关于无线Mesh网络信道分配策略的探讨.docx

关于无线Mesh网络信道安排策略的探讨1引言近年来，无线mesh网络(wire1.essmeshnetwork,wmn)以其特有的优势引起了人们的广泛关注，成为探究的热点1。现有的无线网络协议(如802.11)供应了假设干个互不干扰的信道，即这些信道可以同时在同一个范围内运用而不会造成干扰2。通过在无线mesh网络中应用多信道，可以提高系统吞吐量，改善网络性能。2无线mesh网络多信道mac协议无线mesh网络是一种高容量、高速率和分布式网络。它具有多跳、自组织和自愈合的特点引。传统的多跳无线网络大局部都是由单网卡节点组成的，当前的无线mesh网络，根本上也是接受单信道mac协议,限制了整个网络数据传输速率与网络容量，不能满足人们日益增长的需求。在无线mesh网络中，通过运用多信道mac协议，使不同的节点在不同的信道上同时通信，可以有效的削减碰撞和干扰,从而提高系统的吞吐量。如图1所示，依据不同的硬件平台，多信道mac协议可分为单接口多信道和多接口多信道。单接口多信道协议节点只有一个接口，任一时刻每个网络节点上只能有一个活泼的信道。但不同的节点可以同时工作在不同的信道上，这样就增加了系统容量。如何协调mesh节点在多信道的条件下工作，是多信道单接口mac协议的探究重点。而且节点通信时须要来回切换信道，信道切换产生的时延会导致系统性能下降。此类协议的典型代表是mmac协议和SSCh协议。多接口多信道mac协议每个网络节点配置多个接口，每个接口带有独立的mac层和物理层，可运用不同的频段，节点在这些频段上的通信是完全独立的，可以同时进展。dca(dynamicchanne1.assignment)、mup(mu1.ti-radiounificationprotoca1.)、pcam(primarychanne1.assignmentbasedmac)可归入这种类型4。3信道支配策略本文提出了一种混合信道多信道协议hmcp,它假定网络中每个节点有m个接口(mge;2),但每个节点的接口总数始终少于信道总数。假设节点上有f(1.1.e;f<m)个接口为固定的接口，支配给这些接口的信道也是固定的。节点上固定信道是基于平衡两跳范围内邻节点的固定信道来支配的。其余的信道那么动态的支配给其他mf个接口，这些接口称为可换接口，这些信道间是可以相互切换的。任何节点间的通信都必需在固定信道上进展，因为这样才能保证节点能够监听到消息。假如节点S想要给节点d发送消息，首先节点S会检测它是否与节点d共享一条固定信道。假如是，节点S会在此接口连接的固定信道上发送消息给节点d。假如两个节点不在同一条固定信道上，节点S那么须要通过可换接口切换到节点d的一条固定信道上去，然后再起先通信。当邻节点d有多个固定收发器的时候，我们可以加一些智能算法让节点S检测运用哪个固定信道与节点d通信。hmcp简化了须要提前知道信道切换表再在节点间进展协调的过程。每个节点仅仅须要知道与之通信的节点的固定信道即可。混合信道的支配策略也具有信道动态支配的优点，比方说，任何节点能够在随意时间内访问任何信道。同时，该协议保持了固定信道支配策略的简明性，舍弃了可换信道切换策略的困难性。该信道支配策略的一个主要问题就是增加了播送开销。播送消息须要在节点的全部信道上发送。这样，这个节点四周的全部节点都能收到播送消息。因此，当一个节点要发送一条播送消息时，它会通过固定接口发送一条播送消息的副本到固定信道上。同时，它一个一个发送播送消息的副本到可换接口的各个信道上。这在发送播送消息的时候会带来时延。4信道切换延迟当一个节点的接口数目少于信道数目时，信道为20ms,同时，还限定一个数据包的最大时延。这个策略的微小环节如下。一旦在可换接口上切换到另一个信道时，那么，在这个信道上至少停留chan_min_time（默认设置为20ms）。事实上，无论何时收到一帧数据须要在可换接口上传输时，它会检测该帧是否要在可换接口的当前信道上传输。这时,有两种状况可能发生：（1）假如当前可换接口连接的信道就是要发送该帧的信道，无线网卡干脆发送此帧。这么做的前提是，可换接口上没有其他帧正在等待发送到其他信道上并且发送此帧的时间开销没有超过该信道允许的最大时间（Chan_max_time默认设置为60ms）oChan_max_time为一帧数据在可换接口上的信道队列中等待被发送的最大时间。（2）另一种状况是，假如当前可换接口连接的信道不是要发送该帧的信道，那么，把该帧放到一个缓冲区中，同时启动一个定时器。定时器运行chan_min_time后，可换接口可能切换到发送该帧的信道上，新切换过来的信道就会把缓冲区的这帧数据处理掉。要降低信道切换的时延，可换接口应当花尽可能多的时间在不同信道上发送数据以及尽可能少的空闲时间和信道切换时间。为了降低信道切换的时延，本文约定可换接口上信道间切换最小时间间隔为Cha1.min1.ime。这么做是盼望在信道上能够发送更多的数据，但是系统负载会增加。对于一个系统来说，假如一条信道上很轻的负载而其他信道上很重的负载，这是不合时宜的。4.2信道切换延迟对来回时间的影响信道切换延迟影响着两节点之间路径的来回时间，来回时间用rtt表示。由于建立的mesh网络节点分布密度相当高，节点之间的传播时间可以忽视不计。不同路径的山由这条路径上不同节点间处理和传输数据包的时间确定，而不是由传播时延确定。多跳路径的rtt用ping叮嘱来测量,ping叮嘱功能是发送icmpech。数据包5。本文将基于hmcp多跳路径的rtt与单信道下多跳路径的rtt进展比拟。由于单信道中没有信道切换，比拟这两种状况有助于理解信道切换延迟对多跳路径的rtt影响。单信道网络中，不同路径的Ht差距只有数毫秒。而在hmcp试验中，信道切换延迟确定了路径的rtt。首先，在源节点和目的节点间建立一条正向和反向的单一路径，即从目的节点到源节点的反向路径与正向路径中的节点是一样的，只是节点依次为逆序。在这种状况下，无论何时路径中信道变更，每个中间节点的信道切换延迟确定了rtto在混合多信道协议中，信道变更意味着路径上的连续节点监听着不同的固定信道。对于这种路径，中间节点在不同信道上（固定信道在下一跳）传送数据到目的节点并且在不同信道上（固定信道在前一跳）回传给源节点。由于每个节点上只有一个可换信道接口，因此，多跳信道转换中,每个中间节点在传送数据到目的节点和回传给源节点的过程中不得不切换信道。正如前面所提到的，可换接口每切换一次信道时，在信道上停留的时间至少为Chan_min_time（目前设置为20ms）。当可换接口上的其他信道接收到数据帧时，chan_min_time定时器起先计时。因此，多跳路径的rtt每增加一跳，rtt要增加Chan因为中间节点要发送数据到目的节点，可换接口须要连接到下一跳的接收信道，在这之前要等待ChaQminIime。之后中间节点要回传数据到源节点，须要切换信道到前一跳的接收信道上，这也要等待chan_min_timeo因此，每跳rtt都要增加Chan_min_time*2（=40ms）的延迟。表1显示的是单信道和多信道下的力。在hmcp试验中多跳路径的最小rtt也符合前面探讨的结论。平均rttasymp;chan_min_time*2（number_of_hops-1.）,这里number_of_hops>1.o在hmcp试验中，多跳路径的最大rtt值稍稍偏高，主要是在网络中播送he1.1.o信息的缘由。每个节点播送一条he1.1.o消息,这条he1.1.o信息包含了它的固定信道和邻节点信息。这些信息每he1.1.o_time_interva1.(默认设置为5s)发送一次。因此,每5s每个节点都会播送一条信息出去。在hmcp中，全部信道都会发送播送信息。目前，每个节点运用5个信道，固定接口发送数据包到固定信道上，可换接口发送数据包到其他四个信道上。每he1.1.o_time_interva1.节点须要在可换接口上切换3个信道播送he1.1.o数据包。因此，假如一个数据包在某个信道上要被转发，此时此信道正在发送播送消息,那么这个数据包可能要等3个信道切换完后才被发送。因此，在某个节点上，假如数据包排列在播送信息后发送，数据包可能会有3*20=6OmS的延迟。最大rtt之所以偏高的缘由就在此。由于在一条路径的不同节点上播送he1.1.o消息，icmpecho或者icmpechorep1.y可能会延迟。Ping数据包每分钟发送一次，而he1.1.o消息每5分钟发送一次。因此，平均每5个Ping数据包被he1.1.o消息影响一次。其他4个ping数据包的rttasymp;Chan_min_time*2*(number_of_hops1.),这里number_of_hops>1.o而多跳路径的最小rtt比理论值稍稍低点。这也是由于受he1.1.o消息机制的影响。虽然路径中的节点在可换接口上通过切换信道来播送he1.1.o消息，但是可能有这样一种状况发生：可换接口播送he1.1.。消息最终切换到的信道正好是发送数据包下一跳的固定信道。在这种状况下，当节点在he1.1.o消息发送完后收到icmpech。数据包，该节点不须要切换信道来发送icmpecho数据包到下一跳节点。5结论虽然多信道无线mesh网络相对于单信道网络来说，系统吞吐量以及网络性能都会有很大的提高。但是多信道无线mesh网络中节点上的接口须要常见的切换信道，这给系统带来了必需的开销。本文提出了信道支配策略以及探讨了信道切换延迟对双接口多信道无线mesh网络性能的影响。首先，本文给出了信道支配和降低信道切换延迟的策略，接着，试验仿真了信道切换延迟对来回时间的影响，本文将数据流在hmcp网络与单信道网络中传输的rtt进展比拟。试验仿真结果说明，信道切换延迟确定了数据流的来回时间，其中播送消息对来回时间也会有必需的影响。