CN102065433A - 一种基于多射频多天线多扇区的无线mesh网络的信道分配方法 - Google Patents

一种基于多射频多天线多扇区的无线mesh网络的信道分配方法 Download PDF

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杨涌
赵涛
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Abstract

本发明公开了一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法，属于无线通信技术领域。本发明通过节点与其邻居节点交互控制消息，获取邻居节点的资源使用情况。当节点需要向其他节点发送数据时，需根据本节点和邻居节点的信道使用信息进行信道分配。本发明的有益效果是：保障MESH网络中的各个节点间的数据通信不冲突、同一MESH节点的两个射频同时工作不冲突，使全网信道得到合理分配与使用、提高整个MESH网络的系统吞吐量。

Description

一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法
技术领域
本发明涉及一种无线通信技术领域，尤其涉及一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法。
背景技术
无线接入网络包含两种模式：PMP模式和MESH模式。与PMP模式不同，在MESH模式下，用户站(Subscriber Station，ss)之间可构成多点到多点的无线连接，没有明确的独立上下行链路子帧。每个站能够与网络中的其它站建立通信链路。由于MESH模式具有覆盖范围大、在多跳环境下用户吞吐量较PMP大等优点，因此，研究MESH网络具有重要的意义。
MESH网络中，每个MESH节点包含两个射频板，其中射频板1上接一副N扇区天线(N＞2)和一副全向天线，射频板2上接一副N扇区天线，设备配置见图1所示；每个MESH节点采用双射频设计，MESH节点可同时在射频1和射频2上进行同时收发数据，提高系统的并发传输能力和吞吐量；每个射频上接一副N扇区天线，可提高系统的空间复用度和系统吞吐量。
信道分配是无线MESH网络媒体接入控制协议中的重要组成部分，通过在全网进行有效的信道分配，MESH网络中的各个节点可选择相应的射频、天线、扇区、时隙和频率进行通信，从而保障MESH网络中的各个节点间的数据通信不冲突、同一MESH节点的两个射频同时工作不冲突，使全网信道得到合理分配与使用，提高整个MESH网络的系统吞吐量。
发明内容
本发明提出了一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法，包括下列步骤：
步骤A：发送节点和接收节点通过位置探测消息MSH PROB进行交互，得到节点间的相对位置信息；
步骤B：节点持续监听自己的冲突域范围内所有两跳邻居节点的控制消息；
步骤C：根据监听到的控制消息中所包含的邻居节点下一次发送时机及信道分配情况(包括发送信息使用的频率、扇区、时隙)，在本节点保存的二进制位图上将该发送频率、扇区、时隙更新为不可用资源；
步骤D：发送节点通过本节点保存的二进制位图信息进行信道选择(该信道分配包括：射频分配、天线分配、扇区分配、时隙分配和频率信道分配)。
所述步骤C中二进制位图设计思路如下：
分配一块存储区域，然后按系统使用的信道数K将区域分为K个区域，在每个信道区域内，按照系统使用扇区天线的扇区数将每个信道区域分为N个扇区区域，在每个扇区区域内，将保留从起始帧到第n帧的信道使用信息，每帧再细分为m个时隙，该时隙是系统中最小的资源分配单位。
二进制位图的每一位对应了从起始时刻到第n帧中的所有时隙编号，如果某个时隙被冲突域内的节点所占用，则二进制位图中相应的位置1，如果没有被占用，则置0；
另外，可以通过某个时隙在二进制位图中的具体位置和该位的值确定邻居节点使用的信道信息，作为信道分配的依据。
所述步骤D包括下列步骤：
步骤D1：进行射频分配；
步骤D2：进行天线分配；
步骤D3：进行扇区分配；
步骤D4：进行时隙分配；
步骤D5：进行频率信道分配。
所述步骤D1中，其详细射频分配方法为：
在发送数据时，采用射频1进行数据发送；当接收其他节点发送的数据信息时，固定在射频2进行接收。
所述步骤D2中，其详细天线分配方法为：
在MESH网络中所需要的控制消息类型主要有：MSH_PROB、MSH_NENT、MSH_NCFG和MSH_DSCH，广播控制消息是为数据消息收发做准备，保证数据流无冲突发送。这些消息的发送和接收所采用的天线安排如下：
(1)位置探测消息MSH_PROB采用射频1上的扇区天线发送，接收方采用射频1上的全向天线接收；
(2)网络接入消息MSH_NENT采用射频1上的全向天线发送，接收方采用射频1上的全向天线接收；
(3)网络控制消息MSH_NCFG采用射频1上的全向天线发送，接收方采用射频1上的全向天线接收；
(4)分布式调度消息MSH_DSCH采用射频1上的全向天线发送，接收方采用射频1上的全向天线接收；
(5)数据消息采用射频1上的扇区天线发送，接收方采用射频2上的扇区天线接收。
所述步骤D3中，其详细扇区分配方法为：
通过获得的源节点和目的节点相对位置信息选择能够覆盖目的节点的扇区天线作为发送扇区。
所述步骤D4中，其详细时隙分配方法为：
时隙分配流程包含以下步骤(以一条服务流上只有原节点A和目的节点B为例)：
步骤D4.1：源节点A查看本节点二进制位图，将可用的时隙信息填充于MSH_DSCH控制消息中；
步骤D4.2：源节点A等待发送MSH_DSCH控制消息的发送机会，当获得MSH_DSCH控制消息的发送时机时，源节点A发送MSH_DSCH控制消息；
步骤D4.3：目的节点B收到源节点A发送MSH_DSCH控制消息；
步骤D4.4：目的节点B解析源节点A发送MSH_DSCH控制消息，获取源节点A请求发送的时隙信息；
步骤D4.5：目的节点B将源节点A请求发送的时隙信息与自身可用的发送时隙信息进行比较，得到源节点A和目的节点B都能够使用的时隙信息；
步骤D4.6：目的节点B将步骤D4.5中获得的源节点A和目的节点B都能够使用的时隙信息填充于MSH_DSCH控制消息；
步骤D4.7：目的节点B等待发送MSH_DSCH控制消息的发送机会，当获得MSH_DSCH控制消息的发送时机时，目的节点B发送MSH_DSCH控制消息；
步骤D4.8：源节点A获得发送数据的时隙信息，时隙分配成功。
所述步骤D5中，其详细时频分配中的频率信道分配方法为：
步骤D5.1：源节点通过查看二进制位图判断本节点信道使用情况，如果源节点正在使用一个信道(频率)发送数据，则进入步骤D5.2，否则，转入步骤D5.3；
步骤D5.2：为了减少源节点发送数据时由于信道不同造成的硬件切换时延，则源节点向节点发送数据时优先选择源节点上正在使用的频率信道进行数据发送，频率信道分配成功。
步骤D5.3：源节点通过查看二进制位图判断本节点信道使用情况，从而得到源节点上可用的时隙、频率和扇区信息，用集合φ表示，如果源节点上射频2正在用一个信道fi进行数据接收，则在信道选择时，所选信道不能为fi的相邻信道；则集合φ为去除射频2上正在使用的信道和该信道的相邻信道组成的集合；
步骤D5.4：源节点通过查看二进制位图推算出在源节点的冲突域内可选的信道，其中包含在源节点冲突域内可选的时隙、频率和扇区信息，用集合
Figure BSA00000350843100041
表示；
步骤D5.5：源节点根据自身节点和其冲突域内的信道使用状况信息来计算源节点可用的信道集合：
步骤D5.6：在步骤D5.5中得到的集合θ中随机选择一个频率信道，频率信道分配成功。
本发明的有益效果是：保障MESH网络中的各个节点间的数据通信不冲突、同一MESH节点的两个射频同时工作不冲突，使全网信道得到合理分配与使用、提高整个MESH网络的系统吞吐量。
附图说明
图1多射频多天线多扇区MESH设备硬件平台示意图；
图2多射频多天线多扇区MESH网络信道分配流程图；
图3多射频多天线多扇区MESH网络节点方位探测示意图；
图4二进制位图结构图；
图5多射频多天线多扇区MESH网络射频、天线、扇区、时隙和频率分配流程图；
图6时隙分配流程图；
图7频率分配流程图。
具体实施方式
以下结合无线通信技术领域的实例及附图，来详细说明本发明专利提出的一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法。
信道分配方法针对多射频、多天线、多扇区的MESH网络，对于该网络中的MESH节点设备，如图1所示，一共包含2个射频模块，其中，射频1模块上接有1副全向天线和1副N扇区天线，射频2模块上接有1副N扇区天线。
射频1上的全向天线用于发送和接收MSH_NENT消息、MSH_NCFG消息、MSH_DSCH消息；射频1上的扇区天线用于用户发送MSH_PROB消息和数据消息；射频2上的扇区天线用于接收其他节点发送的数据消息。
对于无线MESH网络的信道分配过程如图2所示，在图中，信道分配被细分为4个步骤：
包括下列步骤：
步骤S1：发送节点和接收节点通过位置探测消息MSH_PROB进行交互，得到节点间的相对位置信息；
步骤S2：节点持续监听自己的冲突域范围内所有两跳邻居节点的控制消息；
步骤S3：根据监听到的控制消息中所包含的邻居节点下一次发送时机及信道分配情况(包括发送信息使用的频率、扇区、时隙)，在本节点保存的二进制位图上将该发送频率、扇区、时隙更新为不可用资源；
步骤S4：发送节点通过本节点保存的二进制位图信息进行信道选择(该信道分配包括：射频分配、天线分配、扇区分配、时隙分配和频率信道分配)。
对于步骤S1中的位置探测消息交互示意图见图3所示。在图中包含源节点S和目的节点D，源节点S和目的节点D之间通过交互位置探测消息MSH_PROB获得节点间的相对位置信息，其交互流程为：
步骤S11：源节点通过在射频1的扇区天线轮流发送MSH_PROB位置探测消息。在每个扇区发送的MSH_PROB消息中包含节点编号信息、发送扇区的编号等；
步骤S12：目的节点用全向天线接收邻居节点发送的MSH_PROB消息，在本节点中保留接收到MSH_PROB消息的节点编号信息、发送扇区的编号；
步骤S13：目的节点通过在射频1上的扇区天线轮流发送MSH_PROB位置探测消息。在每个扇区发送的MSH_PROB消息中包含发送扇区的编号、节点编号信息、源节点发送MSH_PROB消息并能够被目的节点接收的源节点扇区编号信息等；
步骤S14：源节点用全向天线接收邻居节点发送的MSH_PROB消息；源节点通过接收到的MSH_PROB消息更新源节点与目的节点的通信扇区信息，此时，源节点知道要向目的节点发送数据时源节点和目的节点所使用的扇区编号。
MSH_PROB消息定义如下：
Figure BSA00000350843100051
Node ID                发送节点ID号
Xmt sectorAntenna      发射扇区天线编号
Rcv sector Antenna     接收端对应接收扇区天线编号
对于步骤S3，根据监听到的控制消息中所包含的邻居节点下一次发送时机及信道分配情况(包括发送信息使用的频率、扇区、时隙)，在本节点生成二进制位图；二进制位图设计结构如图4所示。
对于步骤S4，其执行流程见图5所示，其中包括下列步骤：
步骤S41：进行射频分配；
步骤S42：进行天线分配；
步骤S43：进行扇区分配；
步骤S44：进行时隙分配；
步骤S45：进行时频信道分配。
所述步骤S41中，其详细射频分配方法为：
在发送数据时，采用射频1进行数据发送；当接收其他节点发送的数据信息时，固定在射频2进行接收。
所述步骤S42中，其详细天线分配方法为：
在MESH网络中所需要的控制消息类型主要有：MSH_PROB、MSH_NENT、MSH_NCFG、MSH_DSCH，广播控制消息是为数据消息收发做准备，保证数据流无冲突发送。这些消息的发送和接收所采用的天线安排如下：
(1)位置探测消息MSH_PROB采用射频1上的扇区天线发送，接收方采用射频1上的全向天线接收；
(2)网络接入消息MSH_NENT采用射频1上的全向天线发送，接收方采用射频1上的全向天线接收；
(3)网络控制消息MSH_NCFG采用射频1上的全向天线发送，接收方采用射频1上的全向天线接收；
(4)分布式调度消息MSH_DSCH采用射频1上的全向天线发送，接收方采用射频1上的全向天线接收；
(5)数据消息采用射频1上的扇区天线发送，接收方采用射频2上的扇区天线接收。
所述步骤S43中，其详细扇区分配方法为：
源节点通过步骤S1中获得的源节点和目的节点相对位置信息选择能够覆盖目的节点的扇区天线作为数据发送扇区。
所述步骤S44中，详见图6所示，其详细时频分配方法为：
步骤S441：源节点A查看本节点二进制位图，将本节点可用的时隙信息填充于MSH_DSCH控制消息中；
步骤S442：源节点A等待发送MSH_DSCH控制消息的发送机会，当获得MSH_DSCH控制消息的发送时机时，源节点A发送MSH_DSCH控制消息；
步骤S443：目的节点B收到源节点A发送MSH_DSCH控制消息；
步骤S444：目的节点B解析源节点A发送MSH_DSCH控制消息，获取源节点A请求发送的时隙信息；
步骤S445：目的节点B将源节点A请求发送的时隙信息与自身可用的发送时隙信息进行比较，得到源节点A和目的节点B都能够使用的时隙信息；
步骤S446：目的节点B将步骤S445中获得的源节点A和目的节点B都能够使用的时隙信息填充于MSH_DSCH控制消息；
步骤S447：目的节点B等待发送MSH_DSCH控制消息的发送机会，当获得MSH_DSCH控制消息的发送时机时，目的节点B发送MSH_DSCH控制消息；
步骤S448：源节点A获得发送数据的时隙信息，时隙分配成功。
所述步骤S45中，详见图7所示，其详细时频分配方法为：
步骤S451：源节点通过查看二进制位图判断本节点信道使用情况，如果源节点正在使用一个信道(频率)发送数据，则进入步骤S452，否则，转入步骤S453；
步骤S452：为了减少源节点发送数据时由于信道不同造成的硬件切换时延，则源节点向节点发送数据时优先选择源节点上正在使用的频率信道进行数据发送，频率信道分配成功。
步骤S453：源节点通过查看二进制位图判断本节点信道使用情况，从而得到源节点上可用的时隙、频率和扇区信息，用集合φ表示，如果源节点上射频2正在用一个信道fi进行数据接收，则在信道选择时，所选信道不能为fi的相邻信道；则集合φ为去除射频2上正在使用的信道和该信道的相邻信道组成的集合；
步骤S454：源节点通过查看二进制位图推算出在源节点的冲突域内可选的信道，其中包含在源节点冲突域内可选的时隙、频率和扇区信息，用集合
Figure BSA00000350843100071
表示；
步骤S455：源节点根据自身节点和其冲突域内的信道使用状况信息来计算源节点可用的信道集合：
Figure BSA00000350843100072
步骤D456：在步骤S455中得到的集合θ中随机选择一个频率信道，频率信道分配成功。

Claims (14)

1.一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法，其特征在于：该信道分配方法针对多射频、多天线、多扇区的无线MESH网络，其中，对于多射频表示一个MESH节点至少包含2个射频模块；多天线表示射频模块上同时安装有M副天线(M＞1)；对于多扇区表示射频模块上安装有N扇区天线(N＞2)。
2.一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法，其特征在于：该方法主要包括以下步骤：
步骤A，发送节点和接收节点通过位置探测消息MSH_PROB进行交互，得到节点间的相对位置信息；
步骤B，节点持续监听自己的冲突域范围内所有两跳邻居节点发送的控制消息；
步骤C，根据监听到的控制消息中所包含的邻居节点下一次发送时机及信道使用信息(包括发送信息使用的频率、扇区、帧号和时隙)，在本节点保存的可用资源二进制位图中将该发送信道更新为不可用资源；
步骤D，发送节点通过本节点保存的二进制位图信息进行信道分配(包括射频分配、天线分配、扇区分配、时隙分配和频率信道分配)。
3.按权利要求2所述的一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法，其特征在于：所述步骤B中，MESH网络中的节点持续监听自己的冲突域范围内所有两跳邻居节点的控制消息。
4.按权利要求2所述的一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法，其特征在于：所述步骤C中，根据监听到的控制消息中所包含的邻居节点下一次发送时机及信道使用信息(包括发送信息使用的频率、扇区、帧号和时隙)，在本节点保存的邻居节点二进制位图上将这些发送时刻更新为不可用资源。
5.按权利要求4所述的二进制位图构建方法，其特征在于：整个二进制位图按信道数目分为K块，每一块中又按设备的扇区天线数目细分为N小块，在每一小块中再按帧号分为1～n帧，在每帧又分为1～m个时隙，其中，二进制位图的每一位对应了从起始时刻到第n帧中的所有时隙编号，如果某个时隙被冲突域内的其他节点占用，则二进制位图中相应的位置1，如果没有被占用，则置0。
另外，本节点保存了2个二进制位图，一个为记录本节点信道使用信息的二进制位图(即：本节点二进制位图)，另外一个为记录其邻居节点信道使用信息的二进制位图(即：邻居节点二进制位图)，2个位图结构完全相同。
6.按权利要求2所述的一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法，其特征在于：所述步骤D中，发送节点以本节点保存的二进制位图(包括本节点二进制位图和邻居节点二进制位图)信息为依据进行数据通信时的信道分配，保证与冲突域内节点使用信道不冲突。
7.按权利要求2所述的一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法，其特征在于：所述步骤D中，发送节点进行信道分配，如果源节点上正在使用一个频率信道发送数据，则源节点向目的节点发送数据时优先选择源节点上正在使用的频率信道进行数据发送。
8.按权利要求2所述的一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法，其特征在于：所述步骤D中，发送节点进行信道分配，如果要在同一个节点进行同时收发数据时，信道分配时必须满足同一个MESH节点上的2个射频上使用的频率信道不相同且不相邻。
9.按权利要求2所述的一种基于多射频多天线多扇区的无线MESH网络的信道分配方法，其特征在于：在步骤D中，发送节点通过本节点保存的二进制位图信息进行信道分配步骤如下：
步骤D1：进行射频分配；
步骤D2：进行天线分配；
步骤D3：进行扇区分配；
步骤D4：进行时隙分配；
步骤D5：进行频率信道分配。
10.按权利要求9所述的步骤D1，其特征在于：在发送数据时，采用射频1进行数据发送；当接收其他节点发送的数据信息时，固定在射频2进行接收。
11.按权利要求9所述的步骤D2，其特征在于：这些消息的发送和接收所采用的天线安排如下：
(1)位置探测消息MSH_PROB采用射频1上的扇区天线发送，接收节点采用射频1上的全向天线接收；
(2)网络接入消息MSH_NENT采用射频1上的全向天线发送，接收节点采用射频1上的全向天线接收；
(3)网络控制消息MSH_NCFG采用射频1上的全向天线发送，接收节点采用射频1上的全向天线接收；
(4)分布式调度消息MSH_DSCH采用射频1上的全向天线发送，接收节点采用射频1上的全向天线接收；
(5)数据消息采用射频1上的扇区天线发送，接收节点采用射频2上的扇区天线接收。
12.按权利要求9所述的步骤D3，其特征在于：通过获得的源节点和目的节点相对位置信息选择能够覆盖目的节点的扇区天线作为发送扇区。
13.按权利要求9所述的步骤D4，其特征在于：时隙分配流程包含以下步骤(以一条服务流上只有原节点A和目的节点B为例)：
步骤D4.1：源节点A查看本节点二进制位图，将可用的时隙信息填充于MSH_DSCH控制消息中；
步骤D4.2：源节点A等待发送MSH_DSCH控制消息的发送机会，当等到获得MSH_DSCH控制消息的发送时机时，源节点A发送MSH_DSCH控制消息；
步骤D4.3：目的节点B收到源节点A发送MSH_DSCH控制消息；
步骤D4.4：目的节点B解析源节点A发送MSH_DSCH控制消息，获取源节点A请求发送数据的资源信息(包括：帧号、时隙等)；
步骤D4.5：目的节点B将源节点A请求发送的时隙信息与自身可用的发送时隙信息进行比较，得到源节点A和目的节点B都能够使用的时隙信息；
步骤D4.6：目的节点B将步骤D4.5中获得的源节点A和目的节点B都能够使用的时隙信息填充于MSH_DSCH控制消息中；
步骤D4.7：目的节点B等待发送MSH_DSCH控制消息的发送机会，当获得MSH_DSCH控制消息的发送时机时，目的节点B发送MSH_DSCH控制消息；
步骤D4.8：源节点A获得向目的节点B发送数据的时隙信息，时隙分配成功。
14.按权利要求9所述的步骤D5，其特征在于：其详细频率信道方流程包含以下步骤：
步骤D5.1：源节点通过查看二进制位图判断本节点信道使用情况，如果源节点正在使用一个信道(频率)发送数据，则进入步骤D5.2，否则，转入步骤D5.3；
步骤D5.2：为了减少源节点发送数据时由于信道不同造成的硬件切换时延，则源节点向节点发送数据时优先选择源节点上正在使用的频率信道进行数据发送，频率信道分配成功。
步骤D5.3：源节点通过查看二进制位图判断本节点信道使用情况，从而得到源节点上可用的时隙、频率和扇区信息，用集合φ表示，如果源节点上射频2正在用一个信道fi进行数 据接收，则在信道选择时，所选信道不能为fi的相邻信道；则集合φ为去除射频2上正在使用的信道和该信道的相邻信道组成的集合；
步骤D5.4：源节点通过查看二进制位图推算出在源节点的冲突域内可选的信道，其中包含在源节点冲突域内可选的时隙、频率和扇区信息，用集合
Figure FSA00000350843000031
表示；
步骤D5.5：源节点根据自身节点和其冲突域内的信道使用状况信息来计算源节点可用的信道集合：
步骤D5.6：在步骤D5.5中得到的集合θ中随机选择一个频率信道，频率信道分配成功。
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