第二章 背景知識與相關研究
2.3 相關研究
無線網狀網路頻道的分配與路由息息相關。Ad Hoc Network 的 AODV、DSR 等路由協定在 IEEE 802.11s 無線網狀網路中並不適用，因為 Ad Hoc Network 主 要的設計概念在於考慮 end user devices，移動性，傳輸容量(Capability)等。在 WMN 中，AP 作為基礎設施的裝置，且通常不具移動性，主要著重於傳輸時的 安全性，可靠性等。IEEE 802.11s 為此提出新的預設通訊協定 HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol) [3]。
HWMP 通訊協定包含主動與被動兩種路由選擇機制。在主動路由選擇方面，
是以 Mesh Portal 作為 root，經由週期性的廣播，與其他節點建立成一個樹狀路 由拓樸。在被動路由選擇方面，主要是以 AODV 為基礎作延伸。協定行為類似 AODV 但使用 Radio-Metric 作為路徑選擇成本的評估。IEEE 802.11s 中定義了以 airtime link metric 作為 Radio-Metric，主要測量傳輸時頻道資源的消耗。式(2.4) 計算 airtime cost Ca。 其中 Oca為 channel access overhead，Op為 MAC protocol overhead，Bt為測試 frame 的位元數。此三種參數為常數，根據實體層使用 IEEE 802.11a 或 IEEE 802.11b 而定。其他參數如傳送速率 r、封包大小 Bt和封包遺失率 efr等，會隨著不同的 外在環境條件而改變。
學者 Tam 等人[23]假設網路中的 MP/MAP 僅有單一無線介面，建議會彼此 干擾的傳輸使用不同的頻道，且將資料使用多條路徑傳送，以降低頻道干擾和競 爭的程度。他們提出了 JMM (Joint Multi-channel and Multi-path control)演算法，
對節點間的傳輸與接收進行排程。排程的基本單位為時槽(Time Slot)，而最小週 期定義為一個 Superframe。根據節點在時槽中的動作，時槽又可分為傳送時槽 (Transmitting Slot)與接收時槽(Receiving Slot)兩種。每個節點固定使用某個頻道 接收資料，透過廣播的方式，將自己的接收頻道告知鄰近節點。當節點間要進行
通訊時，傳送端的傳輸頻道需調成與接收端的接收頻道相同。
B R R T T R R T T
B T T R R T T R R
B: Broadcasting Slot T: Transmitting Slot R: Receiving Slot Node A
(Receiving channel=1)
Node B (Receiving channel=2)
s0 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8
1 1 1 2 2 1 1 2 2
1 1 1 2 2 1 1 2 2
圖 2.10 JMM 頻道切換範例
圖 2.10 為 JMM 演算法的排程範例。此處的 Superframe 由 s0到 s8共 9 個時 槽組成。在 s0時，所有節點都使用相同頻道 Channel 1 廣播自己的接收頻道。在 s1時，Node B 會切換到 Node A 的接收頻道 Channel 1，以傳送封包給 Node A。
如果此時 Node A 也想要傳送封包給 Node B，由於 Node A 在 s1與 s2屬於接收時 槽，因此必須等到 s3才能傳送。在 s3時，Node A 傳送給 Node 3 的封包須使用 Channel 2。
在路由部分，每個節點會傳送 GREQ 封包。GREQ 封包內會記載傳送端的 位置，經過幾個 Hop 等資料。每個節點透過 GREQ 封包的內容評估後，決定傳 輸路徑。
因為 JMM 只使用單一介面，當某個界面切換至某個頻道時，所有設定使用 其他頻道和此介面通訊的資料傳輸就得被迫等待，造成資料產出量下降。有學者 因此提出以多個介面的方式使用多個頻道傳輸，以避免這種情形。學者 Kyasanur 等人 [12]提出一種混合式的演算法 ，將每個節點的網路介面分為 Fixed 與 Switchable 兩類。Fixed 介面使用固定頻道，用於接收資料，而 Switchable 介面 會根據通訊對象動態改變所使用的頻道，用於傳送資料。若節點 A 要傳送給節 點 B，則節點 A 的 Switchable 網路介面卡須切換至節點 B 的 Fixed 網路介面卡進 行通訊。
Fixed
最簡單的多頻道多介面頻道配置方法為 Common-Channel Assignment (CCA) [10]。這種方法強制所有節點的介面 1 使用頻道 1，介面 2 使用頻道 2，並以此
考慮圖 2.12 的例子。假設所有節點都只有兩個網路介面，此時可能的頻道分配 結果有(a)、(b)兩種。圖 2.12(a)的頻道分配結果所產生的連結數目比圖 2.12(b)的 結果來得多，且可保證網路中即使有某一條連結失效，整個網路的連結性不會受 影響(1-connected)。不過由於每個節點都只有兩個網路介面，卻可能要建立與鄰 居間的三條連結，導致某些連結需要共用相同介面（頻道），這些共用頻道的連 結須分享固定的可用頻寬，導致產出量下降。圖 2.12(b)的頻道分配結果中，相 鄰的連結皆不使用相同的頻道，因此減少了頻寬共享的程度，不過連結數目與網 路連結性皆沒有圖 2.12(a)的結果來得好。以往學者提出 WCETT (Weighted Cumulation Expected Transmission Time) [5]、[12]與 NBLC 等路由協定，考慮上 述因素進行路由路徑的選擇。
有些學者在進行頻道配置工作時， 尚額外考慮了網路 的實際資料 流量 (Traffic)。學者 Raniwala 等人[20]先計算每個節點的預期資料負載。頻道分配時 先依據預期資料負載由大至小的順序將節點排序，根據排序後的順序分配節點頻 道。頻道配置完後再計算每條連結在此配置結果中的容量(Capacity)，最後檢查 是否所有連結的容量皆大於負載，若小於負載則再次進行頻道配置，直到所有連 結的容量皆大於負載為止。
另一個頻道分配的考量為網路中潛在的可能干擾。Rajakumar 等人[21]假設 Physical Model，使用 Conflict Graph 呈現網路中的干擾情形，然後計算在 Conflict Graph 中每條連結間干擾的權重。採用基因演算法，將連結試著配置頻道，之後 計算出干擾的權重，若干擾超過某個門檻值則再試著更換其他頻道，該連結每個 頻道都因嚴重干擾而無法建立的連結，則使用光纖取代。頻道配置的目的在盡量 減少使用光纖取代的連結數目。
文獻[22]假設 Protocol Model，同樣使用 Conflict Graph 呈現網路中連結的互 相干擾情形。作者將避免干擾的頻道分配問題視為 Conflict Graph 中的節點著色 問題，使用 Tabu 演算法[8]決定 Conflict Graph 中每個節點的顏色值。此頻道分 配問題可視為 Max K-cut 問題，Max K-cut 問題是將一張圖分為 K 個部分，並使
得不同部分中頂點間的邊數要為最多。反觀以 Conflict Graph 的方法配置頻道，
相同頻道的頂點屬於同一部分，兩頂點位於同一部分有邊相連則表示這兩條連結 會互相干擾。若要配置 K 個頻道時，需使得不同部分的頂點邊數越多，則表示 干擾越低，此概念與 Max K-cut 相同。因為 Max K-cut 已知為 NP-hard，所以頻 道分配的問題也為 NP-hard。
在此方法中，每條連結初始時將被分配隨意選取的頻道，之後以多回合方式 進行調整。每一回合中演算法將隨機選擇若干條連結，將這些連結的頻道更換為 其他隨機選取的頻道。若新的頻道分配結果的干擾程度比更換頻道前低，則新的 頻道分配結果視為一個 Neighbor Solution。此回合所有 Neighbor Solution 中干擾 程度最低的頻道分配結果將被接受，作為下一個回合的起始狀態。當一回合中無 法產生任何新的 Neighbor Solution 時，即得到最終的頻道分配結果。此分配結果 中，若有節點被分配到的頻道數目超過其所擁有的網路介面數量時，則需對此節 點進行頻道合併以滿足網路介面的限制。頻道合併時，先選出節點被分配的頻道 數量與網路介面的數量差異最大的節點，再從此節點已分配到的頻道中選出頻道 合併後干擾程度最低的頻道進行合併。如節點 i 的網路介面數目為 2 個，節點 i 被分配使用頻道 1、頻道 2 與頻道 3。若將頻道 1 改為頻道 2 後的干擾程度最低，
則將頻道 1 改為頻道 2。合併後節點 i 所使用的頻道只剩頻道 2 與頻道 3，已能 滿足網路介面數量的限制，故不再進行進一步的頻道合併動作。
學者 Marina 等人[17]使用 Protocol Model，提出 CLICA 演算法，對每一個 頻道使用個別的 Conflict Graph 紀錄已分配此頻道連結的干擾關係。決定連結所 使用的頻道時，以連結負載資訊決定連結分配的順序。每個連結分配干擾最小的 頻道。假設目前輪到連結(i, j)進行頻道分配，此演算法計算連結(i, j)在每個頻道 k1, k2, ..., kn個別的 Conflict Graph 所受到的干擾。若連結(i, j)在頻道 k1的 Conflict Graph 與其他連結的 edge 數最少，則表示連結(i, j)在頻道 k1所遭受到的干擾最 小。若節點 i 與節點 j 分配頻道 k1並不會超過節點 i 與 j 的網路介面數量限制，
則分配頻道 k1給連結(i, j)。
本論文探討如何在多介面多頻道的無線網狀網路環境中進行頻道配置，以降 低因同頻干擾而無法進行通訊的連結數量。我們認為 Protocol Model 並不符合實 際狀況，因此採用 Physical Model，但不使用 Conflict Graph 呈現干擾。我們的方 法中使用 Signal-to-Interference (SIR) 值[13]來表達連結遭受干擾時的通訊品質。
SIRj,i的定義為接收端 i 所收到傳送端 j 的資料訊號強度(RSSj,i)與所收到干擾信號 強度的比值。此干擾信號包括 i 所接收到來自所有其他節點 k 傳送給第三節點的 資料訊號強度總和(RSSk,i)，和環境中的背景雜訊 Na。在此條件下，連結能成功 通訊的條件為 SIRj,i ≧ SIRthreshold，其中 SIRthreshold為連結可正常運作的 SIR 值的 門檻。頻道分配結束後，我們也根據此條件評估已分配頻道的連結是否能順利使 用此頻道進行通訊。