CN102355670B - 一种多信道无线mesh网络信道分配方法 - Google Patents

Abstract

一种多信道无线mesh网络信道分配方法，包括以下步骤：1)根据概率模型建立带权重的双向网络连接图，根据链路权重依次计算节点的链路干扰度和节点干扰度，从而根据节点干扰度在可用信道集合中选择使节点干扰度最小的信道作为节点固定接口的信道；2)建立通信周期，将其分为广播时隙和普通数据时隙，在广播时隙内发送和接收广播消息，在普通数据时隙内发送普通数据包，并且普通数据时隙进一步分为数据子时隙，不同的子时隙可以使用不同的信道，从而与不同的节点通信。本发明充分利用了多个非重叠信道，有效降低了网络干扰，提高了网络吞吐量和端到端时延等网络性能。

Description

一种多信道无线mesh网络信道分配方法

技术领域

本发明设计无线mesh网络信道分配技术，尤其是配置多个射频端采用混合信道分配技术的无线mesh网络。

背景技术

无线mesh网络已经成为下一代无线网络中涌现出来的一种非常具有前景的新型无线组网技术，在家庭宽带网络、小区和城域网络、协同网络管理、智能传输系统等方面有着广泛应用。相对于传统的无线网络，无线mesh网络是一种动态的具有自组织性和自配置性的多跳无线网络，可以通过无线mesh网关与现有的各种无线网络进行集成，如无线传感器网络、Wi-Fi和WiMAX等，使得终端用户可以同时使用多种无线网络，能够有效降低铺设成本，简化网络维护，扩大网络覆盖面。

信道分配问题是无线mesh网络的关键技术之一，是影响其网络容量的重要因素。按照信道切换的频率，信道分配方案可以分为静态信道分配方案、动态信道分配方案和混合信道分配方案。混合信道分配方案既具有保证静态信道分配方案的连接性，又具有动态信道分配方案的灵活性，受到广泛的关注。目前多数混合信道分配算法针对流量集中的基础模式无线mesh网络。

发明内容

为了克服现有的多信道无线mesh网络信道分配技术的网络干扰较大、网络性能较差的不足，本发明针对多信道无线mesh网络，提出一种混合信道分配方法，以充分利用IEEE提供的多个非重叠信道，降低节点间的干扰，提高吞吐量等网络性能。

为解决以上问题，本发明采用的技术方案为：

一种多信道无线mesh网络信道分配方法，所述信道分配方法包括以下步骤：

1）基于链路权重的干扰估计策略，为固定接口分配信道，其过程如下：

1.1）根据概率为链路分配权重，建立带权重的双向网络连接图，所述的链路权重计算方法如下：

其中，

表示节点i的正向链路，m_i表示节点i的正向链路数目；

1.2）根据链路权重计算链路干扰度，所述的链路干扰度计算方法如下： $\mathrm{Intf}\left({\stackrel{\→}{l}}_{p,q}^c\right)=\underset{i\∈V}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i\left(c\right){\mathrm{Intf}}_i\left({\stackrel{\→}{l}}_{p,q}\right)---\left(3\right)$

其中，V表示节点集合，λ_i(c)表示0-1变量，

表示节点i对链路

的干扰权重；

1.3）根据链路干扰度计算节点干扰度，所述的节点对链路的干扰权重计算方法如下：

其中，i、j表示链路

对应的两个节点，

表示节点i在链路的干扰范围内，

表示节点i不在链路的干扰范围内；

所述的节点干扰度计算方法如下：

$\mathrm{Intf}\left(i^c\right)=\underset{n=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i}\mathrm{Intf}\left({\stackrel{\→}{l}}_{i,j}^c\right)---\left(6\right)$

其中，表示节点i的某条正向链路干扰度，m_i表示节点i的正向链路数目；

1.4）在所有可用信道集合中，针对每一信道计算该节点的节点干扰度，选择使节点干扰度值最小的信道作为节点的固定接口信道；

2）通过将节点的通信时间分为广播时隙和普通数据时隙，建立一个通信周期，在广播时隙内发送和接收广播包，在普通数据时隙内发送和接收普通数据包，普通数据时隙按照可用信道数量分为多个子时隙，数据的接收和发送分别按照排队算法和调度算法。

本发明的技术构思为：提出一种基于链路权重的干扰估计方法：以概率模型来描述均衡网络中的流量特征，根据概率为链路分配权重，根据权重建立带权重的双向网络连接图，从而计算链路干扰度和节点干扰度，最后根据节点干扰度为节点的固定接口分配信道；

其中，根据概率为链路分配权重，建立带权重的双向网络连接图，链路权重根据该节点的正向链路数目确定，每条正向链路的权重等于该节点正向链路数目的倒数。

链路干扰度描述其他节点对指定链路的干扰程度，当某一节点在指定链路的干扰范围内，那么所有该节点的正向链路都可能对指定链路产生干扰，因此该节点对指定链路的干扰度为1；当某一节点不在指定链路的干扰范围内，但该节点的某条正向链路的另一节点在指定链路的干扰范围在，则该节点可能对指定链路产生干扰，并且权重等于该正向链路的权重；其他情况下节点对指定链路的干扰权重为零；所谓可能，是指只有当两条链路使用相同的信道时，干扰才会确实发生，否则不发生干扰。

节点干扰度描述周围其他节点对指定节点的干扰程度，节点干扰度等于该节点所有正向链路的链路干扰度的加权累积之和，权重等于该节点的正向链路数目的倒数。

根据节点干扰度为节点的固定接口分配信道，在所有可用信道集合中，针对每一信道计算该节点的节点干扰度，选择使节点干扰度值最小的信道作为节点的固定接口信道。

以及，提出一种节点间的通信协调机制：通过将节点的通信时间分为广播时隙和普通数据时隙，建立一个通信周期，在广播时隙内发送和接收广播包，在普通数据时隙内发送和接收普通数据包，数据的接收和发送分别按照排队算法和调度算法进行传输。

将通信周期分为广播时隙和普通数据时隙，广播时隙大小和普通数据时隙大小可以根据网络规模的大小动态调整；将普通数据时隙进一步根据网络可用信道数量分为数据子时隙，在每个子时隙内使用同一个信道，不同子时隙可以使用不同信道；子时隙的通信时间是可变的，有最大通信时间和最小通信时间；当缓存队列的预期发送时间小于最小通信时间时，不发送该队列，当所有缓存队列预期发送时间都小于最小通信时间时，切换信道至预期发送时间最长的队列信道；当缓存数列的发送时间达到最大通信时间时，可以进行信道切换，当无其他队列满足切换条件时，不切换信道直至发送该缓存队列完毕；接收数据时排队算法按照数据包要求的信道将数据包缓存至相应的队列；发送数据时调度算法按照缓存队列的优先级和平均排队时间依次发送缓存数据包；数据的优先级分两种，广播数据包具有高优先级，普通数据包具有低优先级，平均排队时间是指某个缓存队列所有缓存时间的平均值。

本发明的有益效果为：针对多信道无线mesh网络，提出一种混合信道分配方法，较好地解决了动态变化网络中网络连接性和干扰之间的平衡问题，降低了干扰程度，改善了吞吐量、时延等网络性能。

附图说明

图1为双向网络连接图。

图2为节点冲突图。

图3为带权重的双向网络连接图。

图4为排队算法的流程图。

图5为调度算法的流程图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步详细说明：

参照图1～图5，一种多信道无线mesh网络信道分配方法，所述信道分配方法包括以下步骤：

1）基于链路权重的干扰估计策略，为固定接口分配信道，其过程如下：

1.1）根据概率为链路分配权重，建立带权重的双向网络连接图，所述的链路权重计算方法如下：

其中，表示节点i的正向链路，m_i表示节点i的正向链路数目；

1.2）根据链路权重计算链路干扰度，所述的链路干扰度计算方法如下： $\mathrm{Intf}\left({\stackrel{\→}{l}}_{p,q}^c\right)=\underset{i\∈V}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i\left(c\right){\mathrm{Intf}}_i\left({\stackrel{\→}{l}}_{p,q}\right)---\left(3\right)$

其中，V表示节点集合，λ_i(c)表示0-1变量，

表示节点i对链路

的干扰权重；

1.3）根据链路干扰度计算节点干扰度，所述的节点对链路的干扰权重计算方法如下：

其中，i、j表示链路

对应的两个节点，

表示节点i在链路的干扰范围内，表示节点i不在链路的干扰范围内；

所述的节点干扰度计算方法如下：

$\mathrm{Intf}\left(i^c\right)=\underset{n=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i}\mathrm{Intf}\left({\stackrel{\→}{l}}_{i,j}^c\right)---\left(6\right)$

其中，

表示节点i的某条正向链路干扰度，m_i表示节点i的正向链路数目；

1.4）在所有可用信道集合中，针对每一信道计算该节点的节点干扰度，选择使节点干扰度值最小的信道作为节点的固定接口信道；

2）通过将节点的通信时间分为广播时隙和普通数据时隙，建立一个通信周期，在广播时隙内发送和接收广播包，在普通数据时隙内发送和接收普通数据包，普通数据时隙按照可用信道数量分为多个子时隙，数据的接收和发送分别按照排队算法和调度算法。

本实施例的工作原理如下：将无线mesh节点的多个射频端分为固定接口和动态接口，固定接口分配固定信道，动态接口在可用信道集中根据需要进行切换；干扰估计策略用来为固定接口分配信道，通信协调机制用于节点之间的通信；在干扰估计策略中，以概率模型来描述均衡网络中的流量特征，根据概率为链路分配权重，根据权重建立带权重的双向网络连接图，从而计算链路干扰度和节点干扰度，最后根据节点干扰度为节点的固定接口分配信道；在通信协调机制中，通过将节点的通信时隙分为广播时隙和普通数据时隙，建立一个通信周期，在广播时隙内发送和接收广播包，在普通数据时隙内发送和接收普通数据包，数据的接收和发送分别按照排队算法和调度算法。

在图3中，链路的权重计算如下：根据图1的双向网络连接图建立图2的节点冲突图，图2中的一个顶点表示某个节点的所有正向链路集合，设节点i有m_i条正向链路，则每条正向链路的权重为1/m_i，例如节点A的所有正向链路权重为1/3。

节点对链路的干扰度计算如下：针对节点i的某条正向链路

对于除i、j外的另一节点q，若q在链路

的干扰范围内，则节点q对

的干扰权重为1；若q不在的干扰范围内，但q的某条正向链路的另一节点在

的干扰范围内，则q对

的干扰权重为该链路的链路权重；其他情况节点对

的干扰权重为0；用公式表示如下：

其中，i、j表示链路

对应的两个节点，

表示节点i在链路的干扰范围内，

表示节点i不在链路的干扰范围内。

根据上面节点对链路的干扰度，进一步计算指定链路的链路干扰度：计算其他所有节点对指定链路的干扰度，干扰度之和即为链路干扰度；在实际网络中，只有当两条链路使用相同信道时才可能发生干扰，因此设置0-1变量λ_i(c)，当节点i使用信道c时，为1，否则为0；用公式表示如下：

$\mathrm{Intf}\left({\stackrel{\→}{l}}_{p,q}^c\right)=\underset{i\∈V}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i\left(c\right){\mathrm{Intf}}_i\left({\stackrel{\→}{l}}_{p,q}\right)$

根据链路干扰度，可以计算指定节点的节点干扰度：节点干扰度为该节点所有正向链路的链路干扰度加权累计之和，权重为正向链路的链路权重，设节点i有m条正向链路，每条正向链路的链路权重为1/m_i，则可用公式表示如下：

$\mathrm{Intf}\left(i^c\right)=\underset{n=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i}\mathrm{Intf}\left({\stackrel{\→}{l}}_{i,j}^c\right)$

针对所有可用信道集合，依次求出节点使用某个信道时的节点干扰度，选择使节点干扰度最小的信道作为节点固定接口的信道，设C表示可用信道集合，则可表示如下：

$\mathrm{Intf}\left(i^c\right)=\underset{\mathrm{\α}\∈C}{\min }\mathrm{Intf}\left(i^{\mathrm{\α}}\right)$

通信协调机制主要用于动态接口同固定接口的通信中，广播时隙大小为50ms，普通数据时隙大小为450ms，数据子时隙最小值为50ms，最大值为120ms，子时隙数量为4；为保证不同信道的数据包进入不同缓存队列，建立5个缓存队列，1个为广播数据包缓存队列，4个为普通数据包缓存队列。

排队算法流程为：首先获取数据包的信道信息，若为广播消息，则立即发送，若发送不成功，则缓存至广播消息队列；若为普通数据包，则根据获取的信道信息将其缓存至相应的队列。

调度算法流程为：首先判断是否为广播时隙，若为广播时隙，则发送缓存的广播数据包，若广播缓存队列为空，等待进入普通数据时隙；若为普通数据时隙，则计算队列的平均排队时间，选择平均排队时间最长的队列进行发送，判断是否满足信道切换条件，将动态接口切换至相应的信道，若不满足，则不进行切换。

为实现排队和调度算法，需要建立两个数据结构，一个是队列调度表，保存队列的优先级、信道序号和队列属性；一个是队列属性表，保存队列长度、平均排队时间和队列指针。

Claims (3)

1.一种多信道无线mesh网络信道分配方法，其特征在于：所述信道分配方法包括以下步骤：

1）基于链路权重的干扰估计策略，为固定接口分配信道，其过程如下：

1.1）根据概率为链路分配权重，建立带权重的双向网络连接图，所述的链路权重计算方法如下：

其中，

表示节点i的正向链路，m_i表示节点i的正向链路数目；

1.2）根据链路权重计算链路干扰度，所述的链路干扰度计算方法如下： $\mathrm{Intf}\left({\stackrel{\→}{l}}_{p,q}^c\right)=\underset{i\∈V}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i\left(c\right){\mathrm{Intf}}_i\left({\stackrel{\→}{l}}_{p,q}\right)---\left(3\right)$

其中，V表示节点集合，λ_i(c)表示0-1变量，

表示节点i对链路

的干扰权重；

1.3）根据链路干扰度计算节点干扰度，所述的节点对链路的干扰权重计算方法如下：

其中，i、j表示链路

对应的两个节点，

表示节点i在链路的干扰范围内，

表示节点i不在链路的干扰范围内；

所述的节点干扰度计算方法如下：

$\mathrm{Intf}\left(i^c\right)=\underset{n=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{m_i}\mathrm{Intf}\left({\stackrel{\→}{l}}_{i,j}^c\right)---\left(6\right)$

其中，

表示节点i的某条正向链路干扰度，m_i表示节点i的正向链路数目；

1.4）在所有可用信道集合中，针对每一信道计算该节点的节点干扰度，选择使节点干扰度值最小的信道作为节点的固定接口信道；

2）通过将节点的通信时间分为广播时隙和普通数据时隙，建立一个通信周期，在广播时隙内发送和接收广播包，在普通数据时隙内发送和接收普通数据包，普通数据时隙按照可用信道数量分为多个子时隙，数据的接收和发送分别按照排队算法和调度算法。

2.根据权利要求1所述的多信道无线mesh网络信道分配方法，其特征在于：所述步骤2）中，接收数据时排队算法按照数据包要求的信道将数据包缓存至相应的队列；发送数据时调度算法按照缓存队列的优先级和平均排队时间依次发送缓存数据包；数据的优先级分两种，广播数据包具有高优先级，普通数据包具有低优先级，平均排队时间是指某个缓存队列所有缓存时间的平均值。

3.如权利要求1或2所述的多信道无线mesh网络信道分配方法，其特征在于：所述步骤2）中，广播时隙大小和普通数据时隙大小可以根据网络规模的大小动态调整；将普通数据时隙进一步根据网络可用信道数量分为数据子时隙，在每个子时隙内使用同一个信道，不同子时隙可以使用不同信道；子时隙的通信时间是可变的，有最大通信时间和最小通信时间；当缓存队列的预期发送时间小于最小通信时间时，不发送该队列，当所有缓存队列预期发送时间都小于最小通信时间时，切换信道至预期发送时间最长的队列信道；当缓存数列的发送时间达到最大通信时间时，可以进行信道切换，当无其他队列满足切换条件时，不切换信道直至发送该缓存队列完毕。

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