基于最小化干擾的無線Mesh網絡信道分配算法設計與研究

鞏慶志++劉朝霞

摘要：如何對無線Mesh網絡中的信道進行分配及算法優化成為研究熱點，這也是本文的研究內容。本文對幾種常用的無線Mesh網絡信道分配算法以及無線Mesh網絡中信道間的干擾進行了分析，在理論分析和推導的基礎上，本文提出了一種基于最小化干擾的無線Mesh網絡信道分配算法，本算法主要解決或減輕路徑內干擾對網絡吞吐率產生嚴重影響的問題，是一種分布式動態的信道分配算法，具有很高的靈活性。

關鍵詞：無線Mesh網絡 信道分配 信道間干擾 網絡吞吐量

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0141-02

無線Mesh網絡（無線網狀網絡）也稱為“多跳（multi-hop）”網絡，它是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。無線網絡技術的出現豐富了Internet接入方式的多樣性，在無線電技術發展的過程中有著重要的時代意義。傳統的無線網絡技術中單跳傳輸受距離影響較大，對有線網絡存在較大的依賴性。為更好的滿足人類需求，無線Mesh網絡技術得到快速發展。區別于傳統無線網絡技術中的單跳傳輸，無線Mesh網絡以多跳的方式進行無線接入。其中，無線接入點（Access Point， 簡稱AP）既可以接入無線終端，例如PC機、手機、PDA等，又可以作為數據轉發基地，所以多個無線AP可以構成一個網狀網絡。該方式在提高無線網絡覆蓋范圍、降低成本及提升帶寬等方面有著較好的效果。

無線Mesh網絡技術中干擾因素的存在，導致傳統單射頻單信道的多跳無線Mesh網絡節點容量隨規模增大而劇烈降低，對網絡的性能有著嚴重的影響。而單射頻多信道的多跳無線Mesh網絡方案需要頻繁切換信道，這也導致了切換延時的存在，因而不適合無線Mesh網絡技術的發展?，F階段無線Mesh網絡多采用多射頻多信道的構造，可以使得多個無線AP可以同時工作在無重疊的多個信道中，其結構如圖1-1所示。為提升網絡性能，無線Mesh網絡中信道合理分配的問題成為了研究熱點。

1 常用的信道分配算法

網絡中的性能很大程度上取決于網絡中可用信道的數目以及通信時采用的何種信道分配方案。一個好的信道分配策略，它通過分配數量有限的可用信道給鏈路，能夠極大的降低通信時無線鏈路之間的干擾，最大程度的提高無線Mesh網絡中網絡的整體吞吐量，優化網絡的性能和降低網絡通信時的丟包率，因此，一個好的無線Mesh網絡信道分配方案顯得尤其重要。

近年來，國內外專家和學者對無線Mesh網絡信道分配問題進行了一定的研究。文獻[1]中提出網絡中的所有節點都使用統一的信道分配方案，也就是把信道1和信道2分別分配給節點的接口卡1和接口卡2，以此類推。但是盡管這種方案比較簡單，但是性能與其它算法相比較而言不是很高。文獻[2]根據鏈路調度在動態信道分配和靜態信道分配之間最大化多信道無線Mesh網絡的容量，根據不同的流量需求來增加天線和信道的數量。文獻[3]為無線Mesh網絡的多天線節點提出一個聯合的信道分配、路由、鏈路的方案，這種方案可以適應不同的信道分配和鏈路策略對于不同的通信模式。文獻[4]在無線Mesh網絡中提出了一種自適應分布式信道分配方案，該方案提高了可利用信道的利用率，通過分配不使用的時間槽給新節點，有效的利用了信道帶寬。文獻[5]引進拓撲結構化簡技術，對多接口無線Mesh網絡的信道分配算法進行改進，使網絡中的干擾度降到最低。文獻[6]研究了在不同數量的Mesh路由器的情況下，幾種不同信道分配策略給網絡帶來的影響。

2 基于最小化干擾的無線Mesh網絡信道分配算法

目前在無線Mesh網絡信道分配的算法研究上，人們已經提出了一些分配方案，其中針對干擾模型的研究相對較多，本文正是針對路徑內干擾對網絡吞吐率產生嚴重影響的問題進行分析，從而設計出一種基于最小化干擾的無線Mesh網絡信道分配算法。

本信道分配算法旨在解決無線Mesh網絡吞吐量最大化的問題，根據無線Mesh網絡的特性以及無線信號傳輸特性的分析，提出了算法設計的幾條基本原則：

（1）同一節點不能有兩個射頻工作在相同信道。

（2）下層節點要適應上層節點的的信道。

（3）盡量保證一條路徑上連續3跳沒有相同信道。

在無線Mesh網絡中，大部分節點都扮演著一個數據中繼的角色，數據從上層鄰居流入，同時轉發給下層鄰居，或者數據從下層鄰居流入，同時轉發給上層鄰居。與上層鄰居通信的稱為上行射頻，與下層鄰居通信的稱為下行射頻，上行射頻的工作信道稱為該節點的上行通道，下行射頻的工作信道稱為該節點的下行通道。對于節點s，上行信道選擇算法和下行信道選擇算法分別如圖2-1和圖2-2所示。其中，射頻i的繁忙度為，與節點s之間產生干擾的概率為，基礎繁忙度是一個0到1之間的比較小的值（繁忙度是指該射頻在過去的一段時間T內，處于發送狀態的時間t占總時間的比例）令所有可選信道集合為全集U，節點已經選取的信道集合為N，上層節點的信道集合為，上層節點的上行信道集合為，上層節點的下行信道集合為，工作在信道c的3跳內鄰居射頻集合為節點依次對每個上行射頻和下行射頻進行信道分配。

在備選集合的各個信道之間選擇時，總是選繁忙度最小的信道可以使干擾最小。

3 仿真與測試

本文對最小化干擾的無線Mesh網絡信道分配算法在NS2網絡仿真平臺上進行了仿真，仿真場景如圖3-1所示。

圖3-1中橫坐標是基于單條數據流條件下的網絡速度，而縱坐標是網關成功接收到數據幀的吞吐率。從以上仿真結果實驗可以看出，在信道配置方面，都處于相同的路徑設置，如果在數據流量處于較大的情況下，在附近發生信道擁塞。本文提出的無線Mesh網絡信道分配算法性能比較理想，針對無線Mesh網絡中1/3問題，使網絡中節點干擾降到最低。

4 結語

無線Mesh網絡中，從無線設備的角度來看，各個節點之間并沒有明細的區別，都能夠將其設置為AP和路由器，各個節點不僅可以作為信號的接收功能的使用，也可以用作節點的發送功能，節點之間可以進行相互交叉的方式來達到網絡通信的目的。

在這種情況下，如果最近的AP因為網絡流量較大而產生網絡數據傳輸擁堵的情況，數據可以采用自動分配的方法，進行網絡數據的流量重新分配，將其分配到附近流量較小的節點上進行網絡通信。這種狀況可以無線傳輸，直到到達最終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問。

在未來，無線Mesh網絡發展是基于多種技術的相互的融合的過程，并實現了無線網絡的通信質量全面的提升，和社區網之間相互鏈接，不斷提高用戶的無線網絡的優質通信體驗，獲得更多的通信便利。

參考文獻

[1]候冠博，楊壽寶，胡云.WMN中基于鏈路質量的信道分配算法[J].計算機工程，2010，36（11）.

[2]田克，張寶賢，馬建，姚鄭.無線多跳網絡中的機會路由[J]，軟件學報，2010（10）.

[3]李彬，王文杰，殷勤業，楊榮，楊小勇，王慧明.無線傳感器網絡節點協作的節能路由傳輸[J].西安交通大學學報，2012（6）.

收稿日期：2016-09-12

基金項目：遼寧省高等學校優秀人才支持計劃資助（No.LJQ2014127）。遼寧省教育廳2013年度一般項目資助 （No.L2013433）。2013年大連外國語大學科研基金項目一般項目。

作者簡介：鞏慶志（1975—），男，漢族，山東莒縣人，講師，工學碩士，研究方向：無線網絡，嵌入式，機器學習。