无线Mesh网络中一种分布式路由方案

无线Mesh网络中一种分布式路由方案

摘要：在多射频多信道无线Mesh网络中，链路负载和节点位置的变化将导致网络性能的下降。针对此问题，在混合无线网状路由协议反应式路由基础上，设计了一种新的混合信道分配的分布式路由算法。该算法在路由建立的同时可实现以数据流为单位的最优信道分配，且能避免因单节点失效导致整个网络崩溃的危险。仿真结果表明，提出的RHCA算法较传统算法在网络吞吐量和端到端平均时延方面均有显著优势。另外，在节点移动场景下，所提出的分布式路由算法较其他方法能获得更高的吞吐量和更好的稳健性。

关键词：无线Mesh网络；分布式路由算法；信道分配

0 引言

在无线Mesh网络中，信道分配和路由协议是较为关键的问题，且二者联系紧密。如何协调其关系以更好地利用网络资源、提升网络性能是当前研究热点之一。对于信道分配的分类，按照网络中Mesh节点（Mesh Point，MP）射频接口数量的不同，可分为单射频信道分配和多射频信道分配。由于后者能带来更大的网络吞吐量，因此应用更为广泛[1]。此外，若根据信道更新频繁程度，又可分为静态信道分配、动态信道分配和混合信道分配[2]。而对于路由选择，按照路由建立和业务请求之间的关系，可以分为先验式路由协议[3]、反应式路由协议[4]和混合式路由协议[5]。

传统的无线Mesh网络中，信道分配和路由选择是分开进行的，一般先进行信道分配，再执行路由选择。当网络拓扑以及业务流量相对稳定时，该方式可以充分地利用网络资源。然而一旦网络拓扑或链路负载发生变动，以上方法无法根据实时信息调整资源配置，致使资源利用率大幅降低，甚至出现节点孤立，影响正常的数据传输。

针对上述问题，近年来出现了诸多关于融合信道分配和路由选择的研究，大致可分为集中式[6]和分布式[7]两类，其中分布式路由算法不需要中央处理节点，且可避免因单个节点失效导致整个网络崩溃的危险，因此得到更为广泛的研究和应用。本文主要针对多射频多信道(Multi-Radio Multi-Channel，MRMC)无线Mesh网络中网络负载及节点位置实时变化等实际场景，在混合无线网状路由协议（Hybrid Wireless Mesh Routing Protocol，HWMP）反应式路由基础上，设计了一种新的混合信道分配的分布式路由算法（Routing based on Hybrid Channel Assignment，RHCA）。

1 信道分配方案

由于本文提出的RHCA方案基于动态网络设计，因此信道分配策略应采用动态分配或混合分配。考虑到混合分配方案具有更好的网络连通性，故选择后者。

1.1 系统模型

本文无线Mesh网络模型，采用网格型网络拓扑，共设置32个节点，相邻节点间距170 m。且本文的信道分配过程只考虑如何减小链路干扰，达到以数据流为单位的链路干扰最小化信道分配。其余诸如网络负载等因素的影响则在路由选择时考虑。干扰模型方面采用文献[8]中的协议干扰模型，，当链路ei、ej节点间跳数不少于两跳时，才认为二者无相互干扰。虽然该模型是一个NP问题，但其信道分配模型融合于路由算法中，具体分配方式将在后文中详述。

1.2 接口分配策略和通信协调机制

在接口分配上，所有节点均固定使用一个无线射频接口搭配标号为1的信道作为固定接口，用于传递网络管理消息，当网络负载较重时亦可传送数据。其余接口全部用于数据传输，称为动态接口(Dynamic Radio Interface，DRI)，其分配信道在传输过程中可实时切换。

另外，本文的通信协调机制主要通过分析网络中的相邻节点DRI信道分配、路径请求（Path Request，PREQ）消息帧前两跳DRI信息以及各个节点Metric信息等，得到与下一跳链路干扰最小的信道。该机制在路由过程中实施。当源节点发送PREQ，寻得最优路径之后，目的节点在回复路径响应（Path Reply，PREP）消息过程中逐一节点绑定通信接口，并分配信道。

1.3 接口释放机制

本文对源节点的接口释放机制进行了如下设计。在开始发起数据业务后，数据流监听模块随即启动，并设置监听标志位tags为1，表示监听有效。当收到路径错误消息报文（Path Error，PERR）时，需要重新寻路，于是释放现有路径上节点所用接口。若没有收到PERR则将每次监听时刻同当前源节点最新发送数据时刻做差值，如果该差值小于设定阈值，表示源节点仍在发送数据，否则认为发送完毕，tags置零，监听停止，并发送CHCLR，同时等待CLRACK。若源节点收到CLRACK，则执行接口释放操作，否则重发CHCLR报文；若超过规定重发次数后仍未收到CLRACK，则直接执行接口释放操作。

2 RHCA路由算法设计

本文提出的RHCA路由算法主要针对网络拓扑不固定和业务负载多变的场景。算法采用分布式信道分配，且通信协调在路由响应阶段完成。由于该方案基于IEEE 802.11s中混合无线网状路由协议HWMP的反应式路由算法改进而来，所以在管理消息帧格式、路由判据、PREP 和PREQ等管理信息的广播和接口释放机制方面，基本沿用自HWMP算法。

2.1 路由建立过程

在提出的RHCA路由方案中，当发起一项业务时，源节点先判断是否存在到达目的节点的路由信息，若已存在则只需要按照路由表向目的节点单播PREQ；若没有则发起到目的节点的PREQ广播请求，各节点收到请求后，判断自身是否为目的节点，如果不是则按中间节点处理方式处理PREQ信息，直到目的节点收到请求，进入响应阶段。此后目的节点首先判断收到的消息是否为新的PREQ，若不是则直接丢弃；如果是则按PREQ所寻路径开始单播回复PREP。回复过程中逐跳进行接口绑定和信道分配。当PREP返回至源节点后，链路的双向路径建立完毕，开始数据传输。

2.2 路由维护过程

RHCA算法的路由维护在HWMP基础上，加入了对故障因素的考虑，增加了如下相关操作。

当发现故障时，处于故障上游的节点向源节点单播PERR，源节点接收到PERR后，执行路径上各节点接口释放操作，当上游各节点收到CLRACK后开始广播到目的节点的PREQ重新寻路；而故障下游节点在未收到CHCLR的情况下，若等待超时，则判定为上游节点故障，遂开始执行链路后续节点的接口释放操作。此方案既保证了路由得到修复，又完成了故障节点下游的接口释放，避免了故障链路占用信道资源。

3 性能仿真分析

为了模拟网络多变性，仿真分别在不同的网络负载和网络拓扑下进行，以便考察提出的RHCA方案的平均吞吐量和时延。同时为了便于比较，加入了HWMP路由分别搭配集中式信道分配(Centralized Hyacinth Channel Assignment，C-HYA)和MRMC HWMP(MMHWMP)路由算法结合节点优先级静态信道分配(Nodes Priority Fixed Channel Allocation，NPFCA)两种方案进行对比。仿真系统参数设置如表1所示。所有结果均为采用20个随机种子进行仿真所得平均值，基本符合网络数据统计特性。

3.1 不同网络负载下性能分析

本次仿真采用网络拓扑，并设12号节点为根节点。

仿真随机选取5对节点建立固定码率(Constant Bit Rate，CBR)数据传输业务，CBR流

速率为600 kb/s到2 Mb/s不等，每组节点在仿真时间内随机选择时间发起业务，并持续50 s，如果从发起业务到仿真结束不足50 s，则以仿真结束时间为准。全网可用正交信道数为6，仿真结果。

从图3(a)可以看出，随着CBR流速率的增加，三种算法总吞吐量都呈现递增趋势，而提出的RHCA路由算法所得网络总吞吐量明显高于前两者，尤其在CBR速率为1.6 Mb/s时，其吞吐量较HWMP和MMHWMP分别高约17.7%和13.5%。

由图3(b)可知，随着CBR流速率的增加，三种算法的端到端平均时延也逐步增加，MMHWMP 与HWMP方案在CBR流速率为<1.6 Mb/s时平均时延差距不大，当速率大于1.6 Mb/s时差距逐渐拉大； RHCA方案的网络时延显著优于前两者，尤其在CBR流速率为1.8 Mb/s时，分别较MMHWMP和HWMP有约0.06 s和0.12 s的优势。

3.2 动态拓扑及负载场景下性能分析

初始网络。设置节点移动模型为“Random Way point Mobility Model”[9]，各节点速率是在0 m/s～2 m/s中均匀分布的随机变量，移动范围限制在图中二维空间内。网络中运行两组CBR数据任务，第一组随机选取5对节点建立CBR数据业务，流速率为500 kb/s，仿真运行5 s后开始发送数据直至结束；仿真运行100 s后，再从余下的节点中随机选取5对节点建立第二组CBR数据业务，流速率仍为500 kb/s，同样持续至仿真结束。仿真时间总共200 s。全网可用正交信道数为6，当仿真开始20 s后，开启移动模型。同时还增加了较为灵活的HWMP路由+公共信道分配（Common channel assignment，CCA）组合，以供参考。仿真结果。

从图中可以看出，在仿真前20 s范围内，四种方案都处于稳态，此时本文提出的RHCA 方案性能最优；当仿真开始20 s后，移动模型开启，网络拓扑开始变化，部分链路通信中断，使得在40 s～60 s期间，所有方案的吞吐量均有较大幅度下降；而在60 s～100 s之间，随着网络拓扑持续变化，部分节点重新建立连接，使得四种方案吞吐量有不同程度回升，其中以RHCA回升最为明显，最高时甚至超过HWMP+CCA方案近一倍；仿真100 s后，由于引入了5条新数据流，网络整体吞吐量有所上升，同样以RHCA方案升幅最大，其性能领先HWMP-R+CCA 约70%。

4 结论

本文主要针对MRMC无线Mesh网络中，网络负载可变以及网络节点可移动的动态场景，在HWMP反应式路由算法基础上，提出了一种融合信道分配和路由选择的RHCA算法。仿真结果表明，此算法无论在网络吞吐量还是端到端平均时延方面均有显著优势。同时仿真结果还验证了在节点可移动的无线Mesh网络中，RHCA较其他三种方案能获得更高的吞吐量，同时具有更好的稳健性。