顧大剛 黃偉

摘要：無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展非常迅速，導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜環(huán)境下多重重疊頻道鏈接集，用以提高頻段的復(fù)用性，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)效能。本文通過設(shè)計(jì)算法及模擬仿真時(shí)候，非常重要的一個(gè)特點(diǎn)就是需找出其發(fā)生重疊、沖突區(qū)域，所以項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了鏈接集合，鏈接集合設(shè)計(jì)主要是先計(jì)算每個(gè)MAP指派鏈結(jié)時(shí)的優(yōu)先級，這個(gè)主要是用來避免負(fù)載較重的MAP沒有優(yōu)先指派導(dǎo)致最后指派到負(fù)載流量較大的鏈結(jié)集合中，使得無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲忻總€(gè)鏈結(jié)集合呈現(xiàn)負(fù)載不平衡現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：無線通信;頻道;鏈接集

中圖分類號：TP391? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）23-0245-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 概述

無線通信的數(shù)據(jù)傳輸已成為未來通訊發(fā)展的趨勢，人們可以隨時(shí)隨地在任何時(shí)間、地點(diǎn)通過智能手機(jī)、筆記本電腦或IPad 連接無線網(wǎng)絡(luò)，而不會因特定地點(diǎn)而遭受限制，帶給人們方便性與機(jī)動(dòng)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(chǎn)品之間的結(jié)合互動(dòng)更為緊密，使得無線局域網(wǎng)絡(luò)的提供也由企業(yè)逐漸走向家庭與個(gè)人化發(fā)展，促使無線局域網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)可用的頻道數(shù)增加同時(shí)提升網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)在頻道配置過程中，雖然運(yùn)行在不同的頻道上，卻因頻道之間頻率相互重迭關(guān)系而產(chǎn)生干擾影響。雖然部份重迭頻道可以避免同頻干擾產(chǎn)生，卻因頻道之間頻率重迭關(guān)系導(dǎo)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(shù)，不因重迭干擾的影響導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(jié)點(diǎn)之間的干擾程度，藉由沖突圖理論的分析得知節(jié)點(diǎn)的干擾范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)不會配置相同的頻道以避免同頻干擾的產(chǎn)生，由此提升網(wǎng)絡(luò)效能[1]。

1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)容量研究

無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的時(shí)候更加準(zhǔn)確的進(jìn)行相關(guān)算法和性能的設(shè)計(jì)與評估。無線傳感網(wǎng)絡(luò)容量的研究是Gupta和Kumar較早提出的，他們研究的內(nèi)容主要就是其容量問題，主要研究的方向是網(wǎng)絡(luò)吞吐率、鏈路傳輸帶寬和節(jié)點(diǎn)數(shù)目之間的關(guān)系[2]。其后，也有很多研究者對相關(guān)問題進(jìn)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(guī)劃方法給出了估計(jì)網(wǎng)絡(luò)吞吐率上界和下界的算法[3]。也有研究者對網(wǎng)絡(luò)吞吐率的上界和下界問題進(jìn)行了進(jìn)一步研究分析，并用其與路由和調(diào)度問題進(jìn)行綜合考慮分析。還有研究者對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多接口、多信道的容量問題進(jìn)行研究分析，在此基礎(chǔ)上研究分析網(wǎng)絡(luò)吞吐率、網(wǎng)絡(luò)信道數(shù)目等無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系[4]。而現(xiàn)在大多數(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)容量研究主要集中于對網(wǎng)絡(luò)容量上界和下界的估計(jì)方面[5]，因此需要研究更精確的無線mesh網(wǎng)絡(luò)容量計(jì)算方法。

1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由分配算法分析

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一大特點(diǎn)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(huán)[6]。在已有的研究中已有大量研究者對路由算法進(jìn)行了研究分析，而且在信道分配、節(jié)點(diǎn)控制、節(jié)能分析等方面已做得比較多，也比較完善，但是在一些面向?qū)嶋H應(yīng)用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，卻有著一定的缺陷與不足[7]。比如：在設(shè)計(jì)路由與鏈路時(shí)候，主要研究點(diǎn)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(dǎo)致不能準(zhǔn)確及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;比如信道的使用、利用上，一些算法的冗余度較大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(shù)，但是在這個(gè)算法設(shè)計(jì)時(shí)候卻主要面對的單路徑，如果變向多路徑設(shè)置就會出現(xiàn)問題[8]。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍非常廣泛，從軍事領(lǐng)域到民用領(lǐng)域都可以看見其身影，從一般的家庭數(shù)據(jù)通信、醫(yī)療等，到面向公共場所的銀行、校園、醫(yī)院等，從小區(qū)的監(jiān)控、安防到森林的防火、防偷獵等，他的應(yīng)用非常廣泛，隨著各種技術(shù)的成熟，相信無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用范圍將會越來越廣泛。在對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的分析與研究中我們發(fā)現(xiàn)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的信道分配非常重要，這是由于802.11標(biāo)準(zhǔn)中只提供了有限的12條正交信道給無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，需要在有限的正交信道中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以需要對其信道分配進(jìn)行進(jìn)一步研究[9]。

2 鏈接集合設(shè)計(jì)

2.1 鏈接幾何負(fù)載不平衡分析

鏈接集合設(shè)計(jì)主要是先計(jì)算每個(gè)MAP指派鏈結(jié)時(shí)的優(yōu)先級，這個(gè)主要是用來避免負(fù)載較重的MAP沒有優(yōu)先指派導(dǎo)致最后指派到負(fù)載流量較大的鏈結(jié)集合中，使得無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲忻總€(gè)鏈結(jié)集合呈現(xiàn)負(fù)載不平衡現(xiàn)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(gè)MAP在鏈接集合并程序中的指派的優(yōu)先級，其中Aggregate_traffic（node）代表每個(gè)MAP所匯集的網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載流量大小，Link_num 代表每個(gè)MAP的鏈結(jié)數(shù)量，hop_num代表每個(gè)MAP的距離集中式服務(wù)器（Gateway）的hop數(shù)，Radio_nom表示每個(gè)MAP上的通訊接口數(shù)量，此優(yōu)先級是為了讓網(wǎng)絡(luò)匯集流量較大或是鏈結(jié)數(shù)目較多的MAP能優(yōu)先指派，當(dāng)鏈接指派的過程中，MAP指派的優(yōu)先級不同，結(jié)果所產(chǎn)生的鏈結(jié)集合也會有算不同，透過優(yōu)先級的計(jì)算使得越靠近集中式服務(wù)器的MAP或是流量較大MAP能優(yōu)先指派，避免負(fù)載較重的MAP最后指派到負(fù)載流量較大的鏈結(jié)集合中，導(dǎo)致整體鏈結(jié)集合的負(fù)載不平均的問題產(chǎn)生。

2.2 沖突感知設(shè)計(jì)

本文在設(shè)計(jì)算法及模擬仿真時(shí)候，非常重要的一個(gè)特點(diǎn)就是需找出其發(fā)生重疊、沖突區(qū)域，所以項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了沖突感知分析。首先我們設(shè)計(jì)一個(gè)范例，如圖有9個(gè)存取點(diǎn)（MAP）、12條鏈接，每個(gè)無線存取點(diǎn)上設(shè)計(jì)兩個(gè)通訊接口，并且由鏈接程序合并產(chǎn)生6個(gè)鏈接，此鏈接集合為1-6。而此程序?qū)⒎治雒總€(gè)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(jié)點(diǎn)傳輸距離的函數(shù)，在此范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)流量分別為流量17和流量19，因此拓?fù)渲信c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(jié)集合4，如下圖1、2鏈接集合沖突圖。

3 總結(jié)

隨著無線通信設(shè)備應(yīng)用逐漸廣泛，使得無線頻譜逐漸成為一個(gè)有限的資源，導(dǎo)致頻譜之間干擾噪聲的問題成為降低網(wǎng)絡(luò)效能的主要原因之一。然而，在無線網(wǎng)絡(luò)傳遞封包的過程中，除了容易遭受無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾影響，導(dǎo)致封包碰撞產(chǎn)生封包遺失的問題之外，同時(shí)也會因頻道與頻道之間因重疊導(dǎo)致頻率發(fā)生互相干擾影響，如此容易造成無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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(yù)先分析目前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母蓴_狀態(tài)，并且依干擾狀態(tài)能選擇較適當(dāng)?shù)念l道，使得網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的干擾為最小化且效能為優(yōu)化，除此之外，還可以加入路由協(xié)議的考慮因素，讓不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境會因路由協(xié)議的不同會對網(wǎng)絡(luò)有不同的影響，若使用不適用的路由協(xié)議，則會造成網(wǎng)絡(luò)效能明顯的降低，反之，若使用合適的路由協(xié)議，則能更有效地利用頻譜資源，以提升網(wǎng)絡(luò)效能。

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