多接口無線網絡信道分配與路由技術研究

王昊++李舸++石勁濤

摘 要：由于集成電路以及通信網絡等信息技術的迅猛快速發展，基于基站的傳統單跳網絡在覆蓋范圍和部署實施方面呈現出很大的局限性；隨著無線收發機在小型化、低成本方面的發展，在相同的無線節點上集成多個無線的收發機顯然很普遍，所以多個接口多個信道多跳無線網絡變成了以后無線通信網絡的發展領域之一。多接口多信道多跳無線網絡的資源分配問題較傳統的單跳無線網絡更加復雜，需要考慮到資源有時域、空域、頻域等許多方面，原本屬于不同網絡間的節點也有可能暫時接入到網絡中，網絡流量的突發性問題顯得更加明顯，網絡節點之間的關系更加復雜。在不同的應用場景下，無線網絡資源分配的目的以及問題也有很大差異。在該文中，筆者考慮多跳無線接入網絡、多接口無線自組織網絡和區域無線共享網絡三個具體場景下的多接口多信道多跳無線網絡的資源分配問題，并分別進行研究。

關鍵詞：多接口無線網絡信道分配路由技術

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0024-02

多接口多信道技術是無線網絡環境中減少鏈路干擾、提高網絡吞吐量的有效途徑，但如何合理有效地進行信道分配已成為多接口多信道無線網絡所面臨的主要問題之一。針對自私的網絡節點，該文使用非合作博弈對異構條件下多接口節點的信道分配問題進行建模分析，其納什均衡解為解決該問題所需的穩定的信道分配方案。該文首先討論納什均衡的存在條件并提出實現納什均衡的分布式算法。此外，考慮到實際網絡中節點僅能感知局部信道信息以及接口工作信道受限等因素，該文進一步改進算法并通過仿真實驗對其收斂性進行證明，通常由媒質訪問控制（MAC）層來處理某個競爭空域的資源分配問題，譬如調度型的分配—時分多址接入（TDMA）、碼分多址接入（CDMA）、頻分多址接入（FDMA），競爭型的分配—載波監聽多址接入（CSMA）等。該文會在實驗室的前期工作基礎上針對該網絡環境下的資源分配問題展開研究，其重點主要從信道分配以及路由協議兩個層面開始闡述。盡管雖然多接口多信道多跳無線通信技術的研究都有共性的問題，但是在不同應用場合下，網絡的自身同樣有著一些特殊性，在分配資源的過程中所遇到的問題都不相同。

1 在無線網絡資源分配問題中多跳線多接口多信道的研究綜述

多跳線多接口多信道無線網絡信道分配面臨著前所未有的巨大挑戰：干擾是無線網絡性能下降的最主要原因，由于干擾問題，絕大多數情況下會導致信道分配成為NP-hard問題；在討論多接口多信道網絡連通性問題時，網絡拓撲結構就存在著節點無法連接的危險，信道分配方案需要考慮網絡拓撲結構的變化；然而引起漣漪效應和信道震蕩現象甚至破壞網絡的穩定性則是由壞的信道分配方案造成的。

多接口多信道多跳無線網絡信道分配方案的判斷方法有很多，在該篇文本中則以網絡場景的不同分為分布式和集中式兩大類。對于集中式的方法，假設網絡存在一個中心控制器，它能知道全網信息。遇到這種情況，信道分配多數是以建模方式進行運算，在由得出結果的中央控制器進行非配節點或者調度鏈路的方式。由流量的類型，也可以把分布式細分為兩類：面向個體方案和網關方案。前者假定網絡為多跳無線網絡，網絡通信是無固定的模式，在此情境下的網絡流量一般顯現出一定的不確定性；后者假定在無線mesh網絡場景下，網絡中大部分流量源自網關或者去網關，所以可看出信道分配方案是：送給相近網關的鏈路比較高的信道帶寬。（如圖1）

由路由信息傳遞給網絡的節點的息的方式可將多跳無線網絡的路由協議分為兩種：按表格驅動路由協議與按需路由。按需路由只有在源節點需要發送數據的時候，才開始廣泛傳播路由并且發現報文，探尋路由初始化過程。只需發現所有可能的路由或者只要找到一條路由均已檢查完成，就可以結束在網絡內的找路過程。網絡中每一個路由緩存都由一個節點維護，在這當中記錄著原來發現的路由，以此來杜絕重復性尋路的發生。將路由創建完畢后，根據一種路由維護機制維護此路由，當發生異常中斷或無效時路由將重新尋路。

表格驅動路由協議規定網絡中的任意節點均建立并維護一個或多個儲存信息的表格，以維護網絡中的最新路由信息可以從所有的節點到達其他任意節點。節點需要周期性的發送控制報文以維護這些路有信息。

實際上無論是按需理由或者表格驅動路由的協議，路由的網絡性能主要由路由評價指標決定。

2 對路由與不確定流量的信道分配的改進

頻域范圍內的接口與信道資源、時域和空域范圍的鏈路資源等三項組成了多接口無線網絡的系統資源項。它們的分配需要對路由協議和信道分配方式進行聯合優化。信道分配的方式規定了不同時隙中網絡節點接口（和鏈路）與信道之間的對應性。源節點與目的節點對之間的路由是否有效，則分屬于路由協議的方向。信道分配方式和路由協議之間互相影響，在對這兩者不斷調整之后，最終會得到模型的最優解。對此，基于時分復用的鏈路調度可以有效的實現模型的最優解。

該文中可以假設網絡流量具有一定隨機性，同時忽略多徑傳輸所帶來的額外協議開銷。

將一隨機網絡中的部分節點作為源節點和目的節點，并分別定義為集合S和D。網絡流量可以用網絡節點u代表V中的聚合流量需求。由節點發送數據到節點的實際速率就是節點在所在鏈路的實際流量，可得出。可以看出，節點間的流量通過多徑路由方式經由網絡傳輸，實現了網絡流量的均衡，提高了網絡吞吐量。通過一個中央調度服務器對網絡進行鏈路周期性循環調度，選取一個公共信道作為所有網絡節點的控制信令傳輸信道，鏈路調度的周期設為T。中央調度器為每一條鏈路分配工作信道，安排一組鏈路處于激活狀態，所有的網絡節點接口支持信道切換，每個時間間隙內一個節電接口只能被一條鏈路使用，只有節點對工作與多個不同的信道上的鏈路時才可以并行傳輸，從而獲得聚合流量。

3 時延最小化的多接口自組網路由協議框架

固定信道接口的信道管理主要包括兩個過程：節點選擇合適的固定通道作為自己的信道接口，把自己當前的信道通知相鄰節點。該文使用本地化分布式協議來為固定通道接口分配信道，確保所有的相鄰節點都能夠使用不同的信道作為自己的固定通道。正如上文所述，網絡中的每一個節點都包含一個相鄰節點的固定信道信息表NT。同時節點還包含一個信道使用表CUL，通過這個信道使用表可以知道節點兩跳之內使用某個信道作為固定信道的節點數量。endprint

通過提高空間復用度的方式可以減少多接口多信道的干擾，以達到提高吞吐量的目的。節點內部處理時延不予考慮，傳輸時延為整條路徑的端到端主要時延，通過鏈路的等效帶寬計算可以獲得。網絡鏈路之間干擾的影響下鏈路的實際有效帶寬為鏈路的等效帶寬。對于路由評價指標DSRM，其路由框架如圖2。

在協議框架中，對現有按需路由協議的路由發現過程進行修改，以使其能夠支持多接口多信道特性。此外，根據具體的鏈路模型進行時延評估，所以路由評價中對競爭接入時延的計算并不局限于某一具體的MAC層協議（如圖3）。

4 結語

多接口多信道多跳無線網絡需要考慮的系統資源有時域和空域范圍的鏈路資源、頻域范圍內的信道資源與接口等。物理層、MAC層以及網絡層等都被這種網絡環境中的資源分配問題的研究所涵蓋，于信道分配和路由協議的設計是資源分配的關鍵所在。雖然多接口多信道技術的研究具有一些共性問題，但網絡自身在不同的應用場景下存在著特殊性，因此網絡在資源分配過程中所面臨的問題各不相同。

目前多接口多信道多跳無線網絡的技術研究已經得到了長足的發展，該網絡中路由協議的研究和信道分配方案己經取得了豐碩的研究成果。但是這些成果還存在著不少局限性，很多關鍵技術和理論問題還有待進一步研究。雖然現有的多接口多信道多跳無線網絡的應用仍然存在不少困難，但隨著國內外眾多專家學者的共同努力以及硬件成本的進一步減少，可以預見未來無線通信技術必有多接口多信道多跳無線網絡的應用。

參考文獻

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