CN102413577B - 多信道无线网络的链路分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多信道无线网络的链路分配方法，包括（1）对于一个具有c个可用信道和l条链路的多信道无线网络，根据该网络的拓扑图得到网络冲突图G；（2）根据步骤（1）中得到的网络冲突图G，得到上述网络的冲突矩阵A；（3）依据步骤（2）中得到的冲突矩阵A得到链路分配矩阵B，将该多信道无线网络的l条链路分配到c个信道上。本发明提供的用于多信道无线网络的链路分配方法，可用于单网络接口多信道情况，也可用于多网络接口多信道情况，其实现中采用查表的方法来降低链路冲突，计算量小，执行过程简单、易实现；且只要网络拓扑结构不发生改变，网络在工作过程中就不需要节点进行协商，为链路分配信道，减少了网络协商信道所带来的负荷以及延迟。

Description

多信道无线网络的链路分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信和信息传播技术，尤其涉及一种用于多信道无线网络的链路分配方法。

背景技术

单信道无线网络中存在的一个主要问题就是多个节点同时传输时，彼此间的干扰带来的容量降低的问题。尤其随着节点密度的增加将加剧节点间的竞争和发送分组之间的冲突，同时大量的节点退避降低了信道利用率并导致吞吐量的迅速下降。针对该问题，可以采用多信道无线网络。在多信道无线网络中，节点可用不同的信道并行发送与接收数据，相邻链路可以同时传输，而不发生冲突。由于节点可用的无线网络接口卡以及可分配的信道数目受限，因此存在如何将链路分配到不同的信道，以降低网络干扰、增加网络容量的问题。

目前研究者在多信道分配算法方面开展了大量的研究工作，取得了很多的研究成果。根据多信道分配算法对节点接口卡数目要求的不同，可以将多信道分配算法分为单接口多信道分配算法和多接口多信道分配算法两类。

1、在单接口多信道分配算法中，节点问需要一定的信道协商机制，目前主要有两种信道协商方式：1)接口卡周期性的回到公共信道交换协商信息，并声明下一个周期内自己使用的信道，MMAC协议是该类算法的典型代表，该协议将时间划分为“Beaconintervals”，在每个Beacon intervals的开始处定义了一段持续时间称为“ATIM窗口”，各节点在该时间段中都将自己的接口卡切换到预先定义的公共信道上进行信道协商，在ATIM窗口结束后，各节点将信道切换到协商好的信道进行数据的发送和接收。2)各节点使用一个“众所周知”的信道切换序列动态的切换信道，其典型代表是SSCH算法，其中每个节点可配备一个无线网卡，将时间划分为多个时隙，每个时隙按照已设定的信道序列进行切换，采用该方法，网络中各个节点需要知道其相邻节点的信道跳变序列，与其通信时，将网卡工作在对应信道。

2、在多接口多信道分配算法中，根据接口卡切换策略的不同，将算法分为三类：1)静态分配方案。在该类方案中，接口卡所绑定的信道在较长的时间内保持不变，如C-Hyacinth算法，C-Hyacinth给出了一个集中式求解信道分配和路由策略的通用算法框架，该算法需要预先获得网络的物理拓扑结构、各节点的接口卡数目和节点间的流量记录文件，使用循环迭代、逐步求精的方法求解节点间的信道分配和路由路径，并提出了一种基于贪心策略的信道分配算法；2)动态分配方案。在该类方案中，用于发送和接收数据的接口卡所使用的信道动态变化，如DCA协议，DCA(Dynamic Channel Allocation)协议将信道分为控制信道和数据信道，节点配备多个无线网卡，一个网卡工作于控制信道用于交换控制信息协商信道，其余可以在多个数据信道间切换用于链路传送数据包和应答包；3)混合式分配方案。在该类方案中，节点的一部分接口卡所绑定的信道保持不变，其余接口卡绑定的信道根据传输需求动态变化，如PCAM算法，该算法使用三个接口卡进行数据传输，一个用于接收数据，一个用于发送数据，第三个用于节点间的控制信息传递，该算法不需要严格的时钟同步机制，不需要预知网络流量记录文件，能够较好适应网络流量的变化情况，但是该方法不能够充分利用各网络接口卡。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于多信道无线网络的链路分配方法，将多信道无线网络的链路分配到各信道，使得网络中的链路可以工作在不同的信道上。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于多信道无线网络的链路分配方法，包括如下步骤：

(1)对于一个具有c个可用信道和l条链路的多信道无线网络，根据该网络的拓扑图得到网络冲突图G；

(2)根据步骤(1)中得到的网络冲突图G，得到上述网络的冲突矩阵A；

(3)依据步骤(2)中得到的冲突矩阵A得到链路分配矩阵B，将该多信道无线网络的l条链路分配到c个信道上；

其中，l、c为自然数。

所述步骤(1)中，网络冲突图G通过以下方式得到：

在多信道无线网络拓扑图中的节点用顶点表示，链路用边表示；在网络冲突图G中，多信道无线网络拓扑图中的链路用顶点表示，如果在单信道下，两条链路间存在冲突关系，则相应顶点间会存在一条边。所述步骤(1)中，只需要将多信道网络拓扑图中的边转换为网络冲突图G中的顶点，然后将有冲突关系的顶点用边连接，就可以得到网络冲突图G。

所述步骤(2)中，网络冲突矩阵A＝[a_ij]_l×l中各元素的计算规则如下：

其中i和j

表示网络拓扑图中的链路，1≤i≤l，1≤j≤l，i和j都为自然数。

所述步骤(3)中，链路分配矩阵B的求得包含如下步骤：

3.1.初始化，设链路分配矩阵B＝[b_ij]_l×c为全零矩阵。计数值i＝1，j＝1，k＝1，其中i，j，k为自然数；

3.2.当1≤i≤l，则判断是否为0：

1)若

则遍历所有的b_kj(1≤k≤i)，且b_ij根据下面三种情况进行取值：

a)若存在b_kj＝1且a_ki＝1，则b_ij＝0；

b)若对所有取值为1的b_kj，都有a_ki＝0则b_ij＝1；

c)若对所有的b_kj(1≤k≤i)，都有b_kj＝0，则b_ij＝1；

2)若

则b_ij＝0；

i＝i+1，返回步骤3.2；

当i＞l，则停止计算，转到步骤3.3；

3.3.j＝j+1；

若1≤j≤c，令i＝1，返回步骤3.2；

若j＞c则停止计算，转到步骤3.4；

3.4.对链路分配矩阵B按行遍历，若有

则表明该链路i未被分配信道，此时需对该链路i再次进行信道分配，步骤如下：

3.4.1.用数列C表示每个信道的冲突值，记C＝{c_j}(1≤j≤c)，其中数列C中每个元素c_j表示信道j的冲突值，其值按照如下公式计算：

$c_j=\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ki}}{b}_{\mathrm{kj}}$

式中，a_ki对应于网络冲突矩阵A中的元素，b_kj对应于链路分配矩阵B中的元素，

3.4.2.记c_h＝min{c_j}，则链路i分配到信道h上，即b_ih＝1；

在步骤3.4.2中，若数列C中有多个元素(记为c_h和c_p)的值为min{c_j}，则该链路i可分配到其中任一信道上，即信道h或信道p，并将对应的矩阵B中元素设为1，即b_ih＝1或b_ip＝1。

当多信道无线网络中的链路被分配到各个信道上工作后，只有网络拓扑结构发生改变，才重复上述步骤(1)～(3)，重新进行链路分配；因此只要网络拓扑结构不发生改变，网络在工作过程中就不需要节点进行协商，为链路分配信道，减少了网络协商信道所带来的负荷以及延迟。

有益效果：本发明提供的用于多信道无线网络的链路分配方法，可用于单网络接口多信道情况，也可用于多网络接口多信道情况。其实现中采用查表的方法来降低链路冲突，计算量小，执行过程简单、易实现；且只要网络拓扑结构不发生改变，网络在工作过程中就不需要节点进行协商，为链路分配信道，减少了网络协商信道所带来的负荷以及延迟。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明中链路初始分配信道的流程图；

图3为本发明中链路二次分配信道的流程图；

图4为本发明实施例中的多信道无线网络拓扑图；

图5为本发明实施例中网络冲突图和冲突矩阵A；

图6为本发明实施例中第一个信道分配图；

图7为本发明实施例中第二个信道分配图；

图8为本发明实施例中第三个信道分配图；

图9为本发明实施例中得到的链路分配矩阵B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种用于多信道无线网络的链路分配方法，包括如下步骤：

(1)对于一个具有c个可用信道和l条链路的多信道无线网络，根据该网络的拓扑图得到网络冲突图G；

(2)根据步骤(1)中得到的网络冲突图G，得到上述网络的冲突矩阵A；

(3)依据步骤(2)中得到的矩阵A得到链路分配矩阵B，将该多信道无线网络的l条链路分配到c个信道上；

其中，l、c为自然数。

所述步骤(2)中，网络冲突矩阵A＝[a_ij]_l×l中各元素的计算规则如下：

其中i和j表示网络拓扑图中的链路，1≤i≤l，1≤j≤l，i和j都为自然数。

所述步骤(3)中，链路分配矩阵B的计算流程图如图2和图3所示，具体包括如下步骤：

3.1.初始化，设链路分配矩阵B＝[b_ij]_l×c为全零矩阵。计数值i＝1，j＝1，k＝1，其中i，j，k为自然数；

3.2.当1≤i≤l，则判断

是否为0：

1)若

则遍历所有的b_kj(1≤k≤i)，且b_ij根据下面三种情况进行取值：

a)若存在b_kj＝1且a_ki＝1，则b_ij＝0；

b)若对所有取值为1的b_kj，都有a_ki＝0则b_ij＝1；

c)若对所有的b_kj(1≤k≤i)，都有b_kj＝0，则b_ij＝1；

2)若

则b_ij＝0；

i＝i+1，返回步骤3.2；

当i＞l，则停止计算，转到步骤3.3；

3.3.j＝j+1；

若1≤j≤c，令i＝1，返回步骤3.2；

若j＞c则停止计算，转到步骤3.4；

3.4.对链路分配矩阵B按行遍历，若有

则表明该链路i未被分配信道，此时需对该链路i再次进行信道分配，步骤如下：

3.4.1.用数列C表示每个信道的冲突值，记C＝{c_j}(1≤j≤c)，其中数列C中每个元素c_j表示信道j的冲突值，其值按照如下公式计算：

$c_j=\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ki}}{b}_{\mathrm{kj}}$

式中，a_ki对应于网络冲突矩阵A中的元素，b_kj对应于链路分配矩阵B中的元素。

3.4.2.记c_h＝min{c_j}，则链路i分配到信道h上，即b_ih＝1；

在步骤3.4.2中，若数列C中有多个元素(记为c_h和c_p)的值为min{c_j}，则该链路i可分配到其中任一信道上，即信道h或信道p，并将对应的矩阵B中元素设为1，即b_ih＝1或b_ip＝1。

以一个包含5个节点的多信道无线网络为例，具体说明本发明的具体实施。

如图4所示为该多信道无线网络拓扑图，包含了A、B、C、D、E五个节点，以及8条链路，假设该网络共有C₁、C₂、C₃三个互不干扰的正交无线信道可供节点选择，即l＝8，c＝3，得到的矩阵A是一个8×8的矩阵，矩阵B是一个8×3的矩阵，则链路分配过程如下：

(1)根据图4所示的该多信道无线网络的拓扑图，得到如图5所示的网络冲突图G；图5中各个顶点与图4中序号相同的链路一一对应，如图5中顶点1对应图4中链路1；在图4中，将单信道下有冲突关系的顶点用边连接，如链路1与链路2、链路3、链路4、链路5、链路6、链路8有冲突关系；这里两条链路间存在冲突，指的是在单信道下，两条链路不能同时传输数据包，否则会产生干扰，使得数据包不能正确接收。

(2)根据步骤(1)中得到的网络冲突图G，得到上述网络的冲突矩阵A，在图5中，对于有边直接相连的两个顶点是有冲突的，则在矩阵A中这些顶点的对应元素即a₁₂、a₁₃、a₁₄、a₁₅、a₁₆、a₁₈的值为1；

(3)根据冲突矩阵A求解矩阵B：

(3.1)初始化：设链路分配矩阵B＝[b_ij]_8×3为全零矩阵，记数列C＝{c_j}(1≤j≤3)；

(3.2)对矩阵B按列遍历。j＝1即矩阵B的第1列，再依次按行遍历。如图6所示：

(3.3)对j＝2即矩阵B的第2列，依次按行遍历。如图7所示：

(3.4)对j＝3即矩阵B的第3列，依次按行遍历。如图8所示：

i＝6，由于b₁₃＝b₂₃＝0，b₃₃＝1，b₄₃＝b₅₃＝b₆₃＝0，又a₃₆＝1，故令b₆₃＝0；

(3.5)经过步骤(3.2)～(3.4)，对链路进行了初次信道分配，此时需要检查是否有信道未被分配信道。对矩阵B按行进行遍历，则有

$\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{1j}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{2j}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{3j}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{7j}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{8j}=1,$ $\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{4j}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{5j}=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{6j}=0,$

即链路1、2、3、7和8已被分配信道，链路4、5、6未被分配，故需对4、5、6再次分配信道：

1)i＝4，按列遍历，则 $c_1=\underset{k=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k4}{b}_{k1}=a_{14}+a_{74}=1,$ c₂＝a₂₄+a₈₄＝2，c₃＝a₃₄＝1，由于c₁＝c₃＝1都为最小值，故将链路4随机分配到信道1或3上，这里选择信道1，即b₄₁＝1；

2)i＝5， $c_1=\underset{k=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k5}{b}_{k1}=a_{15}+a_{45}+a_{75}=3,$ c₂＝a₂₅+a₈₅＝2，c₃＝a₃₅＝1，c₃＝1值最小，故链路5分配到信道3上，即b₅₃＝1；

3)i＝6， $c_1=\underset{k=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{k6}{b}_{k1}=a_{16}+a_{46}+a_{76}=3,$ c₂＝a₂₆+a₈₆＝2，c₃＝a₃₆+a₅₆＝2，c₂＝c₃＝1值最小，故将链路6随机分配到信道2或3上，这里选择信道2，即b₆₂＝1；

本例中分配后得到的链路分配矩阵B如图9所示，其中元素b₁₁＝b₂₂＝b₃₃＝b₄₁＝b₅₃＝b₆₂＝b₇₁＝b₈₂＝1，即链路1、4和7分配到信道1上。链路2和6分配到信道2上，链路3和5分配到信道3上。分配后各链路在网络运行过程中如果拓扑结构不发生变化，将在分配的信道上工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于多信道无线网络的链路分配方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1）对于一个具有c个可用信道和l条链路的多信道无线网络，根据该网络的拓扑图得到网络冲突图G；

2）根据步骤1）中得到的网络冲突图G，得到上述网络的冲突矩阵A；

3）依据步骤2）中得到的冲突矩阵A得到链路分配矩阵B，将该多信道无线网络的l条链路分配到c个可用信道上；

其中，l、c为自然数；

所述步骤2）中，网络冲突矩阵A为一个l×l的矩阵，其中l为多信道无线网络拓扑图中的链路数；

所述步骤2）中，网络冲突矩阵A=[a_ij]_l×l中各元素的计算规则如下：

其中i和j表示网络拓扑图中的链路，1≤i≤l，1≤j≤l，i和j都为自然数；

所述步骤3）中，链路分配矩阵B的求得包含如下步骤：

5.1.初始化，设链路分配矩阵B=[b_ij]_l×c为全零矩阵，计数值i=1，j=1，k=1，

其中i，j，k为自然数；

5.2.当1≤i≤l，则判断

是否为0：

5.2.1)若

则遍历所有的b_kj，1≤k≤i，且b_ij根据下面三种情况进行取值：

a)若存在b_kj=1且a_ki=1，则b_ij=0；

b)若对所有取值为1的b_kj，都有a_ki=0则b_ij=1；

c)若对所有的b_kj，1≤k≤i，都有b_kj=0，则b_ij=1；

5.2.2)若 $\underset{j=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{ij}}\≠0,$ 则b_ij=0；

i=i+1，返回步骤5.2；

当i>l，则停止计算，转到步骤5.3；

5.3.j=j+1；

若1≤j≤c，令i=1，返回步骤5.2；

若j>c则停止计算，转到步骤5.4；

5.4.对链路分配矩阵B按行遍历，若有

则表明该链路i未被分配信道，此时需对该链路i再次进行信道分配，步骤如下：

5.4.1.用数列C表示每个信道的冲突值，记C＝{c_j}，1≤j≤c，其中数列C中每个元素c_j表示信道j的冲突值，其值按照如下公式计算：

$c_j=\underset{k=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ki}}{b}_{\mathrm{kj}}$

式中，a_ki对应于网络冲突矩阵A中的元素，b_kj对应于链路分配矩阵B中的元素,

5.4.2.记c_h=min{c_j}，则链路i分配到信道h上，即b_ih=1；

在步骤5.4.2中，若数列C中有多个元素c_h和c_p，其值为min{c_j}，则该链路i可分配到其中任一信道上，即信道h或信道p，并将对应的矩阵B中元素设为1，即b_ih=1或b_ip=1。

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