多接口多信道无线Mesh网络动态信道分配中的路由协议研究

谢桂芳

（湘南学院软件与通信工程学院，郴州 423000）

0 引言

近年来，随着市场需求和网络技术发展，无线Mesh网络因其自组织、自适应、自管理等特点被作为宽带无线接入“最后一公里”问题的解决方案，它正在融入并且改变着人们的生活方式，人们对无线宽带接入的要求也越来越高。由于单接口单信道技术因信道切换频繁会使延迟增加和带来的干扰性会使网络吞吐量急剧下降。因此，无线Mesh网络引入了多接口多信道技术，使用多个正交信道与不同相邻节点通信，以减少延迟和减轻干扰。然而，在多接口多信道无线Mesh网络（Multi-radio Multi-channel Wireless Mesh Network，MRMC WMN）骨干网中，源节点需经过一个或多个Mesh路由器才能到达终节点，源节点可能会存在多条可以到达终节点的路径，如何选择一条传输性能最好的路径，是MRMC WMN关键技术中路由协议要面临的挑战。目前常用的无线路由协议有：按需距离矢量路由协议（Ad hoc On-Demand Distance Vector，AODV）、动态源路由协议（Dynamic Source Routing，DSR）和优化链路状态路由协议（Optimized Link State Routing，OLSR）等，但这些协议都只适合单信道无线网络，而对于MRMC WMN，需要选择合适的多信道路由协议修改方案对这些协议进行修改才得以支持。本文通过将多信道和多路径路由方案有机结合，提出了一种称之为自适应多路径和多信道控制方案的新协议以支持MRMC WMN。

1 相关工作

目前，国内外针对MRMC WMN的信道分配算法处于初级探索阶段，动态信道分配方法主要有：文献[1]的DCA算法、文献[2]的支持多接口的SSCH算法、文献[3]提出的负载可知的算法。另外，还有一些文献使用优化方法求解信道分配算法，如文献[4]对禁忌搜索算法和遗传算法在考虑负载均衡的基础上进行研究，提出了 LB-TS（Load Balance based on Tabu-Search）和LB-GA（Load Balance based on Genetic Algorithm）算法。目前WMN中常用的AODV、DSR、OLSR等路由协议都只支持单信道无线网络，文献[5-7]等对已有路由协议的性能分析及评估也都是针对单信道无线网络，而适应MRMC WMN的路由协议尚无文献报道。

2 协议体系结构

假定每个节点都装有一个使用半双工接口的802.11无线适配器。接口允许在不同信道之间切换并执行802.11最优协议。该协议体系结构是一种跨层结构，不需要在媒体接入控制层和网络模型硬件结构之间变换。该体系将多路径和多信道有机结合以提高通信效果，其主要功能如下：

（1）邻近信息目的是用于信道接收。

（2）使用通信链路路径来建立每个节点的网关连接。

（3）引入超帧技术来分配网络中的时隙。

（4）包转发、调度和调整较好的发送与接收的时隙比等机制都是用来为每个结点调度和转发包及调整发送时隙与接收时隙的比率。

3 多路径路由

为了更好地通信，本文制定了多路径路由方案，即制定一个创建双路径到网关的路由方案。寻找最佳路径取决于链路层提供的信道信息。本文首先描述了节点选择模型，然后提出了多路径路由发现机制和路径分段度量，最后借助于多路径路由制定了包调度方案以提高网络性能。

（1）接收信道选择过程：在整个通信过程中，当一个节点模式被打开，则它就从接收信道中选择任何一条信道。2跳邻居节点断断续续地从对应节点中收到广播。这可以通过发送一个HELLO消息得到。邻居表是由每个包含接收信道信息的节点构成。另外，建立一张包含计算使用每个信道的节点数目的信道使用表。

（2）双路径路由发现：双路径路由发现主要是为每个节点建立两条路径到网关。文中为每个网关的双路径发现提出了一种有效的方法。为此，需要使用一个标注为GREQ的网关请求包。该包模型如表1所示。

表1 包模型

根据此模型，可以生成一个网关请求。该请求被标注GREQ,如果该请求生成了，则可以断定网关路径被通信节点占用。在整个通信过程中，为了通信，序列数、数据源地址、网关地址、跳数和路径记录都要被初始化和计算。在下一阶段，具有相同一对一请求类型的相似邻近节点所引起的调度不匹配被计算出来。可以借助网关地址和跳数来估算包转发，即如果包被发送则网关数量减少。该技术有助于减少开销和重播GREQ包，从而不会造成任何网络拥塞。

路由发现初始化过程如下：

（1）如果网关请求的序列号小于发送的数据源地址的序列号，则丢弃路由发现且退出，否则将发送的数据源地址的序列号更新为网关请求的序列号；

（2）如果发送和接收的时隙时间表不匹配，则丢弃路由发现且退出；

（3）如果网关请求的网关地址不为Unknown且不等于发送的网关地址，则丢弃路由发现且退出；

（4）如果网关请求的跳数小于发送的跳数，则丢弃路由发现且退出，否则如果网关请求的跳数等于发送的跳数，且发送的下行时隙包含在网关请求的路径记录中，则丢弃且退出。

除此之外，则发送网关请求的网关请求序列号和网关请求源地址。

4 仿真实验方案

4.1 实验条件和实验环境

从文献[4]对DSR、AODV和OLSR三种路由协议在MRMC WMN结构下的性能比较研究可知，在文献[4]所部署的所有场景中，OLSR路由协议的性能整体优于AODV和DSR。因此，该实验只对本文所提出的多路径路由（Multi Path Routing，MPR）协议和OLSR协议在路由开销和网络吞吐量等性能方面进行比较分析，从而得出哪种协议较优。

使用NS2仿真工具，在NS2 MAC层采用文献[4]所提出的LB-TS动态信道分配算法，在网络层对文献[4]中所提出的13节点MRMC WMN网络模型分别加载OLSR和MPR二种路由协议。

4.2 实验结果及分析

（1）路由开销比较

13节点模型在不同网络负载流量下，2种路由协议在LB-TS算法下的路由开销如图1所示。

图1表明，当负载流量较小且低于30Mbps时，MPR协议的路由开销呈上升趋势且略高于OLSR协议的路由开销，但当负载流量大于30Mbps时，随着负载流量的增大，OLSR协议的路由开销略呈上升趋势，而MPR协议的路由开销略呈下降趋势，且远低于OLSR。这是由于在OLSR路由协议中，不管发送多少个数据包，OLSR都要定期广播路由信息，且由于多条路由应答只发送给一个路由请求数据包，这将会增加控制。此外，当路径中的一个节点失败，由于缺乏多条路径作为备选路由路径，所以一条路由错误消息将广播到所有的邻居节点，这增加了路由开销。

（2）吞吐量比较

13节点MRMC WMN在不同网络负载流量下，2种路由协议在LB-TS算法下的网络吞吐量如图2所示。

图2表明，当负载流量较小且低于20Mbps时，二者系统吞吐量随负载流量变化基本一致，但当负载流量大于20Mbps时，随着负载流量的增大，OLSR协议的系统吞吐量呈上升趋势较平稳，MPR协议的系统吞吐量急剧上升且远高于OLSR。这是由于MPR协议将多信道和多路径路由方案有机结合，能维护和建立切换频繁的多信道通信，且将数据流分割成多条路径避免了流内干扰和流外干扰。另外，将通信时间分成多个时隙以用于时隙分配和路由发现。

图1 不同负载路由开销

图2 不同负载系统吞吐量

5 结语

本文通过对WMN中动态信道分配算法和已有路由协议的研究，针对目前尚无专门的路由协议支持MRMC WMN，也少有文献报道MRMC WMN使用哪种改良的路由协议较好，提出一种将多信道和多路径路由方案有机结合的自适应多信道多路径路由协议。并利用NS2工具和借助文献[4]中所提出的网络模型及LB-TS算法，实验分析MPR协议与OLSR协议的性能。实验结果表明，MPR协议能够在路由开销、网络吞吐量等性能方面优越于OLSR协议。

参考文献：

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[3]Raniwala A.,Gopalan K.,Chiueh T.2004.Centralized channel assignment and routing algorithms for multi-channel wireless mesh networks.SIGMOBILE Mob.Comput.Commun.Rev.8（2）：50-65

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