無線傳感網(wǎng)絡(luò)多重重疊頻道配置研究

顧大剛 黃偉

摘要：無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有可快速組建網(wǎng)絡(luò)及減少組建成本的優(yōu)點，已成為現(xiàn)今重要技術(shù)之一。由于無線通信設(shè)備的大量設(shè)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(chǎn)生干擾，并使網(wǎng)絡(luò)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(shù)并分析網(wǎng)絡(luò)干擾程度以進(jìn)行頻道配置，更能有效利用頻道同時降低干擾問題的產(chǎn)生。該文即在多頻無線網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)干擾程度，避免網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用相同頻道導(dǎo)致同頻干擾并減少節(jié)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(guān)鍵詞：無線傳感;重疊頻道;配置

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）26-0048-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 概述

為滿足人類對生活不斷進(jìn)步的追求，作為城市的社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)信息化設(shè)施，無線城市建設(shè)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(yè)”。近幾年來，隨著無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到企業(yè)，學(xué)校，醫(yī)院，機(jī)場等眾多公共場所中，為這些區(qū)域內(nèi)的用戶提供了極大的方便和自由。目前無線通信業(yè)務(wù)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?yōu)榱颂岣哳l譜利用效率，運用各種先進(jìn)的無線通信理論及技術(shù)做出了各種努力，卻發(fā)現(xiàn)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(yán)重。為了盡可能更加高效地利用無線頻譜資源，解決當(dāng)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(xiàn)有的無線頻譜資源。而近年來認(rèn)知無線電技術(shù)的提出，就是為了緩解現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)的一個非常重要的資源之一。他直接影響著網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。合理的分配和使用無線信道是解決無線網(wǎng)絡(luò)問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來，無線通信已滲透到人們生活的各個領(lǐng)域，越來越多的人加入無線通信的用戶群體中，并且，人數(shù)和使用頻率在迅速增長者，由此產(chǎn)生的巨大的網(wǎng)絡(luò)需求，極大考驗著無線通信網(wǎng)絡(luò)的承載能力。同時，人們對于網(wǎng)絡(luò)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(shù)的增多，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)擁塞與信道傳輸?shù)母蓴_問題等，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也會受到極大的影響。同時，802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)和 802.11a標(biāo)準(zhǔn)分別提供3個和12個正交信道，使得我們可以將研究技術(shù)擴(kuò)展到多網(wǎng)卡多信道的領(lǐng)域，這樣網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點便可以使用多信道傳輸，相鄰的節(jié)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(wǎng)絡(luò)的吞吐量，提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。

1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)大致可分為基礎(chǔ)架構(gòu)模式（Infrastructure Mode）和不具備無線基地臺（Access Point， AP）的隨機(jī)式架構(gòu)模式（Ad Hoc Mode），基礎(chǔ)架構(gòu)模式下的通訊用戶必須在AP的通訊范圍內(nèi)，才可以與AP建立聯(lián)機(jī)并取得網(wǎng)絡(luò);隨機(jī)式架構(gòu)模式是一種點對點的傳輸模式，在此無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可以讓單一設(shè)備或工作站直接進(jìn)行點對點溝通。由隨機(jī)式架構(gòu)模式衍生的布點模式（Mobile Ad Hoc Network， MANET），是一種完全經(jīng)由無線鏈結(jié)（Wireless Link）的行動節(jié)點所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，通常具有動態(tài)拓?fù)湫纬杉坝邢迬挼忍匦?，以及由基礎(chǔ)架構(gòu)模式和隨機(jī)式架構(gòu)模式衍生出無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Network， WMN）的研究，由于無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能夠快速的部署骨干網(wǎng)絡(luò)以提升覆蓋范圍，此特性使得無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)成為無線網(wǎng)絡(luò)研究的焦點，并且運用多重頻道網(wǎng)絡(luò)（Multi-Radio Multi- Channel）來提升整體網(wǎng)絡(luò)效能。

2 多重重疊頻道配置構(gòu)架設(shè)計

多重重疊頻道配置構(gòu)架設(shè)計：MPOC（Multiple Partially Overlapping Channels， MPOC）系統(tǒng)架構(gòu)下圖1所示，屬于集中式頻道配置，在多頻無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)信息將會透過 MAP 轉(zhuǎn)送到集中式服務(wù)器，由集中式服務(wù)器來分析網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量及計算干擾關(guān)系并進(jìn)行頻道配置，在先前的研究大多是針對每個鏈結(jié)或是針對無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點的頻道配置。

本論文設(shè)計的MPOC架構(gòu)則是針對鏈結(jié)集合來配置頻道，因此在頻道配置前必須先將多頻無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的鏈結(jié)進(jìn)行合并并且對應(yīng)到MAP的前接口上，并建立沖突圖來判斷每個鏈結(jié)集合干擾范圍內(nèi)的鏈結(jié)集合，大多數(shù)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(jié)集合的干擾范圍內(nèi)不會配置到相同的頻道上，導(dǎo)致同頻干擾的產(chǎn)生，最后將多個部分重疊頻道配置到每個鏈結(jié)集合。

MPOC頻道配置選擇重疊干擾最小的多個重疊頻道進(jìn)行頻道配置，透過鏈結(jié)合并使得流量較大的鏈接選擇負(fù)載較輕的通訊接口使通訊接口負(fù)載能達(dá)到平衡，同時也使得每個鏈結(jié)集合的流量負(fù)載不會差異太大，并由沖突圖的分析得知每個鏈結(jié)集合干擾與未干擾的鏈結(jié)集合狀態(tài)，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(chǎn)生，最后將多部份重疊頻道，依照每個鏈結(jié)集合的干擾嚴(yán)重性來讓鏈接集合優(yōu)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(shù)量，同時也提升無線網(wǎng)絡(luò)的整體效能。

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(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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