無線傳感網絡多重重疊頻道配置研究

顧大剛 黃偉

摘要：無線傳感網絡具有可快速組建網絡及減少組建成本的優點，已成為現今重要技術之一。由于無線通信設備的大量設置，使得在有限的頻譜資源中，如何避免頻道間使用相同頻率產生干擾，并使網絡整體效能提升成為一個值得探討的研究方向。在頻譜上，不重迭頻率的頻道更顯得稀少而珍貴，因此增加可用的無線通信頻道數并分析網絡干擾程度以進行頻道配置，更能有效利用頻道同時降低干擾問題的產生。該文即在多頻無線網狀中使用多重重疊頻道的頻道配置策略，選擇多重頻道重迭干擾最小的頻道并利用沖突圖理論得知網絡干擾程度，避免網絡系統使用相同頻道導致同頻干擾并減少節點之間頻道干擾影響，使無線鏈接能抗干擾程度有效降低。

關鍵詞：無線傳感;重疊頻道;配置

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）26-0048-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 概述

為滿足人類對生活不斷進步的追求，作為城市的社會和經濟發展的基礎信息化設施，無線城市建設已成為衡量一座城市整體運行效率、信息化程度以及國際競爭力的重要尺度，是等同于水、電、煤氣、交通之后的城市“第五公用事業”。近幾年來，隨著無線網絡的快速發展，無線網絡已經被廣泛地應用到企業，學校，醫院，機場等眾多公共場所中，為這些區域內的用戶提供了極大的方便和自由。目前無線通信業務需求的日益高漲，使得可用的無線頻譜資源越來越稀缺。盡管人們為了提高頻譜利用效率，運用各種先進的無線通信理論及技術做出了各種努力，卻發現頻譜利用效率仍然很不理想，特別是在信號傳播特性比較好的低頻段頻譜的利用上尤為嚴重。為了盡可能更加高效地利用無線頻譜資源，解決當前頻譜資源日益緊張的局面，亟待研究出更有效的方法來充分利用現有的無線頻譜資源。而近年來認知無線電技術的提出，就是為了緩解現有無線頻譜資源的緊缺狀況，提高頻譜資源的利用效率。

1.1 無線信道特點

無線信道是無線網絡的一個非常重要的資源之一。他直接影響著網絡的傳輸性能。合理的分配和使用無線信道是解決無線網絡問題的關鍵技術之一。近年來，無線通信已滲透到人們生活的各個領域，越來越多的人加入無線通信的用戶群體中，并且，人數和使用頻率在迅速增長者，由此產生的巨大的網絡需求，極大考驗著無線通信網絡的承載能力。同時，人們對于網絡訪問速度也提出了更高的要求。在多跳的WMN中，隨著雙方通信距離的增大，傳輸跳數的增多，數據傳輸速率明顯降低。而且，考慮到多跳傳輸過程中的各種QoS保證，網絡擁塞與信道傳輸的干擾問題等，網絡的吞吐量也會受到極大的影響。同時，802.11b/g標準和 802.11a標準分別提供3個和12個正交信道，使得我們可以將研究技術擴展到多網卡多信道的領域，這樣網絡中的節點便可以使用多信道傳輸，相鄰的節點也可以同時傳輸，只要為它們分配不同的信道即可，這樣極大地增加了網絡的吞吐量，提高網絡的傳輸性能。

1.2 網絡架構

無線網絡架構大致可分為基礎架構模式（Infrastructure Mode）和不具備無線基地臺（Access Point， AP）的隨機式架構模式（Ad Hoc Mode），基礎架構模式下的通訊用戶必須在AP的通訊范圍內，才可以與AP建立聯機并取得網絡;隨機式架構模式是一種點對點的傳輸模式，在此無線網絡環境中，可以讓單一設備或工作站直接進行點對點溝通。由隨機式架構模式衍生的布點模式（Mobile Ad Hoc Network， MANET），是一種完全經由無線鏈結（Wireless Link）的行動節點所構建的網絡，通常具有動態拓撲形成及有限帶寬等特性，以及由基礎架構模式和隨機式架構模式衍生出無線網狀網絡（Wireless Mesh Network， WMN）的研究，由于無線網狀網絡能夠快速的部署骨干網絡以提升覆蓋范圍，此特性使得無線網狀網絡成為無線網絡研究的焦點，并且運用多重頻道網絡（Multi-Radio Multi- Channel）來提升整體網絡效能。

2 多重重疊頻道配置構架設計

多重重疊頻道配置構架設計：MPOC（Multiple Partially Overlapping Channels， MPOC）系統架構下圖1所示，屬于集中式頻道配置，在多頻無線網狀網絡中網絡信息將會透過 MAP 轉送到集中式服務器，由集中式服務器來分析網絡負載流量及計算干擾關系并進行頻道配置，在先前的研究大多是針對每個鏈結或是針對無線網狀網絡上節點的頻道配置。

本論文設計的MPOC架構則是針對鏈結集合來配置頻道，因此在頻道配置前必須先將多頻無線網狀網絡節點上的鏈結進行合并并且對應到MAP的前接口上，并建立沖突圖來判斷每個鏈結集合干擾范圍內的鏈結集合，大多數的研究將干擾范圍定義為兩倍的傳送范圍，此作法是為了避免每個鏈結集合的干擾范圍內不會配置到相同的頻道上，導致同頻干擾的產生，最后將多個部分重疊頻道配置到每個鏈結集合。

MPOC頻道配置選擇重疊干擾最小的多個重疊頻道進行頻道配置，透過鏈結合并使得流量較大的鏈接選擇負載較輕的通訊接口使通訊接口負載能達到平衡，同時也使得每個鏈結集合的流量負載不會差異太大，并由沖突圖的分析得知每個鏈結集合干擾與未干擾的鏈結集合狀態，讓干擾的鏈接集合不會配置到相同的頻道，而造成同頻干擾或頻率干擾等問題的產生，最后將多部份重疊頻道，依照每個鏈結集合的干擾嚴重性來讓鏈接集合優先選擇頻道，同時讓相鄰相互不干擾的鏈接集合運行在相同的頻道上，不僅提升無線頻道數量，同時也提升無線網絡的整體效能。

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。

本論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。

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