDIFS为28s，Tmin_chan为307s。

接入时延TD可通过式（8）得到，即

式中：TLs为一个时隙的平均长度；

n为成功传输帧的平均时隙数。

要得到TD，需求出TLs， n的值。

1）TLs可通过式（9）得到，即

Ptr为给定时隙中，只有一个节点发送的概率；

Ps为只有一个节点发送时的成功发送概率；

Td为帧成功传输下信道的繁忙平均时间；

Tc为碰撞导致的信道繁忙平均时间。

要得到TLs，需求得Ptr， Ps， Td， Tc。

①Ptr与Ps分别通过式（10）和（11）得到， 即

式（10）～（11）中：N为竞争媒介使用权的移动台数量；

其中P为帧冲突概率，

m为最大退避阶数，由于时隙的平均长度TLs决定于成功传输帧或帧冲突下信道感知介质繁忙的时间间隔，此处设定最大退避阶数m = 10。

将式（12）～（13）进行迭代，得到P与。N取不同数值时，可依次求出式（9）中Ptr与Ps。

②Td和Tc分别通过式（14）和（15）得到，即

式（14）～（15）中：TH为数据头的传输时间，为416s；

TP为平均数据包有效载荷大小，为1 091s；

TACK为确认帧传输时间，为10.2s。

2）n可通过式（16）得到，即

式中：无重传机制下，m = 0；

W = CWmin=31。

可得

由上述公式，可以得到N取不同值时的接入时延TD，进而求出探测时延Ts。图4为N取不同值时，全信道扫描算法和选择性信道扫描算法的探测时延Ts的分布情况。

图4　移动站数目N取不同值时，总探测时延分布图Fig. 4　The detection time delay diagram for the different numbers of mobile radio station N

通过上述数学逻辑推理以及图4可知：随着N取值的增大，全信道扫描算法与选择性信道扫描算法的探测时延Ts都呈增大的趋势；但选择性信道扫描算法的探测时延Ts增长率明显小于全信道扫描算法，如当N为4时，全信道切换算法的探测时延约为150 ms，选择性信道扫描算法的探测时延约为40 ms。由此可见，选择性信道扫描算法能够有效减小STA在信道扫描阶段中的探测时延。由于切换时延还包括安全认证时延以及重关联时延，因此切换时延并不局限于探测时延。在此，本文只讨论探测时延的影响。

3　仿真分析

本文通过OPNET建立仿真模型。考虑到无线Mesh网络的应用场景即轨道交通，本文采用直线轨迹，设置轨旁MAP频率为1， 6， 11信道中心频率，对移动MAP发射机模块的信道匹配文件进行修改，使之适应轨道交通无线Mesh网络的需要。

仿真时间设定为2 min。通过观察车载MAP的AP连接属性（AP connectivity），可以观测车载MAP与轨旁MAP的连接情况。为便于分析对比，将数据导出，再进行绘图分析。本文选取69次切换数据，车载MAP数目为4。图5为全信道扫描算法与选择性信道扫描算法对比图。由图5可以看出，在2个轨旁MAP覆盖的情况下，全信道扫描算法的时延最高达到350 ms，最低100 ms，平均时延约为184 ms；选择性信道扫描算法的最高切换时延为70 ms，最低37 ms，平均时延为52 ms。当切换时延大于50 ms时，人耳能明显感觉到语音通信中的切换间隔。由此可见，选择性信道扫描算法能够基本满足语音通信时对切换时延的要求。

仿真结果和理论分析存在一定的偏差，这是由于网络时延受信道噪声、频带干扰以及仿真只能在一定次数下进行等因素的影响。整体而言，选择性信道扫描算法能够显著减小切换时延，提高切换效率。

图5　车载MAP数目为4时，切换时延对比图Fig. 5　The contrast of switching delay when the number of vehicle MAP is 4

4　结语

针对传统无线Mesh网络的全信道扫描算法存在严重时延问题，本文提出了一种选择性信道扫描算法，将其应用于轨道交通中。该算法通过最小化扫描信道数量方法来实现车载MAP的快速切换。本文先从理论分析轨道交通无线Mesh网信道切换时延，再将2种信道扫描算法进行仿真分析。仿真结果表明，选择性信道扫描算法能有效降低车载MAP的切换时延，提高切换效率。

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（责任编辑：邓彬）

Switching Strategy of Wireless Mesh Network Channel Based on Selective Scanning

ZHAO Zilong，WEN Hong，XU Xi，LI Shaoshuai，OUYANG Min
（School of Computer and Communication，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In the view of the problem of rail traffic in wireless mesh network channel switching， puts forward a channel switching strategy based on selective scanning. Reduces the detection delay by minimizing the number of channel scanning，analyses theoretically the selective channel scanning and full channel scanning switching detection delay， and simulates the switching scene through the OPNET. The experimental results show that compared with the full channel scanning algorithm， the selective channel scanning switching strategy can effectively improve the performance of the wireless MESH network by reducing the switching delay of about 130 ms.

rail traffic；channel switching；selective scanning；OPNET

TN923

A

1673-9833（2016）01-0036-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.01.007

2015-11-12

湖南省自然科学基金资助项目（14JJ3123），湖南省教育厅科研基金资助项目（15K035，15C0408，14A037）

赵子龙（1988-），男，河南郑州人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为无线网络，E-mail：zilong_love0@126.com

文鸿（1981-），男，湖南邵阳人，湖南工业大学副教授，博士，主要研究方向为下一代宽带无线通信网，E-mail：wenhhut@163.com