多接口多信道無線Mesh網絡動態信道分配中的路由協議研究

謝桂芳

（湘南學院軟件與通信工程學院，郴州 423000）

0 引言

近年來，隨著市場需求和網絡技術發展，無線Mesh網絡因其自組織、自適應、自管理等特點被作為寬帶無線接入“最后一公里”問題的解決方案，它正在融入并且改變著人們的生活方式，人們對無線寬帶接入的要求也越來越高。由于單接口單信道技術因信道切換頻繁會使延遲增加和帶來的干擾性會使網絡吞吐量急劇下降。因此，無線Mesh網絡引入了多接口多信道技術，使用多個正交信道與不同相鄰節點通信，以減少延遲和減輕干擾。然而，在多接口多信道無線Mesh網絡（Multi-radio Multi-channel Wireless Mesh Network，MRMC WMN）骨干網中，源節點需經過一個或多個Mesh路由器才能到達終節點，源節點可能會存在多條可以到達終節點的路徑，如何選擇一條傳輸性能最好的路徑，是MRMC WMN關鍵技術中路由協議要面臨的挑戰。目前常用的無線路由協議有：按需距離矢量路由協議（Ad hoc On-Demand Distance Vector，AODV）、動態源路由協議（Dynamic Source Routing，DSR）和優化鏈路狀態路由協議（Optimized Link State Routing，OLSR）等，但這些協議都只適合單信道無線網絡，而對于MRMC WMN，需要選擇合適的多信道路由協議修改方案對這些協議進行修改才得以支持。本文通過將多信道和多路徑路由方案有機結合，提出了一種稱之為自適應多路徑和多信道控制方案的新協議以支持MRMC WMN。

1 相關工作

目前，國內外針對MRMC WMN的信道分配算法處于初級探索階段，動態信道分配方法主要有：文獻[1]的DCA算法、文獻[2]的支持多接口的SSCH算法、文獻[3]提出的負載可知的算法。另外，還有一些文獻使用優化方法求解信道分配算法，如文獻[4]對禁忌搜索算法和遺傳算法在考慮負載均衡的基礎上進行研究，提出了 LB-TS（Load Balance based on Tabu-Search）和LB-GA（Load Balance based on Genetic Algorithm）算法。目前WMN中常用的AODV、DSR、OLSR等路由協議都只支持單信道無線網絡，文獻[5-7]等對已有路由協議的性能分析及評估也都是針對單信道無線網絡，而適應MRMC WMN的路由協議尚無文獻報道。

2 協議體系結構

假定每個節點都裝有一個使用半雙工接口的802.11無線適配器。接口允許在不同信道之間切換并執行802.11最優協議。該協議體系結構是一種跨層結構，不需要在媒體接入控制層和網絡模型硬件結構之間變換。該體系將多路徑和多信道有機結合以提高通信效果，其主要功能如下：

（1）鄰近信息目的是用于信道接收。

（2）使用通信鏈路路徑來建立每個節點的網關連接。

（3）引入超幀技術來分配網絡中的時隙。

（4）包轉發、調度和調整較好的發送與接收的時隙比等機制都是用來為每個結點調度和轉發包及調整發送時隙與接收時隙的比率。

3 多路徑路由

為了更好地通信，本文制定了多路徑路由方案，即制定一個創建雙路徑到網關的路由方案。尋找最佳路徑取決于鏈路層提供的信道信息。本文首先描述了節點選擇模型，然后提出了多路徑路由發現機制和路徑分段度量，最后借助于多路徑路由制定了包調度方案以提高網絡性能。

（1）接收信道選擇過程：在整個通信過程中，當一個節點模式被打開，則它就從接收信道中選擇任何一條信道。2跳鄰居節點斷斷續續地從對應節點中收到廣播。這可以通過發送一個HELLO消息得到。鄰居表是由每個包含接收信道信息的節點構成。另外，建立一張包含計算使用每個信道的節點數目的信道使用表。

（2）雙路徑路由發現：雙路徑路由發現主要是為每個節點建立兩條路徑到網關。文中為每個網關的雙路徑發現提出了一種有效的方法。為此，需要使用一個標注為GREQ的網關請求包。該包模型如表1所示。

表1 包模型

根據此模型，可以生成一個網關請求。該請求被標注GREQ,如果該請求生成了，則可以斷定網關路徑被通信節點占用。在整個通信過程中，為了通信，序列數、數據源地址、網關地址、跳數和路徑記錄都要被初始化和計算。在下一階段，具有相同一對一請求類型的相似鄰近節點所引起的調度不匹配被計算出來?？梢越柚W關地址和跳數來估算包轉發，即如果包被發送則網關數量減少。該技術有助于減少開銷和重播GREQ包，從而不會造成任何網絡擁塞。

路由發現初始化過程如下：

（1）如果網關請求的序列號小于發送的數據源地址的序列號，則丟棄路由發現且退出，否則將發送的數據源地址的序列號更新為網關請求的序列號；

（2）如果發送和接收的時隙時間表不匹配，則丟棄路由發現且退出；

（3）如果網關請求的網關地址不為Unknown且不等于發送的網關地址，則丟棄路由發現且退出；

（4）如果網關請求的跳數小于發送的跳數，則丟棄路由發現且退出，否則如果網關請求的跳數等于發送的跳數，且發送的下行時隙包含在網關請求的路徑記錄中，則丟棄且退出。

除此之外，則發送網關請求的網關請求序列號和網關請求源地址。

4 仿真實驗方案

4.1 實驗條件和實驗環境

從文獻[4]對DSR、AODV和OLSR三種路由協議在MRMC WMN結構下的性能比較研究可知，在文獻[4]所部署的所有場景中，OLSR路由協議的性能整體優于AODV和DSR。因此，該實驗只對本文所提出的多路徑路由（Multi Path Routing，MPR）協議和OLSR協議在路由開銷和網絡吞吐量等性能方面進行比較分析，從而得出哪種協議較優。

使用NS2仿真工具，在NS2 MAC層采用文獻[4]所提出的LB-TS動態信道分配算法，在網絡層對文獻[4]中所提出的13節點MRMC WMN網絡模型分別加載OLSR和MPR二種路由協議。

4.2 實驗結果及分析

（1）路由開銷比較

13節點模型在不同網絡負載流量下，2種路由協議在LB-TS算法下的路由開銷如圖1所示。

圖1表明，當負載流量較小且低于30Mbps時，MPR協議的路由開銷呈上升趨勢且略高于OLSR協議的路由開銷，但當負載流量大于30Mbps時，隨著負載流量的增大，OLSR協議的路由開銷略呈上升趨勢，而MPR協議的路由開銷略呈下降趨勢，且遠低于OLSR。這是由于在OLSR路由協議中，不管發送多少個數據包，OLSR都要定期廣播路由信息，且由于多條路由應答只發送給一個路由請求數據包，這將會增加控制。此外，當路徑中的一個節點失敗，由于缺乏多條路徑作為備選路由路徑，所以一條路由錯誤消息將廣播到所有的鄰居節點，這增加了路由開銷。

（2）吞吐量比較

13節點MRMC WMN在不同網絡負載流量下，2種路由協議在LB-TS算法下的網絡吞吐量如圖2所示。

圖2表明，當負載流量較小且低于20Mbps時，二者系統吞吐量隨負載流量變化基本一致，但當負載流量大于20Mbps時，隨著負載流量的增大，OLSR協議的系統吞吐量呈上升趨勢較平穩，MPR協議的系統吞吐量急劇上升且遠高于OLSR。這是由于MPR協議將多信道和多路徑路由方案有機結合，能維護和建立切換頻繁的多信道通信，且將數據流分割成多條路徑避免了流內干擾和流外干擾。另外，將通信時間分成多個時隙以用于時隙分配和路由發現。

圖1 不同負載路由開銷

圖2 不同負載系統吞吐量

5 結語

本文通過對WMN中動態信道分配算法和已有路由協議的研究，針對目前尚無專門的路由協議支持MRMC WMN，也少有文獻報道MRMC WMN使用哪種改良的路由協議較好，提出一種將多信道和多路徑路由方案有機結合的自適應多信道多路徑路由協議。并利用NS2工具和借助文獻[4]中所提出的網絡模型及LB-TS算法，實驗分析MPR協議與OLSR協議的性能。實驗結果表明，MPR協議能夠在路由開銷、網絡吞吐量等性能方面優越于OLSR協議。

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