CN101453738B - 一种无线网状网的覆盖规划和信道分配方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线网状网的覆盖规划和信道分配方法及装置，所述方法包括：步骤1，在待覆盖的区域中，选择具有最大覆盖范围的备选放置点作为第一个无线网状网节点放置点，放入节点放置点集合；步骤2，在最大距离d下，在备选放置点集合中不断地搜索放置节点并进行信道分配，直至节点放置点集合中所有节点放置点的覆盖区域达到预设的覆盖目标，选择使目标函数达到最大的节点放置集合；步骤3，以搜索步长δd重新设定所述最大距离d，并重复上述步骤1-2，直至遍历相邻两节点放置点的最大距离范围[d_min，d_max]；步骤4，在不同的最大距离对应的节点放置点集合中选择具有最大的最优目标函数的节点放置点集合作为最终的节点放置点选择结果，并获取相应的信道分配数据。

Description

一种无线网状网的覆盖规划和信道分配方法及装置

技术领域

本发明总体上涉及无线网状网的规划部署方法，更特别地，涉及一种无线网状网的覆盖规划和信道分配方法及装置。

背景技术

随着宽带无线通信技术的飞速发展，基于802.11的无线网状网技术在不断地发展、成熟，已经成为一种重要的“最后一公里”宽带无线接入方案。在无线网状网实现一个区域的宽带接入时，需要解决如何在该区域内部署无线网状网的问题，也就是，如何在区域内放置无线路由器以提供良好的区域覆盖，并保持无线路由器之间的连通性。当前普遍采用经验方法，手动选择无线路由器的放置点。如果需要覆盖的区域很小，只需要几个无线路由器时这种方法是可行的。然而，随着人们越来越多的选择部署无线网状网来提供无线接入，当需要放置大量的无线路由器时，传统的经验部署方法很难满足需求，因此需要一种更系统、有效的覆盖规划方法来解决无线网状网的区域部署问题。

节点放置和覆盖信道分配是无线网状网覆盖规划中两个方面。节点放置是通过在需要覆盖的区域中合理的选择无线路由器的放置点以达到该区域的覆盖目标，并保持无线路由器之间的连通性。在节点放置中，需要考虑区域覆盖和连通性两个方面的因素。而覆盖信道分配是通过合理的分配各个无线路由器上负责接入服务的射频单元的工作频率以尽可能地提高网络的接入吞吐量。同频干扰是覆盖信道分配中的主要问题，无线网状网的宽带接入一般使用802.11g模式，此模式最多有三个相互不重叠的信道(1，6，11)可供使用。当使用无线网状网进行区域覆盖时，由于覆盖区域的连续性，在信道分配过程中，经常会出现某一区域被多个无线路由器所覆盖，且这几个无线路由器工作在相同的信道，这就产生了同频干扰的问题。覆盖信道分配对覆盖层面的接入性能影响巨大。

现阶段，在无线网状网规划过程中，节点放置和覆盖信道分配是分开考虑，也就是先进行节点放置，合理的选择放置点，对指定区域进行覆盖，满足覆盖的需求；再对已经选择的放置点进行信道分配。这种分开考虑的缺点是很难综合考虑网络的覆盖和接入性能，使得网络取得整体优化的效果。良好的覆盖可以通过高密度的移动节点(MNs)实现，然而，这样势必会造成较多的同频重叠区域。另一方面，如果没有同频的重叠区域，在部署中势必会有很多的黑洞或区域没有被覆盖。而且，目前无线网状网规划方法也仅仅考虑了节点放置方法，覆盖信道分配方法更多的是在节点放置的基础上进行手工的信道选择。这种手动的方法已经被证明是无法获得理想的效果的。正如上面所述，由于可分配信道数量的限制，当使用无线网状网进行区域覆盖时，同频干扰不可避免。由于802.11是工作在共享信道方式，同频干扰越大则意味着有更多的竞争相同信道的可能性，从而导致接入带宽由于信道的竞争而下降，从而影响网络的接入吞吐量。因此，如何有效的减少同频干扰，已成为覆盖规划中的一个至关重要的问题。

因此，有必要针对无线网状网的覆盖规划问题，设计一种新的无线网状网规划方法，以综合考虑以下因素：(1)区域覆盖，能合理的选择放置点，对指定区域进行覆盖，满足覆盖的需求；(2)连通性，在放置点选择中，考虑各个放置点之间的通信关系，保证无线网状网的连通性；(3)同频干扰，考虑放置点之间的信道分配，尽可能减少同频干扰，为宽带接入提供更高的接入吞吐量。来合理的均衡最大化覆盖和最小化同频干扰。

发明内容

鉴于如上现有的无线网状网规划方法存在的问题，本发明的目的在于提供一种无线网状网的覆盖规划和信道分配方法及装置，以在无线网状网的部署过程中综合考虑覆盖范围和同频干扰因素，合理的均衡最大化覆盖和最小化同频干扰。

本发明实施例提供一种无线网状网的覆盖规划和信道分配方法，该方法包括：

步骤1，在待覆盖的区域中，选择具有最大覆盖范围的备选放置点作为第一个无线网状网节点放置点，放入节点放置点集合；

步骤2，搜索符合如下条件的备选放置点，形成评估点集合：

与所述至少一个无线网状网节点放置点的距离在给定的最大距离d内；

与节点放置点集合中的至少一个无线网状网节点放置点存在设定的视距通信关系；

步骤3，将所述评估点集合中的每一备选放置点各自与节点放置点集合组成对应的预选放置点集合，按照该预选放置点集合中各放置点之间的最小重叠覆盖区域的大小进行节点信道分配，将相同的信道分配在重叠覆盖区域尽量小的对应节点之间，获得下列目标函数的最优目标函数值：

OF＝k1*COV-k2*I；

其中，k1、k2为大于0的权重系数，COV为该预选放置点集合中所有放置点在待覆盖的区域中的覆盖范围，I为该放置点集合对应节点之间产生的同频干扰；

步骤4，从所有预选放置点集合中选择具有最大的最优目标函数值的预选放置点集合作为当前节点放置点集合；

步骤5，重复步骤2-4，直至节点放置点集合中所有节点放置点的覆盖区域达到预设的覆盖目标；

步骤6，以搜索步长δ_d重新设定所述最大距离d，并重复上述步骤1-5，直至遍历相邻两节点放置点的最大距离范围[d_min，d_max]；

步骤7，在不同的最大距离对应的节点放置点集合中选择具有最大的最优目标函数的节点放置点集合作为最终的节点放置点选择结果，并获取相应的信道分配数据。

本发明另一实施例提供一种无线网状网的覆盖规划和信道分配装置，该装置包括：

第一放置点选择单元、后续放置点选择单元及第一调用单元及结果获取单元；

所述第一放置点选择单元用于在待覆盖的区域中，选择具有最大覆盖范围的备选放置点作为第一个无线网状网节点放置点，放入节点放置点集合；

所述后续放置点选择单元用于依次从备选放置点中选择与至少一个已选择节点放置点的距离在给定的最大距离d内的后续无线网状网节点放置点，直至所有已选择的无线网状网节点的覆盖区域达到预设的覆盖目标，形成所述最大距离d对应的节点放置点集合，该后续放置点选择单元包括：下一放置点选择单元及第二调用单元；

所述下一放置点选择单元用于从备选放置点中选择下一个无线网状网节点放置点，该下一放置点选择单元包括：评估点集合选择单元、预选节点信道分配单元、预选放置点集合选择单元，其中：

所述评估点集合选择单元用于搜索符合如下条件的备选放置点，形成评估点集合：

与所述至少一个无线网状网节点放置点的距离在给定的最大距离d内；

与节点放置点集合中的至少一个无线网状网节点放置点存在设定的视距通信关系；

所述预选节点信道分配单元用于将所述评估点集合中的每一备选放置点各自与节点放置点集合组成对应的预选放置点集合，按照该预选放置点集合中各放置点之间的最小重叠覆盖区域的大小进行节点信道分配，将相同的信道分配在重叠覆盖区域尽量小的对应节点之间，获得下列目标函数的最优目标函数值：

OF＝k1*COV-k2*I；

其中，k1、k2为大于0的权重系数，COV为该预选放置点集合中所有放置点在待覆盖的区域中的覆盖范围，I为该放置点集合对应节点之间产生的同频干扰；

所述预选放置点集合选择单元用于从所有预选放置点集合中选择具有最大的最优目标函数值的预选放置点集合作为当前节点放置点集合；

所述第二调用单元用于重复调用所述下一放置点选择单元来选择下一个节点放置点，直至节点放置点集合中所有节点放置点的覆盖区域达到预设的覆盖目标，形成所述最大距离d对应的节点放置点集合；

所述第一调用单元，用于以搜索步长δ_d重新设定所述最大距离d，并重复调用所述第一放置点选择单元和后续放置点选择单元，获得重复设定的最大距离d对应的节点放置点集合，直至所述最大距离d遍历相邻两节点放置点的最大距离范围[d_min，d_max]；

结果获取单元，用于在不同的最大距离对应的节点放置点集合中选择具有最大的最优目标函数的节点放置点集合作为最终的节点放置点选择结果，并获取相应的信道分配数据。

本发明实施例在无线网状网在达到覆盖目标的前提下，充分考虑覆盖范围和同频干扰因素，使最终选择的放置点集合能同时合理的均衡最大化覆盖和最小化同频干扰，在保证覆盖目标的基础上，尽可能的提供最大的网络接入性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明实施例中无线网状网部署方法的流程的示意图；

图2为本发明实施例所应用地典型的城区街道环境；

图3A为本发明实施例中的预选放置点集合{65，14}的干扰图；

图3B为本发明实施例中预选放置点集合{65，51，89，}的干扰图；

图4为本发明实施例中应用部署方法的网络实例图；

图5为本发明实施例中进行无线网状网部署的装置结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

本发明实施例提供一种用于无线网状网覆盖规划的联合无线网状网节点放置和信道分配的方法，该无线网状网节点可以为无线路由器或具有无线网桥功能的无线接入点，下面仅以无线路由器为例进行说明。

本发明实施例考虑一个典型的无线网状网覆盖环境。在该环境中，通过预先的考察，确定该区域中的N个备选放置点，例如可以以道路的路灯杆等作为备选放置点。在这里，记CANDIDATES＝{C₁，C₂，...，C_N}为备选放置点集合，其中N为备选放置点的个数，C_i为第i个备选放置点，其中i＝1，2，...，N。

本发明实施例的目标是对给定区域的实现覆盖率为b的无线网状网覆盖，其中0＜b≤1。在这里，所说的无线网状网覆盖是指需要覆盖区域中的任意点所可以接收到的某个已选择的放置点上的无线路由器的信号强度大于或等于接收信号强度的阀值RSS_threshold。

本发明实施例的无线网状网的覆盖规划和信道分配方法包括两个层面的搜索：

第一层面搜索：在某一给定的两相邻无线路由器之间的最大距离d下，使用局部最优化方法搜索具有最大目标函数值的节点放置点集合。

本实施例中，所述目标函数(OF)定义为：

OF＝k1*COV-k2*I；    (1)

其中k1和k2为大于等于0的权重系数值，k1和k2可以根据不同的规划目标来确定，例如，如果以最大化覆盖为目标，k1＝1和k2＝0，那么OF＝COV；如果以最大化覆盖同时减少干扰，可以选择k1＝k2＝1，那么OF＝COV-I。COV为节点放置点集合中所有放置点在待覆盖的区域中的覆盖范围，I为该无线节点放置点集合对应节点之间产生的同频干扰。本实施例中该目标函数中同时考虑覆盖COV和同频干扰I，并优选地选择k1＝k2＝1。

第二层面搜索：以搜索步长δ_d递变所述最大距离，搜索两相邻路由器间最大距离范围[d_min，d_max]内不同最大距离d下具有最大目标函数值的节点(路由器)放置点集合。

在经历过上述两层搜索后，选择不同的最大距离d对应的节点放置点集合中具有最大的最优目标函数值的放置点集合作为最终的结果。

如图1所示，基于上述两层面的搜索，本发明实施例的无线网状网的覆盖规划和信道分配方法包括如步骤：

首先，在一给定的两相邻无线路由器之间的最大距离d下，使用局部最优化方法搜索具有最大目标函数值的无线网状网节点放置点集合。具体包括如下步骤：

步骤120：从所有备选放置点中选择第一个无线路由器的放置点C₁，放入节点放置点集合。该放置点C₁满足以下约束条件：

约束条件1：放置点C₁能提供最大的区域覆盖，也就是，

${\mathrm{COV}}_{C_1}=\max \left\{\mathrm{CO}{V}_{C_i}\right|{\∀C}_i\∈\mathrm{CANDIDATES}\};$

约束条件2：如果存在多个备选点其覆盖区域相同，则在满足约束条件1的所有备选放置点中选择具有最大视距通信度的备选放置点；在这里，视距通信度为可以与该点进行视距通信的备选放置点的数量，也就是：

${\mathrm{DEG}}_{C_i}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{LOS}}_{C_i,C_j};$

其中

为备选放置点C_i的视距通信度。

为备选放置点C_i、C_j间的视距通信关系：

$\∀C_i,C_j\∈\mathrm{CANDIDATES}.$

如果满足约束条件1和2的备选放置点仍有多个，则可从该多个备选放置点中任选一个备选放置点作为第一个无线路由器的放置点。

为了计算备选放置点的覆盖区域，在步骤120之前进行如下步骤：

步骤110，对需要覆盖的区域预先划分为网格，网格的精度为G，并对每个网格编号，记为：g₁，g₂，...，g_M，M为所划分的网格数量。那么，需要覆盖的区域可以表示为包含所有网格的集合，记为：

TARGET-AREA＝{g₁，g₂，...，g_M}。

对给定的备选放置点集合CANDIDATES中的每个备选放置点C_i，计算C_i所覆盖的区域

在这里，

用网格的集合表示，也就是，每个备选放置点的覆盖区域是由其所覆盖的网格构成的集合。

在这里，

为网格g_l接收到的备选放置点C_i的信号强度；根据路径损耗的计算公式，

${\mathrm{RSS}}_{C_i,g_l}=\mathrm{Powe}{r}_{C_i}+{\mathrm{gain}}_{C_i}+{\mathrm{gain}}_{g_l}-\mathrm{pl}(C_i,g_l)\left[\mathrm{dbm}\right]---\left(2\right)$

$\mathrm{pl}(C_i,g_l)=\mathrm{pl}\left(d_0\right)-10\mathrm{\αlo}{g}_{10}\left(\frac{d_{C_i,g_l}}{d_0}\right)+\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

在公式(2)、(3)中，pl(C_i，g_l)为无线信号从备选放置点C_i传输到网格g_l的路径损耗。

为在备选放置点C_i提供覆盖的无线路由器的发送功率；

为在备选放置点C_i提供覆盖的无线路由器所采用的发送天线增益；

为网格g_l中的客户端天线增益；pl(d₀)为在参考距离d₀处的路径损耗，其中d₀为参考距离α为路径损耗系数；ε为阴影衰落分量。 pl(d₀)、d₀、α、ε均为用户输入参数。

依据公式(1)和(2)，可为每个备选放置点C_i计算该点传输到每个网格g_l的信号强度

则备选放置点C_i所覆盖的区域COV_Ci可表示为：

${\mathrm{COV}}_{C_i}=\left\{g_l\right|{\mathrm{RSS}}_{C_i,g_l}\≥{\mathrm{RSS}}_{\mathrm{threshold}},{\∀g}_l\∈\mathrm{TARGET}-\mathrm{AREA}\}---\left(4\right)$

根据用户提供的各备选放置点之间的视距通信关系可构建视距通信矩阵LOS，LOS为一二维矩阵。

选择了第一个无线路由器放置点后，已选择的节点放置点集合SOL＝{C₁}；总的覆盖区域 $\mathrm{COVERD}={\mathrm{COV}}_{C_1}.$

步骤130，在备选放置点集合中选择符合如下条件的备选放置点，形成评估点集合：

约束条件(1)：与节点放置点集合中的至少一个无线网状网节点放置点的距离在所述给定的最大距离d内；

约束条件(2)：与所述至少一个无线网状网节点放置点存在视距通信关系。

上述约束条件1可表示为：

上述约束条件2可表示为：

如果所寻找的下一步放置评估点的集合EVA_CAN不为空，可优先从与两个以上无线路由器放置点具有视距通信关系的备选放置点中选取，即从视距通信度大于2的备选放置点中选取。

步骤140，遍历EVA_CAN集合中的每个放置评估点(备选放置点)C_i∈EVA_CAN，每一放置评估点各自与已选择的节点放置点集合SOL组成对应的预选放置点集合，按照该预选放置点集合中各放置点之间的最小重叠覆盖区域的大小进行节点信道分配，将相同的信道分配在重叠覆盖区域尽量小的对应节点之间，获得下列目标函数的最优目标函数值：

OF＝k1*COV-k2*I；

其中，k1、k2为大于0的权重系数，COV为该预选放置点集合中所有放置点在待覆盖的区域中的覆盖范围，I为该放置点集合对应节点之间产生的同频干扰。

具体地，在实现步骤140过程中，可以遍历EVA_CAN集合中的每个放置评估点C_i∈EVA_CAN，每个放置评估点C_i与已经选择的放置点集合SOL中的放置点(对应节点)一起构成干扰图，如图3A、图3B所示。在此，干扰图有如下定义：

定义1：干扰图为一个无向图Graph＝(V，E，W)。在图中V表示预选放置点集合，如果两个放置点的覆盖存在重叠则在这两个点之间存在一条边，E表示各放置点的边的集合；W为边的权值的集合，且该两个放置点的覆盖区域重叠范围的大小为该条边的权，每个节点所连接的边的最小权值作为该节点的权值。更具体地，w_i，j为边的权，边的权表示为两个节点所重叠的网格数，如公式(7)。

$w_{i,j}=\left|\right\{g_l|g_l\∈{\mathrm{COV}}_{C_i}\∩g_l\∈{\mathrm{COV}}_{C_j}\∩C_i\∈V\∩C_j\∈V\}|---\left(7\right)$

定义2(同频干扰I定义)：在信道分配之后，任意两个放置点点之间的同频干扰为：

根据定义1及定义2，如果两个放置点被分配了相同的信道，则重叠区域存在同频干扰，重叠区域(边的权)的大小表示同频干扰的大小。

基于公式(1)及定义1、2，目标函数OF可以表示为：

$\mathrm{OF}=k_1*\underset{C_i\∈V}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{COV}}_{\mathrm{Ci}}-k_2*\underset{C_i,C_j\∈V}{\mathrm{\Σ}}{I}_{i,j}---\left(9\right)$

本实施例中，对每个给定的干扰图，提出了一种启发式图染色信道分配算法，该算法优先处理干扰大的情况，将同信道分配在重叠区域比较小的节点间，以尽量减少网络中的干扰。所述的信道分配算法包括：

(1)在干扰图中，计算每个节点的最小权值。

(2)从未分配的节点中选择具有最大的最小权值的节点作为当前待分配信道的节点；在为当前待分配信道的节点分配信道时，如果存在不同于相邻节点信道的可用信道，则为该节点分配该可用信道，如果不存在不同于相邻节点信道的可用信道，则为该节点分配与权值最小的边对应的相邻节点相同的信道。

(3)对干扰图中每个未分配的节点执行步骤(2)，直到所有的节点都分配了信道为止。

根据公式(9)计算各干扰图对应的预选放置点集合的目标函数的最优目标函数值(最大目标函数值)。

步骤150，从所有预选放置点集合中选择具有最大的最优目标函数值的预选放置点集合作为当前节点放置点集合；即综合比较每个评估点C_i∈EVA_CAN与已选择放置点集合SOL构成的干扰图的目标函数，选择目标函数最大的评估点作为下一个放置点，并将此评估点放入SOL中。

步骤160，重复步骤130～150，直至节点放置点集合中所有节点放置点的覆盖区域达到预设的覆盖目标。

至此获得对应于所述给定的最大距离d的节点放置点集合及其对应的信道分配方案，即完成了第一层面上的搜索。

为了实现第二层面的搜索，图1所示的方法还包括：

步骤170，以搜索步长δ_d重新设定所述最大距离d，并重复上述步骤120-160，直至遍历相邻两节点放置点的最大距离范围[d_min，d_max]，从而获得不同的最大距离d对应的节点放置点集合及其对应的最优目标函数；

其中参数d_min、d_max、δ_d可以根据规划实际情况选择，一个典型的参数示例是d_min＝覆盖半径、d_max＝2×覆盖半径、δ_d＝网格精度G。

步骤180，在不同的最大距离d对应的节点放置点集合中选择具有最大的最优目标函数值的节点放置点集合作为最终的节点放置点选择结果，并获取相应的信道分配数据。

上述可知，本发明实施例的方法将无线网状网的覆盖规划问题形式化为优化问题，在此优化问题的目标函数中综合考虑覆盖范围和同频干扰因素，合理的均衡最大化覆盖和最小化同频干扰，使之能同时反映覆盖范围和同频干扰的情况。针对此优化问题，提出了一种本地搜索算法，该算法执行两个层面的搜索，(1)使用局部最优化方法搜索在给定某的两相邻无线路由器之间的最大距离d下的具有最优目标函数值的放置点集合；(2)在两个相邻路由器之间的最大距离范围[d_min，d_max]内，以搜索步长δ_d递变最大距离d，依次搜索在不同d下的最优目标函数值及其对应的放置点集合。在经历过两层的搜索后，选择不同的最大距离d对应的放置点集合中具有最大的最优目标函数值的放置点集合作为最终的结果。

图2所示的区域为典型的城区街道环境，区域中有楼房、街道、空地等，目标是实现此区域的b＝80％覆盖；另外，在此规划中取k1＝1、k2＝1，OF＝COV-I。在此区域中总计有150个备选放置点，其编号为0～149，如图2中黑色圆圈所示，那么备选放置点集合为CANDIDATES＝{0，1，2，3...，149}。

设定两个相邻路由器之间的最大距离范围为[200米，390米]，从d＝390米开始搜索，搜索部长δ_d＝10米。本实施例中的网状网部署方法包括如下步骤：

步骤(1)，对需要覆盖的区域划分为网格，网格精度G＝10米。

执行前述步骤110，覆盖区域可以表示为TARGET-AREA＝{g₁，g₂，...，g_M}，其中有M＝12638个网格点。

步骤(2)，首先选择第一个放置点。

执行前述步骤120，选择覆盖范围最大的备选放置点65号作为第一个放置点，OF＝1779，放入SOL＝{65}，其信道分配为{1}。

步骤(3)，选择第二个放置点。

在选择完第一个放置点之后，由于节点放置点集合SOL＝{65}的总覆盖率无法满足覆盖要求，继续选择第二个放置点。

依据前述步骤130，在备选放置点集合CANDIDATES中选择满足前述步骤130的约束条件1和约束条件2的备选放置点，并形成评估点集合EVA_CAN＝{14，39，40，51，52，53，89，108，109}。

依据前述步骤140，依次对EVA_CAN＝{14，39，40，51，52，53，89，108，109}中的每一个放置评估点执行前述步骤140。例如，首选选择EVA_CAN＝{14，39，40，51，52，53，89，108，109}集合中的备选放置点14，以备选放置点14和已选择的节点放置点集合SOL＝{65}构造预选放置点集合{65，14}，并为该预选放置点集合{65，14}构造干扰图，如图3A所示。由于在区域中放置点65和放置点14之间存在重叠区域，且重叠区域范围为237，那么在图3A的干扰图中，放置点65和放置点14之间存在一条边，且边的权值w_65，14＝237。在图3A的干扰图中，根据启发式染色信道分配算法，首先计算放置点65和放置点14的最小权值都为237；由于两个放置点的最小权值相同，任选一个作为第一个信道分配节点，在这里，我们选择放置点65，并分配信道1；然后，再在剩余的节点中选择下一个信道分配放置点，此时，只有放置点14，由于放置点14和放置点65相邻有重叠区域，并且有可用信道{6，11}可用，为放置点14分配信道6，没有同频干扰；根据公式(9)计算预选放置点集合的目标函数OF＝2285。同样，对EVA_CAN＝{14，39，40，51，52，53，89，108，109}中其他放置点执行与放置点14同样的步骤，并计算各个预选放置点集合的目标函数值。

执行前述步骤150，上述步骤中具有最大目标函数值OF＝2703的节点51作为第二个放置点，则SOL＝{65，51}，信道分配为{1，6}。

步骤(3)，选择第三个放置点。

在选择完第二个放置点之后，由于节点放置点集合SOL＝{65，51}的总覆盖率无法满足覆盖要求，继续选择第三个放置点。

重复执行前述步骤130～步骤150，选择具有最大目标函数值OF＝3394的节点89为第三放置点，SOL＝{65，51，89}，信道分配为{1，6，11}。

步骤(4)，选择第四个放置点。

在选择完第三个放置点之后，由于节点放置点集合SOL＝{65，51，89}的总覆盖率无法满足覆盖要求，继续选择第四个放置点。

依据前述步骤130，在备选放置点集合CANDIDATES中选择满足前述步骤130的约束条件1和约束条件2的备选放置点，并形成评估点集合EVA_CAN＝{12，14，34，38，39，40，52，53，59，96，108，109}。

依据步骤140，依次对EVA_CAN＝{12，14，34，38，39，40，52，53，59，96，108，109}中的每一个放置评估点执行步骤140。例如，首选选择EVA_CAN＝{12，14，34，38，39，40，52，53，59，96，108，109}集合中的备选放置点12，以备选放置点12和已选择的节点放置点集合SOL＝{65，51，89}构造预选放置点集合{65，51，89，12}，并为该预选放置点集合{65，51，89，12}构造干扰图，如图3B所示。在图3B的干扰图中，放置点65和放置点51之间的重叠范围为460，表示放置点65和放置点51之间存在一条边，且边的权值w_65，51＝460；放置点65和放置点89之间的重叠范围为528，表示放置点65和放置点89之间存在一条边，且边的权值w_65，51＝528；放置点89和放置点51之间的重叠范围为10，表示放置点89和放置点51之间存在一条边，且边的权值w_65，51＝10；放置点89和放置点12之间的重叠范围为164，表示放置点89和放置点12之间存在一条边，且边的权值w_65，51＝164；放置点51和放置点12之间的重叠范围为226，表示放置点51和放置点12之间存在一条边，且边的权值w_65，51＝226；放置点12和放置点65没有重叠区域。在图3B的干扰图中，根据启发式染色信道分配算法，首先计算放置点65、51、89和12的最小权值，分别是放置点51的最小权值为10，放置点89的最小权值为10，放置点65的最小权值为460，放置点12的最小权值为164；选择最大的最小权值460的放置点65作为第一个信道分配节点，并分配信道1；然后，在剩余的51、89和12中选择最大的最小权值164的放置点12作为下一个信道分配点，此时，由于放置点12和放置点65没有重叠区域，有可用信道{1，11，6}，可为放置点12分配信道1，没有同频干扰；再在51和89中选择下一个信道分配点，由于51和89的最小权值相同，任选一个节点，在这里，选择51作为下一个信道分配点，此时，由于放置点51与放置点65和放置点12都相邻且有重叠区域，有可用信道{6，11}，为放置点51分配信道6，没有同频干扰；最后，为节点89分配信道，此时，由于放置点89和放置点65、51和12都相邻且有重叠区域，只有可用信道{11}可用，为放置点89分配信道11，没有同频干扰；根据公式(9)计算预选放置点集合的目标函数OF＝3737。同样，对EVA_CAN＝{12，14，34，38，39，40，52，53，59，96，108，109}中其他放置点执行与放置点12同样的步骤，并计算各个预选放置点集合的目标函数值。

执行步骤150，上述步骤中具有最大目标函数值OF＝3817的节点34作为第四个放置点，则SOL＝{65，51，89，34}，信道分配为{1，6，11，1}。

步骤(5)，选择后续放置点，执行前述步骤160，也即重复步骤130～步骤150，经过覆盖规划后，最终选择了24个放置点。最终选择的放置点SOL＝{65，51，89，34，59，84，141，119，102，130，146，16，39，105，96，17，109，53，132，52，87，70，38，99}，信道分配为{1，11，1，11，1，6，11，1，11，6，11，1，6，6，1，6，11，6，6，6，1，6，11，6}，即如表1：

表1：

步骤(6)，获得不同最大距离d下的最优目标函数值。

在分别针对d＝380，370，…，200分别重复执行前述步骤120～步骤160，获得在不同最大距离d下的最优目标函数值，具体结果参照表2：

表2：

步骤(7)，在不同的最大距离d对应的节点放置点集合中选择具有最大的最优目标函数值的节点放置点集合作为最终的节点放置点选择结果。

执行前述步骤180，从表2中，我们选择在距离d＝390时的最大OF值。

经过覆盖规划后，最终选择了24个放置点，这24个放置点就是在d＝390时选中的。如图4中的实心圆圈，这些放置点的覆盖范围如图4中阴影区域所示，实现覆盖率80.2％，；在该图4中，同频干扰率为20.4％。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，但并不限于此。

实施例2

本实施例提供一种实现上述方法的装置。如图5所示，该装置包括：

第一放置点选择单元510、后续放置点选择单元520及第一调用单元530及结果获取单元540；

所述第一放置点选择单元510用于在待覆盖的区域中，选择具有最大覆盖范围的备选放置点作为第一个无线网状网节点放置点，放入节点放置点集合；

所述后续放置点选择单元520用于依次从备选放置点中选择与至少一个已选择节点放置点的距离在给定的最大距离d内的后续无线网状网节点放置点，直至所有已选择的无线网状网节点的覆盖区域达到预设的覆盖目标，形成所述最大距离d对应的节点放置点集合，该后续放置点选择单元520包括：下一放置点选择单元521及第二调用单元522；

所述下一放置点选择单元521用于从备选放置点中选择下一个无线网状网节点放置点，该下一放置点选择单元包括：评估点集合选择单元5211、预选节点信道分配单元5212、预选放置点集合选择单元5213，其中：

所述评估点集合选择单元5211用于搜索符合如下条件的备选放置点，形成评估点集合：

与所述至少一个无线网状网节点放置点的距离在给定的最大距离d内；

与节点放置点集合中的至少一个无线网状网节点放置点存在设定的视距通信关系；

所述预选节点信道分配单元5212用于将所述评估点集合中的每一备选放置点各自与节点放置点集合组成对应的预选放置点集合，按照该预选放置点集合中各放置点之间的最小重叠覆盖区域的大小进行节点信道分配，将相同的信道分配在重叠覆盖区域尽量小的对应节点之间，获得下列目标函数的最优目标函数值：

OF＝k1*COV-k2*I；

其中，k1、k2为大于0的权重系数，COV为该预选放置点集合中所有放置点在待覆盖的区域中的覆盖范围，I为该放置点集合对应节点之间产生的同频干扰；

所述预选放置点集合选择单元5213用于从所有预选放置点集合中选择具有最大的最优目标函数值的预选放置点集合作为当前节点放置点集合；

所述第二调用单元522用于重复调用所述下一放置点选择单元来选择下一个节点放置点，直至节点放置点集合中所有节点放置点的覆盖区域达到预设的覆盖目标，形成所述最大距离d对应的节点放置点集合；

所述第一调用单元530，用于以搜索步长δ_d重新设定所述最大距离d，并重复调用所述第一放置点选择单元510和后续放置点选择单元520，获得重复设定的最大距离d对应的节点放置点集合，直至所述最大距离d遍历相邻两节点放置点的最大距离范围[d_min，d_max]；

结果获取单元540，用于在不同的最大距离对应的节点放置点集合中选择具有最大的最优目标函数的节点放置点集合作为最终的节点放置点选择结果，并获取相应的信道分配数据。

作为本发明另一实施例，该装置还包括：

预处理单元550，将待覆盖的区域划分为网格，根据备选放置点所覆盖的网格数计算所述备选放置点的覆盖范围。

其中，所述第一放置点选择单元还包括子选择单元511，如果存在多个具有最大覆盖范围的备选放置点，所述子选择单元选择该多个备选放置点中具有最大视距通信度的备选放置点作为第一个无线网状网节点的放置点。

所述预选节点信道分配单元包括：

干扰图构建单元01，用于对每一预选放置点集合，构造以放置点对应节点为顶点的干扰图，如果两个节点的覆盖区域存在重叠，则在干扰图中该两节点之间存在一条边，以该两个节点的覆盖区域重叠范围大小作为该条边的权，以每个节点所连接的边的最小权值作为该节点的权值；以及

信道分配单元02，用于从未分配的节点中选择具有最大的最小权值的节点作为当前待分配信道的节点，依次为预选放置点集合对应的所有节点分配信道；在为当前待分配信道的节点分配信道时，如果存在不同于相邻节点信道的可用信道，则为该节点分配该可用信道，如果不存在不同于相邻节点信道的可用信道，则为该节点分配与权值最小的边对应的相邻节点相同的信道。

综上所述，如上实施例的无线网状网的覆盖规划方法及装置，在无线网状网在达到覆盖目标的前提下，充分考虑覆盖范围和同频干扰因素，使最终选择的放置点集合能同时合理的均衡最大化覆盖和最小化同频干扰，在保证覆盖目标的基础上，尽可能的提供最大的网络接入性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种无线网状网的覆盖规划和信道分配方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1，在待覆盖的区域中，选择具有最大覆盖范围的备选放置点作为第一个无线网状网节点放置点，放入节点放置点集合；

步骤2，搜索符合如下条件的备选放置点，形成评估点集合：

与至少一个所述的无线网状网节点放置点的距离在设定的最大距离d内；

与节点放置点集合中的至少一个无线网状网节点放置点存在设定的视距通信关系；

步骤3，将所述评估点集合中的每一备选放置点各自与节点放置点集合组成对应的预选放置点集合，按照该预选放置点集合中各放置点之间的最小重叠覆盖区域的大小进行节点信道分配，将相同的信道分配在重叠覆盖区域尽量小的对应节点之间，获得下列目标函数的最优目标函数值：

OF＝k1*COV-k2*I；

其中，k1、k2为大于0的权重系数，COV为该预选放置点集合中所有放置点在待覆盖的区域中的覆盖范围，I为该放置点集合对应节点之间产生的同频干扰；

步骤4，从所有预选放置点集合中选择具有最大的最优目标函数值的预选放置点集合作为当前节点放置点集合；

步骤5，重复步骤2-4，直至节点放置点集合中所有节点放置点的覆盖区域达到预设的覆盖目标；

步骤6，以搜索步长δd重新设定所述最大距离d，并重复上述步骤1-5，直至遍历相邻两节点放置点的最大距离范围[d_min，d_max]；

步骤7，在不同的最大距离对应的节点放置点集合中选择具有最大的最优目标函数的节点放置点集合作为最终的节点放置点选择结果，并获取相应的信道分配数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

将待覆盖的区域划分为网格，根据备选放置点所覆盖的网格数计算所述备选放置点的覆盖范围。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

在所述步骤1中，如果存在多个具有最大覆盖范围的备选放置点，选择该多个备选放置点中具有最大视距通信度的备选放置点作为第一个无线网状网节点的放置点。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

所述设定的视距通信关系是指视距通信度大于设定值。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤(1)，对每一预选放置点集合，计算任何两个放置点的覆盖区域的重叠范围，并为每个放置点计算该放置点到其他任何放置点的最小重叠范围，该最小重叠范围为该放置点到与该放置点的覆盖范围有重叠的其他任何放置点的重叠范围的最小值；

步骤(2)，从未分配的节点中选择具有最大的最小重叠范围的节点作为当前待分配的节点，依次为预选放置点集合对应的所有节点分配信道；在为当前待分配信道的节点分配信道时，如果存在不同于与该节点有覆盖重叠的节点信道的可用信道，则为该节点分配该可用信道，如果不存在不同于与该节点有覆盖重叠的节点信道的可用信道，则为该节点分配与该节点的覆盖重叠范围最小的相邻节点相同的信道。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤(1)，对每一预选放置点集合，构造以放置点对应节点为顶点的干扰图，如果两个节点的覆盖区域存在重叠，则在干扰图中该两节点之间存在一条边，以该两个节点的覆盖区域重叠范围大小作为该条边的权，以每个节点所连接的边的最小权值作为该节点的权值；

步骤(2)，从未分配的节点中选择具有最大的最小权值的节点作为当前待分配信道的节点，依次为预选放置点集合对应的所有节点分配信道；在为当前待分配信道的节点分配信道时，如果存在不同于相邻节点信道的可用信道，则为该节点分配该可用信道，如果不存在不同于相邻节点信道的可用信道，则为该节点分配与权值最小的边对应的相邻节点相同的信道。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述最大距离范围[d_min，d_max]为[1/2R，2R]，其中R为无线网状网节点的覆盖半径。

8.一种无线网状网的覆盖规划和信道分配装置，其特征在于，该装置包括：第一放置点选择单元、后续放置点选择单元及第一调用单元及结果获取单元；

所述第一放置点选择单元用于在待覆盖的区域中，选择具有最大覆盖范围的备选放置点作为第一个无线网状网节点放置点，放入节点放置点集合；

所述后续放置点选择单元用于依次从备选放置点中选择与至少一个已选择节点放置点的距离在给定的最大距离d内的后续无线网状网节点放置点，直至所有已选择的无线网状网节点的覆盖区域达到预设的覆盖目标，形成所述最大距离d对应的节点放置点集合，该后续放置点选择单元包括：下一放置点选择单元及第二调用单元；

所述下一放置点选择单元用于从备选放置点中选择下一个无线网状网节点放置点，该下一放置点选择单元包括：评估点集合选择单元、预选节点信道分配单元、预选放置点集合选择单元，其中：

所述评估点集合选择单元用于搜索符合如下条件的备选放置点，形成评估点集合：

与所述至少一个无线网状网节点放置点的距离在给定的最大距离d内；

与节点放置点集合中的至少一个无线网状网节点放置点存在设定的视距通信关系；

所述预选节点信道分配单元用于将所述评估点集合中的每一备选放置点各自与节点放置点集合组成对应的预选放置点集合，按照该预选放置点集合中各放置点之间的最小重叠覆盖区域的大小进行节点信道分配，将相同的信道分配在重叠覆盖区域尽量小的对应节点之间，获得下列目标函数的最优目标函数值：

OF＝k1*COV-k2*I；

其中，k1、k2为大于0的权重系数，COV为该预选放置点集合中所有放置点在待覆盖的区域中的覆盖范围，I为该放置点集合对应节点之间产生的同频干扰；

所述预选放置点集合选择单元用于从所有预选放置点集合中选择具有最大的最优目标函数值的预选放置点集合作为当前节点放置点集合；

所述第二调用单元用于重复调用所述下一放置点选择单元来选择下一个节点放置点，直至节点放置点集合中所有节点放置点的覆盖区域达到预设的覆盖目标，形成所述最大距离d对应的节点放置点集合；

所述第一调用单元，用于以搜索步长δ_d重新设定所述最大距离d，并重复调用所述第一放置点选择单元和后续放置点选择单元，获得重复设定的最大距离d对应的节点放置点集合，直至所述最大距离d遍历相邻两节点放置点的最大距离范围[d_min，d_max]；

结果获取单元，用于在不同的最大距离对应的节点放置点集合中选择具有最大的最优目标函数的节点放置点集合作为最终的节点放置点选择结果，并获取相应的信道分配数据。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，该方法还包括：

预处理单元，将待覆盖的区域划分为网格，根据备选放置点所覆盖的网格数计算所述备选放置点的覆盖范围。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：

所述第一放置点选择单元还包括子选择单元，如果存在多个具有最大覆盖范围的备选放置点，所述子选择单元选择该多个备选放置点中具有最大视距通信度的备选放置点作为第一个无线网状网节点的放置点。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：

所述设定的视距通信关系是指视距通信度大于设定值。

12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述预选节点信道分配单元包括：

干扰图构建单元，用于对每一预选放置点集合，构造以放置点对应节点为顶点的干扰图，如果两个节点的覆盖区域存在重叠，则在干扰图中该两节点之间存在一条边，以该两个节点的覆盖区域重叠范围大小作为该条边的权，以每个节点所连接的边的最小权值作为该节点的权值；

信道分配单元，用于从未分配的节点中选择具有最大的最小权值的节点作为当前待分配信道的节点，依次为预选放置点集合对应的所有节点分配信道；在为当前待分配信道的节点分配信道时，如果存在不同于相邻节点信道的可用信道，则为该节点分配该可用信道，如果不存在不同于相邻节点信道的可用信道，则为该节点分配与权值最小的边对应的相邻节点相同的信道。

13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：

所述最大距离范围[d_min，d_max]为[1/2R，2R]，其中R为无线网状网节点的覆盖半径。

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