無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的多信道介質(zhì)訪問控制

肖毅 趙剛 朱麗

摘 要：本文研究了無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的多信道資源分配算法，分析了無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中資源分配的主要問題，并結(jié)合了負(fù)載感知和距離受限的資源分配算法、單播和多播統(tǒng)一信道的資源分配算法、容量最大化的分布式資源聯(lián)合調(diào)度算法，提升了無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)多信道介質(zhì)訪問控制機(jī)制的應(yīng)用效率。

關(guān)鍵詞：多信道資源分配;無線通信;分配策略

中圖分類號：TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）17-0032-03

Research on Multi-channel Medium Access Control of Wireless Self-organizing Emergency Communication Network

XIAO Yi ZHAO Gang ZHU Li

（Chengdu Kehong Xilian Technology Co.， Ltd.，Chengdu Sichuan 610064）

Abstract： This paper studied the multi-channel resource allocation algorithm of wireless ad hoc emergency communication network， and analyzed the main problems of resource allocation in wireless ad hoc emergency communication network， and improved the application efficiency of the multi-channel medium access control mechanism for wireless ad hoc emergency communication networks by combining with load-aware and distance-restricted resource allocation algorithms， unicast and multicast unified channel resource allocation algorithms， and capacity-distributed distributed resource joint scheduling algorithms.

Keywords： multi-channel resource allocation;wireless communication;allocation strategy

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，人們在工作、學(xué)習(xí)和生活中對網(wǎng)絡(luò)的需求逐漸增加，當(dāng)今社會，強(qiáng)烈需求也催生了科研工作者對更強(qiáng)大性能網(wǎng)絡(luò)的追求動(dòng)力。隨著無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)必然成為今后網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢，并且多信道介質(zhì)訪問也十分適合處理無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的資源分配問題，能有效提升無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的通信能力[1-3]。在有關(guān)IEEE802.11介質(zhì)訪問控制的相關(guān)研究中，人們不僅在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上定義了多信道通信模式，還探究了多信道或單一控制信道的時(shí)分復(fù)用，因此明確認(rèn)識無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)資源分配方面的問題展開研究，探究無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的多信道資源分配算法，有利于合理配置、控制和使用無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。

1 無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容

在網(wǎng)絡(luò)通信中，無線網(wǎng)絡(luò)是其重要組成部分，與寬帶無線接入系統(tǒng)、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)、短距離無線互聯(lián)等技術(shù)相互作用，為人們的生產(chǎn)、學(xué)習(xí)和生活帶來巨大改變。但傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)制式難以滿足人們隨時(shí)隨地的布網(wǎng)需求，因此無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)開始獲得眾多科研工作者的關(guān)注。無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的概念起初誕生并運(yùn)用在軍事領(lǐng)域中，但其優(yōu)良的性能在商業(yè)領(lǐng)域中也體現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢。無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的組網(wǎng)技術(shù)，可以不依賴于任何基礎(chǔ)設(shè)施和中心實(shí)體，作為網(wǎng)絡(luò)一部分的重要節(jié)點(diǎn)，無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)既可以作為信息的發(fā)起者和接受者，也能承擔(dān)信息中繼者的功能，通過對無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)信息協(xié)議相互合作，能夠自動(dòng)配置和管理，并自發(fā)通過信息交互組成網(wǎng)絡(luò)，讓信息通過節(jié)點(diǎn)間相互中繼的方式，自動(dòng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而拓寬網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，加大無線設(shè)備傳輸距離[4-5]。

1.2 無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)不依賴類似基站等基礎(chǔ)設(shè)備，通常由一系列帶有射頻收發(fā)模塊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，能夠自行迅速構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潴w系。由于受人為控制的因素較少，并且屬于分布式的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)，無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)具有無中心、自愈性、自動(dòng)組網(wǎng)等特點(diǎn)。無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)作為對等網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)、頻繁地接入和離開，沒有主次之分，區(qū)別于固定基礎(chǔ)設(shè)施的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)配置有無線收發(fā)裝置、主控制處理器、天線和其他輔助設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自身需求對位置進(jìn)行調(diào)整，并且無線信號的覆蓋范圍也會隨機(jī)變化，按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)定的組網(wǎng)形式，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接的無線互聯(lián)，但由于無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不確定性，無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)存在分布式操作、線路質(zhì)量不穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性和設(shè)備限制等方面的問題。人們需要進(jìn)一步優(yōu)化無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的資源配置算法，從而達(dá)成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的共同協(xié)作。

1.3 無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的資源分配

在無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中，為了解決無線頻譜資源的限制性問題，人們應(yīng)當(dāng)優(yōu)化無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的資源分配。區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系的各層單獨(dú)設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式的“比特管道”，無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)會發(fā)生時(shí)變多徑衰減，導(dǎo)致不同用戶的信道統(tǒng)計(jì)特征不一樣，造成多用戶共享資源時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的干擾現(xiàn)象。如果將傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的分層體系結(jié)構(gòu)直接用于無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中，會嚴(yán)重降低低效頻譜的使用率和靈活性。為加強(qiáng)無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的多信道介質(zhì)訪問控制，人們應(yīng)充分考慮跨層設(shè)計(jì)，即無線網(wǎng)絡(luò)的不同層次實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一自適應(yīng)設(shè)計(jì)，有效提升網(wǎng)絡(luò)性能。無線信道的本質(zhì)是共享介質(zhì)，需要考慮用戶隨機(jī)特性來保障高效資源共享機(jī)制，并在物理層調(diào)制和解碼的基礎(chǔ)上達(dá)到無線網(wǎng)絡(luò)的高效能量運(yùn)用。無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的資源分配需要考慮吞吐量、延時(shí)性等網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)考慮物理層的編碼、調(diào)制和信道衰減等問題[6-7]。

2 無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)資源分配問題

2.1 集中式單跳

在無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)多個(gè)次用戶介入中心節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，資源分配應(yīng)當(dāng)解決好主用戶和次用戶間的干擾問題、各個(gè)次用戶間的干擾問題，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。主、次用戶通過協(xié)商決定中繼協(xié)同的方式，從而獲得授權(quán)頻譜的使用機(jī)會，造成資源分配問題更為復(fù)雜，引發(fā)中繼選擇問題和傳輸機(jī)會分配問題，難以保證傳輸質(zhì)量。

2.2 集中式多跳

無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的多條網(wǎng)絡(luò)，需要考慮次用戶接收設(shè)備選擇和端到端性能影響等問題，因此多跳環(huán)境中的資源分配優(yōu)化問題更為復(fù)雜。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的可用信道相同且已知，但在無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中，受設(shè)備、環(huán)境、用戶活動(dòng)等因素影響，各用戶的頻譜探測結(jié)果可能不同。當(dāng)兩個(gè)用戶沒有相同的可用信道時(shí)，即使在無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍內(nèi)也無法進(jìn)行通信，這也改變了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而影響接收設(shè)備的選擇。在另一種情況下，如果一條路徑上信道分配結(jié)果不同，也會造成網(wǎng)絡(luò)干擾不同，進(jìn)而影響端到端的性能發(fā)揮。除了存在信道和路由的耦合問題之外，信道與網(wǎng)卡也存在耦合問題，同一網(wǎng)卡同一時(shí)間只能接入一個(gè)信道，導(dǎo)致網(wǎng)卡數(shù)決定用戶最終使用的信道數(shù)目，從而影響無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配。

2.3 分布式多跳

將無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的中心控制節(jié)點(diǎn)去掉，則集中式的資源分配方法也難以適用，需要進(jìn)行分布式方法的設(shè)計(jì)。而在分布式方法中，各用戶需要根據(jù)自身獲取的局部信息，自行對資源進(jìn)行優(yōu)化配置，導(dǎo)致全局信息不易獲取。在這樣的無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中，人們需要通過鄰節(jié)點(diǎn)間的公共控制信道來實(shí)現(xiàn)鏈路的分布式信道分配和協(xié)調(diào)，結(jié)合中繼傳輸方法來減小用戶功率影響，從而探究分布式多跳環(huán)境下用戶中繼選擇及功率控制方案。

3 無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的多信道資源分配算法

3.1 負(fù)載感知和距離受限的資源分配算法

為了優(yōu)化無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的多信道資源分配算法，人們可以從集中式負(fù)載感知和距離受限的多信道分配策略入手，假設(shè)所有路由節(jié)點(diǎn)都靜止不動(dòng)，只配置了單個(gè)射頻接口，從而模擬校園和企業(yè)等應(yīng)用場景。為了充分降低鏈路與鄰近鏈路之間的干擾，提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，人們可以運(yùn)用最小化鏈路干擾最大值的度量方法來保障網(wǎng)絡(luò)公平性，再進(jìn)行干擾估算，計(jì)算每條信道上的無線干擾設(shè)備數(shù)目。通過仿真結(jié)果可得，以網(wǎng)關(guān)為頂點(diǎn)的鏈路容易形成網(wǎng)絡(luò)瓶頸，因此減少該部分鏈路的干擾，可以提高網(wǎng)絡(luò)性能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于4個(gè)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的距離較近，無線節(jié)點(diǎn)只能接受或者發(fā)送，難以發(fā)揮多信道的優(yōu)勢，但隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的多信道優(yōu)勢開始逐漸發(fā)揮，能夠顯著降低鄰近鏈路的干擾，從而提升網(wǎng)絡(luò)性能。

3.2 單播和多播統(tǒng)一信道的資源分配算法

在無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中，單播和多播通常共存在網(wǎng)絡(luò)中，多播可將數(shù)據(jù)一次性發(fā)送到多個(gè)組成員，現(xiàn)有研究大多單獨(dú)考慮單播和多播的資源分配問題，但單播和多播共存時(shí)的資源分配則很少提及。單播和多播統(tǒng)一信道的資源分配算法能有效避免無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中相同數(shù)據(jù)的多次重復(fù)傳輸，在降低網(wǎng)絡(luò)沖突的同時(shí)，還能大幅提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量和傳輸效率。為實(shí)現(xiàn)單播和多播統(tǒng)一信道的資源分配，首先應(yīng)將單播和多播信道分配問題轉(zhuǎn)化為傳輸沖突著色問題，再運(yùn)用更準(zhǔn)確的信道度量方法，合理選擇最小干擾信道，進(jìn)而構(gòu)建單播和多播統(tǒng)一信道分配的系統(tǒng)模型。根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)傳輸速率很低時(shí)，算法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延時(shí)差別不大，由于網(wǎng)絡(luò)中的無線介質(zhì)訪問沖突很少，多播會話并沒有發(fā)揮出多信道和多接口的優(yōu)勢，但隨著傳輸速率的增加，多信道和多接口的優(yōu)勢開始顯現(xiàn)，最優(yōu)信道分配算法解決了算法存在的隱藏信道問題，當(dāng)可用信道足夠多時(shí)，最優(yōu)信道分配算法將傳輸沖突圖轉(zhuǎn)化為弦圖，獲得最優(yōu)結(jié)果。覆蓋信道選擇度量函數(shù)來為鏈路選擇最小網(wǎng)絡(luò)干擾信道，使得單播和多播統(tǒng)一信道的資源分配算法網(wǎng)絡(luò)干擾最小，有效提升網(wǎng)絡(luò)性能。

4 結(jié)語

本文研究了用于無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的多信道介質(zhì)訪問控制機(jī)制，通過多信道資源分配算法實(shí)現(xiàn)了資源動(dòng)態(tài)分配，通過負(fù)載感知和距離受限的資源分配算法發(fā)揮多信道優(yōu)勢，運(yùn)用單播和多播統(tǒng)一信道的資源分配算法提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。這樣可以充分發(fā)揮兩種資源分配算法的優(yōu)勢，提高無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)多信道介質(zhì)訪問控制機(jī)制的運(yùn)行效率，但其在優(yōu)先級服務(wù)和比例方面仍存在問題，值得進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉芳，胡立章，王亞靜，等.智能電網(wǎng)應(yīng)急通信中無線自組織網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)研究[J].河北電力技術(shù)，2017（6）：22-24.

[2]王海濤，張學(xué)平，陳暉.高生存性異構(gòu)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與分析[J].電信科學(xué)，2013（8）：101-107.

[3]劉宏強(qiáng).基于TD-LTE的煤炭企業(yè)無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)研究[J].煤炭技術(shù)，2013（3）：164-165.

[4]胡宇峰.無線寬帶自組織網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急通信中的應(yīng)用[J].電信快報(bào)，2012（10）：35-37.

[5]王海濤，朱震宇，付鷹.應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)探討[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2010（5）：28-33.

[6]魏更宇，楊茗名.無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)管理[J].中興通訊技術(shù)，2010（5）：28-31.

[7]劉軍，許德健.無線自組織網(wǎng)絡(luò)在公安應(yīng)急通信中的應(yīng)用[J].中國人民公安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（1）：55-57.