CN102752801B - 用于单接口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单接口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的距离-1冲突图G；（2）根据步骤（1）中得到的距离-1网络冲突图G，得到上述网络的距离-1冲突矩阵A，并且根据各链路的冲突值的大小，调整链路的编号顺序，更新冲突阵A；（3）依据步骤（2）中得到的距离-1冲突矩阵A得到链路分配矩阵B，将该单接口多信道无线网络的l条链路分配到c个信道上。本发明采用冲突值大的链路优先分配的策略，而后使用c个可用信道为l条链路分段分配，分配过程中保证每段链路内部之间无冲突，并且使每段链路与前面已分配的链路之间的冲突值最小。

Description

用于单接口多信道无线网络的链路分配方法

技术领域

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

背景技术

在传统的单信道无线网络中，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。尤其是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。因此，信道干扰成为影响无线网络容量的重要因素。而在多信道无线网络中，节点可以用不同的信道发送和接收数据，从而减少冲突。由于信道数目受限，因此如何合理有效地利用多信道技术增加无线网络并行传输的链路数目，提升无线网络的吞吐量已成为无线网络研究中的关键问题之一。多信道网络的性能与网络中可用信道的数目以及通信时采用的何种信道分配方案相关。一个好的信道分配策略，能够降低无线链路之间的干扰，提高无线网络的吞吐量，优化网络的性能和降低网络通信时数据的丢包率。因此，多信道无线网络中信道分配成为研究的热门话题。

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，节点之间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，基于时间同步的单接口多信道MAC协议是该类协议的典型代表，在该协议中，节点利用ATIM窗口来协商信道的使用。其主要思想是使用信标将时间分成多个时隙，每个时隙使用一个小窗口来显示此时隙的通信量，信道选择的标准是负载最小的信道。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，将网卡工作在对应的信道。

2、在多接口多信道分配算法中，根据接口切换策略的不同，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，一个用于发送，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

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种用于单接口多信道无线网络的链路分配方法，将单接口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。

本发明采用的技术方案为：

一种用于单接口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的距离-1冲突图G；

（2）根据步骤（1）中得到的网络的距离-1冲突图G，得到网络的距离-1冲突矩阵A，矩阵A为一个l×l的矩阵，其中l为网络拓扑图中的链路数，并且根据各链路的冲突值的大小，调整链路的编号顺序，冲突值大的链路编号小，然后更新冲突阵A；

（3）依据步骤（2）中得到的距离-1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。链路分配矩阵B为一个l×c的矩阵，其中l为多信道无线网络拓扑图中的链路数，c为可用的信道数目。

所述步骤（1）中，网络的距离-1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。

作为优选，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。

作为优选，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，距离-1冲突是指两链路存在冲突并且两链路不共用同一节点。然后统计出每条链路的冲突值，即与某一链路冲突的所有链路的总和，并且根据各链路的冲突值的大小，调整链路的编号顺序，冲突值大的链路编号小，然后更新冲突阵A。

作为优选，所述步骤（3）中，链路分配矩阵B为一个l×c的矩阵，其中l为多信道无线网络拓扑图中的链路数，c为多信道无线网络可用的信道数目。

作为优选，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=2，j=1，k＝0，b₁₁＝1，D₀=0其中i，j，k为自然数；

3.2.若则b_ij=1，并且令i=i+1，j＝1；

如果i≤l，则转到步骤3.2；

如果i>l，则转到步骤3.4；

若 ${\mathrm{\Σ}}_{m=y+1}^{i-1}{a}_{\mathrm{im}}{b}_{\mathrm{mj}}\≠0,j=j+1;$

3.3.如果j≤c，则转到步骤3.2；

如果j＞c，k＝k+1，令b_i1=1，i=i+1，j=1，转到步骤3.2；

3.4.设矩阵M[m_ij]_l×l，N＝[n_ij]_l×c为全零矩阵。m_ij=a_ij（1≤i≤D₁，1≤j≤D₁），n_ij＝b_ij（1≤i≤D₁，1≤j≤c），p=2；

3.5.m_ij=a_ij（1≤i≤y，1≤j≤y），n_ij＝b_ij（1≤i≤y，1≤j≤c），变换矩阵N的C列的顺序（从第y-D_p+1行到第y行的元素），得到c!种不同的组合，记为N_h（h=1，2，…c!）带入其中N_hj为矩阵N_h的第j列，取出最小的C_h对应的N_h，并令N＝N_h，p＝p+1；

3.6.如果p≤k+1，转到步骤3.5；

如果p>k+1，停止计算。

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：本发明提供的用于单接口多信道无线网络的链路分配方法。其实现中采用冲突值大的链路优先分配的策略，并且逐段分配，保证某一段内的链路之间无冲突，以此来降低网络链路冲突，此方法计算量小，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为本发明中链路分配信道的流程图；

图3为本发明实施例中的多信道无线网络拓扑图；

图4为本发明实施例中网络冲突矩阵A；

图5至图10分别为本发明实施例中由步骤3.5得出的链路分配矩阵的6种不同的组合；

图11为本发明实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的距离-1冲突图G；

（2）根据步骤（1）中得到的网络的距离-1冲突图G，得到网络的距离-1冲突矩阵A，矩阵A为一个l×l的矩阵，其中l为网络拓扑图中的链路数，并且根据各链路的冲突值的大小，调整链路的编号顺序，冲突值大的链路编号小，然后更新冲突阵A；

（3）依据步骤（2）中得到的距离-1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。链路分配矩阵B为一个l×c的矩阵，其中l为多信道无线网络拓扑图中的链路数，c为可用的信道数目。

所述步骤（1）中，网络的距离-1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，距离-1冲突是指两链路存在冲突并且两链路不共用同一节点。然后统计出每条链路的冲突值，即与某一链路冲突的所有链路的总和，并且根据各链路的冲突值的大小，调整链路的编号顺序，冲突值大的链路编号小，然后更新冲突阵A。

所述步骤3）中，链路分配矩阵B为一个l×c的矩阵，其中l为多信道无线网络拓扑图中的链路数，c为多信道无线网络可用的信道数目。链路分配矩阵B的计算流程如图2所示。

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=2，j=1，k＝0，b₁₁=1，D₀=0其中i，j，k为自然数；

3.2.若则b_ij=1，并且令i=i+1，j=1；

如果i≤l，则转到步骤3.2；

如果i>l，则转到步骤3.4；

若 ${\mathrm{\Σ}}_{m=y+1}^{i-1}{a}_{\mathrm{im}}{b}_{\mathrm{mj}}\≠0,j=j+1;$

3.3.如果j≤c，则转到步骤3.2；

如果j＞c，k＝k+1，令b_i1=1，i=i+1，j=1，转到步骤3.2；

3.4.设矩阵M[m_ij]_l×l，N=[n_ij]_l×c为全零矩阵。m_ij=a_ij（1≤i≤D₁，1≤j≤D₁），n_ij＝b_ij（1≤i≤D₁，1≤j≤c），p=2；

3.5.m_ij=a_ij（1≤i≤y，1≤j≤y），n_ij＝b_ij（1≤i≤y，1≤j≤c），变换矩阵N的C列的顺序（从第y-D_p+1行到第y行的元素），得到c!种不同的组合，记为N_h（h=1，2，…c!）带入其中N_hj为矩阵N_h的第j列，取出最小的C_h对应的N_h，并令N＝N_h，p＝p+1；

3.6.如果p≤k+1，转到步骤3.5；

如果p>k+1，停止计算。

如图3所示为该多信道无线网络拓扑图，包含了A、B、C、D、E、F、G、H、I九个节点，以及12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=12，c=3，得到的矩阵A是一个12×12的矩阵，如图4所示。矩阵B是一个12×3的矩阵，则链路分配过程如下：

（1）根据图3所示的该多信道无线网络的拓扑图，得到网络的距离-1冲突图G；

（2）根据步骤（1）中得到的网络距离-1冲突图G，并统计每条链路的冲突值，在图3中，链路BC和HI的冲突值为6，链路AB、FG、GH、GC、HC和CD的冲突值为5，AF、BG、DI和DE的冲突值为4，根据冲突值大则编号小的原则，将BC和HI编为链路1和2，将AB、FG、GH、GC、HC和CD编为链路3、4、5、6、7和8，将AF、BG、DI和DE编为链路9、10、11和12。并据此得到网络的距离-1冲突矩阵。

（3）根据冲突矩阵A求解矩阵B：

根据步骤3.1，初始化，设链路分配矩阵B=[b_ij]_12×3为全零矩阵。计数值i=2，j=1，k＝0，b₁₁=1，D₀=0，其中i，j，k为自然数；

根据步骤3.2，y＝D₀=0，a₂₁b₁₁≠0，所以j＝j+1=2，而a₂₁b₁₂=0，所以b₂₂=1，令i=i+1=3，j=1，因为i<12，转步骤3.2；

a₃₁b₁₁+a₃₂b₂₁=0,所以b₃₁=1，令i=i+1=4，j=1，因为i<12，转步骤3.2；

a₄₁b₁₁+a₄₂b₂₁+a₄₃b₃₁≠0，令j＝j+1=2，因为j<3,转步骤3.2；a₄₁b₁₁+a₄₂b₂₁+a₄₃b₃₁≠0，令j＝j+1=3，因为j=3,转步骤3.2；a₄₁b₁₁+a₄₂b₂₁+a₄₃b₃₁=0，所以b₄₃=1，令i＝i+1=5，j=1,因为i<12，转步骤3.2；

a₅₁b₁₁+a₅₂b₂₁+a₅₃b₃₁+a₅₄b₄₁≠0，令j＝j+1=2，因为j<3,转步骤3.2；a₅₁b₁₂+a₅₂b₂₂+a₅₃b₃₂+a₅₄b₄₂≠0，令j＝j+1=3。因为j＝3,转步骤3.2；a₅₁b₁₃+a₅₂b₂₃+a₅₃b₃₃+a₅₄b₄₃=0，所以b₅₃=1，令i＝i+1=6，j=1，因为i<12，转步骤3.2；

a₆₁b₁₁+a₆₂b₂₁+a₆₃b₃₁+a₆₄b₄₁+a₆₅b₅₁≠0，令j＝j+1=2，因为j<3,转步骤3.2；

a₆₁b₁₂+a₆₂b₂₂+a₆₃b₃₂+a₆₄b₄₂+a₆₅b₅₂=0，所以b₆₂=1，令i＝i+1=7，j=1，因为i<12，转步骤3.2；

a₇₁b₁₁+a₇₂b₂₁+a₇₃b₃₁+a₇₄b₄₁+a₇₅b₅₁+a₇₆b₆₁≠0，令j＝j+1=2，因为j<3,转步骤3.2；

a₇₁b₁₂+a₇₂b₂₂+a₇₃b₃₂+a₇₄b₄₂+a₇₅b₅₂+a₇₆a₆₂=0，所以b₇₂=1，令i＝i+1=8，j=1，因为i<12，转步骤3.2；a₈₁a₁₁+a₈₂a₂₁+a₈₃₃₁+a₈₄a₄₁+a₈₅a₅₁+a₈₆a₆₁+a₈₇a₇₁≠0，令j＝j+1=2，因为j<3,转步骤3.2；

a₈₁a₁₂+a₈₂a₂₂+a₈₃a₃₂+a₈₄a₄₂+a₈₅a₅₂+a₈₆a₆₂+a₈₇a₇₂≠0，令j＝j+1=3，因为j＝3,转步骤3.2，

a₈₁a₁₃+a₈₂a₂₃+a₈₃a₃₃+a₈₄a₄₃+a₈₅a₅₃+a₈₆a₆₃+a₈₇a₇₃≠0，所以j＝j+1=4，因为j＞3,令k＝k+1=1，D₁=i-1-D₀=7，a₈₁=1，j＝1，i＝i+1=9，因为i<12，转步骤3.2；

y=D₀+D₁=7，a₉₈a₈₁=0，所以a₉₁=1，令i＝i+1=10，j＝1，因为i<12，转步骤3.2；

a_10,8a₈₁+a_10,9a₉₁≠0，令j＝j+1=2，因为j<3,转步骤3.2；

a_10,8a₈₂+a_10,9a₉₂=0，a_10,2=1，令i＝i+1=11，j＝1，因为i<12，转步骤3.2；

a_11,8a₈₁+a_11,9a₉₁+a_11,10a_10,1=0，所以a_11,1=1，令i＝i+1=12，j＝1，因为i=12，转步骤3.2；

a_12,8a₈₁+a_12,9a₉₁+a_12,10a_10,1+a_12,11a_11,1=0，所以a_12,1=1，令i＝i+1=13，因为i=13>12,所以转步骤3.4；

令M[m_ij]_12×12，N=[n_ij]_12×3为全零矩阵，m_ij=a_ij（1≤i≤7，1≤j≤7），n_ij=b_ij（1≤i≤7，1≤j≤7），D₂=12-D₁=5，p=2；

执行步骤3.5，y=12，m_ij＝a_ij（1≤i≤12，1≤j≤12），n_ij＝b_ij（1≤i≤12，1≤j≤3），变换矩阵N的3列的顺序（从第y-D₂+1=8行到第12行的元素），得到6种不同的组合，图5—图10分别为链路分配矩阵的6种不同的组合，记为N_h（h=1，2，…6），带入其中N_hj为矩阵N_h的第j列，求得C₁=12，C₂=8，C₃=12，C₄=8，C₅=12，C₆=12，取出最小的C₂对应的N₂，并令N＝N₂，p＝p+1=3，因为p>k+1=2，所以停止计算。图11为得到的链路分配矩阵B。

本例中分配后得到的链路分配矩阵B如图11所示，其中元素b₁₁=b₂₂=b₃₁=b₄₃=b₅₃=b₆₂=b₇₂=b₈₁=b₉₁=b_10，3=b_11,1=b_12,1=1，即链路1、3、8、9、11和12分配到信道1上。链路2、6和7分配到信道2上，链路4、5和10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)

1.一种用于单接口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的距离-1冲突图G； 

2)根据步骤1)中得到的网络的距离-1冲突图G，得到上述网络的距离-1冲突矩阵A，并且根据各链路的冲突值的大小，调整链路的编号顺序，冲突值大的链路编号小，然后更新冲突矩阵A； 

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； 

网络冲突矩阵A＝[ai_j]_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，距离-1冲突是指两链路存在冲突并且两链路不共用同一节点；然后统计出每条链路的冲突值，即与某一链路冲突的所有链路的总和，并且根据各链路的冲突值的大小，调整链路的编号顺序，冲突值大的链路编号小，然后更新冲突阵A； 

3)依据步骤2)中得到的距离-1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； 

链路分配矩阵B为一个l×c的矩阵，其中l为多信道无线网络拓扑图中的链路数，c为多信道无线网络可用的信道数目； 

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＝[bi_j]_l×c为全零矩阵，计数值i＝2，j＝1，k＝0，b₁₁＝1,D₀＝0，其中i，j，k为自然数； 

5.2.若则b_ij＝1，并且令i＝i+1，j＝1； 

如果i≤l，则转到步骤5.2； 

如果i>l，则转到步骤5.4； 

若

5.3.如果j≤c，则转到步骤5.2； 

如果j>c，k＝k+1，令b_i1＝1，i＝i+1，j＝1，转到步骤5.2； 

5.4.设矩阵M＝[mi_j]_l×l，N＝[ni_j]_l×c为全零矩阵，mi_j＝ai_j，1≤i≤D₁，1≤j≤D₁，n_ij＝b_ij，1≤i≤D₁，1≤j≤c，p＝2； 

5.5.m_ij＝a_ij，1≤i≤y，1≤j≤y，n_ij＝b_ij，1≤i≤y，1≤j≤c，变换矩阵N的C列的顺序，从第y-D_p+1行到第y行的元素，得到c！种不同的组合，记为N_h，h＝1，2，…c！，带入其中N_hj为矩阵N_h的第j列，取出最小的C_h对应的N_h，并令N＝N_h，p＝p+1； 

5.6.如果p≤k+1，转到步骤5.5； 

如果p>k+1，停止计算。