无线网状网中的防干扰频道分配
Krishna N. Ramachandran, Elizabeth M. Belding,
Kevin C. Almeroth, Milind M. Buddhikot
摘要
通过安装无线网路由器使多频信号变为无同频信号来达到缓和无线网状网中的容量问题。然而,频道分配变为了挑战因为无线网多了会导致同频干扰。其结果相反会增加干扰影响性能。本文就多信道无线网状网络的干扰问题通过防干扰频道分配的方法提出了解决办法和
方案
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。该解决方案通过合理的分配无线频道最大程度地减小了无线网之间的干扰。该方案利用了新的干扰估计技术手段并且付诸实施于无线中的每个路由器。通过冲突图模型及多信道冲突图的拓展来构造路由器之间的干扰模型。我们通过IEEE802.11
协议
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实验平台来验证方案的可行性。我们同时
报告
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了大量实验模拟仿真的效果。在多频取样上,我们解决方案对比于静态频道分配增加了百分之四十的取样。
第一章.引言
典型的静态多跳无线网络,又称无线网状网络,其部署的路由器仅利用了IEEE802.11协议无线电广播。IEEE802.11无线广播是典型的单频道广播。因此,由于无线网的半双工特性,单信道网状无线网络通信的容量受到严重地衰减。
幸运的是,IEEE802.11物理层协议允许多个不重复频段的频道同时运行工作。例如, 2.4兆赫兹带宽的频带内的3个不重复频段的频道能够同时工作。IEEE802.11a协议最高允许5.0兆赫兹带宽的频带内划分为12个不重复频段的频道。通过在无线网中布置频率路由器和为不重复频道分配无线接收机来划分设置不同频段的频道,这些路由器可以同时工作并且彼此之间的干扰能够最小化。从而,能够提升无线网状网的能力。
通过多个无线接收机对应多个路由器的策略,使得无线电接收机的数量与正交频道的数量相等。由于数量众多的不同频段的频道,这个策略经济上代价过高。而且,生产路由器的小型嵌入式系统仅仅能够提供数量有限的无线电接收机。因此,在一个无线网状路由器上划分所有的不重复频段的频道仍然是不可行的。
这样,为每个无线网状路由器划分频道的问题变成了按无线电接收机划分频道的问题。简单的技术是用静态频道划分法。然而,静态划分对于基于IEEE802.11b
标准
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的无线局域网会产生爆炸性的结果,可能导致网状网频道被重复划分。
本文提及了频道划分的问题以及特别研究了无线网状网频道的动态划分。我们主要阐述了抗干扰频道划分算法和以及划分频道的方案,旨在改进无线网状网的容量来更有效的利用不重复频段的频道。这个算法合理地为网状无线电接收机选择频道从而把无线网状网中的干扰以及不同无线网状之间的干扰降低到最小。每个网状路由器利用新的干扰估计技术来检测邻近无线网产生的干扰的等级。这个算法是对冲突图模型和多频冲突图模型的拓展,从而构造无线网状网中的多频路由器间干扰的模型。多频冲突图被用来和频道分配的干扰估计相结合从而为无线电接收机分配频道。
一个潜在的问题是动态频道分配会导致网络拓扑结构的改变。拓扑结构的改变会导致次佳路由选择以及由于节点错误所引起的网络分隔。推荐的解决办法是授权每个网状路由器的无线电接收机在一个默认频道上工作。另外一个潜在的问题是当网状无线电接收机被重新配置不同频率时,频道分配会导致流干扰。为了防止流干扰,每个网状路由器间必须定向连接。这项技术重新定向直到频道分配成功。
我们通过网路模拟器来仿真实验我们拟定解决方案的可行性。我们利用链路状态路由优化方法和加权累积预期传输来进行路由选择。我们通过多信道IEEE802.11b协议平台来验证解决方案的可行性。
(一)研究贡献
就我们掌握的知识,我们首先解决了受干扰的多重无线网中网状无线网的频道的静态分配。拟定解决方案的首要目标是使用当前可用的无线电设备来实现。我们的工作与几个推荐的解决方案不同之处在于需要专业的不可用的无线电设备或者网络知识。
特别地,本文的贡献有如下几点:
·通过静态,防干扰的频道分配算法将无线网状网和多重无线网间的干扰最小化。
·利用多信道冲突图,冲突图模型的拓展来构造无线网状网中多频路由器间的干扰模型。
·新的干扰估计计划,用路由器来估计他们邻近区域的干扰等级。
·定向连接方案防止了频道分配时的流破坏。
·对于不同的干扰等级,通过标准根据经验主义测量方法来实验研究展现改进手段。
(二).本文概述
本文剩余章节组织如下:第二章讨论了频道分配对网络结构的影响。第三章我们明确表述了频道分配问题。第四章描述了我们的干扰估计技术和多频冲突图模型。第五章详细讲述了频道分配算法。
第二章.频道分配和网络拓扑结构
在多频网状网络中,无线电接收机的频道分配能改变网络拓扑结构。图1(a)是四节点拓扑结构,节点C配有3无线电接收机,其余三个节点每个各有一个。每个连接线上标有其频道数量。图1(a)说明了所有无线电接收机都调成一个频道时的拓扑结构。图1(b)说明乐频道分配后的网络拓扑结构的变化。
网络拓扑结构的变化有三个主要的缺点。首先,随之产生的节点错误很可能引起网络被隔断。结果,网络的部分不能通信,导致流破坏(通信中断)。这个现象在图1(c)中可以看到。当节点连接错误时,这四个节点的网络被隔离成三个不多的部分。这个网络的重新连接需要复杂的同步同时性计划付诸于每个网状路由器。
图1
其次,拓扑结构的改变能够导致两个节点间次佳的路由选择,
基于度量标准方面,如吞吐率,延迟,可靠性。再次通过图1来说明怎样发生这种情况。节点A能通过一条路径直接和节点B通信。频道分配后,A点和B点只有通过二次路径(经过C)才能相互通信,如图1(b)。高跳数的路径选择不是我们所期望的有以下三个原因:(1)更长的,频率多样化的路径相对于短路径经常会发生通信错误。(2)通信流量路径的路径数越多其干扰自然越厉害。(3)更长的路径更有可能发生通信失败。需要注释的是,我们不能够肯定更长的路径会比短路径差,那是因为路径的选择肯定会遇到很多因素如交通路线,节点分布,无线电特性和地理环境等。因此,我们在这里强调:很难在实践中精确地预测频道分配的变化和网络拓扑结构变化能否产生适宜的结果。
第三个网络拓扑结构变化的缺点是:可能影响当前的信息流。例如,让我们假设图1(b)的CD连线被分配一个新的频道。这个频道分配必须精确地协调;另外,当线路上一个无线电接收机变换到这个新的频率而第二个无线电接收机由于控制信息的丢失和延迟没有变换到这个频率时,会发生错误。因此,当频道分配的时候由节点D到网络其余部分的信息流会在变换频率时被损坏。在实际中克服这些状况很难,因为无线电接收机的配置需要在频道分配期间网状路由器之间同时合作。
因为这些由于网络拓扑结构变化产生的缺陷,我们提倡不改变网络拓扑结构。我们授权将所有网状网中的路由器将他们的无线电接收器的其中一个指定为无线电接入口。这个指定的无线电接收器有着同样地物理层技术,是符合802.11a协议或者802.11b或者802.11g,通过网状网调整为一个普通的频道。这个指定的频道兼顾控制通信及数据通信。
这个策略有几个好处。首先,它防止了网络拓扑结构的变化因为所有路由器可以通过这个指定的无线电接收入口彼此连接和断开。其次,它克服节点的失效变得简单了由于一个路由器能绕过一个失效的节点选择不同的路径通信。另外,目前路由协议除了频率划分外有别的选择权,如果它比从频率特性划分上有更好地效果。除此之外还有一个优势,信息流通过这个指定的无线电接收机可以重新传送直到频道分配完成,这样,就能防止频道分配时的信息流损坏。
第三章.问题陈述
我们在本文中提及的频道分配算法是为无线网状网设计的。该网络中的路由器是固定的。然而,用户设备,如笔记本电脑,掌上电脑是移动的。诸如此类和路由器相连接的设备也同样起着作为无线接入点的功能。
图2多信道无线网状网络结构
图2说明我们的多信道网状网络的模型。在我们的模型中,网状路由器被假象配有多个IEEE802.11协议的接收机,如802.11a或者802.11b或者802.11g。这些路由器不需要配有同样数量的无线接收机而且不要所有三种类型的接收机。考虑到每个网状网络的接收机的数量,我们把路由器分为两类:(1)多信道网状路由器。(2)单信道网状路由器。我们授权每个网络中的多信道网状路由器及单信道网状路由器配有一台无线接收机,称为默认接收机,它们都有相同的物理层,如802.11b,并且都被调整为相同的频道,如第二章中所详述的。
网络中至少有一个路由器被指定为网关。这些网关与外网是可连接的。为了把频道分配解释的简单明白,我们假设只存在一个网关。无线接入点提供了用户设备和路由器的可连接性。多数网状网络通信是从用户端到网关之间的通信,或者从网关到用户端。这种通信方式是无线网状网中典型部署。由于这种通信方式是与网关斜交的,由信息流的路径可能会形成一个树状结构,其中网关是树的根,用户设备是叶子。信息流会在网关邻近的路由器上聚集。因此,为了改进整个网络的通信能力,最好在网关附近布置多信道网状路由器从而提升网状网络的区域的利用率。为了改善网络的性能,减少仪器的开支以及符合逻辑的约束,周密的网络布置很重要。
图中点划线的地方代表了多信道网状路由器间调整为无重叠频道的部分。在我们的例子中,使用了五个这样的频道。第六个频道用实线标注,是默认频道。与网关位置重叠的频道分配服务器,起着给接收机分配频道的作用。
在分配频道时,频道分配服务器必须达到如下目标:
·使网状路由器间的干扰最小化:实现需要三个次目标。首先,频道分配服务器必须满足两个路由器间存在一条线路的约束,这两个路由器上的终端接收机必须被分配给一个普通频道。其次,直接通信范围的线路必须被调整为不重叠频道。另外,由于无线网状网中的树状通信图,频道分配的优先权应该首先给从网关起始的路线然后给网络边缘的路线。
·使无线网状网之间的干扰最小化:为了达到这个目标,频道分配路由器必须定期检测网状网络重叠造成的干扰的数量。干扰等级由独立的网状路由器检测。为了使频道受到来自外部接收机的干扰程度最小,频道分配路由器必须重置频道。
陈述了信道分配算法的目标后,我们接下来阐述干扰估计的细节及描述干扰建模技术。
第四章.干扰分析及建模
本章节陈述了干扰分析的步骤。补充的细节部分在第五章中。本章也介绍多信道冲突图模型。
(一).干扰分析
干扰分析的目的是定期的检测每个网状路由器环境下干扰等级。然而,精确的测量方法是个挑战需要昂贵的硬件开支。
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