CN100450201C

CN100450201C - 分布式自适应动态信道分配方法

Info

Publication number: CN100450201C
Application number: CNB2007100380778A
Authority: CN
Inventors: 王静; 刘超; 戎蒙恬
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2027-03-15
Also published as: CN101022572A

Abstract

本发明公开了一种分布式自适应动态信道分配方法，属于无线网络技术领域。本发明包括以下步骤：1)AP进行随机地信道分配，并初始化内部网络性能衡量参数表；2)AP记录一个调整周期时间内网络吞吐量和信道冲突概率，并写入内部网络性能衡量参数表；3)在调整周期到来时，每个AP将当前信道的网络吞吐量与网络吞吐量参数表内其它信道的网络吞吐量进行比较，且根据自身的负载情况确定应该采用的最佳切换概率，从而确定在下一周期中采用哪一信道；4)AP不再切换信道，则网络达到稳定。本发明较之以前的集中式信道分配方法具有实时性强，网络适应性强，信道分配更完善的优点。

Description

分布式自适应动态信道分配方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于无线网络技术领域的方法，具体涉及一种分布式自适应动态信道分配方法。

背景技术

近年来，无线局域网以其突出的优点和相对成熟的技术而迅猛发展并得到了广泛的应用，于是为了满足日益增长的无线网络服务的需求，许多公司都展开了802.11无线局域网的业务，各种通信设备也都兼容了802.11协议。IEEE802.11协议规定了14个可用信道，但由于频率资源的匮乏，相邻信道之间的频率范围是重叠的，这必然在某种程度上严重抑制了无线局域网发展。于是许多研究都致力于无线局域网的资源管理。其中，信道分配又是最为重要的一种无线资源管理方式。在无线局域网中，为了实现网络的全覆盖，AP(接入点)间的覆盖范围必然要存在重叠区域，而且有时因为要保证网络的健壮性和全覆盖性，AP之间覆盖范围会出现较大面积的重叠。在这种情况下，如果相邻的AP之间采用相同或相近的信道，就会产生严重的相互干扰，导致网络服务质量恶化，甚至出现网络中断的现象。于是信道分配方法应运而生。这些方法一般分为三种：集中控制法——存在一个集中控制中心，通过对网络的流量，冲突情况的监听与测量，对网络中的每个AP使用的信道进行调整，以保证网络服务质量最优；分布式控制——不存在集中控制中心，而是每个AP通过自身对网络的感知与测量，自适应的进行信道调整；混合式控制——将前两种结合起来，达到优化网络管理资源的目的。目前大多数无线局域网采用集中式管理方式，这种方式发展相对成熟，可以较好的对整个网络的资源进行分配与优化，控制具有全局性，可以方便人工干预控制，调整效果明显可靠，但因为需要一个集中控制的管理系统，则成本较高，且及时性差，跟随网络突发变化而调整的能力有限，于是AP的动态信道分配方法越来越受到重视。

经对现有技术文献的检索发现，Hui Luo and N.K.Shankaranrayanan，《ADistributed Dynamic Channel Allocation Technique for Throughput Improvementin A Dense WLAN Environment》——IEEE ICC.(“在高密度无线局域网环境中通过自适应分布式动态信道分配方法提高网络流量”——IEEE ICC.)中，作者提出了一种自适应分布式动态信道分配方法，该方法以提高网络中每个AP的吞吐量为目标函数，AP之间可以进行通信，从而交换一些信息，例如所采用的信道，还有各自所连接的客户端数量，然后每个AP根据与相邻AP交换得到的信息进行信道调整，但是这种信道分配方法要求AP之间可以进行互相通信以交换各自的配置信息，这种要求对于实际网络来说不合实际而过于理想化，还不能解决实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种分布式自适应动态信道分配方法。使其不需要预先对整个网络的拓扑结构和网络负载进行了解，通过自适应调整和分级式最佳切换概率切换方法，达到整个网络的信道优化分配。

本发明具体通过以下技术方案实现的，本发明包含以下步骤：

第一步，在初始状态下，每个AP进行随机地信道分配，并且初始化该AP内部的网络性能衡量参数表；

第二步，每个AP根据自身对网络的感测和计算记录网络的状态，计算出一个调整周期内网络吞吐量和信道冲突概率，并写入该AP内部的网络性能衡量参数表；

第三步，在调整周期到来时，每个AP将当前信道的网络吞吐量(now_throughput)与网络吞吐量参数表内其它信道的网络吞吐量(other_throughput)进行比较，且根据自身的负载情况确定应该采用的最佳切换概率(在本发明中，采用了分级式最佳切换概率方法)，从而确定在下一周期中采用哪一信道，此过程并不需要一个集中式的管理系统对网络中的每个AP进行管理，而是每个AP自动自主地根据自身保存的网络性能参数动态地对所采用的信道进行自适应调整；具体步骤如下：

(1)如果当前信道的网络吞吐量大于表中其它信道的网络吞吐量，为得到更好效果，在实际应用中：

now_throughput＞other_throughput+threshold_throughput

则AP保持当前信道不进行切换，并转向第二步；

(2)如果当前信道的网络吞吐量小于表中其它信道的网络吞吐量，为得到更好效果，在实际应用中：

now_throughput＜other_throughput-threshold_throughput

那么该AP以所选择的最佳转移概率切换到网络吞吐量最大的信道，并转向第二步；

(3)如果当前信道的网络吞吐量介于上述范围之间，即：

上限：other_throughput+threshold_throughput

下限：other_throughput-threshold_throughput

那么此时要观察信道冲突概率参数表，具体如下：

a)如果有当前信道的冲突概率小于其他信道的冲突概率，即：

now_collision＜other_collision

则AP保持原有信道不进行切换，并转向第二步；

b)如果当前信道的冲突概率大于其他信道的冲突概率，即：

now_collision＞other_collision

则AP切换至信道冲突概率最小的信道，并转向第二步。

第四步，最终如果网络情况不发生改变，则网络中所有AP不再切换信道，网络达到稳定。

上述步骤中：

所述的信道冲突概率，是指归一化信道冲突概率，即在通信过程中，由于在同一时刻多方终端采用同一信道通信而产生的冲突，在本发明中定义为在单位时间内某一终端成功发送的数据包数与发出总包数之比。

所述的调整周期，是指为了确保网络的局部稳定性限制AP在单位时间内切换信道的次数以及网络中多个AP之间切换信道的不冲突性，在本发明中加入了对每个AP调整时间的限制，这一时间应按照实际网络的具体情况确定。

所述的网络性能衡量参数表，具体包括：网络吞吐量参数表和信道冲突概率参数表，用于记录本AP在调整周期内的上述网络情况的变化。

所述的初始化该AP内部的网络性能衡量参数表，是指为网络中每个AP中保存的网络性能参数表设定初值，根据本发明在一般情况下，网络吞吐量参数表初值均为1，信道冲突概率参数表初值为0。

所述的信道切换，是指AP自动切换至满足方法条件的信道。

所述的当前信道的网络吞吐量(now_throughput)，是指某一AP采用当前信道在本调整周期内由自身感测并计算得到的网络吞吐量。

所述的其它信道的网络吞吐量(other_throughput)，是指由某一AP保存的网络性能参数表中查到的区别于当前信道的其他信道的网络吞吐量。

所述的当前信道的冲突概率(now_collision)，是指某一AP采用当前信道在本调整周期内由自身感测并计算得到的信道冲突概率

所述的其他信道的冲突概率(other_collision)，是指由某一AP保存的网络性能参数表中查到的区别于当前信道的其他信道的冲突概率。

所述的网络吞吐量门限值(threshold_throughput)，是指：AP在吞吐量门限值范围内不再向其他信道切换，从而使整个网络快速达到稳定的信道分配。以防止出现类似消耗大量的资源和时间的前提下小幅度提高网络的性能的情况。

所述的最佳切换概率，是指限制每个AP以一定概率进行信道切换，这样既保证了整个网络的优化方向又使得网络不会出现较大的动荡。

所述的分级式最佳切换概率切换方法，即指：AP自身对于不同等级的负载采用相应的切换概率。例如设置0.2，0.4，0.6，0.8四级最佳切换概率，相应的AP负载也分为四级，每个AP只要对自身负载进行检测，而后确定自己的最佳转移概率。

所述的自适应调整，是指网络中的每个AP在不需要掌握网络其他节点通信状态的情况下，根据自身对网络性能的感测和计算，自动地调整自身所采用的信道。本发明采用了启发式算法中局部搜索的方法，在满足网络通信要求且不浪费网络资源的条件下得到一个局部最优解决方案，具体是：

1)首先每个AP初始化各自的网络性能参数表，并随机为自己分配一个信道，然后等待一个随机时间后启动并开始计时，等待调整周期的到来；

2)根据方法的目标函数进行迭代搜索过程；

3)本AP工作状态最终达到稳定。

在进行迭代搜索时，以最大化网络吞吐量为主要目标函数，将最小化信道冲突概率作为次要目标函数，目的在现有硬件配置下尽可能提高网络的承载能力。具体迭代过程如下：

首先在调整周期到来时，当每一调整周期到来时AP先测量在上一周期中本AP所采用的信道的网络性能衡量参数；

然后更新网络性能衡量参数表；

接着每个AP根据自身的负载情况确定应该采用的最佳切换概率，并将当前信道的网络吞吐量(now_throughput)与网络吞吐量参数表内其它信道的网络吞吐量(other_throughput)进行比较，进行发明内容中所述的信道切换的判断步骤；

当以上判断工作结束后，AP已经确定自己所要采用的信道后，进入下一个调整周期的等待状态，在下一调整周期到来后，每个AP重复以上的更新网络性能参数表和信道切换的判断步骤。

本发明具有实时性强，网络适应性强，信道分配更完善的优点。这对以后分布式动态信道分配研究有着重要的意义。本发明不需要预先对整个网络的拓扑结构和网络负载进行了解，而是通过每个AP各自地对网络性能进行检测，然后通过自适应调整和分级式最佳切换概率切换方法，达到整个网络的信道优化分配。

附图说明

图1为本发明均匀负载分配下的信道分配实施例效果图

图2为本发明非均匀负载分配下的信道分配实施例效果图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例应用于XXX无线网络搭建项目中的实验网络的无线资源管理研究的应用中，主要采用了LINKSYS公司的WRT54G的无线路由器(AP)并在其上进行开发组网实验。

首先将本发明的分布式信道分配方法以软件形式写入无线路由器中，然后将拥有本发明功能的无线路由器(AP)搭建为一个无线局域网，并在每个无线路由器(AP)下设有若干终端工作站，然后检测网络的通信情况，主要是看整个网络中各个无线路由器的信道分配情况和网络的整体吞吐量情况。在实施例中，网络吞吐量门限值(threshold_throughput)采用了当前信道的网络吞吐量值(now_throughput)的五分之一，而分级式最佳切换概率要根据具体网络的负载情况进行分级。

在本实施例网络中采用了28个无线路由器(AP)，并使每个无线路由器(AP)至少带有四个终端工作站。

首先每个无线路由器(AP)初始化各自的网络性能参数表，并随机为自己分配一个信道。然后产生一个随机等待时间并开始计时，当随机等待时间结束后，开始启动，进入通信状态，等待调整周期的到来。

然后在调整周期到来时，首先计算出一个调整周期内网络吞吐量和信道冲突概率，并写入该AP内部的网络性能衡量参数表；然后每个AP将当前信道的网络吞吐量(now_throughput)与网络吞吐量参数表内其它信道的网络吞吐量(other_throughput)进行比较，且根据自身的负载情况确定应该采用的最佳切换概率，从而确定在下一周期中采用哪一信道。具体来说，如果当前信道的网络吞吐量大于表中其它信道的网络吞吐量，则AP保持当前信道不进行切换；如果当前信道的网络吞吐量小于表中其它信道的网络吞吐量，AP以所选择的最佳转移概率切换到网络吞吐量最大的信道；如果当前信道的网络吞吐量介于门限值之间，那么此时要观察信道冲突概率参数表，如果有当前信道的冲突概率小于其他信道的冲突概率，则AP保持原有信道不进行切换，如果当前信道的冲突概率大于其他信道的冲突概率，则AP切换至信道冲突概率最小的信道。

接着当以上判断工作结束后，AP已经确定自己所要采用的信道后，进入下一个调整周期的等待状态。下一调整周期到来后，每个AP重复以上的更新网络性能参数表和信道切换的判断步骤。

最后直至网络情况稳定，信道不再需要切换则方法结束。

上述实施效果如图1和图2所示，搭建的28个AP的试验场景中，近似将AP的覆盖范围看作是类似蜂窝网络的六边形蜂窝小区(如图1)。实施例的目的就是使相邻的AP尽量采用不同信道，从而减少同信道干扰。由图1所示，在均匀负载情况下的实验结果已经近似标准信道分配，吞吐量也类似达到在标准信道分配的情况下的吞吐量。

在对均匀负载网络实验的基础上，建立非均匀负载网络的仿真环境。在原有的均匀负载的仿真环境中，增加其中几个AP的客户端和每个客户端所需传输的信息量，如图2所示，负载重AP标以小三角型以示区别。通过仿真，在非均匀负载的情况下(如图2所示)，虽然有一些相邻AP采用相同的信道，但是对于那些重负载AP而言，其周围的AP均采用与其不同的信道，这说明本发明在不均匀负载情况下，能较好的解决重负载的相邻AP同信道干扰问题，虽然有一些相邻的轻负载AP采用了相同的信道，但是因为负载较轻，同信道干扰并没有对网络的性能造成较大的影响，所以即使采用了相同信道，网络的吞吐量也没有大的下降，在这种情况下，一定程度的同信道干扰的存在对于整个网络来说是可以容忍的。

Claims

1、一种分布式自适应动态信道分配方法，其特征在于，包含以下步骤：

第一步，在初始状态下，每个AP进行随机地信道分配，并且初始化该AP内部的网络性能衡量参数表，该网络性能衡量参数表包括网络吞吐量参数表与信道冲突概率参数表；

第三步，在调整周期到来时，每个AP将当前信道的网络吞吐量与网络吞吐量参数表内其它信道的网络吞吐量进行比较，且根据自身的负载情况确定应该采用的最佳转移概率，从而确定在下一周期中采用哪一信道，此过程并不需要一个集中式的管理系统对网络中的每个AP进行管理，而是每个AP自动自主地根据自身保存的网络性能参数动态地对所采用的信道进行自适应调整，具体实现如下：

(1)如果当前信道的网络吞吐量大于网络吞吐量参数表中其它信道的网络吞吐量，则AP保持当前信道不进行切换，并转向第二步；

(2)如果当前信道的网络吞吐量小于网络吞吐量参数表中其它信道的网络吞吐量，那么该AP以所选择的最佳转移概率切换到网络吞吐量最大的信道，并转向第二步；

(3)如果当前信道的网络吞吐量介于网络吞吐量参数表中其它信道的网络吞吐量之间，那么此时要观察信道冲突概率参数表，具体为：

a)如果有当前信道的冲突概率小于其他信道的冲突概率，则AP保持原有信道不进行切换，并转向第二步；

b)如果当前信道的冲突概率大于其他信道的冲突概率，则AP切换至信道冲突概率最小的信道，并转向第二步；

所述的第三步中的自适应调整，是指网络中的每个AP在不需要掌握网络其他节点通信状态的情况下，采用启发式算法中局部搜索的方法，在满足网络通信要求且不浪费网络资源的条件下得到一个局部最优解决方案，具体如下：

1)首先每个AP初始化各自的网络性能衡量参数表，并随机为自己分配一个信道，然后等待一个随机时间后启动并开始计时，等待调整周期的到来；

2)根据方法的目标函数进行迭代搜索过程；

3)本AP工作状态最终达到稳定；

所述的根据目标函数进行迭代搜索，是指以最大化网络吞吐量为主要目标函数，将最小化信道冲突概率作为次要目标函数，具体迭代过程如下：

首先在调整周期到来时，AP先测量在上一周期中本AP所采用的信道的网络性能衡量参数；

然后更新网络性能衡量参数表；

接着每个AP根据自身的负载情况确定应该采用的最佳转移概率，并将当前信道的网络吞吐量与网络吞吐量参数表内其它信道的网络吞吐量进行比较，进行第三步中所述的自适应调整；

当以上判断工作结束后，AP已经确定自己所要采用的信道后，进入下一个调整周期的等待状态，在下一调整周期到来后，每个AP重复以上的更新网络性能衡量参数表和信道切换的判断步骤。

2、根据权利要求1所述的分布式自适应动态信道分配方法，其特征是，所述的当前信道的冲突概率，是指某一AP采用当前信道在本调整周期内由自身感测并计算得到的信道冲突概率；

所述的其他信道的冲突概率，是指由某一AP保存的网络性能衡量参数表中查到的区别于当前采用信道的其他信道的冲突概率。

3、根据权利要求1所述的分布式自适应动态信道分配方法，其特征是，所述的初始化该AP内部的网络性能衡量参数表，是指：在将网络中每个AP中保存的网络性能衡量参数表设定初值，网络吞吐量参数表初值均为1，信道冲突概率参数表初值为0；

4、根据权利要求1或3任意一项所述的分布式自适应动态信道分配方法，其特征是，所述的信道冲突概率，是指归一化信道冲突概率，定义为在单位时间内某一终端成功发送的数据包数与发出总包数之比。

5、根据权利要求1或3所述的分布式自适应动态信道分配方法，其特征是，所述的调整周期，是指为了确保网络的局部稳定性限制AP在单位时间内切换信道的次数以及网络中多个AP之间切换信道的不冲突性，加入了对每个AP调整时间的限制，这一时间应与实际网络的具体情况确定。

6、根据权利要求1所述的分布式自适应动态信道分配方法，其特征是，所述的当前信道的网络吞吐量，是指某一AP采用当前信道在本调整周期内由自身感测并计算得到的网络吞吐量；

所述的其它信道的网络吞吐量，是指由某一AP保存的网络性能衡量参数表中查到的区别于当前采用信道的其他信道的网络吞吐量。

7、根据权利要求1所述的分布式自适应动态信道分配方法，其特征是，所述的确定应该采用的最佳转移概率，是指采用分级式最佳转移概率切换方法，AP自身对于不同等级的负载采用相应的转移概率，每个AP只要对自身负载进行检测，而后确定自己的最佳转移概率。