(2) 动态信道分配方式
动态信道分配方式适应于网络负载变化大的情况。该方式仍然允许任何接口被分配到任意的信道上,但是和固定分配方式不同的是,在初始化分配后,动态信道分配方式仍然允许接口从一个信道切换到另一个信道。因此,在动态信道分配中,需要有一个协调机制,以保证需要互相通信的节点能够处于一个共同的信道。
一种典型的协调机制是,所有的节点周期性的访问一个预先制定的信道,在这个信道上协商下一个周期的信道使用。分时隙种子化频道跳变(SSCH)[10]提出了另一种机制,在该机制下,每个节点依照一个伪随机序列同步的切换信道,以保证所有的邻居能够周期性的拥有相同的信道。采用控制信道方式也是常见的一种协调机制。这种方式下,一个接口被固定分配到一个公共信道上,用于信道控制;其他的接口可以在剩余的信道上切换,用于数据交换。文献[11]中提出根据负载变化动态分配信道,以提高网络总吞吐量,并获得较好的负载平衡。算法中以每个网关节点为根,建立多棵生成树拓扑。
动态信道分配方式的好处在于能够把接口切换到任何信道,从而提供了在少量的接口上使用多个信道的潜在能力。动态切换方法的主要问题在于如何决策何时切换信道,以及将接口切换到哪一个信道。
(3) 混合分配方式
混合信道分配方式[12]结合了固定分配和动态分配的特点。在这种方式下,一部分接口使用固定分配方式,其他接口使用动态分配方式。固定接口可以分配一个专门的控制信道,或者是一个数据/控制混合信道,而其余的接口可以动态地在信道间进行切换。
3 WMN中的路由优化
在多跳网络中,由于相邻无线链路间存在相互干扰,使得中继节点的转发过程将会抑制其邻居节点的发送,所以,在WMN中,不同路径的数据流间,同一路径上相邻链路间都存在某种程度的干扰,制约着WMN的网络容量。
另一方面,WMN的骨干网具有拓扑相对稳定,无功耗约束,多跳中继,业务流量汇聚于网关等特点,所以可以通过对路由的合理优化,减小无线链路干扰,提高网络容量。
3.1 WMN中路由度量的选取
路由度量是路由选择的基础,传统无线Ad hoc网络中所普遍采用的跳数不能反映出多跳网络中的干扰特性,对QoS支持力度很弱。所以WMN应该采用支持QoS的路由度量机制,根据无线链路状态以及高层需求等信息,综合评估链路度量值,并形成最优路由,有效增加网络可用带宽和容量。
无线信道通信质量依赖于背景噪声、障碍物、信道衰减以及其他通信产生的干扰等。一般链路层协议在有数据帧发生丢失时,通常会进行重传操作。根据此特点,De Couto等人提出了基于期望传输次数(ETX)的路由度量方法[13],ETX定义为WMN网络节点的MAC层在一条无线链路上成功交付一个数据帧所需传输次数的期望值。基于ETX的路由算法认为,降低帧重传次数也就是增大了网络的吞吐量。所以,这类路由算法选择最优路径上所有链路的ETX的总和应为最小。
Koksal等人通过研究指出[14],由于无线网络信道状态的时变性,ETX不能够准确的度量无线信道质量。为了解决这个问题,Koksal等人在ETX的基础上提出了修正EXT(mETX)方法作为路由度量参数[15],在度量值中引入表示信道的相对较快变化特性的参数。
在最优路径的选取过程中,还应采用跨层协作机制,综合考虑高层与链路层对误比特率的要求,例如传输控制协议(TCP)要求在某条链路上误帧重传次数不能超过给定门限值,若超过门限,将引起传输层重传,触发TCP慢启动机制,造成网络性能的降低。有效传输次数(ENT)[15]度量方法的引入较好地解决了这个问题。研究表明,在真实的WMN网络中使用ENT路由方式,相对于ETX方式,平均丢帧率可以降低50%。
3.2 WMN中负载均衡路由
负载均衡的主要动机是通过均衡网络资源的使用,从而提高网络容量和节点的吞吐率。在WMN网络中,负载不均衡主要体现在网关节点、网络中心部分以及瓶颈节点处。
WMN网络中,大量流量将在网关节点汇聚,网关节点的处理能力将制约整个WMN网络的容量。对于多网关节点的WMN网络,要考虑如何在网关节点间分配流量,避免负载不均。特别的,当各个网关节点具有不同类型、不同带宽的外部接入链路时,还需要综合考虑到这些不同外部接入链路的传输能力对负载均衡分配方案的影响。
在网关节点间进行负载均衡通常采用的策略有:基于移动边界的负载均衡(MBLB)、基于节点分割的负载均衡(PHLB)、基于概率分条的负载均衡(PSLB)。在MBLB和PHLB方法中,每个Mesh节点各自仅利用一个网关节点作为出网通道;而PSLB方法中,每个Mesh节点可以分别同时利用多个网关节点作为出网通道,这样在理论上可以达到完全负载均衡。
WMN网络中心区域的节点与其他节点相比,容易产生过载现象,原因是大部分采用“最短路径”的路由算法会使的中部节点正好位于大多数“最短路径”上。该问题的解决方案是通过路由的方式,将负载动态分布在较轻负载的节点上,避免对中心区域节点的过载。解决方案大都采用基于环状路由的负载均衡方法[16],其基本思想是:将整个WMN网络区域划分为多个同心环,每个节点都位于一个环中。从环i中的源节点到环j中的目的节点的流量尽可能的不传递到环i和环j外的节点上去。
现有的基于环的负载均衡算法有:外环优先路由法(PORS)、内环优先路由法(PIRS)、目的环优先路由法(PDRS)、源环优先路由法(PSRS)。其中PORS和PIRS分别将主要流量集中在外环或内环中,而PSRS和PDRS是前两种方法的综合,将流量分配在内外环中,进一步均匀了负载。从图4中可以看出,相对于传统的最短路径算法,以上4种方法可以分散流量,有效减轻中心区域节点的负载。
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除了以上分析的负载均衡方法外,还有一些问题亟待研究,例如:负载均衡优劣的度量、流量分配的稳定性、流量的分割和负载均衡对路由的影响以及由于流量分割产生的乱序现象对TCP性能的影响、节点如何跨层感知负载情况并形成基于跨层协作的负载均衡算法等。
4 结束语
WMN是一种特殊的Ad hoc网络,具有分层的网络结构,其传输骨干网具有多跳、拓扑稳定、无供电约束等特性。同时作为宽带无线接入网络,WMN通过网关节点与其他类型的网络实现互联,业务流量相对汇聚。如何针对WMN的特点,提高网络的通信性能仍然是目前研究的热点问题,而增加WMN的网络容量是其中关键而又基础的问题。除此之外,尚有一些关键技术问题有待进一步解决,如WMN的QoS保障、分布式网络管理、控制机制、WMN安全机制等问题。尽管如此,我们相信WMN必将成为下一代无线网络中的主流技术之一。
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作者简介:
吴凡,电子科技大学通信与信息工程学院在读博士研究生。先后参加多项国家“863”项目,主要研究领域为无线自组织网络、无线路由技术。 毛玉明,电子科技大学通信与信息工程学院教授、博士生导师。先后主持多项国家“863”项目,拥有多项专利。目前主要研究方向为宽带无线通信网络、宽带通信网技术和高速信息处理技术。 张科,电子科技大学通信与信息工程学院在读博士研究生。先后参加多项国家“863”项目,主要研究领域为无线自组织网络QoS、网络测量技术。