增強(qiáng)型的無線mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配方法

馮琳函，錢志鴻，金冬成

（吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

1 引言

無線網(wǎng)狀網(wǎng)是一項(xiàng)在寬帶家庭網(wǎng)絡(luò)、社區(qū)和鄰區(qū)網(wǎng)絡(luò)、協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)管理以及智能傳輸系統(tǒng)等新興商業(yè)應(yīng)用中具有良好前景的無線技術(shù)。它為服務(wù)提供商和終端用戶提供了對(duì)下一代通信系統(tǒng)的無縫無線寬帶接入。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，無線網(wǎng)狀網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)地自配置、自組織和自愈合，使其前期成本更低，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作更方便，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更穩(wěn)固，商用覆蓋更穩(wěn)定。此外，多種高級(jí)無線技術(shù)（例如多接口、多重接入和智能天線等）也可以用來提高無線網(wǎng)狀網(wǎng)的容量。

目前，正在進(jìn)行制定的IEEE 802.11s標(biāo)準(zhǔn)主要用于規(guī)范無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC層和物理層行為[1]，其所定義的mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看到，無線mesh網(wǎng)絡(luò)主要包含3類網(wǎng)元：1）與有線網(wǎng)絡(luò)相連接的節(jié)點(diǎn)叫做mesh Portal，也可稱為Root網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其主要負(fù)責(zé)將無線mesh網(wǎng)絡(luò)接入到有線網(wǎng)絡(luò)中獲取服務(wù)；2）具有mesh組網(wǎng)及路由能力的站稱為mesh STA，其自身具有獲取及提供服務(wù)的能力，同時(shí)起到 mesh組網(wǎng)及路由的功能；3)而不具備 mesh組網(wǎng)及路由能力，只享受服務(wù)的網(wǎng)元稱為終端STA[2]。

圖1 IEEE 802.11s無線網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)

由于無線網(wǎng)狀網(wǎng)采用多跳技術(shù)來實(shí)現(xiàn)流量融合，多跳傳輸后的數(shù)據(jù)流性能會(huì)快速下降。而傳統(tǒng)無線接入技術(shù)由于僅支持單跳傳輸且必須設(shè)置于接近有線網(wǎng)絡(luò)的位置，無法滿足更大范圍覆蓋的需求[3～5]。因此，無線網(wǎng)狀網(wǎng)研究工作的焦點(diǎn)主要集中于如何降低鏈路間的競(jìng)爭(zhēng)和干擾并提升網(wǎng)絡(luò)容量。本文論述了關(guān)于這一難點(diǎn)的一些問題。

無線網(wǎng)狀網(wǎng)面臨的主要問題是帶寬不足。無線信道由廣播特性進(jìn)行表征，當(dāng)兩端間的鏈路被占用時(shí)，覆蓋范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)將不能進(jìn)行傳輸，導(dǎo)致單信道無線網(wǎng)狀網(wǎng)的吞吐量較低。寬帶應(yīng)用的用戶需求無法得到滿足。因此，利用多個(gè)正交信道進(jìn)行數(shù)據(jù)分組傳輸將顯著提升網(wǎng)絡(luò)的吞吐量[6,7]。由此可見，建立網(wǎng)絡(luò)資源的高效分配機(jī)制對(duì)于無線網(wǎng)狀網(wǎng)的性能提升具有重要意義。無線網(wǎng)狀網(wǎng)的資源分配包括2方面內(nèi)容：一是信道分配機(jī)制；另外一個(gè)則是多信道路由協(xié)議。本文主要關(guān)注基于 IEEE 802.11s的無線網(wǎng)狀網(wǎng)的信道分配策略。

目前，基于802.11s mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配的研究比較開放。文獻(xiàn)[8]采用對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配同樣信道集合的方式來進(jìn)行信道分配，這種方式雖然易于實(shí)現(xiàn)且也能保證網(wǎng)絡(luò)連通性，但是對(duì)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性不夠；在文獻(xiàn)[9]中提出基于負(fù)載感知的信道分配策略，但其依附于路由協(xié)議聯(lián)合設(shè)計(jì)，信道分配前只基于虛鏈路容量進(jìn)行評(píng)估，考慮相對(duì)簡(jiǎn)單；在文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中提出了一種基于C-HYA的準(zhǔn)靜態(tài)信道分配方案，但是該方案沒有考慮信道干擾，增加了mesh網(wǎng)絡(luò)自身的競(jìng)爭(zhēng)性；文獻(xiàn)[12]提出了基于干擾沖突的貪婪信道分配策略，但鏈路評(píng)估時(shí)沒有考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，降低了網(wǎng)絡(luò)性能。

而本文所介紹的信道分配策略包括流量評(píng)估和信道分配2個(gè)階段，首先引入了用于流量感知計(jì)算的mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量模型及干擾模型，然后以此為基礎(chǔ)提出了改進(jìn)的信道分配機(jī)制，并對(duì)新算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和仿真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了新算法的波紋效應(yīng)概率以及與一般信道分配機(jī)制的干擾性能對(duì)比。

2 節(jié)點(diǎn)流量模型及干擾模型

由上節(jié)可簡(jiǎn)單知曉網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(通常是根節(jié)點(diǎn)Root Portal)是無線網(wǎng)狀網(wǎng)中 STA訪問有線網(wǎng)絡(luò)的必經(jīng)節(jié)點(diǎn)，通常STA通過建立到達(dá)Root Portal的路徑來對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問，因此流量需經(jīng)過所有選擇路徑上的節(jié)點(diǎn)，這就決定了處于不同位置的中間STA節(jié)點(diǎn)的負(fù)載不同，離Root Portal越近，該STA就需要為越多節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，其上的流量負(fù)載也就越大。除了STA負(fù)載流量外，STA在信道分配時(shí)還受干擾程度的影響，無線傳輸?shù)男再|(zhì)決定了STA受其通信范圍內(nèi)所有其他STA的影響。

2.1 節(jié)點(diǎn)流量模型

Mesh網(wǎng)絡(luò)的多跳性決定了中繼 STA需要為其他STA進(jìn)行負(fù)載流量的轉(zhuǎn)發(fā)，若假設(shè)流量總是從最外節(jié)點(diǎn)流向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，則每一個(gè)中繼STA的流量由2部分組成，一部分來源于其外層STA的流量，另一部分為其自身通信服務(wù)范圍內(nèi)mesh終端所發(fā)送的數(shù)據(jù)流量，則第n層的流量負(fù)載 T (n)可表示為

其中， T (n + 1 )表示第 n + 1 層的總流量， R (n,i)表示第n層，第i個(gè)服務(wù)mesh終端所產(chǎn)生的流量。特殊地，若 n = 0 ，則表示該層只有網(wǎng)關(guān) Root Portal節(jié)點(diǎn)，只負(fù)責(zé)承載外層流量，即 T ( 0) = T (1)；若n = N ，則表示該層為最外層，其流量只由被服務(wù)的mesh終端產(chǎn)生，即

所有第n層節(jié)點(diǎn)均為第n+1層節(jié)點(diǎn)提供負(fù)載中轉(zhuǎn)服務(wù)，同時(shí)也都是本層所有 mesh終端的服務(wù)節(jié)點(diǎn)，則整個(gè)第n層就可以被看成是一個(gè)排隊(duì)系統(tǒng)，而 mesh網(wǎng)絡(luò)也可以被看成是由若干個(gè)獨(dú)立排隊(duì)系統(tǒng)的組合。

假設(shè)mesh終端產(chǎn)生的流量會(huì)被中繼STA全部轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)關(guān)Root節(jié)點(diǎn)具備無限的處理能力，同時(shí)每層STA數(shù)據(jù)的到達(dá)速率λ及其對(duì)數(shù)據(jù)分組的處理速率μ服從獨(dú)立的Poisson分布。則由于需承載外層的負(fù)載流量，中繼STA的處理能力可能無法滿足業(yè)務(wù)量的輸入需求，因此第 n層節(jié)點(diǎn)組成的排隊(duì)系統(tǒng)具有有限的緩存容量 C (n)，若第n層有 M (n)個(gè)節(jié)點(diǎn)，則該層的排隊(duì)系統(tǒng)可以表示為M/M/M (n)/ C(n)。特殊地，若 n = 0 ，則網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)所在層的系統(tǒng)根據(jù)前面假設(shè)可以表示為 M/M/1/∞；若n = N，則最外層的排隊(duì)系統(tǒng)根據(jù)假設(shè)可以表示為M/M/M (N)/∞。對(duì)于第n層的排隊(duì)系統(tǒng)，其穩(wěn)定狀態(tài)下，第k個(gè)數(shù)據(jù)分組的到達(dá)概率如式(2)所示。

其中， p0(n)的計(jì)算式表示為

特殊地，對(duì)于 n = 0 的情況，即Root Portal網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)所在的M/M/1/∞系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)分組到達(dá)概率為

對(duì)于n = N時(shí)的最外層M/M/M (N)/∞系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)分組的到達(dá)概率為

由于第 n層排隊(duì)系統(tǒng)為損失制系統(tǒng) M/M/M(n)/C(n)，則意味著并不是所有到達(dá)該層的流量負(fù)載都會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)第n-1層，根據(jù)之前的公式，可以計(jì)算第n層中繼STA上的有效到達(dá)率為

其中， Pdis(n)為第n層系統(tǒng)的平均分組丟失率，具體計(jì)算如式(9)所示。

當(dāng) n = 0 時(shí)，由于Root Portal STA不承載mesh終端的流量，同時(shí)自身具有無限緩存能力，則其有效輸出為

而當(dāng)n = N 時(shí)，由于最外層的STA不需轉(zhuǎn)發(fā)其他層STA的負(fù)載，同時(shí)對(duì)mesh終端產(chǎn)生的流量具有完全處理能力，則其有效輸出為

2.2 干擾模型

干擾模型可以用來分析某特定信道的干擾，參考文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[13]，首先定義節(jié)點(diǎn)的干擾 I ntf(m )為

其中，B為使用同一信道的帶寬，單位為Mbit/s；L為數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度，單位為 byte。然而在實(shí)際應(yīng)用中，以節(jié)點(diǎn)干擾作為感知度量通常對(duì)于多射頻接口并不易實(shí)現(xiàn)，因此常以節(jié)點(diǎn)流量干擾模型計(jì)算鏈路的情況，再以鏈路為感知參量計(jì)算節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，之后再進(jìn)行信道分配。如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)中，總共有5條鏈路使用信道3，然而對(duì)于鏈路A-B而言，其干擾域內(nèi)的相同鏈路為4條（包括A-B自身）。為了方便實(shí)現(xiàn)，將鏈路的干擾度定義為

圖2 信道干擾示意

3 增強(qiáng)型信道分配策略

由上面的描述可知，流量及干擾模型可以有效地對(duì)信道情況進(jìn)行評(píng)估，下面討論如何根據(jù)這些評(píng)估結(jié)果來對(duì)信道進(jìn)行分配的方式。對(duì)于已關(guān)聯(lián)的一對(duì)mesh STA來說，它們需要通過一條共享信道來建立邏輯的通信鏈路。換而言之，mesh STA可以通過減少與自己共享公共信道的鄰居STA來降低干擾。因此，信道分配的目的其實(shí)就是要在保證網(wǎng)絡(luò)連接性的同時(shí)降低干擾到可接受的范圍。目前，無線mesh網(wǎng)絡(luò)中的mesh STA設(shè)備具備支持多信道多接口的能力，這使得端到端分組傳輸?shù)臅r(shí)延及帶寬得到很好的性能表現(xiàn)，在這種情況下，通常采用固定信道分配的方式，這是因?yàn)橥瑒?dòng)態(tài)和混合方式[14,15]相比，固定方式更加容易實(shí)現(xiàn)。

固定信道分配是指通過預(yù)先策略分配信道給相關(guān)射頻接口，直到算法被下次激活時(shí)該信道都不會(huì)改變的方式。固定信道分配算法目前的研究工作開展得比較廣泛深入，大部分固定信道分配策略都會(huì)采用貪婪算法。貪婪算法可以保證不需要有過多的開銷來進(jìn)行信道協(xié)調(diào)，并不需要對(duì)MAC層做出太多修正，但同其他分配策略相比其缺乏靈活性。C-HYA結(jié)構(gòu)及其算法是目前采用比較多的一種固定分配策略，作為分布式信道分配方法，其只需利用本地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和本地業(yè)務(wù)負(fù)載流量信息來實(shí)現(xiàn)信道分配和路由計(jì)算[16]。但不可避免地，C-HYA結(jié)構(gòu)算法會(huì)面臨“波紋效應(yīng)”的問題，即在信道分配過程中會(huì)進(jìn)行迭代運(yùn)算，為了達(dá)到更優(yōu)的效果，已分配好的鏈路可能會(huì)受到后面分配鏈路的影響而重新分配，從而導(dǎo)致該方法的時(shí)間復(fù)雜度增加。如圖3(a)所示，在節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b沒有任何信道來保證連接性，此時(shí)會(huì)分配信道1, 4, 3, 8中的一個(gè)給此鏈路，但是無論使用哪個(gè)信道，都會(huì)對(duì)其他已經(jīng)被訪問節(jié)點(diǎn)的信道分配造成影響，如圖3(b)所示，就像水中的“波紋”一樣。

圖3 波紋效應(yīng)示意

本文提出的增強(qiáng)型算法可以有效降低波紋效應(yīng)的影響，這是因?yàn)樵摲峙洳呗圆捎昧烁印柏澙贰钡姆绞剑筍TA在一次隊(duì)列中進(jìn)行等待，強(qiáng)制每一個(gè)STA只被訪問一次。通過該方法，避免了原方法中由于迭代運(yùn)算造成的已分配信道結(jié)果的更改，因而波紋效應(yīng)問題更多的是受設(shè)備能力和無線網(wǎng)絡(luò)信道資源的影響，而不是機(jī)制本身。

不僅如此，該增強(qiáng)型策略對(duì)于隊(duì)列的處理也采用貪婪方式。首先，對(duì)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判斷，判斷依據(jù)如下。1）跳數(shù)開銷。跳數(shù)依據(jù)是指mesh STA和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的最小跳數(shù)，其可以決定快速收斂的能力，該信息可從路由表信息中獲取，mesh網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議具備統(tǒng)計(jì)跳數(shù)的能力；2）射頻端口，用以決定其的網(wǎng)絡(luò)容量支持能力，接口越多，優(yōu)先級(jí)越低；3）鏈路負(fù)載，當(dāng)前鏈路負(fù)載越高，越需要被先訪問，節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)越高[17]。 因此節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)可以由式(4)求出：其中，Link(j)屬于Node(i)。

之后訪問各STA，開始實(shí)施第2層次的貪婪算法，根據(jù)鄰對(duì)節(jié)點(diǎn)未被分配的射頻接口數(shù)量，分為3種情況：1）2個(gè)mesh STA都不含有未分配的射頻接口；2）只有其中一個(gè)mesh STA含有未分配的射頻接口；3）2個(gè)mesh STA都含有未被分配的射頻接口。通常，一般算法會(huì)根據(jù)流量模型，將負(fù)載最少的信道分配給射頻接口，但是對(duì)于干擾情況沒有加以完善的考慮，而實(shí)際上是可以根據(jù)干擾模型，有效利用信道復(fù)用的原理。基于這點(diǎn)，對(duì)于第3種情況，首先讓其優(yōu)先考慮干擾域外的信道，無論該信道資源是否總和負(fù)載量較大，充分復(fù)用信道，之后再考慮干擾域內(nèi)的最小負(fù)載信道。其相關(guān)信息可以從第n+1跳的鄰居節(jié)點(diǎn)獲得，其中，n為干擾距離和通信距離的比值，通常該值介于2～3之間[18]。其實(shí)現(xiàn)的偽碼如圖4所示。

圖4 增強(qiáng)型信道分配策略實(shí)現(xiàn)偽代碼

4 仿真結(jié)果分析

4.1 仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/h3>

本節(jié)將從波紋效應(yīng)及信道干擾情況對(duì)信道分配算法進(jìn)行結(jié)果分析。首先，這里采取 5×5的方形格網(wǎng)化模型，如圖5所示，其中，第13節(jié)點(diǎn)為Root節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連通，其余節(jié)點(diǎn)為普通mesh STA，除網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)外，其余節(jié)點(diǎn)隨機(jī)承載mesh客戶端的流量，同時(shí)每一個(gè)STA配置2個(gè)或3個(gè)射頻接口，復(fù)用的總正交信道數(shù)采用3條或者12條[19,20]以作對(duì)比分析。

圖5 仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

4.2 波紋效應(yīng)

首先，看一下采用該信道分配算法下波紋效應(yīng)的影響，在這里根據(jù)mesh STA射頻接口和無線信道的數(shù)量分成4種情況討論。對(duì)仿真網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多次運(yùn)行觀察，一旦發(fā)生某鏈路沒有信道保證鏈接時(shí)，則統(tǒng)計(jì)波紋效應(yīng)發(fā)生次數(shù)，該次數(shù)與運(yùn)行次數(shù)取比值后的波紋效應(yīng)發(fā)生概率結(jié)果如表1所示。

表1 波紋效率發(fā)生概率

從表中可以看到，對(duì)于每個(gè)mesh STA有2個(gè)射頻接口的情況，在有3個(gè)無線信道可被分配時(shí)，該發(fā)生概率近似為 9%，此時(shí)波紋效應(yīng)的影響并不明顯。但是對(duì)于當(dāng)存在 12個(gè)無線信道可分配時(shí)，波紋效應(yīng)相當(dāng)明顯，發(fā)生概率達(dá)到35%。在同樣射頻接口資源情況下，造成該大幅增長(zhǎng)的原因就是當(dāng)非重疊的無線信道資源增長(zhǎng)時(shí)，已被優(yōu)先分配信道的離散性會(huì)增強(qiáng)，當(dāng)需要分配公共信道時(shí)，波紋效應(yīng)就會(huì)增加。而對(duì)每個(gè)mesh STA有3個(gè)射頻接口時(shí)，在2種信道數(shù)量條件下，其都不受波紋效應(yīng)的影響，這說明充分的射頻接口物理資源可以有效對(duì)抗該效應(yīng)，并且比信道資源的影響要重要。同時(shí)由于新的算法只允許每個(gè)STA進(jìn)行一次訪問，在信道分配后鏈路吞吐性能上會(huì)有所下降，但實(shí)際仿真發(fā)現(xiàn)與原算法差距并不大。圖6顯示了采用該算法下3個(gè)射頻接口12個(gè)信道情況下與非貪婪機(jī)制下每條鏈路的有效吞吐量對(duì)比，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，由于新算法能獲得鏈路干擾上的大幅改進(jìn)（見 4.3節(jié)的分析），因此從有效吞吐量[21]上看其可以得到相應(yīng)提升。

圖6 有效吞吐量對(duì)比

一旦發(fā)生波紋效應(yīng)，簡(jiǎn)單的解決辦法就是利用系統(tǒng)隨機(jī)時(shí)變性，增加信道重分配的響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[18]提出了一種通過公共信道配置默認(rèn)協(xié)商保證機(jī)制的方法。但總而言之，在有充分射頻資源時(shí)，增強(qiáng)型算法產(chǎn)生的波紋效應(yīng)并不明顯且可抗。

4.3 干擾抵抗

圖7表示了采用增強(qiáng)型信道分配算法時(shí)鏈路的干擾情況，采用式(13)來統(tǒng)計(jì)鏈路干擾度，縱軸表示干擾度（Mbit/s），橫軸表示鏈路編號(hào)。從圖中可以看到，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c一般算法相比，82.5%的鏈路具有改進(jìn)的效果，平均每一條鏈路的干擾影響降低了將近17.55%，系統(tǒng)總干擾影響降低了14.62%。這說明該增強(qiáng)算法對(duì)于干擾抵抗具備有效性，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文從保證無線連接性和降低信道干擾之間取得平衡的角度出發(fā)，對(duì)IEEE 802.11s 網(wǎng)絡(luò)的信道分配策略進(jìn)行研究，提出了改進(jìn)方法，并進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新的算法在抵抗波紋效應(yīng)和同信道干擾上較改進(jìn)前都有了很大提高。未來的研究工作將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)從以下3方面展開：隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端的發(fā)展，更多關(guān)注動(dòng)態(tài)信道分配算法及混合信道分配算法的性能改進(jìn)；隨著物理層技術(shù)的不斷發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的完善，應(yīng)更大程度從用戶的感知角度出發(fā)考慮算法性能；同時(shí)在本文中，由于做了跨層優(yōu)化的假設(shè)，因此需要進(jìn)一步的工作來進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 鏈路干擾對(duì)比

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