復雜環境下多重重疊頻道鏈接集研究

顧大剛 黃偉

摘要：無線網絡的發展非常迅速，導致無線網絡頻譜資源越來越緊張，所以本文為了解決頻譜的劃分問題，研究復雜環境下多重重疊頻道鏈接集，用以提高頻段的復用性，增強網絡效能。本文通過設計算法及模擬仿真時候，非常重要的一個特點就是需找出其發生重疊、沖突區域，所以項目組設計了鏈接集合，鏈接集合設計主要是先計算每個MAP指派鏈結時的優先級，這個主要是用來避免負載較重的MAP沒有優先指派導致最后指派到負載流量較大的鏈結集合中，使得無線網絡拓撲中每個鏈結集合呈現負載不平衡現象。

關鍵詞：無線通信;頻道;鏈接集

中圖分類號：TP391? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）23-0245-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 概述

無線通信的數據傳輸已成為未來通訊發展的趨勢，人們可以隨時隨地在任何時間、地點通過智能手機、筆記本電腦或IPad 連接無線網絡，而不會因特定地點而遭受限制，帶給人們方便性與機動性。除此之外，隨著信息家電IA（Information Appliance）概念的逐漸成熟，信息與通訊產品之間的結合互動更為緊密，使得無線局域網絡的提供也由企業逐漸走向家庭與個人化發展，促使無線局域網絡的應用與范疇相較于過去更為廣泛。

有研究表明用部份重迭頻道促使無線網絡可用的頻道數增加同時提升網絡效能，因此選擇頻道之間互相重迭干擾較小的頻道，避免無線網絡在頻道配置過程中，雖然運行在不同的頻道上，卻因頻道之間頻率相互重迭關系而產生干擾影響。雖然部份重迭頻道可以避免同頻干擾產生，卻因頻道之間頻率重迭關系導致干擾影響，因此使用重迭干擾影響較小的部份重迭頻道不僅增加可用頻道數，不因重迭干擾的影響導致網絡效能下降。在頻道配置的過程中搭配沖突圖理論（Multi-radio Conflict Graph， MCG），得知節點之間的干擾程度，藉由沖突圖理論的分析得知節點的干擾范圍內的相鄰節點不會配置相同的頻道以避免同頻干擾的產生，由此提升網絡效能[1]。

1.1 無線傳感網絡容量研究

無線傳感網絡使用的范圍非常廣泛，所以需要研究其容量的問題，這樣能使得我們在使用無線傳感網絡的時候更加準確的進行相關算法和性能的設計與評估。無線傳感網絡容量的研究是Gupta和Kumar較早提出的，他們研究的內容主要就是其容量問題，主要研究的方向是網絡吞吐率、鏈路傳輸帶寬和節點數目之間的關系[2]。其后，也有很多研究者對相關問題進行了深入研究，比如Jain研究的鏈路干擾問題，特別是他還使用線性規劃方法給出了估計網絡吞吐率上界和下界的算法[3]。也有研究者對網絡吞吐率的上界和下界問題進行了進一步研究分析，并用其與路由和調度問題進行綜合考慮分析。還有研究者對無線傳感網絡的多接口、多信道的容量問題進行研究分析，在此基礎上研究分析網絡吞吐率、網絡信道數目等無線傳感網絡的關鍵參數之間的關系[4]。而現在大多數的無線傳感網絡容量研究主要集中于對網絡容量上界和下界的估計方面[5]，因此需要研究更精確的無線mesh網絡容量計算方法。

1.2 無線傳感網絡路由分配算法分析

無線傳感網絡的一大特點就是自組織，所以它的路由算法是其研究的非常重要的一環[6]。在已有的研究中已有大量研究者對路由算法進行了研究分析，而且在信道分配、節點控制、節能分析等方面已做得比較多，也比較完善，但是在一些面向實際應用的無線傳感網絡中，卻有著一定的缺陷與不足[7]。比如：在設計路由與鏈路時候，主要研究點在路徑的自組織上，較少的分析信道層面的問題;比如一些信道的分配問題，導致不能準確及時進行數據傳輸;比如信道的使用、利用上，一些算法的冗余度較大，導致網絡性能的下降等問題，比如算法JRCAS算法中，盡管提出了由路由需求決定信道分配的技術，但是在這個算法設計時候卻主要面對的單路徑，如果變向多路徑設置就會出現問題[8]。

無線傳感網絡的應用范圍非常廣泛，從軍事領域到民用領域都可以看見其身影，從一般的家庭數據通信、醫療等，到面向公共場所的銀行、校園、醫院等，從小區的監控、安防到森林的防火、防偷獵等，他的應用非常廣泛，隨著各種技術的成熟，相信無線網絡技術的應用范圍將會越來越廣泛。在對無線傳感網絡的分析與研究中我們發現，無線傳感網絡的信道分配非常重要，這是由于802.11標準中只提供了有限的12條正交信道給無線Mesh網絡，需要在有限的正交信道中進行數據傳輸，所以需要對其信道分配進行進一步研究[9]。

2 鏈接集合設計

2.1 鏈接幾何負載不平衡分析

鏈接集合設計主要是先計算每個MAP指派鏈結時的優先級，這個主要是用來避免負載較重的MAP沒有優先指派導致最后指派到負載流量較大的鏈結集合中，使得無線網絡拓撲中每個鏈結集合呈現負載不平衡現象，如公式（1）所示。

[order=Aggregate_traffic（node）?Link_numhop_num?Radio_num]? ? ? ? ? ? ?（1）

公式中的order代表每個MAP在鏈接集合并程序中的指派的優先級，其中Aggregate_traffic（node）代表每個MAP所匯集的網絡總負載流量大小，Link_num 代表每個MAP的鏈結數量，hop_num代表每個MAP的距離集中式服務器（Gateway）的hop數，Radio_nom表示每個MAP上的通訊接口數量，此優先級是為了讓網絡匯集流量較大或是鏈結數目較多的MAP能優先指派，當鏈接指派的過程中，MAP指派的優先級不同，結果所產生的鏈結集合也會有算不同，透過優先級的計算使得越靠近集中式服務器的MAP或是流量較大MAP能優先指派，避免負載較重的MAP最后指派到負載流量較大的鏈結集合中，導致整體鏈結集合的負載不平均的問題產生。

2.2 沖突感知設計

本文在設計算法及模擬仿真時候，非常重要的一個特點就是需找出其發生重疊、沖突區域，所以項目組設計了沖突感知分析。首先我們設計一個范例，如圖有9個存取點（MAP）、12條鏈接，每個無線存取點上設計兩個通訊接口，并且由鏈接程序合并產生6個鏈接，此鏈接集合為1-6。而此程序將分析每個鏈接集合與其他鏈接集合的干擾程度，需要定義干擾范圍與節點傳輸距離的函數，在此范圍內的節點上的鏈接屬于干擾范圍。如：鏈接集合3由鏈接ab和bc形成，并且網絡流量分別為流量17和流量19，因此拓撲中與鏈接集合3干擾的鏈接集合包含鏈接集合1、鏈接集合2、鏈接集合5和鏈接集合6，但是鏈接集合3干擾范圍外的集合為鏈結集合4，如下圖1、2鏈接集合沖突圖。

3 總結

隨著無線通信設備應用逐漸廣泛，使得無線頻譜逐漸成為一個有限的資源，導致頻譜之間干擾噪聲的問題成為降低網絡效能的主要原因之一。然而，在無線網絡傳遞封包的過程中，除了容易遭受無線網狀網絡的同頻干擾影響，導致封包碰撞產生封包遺失的問題之外，同時也會因頻道與頻道之間因重疊導致頻率發生互相干擾影響，如此容易造成無線網狀網絡效能大幅的降低。

本文在未來還可以加入頻道之間的競爭特性為考慮因素分析，讓頻道配置的過程中能預先分析目前網絡拓撲的干擾狀態，并且依干擾狀態能選擇較適當的頻道，使得網絡環境中的干擾為最小化且效能為優化，除此之外，還可以加入路由協議的考慮因素，讓不同的網絡拓撲環境會因路由協議的不同會對網絡有不同的影響，若使用不適用的路由協議，則會造成網絡效能明顯的降低，反之，若使用合適的路由協議，則能更有效地利用頻譜資源，以提升網絡效能。

參考文獻：

[1] 戴暉， 姜曉斐， 楊萬君. OFDM/OQAM技術在時頻彌散信道中的應用[J]. 無線電工程， 2019， 49（01）：36-41.

[2] 桂毅恒， 朱立東. 衛星機載終端多優先級信道預留分配策略[J]. 無線電通信技術， 2019， 45（01）：66-71.

[3] 劉曉蘭， 舒然， 張彤， et al. 基于無線信道狀態信息的緩存膨脹問題求解方案[J]. 清華大學學報：自然科學版， 2018.

[4] 周明快， 黃巍， 陳濱， et al. 基于無線信道狀態相位信息優化的定位算法[J]. 傳感技術學報， 2018，31（06）：141-146.

[5] 劉萬洪， 楊志飛， 張濤濤. 美軍MUOS系統通信鏈路無線信道特性分析[J]. 兵工自動化， 2018， 37（10）：92-94，99.

[6] 王賽飛， 方勇， 王軍華. 利用自適應傅里葉分解的非平穩無線信道的時頻表示[J]. 信號處理， 2018， v.34;No.226（06）：123-129.

[7] 龐策， 張亞生， 申曲. 精確時間同步協議在空間無線信道下的適應性研究[J]. 計算機測量與控制， 2018， 26（3）： 236-240.

[8] 姚彤. 面向車隊的無線信道訪問控制機制研究[D].電子科技大學，2018.

[9] 張偉. 抗干擾攻擊的多信道無線網絡功率控制方法[J]. 微電子學與計算機， 2018，35（6）：134-137.

【通聯編輯：梁書】