CN101848522A - Underlay认知无线Mesh网络信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Underlay认知无线Mesh网络信道分配方法，包括：网络侧进行初始化，根据网络结点动态变化的可用信道集合和传输功率构建网络结点之间的路由；网络侧构建网络结点之间的路由后，在建立后的路由中对网络结点的相邻结点和该相邻结点的接口进行绑定，并依据信道集合的动态特性从可用信道集合中选择负载轻的信道与该相邻结点的接口进行绑定，完成信道分配。应用本发明，解决了动态信道的CWMN网络中如何通过信道分配来提高频谱利用率的问题。

Description

Underlay认知无线Mesh网络信道分配方法

技术领域

本发明涉及无线网络技术领域，具体涉及一种Underlay认知无线Mesh网络信道分配方法。

背景技术

应用认知无线电(Cognitive Radio，CR)技术的无线Mesh网络(wirelessmesh networks，WMN，无线网状网络)，即认知无线Mesh网络(CWMN/CogMesh)，无缝结合了CR和WMN二者的优势，不仅以Mesh组网技术，实现蜂窝移动、WLAN、WiMAX、WiFi和WPAN等多种异构无线网络的融合与统一，而且通过结点的感知、理解和自适应无线电资源(如频谱、时间、空间和功率)，有效地提高频谱利用率和网络吞吐量，从而为多媒体用户提供灵活的宽带无线网络连接。

认知无线电频谱共享技术方案之一的Overlay(覆盖)技术关注的重点是频谱空穴，如果网络授权用户和认知结点之间可能的干扰较大易获取全网知识时，采用Overlay技术能够有效的利用频谱资源。通信如果是在频域或时域正交的离散信道中进行，某一时刻只有一个信号可以占用给定频带的环境。如果授权用户和认知结点间缺乏有效的合作，认知用户获得的网络知识不完全的情况下，Underlay技术，或者是带干扰避免的Underlay技术更能提高频谱利用率。动态频谱扩展技术，如直接序列扩频(DSSS)、自适应功率控制技术或FCC(美国联邦通讯委员会)提出的干扰温度方法等使授权用户和认知结点的信号在空间、时间和频率上共存成为可能。通过建立授权用户网络和认知用户网络相互干扰的概率模型，在不需要采用合作方式的情况下，对授权用户网络提供保护，使得两种频谱策略不同的网络可同时共享稀有的频谱资源。

多信道网络环境中，如果结点仅使用一个接口，为避免同一路径或邻近路径上相邻跳的干扰，结点之间需要具备精确同步，快速切换信道的能力，需要修改MAC(介质访问控制)层协议来实现结点之间的协调通信。如果结点有多个接口且每个接口分配不同的信道，则可以减少协调通信带来的开销。考虑到信道分配和路由之间的循环归属性关系，一般说来，路由策略和信道分配策略是集成在一起的。SSCH协议中结点依据算法产生信道调度表，且可以依据通信需求自己改变信道跳变序列，结点接口在很短的时隙上以单个数据包为单位进行信道的切换，结点之间需要精确同步，而频繁的信道切换会导致较大的开销。当前对一种多信道WMN架构—Hyacinth结构，提出集中式的信道分配算法，在假设流量负载已知的情况下，根据信道分配和路由的相互关系，多次迭代计算直到每条虚拟链路上分配的带宽满足预期负载的需求。根据HWMN结构，提出动态分布式路由选择和信道分配的DRCA算法，DRCA算法首先构建生成树，然后根据流量负载的变化运行信道分配算法平衡网络负载，从而提高网络的整体吞吐性能。但是上述两种信道分配都假设信道是静态的，无法直接应用于动态信道的CWMN(CognitiveWireless Mesh Network，认知无线Mesh网络)网络中。因此当前需要一种全新的技术方案解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种Underlay认知无线Mesh网络信道分配方法，解决了动态信道的CWMN网络中如何通过信道分配来提高频谱利用率的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种Underlay认知无线Mesh网络信道分配方法，包括：

网络侧进行初始化，根据网络结点动态变化的可用信道集合和传输功率构建网络结点之间的路由；

所述网络侧构建网络结点之间的路由后，在建立后的路由中对网络结点的相邻结点和该相邻结点的接口进行绑定，并依据信道集合的动态特性从可用信道集合中选择负载轻的信道与该相邻结点的接口进行绑定，完成信道分配。

进一步地，上述方法还可包括，所述网络侧根据网络结点动态变化的可用信道集合和传输功率构建网络结点之间的路由，是指：

所述网络侧依据频谱环境的变化动态更新，通过在路由通告消息中携带网络结点的地理位置信息、数据接口传输距离和可用信道集合来适应认知无线网状网络CWMN的动态频谱环境，构建网络结点之间的路由。

进一步地，上述方法还可包括，所述网络侧是通过专门的控制接口构建和维护网络结点之间的路由。

进一步地，上述方法还可包括，所述网络侧在构建网络结点之间的路由的步骤中，还包括所述网络侧根据跳数、期望传输时间、加权累积、链路容量或满足容量需求的概率路由度量的参数进行路由设计的步骤。

进一步地，上述方法还可包括，所述网络侧在建立后的路由中对网络结点的相邻结点和该相邻结点的接口进行绑定，是指：

所述网络侧在建立后的路由中对所述网络结点增加一限制条件，即该网络结点和父结点通信时使用上行接口，该网络结点与子结点通信时使用下行接口，上行接口和下行接口相互隔离。

进一步地，上述方法还可包括，所述网络侧依据信道集合的动态特性从可用信道集合中选择负载轻的信道与所述相邻结点的接口进行绑定，是指：

所述网络侧将所述网络结点的上行接口的信道由该网络结点的父结点负责分配，网络结点负责其下行接口的信道分配，估计网络结点的干扰范围内所有信道的使用状态，选择该网络结点的相邻结点中使用最少的信道分配给接口。

进一步地，上述方法还可包括，所述网络侧在信道与所述相邻结点的接口进行绑定后，还包括，

所述网络侧根据随时间变化后的业务类型和信道负载信息，对信道与所述相邻结点的接口的绑定进行周期调整，其中网络结点收到相邻结点发送的信道使用报文后不会立即切换信道，优先级低的结点先调整信道，而等到切换周期时才重新评估信道。

进一步地，上述方法还可包括，所述网络侧判断若所述网络结点接口绑定的信道为不可用后，则所述网络结点发送信道不可用报文给对应网络结点，由该网络结点的父结点依据信道负载均衡算法为下行接口分配信道为其分配新的信道，完成信道更新。

与现有技术相比，应用本发明的SERCA算法首先根据网络拓扑和频谱分布构建频谱感知的路由树，然后进行信道分配，依据CWMN流量特点，能够自适应地进行绑定信道的更新，使得网络负载得到均衡；同时依据动态频谱环境的特点，能够在信道变化时维护网络的连通性。仿真表明，SERCA算法能够充分发挥多信道的优势，提高网络吞吐量，而且随着认知无线电技术的发展，可以为大规模网络提供充沛的无线频谱资源的条件下，SERCA算法能够极大提高网络吞吐量。

附图说明

图1是本发明的网络共存模型的示意图；

图2是本发明中建立的CR-HWMN结构的示意图；

图3是本发明的Underlay认知无线Mesh网络信道分配方法的流程图；

图4是本发明的无线传输干扰模型的示意图；

图5是本发明中构造路由树的示意图；

图6是本发明的加入路由树过程的示意图；

图7是本发明的路由恢复的示意图；

图8是本发明中网络结点的相邻结点和接口绑定的示意图；

图9是本发明仿真实验中不同信道数条件下BERCA算法性能的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明将Underlay频谱共享技术和多信道网络负载均衡技术结合起来，提出一个新的基于Hyacinth模型的CWMN路由和信道分配联合策略，称为有效利用频谱的路由和信道分配联合算法(Spectrum-Efficient Routing andChannel Assignment，SERCA)。在SERCA算法中，依据授权用户和认知结点的干扰模型，结点获取可用频谱集合及各个信道上发射功率的上限，并以此为依据建立频谱感知路由树，随着流量变化，执行负载感知的信道分配来提高频谱利用率。

本发明的SERCA算法中认知Mesh结点需利用本地感知到的频谱状态、拓扑结构和本地业务负载信息来实现信道分配和路由计算。认知Mesh结点利用授权频谱资源的前提是不对授权网络用户产生有害干扰，授权用户之间(PU-to-PU)和授权用户与认知用户间(PU-to-SU)在瑞利信道模型下的干扰模型，认知Mesh结点可以根据模型计算出在授权网络的传输功率阈值。由于大部分的流量业务是往返于CWMN和资源丰富的有线网络，以网关结点为根结点，建立树型路由可以减少结点到达有线网络的路由建立时延。CWMN中沿用Hyacinth结构，本发明中简称为CR-HWMN结构。CWMN和传统WMN网络两者最大的不同之处在于频谱资源的利用方式，传统的WMN中用于通信的频谱是静态分配的，而采用干扰避免Underlay频谱共享方式的CWMN网络的频谱却是动态变化的。在路由建立和信道分配过程中需要考虑到CWMN网络的特点，为发挥认知无线电技术的优势，基于以下两个方面对SERCA算法进行设计：

1、基于结点动态变化的可用信道集和传输功率，建立频谱感知的路由树，并设计更新机制。

2、信道分配过程依据信道集合的动态特性进行，从可用信道集中选择负载轻的信道，尽量平衡网络负载。

CR-HWMN中采用先进的认知无线电技术，认知Mesh结点通过不断地感知外界通信环境和智能学习推理能力，自适应地调整其自身内部的无线电参数(传输功率、载波频率和调制方法等)来达到对环境变化的适应，在不对授权网络造成干扰的情况下利用频谱资源进行通信，认知Mesh结点的可用信道是随着时间和位置的变化而动态改变的。动态分布式路由选择和信道分配DRCA算法是为静态的频谱环境设计的，并不能直接应用到CR-HWMN中，SERCA算法是一种改进的方案，通过修改生成树的构建过程构建频谱感知的路由树，以及利用改进的信道分配算法均衡网络中的流量负载，从而适应CWMN动态频谱网络环境，提高频谱利用率。

本发明中建立的CR-HWMN结构，具体如下所示：

无线网络环境为一个CWMN和M个授权网络(PRN)共存的模型，CWMN与授权网络共享无线频谱资源，如图1所示。假设授权网络工作在各自的授权频段

上，各个频段间不相重叠互不干扰。同时假设授权结点在第i个授权网络中的位置服从参数为ρ_i的随机泊松分布，授权结点有两种工作状态ON和OFF，以α_i的概率处于ON状态。CWMN中认知Mesh路由器和认知Mesh终端结点具有认知无线电功能，统称为认知Mesh结点。

CR-HWMN结构中包括固定的认知Mesh路由器和移动认知Mesh终端结点，认知Mesh路由器配备一个流量汇聚设备，为其覆盖范围内的认知Mesh终端结点提供网络接入，可作为一个无线中继站将相邻认知Mesh路由器的流量转发到网关。部分认知Mesh路由器具有网关和网桥作用并与有线网络相连接，可获取种类繁多的应用服务和资源。通常认知Mesh结点配备多个无线网卡(接口)，网卡依据信道分配结果工作在特定的频率信道上。只有当认知Mesh结点位于彼此的通信范围内，且工作在同一信道时才能够通信。如果结点处于另一结点的干扰范围之内且使用相同的信道同时传输数据，则两个结点的通信都会受到干扰。信道分配时要为干扰范围内的结点分配不同的信道。图2为一个CR-HWMN结构例子，CWMN中使用5条不同信道，图2中的认知无线Mesh路由器配有2个无线网卡，同一时刻只能使用2条信道，信道号标识在链路上。图2中的连线表示结点间可以直接通信。其中，深色圆圈是指与有线网络连接的网关；白色圆圈是指认知Mesh路由器；六边形是指流量汇聚设备；正方形是指认知Mesh终端设备。

认知Mesh结点的一个接口工作在非授权频段(如ISM频段)，用来维护网络的连通性，进行控制消息的传输，其余的接口可根据路由和频谱决策在可用频谱上切换信道，专门用于数据传输。与传统的WMN中Mesh结点可用信道为固定的不同，认知Mesh结点通过带干扰避免的Underlay技术与授权网络共享频谱资源，认知Mesh结点机会利用授权频段，同时为了避免对授权网络产生有害的干扰，在使用不同信道时需要依据干扰分析结果动态调整发射功率。

授权网络和认知无线Mesh网络共存的首要条件是认知Mesh结点不能干扰授权网络的通信，授权网络和CWMN共存模型的干扰分析结论：认知Mesh结点在信道i上受到授权用户的干扰值P_PR-CR ⁽ⁱ⁾服从对数正态分布，其均值和方差由参数ρ_i和α_i决定。认知Mesh结点A通过与无线环境交互感知计算出在不同信道上的发射功率上限

假设无线网络中频谱环境是慢变化的，结合预知的CWMN的发射功率下限值，认知Mesh结点A获取当前可用信道集合CH_A，依据无线传输模型，进而可以得到在不同信道上的传输距离

设置A的数据接口传输距离为

如图3所示，本发明的Underlay认知无线Mesh网络信道分配方法的流程，包括以下步骤：

步骤10、网络侧进行初始化，根据网络结点动态变化的可用信道集合和传输功率构建网络结点之间的路由；

CWMN的业务大多来自或到达有线网络，为此每个认知Mesh结点都需要维护一条或多条到达有线网关的路由。网关结点都可以看成路由树的根结点，结点可以加入多个路由树，便于网络均衡负载和保证可靠性。然而结点能够加入树的数量受到所配置网卡的个数的限制。在CR-HWMN中认知Mesh结点只加入一个路由树，其他的路由树用于失败恢复。

SERCA算法的路由树构造过程与DRCA算法类似，主要有2个不同点：

(1)由于认知Mesh结点可用信道集合和数据接口的传输距离与无线频谱环境相关联且动态变化，而控制接口使用非授权频段用来维护连通性，传输距离相对固定。路由树需要依据频谱环境的变化动态更新，通过在路由通告(RT_TB)消息中捎带结点的地理位置信息、数据接口传输距离r_data和可用信道集合来适应CWMN的动态频谱环境。

(2)使用专门的控制接口构建和维护路由树。控制接口的传输距离r_ctrl设置为数据接口最大传输距离的k倍多，k是数据接口干扰距离与传输距离的比值，通常介于2和3之间，这样的设置能够避免认知Mesh结点的数据传输受到其他认知Mesh结点的干扰。如图4中(a)所示，为保证认知Mesh结点A的数据传输不受到CWMN内其他结点的干扰，需要使干扰A通信的结点选择与A不相同的信道。在图4中(b)所示，结点C的位置在结点A的数据传输距离之外，干扰范围之内，如果结点A的控制信道的传输距离与数据信道的传输距离相同，结点C无法知道结点A的数据接口的工作信道，如果此时结点C的数据接口选择了与结点A相同的信道，那么A和C的数据分组可能发生碰撞。通过增加控制接口的传输距离，A数据接口干扰范围内的结点都可以正确的获得A当前信道使用信息，可有效避免数据分组的冲突。

路由度量的选择：为了选择既可以满足单个结点通信需求，又能够提高网络整体容量的最佳路径，路由度量参数的设计和选择至关重要，选用不同的路由度量参数得到的路由树是不同的。在无线网络中，链路成本比有线网络中的成本更加难以定义，下面介绍几种路由度量参数，并简单分析各自的优缺点。在路由设计时可以根据需求选择路由度量。

(1)跳数：是最简单的成本度量标准，实现简单，能够快速收敛，在移动性高的网络环境中有较好的适应性。但最小跳数路径准则没有考虑网络负载均衡和底层无线通信信道的特性，有时最小跳数路由经过较长的链路，由于干扰冲突和路径衰减因素的影响，链路的误码率和吞吐量性能很差。在这种情况下，最小跳数路径并不是最优路径。

(2)期望传输时间(Expected Transmission time，ETT)是对期望传输次数(Expected Transmission count，ETX)的改进。ETX通过测量一对相邻结点之间的广播数据包的丢包率来计算在链路上发送一个数据帧时预期的传输次数，使用广播包代替单播分组，可以大大减小网络开销，但由于广播包很小，且以最低的数据传输速率发送，ETX路由判据并没有考虑链路带宽和负载。ETT考虑了链路带宽B，其计算如下：

$\mathrm{ETT}=\mathrm{ETX}\×\frac{S}{B}$

其中S表示包的大小，B表示链路的带宽。ETT仅是使用信道的时间，不包含为了获得信道而进行退避等待的时间。

(3)加权累积ETT(WCETT)：如果单纯的使用ETT作为路由度量，数据流内的同频干扰对吞吐量性能的影响得不到明确的反映。一般而言，信道差异性大的链路组成的路径有更优的吞吐量性能。WCETT的计算如下式：

$\mathrm{WCETT}=(1-\mathrm{\β})\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ETT}}_i+\mathrm{\β}\underset{1\≤c\≤C}{\max }{X}_c$

式中右边的第一部分为路径上所有链路的期望传输时间之和，可以看作是端到端的时延估计。右式的第二部分体现信道差异性，X_c表示一条路径使用信道c的传输时间之和

WCETT趋向于挑选信道差异性大的信道，以提高链路的吞吐率。可变参数β用于平衡吞吐量和传输延时之间的关系，减小第一部分就可以降低系统延迟，减小路径全局资源消耗程度，降低第二部分就可以提高路径的吞吐量。

(4)链路容量：网关链路容量和路径链路容量，树型路由的业务模式以向树根网关结点汇聚为主，路由判据可以根据网关剩余链路容量来计算，链路的剩余容量等于总信道容量减去已使用的容量。然而对于树型路由，路径上的任何链路都可能是路由瓶颈，采用路径链路容量更具有一般性。路径链路容量是当前结点到达有线网关结点的路径的最小剩余带宽。链路容量判据是动态的，如果不采取限制措施路由算法难以收敛，

(5)满足容量需求的概率路由度量：假设结点通信的容量需求为D(比特/秒)，路由度量定义为路径满足容量需求的概率，概率值越大，表示路径越优。

通过分析授权网络和CWMN之间干扰模型，可以估计出认知Mesh结点k和结点j的信道容量C_kj ^(i)Vi；i表示结点k和结点j之间链路的信道标识。链路成本定义为

U⁽ⁱ⁾表示在干扰范围内，信道i上已经使用的信道容量。满足容量需求的概率度量是凹性度量，L为源和目的结点之间的路径。Pr(L)值越大，表示该路径满足带宽需求的概率越大。

在网络建立初期，只有连接有线网络的网关结点可以发送路由通告RT_TB消息，通告邻居结点自己是网关。经过一段时间以后，一些认知Mesh结点建立到达有线网络的路由后，这些结点也可广播RT_TB消息。其流程如图5所示。

如图6所示，如果一个认知Mesh结点A发现了一条到达有线网络的路径，结点A向它的一跳邻居广播RT_TB消息，RT_TB消息中包含结点A到达有线网关的路由度量值(COST)、数据接口传输距离(r_data(A))、地理位置信息(GPS)，以及可用信道集合(SOP)。路由度量值可以是最小跳数、ETT、WCETT、链路容量等判据。如果结点A的邻居结点B收到了此RT_TB消息，结点B首先与结点A的比较可用信道集合，计算结点之间的距离，如果没有信道交集或距离大于r_data(A)则忽略此RT_TB消息，反之如果结点B没有到达有线网络的路由或者结点B现有的路由开销大，则结点B向结点A发送请求加入(JOIN)消息。如果结点A同意结点B成为其子结点，给结点B发送同意加入(ACCEPT)消息。

若结点B成为了结点A的子结点，由于限定了认知Mesh结点只能加入一个路由树，结点B需要给先前的父结点发送离开(LEAVE)消息。此后结点B也会发送RT_TB消息给自己的邻居结点，进一步扩展路由树。结点通过发送RT_ADD和RT_DEL消息给网关结点，进行路由更新过程。如结点A成为结点B的父结点后，结点A发送RT_ADD消息给其网关结点，从结点A到网关结点的所有中间结点会增加一个到结点B的路由入口。同样的收到的LEAVE消息的结点B的原父结点向其网关结点发送RT_DEL，从B结点的原父结点到网关结点的所有中间结点会将指向结点B的路由删除。

当初始的路由树建立好后，随着时间推移，网络流量或频谱环境变化，认知Mesh结点的路由度量变化、可用信道集合改变、数据接口传输距离变化、结点发生故障等因素，都需要进行频谱感知路由树的维护更新。

认知Mesh结点周期向它父结点、子结点以及一跳邻居发送RT_TB消息，声明自己的存在并维护连接关系。如果认知Mesh结点收到的RT_TB消息中，能够寻找到更好的路径，则启动路由建立过程，更新路由树。

如果探测到父结点故障，且有备用的父结点，则认知Mesh结点给备用父结点发送JOIN消息，重新建立到达有线网络的路径。备用父结点机制可以实现快速路由恢复。一些情况下，结点没有备用的父结点，无法进行本地修复时，如图7中(a)所示，当结点A故障时，A的子结点B没有备份父结点，无法修复路由。B发送路由失败消息RT_FL给其直接子结点D和C，通知D和C进行路由修复，B进入扫描状态。路由失败消息中包含有故障结点列表，此时为A和B结点。一旦结点本地修复失败，就将自己标识加入到故障列表中，并转发路由失败消息。如C进行本地修复，而D转发路由失败消息给其孩子K和E结点。路由修复的最终结果如图7中(b)所示。

步骤20、网络侧构建网络结点之间的路由后，在建立后的路由中对网络结点的相邻结点和该相邻结点的接口进行绑定，并依据信道集合的动态特性从可用信道集合中选择负载轻的信道与该相邻结点的接口进行绑定，完成信道分配。

频谱感知路由树建立好后，接下来需要为认知Mesh结点数据接口分配信道实现高吞吐量的传输。为了避免产生“波纹效应”，同时应对流量负载的变化，分布式信道分配算法主要由相邻结点与接口绑定和接口与信道绑定两个步骤组成。

与DRCA算法相区别的地方是不同认知Mesh结点感知到的可用信道集各不相同，同一结点的感知结果也会随着授权结点对频谱的使用而发生变化。在相邻结点与接口绑定时需要根据信道交集均匀分配接口，如果与当前认知Mesh结点绑定的信道变为不可用，结点需采取相应的措施通知信道不可用信息，重新进行信道分配绑定。

首先，网络侧对网络结点的相邻结点和该相邻结点的接口进行绑定，包括：分布式信道分配算法首先要解决的一个问题就是“波纹效应”。可以通过给认知Mesh结点增加一个限制条件来有效地防止网络中产生“波纹”效应，即该网络结点和父结点通信时使用上行接口(UP-NIC)，该网络结点与子结点通信时使用下行接口(DOWN-NIC)，上行接口和下行接口相互隔离，如图8所示。上行接口信道由父结点分配，结点只能改变其下行接口的信道。网关结点没有父结点，其所有的网卡都是下行网卡，而没有子结点的边缘结点其网卡都是上行网卡。

接着，网络侧对该相邻结点的接口与信道进行绑定，包括：接口与信道绑定主要是为结点的数据接口分配工作信道，在CWMN中，结点的UP-MC信道由其父结点负责分配，结点负责其DOWN-NIC的信道分配。通过合理分配信道可以实现网络中负载均衡，缓解结点之间的干扰，因此结点就需要估计其干扰范围内所有信道的使用状态。

由于结点在路由树的位置越高，需要中继的流量越多，因此信道分配时就需要越高的优先级，通常来说，优先级与其到网关的跳数有关，跳数越小，优先级也就越高。父结点从JOIN或者是周期发送的RT_TB、信道使用(CH-US)报文中得到子结点的可用信道集，求出信道交集，假设在相邻的区域内结点感知结果相似，即可用信道交集不为空，选择相邻结点中使用最少的信道分配给接口。

其中，在CWMN中业务类型和信道负载会随时间变化，因此接口与信道的绑定也需要周期调整。在认知Mesh结点分配信道时，优先级高的结点所选择的信道，其他干扰邻居结点都不会使用，使得越靠近根结点，所分配的带宽越多。为了减少信道负载平衡阶段的波动，结点收到相邻结点发送的CH-US报文后不会立即切换信道，优先级低的结点需要首先调整信道，而要等到切换周期才重新评估信道。

每个结点周期性地发送CH-US报文与其(k+1)跳邻居交换各自的信道负载情况，这里k是干扰距离与传输距离的比值，结点获取信道使用信息后，选择相邻结点中使用最少的信道。一旦发现一个负载较轻的信道，结点将其工作在负载较大的那个下行接口切换到新信道上，同时结点给其关联的子结点发送信道变化(CH_MOD)报文，报文中包含新信道的信息，然后相关的子结点调整上行接口信道。

信道更新发生的另一情况是与认知Mesh结点接口绑定的信道变为不可用。由于认知Mesh结点的可用信道集随频谱环境的变化而改变，一旦探测到当前的信道变为不可用，结点发送信道不可用(CH_UNAVL)报文给对应的结点，由其父结点依据信道负载均衡算法为下行接口分配信道为其分配新的信道。

下表所示为对SERCA算法中用到的几种报文总结归纳，包括(报文类型及用途)：

报文类型	用途
		RT_TB	通告有到达网关的路由
RT_ADD	增加对应路由表项
		RT_DEL	删除对应路由表项
JION	请求加入对应路由树
		ACCEPT	同意加入对应路由树
CH_US	信道使用信息
		CH_UNAVL	结点通告信道不可用消息

报文类型	用途
		CH_MOD	更换绑定的信道

下面结合仿真实验对本发明进行说明，其中使用扩展后的NS2对BERCA算法进行仿真和性能测试。

实验通过变化信道数来研究BERCA算法的吞吐能力。仿真环境设置如下：CWMN网络中共有16个结点，配置2个数据网卡，在500m*500m的区域内随机分布。在此实验中屏蔽不同数据信道的差异，所有数据信道的传输距离均设为100m，信道容量均设置为2Mb/s。控制信道传输距离为250m。采用CBR作为业务流，在0-2s中内启动，最大连接数为6，持续时间为5s，CBR分组大小为512bits，发送速率为100pkt/s。仿真时间为10s。在10个不同场景下，进行吞吐量比较，信道数目分别为：1、2、4。当可用信道数为1时，仅一个数据网卡工作。

由图9所示，横轴表示不同的拓扑流量场景，网关结点为1个，纵轴表示网络平均吞吐量，单信道的情况下仅使用一个数据网卡。由图可见，随着信道数的增加，网络平均吞吐量提高较大，而且吞吐量之间的差距越来越明显。使用2信道的网络平均吞吐量约为580kbps，与单信道289kbps相比，提高约两倍，4条信道的情况是单信道的4倍多。说明在增加网络的可用信道的情况下，网络吞吐能力能够有很大的提高空间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种Underlay认知无线Mesh网络信道分配方法，其特征在于，包括：

网络侧进行初始化，根据网络结点动态变化的可用信道集合和传输功率构建网络结点之间的路由；

所述网络侧构建网络结点之间的路由后，在建立后的路由中对网络结点的相邻结点和该相邻结点的接口进行绑定，并依据信道集合的动态特性从可用信道集合中选择负载轻的信道与该相邻结点的接口进行绑定，完成信道分配。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述网络侧根据网络结点动态变化的可用信道集合和传输功率构建网络结点之间的路由，是指：

所述网络侧依据频谱环境的变化动态更新，通过在路由通告消息中携带网络结点的地理位置信息、数据接口传输距离和可用信道集合来适应认知无线网状网络CWMN的动态频谱环境，构建网络结点之间的路由。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述网络侧是通过专门的控制接口构建和维护网络结点之间的路由。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述网络侧在构建网络结点之间的路由的步骤中，还包括所述网络侧根据跳数、期望传输时间、加权累积、链路容量或满足容量需求的概率路由度量的参数进行路由设计的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述网络侧在建立后的路由中对网络结点的相邻结点和该相邻结点的接口进行绑定，是指：

所述网络侧在建立后的路由中对所述网络结点增加一限制条件，即该网络结点和父结点通信时使用上行接口，该网络结点与子结点通信时使用下行接口，上行接口和下行接口相互隔离。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述网络侧依据信道集合的动态特性从可用信道集合中选择负载轻的信道与所述相邻结点的接口进行绑定，是指：

所述网络侧将所述网络结点的上行接口的信道由该网络结点的父结点负责分配，网络结点负责其下行接口的信道分配，估计网络结点的干扰范围内所有信道的使用状态，选择该网络结点的相邻结点中使用最少的信道分配给接口。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述网络侧在信道与所述相邻结点的接口进行绑定后，还包括，

所述网络侧根据随时间变化后的业务类型和信道负载信息，对信道与所述相邻结点的接口的绑定进行周期调整，其中网络结点收到相邻结点发送的信道使用报文后不会立即切换信道，优先级低的结点先调整信道，而等到切换周期时才重新评估信道。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

进一步包括：

所述网络侧判断若所述网络结点接口绑定的信道为不可用后，则所述网络结点发送信道不可用报文给对应网络结点，由该网络结点的父结点依据信道负载均衡算法为下行接口分配信道为其分配新的信道，完成信道更新。

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