多接口無線網(wǎng)絡信道分配與路由技術(shù)研究

王昊++李舸++石勁濤

摘 要：由于集成電路以及通信網(wǎng)絡等信息技術(shù)的迅猛快速發(fā)展，基于基站的傳統(tǒng)單跳網(wǎng)絡在覆蓋范圍和部署實施方面呈現(xiàn)出很大的局限性；隨著無線收發(fā)機在小型化、低成本方面的發(fā)展，在相同的無線節(jié)點上集成多個無線的收發(fā)機顯然很普遍，所以多個接口多個信道多跳無線網(wǎng)絡變成了以后無線通信網(wǎng)絡的發(fā)展領(lǐng)域之一。多接口多信道多跳無線網(wǎng)絡的資源分配問題較傳統(tǒng)的單跳無線網(wǎng)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(wǎng)絡間的節(jié)點也有可能暫時接入到網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡流量的突發(fā)性問題顯得更加明顯，網(wǎng)絡節(jié)點之間的關(guān)系更加復雜。在不同的應用場景下，無線網(wǎng)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(wǎng)絡、多接口無線自組織網(wǎng)絡和區(qū)域無線共享網(wǎng)絡三個具體場景下的多接口多信道多跳無線網(wǎng)絡的資源分配問題，并分別進行研究。

關(guān)鍵詞：多接口無線網(wǎng)絡信道分配路由技術(shù)

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(shù)是無線網(wǎng)絡環(huán)境中減少鏈路干擾、提高網(wǎng)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(wǎng)絡所面臨的主要問題之一。針對自私的網(wǎng)絡節(jié)點，該文使用非合作博弈對異構(gòu)條件下多接口節(jié)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(wěn)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(xiàn)納什均衡的分布式算法。此外，考慮到實際網(wǎng)絡中節(jié)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(zhì)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(diào)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(jiān)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(wǎng)絡環(huán)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(xié)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(shù)的研究都有共性的問題，但是在不同應用場合下，網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡信道分配面臨著前所未有的巨大挑戰(zhàn)：干擾是無線網(wǎng)絡性能下降的最主要原因，由于干擾問題，絕大多數(shù)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(wǎng)絡連通性問題時，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)就存在著節(jié)點無法連接的危險，信道分配方案需要考慮網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變化；然而引起漣漪效應和信道震蕩現(xiàn)象甚至破壞網(wǎng)絡的穩(wěn)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(wǎng)絡信道分配方案的判斷方法有很多，在該篇文本中則以網(wǎng)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(wǎng)絡存在一個中心控制器，它能知道全網(wǎng)信息。遇到這種情況，信道分配多數(shù)是以建模方式進行運算，在由得出結(jié)果的中央控制器進行非配節(jié)點或者調(diào)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(wǎng)關(guān)方案。前者假定網(wǎng)絡為多跳無線網(wǎng)絡，網(wǎng)絡通信是無固定的模式，在此情境下的網(wǎng)絡流量一般顯現(xiàn)出一定的不確定性；后者假定在無線mesh網(wǎng)絡場景下，網(wǎng)絡中大部分流量源自網(wǎng)關(guān)或者去網(wǎng)關(guān)，所以可看出信道分配方案是：送給相近網(wǎng)關(guān)的鏈路比較高的信道帶寬。（如圖1）

由路由信息傳遞給網(wǎng)絡的節(jié)點的息的方式可將多跳無線網(wǎng)絡的路由協(xié)議分為兩種：按表格驅(qū)動路由協(xié)議與按需路由。按需路由只有在源節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，才開始廣泛傳播路由并且發(fā)現(xiàn)報文，探尋路由初始化過程。只需發(fā)現(xiàn)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(jié)束在網(wǎng)絡內(nèi)的找路過程。網(wǎng)絡中每一個路由緩存都由一個節(jié)點維護，在這當中記錄著原來發(fā)現(xiàn)的路由，以此來杜絕重復性尋路的發(fā)生。將路由創(chuàng)建完畢后，根據(jù)一種路由維護機制維護此路由，當發(fā)生異常中斷或無效時路由將重新尋路。

表格驅(qū)動路由協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡中的任意節(jié)點均建立并維護一個或多個儲存信息的表格，以維護網(wǎng)絡中的最新路由信息可以從所有的節(jié)點到達其他任意節(jié)點。節(jié)點需要周期性的發(fā)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(qū)動路由的協(xié)議，路由的網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)絡的系統(tǒng)資源項。它們的分配需要對路由協(xié)議和信道分配方式進行聯(lián)合優(yōu)化。信道分配的方式規(guī)定了不同時隙中網(wǎng)絡節(jié)點接口（和鏈路）與信道之間的對應性。源節(jié)點與目的節(jié)點對之間的路由是否有效，則分屬于路由協(xié)議的方向。信道分配方式和路由協(xié)議之間互相影響，在對這兩者不斷調(diào)整之后，最終會得到模型的最優(yōu)解。對此，基于時分復用的鏈路調(diào)度可以有效的實現(xiàn)模型的最優(yōu)解。

該文中可以假設網(wǎng)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(xié)議開銷。

將一隨機網(wǎng)絡中的部分節(jié)點作為源節(jié)點和目的節(jié)點，并分別定義為集合S和D。網(wǎng)絡流量可以用網(wǎng)絡節(jié)點u代表V中的聚合流量需求。由節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點的實際速率就是節(jié)點在所在鏈路的實際流量，可得出。可以看出，節(jié)點間的流量通過多徑路由方式經(jīng)由網(wǎng)絡傳輸，實現(xiàn)了網(wǎng)絡流量的均衡，提高了網(wǎng)絡吞吐量。通過一個中央調(diào)度服務器對網(wǎng)絡進行鏈路周期性循環(huán)調(diào)度，選取一個公共信道作為所有網(wǎng)絡節(jié)點的控制信令傳輸信道，鏈路調(diào)度的周期設為T。中央調(diào)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(tài)，所有的網(wǎng)絡節(jié)點接口支持信道切換，每個時間間隙內(nèi)一個節(jié)電接口只能被一條鏈路使用，只有節(jié)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(wǎng)路由協(xié)議框架

固定信道接口的信道管理主要包括兩個過程：節(jié)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(jié)點。該文使用本地化分布式協(xié)議來為固定通道接口分配信道，確保所有的相鄰節(jié)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(wǎng)絡中的每一個節(jié)點都包含一個相鄰節(jié)點的固定信道信息表NT。同時節(jié)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(jié)點兩跳之內(nèi)使用某個信道作為固定信道的節(jié)點數(shù)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(jié)點內(nèi)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(wǎng)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(xié)議框架中，對現(xiàn)有按需路由協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)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(jù)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(xié)議（如圖3）。

4 結(jié)語

多接口多信道多跳無線網(wǎng)絡需要考慮的系統(tǒng)資源有時域和空域范圍的鏈路資源、頻域范圍內(nèi)的信道資源與接口等。物理層、MAC層以及網(wǎng)絡層等都被這種網(wǎng)絡環(huán)境中的資源分配問題的研究所涵蓋，于信道分配和路由協(xié)議的設計是資源分配的關(guān)鍵所在。雖然多接口多信道技術(shù)的研究具有一些共性問題，但網(wǎng)絡自身在不同的應用場景下存在著特殊性，因此網(wǎng)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(wǎng)絡的技術(shù)研究已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，該網(wǎng)絡中路由協(xié)議的研究和信道分配方案己經(jīng)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(guān)鍵技術(shù)和理論問題還有待進一步研究。雖然現(xiàn)有的多接口多信道多跳無線網(wǎng)絡的應用仍然存在不少困難，但隨著國內(nèi)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(shù)必有多接口多信道多跳無線網(wǎng)絡的應用。

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