集中式无线Mesh网络信道分配策略研究

协议模型进行 的。此外 ， 由于政府规定 的可用频带和节点配置 的无 线接 口数 的 限制 ， 设计 Ｃ Ａ时 能用 的信道 和无 线接 口有
限， 无法真正消除干扰 （ 虽然可 以通过 配备频率 过滤器对 干扰 进行过滤 以减少 干扰 ） 加上 节点 部署 时的几 何距 离等 因 ，
ＭＣ ， Ｇ） 其关 系如 图 ２所示 （ 中的数字 表示 信道 编号 ， 其 节点／ 顶点间的连线表示 两者在彼此 的通信范围内 ， 或两者间存在干
ａ 信道干扰 与吞 吐量 。无 线 网络 中 ， 间与 流 内链 路 的 ） 流
链路调度 、 由机制 等） 然有 待进 一步 研究 ， 中必须 解 决 路 仍 其
的一个 Ｎ Ｐ难 问题——信道分配 （ Ａ） Ｃ 问题 已经成为 了 ＭＲ ＭＣ — 无线 Ｍ ｓ ｅｈ网络研究 的一个 新 的热点 。若能 有效 地解 决该 问 题， 将更好地为每个节点的无线接 口合理有效地分配可用的无
无线 Ｍｅｈ网络 （ ｓ ＷＭＮ ） ｓ 因其低成本 、 易维护 和可靠 的服 务覆盖等特点而成为了近年来 的研究 热点 。由于流 问干扰 和流内干扰的存 在 ， 使得 传统 的单 射 频单 信道 的 多跳 ＷＭＮ ｓ
的节点容 量随着 网络规模 的增大 而急剧下 降 ， 严重影响 了网络
的性能 －１而单 射频 多信道的方案 又因其需 要将无线 接 口在 ４；
ｃ ｕ ｉ ｇ ｍｅｈ ｄ ａ ｅ ｎ ｇ ａ ｈ，ｎ ｔ ｒ ｏ ｎ ｅｗｏｋ ｐ ｔｔ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒｉｔｏ ｕ ｅ ａ ａｙ ｅ ｎ ｉｃ ｓ ｅ ｈ ｌ ｄ ｎ ｔ ｏ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｒ ｐ ｅｗｏｋ ｆ ｗ ａ ｄ ｎ ｔ ｒ ａｉ ｏ ｈ ｏ ｅ ． ｈ ｓ ａ ｅ ｒｄ ｃ ｄ， ｎ ｌｚ ｄ ａ ｄ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｔ ｅ ｌ ｉ ｉ ｎ
扰） 。其 中， Ｄ Ｕ Ｇ是一种被广泛地用来 描述基于协议模 型的无 线 网络的无向图 ， 只关心两节 点间 的几 何距 离 ， 它 只要两 节点
素， 都导致 Ｃ Ａ问题 是一个极具挑 战性 的 Ｎ Ｐ难 问题 。 ｂ 数据路 由与公平性 。由于 网络节点具 有一个或 多个无 ） 线接 口和信道 ， 对它们的选择将 改变 网络的拓扑 ， 并影 响数据
在 以图论为基 础 的 Ｃ Ａ设 计 中， ． Ｎ 通 常 被建 ＭＲ ＭＣ ＷＭ ｓ 模成具有不 同顶点集 和边集 Ｅ的 图 Ｇ Ｖ Ｅ） Ｃ （ ， ， Ａ问题则 可 归结为对 图中的 或 Ｅ进 行信道分配 。 目前在 Ｃ Ａ设 计 中用 到的图主要有 （ 其命 名在不 同的文献 中可 能不 同） Ｕ Ｇ（ ｎｔ ：Ｄ ｕｉ ｄ ｋｇａｈ 、 ｉ ｒｐ ） 网络 拓扑 （ ｅ ｏｋｔ ｏ ｇ ， Ｔ 图、 ｓ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｙ Ｎ ） 冲突 图 （ ｏ． ｗ ｐｏ ｃｎ ｌ ｔｒ ｈ Ｃ 和 ｆｃ ｇ ｐ ， Ｇ） 多 接 口冲 突 图 （ ｕｔｒｄ ｏｆｃ ｇａｈ ｉ ａ ｍ ｌ． ｉ ｃｎｌｔ ｒｐ ， ｉａ ｏ ｉ
ｎｅｉ Ｈ ｎ ｎＵ ｉｒｉ ｃ ｎｅ＆ Ｔｃｎｌ ｙ Ｘａ ｇａ ｕａ １２ １ Ｃ ｉａ ｅｒ ｇ， ｕ ａ ｎ ｅ ｔ ｏ ｉ ｃ ｎ ｖ ｓｙ ｆＳ ｅ ｅｈ ｏ ｇ ， ｉｎ ｔｎＨ ｎ ｎ４ １０ ， ｈｎ ） ｏ Ａｂ ｔａ ｔ Ａｉ ｄｔ ｅ ｌｙ ｎ ｆ ｒｌｓ ｓ ｅｗ ｒ ｓ ｔ ｏ ｒｂｅ ｅｉｎｏ ｓｒ ｃ ： ｍｅ ｏｄ ｐｏ ｍｅ ｔ ｅｅ ｓＭｅｈｎ ｔ ｏｋ ｈ ｓｍｅｐｏ ｌｍｓｉ ｄ ｓ ｆ ｏ ｗｉ ｗｉ ｎ ｇ ＣＡ， ｅｅｗ ｒ ｈｅ ａｅｏｉｓｉ－ ｔ ｒ ｅｅｔｒｅｃ ｔｇ ｒｅ ｎ ｈ
基 于图论 、 于 网络 流理论 和基 于网络分 区的 三种 类型 ， 基 并对 上述各 类方 法的现 状和进展 进行 了介绍 、 分析 和探
讨。 最后 对 集 中式信 道分 配策略 的研 究进行 了总结和展 望 。 关键词 ：多信 道 ；无 线 Ｍｅｈ网络 ；集 中式信 道分 配 ；信 道干扰 ｓ 中图 分类 号 ：Ｔ ３ ３ Ｐ９ 文献 标志 码 ：Ａ 文章编 号 ：１０ —６ ５ ２ １ ） ８ ２ ２ —５ ０ １ ３ ９ （ ０ ２ ０ —８ １ ０
８２１ ０ ．１更多可用的无重叠信 道数 ～ ｌ 。ＷＭＮ Ｏ ３ ｓ网络 中的节 点
对 网络的稳定性 、 连通性影 响等诸 多 因素 ， 比如 较少 的信 道干 扰虽然可 以增加 网络 的吞吐量 ， 同时也可能导致 网络的低连 但
通性 ， 降低 网络 的容错能力 ， 而影 响了网络的稳定性 。因此 ， 从
在设计 具体的 Ｃ Ａ策略时 ， 需要针对应 用的具体要求来平 衡相
互影响的多个 因素 ， 寻求使 网络 系统 到达 最佳 状态 的折 中方 案。具 体而言 ，Ａ策略的设计 需要 考虑以下几个关键 问题 ： Ｃ
均可 通过多个 传输／ 收硬件接 口同时进行数据 的收发行为 ， 接
在极大地减少 了链路 层延 迟 的同时 ， 得 了较高 的 网络吞 吐 获 量 。与此 同时 ， 一些普遍存在 的 问题 （ 节点部署 、 道分配 、 如 信
Ｆ ｉ ，Ｃ Ｅ ｈ— ｎ ＩＮ ｕ —ｉ Ｕ Ｑ Ｈ Ｎ Ｚ ｉ ａ ｇ ，Ｊ Ｇ Ｙ ｎｘ ｇ Ａ ａ
（ ．ｎｔｕ ｎ ｒ ｔｎＳｉ ｃ １Ｉｓｔｔｏ ｆ ｍａｉ ｃ ｎｅ＆Ｅ ｇｎｅｎ ，Ｃｎｒｌ ｏｔ ｎ ｅ ｉ Ｃ ａ ｇｈ １０ ３ Ｃ ｉａ ． ｃｏｌ Ｃｍ ｕｅ ｃ ｎｅ Ｅ ｇ－ ｉ ｅ ｆＩ ｏ ｏ ｅ ｎ ｉｅｒ ｇ ｅｔ ｕｈＵ ｉ ｒｔ ｈ ｎ ｓａ４ ０ ８ ， ｈｎ ；２ Ｓｈｏ ｏ ｐ ｔ Ｓｉ ｃ ＆ ｎｉ ｉ ａＳ ｖ ｓｙ， ｆ ｏ ｒ ｅ
蒋云霞（９ ５ ） 女 ， １７ － ， 湖南衡阳人 ， 副教授 ， 硕士 ， 主要研究方向为计算机 网络通信 ．
・
２２ ８ ２・
计 算 机 应 用 研 究
２ １ 基于 图论的分配策略 ．
第２ ９卷
线接 口拥有一个传输半径和干扰半径（ 通常是传输半 径的 ２～
３ ， 当两节点在彼此 的传输半径之 内 ， 倍） 只有 且不在其他正 在
信道间频繁地切换 ， 以充分利用多信道方案的优势而导致 了毫 秒级的切换延时 ， 且不能保证 良好 的 网络 连通性 ， 无法 对 网
图 １ ＭＲＭＣ无 线 Ｍｅｈ网 络 体 系结 构 ｓ
络传 输所需的容错 和节 点同步功能提 供很好 的支持 ， 因而 同样
也不 适应 ＷＭ ｓ 展需求 。因此 ， Ｎ 发 目前几 乎所 有 的 ＷＭＮ ｓ网
信号干扰是导致 网络吞 吐量下降的最主要 因素 ， 了使 Ｃ 为 Ａ策
略能 自适应 网络 流量 的动态变 化 ，Ａ 的设 计必须对 不 同流 量 Ｃ
的链路加以区分 ， 流量较大 的链路可 以考虑分配更多的无重叠
信道以减少干扰 ， 提高吞吐量 。 目前有两种干扰模型被广泛用 于Ｃ Ａ设计 ， 即协议 模型 和物理模 型 。在协议 模 型中 ， 每个 无
１ Ｃ 策 略设计 相关 问题 Ａ
在Ｃ Ａ策略 的设计 中 ， 需要综合考 虑信 道干扰与网络吞吐
量、 网络延 时之 间的关 系、 数据路 由与公 平性用 了多射频 多信 道 的体 系结构 ’ 如 图 １所示 ， ， 使得 节点的多个无线接 口可 以同时工作在 无重叠 的多个信 道
进行数据传输 的节点的干扰半径之内时 ， 两者之间的数据传输 才会成功 ； 而在物理模 型中 ， 只有 当接 收者收到 的传输信 号的 ＳＮ Ｉ Ｒ值 大于某个 阙值 时 ， 数据传输 才算 是成 功的 ， 其干扰 和噪 声信号 的能量 由其他无线传输 信号和 环境噪声 的相关能量 组
成 。由于物理模型 相对 复杂 ， 目前 的大多数 Ｃ Ａ研 究都 是针对
符
摘
，蒋云霞 琦 ，陈志刚
湖 １２ １ （． １ 中南 大学 信 息科 学与工程 学 院 ， 长沙 ４０ ８ ；２ 湖 南科 技 大 学 计 算机科 学 与工程 学院 ， 南 湘潭 ４ １０ ） １０３ ．
要 ：针 对无线 Ｍｅｈ网的部 署特 点 ， ｓ 对其信 道分 配策略 的设 计难 点进行 了阐述 ， 集 中式信道 分配 策略 分为 将
ｄｉ１ ．９ ９ ｊ ｉ ｎ １０ －６ ５ ２ １ ． ８０ ５ ｏ：０ ３ ６ ／．ｓ ．０ １３ ９ ．０ ２ ０ ．０ ｓ
Ｒｅ ｅ ｒｈ ｏ ｅ ｔａｉｅ ｈ ｎ ｅ ｓｉｎ ｎ ｔａｅ ｉｓｏ ｒ ｌｓ ｅ ｈ ｎ ｔ ｒ ｓ ｓ ａ ｃ ｎ ｃ ｎ ｒｌｚ ｄ ｃ ａ ｎ ｌａ ｓｇ ｍｅ ｔｓｒ ｔｇｅ ｆｗｉｅｅ ｓＭ ｓ ｅｗｏｋ
的路 由 ； 反之 ， 由的选择又会导致链路流量的分配 ， 而影 响 路 从
Ｃ 的选 择 。 因此 ， Ａ 目前 的 Ｃ Ａ研 究 通 常 采 用 了两 种 处 理 方 式 ：
在彼此的传输范围之内 ， 则两者间存在一条边用 于表示两节点 是可 以相互通信的 ； Ｎ 而 Ｔ图除 了要考虑两节 点间是否可 以通
Ｋ ｙｗ ｒ ｓ ｕｔｃａｎ ｌ ｉ ｌ ｓＭ ｓ ｅ ｏｋ ｅｔ ｌ ｅ ｈｎ ｅ ａｓ ｎ ｅ ｔＣ ；ｃ ａｎ ｌｎｅ ｅｅｃ ｅ ｏｄ ：ｍ ｌ—ｈｎ ｅ；ｗｒ ｅ ｅｈｎｔ ｒ ；ｃｎｒ ｉ ｄｃａｎ ｌ ｓｉ ｍ ｎ（ Ａ） ｈｎ ｅ ｉｔ ｆ ｎ ｅ ｉ ｅｓ ｗ ａｚ ｇ ｒｒ
ｓａｕｓａ ｄ ｏ ｅｖ ｅ ｏ ｈ ｓ ａｅ ｏ ｉｓ Ｆｉａ ｌ ｔ ｔ ｎ ｖ ｒ ｉｗ ｆｔ ｅ ｅ ｃ ｔｇ ｒｅ ． ｎ ｌｙ，ｉ ｄｒｗ ｈ ｕｕｒ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄｉｅ ｔｏ ｎ ｄ ａ ｆｐｏｅ ｔａ ｏ ｕ ｉｎ ｏ ｔ ｅ ｔｅ ｆ ｔ ｅｒ ｓ ａｃ ｒ ｃｉｎｓａ ｄ ｉｅ ｓｏ ｔｎ ｉｌｓ ｌ ｔｏ ｓｆ ｒＣＡ．
第２ ９卷 第 ８期
２１ ０ ２年 ８ 月
计 算 机 应 用 研 究
Ａｐ ｌｃ ｔ ｎ Ｒｅ ｅ ｒｈ ｏ ｍｐ ｔ￣ ｐ ｉ ａｉ ｓ ａ ｃ ｆＣｏ ｕ ｅ ｏ
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ８ １２ ． Ａ ｇ ０２ ｕ ．２ １
集 中式 无 线 Ｍｅ ｈ网络 信 道 分 配 策 略研 究 水 ｓ
中 ， ＩＥ ０ ．ｌ 如 Ｅ Ｅ８ ２ １ａ支持 １ 频带 中心 间隔为 ２ ｚ的无 ２个 ０ＭＨ
重叠 的信道 ； Ｅ ０ ．６ Ｉ Ｅ ８２ １ｂ支 持 ３个频 带 中心 间隔为 ２ ｚ Ｅ ５ＭＨ 的无 重叠 的信 道 ；Ｅ Ｅ ８ ２ １ Ｉ Ｅ ０ ． ６则 因为 能灵 活 地 使 用 ２—６ ６ Ｇ ｚ 围中所有许可 和未许 可的信 道频率 ， Ｈ范 而能提供 比 ＩＥ ＥＥ
重叠信道 ， 进一步提升整个 网络的性 能。
收稿 日期 ：２ １－ １０ ；修 回日期 ：２ １ —２ １ ０ ２ ０ —３ ０ ２ ０ ９
基金项目：国家 自然科 学基金 面上项 目（ １７ １６ ６ ０３ ８ ）
作者简 介 ： 琦 （ ９ ５ ， 湖 南 湘 潭 人 ， 教 授 ， 士 研 究 生， Ｃ 会 员 ， 要 研 究 方 向 为 无 线 传 感 器 网 络、 线 Ｍ ｓ 符 １７ 一） 男， 副 博 ＣＦ 主 无 ｅ ｈ 网络（ ｃｉｑ ６ ．ｏ ） 陈志刚 （９４ ） 男， 南益 阳人 ， ｊｋｆ ａ ｅ ＠１ ３ ｃｍ ； １６－ ， 湖 教授 ， 导 ， 士 ， 博 博 主要 研 究方 向 为可 信 计 算、 网络 与 分 布 式计 算、 数据 库 技 术；