基于選擇性掃描的無線Mesh網(wǎng)信道掃描算法

趙子龍，文　鴻，徐　曦，李紹帥，歐陽旻

（湖南工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與通信學(xué)院，湖南 株洲 412007）

基于選擇性掃描的無線Mesh網(wǎng)信道掃描算法

趙子龍，文鴻，徐曦，李紹帥，歐陽旻

（湖南工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與通信學(xué)院，湖南 株洲 412007）

針對軌道交通的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道切換存在時延問題，提出了一種基于選擇性信道掃描算法。通過最小化信道掃描數(shù)目，以減少探測時延；并從理論分析了選擇性信道掃描與全信道掃描的切換探測時延，并通過OPNET對切換場景進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：與全信道掃描算法相比，選擇性信道掃描算法可降低切換時延約130 ms，能有效提高軌道交通無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的性能。

軌道交通；信道切換；選擇性掃描；OPNET

0　引言

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)自組織、自配置、成本低等特點(diǎn)，可以方便、快速地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，因此其在城市軌道交通中具有廣闊的應(yīng)用前景。為保證無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的通信連續(xù)性，車載MAP（mesh access point，即Mesh接入點(diǎn)）需與軌旁MAP進(jìn)行頻繁的信道切換。目前，對于無線Mesh網(wǎng)的移動切換研究主要借鑒WLAN的切換策略［1］，國內(nèi)外研究學(xué)者提出了預(yù)測切換、鄰居圖切換、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層次化切換等多種切換策略［2-9］。文獻(xiàn)［2］采用差分算法，對移動站接收到的不同時刻的接收信號強(qiáng)度（received signal strength indicator，RSSI）值進(jìn)行差分，得到RSSI變化趨勢，選擇RSSI較好的MAP提前認(rèn)證和接入，以此降低切換時延。文獻(xiàn)［7］提出了一種移動主機(jī)（mobile host，MH）代理登記機(jī)制，對LLC層（logical link control）與MAC層（media accesscontrol）進(jìn)行跨層設(shè)計，以此減小丟包率，但此算法只針對單信道無線Mesh網(wǎng)的內(nèi)部切換，不能滿足軌道交通的多信道需求。針對無線Mesh網(wǎng)切換中移動節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證安全問題，文獻(xiàn)［8］采用鄰居圖與矩陣密鑰分配方法來實現(xiàn)快速認(rèn)證，該方法的認(rèn)證時間少于探測掃描時延。文獻(xiàn)［9］將IPv6應(yīng)用于無線Mesh網(wǎng)中，MPP（mesh portal point）、MP（mesh point）和MAP都有唯一的IPv6和MAC地址，但此方法只適合于無線Mesh網(wǎng)的域內(nèi)切換。

考慮到同頻干擾影響，在軌道交通中無線Mesh網(wǎng)部署不能使用單一信道，軌旁MAP需直線部署并采用無重疊覆蓋的無線信道。為減少切換時延，本文提出一種基于選擇性掃描的無線Mesh網(wǎng)信道切換策略，以改善切換性能。

1　軌道交通無線Mesh網(wǎng)絡(luò)模型

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，MAP節(jié)點(diǎn)可以看成是MP與AP（wireless access point）節(jié)點(diǎn)的結(jié)合，MP負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，AP負(fù)責(zé)移動終端接入。在車地通信無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，無線Mesh骨干網(wǎng)主要由MPP、車載MAP和軌旁MAP組成，如圖1所示。MPP由以太網(wǎng)卡和無線網(wǎng)卡組成，以太網(wǎng)卡連接Internet服務(wù)器，提供Internet服務(wù)；無線網(wǎng)卡與MP或者M(jìn)AP通過無線連接，提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。地面設(shè)備中，MAP主要完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，保持與車載MAP的連接；車載MAP主要完成STA的接入以及將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給地面設(shè)備MAP；STA為終端設(shè)備，主要包括具有無線接入功能的手機(jī)、PDA、筆記本電腦等。

圖1　軌道交通無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig. 1　Topology of rail traffic wireless Mesh network

2　2種信道掃描算法介紹與比較

2.1信道掃描算法介紹

無線Mesh網(wǎng)在進(jìn)行信道切換時，移動終端先斷開與舊MAP的連接，再與新MAP重新建立連接。整個切換過程分為3個階段：1）信道掃描（probe）階段，即發(fā)現(xiàn)階段，完成信道接入及探測；2）認(rèn)證（authentication）階段，完成接入點(diǎn)的認(rèn)證；3）重關(guān)聯(lián)（reassociation）階段，完成接入點(diǎn)與被接入點(diǎn)的綁定。

在切換過程中，由于STA移動，造成無線通信鏈路質(zhì)量下降，如接收信號強(qiáng)度RSSI和信噪比降低等。當(dāng)這些參數(shù)數(shù)值低于閾值時，STA開始發(fā)起切換，執(zhí)行信道掃描，搜索新的MAP。對MAP的掃描主要分為主動掃描和被動掃描2種。被動掃描中，MAP發(fā)出信標(biāo)幀beacon（包含時間戳、容量、信標(biāo)間隔、ESSID、業(yè)務(wù)指標(biāo)等信息）來掃描可能存在的STA，STA通過被動掃描來搜索附近的BSS。主動掃描中，當(dāng)信號質(zhì)量低于閾值時，STA依次在各個信道發(fā)送探測請求幀，探測附近的MAP節(jié)點(diǎn)，收到相應(yīng)幀后，再切換至另一信道進(jìn)行探測幀的發(fā)送。隨后比較無線信道的質(zhì)量，選擇鏈路質(zhì)量較好的MAP接入并進(jìn)行認(rèn)證與重關(guān)聯(lián)。

目前，常用的無線接入點(diǎn)運(yùn)行頻段為2.4 GHz和5 GHz。在2.4 GHz頻段，有14個信道（歐洲標(biāo)準(zhǔn)只有前11個信道可用），相鄰信道的中心頻率相差5 MHz，每個信道帶寬約22 MHz。14個信道中，只有1， 6， 11信道頻譜是完全非重疊的。而全信道掃描時，STA將依次切換至各個信道發(fā)送探測幀，直至完成對11個信道的掃描，這樣切換時延較長。

本文針對列車行動路線的特殊性，局部范圍內(nèi)可將其看成一條直線，因此，選用1， 6， 11信道作為MAP節(jié)點(diǎn)頻率，當(dāng)STA發(fā)生切換時，只選擇掃描這3個信道。這樣既能有效減少信道掃描時延，又能有效避免同頻和鄰頻干擾。選擇性信道掃描算法如圖2所示。

圖2　選擇性信道掃描算法Fig. 2　The switching scheme of selective scanning channels

2.2算法比較

在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，STA切換時延主要由信道探測時延、安全認(rèn)證時延以及重關(guān)聯(lián)時延構(gòu)成。信道探測時延占時最長，占STA切換時間的90%以上；安全認(rèn)證時延最短；重關(guān)聯(lián)時延主要受接入點(diǎn)內(nèi)部協(xié)議IAPP（Inter Access Point Protocal）時延影響。

在主動掃描過程中，若STA發(fā)送探測請求幀，則需等待該信道上可能存在的MAP探測響應(yīng)，等待時間取決于信道是否存在可接入的MAP。如果在最小信道駐留時延Tmin_chan內(nèi)，該信道沒有收到任何流量，表明該信道為空，即無可接入的MAP，此次信道掃描結(jié)束；否則必須等待至最大信道駐留時延Tmax_chan。

Te為當(dāng)前信道沒有MAP即空信道下的信道掃描時延［10］，即

式中TD為幀取得傳輸媒介使用權(quán)的接入時延。

Tu為當(dāng)前信道存在MAP情況下的信道掃描時延，即

u為有MAP存在的信道個數(shù)，e為無MAP存在的信道個數(shù)，則探測時延Ts為

軌道交通中，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的MAP基本沿軌道部署，其覆蓋模型如圖3所示。

圖3　MAP覆蓋模型圖Fig. 3　The diagram of MAP coverage model

由圖3可以看出，當(dāng)STA移動進(jìn)入重疊區(qū)域，發(fā)生切換時，若只有2個MAP存在，則：

1）對于全信道掃描算法，此時u=2，e=9，

2）對于選擇性信道掃描算法，此時u=2，e=1，

802.11協(xié)議并未對Tmax_chan和Tmin_chan的值作具體說明，一般認(rèn)為Tmax_chan等于TD。根據(jù)802.11協(xié)議的MAC訪問機(jī)制可知，Tmin_chan為

式中：TDIFS為接入優(yōu)先級等待時間；

CWmin為最小競爭窗口，在直序列擴(kuò)頻技術(shù)中其值為31；

Tslot為一個時隙長度。

TDIFS可通過式（7）得到，即

式中：TSIFS為短幀間間隔，802.11g協(xié)議中TSIFS為10s；

Tslot為9s。

可知TDIFS為28s，Tmin_chan為307s。

接入時延TD可通過式（8）得到，即

式中：TLs為一個時隙的平均長度；

n為成功傳輸幀的平均時隙數(shù)。

要得到TD，需求出TLs， n的值。

1）TLs可通過式（9）得到，即

Ptr為給定時隙中，只有一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送的概率；

Ps為只有一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送時的成功發(fā)送概率；

Td為幀成功傳輸下信道的繁忙平均時間；

Tc為碰撞導(dǎo)致的信道繁忙平均時間。

要得到TLs，需求得Ptr， Ps， Td， Tc。

①Ptr與Ps分別通過式（10）和（11）得到， 即

式（10）～（11）中：N為競爭媒介使用權(quán)的移動臺數(shù)量；

其中P為幀沖突概率，

m為最大退避階數(shù)，由于時隙的平均長度TLs決定于成功傳輸幀或幀沖突下信道感知介質(zhì)繁忙的時間間隔，此處設(shè)定最大退避階數(shù)m = 10。

將式（12）～（13）進(jìn)行迭代，得到P與。N取不同數(shù)值時，可依次求出式（9）中Ptr與Ps。

②Td和Tc分別通過式（14）和（15）得到，即

式（14）～（15）中：TH為數(shù)據(jù)頭的傳輸時間，為416s；

TP為平均數(shù)據(jù)包有效載荷大小，為1 091s；

TACK為確認(rèn)幀傳輸時間，為10.2s。

2）n可通過式（16）得到，即

式中：無重傳機(jī)制下，m = 0；

W = CWmin=31。

可得

由上述公式，可以得到N取不同值時的接入時延TD，進(jìn)而求出探測時延Ts。圖4為N取不同值時，全信道掃描算法和選擇性信道掃描算法的探測時延Ts的分布情況。

圖4　移動站數(shù)目N取不同值時，總探測時延分布圖Fig. 4　The detection time delay diagram for the different numbers of mobile radio station N

通過上述數(shù)學(xué)邏輯推理以及圖4可知：隨著N取值的增大，全信道掃描算法與選擇性信道掃描算法的探測時延Ts都呈增大的趨勢；但選擇性信道掃描算法的探測時延Ts增長率明顯小于全信道掃描算法，如當(dāng)N為4時，全信道切換算法的探測時延約為150 ms，選擇性信道掃描算法的探測時延約為40 ms。由此可見，選擇性信道掃描算法能夠有效減小STA在信道掃描階段中的探測時延。由于切換時延還包括安全認(rèn)證時延以及重關(guān)聯(lián)時延，因此切換時延并不局限于探測時延。在此，本文只討論探測時延的影響。

3　仿真分析

本文通過OPNET建立仿真模型?？紤]到無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景即軌道交通，本文采用直線軌跡，設(shè)置軌旁MAP頻率為1， 6， 11信道中心頻率，對移動MAP發(fā)射機(jī)模塊的信道匹配文件進(jìn)行修改，使之適應(yīng)軌道交通無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的需要。

仿真時間設(shè)定為2 min。通過觀察車載MAP的AP連接屬性（AP connectivity），可以觀測車載MAP與軌旁MAP的連接情況。為便于分析對比，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，再進(jìn)行繪圖分析。本文選取69次切換數(shù)據(jù)，車載MAP數(shù)目為4。圖5為全信道掃描算法與選擇性信道掃描算法對比圖。由圖5可以看出，在2個軌旁MAP覆蓋的情況下，全信道掃描算法的時延最高達(dá)到350 ms，最低100 ms，平均時延約為184 ms；選擇性信道掃描算法的最高切換時延為70 ms，最低37 ms，平均時延為52 ms。當(dāng)切換時延大于50 ms時，人耳能明顯感覺到語音通信中的切換間隔。由此可見，選擇性信道掃描算法能夠基本滿足語音通信時對切換時延的要求。

仿真結(jié)果和理論分析存在一定的偏差，這是由于網(wǎng)絡(luò)時延受信道噪聲、頻帶干擾以及仿真只能在一定次數(shù)下進(jìn)行等因素的影響。整體而言，選擇性信道掃描算法能夠顯著減小切換時延，提高切換效率。

圖5　車載MAP數(shù)目為4時，切換時延對比圖Fig. 5　The contrast of switching delay when the number of vehicle MAP is 4

4　結(jié)語

針對傳統(tǒng)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的全信道掃描算法存在嚴(yán)重時延問題，本文提出了一種選擇性信道掃描算法，將其應(yīng)用于軌道交通中。該算法通過最小化掃描信道數(shù)量方法來實現(xiàn)車載MAP的快速切換。本文先從理論分析軌道交通無線Mesh網(wǎng)信道切換時延，再將2種信道掃描算法進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，選擇性信道掃描算法能有效降低車載MAP的切換時延，提高切換效率。

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（責(zé)任編輯：鄧彬）

Switching Strategy of Wireless Mesh Network Channel Based on Selective Scanning

ZHAO Zilong，WEN Hong，XU Xi，LI Shaoshuai，OUYANG Min
（School of Computer and Communication，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In the view of the problem of rail traffic in wireless mesh network channel switching， puts forward a channel switching strategy based on selective scanning. Reduces the detection delay by minimizing the number of channel scanning，analyses theoretically the selective channel scanning and full channel scanning switching detection delay， and simulates the switching scene through the OPNET. The experimental results show that compared with the full channel scanning algorithm， the selective channel scanning switching strategy can effectively improve the performance of the wireless MESH network by reducing the switching delay of about 130 ms.

rail traffic；channel switching；selective scanning；OPNET

TN923

A

1673-9833（2016）01-0036-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.01.007

2015-11-12

湖南省自然科學(xué)基金資助項目（14JJ3123），湖南省教育廳科研基金資助項目（15K035，15C0408，14A037）

趙子龍（1988-），男，河南鄭州人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)，E-mail：zilong_love0@126.com

文鴻（1981-），男，湖南邵陽人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，博士，主要研究方向為下一代寬帶無線通信網(wǎng)，E-mail：wenhhut@163.com