无线自组织应急通信网络的多信道介质访问控制

肖毅 赵刚 朱丽

摘 要：本文研究了无线自组织应急通信网络的多信道资源分配算法，分析了无线自组织应急通信网络中资源分配的主要问题，并结合了负载感知和距离受限的资源分配算法、单播和多播统一信道的资源分配算法、容量最大化的分布式资源联合调度算法，提升了无线自组织应急通信网络多信道介质访问控制机制的应用效率。

关键词：多信道资源分配;无线通信;分配策略

中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）17-0032-03

Research on Multi-channel Medium Access Control of Wireless Self-organizing Emergency Communication Network

XIAO Yi ZHAO Gang ZHU Li

（Chengdu Kehong Xilian Technology Co.， Ltd.，Chengdu Sichuan 610064）

Abstract： This paper studied the multi-channel resource allocation algorithm of wireless ad hoc emergency communication network， and analyzed the main problems of resource allocation in wireless ad hoc emergency communication network， and improved the application efficiency of the multi-channel medium access control mechanism for wireless ad hoc emergency communication networks by combining with load-aware and distance-restricted resource allocation algorithms， unicast and multicast unified channel resource allocation algorithms， and capacity-distributed distributed resource joint scheduling algorithms.

Keywords： multi-channel resource allocation;wireless communication;allocation strategy

随着时代的不断发展，人们在工作、学习和生活中对网络的需求逐渐增加，当今社会，强烈需求也催生了科研工作者对更强大性能网络的追求动力。随着无线技术和网络技术的发展，无线自组织应急通信网络必然成为今后网络发展的重要趋势，并且多信道介质访问也十分适合处理无线自组织应急通信网络的资源分配问题，能有效提升无线自组织应急通信网络的通信能力[1-3]。在有关IEEE802.11介质访问控制的相关研究中，人们不仅在标准的基础上定义了多信道通信模式，还探究了多信道或单一控制信道的时分复用，因此明确认识无线自组织应急通信网络，并根据无线自组织应急通信网络资源分配方面的问题展开研究，探究无线自组织应急通信网络的多信道资源分配算法，有利于合理配置、控制和使用无线自组织应急通信网络。

1 无线自组织应急通信网络概述

1.1 无线自组织应急通信网络内容

在网络通信中，无线网络是其重要组成部分，与宽带无线接入系统、移动蜂窝网、短距离无线互联等技术相互作用，为人们的生产、学习和生活带来巨大改变。但传统的无线网络制式难以满足人们随时随地的布网需求，因此无线自组织应急通信网络开始获得众多科研工作者的关注。无线自组织应急通信网络的概念起初诞生并运用在军事领域中，但其优良的性能在商业领域中也体现出了巨大优势。无线自组织应急通信网络作为一种新兴的组网技术，可以不依赖于任何基础设施和中心实体，作为网络一部分的重要节点，无线自组织应急通信网络既可以作为信息的发起者和接受者，也能承担信息中继者的功能，通过对无线自组织应急通信网络进行精心设计，网络信息协议相互合作，能够自动配置和管理，并自发通过信息交互组成网络，让信息通过节点间相互中继的方式，自动维护网络拓扑结构，从而拓宽网络覆盖范围，加大无线设备传输距离[4-5]。

1.2 无线自组织应急通信网络特点

无线自组织应急通信网络不依赖类似基站等基础设备，通常由一系列带有射频收发模块的网络节点构成，能够自行迅速构建网络拓扑体系。由于受人为控制的因素较少，并且属于分布式的临时网络，无线自组织应急通信网络具有无中心、自愈性、自动组网等特点。无线自组织应急通信网絡作为对等网络，各网络节点可以随机、频繁地接入和离开，没有主次之分，区别于固定基础设施的蜂窝网络。无线自组织应急通信网络的标准配置有无线收发装置、主控制处理器、天线和其他辅助设备，网络节点可以根据自身需求对位置进行调整，并且无线信号的覆盖范围也会随机变化，按照网络协议设定的组网形式，从而实现各个网络节点直接的无线互联，但由于无线网络环境的不确定性，无线自组织应急通信网络存在分布式操作、线路质量不稳定、网络拓扑动态性和设备限制等方面的问题。人们需要进一步优化无线自组织应急通信网络的资源配置算法，从而达成整个网络的共同协作。

1.3 无线自组织应急通信网络中的资源分配

在无线自组织应急通信网络中，为了解决无线频谱资源的限制性问题，人们应当优化无线自组织应急通信网络中的资源分配。区别于传统网络体系的各层单独设计和运行方式的“比特管道”，无线自组织应急通信网络会发生时变多径衰减，导致不同用户的信道统计特征不一样，造成多用户共享资源时发生严重的干扰现象。如果将传统有线网络的分层体系结构直接用于无线自组织应急通信网络中，会严重降低低效频谱的使用率和灵活性。为加强无线自组织应急通信网络的多信道介质访问控制，人们应充分考虑跨层设计，即无线网络的不同层次实现统一自适应设计，有效提升网络性能。无线信道的本质是共享介质，需要考虑用户随机特性来保障高效资源共享机制，并在物理层调制和解码的基础上达到无线网络的高效能量运用。无线自组织应急通信网络中的资源分配需要考虑吞吐量、延时性等网络层服务质量，同时考虑物理层的编码、调制和信道衰减等问题[6-7]。

2 无线自组织应急通信网络资源分配问题

2.1 集中式单跳

在无线自组织应急通信网络中，当多个次用户介入中心节点的网络时，资源分配应当解决好主用户和次用户间的干扰问题、各个次用户间的干扰问题，从而实现数据的有效传输。主、次用户通过协商决定中继协同的方式，从而获得授权频谱的使用机会，造成资源分配问题更为复杂，引发中继选择问题和传输机会分配问题，难以保证传输质量。

2.2 集中式多跳

无线自组织应急通信网络中的多条网络，需要考虑次用户接收设备选择和端到端性能影响等问题，因此多跳环境中的资源分配优化问题更为复杂。传统无线网络各个节点的可用信道相同且已知，但在无线自组织应急通信网络中，受设备、环境、用户活动等因素影响，各用户的频谱探测结果可能不同。当两个用户没有相同的可用信道时，即使在无线自组织应急通信网络的覆盖范围内也无法进行通信，这也改变了网络的拓扑结构，从而影响接收设备的选择。在另一种情况下，如果一条路径上信道分配结果不同，也会造成网络干扰不同，进而影响端到端的性能发挥。除了存在信道和路由的耦合问题之外，信道与网卡也存在耦合问题，同一网卡同一时间只能接入一个信道，导致网卡数决定用户最终使用的信道数目，从而影响无线自组织应急通信网络资源的合理分配。

2.3 分布式多跳

将无线自组织应急通信网络中的中心控制节点去掉，则集中式的资源分配方法也难以适用，需要进行分布式方法的设计。而在分布式方法中，各用户需要根据自身获取的局部信息，自行对资源进行优化配置，导致全局信息不易获取。在这样的无线自组织应急通信网络中，人们需要通过邻节点间的公共控制信道来实现链路的分布式信道分配和协调，结合中继传输方法来减小用户功率影响，从而探究分布式多跳环境下用户中继选择及功率控制方案。

3 无线自组织应急通信网络的多信道资源分配算法

3.1 负载感知和距离受限的资源分配算法

为了优化无线自组织应急通信网络的多信道资源分配算法，人们可以从集中式负载感知和距离受限的多信道分配策略入手，假设所有路由节点都静止不动，只配置了单个射频接口，从而模拟校园和企业等应用场景。为了充分降低链路与邻近链路之间的干扰，提升网络吞吐量，人们可以运用最小化链路干扰最大值的度量方法来保障网络公平性，再进行干扰估算，计算每条信道上的无线干扰设备数目。通过仿真结果可得，以网关为顶点的链路容易形成网络瓶颈，因此减少该部分链路的干扰，可以提高网络性能。当网络节点数目小于4个时，各节点到网关的距离较近，无线节点只能接受或者发送，难以发挥多信道的优势，但随着节点数的增多，无线自组织应急通信网络的多信道优势开始逐渐发挥，能够显著降低邻近链路的干扰，从而提升网络性能。

3.2 单播和多播统一信道的资源分配算法

在无线自组织应急通信网络的实际应用中，单播和多播通常共存在网络中，多播可将数据一次性发送到多个组成员，现有研究大多单独考虑单播和多播的资源分配问题，但单播和多播共存时的资源分配则很少提及。单播和多播统一信道的资源分配算法能有效避免无线自组织应急通信网络中相同数据的多次重复传输，在降低网络冲突的同时，还能大幅提升网络吞吐量和传输效率。为实现单播和多播统一信道的资源分配，首先应将单播和多播信道分配问题转化为传输冲突着色问题，再运用更准确的信道度量方法，合理选择最小干扰信道，进而构建单播和多播统一信道分配的系统模型。根据仿真结果可知，当传输速率很低时，算法的网络吞吐量和延时差别不大，由于网络中的无线介质访问冲突很少，多播会话并没有发挥出多信道和多接口的优势，但随着传输速率的增加，多信道和多接口的优势开始显现，最优信道分配算法解决了算法存在的隐藏信道问题，当可用信道足够多时，最优信道分配算法将传输冲突图转化为弦图，获得最优结果。覆盖信道选择度量函数来为链路选择最小网络干扰信道，使得单播和多播统一信道的资源分配算法网络干扰最小，有效提升网络性能。

4 结语

本文研究了用于无线自组织应急通信网络的多信道介质访问控制机制，通过多信道资源分配算法实现了资源动态分配，通过负载感知和距离受限的资源分配算法发挥多信道优势，运用单播和多播統一信道的资源分配算法提升网络吞吐量。这样可以充分发挥两种资源分配算法的优势，提高无线自组织应急通信网络多信道介质访问控制机制的运行效率，但其在优先级服务和比例方面仍存在问题，值得进一步深入研究。

参考文献：

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