多天線多通道多模多速率無線網狀網路之設計與實作---子計畫一：M4無線網狀網路之網路規劃及資源分配問題(III)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

5 成 果 報 告

□ 期中進度報告

多天線多通道多模多速率無線網狀網路之設計與實作-子計

畫一：M4 無線網狀網路之網路規劃及資源分配問題(3/3)

計畫類別：□ 個別型計畫

5 整合型計畫

計畫編號：NSC 95 － 2219 － E － 009 － 007 －

執行期間： 96 年 8 月 1 日至 97 年 7 月 31 日

計畫主持人：曾煜棋

共同主持人：吳真貞

計畫參與人員：王友群、林致宇、陳淑敏、談偉航、陳烈武、吳佩曄、

陳志誠、王文杰、梁家銘、吳鈞豪、陳建志、葉倫武、賴婉婷、徐子文、

呂書賢、賴怡廷、楊雁智、李亭瑩、張哲賓、黃全淯、楊金玲、廖家良

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 5完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

5赴大陸地區出差或研習心得報告一份

5出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立交通大學資訊工程學系

1 中英文摘要

在本計畫中我們將分別針對 IEEE 802.11-based 的無線網狀網路以及 IEEE 802.16-based 的無 線網狀網路設計一些實用的通訊協定。本計畫在第一年提出過一個適用於多重頻道網路的 鏈結層頻道管理協定，在第二年我們考量網路層設計(尤其著重在繞路協定)，我們認為多重 頻道網路環境下必須搭配多重路徑繞路協定，才能將整體的效能提升至最高，因此我們提 出了一個結合了鏈結層與網路層的通訊協定用於 IEEE 802.11-based 無線網狀網路上，此外 我們也發現資源分配的好壞會跟使用的繞路樹有密切的關係，因此我們也提出了一個建繞 路樹的演算法結合前述的資源分配方法，以改善 IEEE 802.16-based 網狀網路的效能。在第 三年我們發現在隨意式網路下，大多數路由協定都沒有考慮現今無線網路產品對於多速率 通訊的支援。在建立完路由路徑的條件下，我們為隨意式網路提供了一個吞吐量分析的工 具，經由模擬的驗證，我們相信路徑吞吐量會是一個比傳統方法，如節點計數(hop count)， 更好的路徑度量方式。 關鍵字：無線網狀網路、繞路協定、鏈結層協定、多重頻道、頻道分配、資源分配、IEEE 802.11、IEEE 802.16、隨意式網路

In this project, we develop some practical communication protocols for IEEE 802.11-based wireless mesh networks (WMNs) and IEEE 802.16-based WMNs respectively. We have designed a multi-channel link-layer protocol for this project at the first year. In second year, we further focus on the protocol design of the network layer (especially on the routing protocols). We point out that multi-path routing has to be used in concert with multi-channel design to improve end-to-end throughput. Thus, we propose a novel protocol for IEEE 802.11-based WMNs, which combines multi-channel link layer with multi-path routing. Beside above works in IEEE 802.11-based WMNs, we exploit spectral reuse in IEEE 802.16 mesh networks in the sense that it takes dynamic traffic loads of SSs into account and integrates not only a hierarchical bandwidth scheduling scheme for bandwidth adaptation and timeslot allocation, but also a routing algorithm with a tree optimization scheme. Our goal is to improve the performance of IEEE 802.16-based mesh networks. At third year, we find that many routing protocols have been proposed for mobile ad-hoc networks (MANETs) based on different criteria, few have considered the impact of multi-rate communication capability that is supported by many current WLAN products. Give a routing path, we provide an analytic tool to evaluate the expected throughput of the route with spectral reuse, assuming that hosts move following the discrete-time, random-walk model. Through verification with simulation, we believe that the path throughput is a better metric than

the traditional metrics, such as the hop count.

Keywords: Wireless Mesh Network, Routing Protocol, Link-layer Protocol, Multi-Channel, Channel Assignment, Resource Allocation, IEEE 802.11, IEEE 802.16, mobile ad-hoc networks.

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目錄

“An Efficient MAC Protocol for Multi-Channel Mobile Ad Hoc Networks Based on Location Information”

論文全文，詳細資料如下：

Y.-C. Tseng, S.-L. Wu, C.-M. Chao, and J.-P. Sheu, “An Efficient MAC Protocol for Multi-Channel Mobile Ad Hoc Networks Based on Location Information”, Int’l Journal Communication Systems, Vol. 19, 2006, pp. 877-896. (SCI)

附錄二：

陳威碩，“IEEE 802.11 無線網狀網路之分散式時槽分割式多重頻道協定＂， 碩士論文(指 導教授：曾煜棋教授)，民國九十五年六月

附錄三：

“Joint Multi-Channel Link Layer and Multi-Path Routing Design for Wireless Mesh Networks” 論文全文，詳細資料如下：

W.-H. Tam and Y.-C. Tseng, “Joint Multi-Channel Link Layer and Multi-Path Routing Design for

Wireless Mesh Networks”, IEEE INFOCOM, 2007.

附錄四：

“Exploiting Spectral Reuse in Resource Allocation, Scheduling, and Routing for IEEE 802.16 Mesh Networks”論文全文，詳細資料如下：

L.-W. Chen, Y.-C. Tseng, D.-W. Wang, and J.-J. Wu, “Exploiting Spectral Reuse in Resource

附錄五：

"Route Throughput Analysis with Spectral Reuse for Multi-Rate Mobile Ad Hoc Networks"論文 全文，詳細資料如下：

L.-W. Chen, W. Chu, Y.-C. Tseng, and J.-J. Wu, "Route Throughput Analysis with Spectral Reuse for Multi-Rate Mobile Ad Hoc Networks", Journal of Information Science and Engineering, to appear. (SCIE, EI)

附錄六：

附大陸出差或研習心得報告一份

會議/訪問時間地點 2007/8/8~2007/8/11 北京,中國

會 議 名 稱 互聯網服務主題研討會

發 表 論 文 題 目 Mobile GeoWeb Services

附錄七：

出席國際學術會議心得報告兩份

會議/訪問時間地點 第 5 屆一年一期網路計算與應用研討會 The 5th IEEE

International Symposium on Network Computing and

Applications (IEEE NCA06) 2006/07/24~2006/07/26, Boston, USA

會 議 名 稱 第 5 屆一年一期網路計算與應用研討會(IEEE NCA 2006)

發 表 論 文 題 目 Implementation of an Emergency Guiding System by Wireless

Sensor Networks

會議/訪問時間地點 16th International Conference on Computer Communications

and Networks, Aug. 13 - 16, 2007, Honolulu, Hawaii USA

會 議 名 稱 ICCCN 2007

發 表 論 文 題 目 Exploring Load-Balance to Dispatch Mobile Sensors in

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一、前言

本計畫之主要目的，為實現一個多天線多模多頻道多速率之無線網狀網路(Multi-antenna Multi-mode Multi-channel Multi-rate Wireless Mesh Network, 簡稱M4無線網狀網路)，此新世 代之網路架構可將無線區域網路(WLAN)之涵蓋範圍，以高彈性低建置成本的方式，延伸至 企業、校園以至於更大規模之無線都會網路(Wireless Metropolitan Networks)，提供高承載、 高速率、高可靠度之無線網路存取，並可達成服務品質(QoS)、無線漫遊(wireless roaming)、 VoIP等整合數據、語音、多媒體之即時網路服務。無線網狀網路(Wireless Mesh Network) 計畫已於2004年7月正式由IEEE通過，成立802.11s專案研究團隊，在此架構下，每一個擷 取點(access point)的涵蓋範圍彼此重疊，並同時扮演資料收送及路由(routing)的角色，封包 以多步跳躍 (multi-hop)的方式轉送(relay)至目的端，亦可透過閘道器(gate host)將整個無線 網狀網路連接到鄰近的網際網路。 而本子計劃則著重於如何妥善分配天線至中繼節點、設定天線傳輸模式、配置資料傳送頻 道、以及決定繞徑方式等問題，以滿足每一個中繼節點存取網際網路之資料傳送需求(此需 求可能由連上中繼節點的行動主機Mobile Host 而來)，使行動主機能穩定、快速、順暢無 礙地使用網際網路的服務。此外，通訊頻寬是無線網路的寶貴資源，而空間再利用(Spatial Reuse)是重要的資源分配原則，再加上無線通訊頻寬容易受到外在環境因素影響，例如天 氣變化、電波干擾、以及發送競爭等，如何在M4 無線網狀網路上，做好通訊資源分配以增

加中繼節點的累積頻寬(Aggregate Bandwidth)，使得閘道節點(Gateway Node)的資料傳輸量 (Throughput)總和最大，是一個具有挑戰性的問題。

在第一年中我們主要在設計適用於此種網路的媒介存取層協定，設計的重點在於頻道的分 配與媒介存取的機制。我們也已實作一個適用於多頻道無線網狀網路的鏈結層協定。在第 二年，我們分別針對 IEEE 802.11-based [1] 無線網狀網路以及 IEEE 802.16-based [2] 無線 網狀網路設計一些實用的通訊協定。首先我們先針對 IEEE 802.11-based 網狀網路做一個簡 單的介紹，圖一為一個 IEEE 802.11-based 網狀網路的架構圖，一個網狀網路是由許多的 Mesh Router 所組成的，它們構成了網路的骨幹，並且可提供給 End Users 連接上網路，通 常我們所討論的網狀網路是由 Mesh Router 所組成的部份，由於網狀網路下可能有許多的 End Users 連接上，因此網狀網路必須要能夠提供足夠的效能滿足所有使用者的需求。此外 通常網狀網路中會有閘道器連接至有線網路上。

圖一、IEEE 802.11-based 無線網狀網路示意圖

中有存在著數個不與其他頻道重疊(non-overlap)的頻道，雖然在 IEEE 802.11 Infrastructure mode 中，在 IEEE 802.11 Ad-hoc mode 中如何有效的利用複數頻道增進網路效能仍是一個 值得研究的領域，例如 IEEE 802.11 的媒介存取協定(Medium Access Control Protocol)的設計 只針對單一頻道的使用，因此造成效能無法進一步地提升。當複數個頻道被利用時，可預 期的是網路的吞吐量(Throughput)會增加，干擾可降低，空間中頻道的再使用率(Spatial Reuse)

能提高。在本計畫中，去年我們即針對多重頻道的網路環境提出了一個適用於多重頻道網

路的鏈結層頻道管理協定，今年我們更進一步地去考量網路層設計(尤其著重在繞路協定)， 我們認為多重頻道網路環境下必須搭配多重路徑繞路協定，才能將整體的效能提升至最 高，因此我們提出了一個結合了鏈結層與網路層的通訊協定 JMM (Joint Multi-channel and Multi-path control)用於 IEEE 802.11-based 無線網狀網路上。我們並會以模擬實驗來證明跨 越不同層(Cross-Layer)所設計出的通訊協定能夠改善使用多重頻道的 IEEE 802.11-based 網 狀網路。

此外，適用於都會網路(Metropolitan Area Networks)的一代無線寬頻通訊標準 IEEE 802.16 在這幾年也開始被廣泛地討論，IEEE 802.16 可支援兩種模式，一是點對多點模式

(Point-to-Multipoint mode, PMP)，另一則是網狀模式(Mesh Mode) ，在點對多點模式下， Subscriber Stations (SSs) 只可以直接和 Base Station(BS)進行通訊，因此 SS 必須要在 BS 的 傳輸範圍內，而在 Mesh Mode 下，SS 則可扮演一個終端點或是扮演路由器幫助其它的 SS 將資料傳送給 BS，因此一個網狀網路的服務範圍可因此擴大，圖二顯示了一個 IEEE 802.16-based 網狀網路的架構圖。

7 在 IEEE 802.16 網狀網路中每個 SS 會依其所分配到的時間去做資料的傳送，而分配可由兩 種方式來達成，一是由每個 SS 以分散式的方式來進行，另一則是由 BS 收集 SS 的資料以 集中式的方式來進行，在本計畫中我們著重在集中式的方法，我們發現原本的設計中完全 沒有考量資源再利用(Reuse)的議題，因此在本計畫中我們提出了一個資源分配的方法，而 我們也發現資源分配的好壞會跟使用的繞路樹有密切的關係，因此我們也提出了一個建繞 路樹的演算法結合前述的資源分配方法，以改善 IEEE 802.16-based 網狀網路的效能。 在第三年的計劃中，我們針對多速率的隨意式網路的吞吐量分析提供一個量化的工作。我 們相信路徑吞吐量會是一個比節點計數(hop count)更好的路徑度量方式。

二、研究目的

與 IEEE 802.16-based 網狀網路。首先我們討論 IEEE 802.11-based 網狀網路，為了達到我們

的提升網狀網路效能的目的，我們考慮了多重頻道(Multiple-Channel)的使用，由於在 IEEE 802.11 網路中原本就存在著數個不與其他頻道重疊(non-overlap)的頻道，因此只要能善加利 用，即可提升網路的效能，而我們更進一步地發現多重頻道網路環境下必須搭配多重路徑 繞路協定，才能將整體的效能提升至最高，在這一節中我們將簡單地敘述我們所做的觀察。 首先我們觀察使用單一頻道及單一路徑(Single-Channel, Single-Path)的例子，如圖三(a)所 示，我們假設在 Time 1 節點 A 傳送第一個封包給 B，而在 Time 2，由於 B 不可能同時傳 送與接收的關係，A 無法傳送資料給 B，而在 Time 3，A 和 C 是無法同時傳送的，因為若 A 和 C 同時傳送，在節點 B 會發生碰狀，只有在 Time 4，A 可再進行傳輸，因此我們可預 估最大的效能約只有 1/3。而在圖三(b)，我們分析多重頻道下單一路徑的例子，我們發現在 Time 2，A 仍然無法傳送，因為 B 無法同時進行傳送與接收，但是在 Time 3，如果 A 和 C 能夠使用不同的頻道則 A 可在 Time 3 再一次地進行傳送，因此效能可達 1/2。而在圖三(c) 中，我們分析單一頻道多重路徑的例子，在 Time 2，我們發現 A 和 B 無法同是進行傳送， 這是由於 A 和 B 是競爭者，當其中一個節點成功競爭到頻道使用權後，另外一個人會聽到 贏家的訊號而抑制住自己的傳輸，這裏我們假設 B 取得頻道的使用權，而在 Time 3，A 仍 然可能無法傳送資料給 G 因為 C 所發出的訊號可能會干擾到 G。最後我們分析我們所提出 的多重頻道多重路徑，A 可在 Time 1 利用 Channel 1 傳資料給 B，而繼續地在 Time 2 傳送 給 G，此時只要 B 使用和 A 不同的頻道即可在 Time 2 和 A 一起傳送，因此我們可預期使 用多重頻道多重路徑將大幅地提升效能。因此在 IEEE 802.11-based 網狀網路下，我們的目 的便是要設計中一個能夠使用多重頻道的多重路徑通訊協定。

圖三、理想的封包排程於(a)單一頻道單一路徑，(b)多重頻道單一路徑，(c) 單一頻道多重 路徑，(d) 多重頻道多重路徑的網路環境 而在 IEEE 802.16-based 網狀網路中，我們為了要達到提升網路效能的目的也做了一些觀 察，我們發現在原本 IEEE 802.16 的設計中，每個 SS 會被分配到一個時間傳送，其傳送時 整個網狀網路上的其它 SS 就無法進行傳送，然而這是不必要的，如果一個 SS 其 One-Hop 及 Two-Hop 的其它 SS 都沒有在傳送的話，此 SS 其實是可以傳送的，因此我們需要一個資 源再利用的方法，在此方法下 SS 可盡量地去使用可傳送的時間，以達到提升網路效能的目 的，而我們的目的便是設計出一個資源再利用的方法及相對應的繞路樹建構演算法。

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三、文獻探討

此節我們同樣地分成 IEEE 802.11-based 網狀網路與 IEEE 802.16-based 網狀網路來討論。首

先我們先討論 IEEE 802.11-based 網狀網路下一些既有的文獻，使用多重頻道的鏈結層協定 （含媒介存取層協定）已經被廣泛地討論，相關學術研究發整列表如下，並簡單地分析它 們的優缺點。 協定 [3] [4] [5] [6][7] [8] 頻道數 有限 有限 有限 有限 無限 MAC 協定 需新 MAC 802.11 相 容 802.11 相 容 802.11 相 容 需新 MAC 網路卡數 兩張 均可 單張 多張 單張 時間同步 不需要 不需要 需要 不需要 不需要 演算法 分散式 集中式 分散式 分散式 分散式

應用網路 Ad-Hoc Mesh Mesh Mesh Ad Hoc

表一、使用複數頻道的通訊協定比較

上表列出了相關複數頻道應用在無線網路的範疇，在[8]中假設可用頻道數無限多，此假設 在現實環境中並不合理，[3]為我們於多年前針對隨意網路所提出的媒介存取協定，在[3]中 需要設計一個新的媒介存取層協定(Medium Access Protocol, MAC)，如此就無法使用已經被 廣範使用的 IEEE 802.11 網路介面卡，在[6][7]中網路卡數必須多於一張才能實行，[5]為單 張網路卡，利用不停的切換頻道來提高空間的再使用率，但必需時間同步，是其缺點，[4] 中的演算法是集中式演算法，必須知道整個網路的拓撲。此外適用於多重頻道網路環境下 的繞路協定也被許多文獻所探討，文獻[9]針對多重頻道複數收發器的 IEEE 802.11-based 網 狀網路提出了一個樹狀的繞路演算法，然而使用複數收發器有時在成本的考量下是不可行 的，而文獻[10]結合了頻道分配的議題提出了一個用於多頻道環境的繞路協定 CA-AODV， 然而系統假設一個控制頻道是需要的，因此至少需要兩張網路卡是其缺點。另一個設計適 用於多頻道環境的繞路協定的方法為將原有針對單一頻道環境設計的繞路演算法改良其所 使用的 Metric 使其能適用於多頻道環境，在文獻[11]提出 WCETT (Weighted Cumulative Expected Transmission Time) metric 就有考量繞路路徑上所使用的頻道，然而其並沒有討論 頻道分配的問題。

而在多重路徑的使用上，也已經被許多文獻探討[12][13][14][15][16]。根據有向無迴圈圖

(Directed Acyclic Graph) ，文獻[12]提出的 TORA 可以支援多重路徑繞路，然而其並不保證 路徑的分離。文在文獻[14]中提出的 SMR (Split Multi-path Routing)由於其不會將重複的 RREQ (Route Request)所丟棄，可以做到路徑的分離，然而代價就是會有較多的 RREQ 在網

路上傳送。[15]所提出的 AODVM 可將 AODV 做延伸，其也是依靠較多的 RREQ 來達成， 因此同樣有較高的負擔。文獻[16]所提出的 AOMDV 則使用”Advertised hop count”的概念去 保証不會有迴圈的產生並使用 Flooding 的一個特殊性質去達到鏈結的分離。然而在這些文 獻中都沒有針對多重頻道的網路環境做討論。我們的方法同時則是同時考量了多重頻道與 多重路徑的使用。 而在 IEEE 802.16 網狀網路中，也有許多的議題被討論著，例如文獻[17]討論了拓樸的設計 問題，而文獻[18]則討論了封包的排程問題，文獻[19]則討論了 QOS 的支援問題。在本計 畫中我們是討論 Spectral Reuse 的問題，同時也涉及了繞路與排程的問題，跟我們的方法較 為相關的文獻說明如下。在文獻[20]中一個考慮了干擾的讓路與排程演算法被提出來，但是

此演算法並沒有完全利用到 Spectral Reuse 並且沒有考量使用者 Traffice 的變化（其繞路樹

是固定不變的）。文獻[21]討論一個新的 SS 如何加入現有的樹中，但是並沒有討論排程問 題。而文獻[22]中指出繞路樹的形成會跟網路的效能有極大的關係，因此其考慮了繞路樹的 重建，然而其沒有考量使用者的需求。相較於之前的文獻，我們提出了一個資源分配的方 法，而我們也發現資源分配的好壞會跟使用的繞路樹有密切的關係，因此我們也提出了一 個建繞路樹的演算法結合前述的資源分配方法，以改善 IEEE 802.16-based 網狀網路的效 能。各方法的比較可參考表二。 表二、既有文獻與所提出資源分配方法的比較

四、研究方法

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出來的將空間切割成格子狀(Grid) ，一個 Grid 都會被分配到一個頻道，如圖五所示：

圖五、Grid-based 頻道分配法，圖 a 的總頻道數為 9，圖 b 的總頻道數為 14

藉由事先就將空間上所應該使用頻道分配好，我們可以盡可能地確保空間中頻道的再使用 率(Spatial Reuse)，而這個方法有一個很重要的議題就是 Grid 的大小問題，我們認為 Grid 的大小會跟節點的傳輸範圍 (Transmission Range) 有關，我們假設一個 Grid 的大小為 (d×d) ，節點的傳輸範圍為 r。我們針對不同的 r/d ratio 測量其效能。實驗的結果可於附錄 一中查詢到。

在解決完 Channel Assignment 的問題之後，我們也提出了一個相對應的媒介存取層協定 (MAC Protocol)，此協定有點類似於我們之前所提出的 Multi-Channel Mac Protocol[3] ，然 而在頻道的選擇方面，我們採用了直接在空間上分配好頻道使用的方法，以提高空間中頻 道的再使用率(Spatial Reuse) 。此方法的細結與效能可於附錄一中查詢。 相容於 IEEE 802.11 的鏈結層媒介存取機制 由於我們之前所提出適用於多頻道環境的通訊協定（包含前面所提的 Grid-based Channel Assignment），大多需要修改到媒介存取層協定，也就是網路介面可能需要重新的設計，這 和已經相當普及的 IEEE 802.11 WLAN 是有所抵觸的（因為使用者無法在使用原本的網路 卡，而必須再另外購買新的網路介面卡），因此我們也試著提出一個能相容於 IEEE 802.11 的鏈結層媒介存取機制，並試著將此協定透過只需要更改網路卡驅動程式的方式於 Linux 平台上實作此機制。下面將先簡單地敘述我們所設計的通訊協定，之後會說明設計此協定 時，哪些議題是要考量的，最後我們會敘述一下我們實作的方法。

我們發展了一套適用於無線網狀網路(Wireless Mesh Network)，而可實作在鏈結層(Link layer)上使用複數頻道的頻道管理協定(Channel Management Protocol)，這是一個以接收端的

頻道(Receiver-based)做為傳輸頻道的方法，主要想是假設當有一個存取點(Access Point)A 要 傳送資料給另一個存取點 B 時，A 就要切換到 B 所使用的頻道上進行通訊。我們假設每個 存取點都會分配到一個接收頻道(receiving channel)，此頻道應該與存取點的鄰居(Neighbors) 所使用的接收頻道(receiving channel)要盡量的不同。如圖六，存取點 A,B,C,D,E,F 都盡量的 使用不同的頻道做為接收頻道(receiving channel)，例如 A 使用 Channel 3，B 使用 Channel 5，C 使用 Channel 4 等，假如 B 要傳輸資料給 A，會用 Channel 3 去傳輸資料，同時 C 要 傳資料給 D，會用 Channel 1 去傳輸，所以在同一個鄰居區內，CD 和 AB 的傳輸會用不同 的頻道，而降低干擾使網路吞吐量(Throughput)增加。 圖六、接收頻道示意圖 接收端為主(receiver based)的設計會產生一個問題，如果存取點 A 要傳送資料給存取點 B， A 會切換到 B 的接收頻道(receiving channel)上，但假設此時 B 也正要傳送資料給 C，則 B 會切換到 C 的接收頻道(receiving channel)上，如此有可能形成死結(deadlock)的情形，為此 我們加進“分時＂的概念，我們把每個存取點的時間軸切成一個一個的時槽(time slot)，我 們假設每個存取點的時槽的開始是同步的，並設定每 k 個時槽為一個週期(cycle)，然後重 覆這 k 個時槽。在這 k 個時槽裡，每個存取點（假設為 A）需指定好那些時槽是用來傳送 資料給其它存取點，那些時槽是用來接收其它存取點所送過來的資料，然後把這個資訊廣 播給其鄰居（假設為 B），當 B 收到這個資訊時，B 就能知道 A 的時槽使用情況，如此 B 有資料要傳送給 A 時，B 能夠知道 A 何時可接收資料，何時不能接收資料，當然 B 會選擇 A 可接收資料的時槽傳送資料給 A，除了傳送時槽、接收時候和廣播時槽外，我們還選了 一個接收時槽當固定式接收時槽(Fixed Receiving Slot)，因為我們可以動態改變排程，所以 接收時槽可能轉變為傳送時槽，為了不讓所有的時槽都變成傳送時槽，固定式的接收時槽 是不能變成傳送時槽的，至於固定式接收時槽的選取，也是在鄰居區內要盡量不同。

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圖七、Channel Model

如圖七：在這個例子中 k 值為 7，當存取點 B 要傳送資料給 A，因為 B 有收到 A 的廣播說 A 的時槽 3,4,5 是用來接收資料的時槽，因此 B 要送資料給 A 時，B 會利用時槽 3,4,5 將頻 道切換到 A 的接收頻道(receiving channel)，在此例中為 Channel 3，來進行資料的傳輸。 另外要解決的問題是廣播(Broadcast)的問題，在複數頻道(Multi-channel)的網路環境下，因 為每個存取點可能正使用不同的頻道，如何做有效率的廣播就是一個問題，相關研究中廣 播的方法大多是複製多個廣播封包(Broadcast Packet)在每個頻道都廣播出去，以便確保鄰居 都能接收到此廣播封包，我們所採取的做法是選擇第一個時槽裡當成廣播時槽(broadcast slot)，在這個廣播時槽裡，頻道會切換到一個大家共同的頻道，其目的就是要把所有的存 取點在這個時候同時切換至此共同頻道上，如此一來，所有的存取點便能同時接收或傳送 廣播封包，因為我們並沒有改變 IEEE 802.11 的 MAC 協定，所以這時的接收和傳送是經由 IEEE 802.11 的競爭機制在傳送。這樣做的好處在於每一次的廣播只需廣播一次便所有的存 取點都接收的到，並不需要在每個頻道上做廣播的動作，也不需要複製多個廣播封包。有 人會問：「這樣不是會造成頻道擁塞(channel congestion)？因為這個時候所有的存取點都切 換到這個頻道上，造成封包過多超過這個頻道所能負荷的量。」我們想這是可以避免的， 因為我們定義的一個週期的時槽數可經由廣播封包和一般封包的比例來設定，廣播時槽可 以在一個週期不一定只有一個，可以有兩個或三個，可視這個網路的特性去調整這個參數。 廣播時槽帶來的好處還不只這些，在複數頻道上同步是有困難的，因為所有的人不在相同 的頻道上，有了這個廣播時槽，順使可以在這個時槽發送信號彈(beacon)來達成時間同步的 效果。 我們所提出的頻道管理協定，會衍生出一些待解決的議題如下：第一，如何決定每個存取 點的接收頻道(receiving channel)？第二，如何分配每個存取點傳送時槽(sending slot)和接收 時槽(receiving slot)的比例？第三，如何分配傳送時槽和接收時槽的順序？第四，進入某個 傳送時槽時，要選擇傳送給那一個鄰居才不會造成不公平？針對這些議題我們分別設計了 一些簡單的演算法去解決，詳細的演算法可在附錄二中查閱。而我們將演算法設計得較為

簡單的目的是為了可實作的考量，我們去修改網路卡的驅動程式以便將我們所設計的通訊 協定實作出來，下面將針對我們實作的部份做一個簡單的描述。

為了在真的環境上面實作，我們去找尋有公開原始碼的驅動程式(Open Source Driver)， Atheros 有公開晶片 Linux 驅動程式的原始碼，使用 Atheros 晶片的網卡都可以使用這個驅 動程式來驅動。所以我們選擇了幾台筆記型電腦，每台上面均裝有 D-link DWL-AG650 的 網路卡，它是使用 Atheros 的晶片，這讓我們可以修改公開的原始碼來把我們的管理協定實 作在上面。

圖八、實測環境

圖八為我們實作的環境，我們利用這些筆記型電腦當成是一個個的存取點，讓它們形成隨 建即連網路(Ad-Hoc Network)，並固定其位置模擬無線網狀網路(Mesh Network)，無線網狀 網路和隨建即連網路有很大的共通性，差別在於無線網狀網路有閘道可以連上網際網路 (Internet)，且無線網狀網路沒有行動性(Mobility)，我們讓這些筆記型電腦模擬一個無線網 狀網路的雛形(Prototype)來當成我們要的環境。

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圖九為我們的介面，為了便於展示我們的系統，我們開發了此一介面，利用此介面我們可 以觀看每台筆記型電腦使用頻道的狀況、收送封包的狀況等等，同時我們也可利用此介面 去做送封包的動作，次外我們也做了一些簡單的實驗來證明使用複數頻道的確可以帶來好 處，詳細的實驗方法與數據可參閱附錄二。

在第二年我們針對 IEEE 802.11-based 網狀網路與 IEEE 802.16-based 網狀分別了提出了改進 網路效能的方法，因此我們會分小節來分別討論針對 IEEE 802.11-based 網狀網路提出的多 重頻、道多重路徑繞路協定與針對 IEEE 802.16-based 網狀網路提出的資源分配方法與繞路 樹建構演算法。 IEEE 802.11 網狀網路下利用多重頻道的多重路徑繞路協定 我們所提出的多重頻道多重路徑繞路協定是一跨層的設計，其結合了鏈結層與網路層，而 此繞路協定主要有四個功能： 1. 此協定會決定每個節點所使用的接收頻道，以配合多重頻道環境 2. 此協定會幫每個節點建立兩條到閘道器的路徑 3. 此協定會幫每個節點決定其 Super-frame 的時槽分配 4. 此協定會依具每個節點的需求，動態調整傳送時槽與接收時槽的比例 其中(3)和(4)屬於鏈結層的問題，(1)和(2)屬於繞路的問題。我們將先介紹鏈結層部份的設計。 在鏈結層部份我們假設封包在傳送時，是類似於 TDMA 的方式，以一個時槽一個時槽的方 式進行，因此我們定義了 Super-frame 如圖十所示，第一個時槽是用來做廣播之用，後面的 部份則是用來傳送資料，其中後面的時槽又分為傳送時槽與接收時槽，每個節點會分配到 一個接收頻道，它會在自己的接收時槽使用接收頻道去接收封包，而當它想要傳送資料給 其它節點時，它會利用自己的傳送時槽及對方的接收頻道傳送資料給對方，圖十一為一個 例子，T 表示傳送時槽，R 表示接收時槽，數字則為所使用的頻道。 圖十、Super-frame

圖十一、傳送時槽、接收時槽與接收頻道的例子 為了要和之後的繞路協定配合，我們將 Super-frame 中傳單播資料更進一步地分成兩部份， 每一部份會有一個樣式，TF 指的是傳送時槽會在接收時槽之前，RF 指的是接收時槽會在 傳送時槽之後，如圖六所示，因此整個 Super-frame 會有四個樣式，分別為 TF-TF, RF-RF, TF-RF, RF-TF，之後繞路協定的部份會說明每個節點如何決定自己的樣式。 圖十二、TF 與 RF 樣式 此外根據上下傳流量的不同，我們也設計了一個調整傳送時槽與接收時槽個數的演算法， 並討論如何重排傳送與接收時槽，使得傳輸延遲可以降低，最後並討論如何在鏈結層建構 一個佇列來進行封包的傳送，這些都是較細節的問題，詳細的演算法可在附錄三中查知。 而在繞路協定部份，首先我們要討論的是接收頻道的選擇，一個節點選頻道的原則是採用 Two-Hop Neighbors 中最少人用的頻道，如圖十三所示，節點 A 會選擇 Channel 3 去使用。

17

圖十三、接收頻道的選擇例子

而在繞路協定最重要的就是路徑的尋找，我們設計了一個 GREQ (Gateway REQuest) 封包 做路徑的搜尋，GREQ 的格式如圖十四所示，而其它節點在收到 GREQ 後會根據自己是否 知道通往閘道器的路以及自己距離閘道器的距離來決定該如何處理此 GREQ，處理的演算 法為圖十五所示，而演算法的細節可參閱附錄三。而圖十六則顯示了一個例子。

圖十四、GREQ 格式

當 GREQ 最後被閘道器收到時，一個節點可能可以發現有超過兩條的路徑到閘道器，閘道

器所選出兩條，一條為主路徑(Master Path)，另一條則為副路徑(Slave Path) ，主路徑與副 路徑的選擇會考慮 (1) 兩條路徑的共同節點數，共同節點數當然是要越少越好， (2) 頻道 競爭狀況，由於多重頻道的使用，頻道的競爭應該要越小越好，(3) 訊號的強度，跟一般的 繞路協定一樣，我們仍需考慮路徑的穩定度。最後閘道器會選出最好的兩條。

圖十五、GREQ 處理演算法

19 在繞路協定的最後部份就是要決定 Super-frame 的樣式，樣式要依據所選出的主路徑與副路 徑來決定，例如如圖十七所示，當主副路徑的長度差是偶數時，與長度差是奇數時，我們 需採用不同的樣式，以確保一個節點可和其路徑上的父節點與子節點通訊正常，此部份的 詳細細節可參閱附錄三。 圖十七、Super-frame 樣式的決定，副路徑長度差為(a)偶數(b)奇數

針為 IEEE 802.11-based 網狀網路所提出的多重頻道多重路徑協定，我們也使用了 NCTUns Network Simulator 2.0 [23]來進行模擬，圖十八為模擬的結果之一，我們可發現多重頻道搭 配多重路徑的確可提升網狀網路的效能。

圖十八、多重頻道多重路徑協定模擬結果

IEEE 802.16 網狀網路下資源分配問題與繞路演算法設計

在前一節中我們討論 IEEE 802.11-based 網狀網路，而在這一節中我們則將重心放在 IEEE 802.16-based 網狀網路，我們提出了一個 Spectral Reuse 的架構，圖十九顯示了在 BS 中我 們所提出的系統模組，此模組包含了一個繞路(Routing)模組與排程(Scheduling)模組，繞路 模組會去收集頻道的狀況與使用者對於頻寬的需求而建構出一個繞路樹，而排程模組會接 著進行資源的分配，包含了 Channel-Level 的排程與 Link-Level 的排程，Channel-Level 的排 程主要是討論上傳與下載的頻寬比該如何決定，而 Link-Level 的排程則是說明時槽如何分

配給 SSs。

圖十九、BS 中的系統模組

資源分配與排程：這部份需分成兩方面討論，首先討論 Channel-Level 排程，由於 Channel 的存取使採用 TDD (Time Division Duplex)方式，我們必須決定上傳(Uplink)與下載

(Downlink)的比例，如圖二十所示，我們發現在原本 IEEE 802.16 的設計中，每個 SS 會被 分配到一個時間傳送，其傳送時整個網狀網路上的其它 SS 就無法進行傳送，當資源無法重 複利用時，上傳下載的比例就是採用 d Total u Total C C / （此式考慮了網路上所有的點），然而這是 不必要的，如果一個 SS 其 One-Hop 及 Two-Hop 的其它 SS 都沒有在傳送的話，此 SS 其實 是可以傳送的，因此我們需要一個資源再利用的方法，在此方法下 SS 可盡量地去使用可傳 送的時間，以達到提升網路效能的目的，而我們的目的便是設計出一個資源再利用的方法 及相對應的繞路樹建構演算法。，而當資源能夠在不被干擾情況下被再利用時，我們可將 比例調整成 u d C C_max/ _max，（其中 u C_max與 d

C_max就是考慮 One-Hop 與 Two-Hop 的 SS 的情況下會

遇到瓶阱的點的最大傳送時間，由於不是考慮所有網路的點，因此代表資源可被再利用）， 詳細的符號定義與數學式可參閱附錄四。

21

圖二十、Time Division Duplex (TDD) Framing

接著是討論 Link-Level 排程，我們將一個 SS 可用的時槽分成兩部份，第一部份是原本就要 分配給此 SS 的時槽也就是 ( / u ) Total u i C T N× 這部份，我們稱為 Phase I，這部份在分配時有一 個原則是子 SS (Child)所分配的時槽必須在父 SS (Parent)所分配時槽前面，如圖二十一的例 子，由於有子節點需要在父節點前的這個特性，資料在此部份時槽傳送可降低延遲，因此 此部份適合用來傳送即時性(Real-Time)資料，另一部份由於 SS 可在其 One-Hop 與 Two-Hop

鄰居都沒傳送時獲得一些額外的時槽，也就是 ( / _max / u ) Total u i u u i C T C T N× − 的部份，這部份(稱

為 Phase II)在安排上就沒有子父節點的順序關係，適合拿來送送 Best-Effort 或非即時性資 料。圖二十二顯示 Link-Level 排程演算法，詳細的數學式則可參閱附錄四。

圖二十二、Link-Level 排程演算法

繞路模組：前面所提的排程模組，其效能會由一個參數( u

C_max)決定，而我們發現繞路樹的好

壞會影響此參數的值，因此我們亦提出一個繞路樹的建構演算法，首先我們定義了此問題 下，我們並證明其為 NP-Complete。

Theorem: The routing tree construction problem is NP-complete.

證明的過程可參閱附錄四，因此我們提出一個以 Bottom-up 的方式的 Heuristic 演算法，在 此演算法中我們將使用者的資料量考量進去，因此是一個 Load-aware 的繞路演算法，整個

23

最後我們也用 NS-2 [24]證明我們所提出的方法的確可改善 IEEE 802.16-based 網狀網路的效 能。圖二十三顯示了部份實驗結果。

多速率隨意式網路下頻譜再使用的路由吞吐量分析 首先，我們提出我們探討的系統模型，如圖二十四(a)所示: 圖二十四、系統概觀 整個網路由六邊形的細胞(cell)網路所構成，在 x 軸座標上的節點標示成(x,0)，在 y 軸座標 上的節點標示成(0,y)，我們把時間切割成適當的小單位，讓每個節點的移動看成可分解的 動作，節點從某一個細胞節點開始移動時，往任何方向移動的機率都是相同的 (也就是說 往六邊形每個方向的機率都是 1/6)。我們更進一步將網路做切割成多個層次，細胞節點(0,0) 代表 layer-0，細胞節點(0,0)代表 layer-1，其它以此類推，對於一個 layer n 來說，總共有 3n2+3n+1 個節點屬於同一個 layer。

圖二十五、移動向量

我們利用移動向量來表示一個節點的移動情況，移動向量如圖二十五所示，當一個節點從 (x,y) 移動到 (x’,y’)的時候，我們用一個向量 <x’-x, y’-y> 來表示節點移動，例如一個節點 由座標(0,1) 移動到 (3,1) 再移動到(7,-3) 時，此節點的移動向量分別表示成

25 [<3,0>,<4,-4>]。經由上述的移動向量模組，我們可以計算出當一個節點初始位置在(x,y)， 經過一個時間單位後，此節點移動到(x’,y’)的機率，整個機率分佈如圖二十六所示: 圖二十六、節點從(x,y)移動到(x’,y’)的機率 我們可以發現當某一節點從(x,y)經過一個時間點之後，移動到(x’,y’)時，共有 19 種可能的 (x’,y’)。 接著我們開始討論我們提出的路由吞吐量分析，我們的目標是希望在路由已由的狀況下， 去計算從起點到終點的路由吞吐量。首先我們先假設在一個 7 layer 的網路環境下，節點的 傳輸半徑為 5 layer，剛開始節點是位於(0,0)的位置，節點的狀態傳輸圖如圖二十七所示: 圖二十七、狀態傳輸圖

圖二十七的整個狀態轉換可以用一個矩陣 M 來表示，如圖二十八所示: 圖二十八、狀態矩陣 接著我們考量上述的機率分佈、鏈結存活機率跟路徑存活機率等等因素，推導出對一個路 徑 R 的預期吞吐量函式，函式如圖二十九所示，詳細的推導請參考附錄五。 圖二十九、對某一路徑 R 的預期吞吐量 在圖二十九中，B(R,t) 這個 function 包含了整條 path 上每個節點的傳輸速率等參數， 整個 B(R,t)如圖三十所示: (a) (b) 圖三十、(a) B(R,t) 函式 (b)B(R,t)函式中對多 hop 吞吐量估計

27 除了對路徑的吞吐量提出了一個預估的模組，我們還有分別考量傳輸半徑與干擾半徑等議 題，如圖三十一所示: 圖三十一、路徑的傳輸與干擾區域 圖三十二、部分模擬結果 圖三十二是我們部分的模擬結果。

五、結果與討論

無線網狀網路融合了無線區域網路(Wireless LAN)和隨建即連(Ad Hoc)網路的優勢，同時低 佈建成本也可進一步地促進無線網路的普及，然而其必須能提供足夠的頻寬以滿足使用者 的需求，在此計畫中我們利用多重頻道(multi-channel)、多重天線(multi-antenna)等的方式設 法提高無線網狀網路的效能。

在第一年中我們著重在設計適用於多重頻道環境的通訊協定，首先我們設計了一個 Grid-based 的 Channel Assignment 及其對應的媒介存取層協定，藉由實驗我們發現適當地在 空間上做切割之後再分配頻道的方法的確可提高空間中頻道的再使用率(Spatial Reuse) ，如 此可讓使用多重頻道的好處更進一步地展現出來。然而此方法需要修改原有的網路卡設 計，並不太符合現實面上的考量，因此我們在今年發展了一個相容於 IEEE 802.11 的媒介存 取機制，並在鏈結層上實作出來，最後我們也以實作的平台驗證使用多重頻道的確可提升 網路的效益。

在第二年中我們分別針對 IEEE 802.11-based 網狀網路與 IEEE 802.16-based 網狀網路提出一

個改進的方法。在 IEEE 802.11-based 網狀網路中，為了要提升網狀網路的效能，我們考量

一個使用多重頻道的網路環境，而為了搭配此多重頻道環境，我們認為多重路徑的繞路協 定是需要的，因此我們提出了一個跨越了鏈結層與網路層的多重路徑繞路協定，並用模擬 去證明其效能，而相關的論文也發表在今年國際相當頂級的會議 INFOCOM(26-th Annual

IEEE Conference on Computer Communications, 2007)中。在 IEEE 802.16-based 網狀網路中，

我們則提出了一個資源分配方法並提出一個搭配的繞路樹建構演算法，藉由我們所提出的 方法，一個 SS 可在其 One-Hop 及 Two-Hop 的 SS 不傳送資料時，去利用可用的資源。我 們 同 樣 用 模 擬 證 明 其 效 能 ， 而 相 關 的 論 文 也 發 表 在 今 年 國 際 有 名 的 會 議 VTC(66-th Semi-Annual IEEE Vehicular Technology Conference, 2007-Fall)中。

在第三年中我們針對隨意式網路 (MANET) 設計了一個度量路徑吞吐量的工具，經由模擬 可以證實我們所估計的路徑吞吐量跟實際的吞吐量相當地接近。我們相信用路徑吞吐量來 衡量一條傳輸路徑的好壞，比選用節點數目(hop count)來的更有好處，因為節點數目來建立 路徑的方式無法考量封包遺失率跟每個節點所剩的可用頻寬。這篇論文將發表在期 刊 ”Information Science and Engineering” 上。

本計畫的研究成果如下： 第一年:

Y.-C. Tseng, S.-L. Wu, C.-M. Chao, and J.-P. Sheu, “An Efficient MAC Protocol for Multi-Channel Mobile Ad Hoc Networks Based on Location Information”, Int’l

Journal Communication Systems, Vol. 19, 2006, pp. 877-896. (SCI)

陳威碩，“IEEE 802.11 無線網狀網路之分散式時槽分割式多重頻道協定＂， 碩士論 文(指導教授：曾煜棋教授)，民國九十五年六月

第二年

W.-H. Tam and Y.-C. Tseng, “Joint Multi-Channel Link Layer and Multi-Path Routing

Design for Wireless Mesh Networks”, IEEE INFOCOM, 2007.

L.-W. Chen, Y.-C. Tseng, D.-W. Wang, and J.-J. Wu, “Exploiting Spectral Reuse in

Resource Allocation, Scheduling, and Routing for IEEE 802.16 Mesh Networks”, IEEE

VTC, 2007-Fall.

29

L.-W. Chen, W. Chu, Y.-C. Tseng, and J.-J. Wu, "Route Throughput Analysis with Spectral Reuse for Multi-Rate Mobile Ad Hoc Networks", Journal of Information Science and Engineering, to appear. (SCIE, EI)

六、參考文獻

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31

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附錄一：

An Efficient MAC Protocol for

Multi-Channel Mobile Ad Hoc

Networks Based on Location

Information

Y.-C. Tseng, S.-L. Wu, C.-M. Chao, and J.-P. Sheu, “An

Efficient MAC Protocol for Multi-Channel Mobile Ad

Hoc Networks Based on Location Information”, Int’l

Journal Communication Systems, Vol. 19, 2006, pp.

An Efficient MAC protocol for

Multi-Channel Mobile Ad Hoc Networks

Based on Location Information

∗

Yu-Chee Tseng

, Shih-Lin Wu

, Chih-Min Chao

, and Jang-Ping Sheu

_{Department of Computer Science and Information Engineering}

National Chiao-Tung University, Taiwan

_{Department of Electrical Engineering}

Chang Gung University, Taiwan

3

_{Department of Information Management}

Tamkang University, Taiwan

4

_{Department of Computer Science and Information Engineering}

National Central University, Taiwan

Email: [email protected]

Abstract

This paper considers the channel assignment problem in a multi-channel MANET environment. We propose a scheme called GRID, by which a mobile host can easily determine which channel to use based on its current location. In fact, following the GSM style, our GRID spends no communication cost to allo-cate channels to mobile hosts since channel assignment is purely determined by hosts’ physical locations. We show that this can improve the channel reuse ratio. We then propose a multi-channel MAC protocol, which integrates GRID. Our protocol is characterized by the following features: (i) it follows an “on-demand” style to access the medium and thus a mobile host will occupy a channel only when necessary, (ii) the number of channels required is independent of the net-work topology, and (iii) no form of clock synchronization is required. On the other hand, most existing protocols assign channels to a host statically even if it has no intention to transmit [3, 10, 12], require a number of channels which

is a function of the maximum connectivity [3, 8, 10, 12], or necessitate a clock synchronization among all hosts in the MANET [12, 27]. Through simulations, we demonstrate the advantages of our protocol.

Keywords: channel management, communication protocol, location-aware protocols,

medium access control (MAC), mobile ad hoc network (MANET), mobile computing, wireless communication.

1

Introduction

A mobile ad-hoc network (MANET) is formed by a cluster of mobile hosts without the infrastructure of base stations. Two mobile hosts can communicate with each other indirectly in a multi-hop manner. Since no base station is required, one of its main advantages is that it can be rapidly deployed. The applications of MANETs appear in places where pre-deployment of network infrastructure is difficult or unavailable (e.g., fleets in oceans, armies in march, natural disasters, battle fields, festival field grounds, and historic sites).

A MAC (medium access control) protocol is responsible of resolving the communi-cation contention and collision among hosts. Many MAC protocols have been proposed for wireless networks [4, 7, 13, 15, 20, 21], which assume a common channel shared by mobile hosts. We call such protocols single-channel MAC protocols. The widely ac-cepted standard IEEE 802.11 [1] follows such model. One common problem with such protocols is that the network performance will degrade quickly as the number of mobile hosts increases, due to higher contention/collision.

One approach to relieving the contention/collision problem is to utilize multiple channels. The idea of using separate control and data channels was first proposed in [28]. We thus define a multi-channel MAC protocol as one which allows mobile hosts to dynamically access more than one channel in a MANET environment. Us-ing multiple channels has several advantages. First, while the maximum throughput of a single-channel MAC protocol will be limited by the bandwidth of the channel, the throughput may be increased immediately if a host is allowed to utilize multiple channels. Second, as shown in [2, 25], using multiple channels will experience less normalized propagation delay per channel than its single-channel counterpart, where

the normalized propagation delay is defined to be the ratio of the propagation time over the packet transmission time. Therefore, this reduces the probability of collisions. Third, QoS routing may be supported [22].

Here, we use “channel” upon a logical level. Physically, a channel can be a frequency band (under FDMA), or an orthogonal code (under CDMA). How to access multiple channels is thus technology-dependent. Disregard of the transmission technology, we categorize mobile hosts’ channel access capability as follows:

• single-transceiver: A mobile host can only access one channel at a time. The transceiver can be simplex or duplex. Note that this is not necessarily equivalent to the single-channel model, because the transceiver is still capable of switching from one channel to another.

• multiple-transceiver: Each transceiver could be simplex or duplex. A mobile host can access multiple channels simultaneously.

In this paper, we propose a new multi-channel MAC protocol for a MANET in which each mobile host is equipped with a positioning device, such as GPS. A multi-channel MAC typically needs to address two issues: channel assignment and medium access. The former is to choose proper channels to send/receive for hosts, while the later is to resolve the contention/collision problem when using a particular channel. These two issues are sometimes addressed separately, but eventually one has to integrate them to provide a total solution. Our channel assignment, called GRID, is characterized by two features: (i) it exploits location information by partitioning the physical area into a number of squares called grids, and (ii) it does not need to transmit any message to assign channels to mobile hosts since channel assignment is purely determined by a host’s physical location. Several channel assignment schemes have been proposed earlier [8, 9, 12, 25, 27], but none of them try to exploit the location information. Our medium access protocol is characterized by the following features: (i) it follows an “on-demand” style to access the medium and thus a mobile host will occupy a channel only when necessary, (ii) the number of channels required is independent of the network topology, and (iii) no form of clock synchronization is required. On the other hand, most existing protocols assign channels to a host statically even if it has no intention to

transmit [3, 10, 12], require a number of channels which is a function of the maximum connectivity [3, 8, 10, 12], or necessitate a clock synchronization among all hosts in the MANET [12, 27]. A centralized scheme is proposed in a recent work [34]. Similar to hexagonal cellular systems, all channel assignment in a cell is controlled and allocated by the cell leader located at this cell. Since a cellular structure is assumed, location information is needed by each station. Contrary to [34], our GRID scheme is fully distributed and no traffic overhead is incurred for channel allocation. A detail review will be given in Section 2.1. For an overview, Table 1 gives a comparison on existing and our protocols.

Since a MANET should operate in a physical area, it is very natural to exploit location information in such an environment. Indeed, location information has been exploited in several issues in MANET (e.g., routing [11, 14, 16, 17, 18, 19, 24, 33], broadcasting [26], and power saving [30]), but not in channel assignment. GSM (Global System for Mobile Communications) is an instance which uses location information to exploit channel reuse, but MANET has quite different features — there is no base station, and thus channel assignment has to be done more dynamically in an in-band manner. Since the concept of “channel reuse” is highly related the area where a channel is used, exploiting location information, as we do in this work, on channel assignment could effectively solve this problem.

Outdoor positioning can be solve satisfactorily by GPS (global positioning systems) or DGPS (differential GPS). Both the price drop of GPS and the recent discontinuation of SA (Selective Availability) motivate us to conduct this research. However, for indoor positioning there is no satisfactory solution at this point.

The rest of this paper is organized as follows. Section 2 discusses some existing channel assignment schemes and our GRID scheme. Section 3 presents our MAC pro-tocol by integrating the GRID assignment. Analysis and simulations are in Section 4. Conclusions will be drawn in Section 5.

2

Channel Assignment

As mentioned earlier, a multi-channel MAC needs to address two issues: channel as-signment and medium access. In this section, we will consider the channel asas-signment problem. We will first review some existing protocols, which are all non-location-aware. Then we will present our location-aware channel assignment.

2.1

Non-Location-Aware Schemes

In this section, we review some channel assignment schemes that do not utilize the location information of mobile hosts. These schemes can be further divided to static and dynamic. The simplest static approach is to assign channels to mobile hosts when the system is first set up. For instance, channel i can be statically assigned to those hosts with ID’s such that i = ID mod n (supposing that we number channels as 0, 1, . . . , n − 1).

A scheme based on Latin square is proposed in [12], which assumes a TDMA-over-FDMA technology. Each channel is divided into fixed-length frames. Each host is statically assigned to a time slot in each frame belonging to a frequency band. Since TDMA is used, clock synchronization among all hosts is necessary. Furthermore, each host has to be equipped with a number of transceivers equal to the number of frequency bands, so this approach is quite costly. Also, this scheme needs to know in advance the maximum number of mobile hosts as well as the maximum degree of the topology formed by the MANET.

The schemes in [3, 5, 6, 10, 23] are for channel assignment in the traditional packet radio network. Partial or even complete network topology has to be collected to perform channel assignment. These approaches can basically be classified as static, although some can handle dynamic failure of base stations. Since these schemes are not designed for MANET, which is typically characterized by high host mobility, they do not fit our need.

A protocol based on dynamic channel assignment is in [8]. It is assumed that the channel assigned to a host must be different from those of its two-hop neighbors. To maintain this condition, a large amount of update messages will be sent whenever a

host determines any change on channel assignment in its two-hop neighbors. This is inefficient in a highly mobile system. Further, this protocol is “degree-dependent” in the sense that it dictates a number of channels equal to an order of the square of the maximum degree of the MANET. So the protocol is inappropriate for a crowded environment.

A “degree-independent” protocol called multichannel-CSMA protocol is proposed in [25]. Suppose that there are n channels. The protocol imposes that each mobile host must have n receivers which concurrently listen on all n channels. Also, there is only one transmitter which will hop from channel to channel and, if necessary, will send on any detected idle channel. Again, this protocol has high hardware cost. Further, since no RTS/CTS is used, the hidden-terminal problem may easily occur. A hop-reservation MAC protocol based on very-slow frequency-hopping spread spectrum is proposed in [27]. Its channel assignment employs RTS/CTS dialogue to reserve a channel. The protocol is also degree-independent but requires clock synchronization among all mobile hosts, which is difficult when the network is dispersed in a large area. Recently, Wu et al. [31] propose a new protocol, called Dynamic Channel Assign-ment (DCA), which possesses the following characters: (i) it follows an “on-demand” style to access the medium and thus a mobile host will occupy a channel only when necessary, (ii) the number of channels required is independent of the network topology, and (iii) no form of clock synchronization is required. DCA uses one dedicated channel for control packets, and other channels for data. The purpose of the control channel is to assign data channels to mobile hosts or schedule the use of data channels among hosts’ while data channels are used to transmit data packets and acknowledgements. Reference [32] combines DCA and power control to further improve channel reuse. However, because there is no location information, DCA cannot maintain an efficient channel reuse pattern.

In Table 1, we summarize and compare existing schemes with our yet-to-be-presented GRID scheme.

Table 1: Comparison of channel assignment schemes (n is the number of hosts, and m is the maximum network degree.

scheme assignment no. channels info. collected loc.-aware assgn. cost transceivers

[3, 5, 6, 10, 23] static deg.-dep. global no O(nk), k ≥ 2 1

[12] static deg.-dep. none no 0 m

[8] dynamic deg.-dep. 2-hop no O(n3) 2

[25] dynamic deg.-indep. none no 0 m

[27] dynamic deg.-indep. none no O(n) 1

ours dynamic deg.-indep. none yes 0 2

2.2

Our Location-Aware Channel Assignment: GRID

Next, we introduce our location-aware channel assignment scheme. The MANET envi-ronment is the same, except that each mobile host must be installed with a positioning device, such as GPS receiver. So our protocol is more appropriate for outdoor envi-ronment. As will be seen later, our approach will assign a channel to a host once the host knows its current location. As a result, in addition to the positioning cost, there is no communication cost for our channel assignment (no message will be sent for this purpose).

We will refer to our scheme as GRID. The MANET is assumed to operate in a pre-defined geographic area. The area is partitioned into 2D logical grids as illustrated in Fig. 1. Each grid is a square of size d × d. Grids are numbered (x, y) following the conventional xy-coordinate. To be location-aware, a mobile host must be able to determine its current grid coordinate. Thus, each mobile host must know how to map a physical location to the corresponding grid coordinate.

Our channel assignment works as follows. We assume that the system is given a fixed number, n, of channels. For each grid, we will assign a channel to it. When a mobile host is located at a grid, say (x, y), it will use the channel assigned to grid (x, y) for transmission. One can easily observe that if we assign the same channel to two neighboring grids, then there will be high chance that the transmission activities on these two neighboring grids will contend, or even interfere, with each other. Thus, we should assign the same channel to grids that are spatially separated by some distance, but will exploit the largest frequency reuse.

Figure 1: Assigning channels to grids in a band-by-band manner: (a) n = 9 and (b) n = 14. In each grid, the number on the top is the channel number, while those on the bottom are the grid coordinate. Here, we number channels from 1 to n.

The above formulation turns out to be similar to the channel arrangement in the GSM system. In the following, we propose a way to assign channels to grids. Let

m = √n . We first partition the grids vertically into a number of bands such that

each band contains m columns of grids. Then, for each band, we sequentially assign the n channels to each row of grids, in a row-by-row manner. In Fig. 1, we illustrate this assignment when n = 9 and n = 14. It can readily be seen that when n is a square of some integer, each channel will be regularly separated in the area.

2.2.1 Grid Size vs. Transmission Range

Let r be the transmission range of an antenna. Suppose the value of r is fixed. In this section, we discuss an important design issue: the relationship between r and the side length of grids, d. Below, we discuss several possibilities. For simplicity, let’s assume

that m =√n is an integer.

• d  r: This means many hosts will stay in a grid and thus contend with each other on one channel. When d = ∞, this degenerates to the case of one single channel.

Figure 2: The effect of r/d ratio on channel co-interference when n = 25.

• d > 2r/(m − 1): This is the case that the transmission activities from two hosts choosing the same channel will never interfere with each other. As illustrated in Fig. 2(a), hosts A and B (both choosing the same channel) are located in the nearest possible locations, but their signals will not overlap in any location. • d = 2r/m: This is the case that the transmission activities from two hosts which

choose the same channel and which are each located in the center of a grid will not interfere with each other. This is illustrated in Fig. 2(b).

• d = r/m: This represents the minimal value of d such that two hosts (located at the grid centers) using the same channel will not hear each other. This is illustrated in Fig. 2(c). By simple calculus, we can find that each receiver of these two hosts will have a probability of 0.396 being interfered by the signals from the other sender. The value is the ratio of the intersection area that is covered by both hosts A and B to the area that is covered by either host A or host B.

• d ≈ 0: This means that the grid size is infinitely small. This degenerates to the case that a mobile host will randomly choose a channel to transmit its packets, and thus little channel reuse can be exploited.

The above analysis has indicated some tradeoffs. This concept will be captured by the ratio r/d. If the ratio is too large, then the chance of co-channel interference will be high. On the other hand, if the ratio is too small, although co-channel interference can be reduced, the channel reuse will be reduced too since a channel will be unavailable in

Figure 3: Tests of blocked sender-receiver pairs at different r/d ratios: (a) n = 36 and (b) n = 81.

many locations. Thus, we need to carefully adjust the r/d ratio for the best network performance. This will be further investigated through simulations in Section 4.2.

2.2.2 _{Some Experiments on the r/d Ratio}

At this point, it deserves to predict, under ideal situations, how much benefit our location-aware channel assignment can offer over a non-location-aware one. We de-veloped a simple simulation without concerning the details of medium access, such as collision, timing, etc. (this will be explored in Section 4). We simulated an area of

size 1000× 1000. On this area, we randomly generated a sender A and then randomly

generated a receiver B in the circle of radius r = 100 centered at A. A transmitted using a channel selected by two methods: (i) a static one based on host ID (referred to as SCA, static channel assignment), and (ii) our GRID approach. We then repeated this process to generate more sender-receiver pairs. However, for each pair generated, we tested whether this transmission will interfere any earlier ongoing pairs. If so, the current pair will be deleted; otherwise, it will be granted.

Through this ideal experiment, we intend to observe how many more sender-receiver pairs can be generated in the physical area by GRID than SCA. This will verify whether

Figure 4: A snapshot of our experiment in Fig. 3 when n = 36 and r/d = 3.0: (a)

GRID and (b) SCA. The snapshots are taken on a 1000× 1000 area, and each circle

means a sender-receiver pair.

GRID has a better channel reuse. Another important issue we would like to explore here is: what is best ratio r/d to maximize channel reuse?

Fig. 3 shows our first experimental results. The x-axis is the number of sender-receiver pairs generated. The y-axis shows the number of pairs that fail and thus are deleted. For our GRID, we tested different r/d ratios. Fig. 3(a) uses a total number of n = 36 channels, and Fig. 3 (b) uses n = 81. Indeed, some r/d ratios are better than SCA, while some are worse. In Fig. 3(a), we see that the r/d ratios 2.5, 3.0, and 3.5 will outperform SCA, while in Fig. 3(b), the r/d ratios 4.0, 4.5, and 5.0 will outperform SCA.

We conclude from the above experiments that when r/d ≈ √n/2, our GRID will

perform well. The reason is as follows. Let’s consider any channel. At this ratio, it is more likely that we can place most circles (which represent transmission activities of this channel) in a physical area, while incurring the least overlapping among circles (which represents co-channel interference). This is how our GRID can offer better channel reuse. Fig. 4 shows a snapshot in our experiment when n = 36 and r/d = 3.0 on the use of channel 1. Clearly, the placement of circles by GRID is denser and more regular than that of SCA.