基于最小化干扰的无线Mesh网络信道分配算法设计与研究

巩庆志++刘朝霞

摘要：如何对无线Mesh网络中的信道进行分配及算法优化成为研究热点，这也是本文的研究内容。本文对几种常用的无线Mesh网络信道分配算法以及无线Mesh网络中信道间的干扰进行了分析，在理论分析和推导的基础上，本文提出了一种基于最小化干扰的无线Mesh网络信道分配算法，本算法主要解决或减轻路径内干扰对网络吞吐率产生严重影响的问题，是一种分布式动态的信道分配算法，具有很高的灵活性。

关键词：无线Mesh网络 信道分配 信道间干扰 网络吞吐量

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0141-02

无线Mesh网络（无线网状网络）也称为“多跳（multi-hop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。无线网络技术的出现丰富了Internet接入方式的多样性，在无线电技术发展的过程中有着重要的时代意义。传统的无线网络技术中单跳传输受距离影响较大，对有线网络存在较大的依赖性。为更好的满足人类需求，无线Mesh网络技术得到快速发展。区别于传统无线网络技术中的单跳传输，无线Mesh网络以多跳的方式进行无线接入。其中，无线接入点（Access Point， 简称AP）既可以接入无线终端，例如PC机、手机、PDA等，又可以作为数据转发基地，所以多个无线AP可以构成一个网状网络。该方式在提高无线网络覆盖范围、降低成本及提升带宽等方面有着较好的效果。

无线Mesh网络技术中干扰因素的存在，导致传统单射频单信道的多跳无线Mesh网络节点容量随规模增大而剧烈降低，对网络的性能有着严重的影响。而单射频多信道的多跳无线Mesh网络方案需要频繁切换信道，这也导致了切换延时的存在，因而不适合无线Mesh网络技术的发展。现阶段无线Mesh网络多采用多射频多信道的构造，可以使得多个无线AP可以同时工作在无重叠的多个信道中，其结构如图1-1所示。为提升网络性能，无线Mesh网络中信道合理分配的问题成为了研究热点。

1 常用的信道分配算法

网络中的性能很大程度上取决于网络中可用信道的数目以及通信时采用的何种信道分配方案。一个好的信道分配策略，它通过分配数量有限的可用信道给链路，能够极大的降低通信时无线链路之间的干扰，最大程度的提高无线Mesh网络中网络的整体吞吐量，优化网络的性能和降低网络通信时的丢包率，因此，一个好的无线Mesh网络信道分配方案显得尤其重要。

近年来，国内外专家和学者对无线Mesh网络信道分配问题进行了一定的研究。文献[1]中提出网络中的所有节点都使用统一的信道分配方案，也就是把信道1和信道2分别分配给节点的接口卡1和接口卡2，以此类推。但是尽管这种方案比较简单，但是性能与其它算法相比较而言不是很高。文献[2]根据链路调度在动态信道分配和静态信道分配之间最大化多信道无线Mesh网络的容量，根据不同的流量需求来增加天线和信道的数量。文献[3]为无线Mesh网络的多天线节点提出一个联合的信道分配、路由、链路的方案，这种方案可以适应不同的信道分配和链路策略对于不同的通信模式。文献[4]在无线Mesh网络中提出了一种自适应分布式信道分配方案，该方案提高了可利用信道的利用率，通过分配不使用的时间槽给新节点，有效的利用了信道带宽。文献[5]引进拓扑结构化简技术，对多接口无线Mesh网络的信道分配算法进行改进，使网络中的干扰度降到最低。文献[6]研究了在不同数量的Mesh路由器的情况下，几种不同信道分配策略给网络带来的影响。

2 基于最小化干扰的无线Mesh网络信道分配算法

目前在无线Mesh网络信道分配的算法研究上，人们已经提出了一些分配方案，其中针对干扰模型的研究相对较多，本文正是针对路径内干扰对网络吞吐率产生严重影响的问题进行分析，从而设计出一种基于最小化干扰的无线Mesh网络信道分配算法。

本信道分配算法旨在解决无线Mesh网络吞吐量最大化的问题，根据无线Mesh网络的特性以及无线信号传输特性的分析，提出了算法设计的几条基本原则：

（1）同一节点不能有两个射频工作在相同信道。

（2）下层节点要适应上层节点的的信道。

（3）尽量保证一条路径上连续3跳没有相同信道。

在无线Mesh网络中，大部分节点都扮演着一个数据中继的角色，数据从上层邻居流入，同时转发给下层邻居，或者数据从下层邻居流入，同时转发给上层邻居。与上层邻居通信的称为上行射频，与下层邻居通信的称为下行射频，上行射频的工作信道称为该节点的上行通道，下行射频的工作信道称为该节点的下行通道。对于节点s，上行信道选择算法和下行信道选择算法分别如图2-1和图2-2所示。其中，射频i的繁忙度为，与节点s之间产生干扰的概率为，基础繁忙度是一个0到1之间的比较小的值（繁忙度是指该射频在过去的一段时间T内，处于发送状态的时间t占总时间的比例）令所有可选信道集合为全集U，节点已经选取的信道集合为N，上层节点的信道集合为，上层节点的上行信道集合为，上层节点的下行信道集合为，工作在信道c的3跳內邻居射频集合为节点依次对每个上行射频和下行射频进行信道分配。

在备选集合的各个信道之间选择时，总是选繁忙度最小的信道可以使干扰最小。

3 仿真与测试

本文对最小化干扰的无线Mesh网络信道分配算法在NS2网络仿真平台上进行了仿真，仿真场景如图3-1所示。

图3-1中横坐标是基于单条数据流条件下的网络速度，而纵坐标是网关成功接收到数据帧的吞吐率。从以上仿真结果实验可以看出，在信道配置方面，都处于相同的路径设置，如果在数据流量处于较大的情况下，在附近发生信道拥塞。本文提出的无线Mesh网络信道分配算法性能比较理想，针对无线Mesh网络中1/3问题，使网络中节点干扰降到最低。

4 结语

无线Mesh网络中，从无线设备的角度来看，各个节点之间并没有明细的区别，都能够将其设置为AP和路由器，各个节点不仅可以作为信号的接收功能的使用，也可以用作节点的发送功能，节点之间可以进行相互交叉的方式来达到网络通信的目的。

在这种情况下，如果最近的AP因为网络流量较大而产生网络数据传输拥堵的情况，数据可以采用自动分配的方法，进行网络数据的流量重新分配，将其分配到附近流量较小的节点上进行网络通信。这种状况可以无线传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。

在未来，无线Mesh网络发展是基于多种技术的相互的融合的过程，并实现了无线网络的通信质量全面的提升，和社区网之间相互链接，不断提高用户的无线网络的优质通信体验，获得更多的通信便利。

参考文献

[1]候冠博，杨寿宝，胡云.WMN中基于链路质量的信道分配算法[J].计算机工程，2010，36（11）.

[2]田克，张宝贤，马建，姚郑.无线多跳网络中的机会路由[J]，软件学报，2010（10）.

[3]李彬，王文杰，殷勤业，杨荣，杨小勇，王慧明.无线传感器网络节点协作的节能路由传输[J].西安交通大学学报，2012（6）.

收稿日期：2016-09-12

基金项目：辽宁省高等学校优秀人才支持计划资助（No.LJQ2014127）。辽宁省教育厅2013年度一般项目资助 （No.L2013433）。2013年大连外国语大学科研基金项目一般项目。

作者简介：巩庆志（1975—），男，汉族，山东莒县人，讲师，工学硕士，研究方向：无线网络，嵌入式，机器学习。