摘  要： 無線信道干擾和負(fù)載分布不均勻嚴(yán)重影響無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、端到端延時等。在已有的路由度量的基礎(chǔ)上，充分繼承其通過鄰居節(jié)點負(fù)載描述干擾強度的優(yōu)勢，進一步分析節(jié)點負(fù)載的影響，提出負(fù)載均衡的干擾感知路由度量，將干擾鄰居節(jié)點的數(shù)量、負(fù)載和距離綜合作用結(jié)果作為流間干擾強度，使用節(jié)點處的平均隊列長度捕捉節(jié)點負(fù)載，并改進期望傳輸時間消除鏈路的不對稱性，實現(xiàn)負(fù)載均衡和干擾感知，避開熱點區(qū)域。同時將LBIA合并入路由協(xié)議。仿真結(jié)果表明：該路由度量可以有效地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，提升網(wǎng)絡(luò)整體性能。

　　關(guān)鍵詞： 無線網(wǎng)狀網(wǎng)；路由度量；負(fù)載均衡；干擾感知

0 引言

　　在無線網(wǎng)絡(luò)中，無線網(wǎng)狀網(wǎng)（WMN）[1]因其綜合了傳統(tǒng)的AdHoc和WLAN的優(yōu)勢，作為3G蜂窩系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)的替代方案，成為有前景的下一代無線網(wǎng)絡(luò)。而路由問題一直是面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一，為了保證端到端的通信性能，進而獲得較高的網(wǎng)絡(luò)容量，作為路由問題的核心，有效的路由度量對于找到高吞吐量的路徑是必不可少的。

1 相關(guān)工作

　　決定路由協(xié)議性能最關(guān)鍵的部分是路由度量的設(shè)計，找到具有高數(shù)據(jù)速率、低丟包率和低水平干擾的路徑，是衡量路由度量好壞的標(biāo)準(zhǔn)。針對多接口多信道WMN路由度量研究已經(jīng)廣泛展開。HOP[2]作為最早的路由度量機制已經(jīng)廣泛應(yīng)用到無線多跳網(wǎng)絡(luò)；ETX[3]引入丟包率來測量鏈路質(zhì)量；ETT[4]在ETX的基礎(chǔ)上考慮傳輸速率，但ETT和ETX均未考慮干擾對于路徑選擇的影響；MIC[5]是干擾感知路由度量，將延伸到同時考慮流間干擾和流內(nèi)干擾，還有鏈路丟包率和傳輸速率。

　　ILA（Interference-Load Aware routing metric）[6]用鄰居節(jié)點的平均負(fù)載來衡量流間干擾的強度，但平均負(fù)載并不能真實反映流間干擾水平，對路徑選擇造成不小的偏差。此外ILA未考慮節(jié)點本身負(fù)載，且基于ETT，會造成鏈路質(zhì)量不準(zhǔn)確估計。

2 ILA路由度量

　　首先對現(xiàn)有的干擾負(fù)載感知路由度量進行簡要介紹，如式（1）所示：

　　其中，p為路徑，n為鏈路數(shù)，m為鏈路l上的節(jié)點數(shù)。MTI（Metric of Traffic Interference）捕捉流間干擾如式（2）所示，CSC（Channel Switching Cost）捕捉流內(nèi)干擾。參數(shù)是用來權(quán)衡流內(nèi)干擾和流間干擾的權(quán)重。

　　其中，ALLij（Average Interference Load）是在信道C上節(jié)點i、j之間干擾鄰居節(jié)點的平均負(fù)載。ETT用來確定傳輸速率和丟包率的差別。AIL描述干擾節(jié)點的鄰居節(jié)點活躍性，定義為：

　　其中，ILij（C）是干擾鄰居的負(fù)載，用平均隊列長度來表示。

　　CSC通過給定使用同一信道的連續(xù)鏈路更高的權(quán)重來減少流內(nèi)干擾，下文將詳細(xì)討論。

　　ILA路由度量捕捉了流間和流內(nèi)干擾，但仍存在局限性。

3 LBIA路由度量

　　本文提出負(fù)載均衡的干擾感知路由度量（Load Balanced Interference-Aware Routing Metric，LBIA），有以下改進：

　?。?）通過干擾鄰居節(jié)點距離對干擾鄰居節(jié)點負(fù)載的計算進行優(yōu)化，得到更準(zhǔn)確的干擾水平。

　?。?）通過節(jié)點負(fù)載，選擇負(fù)載較小的節(jié)點作為傳輸路徑，節(jié)省等待隊列傳輸?shù)臅r間，得到較低的端到端延遲。

　?。?）對原ETT進行改進，消除傳輸不對稱性，提高合理性，正確評估鏈路質(zhì)量。

　　鏈路l的LBIA定義為：

　　LBIA由3部分組成：NIL（Neighbout Interference Load）為鄰居干擾節(jié)點表征的流間干擾程度，是鄰居干擾節(jié)點的數(shù)量、負(fù)載和與受干擾節(jié)點間的距離共同作用的結(jié)果；NL（Node Load）為被干擾節(jié)點自身的負(fù)載，由緩存隊列的長度來捕捉負(fù)載；CSC為流內(nèi)干擾大小。這樣通過關(guān)注通信負(fù)載、節(jié)點負(fù)載、丟包率、傳輸速率、流內(nèi)干擾和流間干擾，突破現(xiàn)有路由度量的有限性。

　　3.1 ETT的改進

　　ETT是應(yīng)用最廣泛的路由度量，但不對稱性使得高估鏈路質(zhì)量，對路由選擇造成偏差，如式（6）所示：

　　其中，S是數(shù)據(jù)包大小，Bl是鏈路l的帶寬，ETX如式（7）所示：

　　其中，df為前向傳輸比率，是鄰居節(jié)點周期內(nèi)成功接收到探測包的比率；dr為反向傳輸比率，是節(jié)點在相反方向成功接收到相應(yīng)鄰居節(jié)點的廣播探測包。鄰居節(jié)點周期性地交換小探測包，進而算出ETX，找到有最大傳輸速率的路徑。

　　但這將導(dǎo)致鏈路質(zhì)量估計不準(zhǔn)確。式（7）中df與dr的權(quán)重相等，而實際傳輸中前向傳輸節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)包遠(yuǎn)大于反向傳輸收到的ACK數(shù)據(jù)包，并且反向ACK數(shù)據(jù)包的鏈路損失小，導(dǎo)致通信的不對稱性，如圖1所示。

　　A節(jié)點有兩條可能的路線，A-B-D或A-C-D。因ETX分配給前向和反向鏈路相同的權(quán)重，所以得到式（8）：

　　故路徑A-B-D和A-C-D路由度量值相等，但根據(jù)數(shù)據(jù)包和大小不對稱性，合理地看出鏈路（A，B）比鏈路（A，C）性能更好。借鑒參考文獻[7]，提出改進ETT，如式（9）所示：

　　Bi鏈路i的傳輸速率，S是數(shù)據(jù)包大小，S/Bi評估出通過鏈路i傳輸一個數(shù)據(jù)包期望時間。改進的ETT很好地消除了傳輸?shù)牟粚ΨQ性，對基于ETT的LBIA網(wǎng)絡(luò)性能有很大提高，能夠正確評估鏈路質(zhì)量。以下公式中ETT均為式（8）。

　　3.2 NIL鄰居干擾負(fù)載

　　NIL鄰居干擾負(fù)載為：

　　其中，ETTij（C）是節(jié)點i、j在信道C上的期望傳輸時間，ILij為鄰居干擾負(fù)載。由節(jié)點間距離的路徑損耗，干擾鄰居節(jié)點負(fù)載和數(shù)量表征為：

　　其中，Load是干擾鄰居節(jié)點的負(fù)載，用平均隊列長度來度量，即數(shù)據(jù)包的數(shù)量。PL是路徑損耗，Load/10∧（PL/10）為各干擾鄰居節(jié)點負(fù)載經(jīng)過路徑損耗后的負(fù)載之和，Nl（C）如式（4）所示，是干擾節(jié)點i、j干擾鄰居集合。

　　PL路徑損耗為：

　　其中，d為節(jié)點與干擾鄰居節(jié)點間的距離，davg為兩個單跳節(jié)點間的平均距離，n為跳數(shù)，λ為波長。鄰居節(jié)點數(shù)量一定時，干擾強度隨鄰居節(jié)點與被干擾節(jié)點的距離增大而減小。被干擾節(jié)點與鄰居節(jié)點距離一定時，干擾節(jié)點數(shù)量和負(fù)載越少干擾越小。因此流間干擾水平與鄰居干擾節(jié)點的數(shù)量、負(fù)載和節(jié)點間距離相關(guān)。?琢為權(quán)重參數(shù)，定義為：

　　3.3 NL節(jié)點負(fù)載

　　被干擾節(jié)點負(fù)載為：

　　NLi=ETTij×Li（15）

　　其中，Li為節(jié)點負(fù)載，由平均隊列長度表示。它表明節(jié)點自身負(fù)載強度，決定緩存包等待時間與通信能力的強弱，避開重負(fù)載區(qū)域，提升網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，保證網(wǎng)絡(luò)性能。

　　3.4 流內(nèi)干擾

　　流內(nèi)干擾和流間干擾同時存在于WMN中，LBIA中NIL捕捉流間干擾，為了捕捉流內(nèi)干擾，將CSC應(yīng)用于LBIA，與ILA類似。使用不同信道傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點比始終使用同一信道的節(jié)點有更低的流內(nèi)干擾水平，因此給使用同一信道的連續(xù)鏈路更高的權(quán)重，定義為：

　　其中，CH（i）表示分配給節(jié)點i傳輸?shù)男诺?，prev（i）是在路徑p上節(jié)點i的前一跳。設(shè)節(jié)點i配有多個信道。當(dāng)節(jié)點i向下一節(jié)點傳輸時應(yīng)使用不同于之前接收到的數(shù)據(jù)的信道以消除流內(nèi)干擾。若節(jié)點i仍使用接收到數(shù)據(jù)的信道，則分配更高的權(quán)重；若節(jié)點i在傳輸和接收數(shù)據(jù)時使用不同的信道，則分配一個較低的權(quán)重，所以0≤w1≤w2。

　　綜上，LBIA繼承了ILA度量描述流內(nèi)、流間干擾的優(yōu)勢，將干擾與被干擾節(jié)點間的距離引入流間干擾估計，得到鄰居干擾節(jié)點數(shù)量、負(fù)載和距離多重作用的流間干擾強度，使用節(jié)點處的平均隊列長度捕捉節(jié)點負(fù)載，并且通過改進期望傳輸時間來消除鏈路的不對稱性，這樣LBIA度量兼?zhèn)湄?fù)載均衡和干擾感知的能力，能夠準(zhǔn)確地識別出重干擾重負(fù)載的區(qū)域，避開“熱點”區(qū)域，合理分配路由，達到提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減少端到端時延的目的。

4 LBIA度量的實現(xiàn)

　　4.1 AODV的修改

　　對AODV[8]路由協(xié)議進行改進，以LBIA值取代跳數(shù)，即選擇LBIA值最小的路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。

　　4.2 ETX參數(shù)獲取

　　利用AODV的HELLO消息來計算ETX。每個節(jié)點向鄰居節(jié)點廣播周期性HELLO消息，即1 s，TTL值為1。每個節(jié)點記錄在w秒內(nèi)接收的消息，即可算出df和dr[9]。

　　一條路徑的ETX是該路徑上所有鏈路的ETX之和，繼而得出ETT。

　　4.3 負(fù)載參數(shù)獲取

　　載波偵聽會阻止相互干擾范圍內(nèi)兩個節(jié)點同時傳輸。節(jié)點傳輸速率會隨著同時開始廣播連續(xù)數(shù)據(jù)包的節(jié)點增多，逐漸低于單獨傳播速率。據(jù)此可通過廣播速率判斷兩節(jié)點是否處于相互干擾范圍內(nèi)。

　　HELLO消息包含當(dāng)前負(fù)載信息。每個節(jié)點保存一張記錄其鄰居節(jié)點及其負(fù)載的表。當(dāng)一個節(jié)點接收到從鄰居節(jié)點發(fā)來的HELLO消息，它將與鄰居表進行核查。若該鄰居已經(jīng)在表中，則更新其負(fù)載，否則將該鄰居加入鄰居表內(nèi)。如果一個節(jié)點從一個鄰居節(jié)點接收3個連續(xù)HELLO消息失敗，將會從鄰居表內(nèi)把該鄰居節(jié)點移除。這樣，就可以用鄰居表中的負(fù)載信息來計算干擾鄰居的負(fù)載，同時獲得節(jié)點自身的負(fù)載。

5 性能仿真與結(jié)果分析

　　本文采用NS2[10]仿真工具進行仿真實驗，將ILA和MIC作為比較，對LBIA性能進行驗證。將NS2模塊進行擴展，以支持多信道多接口和改進的AODV路由協(xié)議。

　　5.1 仿真場景和參數(shù)設(shè)置

　　用于NS2仿真的場景參數(shù)設(shè)置如表1所示。

　　5.2 LBIA性能仿真及分析

　　圖2~圖4分別給出在改變網(wǎng)絡(luò)中流數(shù)情況下，LBIA、ILA、MIC下網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量、平均丟包率和平均端到端時延的仿真結(jié)果。

　　由圖2和圖3看出，隨著流數(shù)逐漸增多，平均流吞吐量均有所下降。LBIA平均流吞吐量始終高于ILA、MIC。流數(shù)為6時，LBIA的值為8.5 kb/s，與MIC相比提高了15%。其中MIC最低，因其未動態(tài)檢測干擾并且為考慮通信負(fù)載，而且MIC中的ETT還高估了鏈路質(zhì)量。ILA雖也基于ETT，由于將干擾和負(fù)載考慮在內(nèi)，其值較MIC有所提升。網(wǎng)絡(luò)平均流吞吐量與平均丟包率之間存在互補關(guān)系[11]，如圖3所示，LBIA的值始終低于MIC和ILA，這與圖2得出的結(jié)論是一致的。當(dāng)流數(shù)為8時，LBIA的值為17%，比MIC降低了10.5%。從圖4看出，平均端到端時延隨著流數(shù)的增多呈現(xiàn)上升趨勢，其中LBIA的平均端到端時延增長速度最慢，且始終處于MIC和ILA之下。流數(shù)為10時，LBIA的值比MIC降低46.23%。以上表明，LBIA能夠較好地均衡通信負(fù)載，感知有重負(fù)載和干擾的擁塞區(qū)域，有效地分配網(wǎng)絡(luò)通信，以免數(shù)據(jù)包緩沖很長時間，達到提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和降低端到端時延的目的。

6 結(jié)論

　　本文在分析ILA的基礎(chǔ)上，繼承了其利用負(fù)載描述流間干擾的優(yōu)勢，通過考慮鄰居干擾節(jié)點的距離、數(shù)量和負(fù)載的共同影響以及源節(jié)點本身的負(fù)載，消除度量的不對稱性，提出負(fù)載均衡的干擾感知路由度量LBIA，并且將LBIA應(yīng)用于修改的AODV路由協(xié)議。仿真結(jié)果驗證了LBIA相對于MIC和ILA的優(yōu)勢，可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低端到端時延和丟包率，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

　　參考文獻

　　[1] 黃旭，王子歐，季愛明.基于ZigBee無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的溫濕度測量系統(tǒng)[J].微型機與應(yīng)用，2014，33（9）：89-91.

　　[2] WILLIAM S. Dataand computer communications[M]． NewJersey： PrenticeHall， 1997.

　　[3] COUTO D S J D， AAUAYO D， BICKET J， et al． Ahigh－through put path metric for multi－h(huán)op wireless routing[C]. The 9th MobiCom， San Diego， USA， 2003：134-146.

　　[4] DRAVES R， PADHYE J， ZILL B． Routing in multi-radio，multi-hop wireless mesh networks[C]. MobiCom， Philadelphia， USA，2004：114－128．

　　[5] Yang Yaling， Wang Jun， ROBIN K． Interference aware load balancing for multihop wireless networks[C]. The Proceedings of the IEEE Workshop on Wireless Mesh Networks， Santa Clara， USA， 2005.

　　[6] SHILA D M， ANJALI T. Load aware traffic engineering for meshnetworks[J]. Computer Communications， 2008，31（7）：1460-1469.

　　[7] GENETZAKIS M， SIRIS V. Acontention-aware routing metric for multi-ratemulti-radio mesh networks[C]. Sensor， Mesh and AdHoc Communications and Networks， 2008： 242-250.

　　[8] 藺紹良，龍海南.基于穩(wěn)定性的AODV路由協(xié)議研究與仿真[J].微型機與應(yīng)用，2013，32（20）：48-50.

　　[9] 孫志．基于WCETT的多信道WMN路由量度的研究[J]．通信技術(shù)，2013，46（6）：82－84．

　　[10] 于斌等.NS2與網(wǎng)絡(luò)模擬[M].北京：人民郵電出版社，2007.

　　[11] 杜輝.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2010.