無線網狀網路考慮訊號干擾比之頻道分配演算法

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(1)國立高雄大學資訊工程學系研究所碩士論文. 無線網狀網路考慮訊號干擾比之頻道分配演算法 Channel Assignment Based on SIR in Multi-Channel Multi-Radio Wireless Mesh Networks. 研究生：黃國瑋指導教授：嚴力行. 撰博士. 中華民國九十九年六月.

(2) 無線網狀網路考慮訊號干擾比之頻道分配演算法指導教授：嚴力行. 博士. 國立高雄大學資訊工程所. 學生：黃國瑋國立高雄大學資訊工程所. 摘要無線網狀網路中同頻干擾對於網路產出量有著極大的影響，若能降低干擾則能有效提升產出量。在多介面(Multi-radio)多頻道(Multi-channel)的無線網狀網路環境中，如能妥善分配連結所使用的頻道，則能有效的降低干擾。本篇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。傳統的干擾模型建立在干擾半徑的假設上，視連結間的干擾關係為全有或全無。在此模型下保證無干擾的頻道配置為節點著色問題。如果要確保每條實體連結均能運作，則連結兩端的節點均需設定有使用相同的頻道的介面，此配置的頻道可能會因為所受到的干擾程度太強而無法實際運作。我們提出的頻道配置演算法考慮連結的訊號干擾比(Signal-to-Interference Ratio; SIR)，為每個連結詳細計算了在每個頻道所遭受的最大及最小可能干擾程度，以此數值作為頻道分配的次序。為了滿足網路的連通性，我們限制可使用的頻道。模擬實驗的結果顯示，我們所提的方法與傳統頻道配置方法都有相同的連結配置頻道，但是考慮到可能的同頻干擾後，真正可實際運作的連結數目可能反而會比我們的方法所找出的可實際運作連結數目少。我們的方法在較多網路介面的環境中，能有效的降低干擾，減少因干擾過大而無法運作的連結數目。. 關鍵詞：IEEE 802.11s、無線網狀網路、Conflict graph、Signal-to-Interference Ratio. i.

(3) Channel Assignment Based on SIR in Multi-Channel Multi-Radio Wireless Mesh Networks Advisor: DR. Li-Hsing Yen Institute of Computer Science and Information Engineering National University of Kaohsiung Student: Kuo-Wei Huang Institute of Computer Science and Information Engineering National University of Kaohsiung. ABSTRACT In IEEE 802.11s wireless mesh networks, overall throughput will be decreased by co-channel interference between links. To improve throughout and minimize interference, we should carefully assign channels to links in multi-radio and multi-channel wireless mesh networks. We have proposed a new channel assignment scheme in multi-radio and multi-channel wireless mesh networks that can help decrease co-channel interference. In the past, most researches assume protocol model where interference relation between links is binary. With this model, the problem of channel assignment can be transformed to classic node coloring problem in a graph. For a link to function, both ends of the link should have an interface operating on the same channel. However, this requirement may incur interference from neighboring nodes operating on the same channel and result in unusable links. We have proposed an algorithm of channel assignment based on signal-to-interference ratio (SIR). The order of channel assignments for links is based on the degree of interference each link experiences. For reserving connectedness, our algorithm restricts the number of available channels. Simulation results show that, the number of links assigned channels of the proposed approach is equal to the conventional approaches. The number of links in function is more in the proposed approach than in the counterparts. This confirms that the proposed channel assignment algorithm can degrease the number of non-functioning links due to co-channel interference Keywords: IEEE 802.11s, wireless mesh network, signal-to-interference ratio, conflict graph. ii.

(4) 致謝感謝指導教授嚴力行教授，教授總是能給我對於問題不同的思維，且逐步引導我完成研究，並教導我在研究方面的許多知識。特別是在當我面臨問題時，教授的提點與指導，總是能夠讓我從不同的角度去思考，並總能迎刃而解，使得我的論文能夠順利地完成。此外，教授對於論文的重點整理與口頭報告的表達方面的指導也令我受益良多。無論是研究精神或是課業上的教導，都使我獲益匪淺。感謝資工所的所有同學，當我在面對困難與問題時，總是能有耐心的與我互相討論與交流，並能夠協助我解決。也感謝系辦助理淑真在事務上的協助與幫忙。最後，感謝我的雙親。並且能適時的鼓勵我，讓我能夠順利且無後顧之憂的專心完成碩士學位，感謝你們對我的照顧與關愛，讓我能夠有動力完成課業。. iii.

(5) 目錄. 摘要. ........................................................................................................... Abstract ........................................................................................................... 致謝 ........................................................................................................... 圖片目錄 ........................................................................................................... 表格目錄 ........................................................................................................... 第一章簡介.................................................................................................. 第二章背景知識與相關研究...................................................................... 2.1 2.2 2.3 2.4 第三章 3.1 3.2 3.3 第四章. i ii iii v vi 1 5 IEEE 802.11s................................................................................... 5 無線傳輸的特性與傳輸模型.......................................................... 8 相關研究.......................................................................................... 14 拓撲分類與介紹.............................................................................. 20 架構及方法介紹.............................................................................. 22 方法步驟說明.................................................................................. 22 虛擬碼.............................................................................................. 34 舉例說明.......................................................................................... 38 模擬實驗.......................................................................................... 42 實驗設定與結果.............................................................................. 45 結論.................................................................................................. 51. 4.1 第五章參考文獻 ........................................................................................................... 53. iv.

(6) 圖片目錄. 圖 2.1 圖 2.2 圖 2.3 圖 2.4 圖 2.5 圖 2.6 圖 2.7 圖 2.8 圖 2.9 圖 2.10. 基礎架構型無限網路架構.................................................................. 隨意型無線網路架構圖...................................................................... IEEE 802.11s 無線網狀網路架構圖.................................................. 傳輸半徑與干擾半徑對通訊影響範例.............................................. Connectivity Graph............................................................................ Conflict Graph.................................................................................... 干擾半徑增加後之 Conflict Graph................................................... 節點著色問題解決頻道分配範例...................................................... 節點著色問題解決頻道分配結果...................................................... JMM 頻道切換範例............................................................................. 圖 2.11 圖 2.12 圖 2.13 圖 2.14 圖 2.15 圖 3.1 圖 3.2 圖 3.3 圖 4.1 圖 4.2 圖 4.3 圖 4.4 圖 4.5 圖 4.6 圖 4.7 圖 4.8 圖 4.9 圖 4.10. 混合式切換頻道協定.......................................................................... 16 不同頻道分配結果對拓撲的影響...................................................... 16 Physical Topology............................................................................... 20 Network Topology............................................................................... 20 SIR Topology....................................................................................... 21 方法說明範例之 Physical Topology................................................... 24 SIR 計算干擾圖................................................................................... 25 網路卡介面分配完畢之更新矩陣範例.............................................. 29 頻道分配實驗流程圖.......................................................................... 43 SIRthreshold 範例..................................................................................... 44 不同頻道分配方法在網路介面個數為 2 時的 SPLR 值.................... 45 不同頻道分配方法在網路介面個數為 6 時的 SPLR 值.................... 46 不同頻道分配方法在網路介面個數為 12 時的 SPLR 值.................. 47 不同頻道分配方法在可用頻道數為 3 時的 SPLR 值........................ 47 不同頻道分配方法在可用頻道數為 6 時的 SPLR 值........................ 48 不同頻道分配方法在可用頻道數為 12 時的 SPLR 值...................... 49 不同頻道分配方法改變 SIRthreshold 的 SPLR 值................................. 50 不同頻道分配方法改變傳輸半徑的 SPLR 值................................... 50. v. 5 6 7 9 10 10 11 11 12 15.

(7) 表格目錄表 3.1 表 3.2 表 3.3 表 3.4 表 3.5 表 3.6 表 3.7 表 3.8 表 3.9 表 3.10 表 3.11. 節點間的接收信號強度值.................................................................. 頻道 1 的 U1 矩陣.................................................................................. 頻道 1 的 M1 矩陣................................................................................. 頻道 1 的 N1 矩陣.................................................................................. 頻道 1 的 C1 矩陣.................................................................................. 頻道 1 的 L1 矩陣.................................................................................. 頻道 1 的更新 U1 矩陣.......................................................................... 頻道 2 的更新 U2 矩陣.......................................................................... 頻道 3 的更新 U3 矩陣.......................................................................... 頻道 1 的更新 M1 矩陣......................................................................... 頻道 2 的更新 M2 矩陣.......................................................................... 表 3.12 表 3.13. 頻道 3 的更新 M3 矩陣......................................................................... 32 頻道配置詳細步驟.............................................................................. 38. vi. 24 25 26 27 27 28 30 30 31 31 32.

(8) 第一章. 簡介. 近年來，透過無線區域網路（WLAN）或其他的無線基礎設施連結網際網路，已成為行動計算（mobile computing）應用情境的一部分[1]。為了擴展無線網路的覆蓋範圍以增加服務區域，需要廣置無線基地台(Access Point; AP)。傳統上 AP 間和 AP 與外部網路間的聯結是透過有線網路。然而在某些難以架設有線線路的區域或 AP 數量很多的環境中，有線的 AP 連接方式將大幅提高佈建成本且增加網路佈建的複雜度。因此，電機暨電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers；IEEE）針對 IEEE 802.11 標準提出修正案，提出了 IEEE 802.11s 的標準。其內容主要定義三種基礎設施的裝置：Mesh Access Point (MAP)、Mesh Point (MP)與 Mesh Portal (MPP) [2]、[3]、[4]。使 AP 可透過無線方式互相聯結成無線網狀網路(Wireless Mesh Network; WMN)，以降低以有線方式聯結 AP 的成本。傳統 WLAN 中存在 Ad Hoc 的架構，Ad Hoc Network 是一種點對點的傳輸模式，無須經由 AP (Access Point)即可互相傳送資料，即無線區域網路中的裝置都安裝 IEEE 802.11 無線網路卡，則裝置間可透過多點跳躍 (Multi-hop)方式與鄰近裝置訊息交換。無線網狀網路 (WMN) 可視為一種特殊類型的 Ad Hoc Network，WMN 中的 AP 不需要有線基礎設施，直接透過無線的方式相連，無線基地台(Wireless Station; WS)連入 MAP 傳送存取資料，MAP 可與其他 MAP 或 MP 利用 Multi-hop 的方式將 WS 的資料轉傳資料至 MPP，並透過 MPP 連往外部網路。 MAP、MP 和 MPP 之間都是使用 IEEE 802.11 所定義的規格，如果 WMN 中的裝置所使用的無線頻道與其他鄰近裝置所使用的頻道重疊，則可能會對接收裝置造成干擾，使得接收端因傳輸碰撞而無法正確接收到傳送端所傳送的資料。此外，使用相同頻道的裝置也會彼此競爭頻道傳輸權[5]、[6]，如果讓這些裝置使用不同的頻道，則可以降低頻道競爭的程度。避免配置鄰近裝置相同頻道以降低 1.

(9) 彼此間的傳輸干擾及傳輸競爭有助於提升資料產出量(Throughput) [7]。而在另外一方面，頻道的配置也不能太過分散，因傳送與接收裝置要使用相同的頻道方能互相通訊。太過分散的頻道配置可能導致某些連結(Link)無法建立，甚至造成網路形成不連通(Disconnected)的後果。因此，如何妥善地分配頻道，以提升資料產出量並減少或避免失效的連結，便成為一個重要的課題。為了實現多頻道的方式提升網路產出量，之前已有許多學者針對此議題提出解決的方法，有學者使用動態切換頻道的方式來讓單一介面可在多個頻道中運作，以減少通訊的干擾而提升資料產出量[8]。不過因為只有單一介面，當此介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介面就得被迫等待，因此會產生額外的封包延遲[7]。此外如何同步傳送與接收端介面的頻道切換動作也是一個議題。因為 WMN 中的無線網路裝置通常不具移動性，並且可以使用固定式電源供應。為了提升系統容量，WMN 無線裝置可以配置多個無線介面，分別在不同的頻道運作。在此多介面(Multi-Radio)多頻道(Multi-Channel)的環境下，頻道干擾、競爭與連結失效的情形都可望減低[9]，但由於多了一個系統參數，頻道配置的問題變得更為複雜。在多無線介面(Multi-Radio)的頻道配置問題中，學者[7]提出將每個節點的網路介面分為 Fixed 與 Switchable，Fixed 為接收的網路介面，若節點 i 想傳送資料給節點 j，則將節點 i 中 Switchable 的網路介面頻道切換完節點 j 的 Fixed 網路介面頻道。但此方法仍需要面臨動態切換頻道的額外成本。若不採用動態切換頻道，除了將每個節點所使用的頻道隨機選擇[10]或所有節點都分配多個相同頻道[11]（所有節點的介面 1 使用頻道 1，介面 2 使用頻道 2…的頻道分配方法）外，仍能考慮下列兩種因素作為頻道分配的依據：一、考慮網路實際流量。如[12]根據連線間流量負載資訊分配每個節點網路介面所運作的頻道，目的在避免網路擁塞的情形。二、考慮網路中潛在可能的干擾。連結所受到的干擾程度可使用兩種模型來表示，即 Protocol Model 與 Physical 2.

(10) Model[11]。在 Protocol Model 的模型中，連結間的干擾關係是離散且二元的；兩連結間不是完全會干擾，就是完全不會，而且此關係不受網路中其他連結的影響。因此又稱為 Binary Interference Model。Physical Model 中連結間的干擾關係可以使用 Conflict Graph 來呈現[13]。在 Conflict Graph 中，WMN 的每個連結為圖形中的一個節點(Node)。如果兩連結使用相同頻道傳輸會造成干擾，則這兩個連結在圖形中對應的節點間即有邊(Edge)相連。文獻[13]採用 Protocol Model。頻道配置問題可視為在 Conflict Graph 中的節點著色問題(Node Coloring Problem)。節點著色問題要求圖形中任何邊上兩端點不可著相同顏色，在此前提下尋求每個節點的顏色值，使得所使用的顏色數目最少。因此，滿足節點著色問題的解答，即為使用最少頻道數目且能完全避免傳輸干擾的頻道配置解答。 Protocol Model 並不符合實際，其他裝置的信號對某個接收裝置所造成的干擾程度實際上是連續變化的數值，而且唯有所有其他連結的干擾程度總和大於某個門檻值時才會造成影響，因此應需考慮網路中所有節點傳輸時造成影響的累計。此即為 Physical Model。在 Physical Model 中，連結的干擾關係會隨著不同的信號干擾強度影響，且網路中所有連結都有可能會造成干擾[14]，所以連結(i, j)的所受到的干擾程度有可能會不同於連結(j, i)。如果用 Conflict Graph 來呈現此干擾模型，則不但為完全圖形 (Complete Graph)且還具有方向性。有學者[15]、[16]建議可在 Conflict Graph 中的邊上標權重(Weight)以呈現 Physical Model 所考慮的連結干擾程度， Weight 值除了根據傳送端與接收端的距離遠近外，還需考慮網路中的所有連結所產生的干擾。文獻[17]採用 Physical Model，但作者將連結(i, j)與連結(j, i)的干擾程度視為相同，簡化 Conflict Graph 中的方向性，計算同頻干擾所造成的影響，對於因干擾嚴重而無法建立的連結，作者使用光纖取代無線連線，頻道配置的目的在盡量減少使用光纖的連結數目。 Protocol Model 並不符合實際狀況，因此我們的方法採用 Physical Model，但不使用 Conflict Graph 呈現干擾。我們重新定義干擾程度的計算方式，使用 3.

(11) Signal-to-Interference (SIR) 值來表達連結干擾的程度。透過傳播路徑損耗模型（Propagation Path Loss Model）[18]、[19]計算出節點接收的信號強度，並推算出網路中所有使用相同頻道的節點傳輸時對該節點接收信號產生的干擾程度。首先我們計算網路中每個節點的接收信號強度（Received Signal Strength; RSS），再考慮所有頻道節點間的信號干擾比，使用貪婪演算法（Greedy Algorithm）選出 SIR 值最高的連結優先分配頻道，分配完更新連結的 SIR 值，同樣再利用貪婪演算法逐步將頻道分配完畢。因為我們方法的信號干擾程度是採取累計的方式，所以在分配頻道所考慮的條件是整個網路中使用相同頻道的信號干擾總和，不同於 Protocol Model 只考慮干擾範圍內的干擾。為了判斷連結是否成功，需要計算出頻道分配完成後每條連結的 SIR 值，若超過某個門檻值即為成功連結，因此我們評估效能的方法是比較 [13]和[15]與我們的方法在分配頻道完成後，分別計算出每條連結的 SIR 值，最後算出成功連結的數目與總連結數的比率。最後可以發現在頻道分配完成後，我們的方法有較高的成功連結比率。接下來的部份，在第二章我們將會概略描述無線網狀網路的架構、先前學者所作的相關研究、以及干擾模型與我們問題的定義。在第三章將詳細說明我們所提出的方法與步驟。第四章則是模擬實驗結果的呈現與討論分析。第五章總結本篇論文。. 4.

(12) 第二章. 背景知識與相關研究. 2.1 IEEE 802.11s IEEE 於 1997 年制定了 IEEE 802.11 規範，其中定義了實體層與媒體存取控制(Medium Access Control; MAC)協定。此外將 WLAN 分為兩種網路架構：基礎架構無線網路(Infrastructure Network)及隨意型無線網路(Ad Hoc Network) [3]。基礎架構無線網路是使用無線網路基地台通訊，所有裝置間彼此溝通都必須經由 AP，由一個 AP 所形成的涵蓋區域稱為 BSS (Basic Service Set)，網路中可能同時擁有許多 AP，所有 AP 構成的 BSS 透過骨幹網路連結組成一個共同的 ESS (Extended Service Set)。如圖 2.1 所示。 ESS. backbone. BSS. Access Point Wireless Station. 圖 2.1 基礎架構型無限網路架構圖. 隨意型無線網路是一種點對點的傳輸模式，無須經由基礎設施即可互相傳送資料。Ad Hoc Network 中的裝置具有自我組織(Self-organization)的能力，裝置間可透過多點跳躍 (Multi-Hop)方式與鄰近裝置訊息交換，並透過不同的路由的協定尋找路徑，如 AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing) [7]、[20]與 DSR (Dynamic Source Routing) [21]等。圖 2.2 為 Ad Hoc Network 範例。網路中的無線裝置能互相傳送資料，若任兩部 WS 在彼此訊號範圍內，則能夠互相通訊。若距離太遠則透過多點跳躍的方式交換資料，如上圖裝置 A 與裝置 B 互相交換資料必須透過 P、Q、R、S。. 5.

(13) P. A. S Q. B. R. 圖 2.2 隨意型無線網路架構圖. 傳統上，行動裝置經由 AP 連入網際網路時採用基礎架構無線網路。由於基礎架構無線網路需要架設 AP，在難以建構實體線路或施工困難的區域需要較多的架設成本。此外，AP 的維護和管理成本亦相當可觀。擴大 WLAN 服務範圍的最簡單方法是增加 AP 數目。這些 AP 之間必須聯結起來，使用有線的方式聯結 AP 較為複雜且需要較高的架設成本。如果將多個 AP 以無線且多點跳躍的方式連接起來，不僅能迅速增加服務範圍，並節省佈線成本。為此，電機暨電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers；IEEE）在原有的 IEEE 802.11 的基礎上進行延伸，提出了 IEEE 802.11s 的標準。一個 IEEE 802.11s 網路是由 Mesh Access Point、Mesh Point 和 Mesh Portal 所組成。這些裝置能夠透過無線方式互相聯結成無線網狀網路 (Wireless Mesh Network; WMN) [2]、[3]、[4]。如圖 2.3。. 6.

(14) Internet. (Wireless Station; WS) (Mesh Access Point; MAP) (Mesh Point; MP) (Mesh Portal; MPP). 圖 2.3 IEEE 802.11s 無線網狀網路架構圖. . Mesh Access Point (MAP)：可提供與 Wireless Station (WS)聯結的功能的 AP。. . Mesh Point (MP)：僅負責傳送網狀網路中的 traffic，不提供 WS 聯結。. . Mesh Portal (MPP)：與有線網際網路相連之 (MP)。. 無線網狀網路（WMN）中的裝置不需要有線基礎設施，可直接經由無線聯結，並可透過多重跳躍 (Multi-hop)方式與鄰近裝置訊息交換，故可視為一種特殊類型的 Ad Hoc Network。WMN 中的 WS 要連接網際網路時，必須先與鄰近的 MAP 做聯結，MAP 再透過其他鄰近的 MAP 或 MP 利用多點跳躍的方式將 WS 的資料傳至 MPP，經由 MPP 與外部網際網路進行資料的交換。. 7.

(15) 2.2 無線傳輸的特性與傳輸模型 WS、MAP、MP 和 MPP 等裝置之間都使用無線傳輸。無線介質的特性、無線電波傳遞時的耗損、和同頻與鄰頻干擾，都會影響接收端是否能成功接收傳送端所傳送的資料。我們假設對於接收端而言，除了傳送端的訊號外，接收到鄰近連結(Link)使用同一頻道的傳輸訊號都可視為干擾。本論文採用 Friis Free Space Model [18]。在此模型下，接收端所收到來自某個信號發射源（可以是傳送端或其它信號干擾源）的接收功率如算式(2.1)。. Pt Gt Gr 2 Pr (d )  (4 ) 2 d 2 L. (2.1). 其中 Pr(d)為接收端的信號接收功率，d 為信號發射源與接收端之間的距離，Pt 為信號發射功率，Gt 為傳送端天線的增益，Gr 為接收端天線的增益，L 為與距離無關的系統損失因數，λ 為信號波長(單位為公尺)。一般而言，天線是沒有放大訊號的功能，系統損失因素表示系統中功率因天線或濾波器等裝置產生的耗損。我們的問題假設所有無線裝置的傳輸設備均相同，因此可將 Pt、Gt、Gr、λ、4π、 L 均視為常數，此時(2.1)式可簡化為(2.2)，其中 c 為常數。. Pr ( d ) . c d2. (2.2). 以往學者[11]將干擾模型分為 Protocol Model 與 Physical Model 兩類。在 Protocol Model 中，當 Pr(d)大於或等於某個門檻值時，接收端才能成功接收傳送端所傳送的資料。接收端與傳送端的距離 d 會影響 Pr(d)值，Protocol Model 將 Pr(d)剛好等於接收門檻值時的 d 值定義為傳輸半徑。因此兩裝置間存在連結的充要條件就是此兩裝置間的實際距離需小於或等於傳輸半徑。如此一來，整個 WMN 中裝置間的連結關係可以 Connectivity Graph 表示。Connectivity Graph 中的節點為 WMN 中的無線裝置。若節點在彼此的傳輸半徑內，則在 Connectivity Graph 中代表此兩裝置的節點間有邊(Edge)相連。當兩節點在 Connectivity Graph. 8.

(16) 中存在邊且使用相同頻道，則此連結能夠通訊。影響通訊的另一個因素為干擾半徑。當接收端收到某個信號干擾源的信號強度 Pr(d)大於或等於某個干擾信號強度門檻值時，則此信號視為有效干擾。Protocol Model 中干擾半徑的定義為使干擾信號強度 Pr(d)剛好等於干擾門檻值時的距離值 d。假設兩條連結(i1, j1)與(i2, j2)，當節點 i1 或 j1 在 i2 或 j2 的干擾半徑內，且這兩條連結又使用相同頻道通訊時，則連結(i1, j1)與連結(i2, j2)將被視為會互相干擾而不能同時通訊。. 1. 3. 5. 2. 4. 6. 圖 2.4 傳輸半徑與干擾半徑對通訊影響範例. 圖 2.4 說明傳輸半徑與干擾半徑對通訊的影響。我們假設圖中傳輸半徑為 3 個單位，所有節點均使用相同頻道。因為節點 2 與節點 3 均落在節點 1 的傳輸半徑內，所以節點 1 與節點 2 之間和節點 1 與節點 3 之間都存在連結，在圖中以實線表示。我們假設干擾半徑亦為 3 個單位。因為節點 2 在節點 4 的干擾半徑內，故連結(1,2)與連結(4,6) 被視為會互相干擾。對應到實際狀況就是當節點 1 傳送資料給節點 2 時，如節點 4 也同時傳送資料給節點 6，則節點 2 會被節點 4 傳送給節點 6 的訊號所干擾而無法正確接收到節點 1 傳送的資料。節點 4 接收節點 6 的信號時，也同樣會受到節點 2 傳送給節點 1 的信號所干擾。在 Protocol Model 中，干擾關係是離散且二元的；兩連結間不是完全會干擾，就是完全不會。此種連結間的干擾關係可以 Conflict Graph (CG) 來表示[13]。 Conflict Graph 中的每個節點對應到一個存在的連結，即 Connectivity Graph 中的 9.

(17) 一個邊。任何兩條連結如會互相干擾，則在 Connectivity Graph 中代表此兩連結的節點間存在邊。. A. B. C. D. E. 圖 2.5 Connectivity Graph. A-B. C-D. B-C. D-E. 圖 2.6 Conflict Graph. 圖 2-5 為裝置 A、B、C、D 所形成的 Connectivity Graph，實線為已存在的連結，虛線為節點 C 的干擾半徑。假設干擾半徑與傳輸半徑相同，則圖 2-6 顯示對應圖 2-5 的 Conflict Graph。以連結(A, B)與連結(C, D)為例。因為節點 B, C 在彼此的干擾半徑內，所以在圖 2.6 中節點 A-B 與 C-D 間存在邊。互相干擾的兩條連結彼此間可能會產生傳輸碰撞或競爭傳輸介面，也可能使得接收端接收信號的品質下降而導致資料解碼失敗。這些因素均會使得產出量下降。因此在頻道配置時，Conflict Graph 中相鄰的兩節點必須儘量避免使用相同的頻道。Protocol Model 中保證無干擾(Interference-Free)的頻道配置問題可視為在 Conflict Graph 中的節點著色問題 (Node Coloring Problem)。點著色問題要求相鄰的兩節點不能著相同的顏色，即保證了會互相干擾的兩連結會被配置不同的頻道。假設圖 2.5 中每個節點的通訊半徑不變，但干擾半徑增加為原來的兩倍。此時 Conflict Graph 中的節點集合不變，但因為干擾半徑增加，所以原本不會互相 10.

(18) 干擾的連結可能會形成干擾關係（如圖 2.7 中連結 AB 與連結 DE）。因此，Conflict Graph 中的邊數會隨著干擾半徑上升而增加，使得連結間需使用更多不同的頻道才能完全避免干擾。 A-B. C-D. B-C. D-E. 圖 2.7 干擾半徑增加後之 Conflict Graph. 因此在 Protocol Model 中，節點 i 與節點 j 成功通訊的必要條件為節點 i 與節點 j 在彼此的傳輸半徑內，使用相同頻道，且節點 i 與節點 j 均不在任何其他節點使用相同頻道的干擾半徑內。裝置所擁有的網路介面數量也會間接影響連結是否能夠成功通訊。這是因為頻道配置完成後，某些裝置可能會因為所擁有的網路介面數量小於所配置到頻道數目，無法實際使用部分連結所配置到的頻道，導致這些連結因為沒有使用共同的頻道而不存在。 Ch1 1-2. 1. Ch4 4-5. 3. Ch2. 1-3. 3-5. Ch3. 5. 2. 2-4. 3-4. Ch2. Ch1. 4. (a). (b) 圖 2.8 節點著色問題解決頻道分配範例. 圖 2.8 為根據節點著色限制配置頻道的範例。圖 2.8(a)為 Connectivity Graph。假設傳輸半徑與干擾半徑相等，圖 2.8(b)為根據圖 2.8(a)所產生的 Conflict Graph，其中每個節點已標示滿足節點著色限制下所配置的頻道。假設每個節點. 11.

(19) 的網路介面個數為 2 個，則每個連結實際使用頻道的結果如圖 2.9 所示。 Ch2 1. 3 Ch3. Ch1. Ch1. 2. Ch2. 4. 5. Ch4. 圖 2.9 節點著色問題解決頻道分配結果. 因為每個節點的網路介面個數為 2 個，因此節點 3 在使用頻道 1 與頻道 2 後，已沒有多餘的網路介面能夠使用頻道 3。節點 4 同樣沒有多餘的網路介面配置頻道 4。此時連結(3, 5)與連結(4, 5)會因為未配置使用頻道而實際不存在。過去有些學者提出的作法，遇到此狀況時不要求一定要滿足節點著色限制，而改為要求所有連結在滿足網路介面數量的限制下均能夠配置使用頻道。此時會互相干擾的連結也會因網路介面數量的限制而被迫使用相同的頻道，使得連結運作時會產生干擾。在 Physical Model 中，節點所受到的干擾程度是連續變化的值，且須考慮所有同時使用此頻道節點的傳輸影響。對其中任一干擾源而言，節點所接收到來自此干擾源的干擾程度隨著兩者之間的距離改變，且不受干擾半徑的限制。圖 2.4 中，當節點 1 傳送資料給節點 2 時，網路中所有其它節點的傳輸均會對節點 2 的接收造成干擾。節點 1 從其中任一干擾源所接收到的干擾強度會隨著兩者間的距離增大而減小。如節點 4 對節點 2 的干擾程度就大於節點 6 對節點 2 的干擾程度。在Physical Model中，節點所接收到的資料訊號強度及來自於其他節點的干擾信號強度都會影響通訊是否成功。節點所接收到的資料信號強度及來自於某一干擾源的干擾信號強度值皆可由式(2.1)求出。訊號干擾比(Signal-to-Noise Ratio; SNR) 的定義為訊號強度與干擾強度的比值，單位為dB，可由式(2.3)求得。. 12.

(20) SNRi , j . SS i , j N j  Na. (2.3). 其中SSi,j為節點j收到節點i的信號強度，Nj為網路中其他連結傳輸時對節點j所造成的信號干擾強度的總和，Na為環境中的雜訊。接收端是否會因為干擾過大而無法順利接收取決於接收端的SNR值是否大於某一門檻值而定。假設節點i要傳送資料給節點j，則成功通訊的條件為SNRij ≧ SNRthreshold，其中SNRij為j收到i的訊號干擾比[10]。有學者建議[17]在可在 Conflict Graph 中的邊上標權重，以呈現 Physical Model 所考慮的連結干擾程度。此權重可由(2.4)式計算[10]。. 有學者建議[17]. 在可在 Conflict Graph 中的邊上標權重，以呈現 Physical Model 所考慮的連結干擾程度。此權重可由(2.4)式計算[10]。. W. pq ij. . SS pj SS ij SNRthreshold. (2.4).  Na. 其中 SSpj 和 SSij 分別表示 j 收到 p 與 j 收到 i 的訊號強度，SNRthreshold 為 j 能成功收到 i 的信號的最大可容忍干擾信號強度，Na 為周圍的干擾。因為 Wijpq 可能不等於 W pqij ，故此時 Conflict Graph 成為具有方向性的。且因 Physical Model 考慮所有同時使用此頻道節點的傳輸影響，故此時 Conflict Graph 成為完全圖形 (Complete Graph)。. 13.

(21) 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。 C a  [Oca  O p . Bt 1 ] r 1  e fr. (2.4). 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 14.

(22) 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。. Node A (Receiving channel=1). Node B (Receiving channel=2). s0. s1. s2. s3. s4. s5. s6. s7. s8. B. R. R. T. T. R. R. T. T. 1. 1. 1. 2. 2. 1. 1. 2. 2. B. T. T. R. R. T. T. R. R. 1. 1. 1. 2. 2. 1. 1. 2. 2. B: Broadcasting Slot T: Transmitting Slot R: Receiving Slot. 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。. 15.

(23) Node A. Node B 1. Fixed. Switchable. 2. Switchable. Fixed. Switchable. Switchable. 圖 2.11 混合式切換頻道協定. 圖 2.11 中，每個節點有一張 Fixed 的網路介面卡與兩張 Switchable 的網路介面卡。假設 Node A 的 Fixed 網路介面卡的頻道為頻道 1，Node B 的 Fixed 網路介面卡的頻道為頻道 2。當 Node A 要傳送封包給 Node B 時，須將它的 Switchable 網路介面卡的頻道切換至 Node B 的 Fixed 網路介面卡所使用的頻道，即頻道 2。反之亦然。頻繁動態切換頻道會產生額外成本，如頻道切換的延遲等，因此有許多學者建議靜態的頻道配置，即固定每個介面所使用的頻道。在此前提下，每個介面的頻道選擇結果，會影響到整體網路的連結數目、網路連結性(Connectedness)、與傳輸干擾程度，也會影響路由選擇[14]。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，並以此類推。只要網路原來的實體拓樸邏輯是連通的，此種頻道配置方法可保證不會破壞網路連結性，但傳輸干擾程度也是最高。. B. 1. D. 1 A. 3 2. C. 4. 2. E. B. 1. 3. D. 1 F. 2. A. 2. F 2. C. (a). 4. E. 1. (b) 圖 2.12 不同頻道分配結果對拓撲的影響. 一般而言，提高網路連結性與降低傳輸干擾程度這兩個目標是互相衝突的。 16.

(24) 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 17.

(25) 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)。 18.

(26) 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。. 19.

(27) 2.4 拓撲分類與介紹我們稱對應 Connectivity Graph 的網路拓樸為 Physical Topology。使用某種頻道分配法則分配頻道後，Physical Topology 中有些連結可能因為兩端節點沒有任何介面配置相同頻道而實際不存在。我們將 Physical Topology 中去除未配置共同頻道的連結後的拓撲稱為 Network Topology[17]。. B. D. A. F. C. E. 圖 2.13 Physical Topology. 圖 2.13 為 Physical Topology 範例。假設每個節點有兩張網路介面卡，當頻道分配結束後，可能會因為節點間未使用共同的頻道使得失去了原本在 Physical Topology 中存在的連結。如圖 2.14 為可能的 Network Topology，其中連結的數字代表使用的頻道。節點 B 與節點 C 和節點 D 與節點 E 由於頻道分配的結果沒有使用相同的頻道，導致 Physical Topology 中的連結 BC 與連結 DE 不存在。. B. 3. D. 1. 2. A. F 2. C. 4. E. 1. 圖 2.14 Network Topology. 即使 Network Topology 中的連結均已配置頻道，其中某些連結也可能會因為. 20.

(28) 干擾過大而無法運作。我們將 Network Topology 中進一步根據頻道分配的結果刪除 SIR 值小於 SIRthreshold 的所有連結後所得到的拓樸稱為 SIR Topology。. B. 3. D. 1. 2. A. F 2. C. 4. E. 1. 圖 2.15 SIR Topology. 圖 2.14 的頻道分配結果，雖然兩節點使用相同頻道，但可能會因為干擾過大而無法運作。圖 2.15 為可能的 SIR Topology，虛線表示可能會因為傳輸時使用相同頻道產生干擾過大而無法運作，如連結 AB 與連結 EF 都使用頻道 1，傳輸連結 AB 與可能會受到連結 EF 的干擾無法運作。反之亦然。某些基於 Conflict Graph 的頻道配置方法[22]，因為要為 Physical Topology 中的每一個連結分配頻道，不惜違反 Conflict Graph 中共邊的連結不能配制相同頻道的限制。雖然因此所得到的 Network Topology 與 Physical Topology 全等，然而這樣做的結果很可能會造成某些連結的傳輸干擾過大，使得 SIR Topology 中的連結數目大幅下降。我們提出的頻道配置方法並不在配置過程中要求 Physical Topology 中的每一個連結均需分配頻道，而是依據連結可能的 SIR 值由高至低分配頻道。這樣做的結果，輪到配置優先權較低的連結分配頻道時，可能會因已無可用的網路介面而無法配置頻道。為了避免這樣的問題產生，我們會根據網路介面的數量而限制頻道配置所會動用的頻道數目，保證所有的連結在最後均可配置到頻道。. 21.

(29) 第三章. 架構及方法介紹. 本章 3.1 節講解我們頻道分配演算法的詳細步驟，並舉例說明。3.2 節為我們的頻道分配方法的虛擬碼。在 3.3 節中，會舉例並且逐步說明頻道分配的步驟與結果。. 3.1 方法步驟說明我們所提出的頻道分配演算法假設知道每個節點的傳輸功率，根據傳播路徑耗損模型計算每個節點接受到的信號強度，以貪婪演算法(Greedy Algorithm)依照網路中干擾的影響程度以 link-by-link 的方式依序決定出每一個連結所使用的頻道。我們首先定義 S 為網路中節點的集合，k 表示不同的頻道，T 表示所有可使用的頻道個數，NIC 表示每個節點的網路介面個數，(i, j)為網路中從節點 i 至節點 j 的連結，Na 為環境中的背景雜訊。 RSS(i, j)表示根據傳播路徑耗損模型求得使用連結(i, j)傳輸時，節點 j 所接收到來自節點 i 的信號強度。由於我們採用 link-by-link 的方式分配頻道，所以必須先決定出連結的頻道分配順序。對每一個頻道 k，我們定義 Uk 為使用頻道 k 的最大可能干擾強度矩陣，Mk 為頻道 k 中遭受最大可能干擾下的 SIR 值矩陣。對連結(i, j)而言，Mk(i, j)與 Uk(i, j)值分別為假設所有其它尚未分配頻道的連結均使用頻道 k 的情況下，連結(i, j)使用頻道 k 所遭受的信號干擾強度值與此時的 SIR 值。我們另外定義 Lk 為頻道 k 的最小可能干擾強度矩陣，Nk 為頻道 k 中遭受最小可能干擾下的 SIR 值矩陣。對連結(i, j)而言，Nk(i, j)與 Lk(i, j)表示連結(i, j)使用頻道 k 傳輸而遭受最小可能的干擾，此值只考慮目前網路中已確定使用頻道 k 的連結對連結(i, j)傳輸的影響。注意 Mk (i, j)與 Mk (j, i)不一定相同，但連結(i, j)與連結(j, i)使用的是同一頻道，因我們考慮兩者在傳輸時受到干擾最大的情況，因此取這. 22.

(30) 兩者較低者計算。同理 Nk(i, j) 也取這兩者較低者計算。我們的方法以連結的 Mk(i, j)值與 Nk(i, j)值決定連結的頻道分配順序。根據 Mk 與 Nk 矩陣的定義，我們知道連結(i, j)於頻道配置程序結束後所真正遭受的信號干擾強度值會介於 Nk(i, j)與 Mk(i, j)之間。我們的基本想法是，當大多數連結皆尚未分配頻道時，應重視這些尚未分配頻道的連結未來使用頻道 k 所可能造成的影響，但隨著已分配頻道的連結數增加，應逐漸重視目前網路中已確定使用頻道 k 的連結對連結(i, j)使用頻道 k 傳輸所造成的影響（因這些影響是已經確定的）。我們因此提出根據網路中已分配頻道的連結數多寡作為考慮 Mk(i, j)值與 Nk(i, j) 值時的比重。式(3.1)計算這樣的結果。計算結果將存入 Ck 矩陣。 Ck (i, j )  (.    ) M k (i, j )  ( ) N k (i, j )  . (3.1). 其中α為 Physical Topology 中的所有連結數，β為已分配頻道的連結數。假設連結(i, j)的 Ck(i, j)值最高，則表示連結(i, j)選擇頻道 k 時確定所受到的干擾程度與未來可能遭受到的干擾程度，綜合考量之下是所有連結在所有頻道中最低的，所以應該優先分配。當所有頻道都無法分配給連結(i, j)，則連結(i, j)就不分配任何頻道。這通常是因為節點所分配使用的頻道數目過多，超過網路介面數量的限制，使得 Physical Topology 中相鄰節點間沒有共用的頻道而無法溝通。為了避免頻道配置過於分散所導致的這種問題，我們限制每個節點可使用的頻道數為 min(T, 2NIC–1)。這樣可以保證所有 Physical Topology 中的相鄰節點間均有共用的頻道。圖 3.1 為節點的位置與 Physical Topology 的範例，每一格為 1m。假設每個節點安裝 2 個網路介面，全部可用頻道共有 4 個（我們限制每個節點僅使用前三個頻道），傳輸半徑為 4m。我們以此範例詳細說明頻道分配的方法。. 23.

(31) 0. 1 2. 3. 4. 5. 圖 3.1 方法說明範例之 Physical Topology. 具體的頻道分配方法分為下列幾個步驟： 1.. 根據傳播路徑耗損模型求出每個節點接收所有其它節點信號的接收功率值。從傳播路徑耗損模型中可知接收功率與距離的平方成反比(見 3.2 的函式 Initial 第 1-2 行)。則由算式(2.2)可以求出連結(i, j)的 RSSi,j，其中 d 為 i, j 兩點間的距離，如表 3.1。. 表 3.1 節點間的接收信號強度值. RSS(i, j). 0. 1. 0. 2. 3. 0.07692c. 0.07692c. 1 0.07692c. 3. 0.07692c. 5. 5. 0.5c. 2. 4. 4. 0.0625c 0.0625c 0.5c. 0.125c 0.11111c. 0.125c. 0.11111c 0.125c. 0.125c. 表 3.1 為個節點間的接收信號強度值。因為傳輸半徑為 4m，因此接收信號. 24.

(32) 強度大於等於 0.0625c 才能互相通訊。 2.. 利用每個節點的信號接收強度，計算出最大可能干擾強度矩陣(見 3.2 的函式 Initial 第 4、8-9 行)。對連結(i, j)而言，除了節點 i 傳給節點 j 的信號外，其它節點傳至節點 j 的信號都可視為干擾。此處我們假設將環境中的背景雜訊定為 0.0001c。因此. U k (i, j ) .  RSS. m, j.  Na. (3.2). m  i, j. 如圖 3.2。節點 2 傳送資料至節點 1，同時間節點 3 與節點 4 傳送資料至節點 5。計算 RSS2, 1 時，除了連結(2,1)外，節點 1 收到網路中其它節點的信號都視為干擾。 2. 4 5. 1. 3. 圖 3.2 SIR 計算干擾圖. 圖 3.1 的例子中，根據式(3.2)所求得的 Uk(i, j)值如表 3.2。由於所有頻道初始的值都相同，因此僅列出 U1(i, j)的內容。表 3.2 頻道 1 的 U1 矩陣. U1(i, j). 0. 1. 0. 2. 3. 0.22329c. 0.35743c. 1 0.17133c. 3. 0.17133c. 5. 5. 0.19541c. 2. 4. 4. 0.37185c 0.58430 c. 0.23771c 0.12143c. 0.22170c 0.22170c. 0.32324c 0.17521c. 0.30935c. 接著再透過式(3.3)求出最大可能干擾 SIR 矩陣(見 3.2 的函式 Initial 第 10 25.

(33) 行)，如表 3.3。由於所有頻道初始的值都相同，因此僅列出頻道 M1(i, j)的內容。. M k (i, j ) . RSSi , j U k (i, j ). (3.3). 表 3.3 頻道 1 的 M1 矩陣. M1(i, j). 0. 1. 0. 2. 3. 0.34434. 0.21515. 1. 4. 5. 2.55736. 2. 0.44870. 3. 0.44870. 4. 0.16803 0.26281 4.1142. 5. 0.56356 0.19012. 0.56356. 0.34363 0.71299. 0.40393. 由於一開始尚未有任何連結已分配頻道，因此 Lk(i, j)的值均只有環境中的背景雜訊 0.0001c，再透過式(3.4)求出最小可能干擾 SIR 矩陣(見 3.2 的函式 Initial 第 5、7 行)，如表 3.3。由於所有頻道初始的值都相同，因此僅列出頻道 N1(i, j)的內容。. N k (i, j ) . 26. RSSi , j Lk (i, j ). (3.4).

(34) 表 3.4 頻道 1 的 N1 矩陣. N1(i, j). 0. 1. 0. 2. 3. 769.231. 769.231. 1. 5. 5000. 2. 769.231. 3. 769.231. 4. 625 625. 1250 1111.11. 5000. 5. 3.. 4. 1250. 1111.11 1250. 1250. 根據式(3.1)計算出 Ck(i, j) (見 3.2 的函式 SIR_CA 第 2 行)。從所有 C 矩陣中找出值最大的元素(見 3.2 的函式 SIR_CA 第 3-7 行)。假設此元素為 Ck(i, j)，表示在所有尚未分配頻道的連結中，連結(i, j)選擇使用頻道 k 會有最佳的預期 SIR 值。我們因此將頻道 k 配置至連結(i, j)。表 3.5 所示的是 C1(i, j)的內容。由於所有頻道初始的值都相同，因此其它 k 頻道的 Ck(i, j)值與 C1(i, j) 一樣。在此範例中，能夠發現連結(1,4)在頻道 1、頻道 2、與頻道 3 都具有最高的 SIR 值 2.55736。表 3.5 頻道 1 的 C1 矩陣. C1(i, j). 0. 1. 0. 2. 3. 0.34434. 0.21515. 1 0.34434. 3. 0.21515. 5. 5. 2.55736. 2. 4. 4. 0.16803 0.16803 2.55736. 0.19012 0.19012. 0.56356. 27. 0.56356. 0.40393. 0.40393.

(35) 4.. 令(i, j)為選出的連結，k 為選出的頻道。確認 i 與 j 均有可用（尚未分配頻道）的介面以配置頻道 k (見 3.2 的函式 SIR_CA 第 8-30 行)。若 i 或 j 已沒有足夠的網路介面可供頻道 k 配置，則將 Mk(i, j)設為極小，表示連結(i, j)不能配置頻道 k。然後回到步驟 3，重新選擇新的頻道與連結。在此範例中，節點 1 與節點 4 均有可用的介面，因此確定將頻道 1 分配給連結(1,4)。. 5.. 分配頻道 k 後，更新 Lk 矩陣(見 3.2 的函式 SIR_CA 第 32-33 行)。當連結(i, j) 確定選擇頻道 k 後，在網路中所有其它連結配置頻道 k 時，都確定會受到 i 或 j 的傳輸干擾，因此我們根據(3.5)式更新。. (3.5). Lk (x, y)  Lk (x, y)  (RSSi, y  RSSj, y )x, y  S. 因為確認頻道 1 分配給連結(1, 4)，因此將 L1 矩陣根據(3.5)式更新為表 3.6。. 表 3.6 頻道 1 的 L1 矩陣. L1(i, j). 0. 0. 1. 2. 3. 0.03589c. 0.17003c. 4. 5. 1 2. 0.05451c. 3. 0.05451c. 0.17003c 0.03589c. 4 5. 6.. 0.05680c 0.5001c. 0.05680c. 0.17003c 0.03589c. 0.17003c. 若分配完頻道 k 後，i 或 j 已無未分配頻道的網路介面，則對部份的其它頻道 l  k 更新 Ml 與 Ul 矩陣(見 3.2 的函式 SIR_CA 第 34-38 行)。假設 i 已無網路介面可配置其它頻道，且令 P 為 i 的所有介面已配置到的頻道集合，則對. 28.

(36) 其他尚未分配頻道的連結而言，如配置頻道 l  P 絕對不會受到 i 的傳輸干擾，所以 Ul 更新為. (3.6). U lP ( x, y )  U lP ( x, y )  RSSi , yx, y  S. 然後再根據式(3.4)更新 Ml 矩陣。. 0. 1 2. 3. Ch 2. 4. Ch 1. Ch 3 5. 圖 3.3 網路卡介面分配完畢之更新矩陣範例. 假設當頻道分配至圖 3.3 時，由於每個節點只有兩個網路介面，此時節點 5 已經分配頻道 2 與頻道 3，因此可以保證節點 5 絕對不會在頻道 1 對其他連結造成干擾，因此根據式(3.6)更新 U1 矩陣與式(3.4)更新 M1 矩陣。更新後的 U 矩陣與 M 矩陣的內容分別如表 3.7 到表 3.12 所示。. 29.

(37) 表 3.7 頻道 1 的更新 U1 矩陣. U1(i, j). 0. 1. 0. 2. 3. 0.09839c. 0.23253c. 4. 5. 1 2. 0.13144c. 3. 0.13144c. 0.24696c 0.11282c. 4. 0.54992c 0.19835c. 5. 表 3.8 頻道 2 的更新 U2 矩陣. U2(i, j). 0. 0. 1. 2. 3. 0.22339c. 0.35754c. 4. 1 2. 0.17144c. 3. 0.17144c. 0.37196c 0.58440 c. 0.23782c. 4. 0.32335c. 5. 30. 5.

(38) 表 3.9 頻道 3 的更新 U3 矩陣. U3(i, j). 0. 1. 0. 2. 3. 0.22339c. 0.35754c. 4. 5. 1 2. 0.17144c. 3. 0.17144c. 0.37196c 0.58440 c. 0.23782c. 4. 0.32335c. 5. 表 3.10 頻道 1 的更新 M1 矩陣. M1(i, j). 0. 0. 1. 2. 3. 0.78179. 0.33080. 4. 1 2. 0.58526. 3. 0.58526. 0.25308 0.554. 4. 0.20205 0.56019. 5. 31. 5.

(39) 表 3.11 頻道 2 的更新 M2 矩陣. M2 (i, j). 0. 1. 0. 2. 3. 0.34434. 0.21515. 4. 5. 1 2. 0.44870. 3. 0.44870. 0.16803 0.26281. 4. 0.19013 0.34363. 5. 表 3.12 頻道 3 的更新 M3 矩陣. M3(i, j). 0. 1. 0. 2. 3. 0.34434. 0.21515. 4. 5. 1 2. 0.44870. 3. 0.44870. 0.16803 0.26281. 4. 0.19013 0.34363. 5. 比較表 3.2 與表 3.7 的內容能夠發現，更新後節點 2,3,4 之間的 U1(i, j)值均比更新前的值少了 RSS(5, j)。 7.. 確認連結是否分配完畢，若尚未分配完則回到步驟 3。. 32.

(40) 假設網路中有m條連結，全部可用頻道為k個，所有節點數目為n個。上述步驟需要搜尋在每個頻道中每條連結的Ck(i, j)矩陣，因此演算法的時間複雜度為 O(mkn2)。. 33.

(41) 3.2 虛擬碼 Input: (1) Physical Topology S={i, j, ... } (2) Available Channel K={k1, k2, k3, ..., kn}, where n = min(T, 2NIC–1) (3) Propagation Path Loss Model (4) The Number of Radio Interfaces at Each Node Output: Assignment of channels to radio interfaces at each node with the maximum successful links ratio. // RSS(i, j) 表示連結(i, j)的信號強度 // Uk(i, j) 表示連結(i, j)在頻道 k 運作時的最大干擾強度矩陣 // Mk(i, j) 表示連結(i, j)在頻道 k 運作時的最大干擾 SIR 矩陣 // Lk(i, j) 表示連結(i, j)在頻道 k 運作時的最小干擾強度矩陣 // Nk(i, j) 表示連結(i, j)在頻道 k 運作時的最小干擾 SIR 矩陣 // Ck(i, j) 表示連結(i, j)在頻道 k 運作時，根據已分配連結比例同時考慮 Mk(i, j)與 Nk(i, j)的 SIR 矩陣 // Ui 表示 i 已分配的頻道集合 // Qi 表示 i 已被分配頻道的網路介面個數 // AQi 表示 i 的網路介面個數 // Ch(i, j) 表示 i 與 j 連結的頻道 // Na 表示背景的干擾雜訊 // α為 Physical Topology 中的所有連結數 // β為已分配頻道的連結數 PROCEDURE Initial 1. 2.. for each link (i, j) in S initial RSS(i, j) by Propagation Path Loss Model Equation. 3. 4. 5.. for each k  K Uk(i, j) ←Na Lk(i, j) ←Na. 6. 7.. for each channel k in K and each link(i, j) in S Nk(i, j)←RSS(i, j)/ Lk(i, j). 8. 9. 10.. for each node l≠i and l≠j Uk(i, j)←Uk(i, j)+RSS(l, i) Mk(i, j)←RSS(i, j)/ Uk(i, j) 34.

(42) PROCEDURE SIR_CA 1.. 2.. while not all links are considered to assign channel for each channel k in K and each link (i, j) in S C k (i , j ) .   min( M k (i, j ), M k ( j , i ))   min( N k (i, j ), N k ( j , i ))  . 3.. maxI← -∞. 4. 5. 6.. for each k in K and each link (i, j) in S if Ck(i, j) > maxI maxI←Ck(i, j). 7.. (i, j , k )  (i, j, k ). 8.. if Qi = AQi and Q j = AQ j. 9.. if k  U i or k  U j. 10.. M k (i, j )  minimum value. 11.. Ch( i , j )←UNSPECIFIED. 12.. continue. 13.. else if k  U i and k  U j. 14.. U i ← U i ∪{ k }. 15.. U j ← U j ∪{ k }. 16.. Ch( i , j )← k. 17.. else if Qi = AQi and Q j < AQ j and k  U i. 18.. U j ← U j ∪{ k }. 19.. Q j ← Q j +1. 20.. Ch( i , j )← k. 35.

(43) 21.. else if Qi < AQi and Q j = AQ j and k  U j. 22.. U i ← U i ∪{ k }. 23.. Qi ← Qi +1. 24.. Ch( i , j )← k. 25.. else if Qi < AQi and Q j < AQ j. 26.. U i ← U i ∪{ k }. 27.. U j ← U j ∪{ k }. 28.. Qi ← Qi +1. 29.. Q j ← Q j +1. 30.. Ch( i , j )← k. 31.. for each link ( i , j ) in S. 32.. Lk (i, j )  Lk (i, j )  ( RSS (i, j )  RSS ( j, j )). 33.. N k (i, j )  RSS (i, j ) / N k (i, j ). 34. 35. 36.. if all radios at i are assigned for each channel k in K and each link (i, j) in S if k U i. 37.. U k (i, j )  U k (i, j )  U k (i, j ). 38.. M k (i, j )  RSS (i, j ) / U k (i, j ). 39. 40.. else if all radios at j are assigned for each channel k in K and each link (i, j) in S 36.

(44) 41.. if k U j. 42.. U k (i, j )  U k (i, j )  U k ( j , j ). 43.. M k (i, j )  RSS (i, j ) / U k (i, j ). 37.

(45) 3.3 舉例說明以圖 3.1 為例。假設網路中有 6 個節點，每個節點安裝 2 個網路介面，全部可用頻道共有 4 個（限制只使用前 3 個），傳輸半徑為 4m。頻道配置詳細步驟如表 3.13。. 表 3.13 頻道配置詳細步驟. 計算出. Step 0 0. 1 2. 3. 4. 5. Step 1. . RSS(i, j). . Uk(i, j). . Mk(i, j). . Lk(i, j). . Nk(i, j). . Ck(i, j). . 選擇頻道 1. . 連結(1, 4). . C1(1, 4)值為. 0. 1 2. 3. 4. Ch1. 2.55736 . 更新 L1 矩陣. . 更新 N1 矩陣. 5. 38.

(46) Step 2. . 選擇頻道 2. . 連結(2, 5). . C2(2, 5)值為. 0. 1 2. 3. 4. Ch1. Ch2. 31.7995 . 更新 L1 矩陣. . 更新 N1 矩陣. . 選擇頻道 3. . 連結(3, 5). . C3(3, 5)值為. 5. Step 3 0. 1 2. 3. Ch2. 4. Ch1. Ch3. 62.8837 . 更新 L1 矩陣. . 更新 N1 矩陣. 5. Step 4. 節點 5 網路介面均已分配頻道。. 更新頻道 1. 其他尚未分配頻道的連結不會在頻道 1 受到節點. . U1(i, j). 5 的干擾。. . M1(i, j). . 選擇頻道 1. . 連結(0, 2). . C1(0, 2)值為. Step 5 0 Ch1 1 2. 3. Ch2. 4. Ch1. Ch3. 0.647197 . 更新 L1 矩陣. . 更新 N1 矩陣. 5. Step 6. 節點 2 網路介面均已分配頻道。. 更新頻道 1 與頻道 3. 其他尚未分配頻道的連結不會在頻道 1 與頻道 3. . 39. U1(i, j).

(47) 受到節點 2 的干擾。. Step 7. . U3(i, j). . M1(i, j). . M3(i, j). . 選擇頻道 1. . 連結(0, 3). . C1(0, 3)值為. 0 Ch1. Ch1 1. 2. 3. Ch2. 4. Ch1. Ch3. 0.32258 . 更新 L1 矩陣. . 更新 N1 矩陣. 5. Step 8. 節點 3 網路介面均已分配頻道。. 更新頻道 2. 其他尚未分配頻道的連結不會在頻道 2 受到節點. . U2(i, j). 3 的干擾。. . M2(i, j). . 選擇頻道 3. . 連結(3, 4). . C3(3, 4)值為. Step 9 0 Ch1. Ch1 1 Ch3. 2. 3. Ch2. 4. Ch1. Ch3. 0.267711 . 更新 L3 矩陣. . 更新 N3 矩陣. 5. Step 10. Step 11. 節點 4 網路介面均已分配頻道。. 更新頻道 2. 其他尚未分配頻道的連結不會在頻道 2 受到節點. . U2(i, j). 4 的干擾。. . M4(i, j). 選擇頻道 2 配置給連結 (2, 3). 將 M2(2, 3)設為極. 節點 2 與節點 3 均已分配頻道，且沒有相同頻道。小. 40.

(48) Step 12. . 選擇頻道 1. . 連結(2, 3). . C1(2, 3)值為. 0 Ch1. Ch1 1 Ch3. Ch1 2. 3. Ch2. 4. Ch1. Ch3. 0.239381 . 更新 L1 矩陣. . 更新 N1 矩陣. 5. Step 15. 所有節點的網路頻道均已分配完畢，結束頻道分配。. 41.

(49) 第四章. 模擬實驗. 我們比較 Network Topology 與 SIR Topology 中的連結數量佔 Physical Topology 中連結數量的比率，作為效能評估的依據。我們將前者定義為 NPLR (Network-to-Physical Link Ratio)，後者定義為 SPLR (SIR-to-Physical Link Ratio)，如式(4.1)和式(4.2)。. NPLR . Number of links in network topology Number of links in physical topology. (4.1). SPLR . Number of links in SIR topology Number of links in physical topology. (4.2). 實驗目的在探討我們所提的方法（在此稱為 Ours）在不同的傳輸半徑、干擾半徑、網路介面數量和可用頻道數下所產生的成功連結數量的比率的關係，並將結果與其它頻道分配演算法所得的結果做比較。實驗的進行是先以隨機方式決定 MAP 的位置，根據每個節點的位置和通訊半徑可以得到 Physical Topology。然後分別以不同的演算法來分配頻道。這些演算法包括了：CG（採用 Tabu 演算法的頻道分配方法）[13]、CCA[11]和 CLICA[15]。頻道分配完的結果就是 Network Topology。最後再根據每條連線的 SIR 值是否大於 SIRthreshold，得到 SIR Topology。實驗流程如圖 4.1 所示。. 42.

(50) 節點位置 distance between node i and node j ≦ communication range Physical Topology. Ours. CG algorithm. CLICA algorithm. CCA algorithm. Network Topology SIR value ≧ SIRthreshold SIR Topology. 圖 4.1 頻道分配實驗流程圖. 很顯然的，SIRthreshold 的設定值會影響 SIR Topology 的結果。在我們的實驗中，我們是以在不受干擾的情況下，SIRthreshold 的設定值仍不至於大到會產生任何孤立節點為原則。令 D 為每個節點與它最近鄰居節點的距離集合，假設集合 D 中的最大值為節點 i 與它最近的鄰居節點 j 的距離 di,j，則我們將 SIRthreshold 定為 RSSi,j / Na。理由是連結(i, j)為 D 集合中距離最遠的連結，若 SIRthreshold 大於 RSSi,j，則連結(i, j)即使未受到任何干擾也無法通訊。我們實驗的用意在於測試干擾對於連結建立的影響，因此事先排除此種連結無法建立的原因。. 43.

(51) A 20. 30. B D. 40. C 50 E. 圖 4.2 SIRthreshold 範例. 圖 4.2 中，距離節點 A 最近的鄰居節點為 B，之間的距離為 20。距離節點 B 最近的鄰居節點為 A，之間的距離為 20，以此類推。假設連結 CE 的距離為所有節點中離最近鄰居節點最大的距離值。若 SIRthreshold 大於 RSSC,E / Na，則連結(C, E) 即使在未受任何干擾情況下仍無法順利進行通訊，導致節點 E 成為孤立點。為了避免此種情形發生，故將 RSSC,E 定為 SIRthreshold / Na。. 44.

(52) 4.1 環境設定與結果我們在 100m×100m 的區域中設置 20 個隨機放置的節點。每個實驗中改變傳輸半徑、干擾半徑、網路介面個數、可用頻道數與 SIRthreshold，並觀察在不同參數條件的影響下對於 SPLR 與 NPLR 值的影響。實驗結果發現所有的頻道分配演算法所得到的 NPLR 值都為 100%，表示在頻道分配結束後，Physical Topology 中的每條連結都能被分配頻道。因此我們之後僅列出 SPLR 值的結果。實驗一中將傳輸半徑與干擾半徑設為 25m。我們改變每個節點的可用頻道數，比較網路介面數量分別為 2、6 與 12 時的 SPLR 值。圖 4.3 為介面個數為 2 時的結果。由圖 4.3 中可以發現，在可用頻道數 4 個以上時，Ours 頻道分配演算法的 SPLR 值較 CLICA 低，而比 CG 和 CCA 高。這是因為我們所提的方法將可用頻道數量限制在不多於網路介面個數乘以二加一，避免任何連結因為沒有配置相同的頻道而無法通訊。因為網路介面個數為 2，在可用頻道數為 3 以上時，我們所提方法也只會用到 3 個頻道，因此 SPLR 值並不會隨可用頻道數增加而上升，造成 SPLR 值較 CLICA 為低。. NIC:2 100 90 80 70. SPLR(%). 60 50 40 30 Ours CG CCA CLICA. 20 10 0. 2. 3. 4. 5 6 7 8 9 The number of available channels. 10. 11. 12. 圖 4.3 不同頻道分配方法在網路介面個數為 2 時的 SPLR 值. 圖 4.4 為為實驗一中網路介面個數為 6 時四種不同頻道分配法的 SPLR 結 45.

(53) 果。圖 4.4 顯示，相較於其他頻道分配的方法，我們所提的方法在網路介面大於 4 個有較高的 SPLR 值。當可用頻道數為 2 個時，雖然每個節點的無線介面 6 個，但只能使用 2 個頻道，所以除了 CCA 外，其他三個頻道分配演算法的 SPLR 值差異不大。隨著可用頻道的增加，我們所提的方法有較高的 SPLR 值。但因我們所提的方法可用頻道數限制在 11 個，因此在可用頻道數為 11 與 12 時的 SPLR 值相同。 NIC:6 100 90 80 70. SPLR(%). 60 50 40 30 Ours CG CCA CLICA. 20 10 0. 2. 3. 4. 5 6 7 8 9 The number of available channels. 10. 11. 12. 圖 4.4 不同頻道分配方法在網路介面個數為 6 時的 SPLR 值. 圖 4.5 為實驗一中網路介面個數為 12 時，四種不同頻道分配法的 SPLR 結果。圖 4.5 顯示，相較於其他頻道分配的方法，我們所提的方法有較高的 SPLR 值。此外除了 CCA 的方法外，所有頻道分配方法的 SPLR 值均會隨著可用頻道數增加而上升。且因為網路介面個數多，所以我們的方法可以充分的使用頻道，不會受限於網路介面個數的限制。與圖 4.3 及圖 4.4 比較能發現，當網路介面個數越多時，增加可用頻道數對於 SPLR 增加的效益越高。. 46.

(54) NIC:12 100 90 80 70. SPLR(%). 60 50 40 30 Ours CG CCA CLICA. 20 10 0. 2. 3. 4. 5 6 7 8 9 The number of available channels. 10. 11. 12. 圖 4.5 不同頻道分配方法在網路介面個數為 12 時的 SPLR 值. 實驗二將傳輸半徑與干擾半徑設為 25m。我們改變每個節點的網路介面個數，比較可用頻道數分別為 3、6 與 12 時的 SPLR 值。圖 4.6 為可用頻道數為 3 時的結果。由圖 4.6 可以發現，無論網路介面個數為何，我們的方法均有較高的 SPLR 值。在此種實驗設定下，可用頻道個數永遠是 3，所以所有方法的效能並不受網路介面數量的影響。 Available channels:3 100 90 80 70. SPLR(%). 60 50 40 30 Ours CG CCA CLICA. 20 10 0. 2. 3. 4. 5 6 7 8 9 The number of NICs per node. 10. 11. 12. 圖 4.6 不同頻道分配方法在可用頻道數為 3 時的 SPLR 值. 圖 4.7 為實驗二中將可用頻道數設為 6 時的結果。由圖 4.6 可以發現在網路 47.

(55) 介面個數小於 4 時，我們方法的 SPLR 值較 CLICA 低，因為在網路介面個數較少時，我們方法會受網路介面個數的限制而無法使用過多的頻道，使得連結間的干擾較高。但在網路介面數量大於等於 4 之後，我們方法能夠充分的使用頻道，所以擁有較高的 SPLR 值。 Available channels:6 100 90 80 70. SPLR(%). 60 50 40 30 Ours CG CCA CLICA. 20 10 0. 2. 3. 4. 5 6 7 8 9 The number of NICs per node. 10. 11. 12. 圖 4.7 不同頻道分配方法在可用頻道數為 6 時的 SPLR 值. 圖 4.8 為實驗二中將可用頻道數設為 12 時的結果。由圖 4.8 可以發現在網路介面個數小於 4 時，Ours 的 SPLR 值較 CLICA 低，而與 CG 差不多。在網路介面數量大於 5 時，Ours 能擁有較高的 SPLR 值。由此可知在網路介面個數逐漸增加，Ours 的 SPLR 值有較顯著的提升。此外與圖 4.6 與圖 4.7 比較可以發現，除了 CCA 外，越多的可用頻道產生的連結數量也越多。因為 CCA 使用與介面數量相同的頻道數目，所以可用頻道數由 3 增為 12 時效能並未改變。至於增加網路介面數量所獲得的效益，在頻道數多時較顯著，頻道數少時沒有差異。. 48.

(56) Available channels:12 100 90 80 70. SPLR(%). 60 50 40 30 Ours CG CCA CLICA. 20 10 0. 2. 3. 4. 5 6 7 8 9 The number of NICs per node. 10. 11. 12. 圖 4.8 不同頻道分配方法在可用頻道數為 12 時的 SPLR 值. 實驗三比較不同的 SIRthreshold 值對於 SPLR 值的影響。在此實驗中的傳輸半徑為 25m，可用頻道個數為 5 個，每個節點的無線介面個數為 3 個。圖 4.9 的 X 軸是將上述所提及的最大 SIRthreshold 分為 10 等份，所以在 x 座標為 0 時為 NPLR 的結果，在 x 座標為 10 為原本的 SIRthreshold 的 SPLR 結果。由圖 4.9 可以發現，當 x 座標為 0 時，所有頻道分配演算法的 SPLR 值都為 100%，且所有的頻道分配演算法的 SPLR 值均會受 SIRthreshold 的增加而減少，. 49.

(57) 100 90 80 70. SPLR(%). 60 50 40 30 Ours CG CCA CLICA. 20 10 0. 0. 1. 2. 3. 4. 5 6 Threshold/10. 7. 8. 9. 10. 圖 4.9 不同頻道分配方法改變 SIRthreshold 的 SPLR 值. 實驗四比較不同的傳輸半徑對於 SPLR 值的影響。在此實驗中的傳輸半徑與干擾半徑相同，比較傳輸半徑為 25m、50m、75m 與 100m 的 SPLR 值，設定可用頻道個數為 5 個，每個節點的無線介面個數為 3 個。由圖 4.10 可以發現，隨著傳輸半徑的增加，Physical Topology 中的連結也較多，所以連結受到干擾也較高，因此所有頻道分配演算法的 SPLR 值，都會隨著傳輸半徑的增加而下降。 100 Ours CG CCA CLICA. 90 80 70. SPLR(%). 60 50 40 30 20 10 0 25. 50. 75 Communication range. 圖 4.10 不同頻道分配方法改變傳輸半徑的 SPLR 值. 50. 100.

(58) 第五章. 結論. 近年來，透過無線區域網路（WLAN）或其他的無線基礎設施連結網際網路，已成為行動計算（mobile computing）應用情境的一部分。然而為了降低傳統上以有線的 AP 連結方式的有線基礎設施成本和能夠迅速的增加 AP 的服務覆蓋範圍，IEEE 802.11s 定義了將 AP 以無線的方式連結，但是由於無線訊號傳遞的特性，產出量可能會因為同頻干擾、資料碰撞和傳輸競爭而下降，為了提升產出量，過去有許多學者針對降低同頻干擾而提出相關研究。為了降低干擾，有學者提出在多頻道多無線網路介面的環境下，研究分配 AP 連結所使用的頻道，然而這些研究中多採用 Protocol Model 的干擾模型，但此種模型卻無法完整呈現出網路中的干擾。本篇論文中我們採用 Physical Model，根據 SIR 值作為干擾程度的依據，提出在多介面多頻道的無線網狀網路環境中頻道分配的演算法，並簡單介紹無線網狀網路的基本架構和干擾模型的種類，最後分析在不同傳輸半徑、干擾半徑、網路介面卡數量和可用頻道數對於成功連結數量的比率的關係，並比較其他學者所提出的方法。我們所提出的頻道分配演算法採用 link-by-link 的方式依序決定出每一個連結所使用的頻道。分別計算遭受最大可能干擾下的 SIR 值矩陣與遭受最小可能干擾 SIR 值矩陣，綜合考量後選出干擾最小的連結先分配，為了避免頻道配置過於分散導致 Physical Topology 中相鄰節點間沒有共用的頻道而無法溝通，我們將限制每個節點可使用的頻道數。並詳述如何更新兩矩陣的時機與方法，並舉例說明我們所提出方法的詳細步驟。由實驗中發現所有的頻道分配演算法所得到的 NPLR 值都為 100%，表示在頻道分配結束後，Physical Topology 中的每條連結都能被分配頻道。並發現到我們的方法在網路介面個數多時，因為可以充分的使用頻道的情況下，我們的方法有較高的 SPLR 值。從實驗結果中還能發現，隨著傳輸半徑的增加，因為節點密 51.

(59) 度的增加使得連結數變多，因此連結間互相干擾的程度也越大，導致 SPLR 值會隨著傳輸半徑的增加而下降。此外 SIRthreshold 也會影響 SPLR 值的結果，當 SIRthreshold 增加，SPLR 也會隨之下降。. 52.