无线传感网络多重重叠频道配置研究

顾大刚 黄伟

摘要：无线传感网络具有可快速组建网络及减少组建成本的优点，已成为现今重要技术之一。由于无线通信设备的大量设置，使得在有限的频谱资源中，如何避免频道间使用相同频率产生干扰，并使网络整体效能提升成为一个值得探讨的研究方向。在频谱上，不重迭频率的频道更显得稀少而珍贵，因此增加可用的无线通信频道数并分析网络干扰程度以进行频道配置，更能有效利用频道同时降低干扰问题的产生。该文即在多频无线网状中使用多重重叠频道的频道配置策略，选择多重频道重迭干扰最小的频道并利用冲突图理论得知网络干扰程度，避免网络系统使用相同频道导致同频干扰并减少节点之间频道干扰影响，使无线链接能抗干扰程度有效降低。

关键词：无线传感;重叠频道;配置

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）26-0048-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 概述

为满足人类对生活不断进步的追求，作为城市的社会和经济发展的基础信息化设施，无线城市建设已成为衡量一座城市整体运行效率、信息化程度以及国际竞争力的重要尺度，是等同于水、电、煤气、交通之后的城市“第五公用事业”。近几年来，随着无线网络的快速发展，无线网络已经被广泛地应用到企业，学校，医院，机场等众多公共场所中，为这些区域内的用户提供了极大的方便和自由。目前无线通信业务需求的日益高涨，使得可用的无线频谱资源越来越稀缺。尽管人们为了提高频谱利用效率，运用各种先进的无线通信理论及技术做出了各种努力，却发现频谱利用效率仍然很不理想，特别是在信号传播特性比较好的低频段频谱的利用上尤为严重。为了尽可能更加高效地利用无线频谱资源，解决当前频谱资源日益紧张的局面，亟待研究出更有效的方法来充分利用现有的无线频谱资源。而近年来认知无线电技术的提出，就是为了缓解现有无线频谱资源的紧缺状况，提高频谱资源的利用效率。

1.1 无线信道特点

无线信道是无线网络的一个非常重要的资源之一。他直接影响着网络的传输性能。合理的分配和使用无线信道是解决无线网络问题的关键技术之一。近年来，无线通信已渗透到人们生活的各个领域，越来越多的人加入无线通信的用户群体中，并且，人数和使用频率在迅速增长者，由此产生的巨大的网络需求，极大考验着无线通信网络的承载能力。同时，人们对于网络访问速度也提出了更高的要求。在多跳的WMN中，随着双方通信距离的增大，传输跳数的增多，数据传输速率明显降低。而且，考虑到多跳传输过程中的各种QoS保证，网络拥塞与信道传输的干扰问题等，网络的吞吐量也会受到极大的影响。同时，802.11b/g标准和 802.11a标准分别提供3个和12个正交信道，使得我们可以将研究技术扩展到多网卡多信道的领域，这样网络中的节点便可以使用多信道传输，相邻的节点也可以同时传输，只要为它们分配不同的信道即可，这样极大地增加了网络的吞吐量，提高网络的传输性能。

1.2 网络架构

无线网络架构大致可分为基础架构模式（Infrastructure Mode）和不具备无线基地台（Access Point， AP）的随机式架构模式（Ad Hoc Mode），基础架构模式下的通讯用户必须在AP的通讯范围内，才可以与AP建立联机并取得网络;随机式架构模式是一种点对点的传输模式，在此无线网络环境中，可以让单一设备或工作站直接进行点对点沟通。由随机式架构模式衍生的布点模式（Mobile Ad Hoc Network， MANET），是一种完全经由无线链结（Wireless Link）的行动节点所构建的网络，通常具有动态拓扑形成及有限带宽等特性，以及由基础架构模式和随机式架构模式衍生出无线网状网络（Wireless Mesh Network， WMN）的研究，由于無线网状网络能够快速的部署骨干网络以提升覆盖范围，此特性使得无线网状网络成为无线网络研究的焦点，并且运用多重频道网络（Multi-Radio Multi- Channel）来提升整体网络效能。

2 多重重叠频道配置构架设计

多重重叠频道配置构架设计：MPOC（Multiple Partially Overlapping Channels， MPOC）系统架构下图1所示，属于集中式频道配置，在多频无线网状网络中网络信息将会透过 MAP 转送到集中式服务器，由集中式服务器来分析网络负载流量及计算干扰关系并进行频道配置，在先前的研究大多是针对每个链结或是针对无线网状网络上节点的频道配置。

本论文设计的MPOC架构则是针对链结集合来配置频道，因此在频道配置前必须先将多频无线网状网络节点上的链结进行合并并且对应到MAP的前接口上，并建立冲突图来判断每个链结集合干扰范围内的链结集合，大多数的研究将干扰范围定义为两倍的传送范围，此作法是为了避免每个链结集合的干扰范围内不会配置到相同的频道上，导致同频干扰的产生，最后将多个部分重叠频道配置到每个链结集合。

MPOC频道配置选择重叠干扰最小的多个重叠频道进行频道配置，透过链结合并使得流量较大的链接选择负载较轻的通讯接口使通讯接口负载能达到平衡，同时也使得每个链结集合的流量负载不会差异太大，并由冲突图的分析得知每个链结集合干扰与未干扰的链结集合状态，让干扰的链接集合不会配置到相同的频道，而造成同频干扰或频率干扰等问题的产生，最后将多部份重叠频道，依照每个链结集合的干扰严重性来让链接集合优先选择频道，同时让相邻相互不干扰的链接集合运行在相同的频道上，不仅提升无线频道数量，同时也提升无线网络的整体效能。

3 总结

随着无线通信设备应用逐渐广泛，使得无线频谱逐渐成为一个有限的资源，导致频谱之间干扰噪声的问题成为降低网络效能的主要原因之一。然而，在无线网络传递封包的过程中，除了容易遭受无线网状网络的同频干扰影响，导致封包碰撞产生封包遗失的问题之外，同时也会因频道与频道之间因重叠导致频率发生互相干扰影响，如此容易造成无线网状网络效能大幅的降低。

本论文在未来还可以加入频道之间的竞争特性为考虑因素分析，让频道配置的过程中能预先分析目前网络拓扑的干扰状态，并且依干扰状态能选择较适当的频道，使得网络环境中的干扰为最小化且效能为优化，除此之外，还可以加入路由协议的考虑因素，让不同的网络拓扑环境会因路由协议的不同会对网络有不同的影响，若使用不适用的路由协议，则会造成网络效能明显的降低，反之，若使用合适的路由协议，则能更有效地利用频谱资源，以提升网络效能。

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