無線網狀網中資源分配與選路聯合優化研究

摘 要:針對無線網狀網(WMN)的特點，對WMN中的資源管理問題和跨層設計方法進行了介紹，分析了跨層設計在WMN中的資源管理和選路設計中的重要性;對資源分配和選路聯合優化問題以及現有的解決方法及研究進展進行了綜述和分析，提出了待解決的問題和一些解決思想。

關鍵詞:無線網狀網; 資源分配; 選路; 優化; 跨層設計

中圖分類號:TP393 文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)03-0824-05

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.03.005

Investigation on joint optimization of resource allocation androuting in wireless mesh networks

LIU Jing-yong， LIAO Dan， LI Le-min

(School of Communication Information Engineering， University of Electronic Science Technology of China， Chengdu 611731， China)

Abstract:This paper gave an introduction on resource management issues in WMN(wireless mesh networks) and the method of cross-layer design， and presented the critical factors that made cross-layer design be imperative for WMN. Analyzed and summarized typical issues and recent research development of joint optimization of resource allocation and routing. And presented open issues and ideas of potential solutions.

Key words:wireless mesh networks; resource allocation; routing; optimization; cross-layer design

無線網狀網(WMN)[1，2]是由mesh路由器和客戶端組成的多跳無線網絡，通常連接到Internet作為承載網為用戶接入Internet服務。WMN中的網絡節點自動建立自組織網絡并維持其網狀連接，具有動態的自組織和自配置特性。Mesh路由器通常是固定的，除了具備常規無線路由器的網關、橋接功能以外，mesh路由器具有支持網狀連接的路由功能。路由器之間形成網狀連接為客戶端提供接入服務。通過多跳傳輸，相同的覆蓋范圍可以通過多個具有較低傳輸功率的mesh路由器來實現。部分mesh路由器同時提供網關、橋接功能使WMN與其他網絡或Internet互連。客戶端的功能相對比較簡單，大部分不具備路由和橋接功能，通過無線接口接入到mesh路由器上。

無線路由器可以裝備多個采用相同或不同無線接入技術(包括802.11或802.16等)的無線接口設備。基于802.11協議的路由器可以配備有多個網絡接口卡(NIC)，每個網卡工作在特定頻率的信道。如果兩個相鄰的路由器都有網卡工作在相同的信道可以建立邏輯鏈路，一對路由器之間可以有多條邏輯鏈路，這種網絡結構稱為多信道無線網狀網。邏輯鏈路和路由器構成了多信道無線網狀網的邏輯拓撲。

給定路由器的物理拓撲和其他限制條件，多信道無線網狀網中需要解決的資源分配問題包括邏輯拓撲的建立、接口分配和信道分配等[3]。邏輯拓撲確定邏輯鏈路的分布方式;接口分配決定邏輯鏈路怎樣分配到各個路由器的網卡上;信道分配選擇邏輯鏈路的工作信道。此外，選路策略決定數據包經由哪些邏輯鏈路進行轉發，與資源分配的方式是相關的，一般這幾個問題是一個聯合優化的問題。由于其特殊的結構，無線網狀網中各層功能之間具有更強的關聯性。為此，通過跨層設計來優化WMN的整體網絡性能至關重要[4]。

本文針對WMN中的資源分配與優化問題進行綜述。首先系統地介紹了WMN網絡的結構、特點及關鍵技術問題以及WMN中的資源管理問題，在此基礎上分析了跨層設計在WMN中的資源分配和選路設計中的重要性;然后對資源分配和選路聯合優化問題及其研究方法進行了討論，詳細闡述了該問題的研究現狀和研究進展，提出了部分待解決問題及其解決思想。

1 WMN網絡結構、特征及關鍵技術

WMN的網絡結構分為三種[1]:a)骨干(基礎)無線網狀網。Mesh路由器之間形成網狀的自配置、自修復連接。部分mesh路由器具有網關功能，可以連接到Internet，為常規客戶提供接入服務并且可以整合其他無線網絡， 圖1給出了一種典型的骨干WMN網絡結構。b)客戶端自組織網狀網絡。它是由用戶設備形成的對等網絡。這種結構中，用戶節點在提供終端應用的同時提供路由和配置功能、組成網絡。不需要專門的mesh路由器。其網絡結構與傳統的Ad hoc網絡相同。c)混合的WMN。這種結構中，客戶端既可以通過mesh路由器訪問網絡，同時也具備路由功能，可以同其他節點形成mesh連接來提高WMN內部的連接性和覆蓋能力。

與其他無線網絡相比，WMN具有以下特點:a)支持Ad hoc網絡模式，具有自組織和自愈能力;b)WMN是多跳無線網絡，同時mesh路由器提供網關等有中心或骨干功能;c)mesh路由器通常是固定的或小幅度移動，提供專門的路由和配置功能;d)由mesh路由器組成的無線中心設施支持終端節點的移動;e)mesh路由器可支持包括有線或無線的多種網絡，因此WMN中存在多種網絡接入方式;f)路由器和客戶端的能量限制是不同的;g)WMN通常需要與其他無線網絡兼容和互連。此外，除了其自組織特性以為，WMN與一般的Ad hoc網絡相比，在網絡結構、功能以及業務提供等方面也有一些區別，如WMN需要傳送多種業務，更關心端到端的吞吐量和服務質量(QoS)[4]。

由于WMN具有低成本、易維護、健壯性、可靠性等特點，除了提供一般Ad hoc網絡功能以外，WMN在很多商業應用中得到了快速發展，如寬帶家庭網絡、社區網絡、高速無線城域網、企業網等。然而，WMN仍然存在很多關鍵技術問題需要解決，主要包括:a)無線傳輸技術的問題。為了增加無線系統的容量和靈活性，近年來引入了很多新的無線傳輸技術，包括有向天線、智能天線、MIMO、多載波/多信道(multi-radio/multi-channel)系統等，以及最近發展起來的可重構無線電、認知無線電、軟件無線電等。這些無線射頻技術的應用和發展將引起高層協議尤其是MAC和路由協議的創新設計。b)可擴展性。可擴展性是對WMN的一個重要的需求，缺乏可擴展性的協議會導致網絡在規模增大時性能迅速降低。c)健壯性。無線網絡容易出現傳輸錯誤和網絡擁塞，網絡協議需要在這些情況下具有較好的健壯性，同時需要提供負載平衡。d)Mesh連接問題。為了保證可靠的mesh連接，需要更有效的網絡自組織和拓撲控制算法。了解和利用拓撲信息的MAC協議或路由協議能夠大大提高網絡性能。e)寬帶傳輸與QoS問題。大部分WMN的應用是具有不同QoS需求的寬帶服務，因此，協議的設計需要考慮端到端時延和公平性之外的更多性能需求，如時延抖動、總的吞吐量或每節點吞吐量、丟包率等。f)其他問題，包括安全性、易用性、兼容性和互操作性等。

2 無線網狀網中的資源管理

為了利用各種無線傳輸技術來提高WMN的網絡容量和性能，需要設計相應的高效資源管理策略。通常，無線資源管理(radio resource management，RRM)定義了一組無線資源(如多信道系統中的信道或網絡接口，MIMO/OFDM系統中的天線、副載波等)分配規則來實現各種網絡性能和QoS目標[3]，這些目標通常是特定性能參量產生的約束或者最大最小化問題。性能參量通常包括物理層的誤碼率，無線鏈路層的吞吐量、時延以及頻譜利用率，以及阻塞概率、斷線概率等。RRM模塊以信道質量、可用資源、緩存大小、業務條件與QoS需求等作為輸入參數，其輸出(或稱判決變量)是滿足所需目標的一組可調參數，包括調制級別、編碼率、發送功率、時隙或信道的分配以及接入控制決策等。

2.1 資源管理的基本功能

資源管理包括接納控制、資源調度或分組調度以及多信道系統中的拓撲設計和多速率系統中速率控制等基本功能模塊。接納控制根據網絡現有的業務狀況和QoS需求決定是否接納新到來的業務，限制接入mesh路由器的數據流或連接數目以維持網絡的性能和滿足現有業務QoS需求。接納控制需要具備兩個主要的功能:根據現有連接和信道質量等參數對網絡容量和性能進行評估;根據網絡容量和性能對新連接接納或拒絕作出判斷。如果接納新的連接，還需要計算所需的網絡資源。接納控制是一個優化問題，在滿足業務QoS需求的條件下盡可能接納更多的業務。通過傳統的線性規劃方法可以得到針對全網優化的解;利用博弈論方法可以針對每個業務進行優化。

調度算法的功能是為客戶端分配mesh路由器中可用的無線資源(包括信道、無線接口以及時分復用系統中的時隙等)。其目標包括最大化網絡的吞吐量或頻譜利用率以及保證各個業務的公平性兩個方面。這兩個目標存在一個折中的關系，max-min公平性[5]可以在最大化資源利用率的同時保證公平性。針對網絡容量的調度問題可以公式化為容量在各種信道條件約束下的最大化問題。最大化頻譜利用率(頻譜復用)問題類似于圖著色問題，一般是NP完全問題，通常使用近似算法來解決。資源調度問題通常與業務的路由選擇是密切相關的。

2.2 多信道系統的拓撲設計和資源分配問題

由于WMN具有多跳、無中心的網絡結構，蜂窩網中的集中式資源管理模式無法滿足性能需求，必須研究適應多跳通信的分布式資源管理策略。Mesh路由器通常配備多個接口設備或多種接入技術，因而具有多信道同時傳輸能力。針對無線網狀網的資源管理策略需要考慮這些因素。

在多信道無線網狀網中，給定節點的物理拓撲和其他約束條件，資源管理需要解決以下四種問題:a)邏輯拓撲生成。給定網絡的物理拓撲，邏輯鏈路怎樣在相鄰的mesh路由器之間分配。b)接口分配。給定邏輯拓撲，邏輯鏈路應該如何分配到每個接口卡。c)信道分配問題。給定邏輯拓撲和接口分配，頻分信道如何分配到每個邏輯鏈路。d)路由問題。給定邏輯拓撲、接口分配以及信道分配，數據包選擇哪個邏輯鏈路。這四種問題相互之間存在影響和聯系，通常是一個聯合優化的問題;同時，無線網狀網中各層功能之間具有更強的關聯性，需要通過跨層設計的方法來達到優化整體網絡性能的目的。

2.3 WMN適合跨層設計的一些特性

跨層設計(cross-layer design)[4，6，7]已經廣泛應用于協議設計來提高網絡的性能，尤其在無線網絡中。跨層設計有兩種方式，即松散的合作方式和緊密結合的方式。前者一般以某一層協議為主，為了提高其性能，在執行過程中考慮其他層協議的參數，也就是在協議之間共享信息。通常低層協議向高層協議報告某些參數，如MAC層的丟包率或物理層的信道狀況可以報告給傳輸層，從而TCP可以識別連接的擁塞程度;或者，物理層向路由協議匯報鏈路質量幫助路由協議選取更好的路由。在緊密結合的跨層設計中，簡單的層間信息共享是不夠的，這種方式下，需要不同層的算法結合在一起作為一個整體的問題，甚至不同協議層的功能可以完全整合為一種協議。例如在TDMA無線網狀網中，時隙、信道和路徑的選擇可以通過一個算法來確定。

WMN不同于其他多跳無線網絡的一些特性決定了跨層設計在WMN中的必要性[4]。

a)根據優化分層理論[8]可以設計出全新的協議結構來優化網絡性能。然而，TCP/IP協議廣泛地應用于WMN中，新的協議體系難以與其相比配。為了在現有協議結構的基礎上提高網絡性能必須采用跨層設計。

b)很多先進的物理層無線傳輸技術在WMN中普遍應用，包括多速率傳輸技術(通過多種調制、編碼、功率控制方法獲得)、新的天線技術(如有向天線、智能天線以及MIMO等)以及多信道或多接入方式技術。要利用這種技術，MAC層必須要有相應的信道分配算法，而信道選擇的不同又會影響最優的路由選擇，因此，MAC層和路由協議必須協同工作。此外，這些物理層技術通常是集成在一起的，這更增加了高層協議設計的難度。

c)多種業務類型和QoS需求。為了滿足各種業務的不同需求，傳輸層、路由層和MAC層必須能夠協調地合作。

3 WMN中資源分配與選路聯合優化研究

WMN中的資源分配包含信道分配、接口分配和邏輯拓撲設計等問題，其相互之間存在密切的關聯。最簡單的路由協議只需考慮節點之間的連接問題。為了提高網絡性能，必須考慮更多的參量和新的路由機制，比如最短跳數、最小化業務負載以及業務之間的公平性等。資源分配與業務的路由選擇又是密切相關的。因此，WMN中的資源分配和選路是一個跨層的聯合優化問題。

3.1 資源分配和選路聯合優化方法

本節以基于802.11的多信道無線網狀網的TiMesh框架[9]為例，對WMN中資源分配及路由聯合問題的系統模型和公式化方法進行描述。

1)系統模型

多信道無線網狀網的物理拓撲可以用圖G(N，E)表示。其中N表示節點集合，E表示所有鏈路集合。對于任意兩個節點m，n∈N，如果n在節點m的傳輸范圍之內，則有一條m到n的鏈路emn∈E。通常假定連接是對稱的，即當且僅當emn∈E時有enm∈E。設每個mesh路由器具有I個接口卡，每個接口卡有C條正交的頻分信道。

對任意兩個節點m和n如果有emn∈E，以及任意頻分信道i∈{1，…，C}，定義一個鏈路信道分配變量ximn，如果m通過第i個信道連接到n，則ximn=1，否則ximn=0。令c0表示理論鏈路容量，對于每條鏈路，令0≤cimn≤c0表示邏輯鏈路(m，n)從m到n經信道i的有效容量;對任意源宿節點對(s，d)，任意節點m和n及任意信道i，定義一個路由變量asdmn，j，如果從s到d的業務從m到n方向由信道i經過鏈路(m，n)，則asdmn，i=1，否則為0。

2)約束條件

以下這些因素構成了優化問題的約束條件:a)對于信道分配變量，需要考慮信道頻率、NIC個數等因素的限制;b)在信道分配已知的情況下，鏈路的有效容量要受到理論容量和信道分配變量的限制;c)考慮干擾的情況下，任意鏈路與其干擾鏈路總的業務流量受理論鏈路容量的約束;d)為保證業務有可用路徑及保證服務質量等問題，邏輯鏈路上總的業務流量受到系統鏈路利用率的限制;e)節點的業務流守恒限制，即任意源到宿的業務在某節點處的凈流出值由節點在業務流中的位置確定;f)路徑跳數約束與選路策略有關，由選路策略決定，選路策略需要考慮最短跳數和負載平衡之間的折中關系。

3)可行范圍和目標函數

給定業務需求γ和網絡資源C、I和c0等參數，以上約束條件決定了能夠承載業務需求γ的所有邏輯拓撲的可行范圍(feasible region)。如果需求過大，超過了網絡資源的承受能力，則可用的邏輯拓撲范圍為空集。

優化的目標是在滿足業務需求的同時增加瓶頸鏈路的有效容量，從而達到負載平衡或降低擁塞的目的。TiMesh框架使用瓶頸鏈路的容量余量δmin作為目標函數，最大化δmin可以使邏輯鏈路負載達到max-min或瓶頸最優(bottleneck-optimal)公平性。這種問題是一個混合線性規劃問題，可以用線性規劃軟件來求解。但是，當網絡規模很大時需要很長的計算時間，因此通常給出比較簡單和高效的啟發算法或元啟發算法來找到次優解[9]。

3.2 研究現狀及進展

信道分配依賴于網絡中的業務分布，這是由業務的路由決定的。然而，給定相同的業務路徑，不同的信道分配方法也會造成性能的差異。因此，信道分配和路由的聯合優化是WMN中一個重要的問題。目前，文獻中提出了一些優化算法[9~21]和協議[22，23]。

對于頻分信道的分配問題，近來提出了很多集中式或分布式的算法。集中式的分配方法[13，22]需要一個中心控制單元來收集拓撲信息和分配信道;分布式方案[14，23]則由各個路由器負責分配。根據信道分配是否可改變，信道分配算法還分為靜態分配方法和動態方法。靜態方法[15，16]永久性地分配信道到每個網絡接口;動態方法[10，17]需要協調機制來保證發送路由器和接收路由器能夠同時使用相同頻率的信道。協調機制會帶來明顯的開銷并降低網絡的性能[16]。

Marina等人[12]將WMN中的信道分配問題公式化為拓撲控制優化問題，使用一個加權的沖突圖(weighted conflict graph)來建立邏輯鏈路間的干擾模型。其中某條邊的權重為兩個頂點之間的邏輯鏈路的干擾程度;其目標函數為鏈路的干擾測度。以邏輯拓撲圖的連接性作為約束，對信道進行分配從而最小化鏈路的平均干擾或最大鏈路干擾。該問題是一個NP完全問題，作者提出了一種啟發算法，稱為CLICA(connected low interference channel assignment)算法。文獻[12]中還提出了一種帶寬-aware 的路由算法進行選路。

Raniwala等人[22]提出了一種Hyacinth方案來解決多信道WMN中的信道分配問題，以網關節點為根構建了到所有非網關節點的生成樹來進行路由查找。找到一條路徑以后，通過mesh路由器中的信道分配算法為網絡接口卡分配信道。Hyacinth實現了負載平衡路由和分布式負載感知的信道分配。為了解決信道相關性問題(channel-dependency issue)問題，文獻[22]中把每個節點的NIC分為上行和下行兩組，信道分配只在下行NIC中進行，而上行NIC使用與上游節點下行NIC相對應的信道。為了給靠近根的節點分配較多的帶寬并且上層節點的信道分配不受下層節點影響，生成樹中上層的節點具有較高的優先級，下層節點分配信道時，不能占用優先級較高的干擾節點已選擇的信道。仿真結果證明Hyacinth協議能夠明顯提高網絡的吞吐量。然而，Hyacinth完全依賴生成樹算法，并且信道分配可能不收斂造成嚴重的節點間干擾;此外，信道分配與負載平衡路由之間存在不一致的問題。

很多文獻提出了聯合設計方法。文獻[13，18，19]中提出了路由和網絡接口分配的聯合解決方案;文獻[20]中提出了NIC分配和路由優化的聯合方案;Mohsenian-Rad等人[9]提出了一種TiMesh框架，將邏輯拓撲設計、信道分配、接口分配及路由問題歸納為一個聯合線性優化問題。同時考慮了節點的NIC數目，可用的信道數、節點之間的干擾以及源到宿之間的期望業務量，在不同的路由選擇策略下以鏈路擁塞程度作為目標函數對資源分配進行優化。其仿真結果顯示，TiMesh能夠提高總的網絡吞吐量并降低端到端的時延。

總體來說，優化信道分配的研究已經很多了，但是還有很多工作可以做，如把信道分配看成是拓撲控制的一種方法[12，21]，或者把信道分配和功率控制以及速率控制結合起來[24~27]，考慮多種業務QoS需求的路由[28~31]等。

Kompell等人[26]研究了多視頻業務下路由選擇和速率控制的聯合優化問題，把視頻業務的多徑路由和速率控制公式化為一個聯合優化問題，并給出一種基于分支定界的解法，能夠得到(1-ε)-最優解。Avallone 等人[27]發現要得到一組可調的流速率，除了進行信道分配還要對發送速率進行控制，由此提出了以優化全網性能為目標的信道分配和速率控制聯合問題，并給出一種貪婪啟發算法解決速率控制、信道分配和路由的聯合優化問題。

多信道、多速率WMN網絡中的多種QoS需求的路由問題和資源分配問題近年來也出現了一些研究文獻。 其中，Cheng Ho-ting等人[29]研究了分簇WMN中的功率、子載波、時隙的聯合分配問題，以節點的最大發送功率、不同類型業務的傳輸速率、MAC層分組調度作為約束條件，以系統總的吞吐量作為目標函數，將資源分配問題歸納為一個優化問題，提出了一種考慮不同類型業務QoS保證的分組級資源分配方法。Liu Te-huang等人[30]研究了基于沖突型MAC協議的多接口、多速率、多信道WMN(MR2-MC WMN)中的QoS路由問題，提出了一種按需QoS路由協議，該協議基于分布式帶寬估計，同時集成了接納控制并考慮了業務流之間的干擾。Hu Hong-lin等人[31]提出了一種802.16 WMN中分布式調度框架下的QoS區分策略。

此外，Chen等人[32]對基于802.16的mesh網絡中的頻譜復用(spectral reuse)問題進行了研究，提出了一種包含路由樹構建、帶寬分配、時隙分配和實時業務帶寬保證的集成框架。解決給定每個用戶基站(SS)上行/下行鏈路的帶寬需求和鏈路質量等條件下的資源分配問題，并且給出了數學模型評估頻譜復用程度。Yuan等人[33]研究了多播業務下WMN中的資源優化問題，使用跨層設計方法來最大化吞吐量，將該問題分解為網絡層的多播路由和物理層的功率控制兩個子問題，并提出一種原始—對偶算法。

3.3 待解決的問題

在單信道WMN中，資源分配可以按照QoS路由的框架進行。但是，MAC層的資源由于信道質量及物理層參數的變化也會出現變化，導致鏈路容量發生變化，通常可以通過速率控制算法進行調節。因此WMN通常是一個多速率的系統，而速率的變換還會影響傳輸范圍、節點間干擾，導致拓撲變化。因此速率控制與資源分配和路由是相關的，三者應該聯合起來進行優化。

當考慮多播業務的時候會進一步增加問題的難度。怎樣實現資源分配、路由和速率控制的聯合優化是一個非常具有挑戰性的問題。考慮多種業務的不同QoS需求的情況下相關的研究還比較少，如何優化資源分配來滿足不同的QoS需求問題還有許多工作要做。此外，大部分現有的工作集中在靜態的資源分配，研究給定業務矩陣的條件下如何分配網絡資源。而很多時候，網絡中的業務是變化的，怎樣為新加入的業務分配資源而不影響原有業務，同時提高網絡的整體性能是一個需要考慮的問題。這個問題是一個涉及接納控制、路由和資源分配的聯合問題。

4 結束語

如何實現網絡資源的優化分配以提高網絡性能并滿足業務的QoS需求是WMN中一個非常重要的問題。資源分配是多種功能的集合，并且與業務路由又是互相關聯的，兩者是一個聯合的問題;而且，WMN通常是一個多速率的系統，因此資源分配與速率控制或功率控制以及業務的接納控制也是相關的。此外，在考慮多種業務的不同QoS需求以及多播業務的情況時更增加了這些問題的難度。本文對這些問題的研究現狀和研究進展進行了綜述，為進一步的深入研究提供了一些方向和思路。

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