CN102625362A - 一种多信道多射频无线Mesh网络中分布式信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多信道多射频无线Mesh网络中分布式信道分配方法。需要进行路由发现的节点发起路由请求，目的节点收到请求消息后，沿逆路径回复的同时，首先通过网络分配矢量(简称为NAV)计算出信道的空闲度及剩余的可用带宽，求出加权平均期望传输时间(即WA ETT)，选择WA ETT最小的信道作为给该链路分配的信道，为每条路径中的各跳分配好信道后，分别计算出各条路径的路由判据EWCETT(即改进加权累计期望传输时间)的值，选择EWCETT值最小的路径作为最佳的路由进行传输并予以维护。本发明将信道分配和路由选择融入在一起，有效地减少了信道分配和路由选择的时间，能够有效改善多信道多射频无线Mesh网络的网络吞吐量、端到端时延和网络开销。

Description

一种多信道多射频无线Mesh网络中分布式信道分配方法

技术领域

一种多信道多射频无线mesh网络中分布式信道分配方法。利用最小传输时间选择信道，并通过信道分配与路由选择判据选取最优路由的方法。 

背景技术

无线Mesh网络(Wireless Mesh Network，WMN)是一种可以用来接入互联网的宽带网络，它具有高容量和高速率等特点。它由网状分布的无线节点构成，通过自适应的节点发现、拓扑结构维护和多跳转发来实现节点之间互联互通。无线Mesh网络属于一种特殊的移动自组织网络，它继承了部分无线局域网技术的特点，相当于把WLAN和Ad Hoc网络技术融合在一起，且具备这两种技术的优点。无线Mesh网络的设计用途是让网络中的所有节点都能收发数据，从而提高网络的扩展性和健壮性，改进传统无线网络存在的弊端。无线Mesh网络可以打破Ad Hoc网、无线城域网(WMAN)等网络中的一些限制，使网络的性能大幅提高。 

传统的单射频无线Mesh网络只使用一个信道。由于无线信道是共享信道，竞争和干扰会发生在邻近节点的通信过程中，因此，严格意义上讲在一个干扰域内只能存在一条传输数据的链路。尽管应用很广泛的IEEE802.11a协议中理论上具有54 Mb/s的峰值速率，但实际上，由于各种因素例如丢包、多个用户接入时发生冲突等影响，实际可以利用的速率大约只有峰值的二分之一，使网络传输数据的速率和整个网络的总容量受到了极大的限制，导致一些带宽要求比较高的数据业务在网络中不能传输。此外，IEEE802.11协议族提供了多个正交信道，数据在这些正交信道同时传输时产生的干扰会很小，因此，如果我们给网络中的各个节点配置多个无线网卡(射频)，这些射频利用正交的信道工作，就会使节点在接收数据的同时又能发送数据，而造成的干扰很小，就可以使无线Mesh网络的容量大幅度地提高，这就是所谓的多射频多信道无线Mesh网络(Multi-Radio Multi-Channel，MR-MC)。多射频多信道无线Mesh网络在未来有无比光明的发展前景，研究它很有意义，而多射频多信道技术中的一个重要问题就是信道分配问题。在多射频多信道无线Mesh网络中，信道分配就是为节点的每一个射频和网络中的每一条链路分配相应的无线信道。 

发明内容

本发明的目的是在无线Mesh网络中的Mesh路由节点收集其周围局部区域的网络拓扑结构和周围的网络业务量的大小信息，根据这些信息来为链路分配合适的信道，以达到减小干 扰和提高网络总容量的目的。 

为实现上述目的，本发明根据网络分配矢量估计网络的有效带宽，引入加权平均期望传输时间(WA_ETT)对信道进行选择，综合考虑了全局资源的消耗程度，节点集和链路中节点负载程度等多方面因素，讨论了一种可行的路径质量状态模型，即基于信道分配的路由选择判据，提出了一种多信道多射频无线Mesh网络中分布式信道分配方法。 

本发明的步骤是： 

第一步骤：利用WA_ETT作为每一跳链路信道分配的Metric(即判据)，当为路径中的每一跳链路分配信道时，分别计算该跳链路在每个信道上的WA_ETT，然后选择WA_ETT最小的信道作为给该链路分配的信道。 

采用加权移动平均方法测算出网络中WA_ETT的值，即 

$\mathrm{WA}\_\mathrm{ET}{T}_n=\frac{1}{w}{\mathrm{ETT}}_n+\frac{w-1}{w}\mathrm{WA}\_{\mathrm{ETT}}_{n-1}---\left(1\right)$

其中，w为历史窗口的大小，ETT_n为当前时刻n时的期望传输时间(即ETT)，WA_ETT_n为当前时刻n时的WA_ETT，WA_ETT_n-1为历史时刻n-1时的WA_ETT。 

第二步骤：在无线网络中，信道的平均剩余有效带宽的大小与节点信道忙闲程度成正比，节点i的剩余可用带宽由信道的空闲度决定，即按照下面式子求得： 

ABw_i＝k×Bw×Free_Ratio_i    (2) 

其中k为修正因子，B_w表示链路的平均带宽，Free_Ratio_i为节点i的空闲度。 

第三步骤：在无线网络中，信道的平均剩余有效带宽的大小与节点信道忙闲程度成正比。空闲度表达式为 

$\mathrm{Free}\_{\mathrm{Ratio}}_i=\frac{\mathrm{\Δ}-\underset{j}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{NAV}}_j+\mathrm{DIFS})-{\stackrel{\‾}{\mathrm{Backoff}}}_i}{\mathrm{\Δ}}---\left(3\right)$

其中Free_Ratio_i为节点i的空闲度，Δ为计算链路有效带宽大小时花费的总时间，NAV_j为节点i的邻居节点j在Δ内成功发送数据分组花费的时间，DIFS为异步帧竞争访问的时延(取一固定值)， 

为节点i的发生退避花费的时间。 

第四步骤：路由建立后传输数据过程中，每隔固定时间(信道负载均衡周期)计算链路在每个信道上的WA_ETT，以WA_ETT最小的信道作为分配给该链路的信道，并广播CHANGE(即交换)数据包，使其他节点迅速了解其信道状态的改变，避免这些节点也同时切换到该信道。 

第五步骤：在选择路由时，根据路径全局资源的消耗程度，影响该路径上网络吞吐量的节点集和反映负载均衡的整条链路中节点负载程度的射频负载计算路由度量判据EWCETT，其 表达式为 

$\mathrm{EWCETT}=(1-\mathrm{\β})\×\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ETT}}_i+\mathrm{\β}\×\underset{1\≤j\≤k}{\max }{X}_j+\mathrm{\γ}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Radio}}_i---\left(4\right)$

其中β是一个满足0≤β≤1的可调因子，γ为满足0≤γ≤1的射频负载可调因子，n表示信道总数，X_j是信道j上的期望传输时间之和，函数 表示取k个信道(即信道0到信道k)上期望传输时间之和的最大值， 

表示节点的射频利用率，radio_iused表示节点中正在工作的射频数，radio_itotal表示节点总的射频数。 

第六步骤：路由建立后传输数据过程中，每隔固定时间(信道负载均衡周期)重新计算链路在每个信道上的WA_ETT，以重新计算的WA_ETT最小的信道作为分配给该链路的信道，并广播CHANGE数据包。 

第七步骤：路径出现断路，先进行局部恢复，即在断路处，节点发送请求包给邻居节点，寻找可替换信道的链路，在局部恢复期T内若能找到可以代替断开链路的新链路，则数据从新链路开始传输，并且更新路径，否则由源节点开始重新发起路由查找。 

附图说明

附图1为本发明与路由协议相结合的信道分配方法流程图。 

附图2为本发明与路由协议相结合的信道分配方法的网络分配矢量图。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。 

1.基于信道分配的剩余可用带宽估计 

假设在一个500*500m²的区域中有50个节点的随机拓扑，每个节点配置2到3个射频接口。共有4个正交信道(信道1，6，10和11)可供分配，信道1设为公共信道。配置每个节点为两个基于IEEE802.11a标准的射频，方法中的公共信道设为信道1。网络中随机发生UDP数据流。UDP数据流负载从400Kbps到10000Kbps。首先根据公式(3)计算当前节点i在信道1，6，10和11的空闲度，其中NAV_j可由邻居节点j的网络分配矢量图中获得(如说明书附图2中所示)，再由公式(2)计算当前节点i在信道1，6，10和11的剩余可用带宽。 

2.基于单跳链路的信道选择 

经过第一步，节点i在信道1，6，10和11的剩余可用带宽已经估算出，假设当前某个时刻 为n，根据信道1，6，10和11的剩余可用带宽，采集节点i分别在信道1，6，10和11上的当前时刻n的期望传输时间为ETT_n，历史时刻n-1的ETT为WA_ETT_n-1，则该节点的WA_ETT由公式(1)计算出，选择WA_ETT最小的信道作为给这跳链路分配的信道。 

3.基于负载均衡的路由选择 

经过第二步，每条路径各个节点都已分配最优信道，在选择路由时，根据公式(4)计算每条路径的EWCETT，其中β和γ可选择从0到1的任意值，选择EWCETT最小的路径作为最优路径。 

4.与路由协议相结合的分布式信道分配方法 

当一个节点需要一个到某个目的节点的路由时，该方法启动信道分配及路由发现过程，当节点接收到路由请求时，如说明书附图1，该方法按照以下步骤处理路由请求： 

A.启动路由发现过程，首先查询路由缓冲表中，是否存在路由，如果有，就直接选择此路径，否则进行下一步； 

B.广播一条请求消息。 

C.收到请求消息的节点就转发给其他节点； 

D.如果节点是目的节点，沿逆路径回复消息时，启动信道分配方法，计算每条信道的WA_ETT，选择WA_ETT最小的信道作为给这跳链路分配的信道，并将分配好的信道信息添加到回复消息中； 

E.将回复消息沿逆路径回复至源节点； 

F.针对不同路径回复，启动路由选择方法； 

G.计算每条路径的EWCETT，选择EWCETT最小的路径作为最优路径进行传输，同时保存其他的结合信道分配的路由答复记录； 

H.结束路由发现过程。 

5.路由维护的方法 

路径出现断路，先进行局部恢复，即在断路处，节点发送请求包给邻居节点，寻找可替换信道的链路，在局部恢复期T内若能找到可以代替断开链路的新链路，则数据从新链路开始传输，并且更新路径，否则由源节点开始重新发起路由查找。 

Claims (8)

1.一种多信道多射频无线Mesh网络中分布式信道分配方法，其步骤如下：

A)首先通过网络分配矢量测试网络有效带宽大小的方法(简称为NAV)，计算节点的空闲度，并计算节点的剩余可用带宽，求出加权平均期望传输时间(即WAETT)；

B)在路由建立过程中，分别计算链路在各个信道上的WA ETT，选择WA ETT最小的信道作为给该链路分配的信道；

C)为每条路径中的各跳分配好信道后，分别计算出各条路径的路由判据EWCETT(即改进加权累计期望传输时间)的值，选择EWCETT值最小的路径作为多信道多射频无线Mesh网络中的路由；

D)由所选信道所在链路的两个端点广播CHANGE数据包至网络的其他节点；

E)业务传输过程中信道出现拥塞，动态地调整信道，以保证数据顺利传输。

2.根据权利要求1所述的一种多信道多射频无线Mesh网络中分布式信道分配方法，其特征在于，步骤A进一步包括：采用加权滑动平均方法记算出网络中WA ETT的值，即

$\mathrm{WA}\_\mathrm{ET}{T}_n=\frac{1}{w}{\mathrm{ETT}}_n+\frac{w-1}{w}\mathrm{WA}\_{\mathrm{ETT}}_{n-1}$

其中，w为历史窗口的大小，ETT_n为当前时刻n时的期望传输时间(即ETT)，WA ETT_n为当前时刻n时的WA ETT，WAETT_n-1为历史时刻n-1时的WA ETT。

3.根据权利要求1和2所述的一种多信道多射频无线Mesh网络中分布式信道分配方法，其特征在于，步骤A进一步包括：节点i的剩余可用带宽ABw_i由节点i的空闲度决定，即按照下面式子求得：

ABw_i＝k×Bw×Free_Ratio_i

其中k为满足0＜k＜1的修正因子，Bw表示链路的平均带宽，Free Ratio_i为节点i的空闲度。

4.根据权利要求1和2所述的一种多信道多射频无线Mesh网络中分布式信道分配方法，其特征在于，步骤A进一步包括：节点i的空闲度按照下面式子求得：

$\mathrm{Free}\_{\mathrm{Ratio}}_i=\frac{\mathrm{\Δ}-\underset{j}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{NAV}}_j+\mathrm{DIFS})-{\stackrel{\‾}{\mathrm{Backoff}}}_i}{\mathrm{\Δ}}$

其中Free_Ratio_i为节点i的空闲度，Δ为计算链路有效带宽大小时花费的总时间，NAV_i为节点i的邻居节点j在Δ内成功发送数据分组花费的时间，DIFS为异步帧竞争访问的时延(取一固定值)，

为节点i的发生退避花费的时间。

5.根据权利要求4所述的一种多信道多射频无线Mesh网络中分布式信道分配方法，其特征在于，步骤A进一步包括：在测量时间内，节点发生多次退避，

等于该节点的每个退避花费的时间之和。

6.根据权利要求1所述的一种多信道多射频无线Mesh网络中分布式信道分配方法，其特征在于，步骤C进一步包括：在选择路由时，引入反映负载均衡的射频利用率，计算路由判据EWCETT，其表达式为：

$\mathrm{EWCETT}=(1-\mathrm{\β})\×\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{WA}\_{\mathrm{ETT}}_i+\mathrm{\β}\×\underset{1\≤j\≤k}{\max }{X}_j+\mathrm{\γ}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Radio}}_i$

其中β是一个满足0≤β≤1的可调因子，γ为满足0≤γ≤1的射频负载可调因子，n表示信道总数，X_j是信道j上的期望传输时间之和，函数

表示取k个信道(即信道0到信道k)上期望传输时间之和的最大值，

表示节点的射频利用率，radio_iused表示节点中正在工作的射频数，radio_itotal表示节点总的射频数。

7.根据权利要求1所述的一种多信道多射频无线Mesh网络中分布式信道分配方法，其特征在于，步骤D进一步包括：路由建立后传输数据过程中，每隔固定时间(信道负载均衡周期)重新计算链路在每个信道上的WA ETT，以重新计算的WA ETT最小的信道作为分配给该链路的信道，并广播CHANGE数据包。

8.根据权利要求1所述的一种多信道多射频无线Mesh网络中分布式信道分配方法，其特征在于，步骤E进一步包括：路径出现断路，先进行局部恢复，即在断路处，节点发送请求包给邻居节点，寻找可替换信道的链路，在局部恢复期T内若能找到可以代替断开链路的新链路，则数据从新链路开始传输，并且更新路径，否则由源节点开始重新发起路由查找。

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