謝桂芳

（湘南學(xué)院軟件與通信工程學(xué)院，郴州 423000）

0 引言

近年來，隨著市場需求和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)因其自組織、自適應(yīng)、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(shù)因信道切換頻繁會使延遲增加和帶來的干擾性會使網(wǎng)絡(luò)吞吐量急劇下降。因此，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)引入了多接口多信道技術(shù)，使用多個正交信道與不同相鄰節(jié)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(wǎng)絡(luò)（Multi-radio Multi-channel Wireless Mesh Network，MRMC WMN）骨干網(wǎng)中，源節(jié)點需經(jīng)過一個或多個Mesh路由器才能到達終節(jié)點，源節(jié)點可能會存在多條可以到達終節(jié)點的路徑，如何選擇一條傳輸性能最好的路徑，是MRMC WMN關(guān)鍵技術(shù)中路由協(xié)議要面臨的挑戰(zhàn)。目前常用的無線路由協(xié)議有：按需距離矢量路由協(xié)議（Ad hoc On-Demand Distance Vector，AODV）、動態(tài)源路由協(xié)議（Dynamic Source Routing，DSR）和優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議（Optimized Link State Routing，OLSR）等，但這些協(xié)議都只適合單信道無線網(wǎng)絡(luò)，而對于MRMC WMN，需要選擇合適的多信道路由協(xié)議修改方案對這些協(xié)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(jié)合，提出了一種稱之為自適應(yīng)多路徑和多信道控制方案的新協(xié)議以支持MRMC WMN。

1 相關(guān)工作

目前，國內(nèi)外針對MRMC WMN的信道分配算法處于初級探索階段，動態(tài)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(yōu)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(chǔ)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(xié)議都只支持單信道無線網(wǎng)絡(luò)，文獻[5-7]等對已有路由協(xié)議的性能分析及評估也都是針對單信道無線網(wǎng)絡(luò)，而適應(yīng)MRMC WMN的路由協(xié)議尚無文獻報道。

2 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

假定每個節(jié)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(zhí)行802.11最優(yōu)協(xié)議。該協(xié)議體系結(jié)構(gòu)是一種跨層結(jié)構(gòu)，不需要在媒體接入控制層和網(wǎng)絡(luò)模型硬件結(jié)構(gòu)之間變換。該體系將多路徑和多信道有機結(jié)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(jié)點的網(wǎng)關(guān)連接。

（3）引入超幀技術(shù)來分配網(wǎng)絡(luò)中的時隙。

（4）包轉(zhuǎn)發(fā)、調(diào)度和調(diào)整較好的發(fā)送與接收的時隙比等機制都是用來為每個結(jié)點調(diào)度和轉(zhuǎn)發(fā)包及調(diào)整發(fā)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(chuàng)建雙路徑到網(wǎng)關(guān)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(jié)點選擇模型，然后提出了多路徑路由發(fā)現(xiàn)機制和路徑分段度量，最后借助于多路徑路由制定了包調(diào)度方案以提高網(wǎng)絡(luò)性能。

（1）接收信道選擇過程：在整個通信過程中，當一個節(jié)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(jié)點斷斷續(xù)續(xù)地從對應(yīng)節(jié)點中收到廣播。這可以通過發(fā)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(jié)點構(gòu)成。另外，建立一張包含計算使用每個信道的節(jié)點數(shù)目的信道使用表。

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

表1 包模型

根據(jù)此模型，可以生成一個網(wǎng)關(guān)請求。該請求被標注GREQ,如果該請求生成了，則可以斷定網(wǎng)關(guān)路徑被通信節(jié)點占用。在整個通信過程中，為了通信，序列數(shù)、數(shù)據(jù)源地址、網(wǎng)關(guān)地址、跳數(shù)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(jié)點所引起的調(diào)度不匹配被計算出來?？梢越柚W(wǎng)關(guān)地址和跳數(shù)來估算包轉(zhuǎn)發(fā)，即如果包被發(fā)送則網(wǎng)關(guān)數(shù)量減少。該技術(shù)有助于減少開銷和重播GREQ包，從而不會造成任何網(wǎng)絡(luò)擁塞。

路由發(fā)現(xiàn)初始化過程如下：

（1）如果網(wǎng)關(guān)請求的序列號小于發(fā)送的數(shù)據(jù)源地址的序列號，則丟棄路由發(fā)現(xiàn)且退出，否則將發(fā)送的數(shù)據(jù)源地址的序列號更新為網(wǎng)關(guān)請求的序列號；

（2）如果發(fā)送和接收的時隙時間表不匹配，則丟棄路由發(fā)現(xiàn)且退出；

（3）如果網(wǎng)關(guān)請求的網(wǎng)關(guān)地址不為Unknown且不等于發(fā)送的網(wǎng)關(guān)地址，則丟棄路由發(fā)現(xiàn)且退出；

（4）如果網(wǎng)關(guān)請求的跳數(shù)小于發(fā)送的跳數(shù)，則丟棄路由發(fā)現(xiàn)且退出，否則如果網(wǎng)關(guān)請求的跳數(shù)等于發(fā)送的跳數(shù)，且發(fā)送的下行時隙包含在網(wǎng)關(guān)請求的路徑記錄中，則丟棄且退出。

除此之外，則發(fā)送網(wǎng)關(guān)請求的網(wǎng)關(guān)請求序列號和網(wǎng)關(guān)請求源地址。

4 仿真實驗方案

4.1 實驗條件和實驗環(huán)境

從文獻[4]對DSR、AODV和OLSR三種路由協(xié)議在MRMC WMN結(jié)構(gòu)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(xié)議的性能整體優(yōu)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(xié)議和OLSR協(xié)議在路由開銷和網(wǎng)絡(luò)吞吐量等性能方面進行比較分析，從而得出哪種協(xié)議較優(yōu)。

使用NS2仿真工具，在NS2 MAC層采用文獻[4]所提出的LB-TS動態(tài)信道分配算法，在網(wǎng)絡(luò)層對文獻[4]中所提出的13節(jié)點MRMC WMN網(wǎng)絡(luò)模型分別加載OLSR和MPR二種路由協(xié)議。

4.2 實驗結(jié)果及分析

（1）路由開銷比較

13節(jié)點模型在不同網(wǎng)絡(luò)負載流量下，2種路由協(xié)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(xié)議的路由開銷呈上升趨勢且略高于OLSR協(xié)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(xié)議的路由開銷略呈上升趨勢，而MPR協(xié)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(xié)議中，不管發(fā)送多少個數(shù)據(jù)包，OLSR都要定期廣播路由信息，且由于多條路由應(yīng)答只發(fā)送給一個路由請求數(shù)據(jù)包，這將會增加控制。此外，當路徑中的一個節(jié)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(jié)點，這增加了路由開銷。

（2）吞吐量比較

13節(jié)點MRMC WMN在不同網(wǎng)絡(luò)負載流量下，2種路由協(xié)議在LB-TS算法下的網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)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(xié)議的系統(tǒng)吞吐量呈上升趨勢較平穩(wěn)，MPR協(xié)議的系統(tǒng)吞吐量急劇上升且遠高于OLSR。這是由于MPR協(xié)議將多信道和多路徑路由方案有機結(jié)合，能維護和建立切換頻繁的多信道通信，且將數(shù)據(jù)流分割成多條路徑避免了流內(nèi)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(fā)現(xiàn)。

圖1 不同負載路由開銷

圖2 不同負載系統(tǒng)吞吐量

5 結(jié)語

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

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