CN102781115A - 密集WiFi网络中基于信道排序的自动信道选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种密集WiFi网络中基于信道排序的自动信道选择方法，主要解决现有技术收敛速度慢和信道选择效率低的问题。其实现步骤是：在每个终端没有数据传输时，通过主动扫描获取周围基本服务集BSS的信道和负载，并将扫描结果反馈给接入点AP；在每个接入点AP没有数据传输时，通过对周围的频谱环境进行监测，获取周围环境的频谱信息；接入点AP对扫描结果和频谱信息进行整合，并根据不同的信道优先级排序策略，对信道进行排序；当接入点AP需要切换信道时，切换到优先级最高的信道进行数据传输。本发明在不影响终端和接入点AP正常通信的基础上，提高了信道选择的效率，避免了盲目的信道切换，可用于分布式、有基础网络支持的无线局域网。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及无线局域网中的信道分配方法，适用于分布式架构的无线局域网。
背景技术
无线接入技术WiFi，因其开放的通信频段、廉价的设备、简易的部署被广泛用于各种局域网中，例如家庭、咖啡馆、公共场所、机场以及大型机构。伴随着其大规模、高密度部署而来的是越来越严重的干扰问题，如何降低干扰成为网络管理者面前的一道难题。信道分配作为降低干扰最有效的手段之一，广泛应用于各种无线局域网WLAN。一种好的信道分配方案，不仅能够提高网络容量，还能给用户提供更高的吞吐量，在网络侧和用户侧都有可观的增益。
目前，有两个开放的频段供WLAN可使用：2.4GHz ISM（Industrial,Scientific and Medical）频段和5GHz U-NII（Unlicensed National Information Infrastructure）频段。2.4GHz频段由14个互相重叠的信道组成，每个信道的带宽是22MHz。每个频道的中心频率相差5MHz，即信道中心频率=2407+nch×5MHz，nch=1,2,…,13。不同的国家地区，对信道的使用禁令有所差异，在国内，1~13信道允许使用。
信道分配是指在一个WLAN中，将信道合理的分配给每个接入点AP，降低AP之间的干扰，从而有效提高用户吞吐量和网络容量。随着AP和终端数量的增多，信道分配也复杂得多。信道复用不可避免，但WLAN不像蜂窝网那样有规则的小区形状和计划好的覆盖范围，WLAN中实现信道复用比蜂窝网要困难得多。
信道分配在理论上的研究紧紧依托标准提案，从最开始的静态手动分配方法到现在的动态自适应方法，可以将信道分配方法分为三个阶段：
第一阶段的信道分配方法，是基于实地测量的手动分配方式，人工配置每个接入点的信道。对于网络拓扑和业务类型稳定的网络来说，这种方法适应性较好；对 于拓扑多变、业务也不稳定的网络，这种方法显然不合适，需要寻找一种动态的自适应的信道分配算法。
第二阶段的信道分配方法，是以接入点AP为网络架构的自适应信道分配方法，思科公司提出的最不拥挤信道搜索方法LCCS是这类算法的典型代表。每个AP能根据网络拓扑、业务类型的改变动态的调整信道，无论是用户体验还是算法适用性都得到提升。但此类方法不能感知隐藏的干扰场景，导致网络在需要进行信道调整时却不能做出调整，影响信道复用度和吞吐量。
第三阶段的信道分配方法，是终端参与的信道分配方法。它依托无线局域网标准802.11K，可以充分利用终端监测到的频谱数据进行信道分配的判决，解决隐藏干扰的问题。这种终端参与的信道分配方法，对整个网络的频谱环境监测更加准确、全面，信道复用度，用户性能都得以提升，但普遍存在的一个问题是时间开销比较大，在做信道选择时，通常需要接入点AP和终端遍历所有的信道，然后选出最能满足当前需求的信道，这样就需要接入点AP和终端不停地在各个信道之间来回切换，算法不仅复杂度高，而且最优解的收敛速度很慢，降低了信道选择的效率。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的上述缺陷，提供一种基于信道排序的信道选择方法，以避免盲目地遍历所有信道，引导接入点AP有针对性的选择合适信道，提高信道选择的效率。
为实现上述目的，本发明给出如下两种技术方案：
技术方案1，包括如下步骤：
（1）初始化接入点AP，在每个接入点AP启动时随机分配一个信道；
（2）接入点AP启动信道切换定时器；
（3）终端在没有数据传输时，对信道进行主动扫描并记录扫描结果：
（3a）终端通过载波监听多址接入/冲突避免协议CSMA/CA，获取当前信道的使用权；
（3b）终端发送一个包含自身媒体接入控制MAC地址的广播探测帧,并启动探测定时器；
（3c）终端在最大信道等待时延时间MaxChannelTime内等待探测回复，并记 录探测时间内接收到的所有回复；
（3d）终端在探测定时器超时后切换到下一个信道，重复步骤（3a）-（3c），直到扫描完所有信道；
（4）终端将记录扫描结果的反馈给接入点AP，该扫描结果包括信道数和信道负载；
（5）接入点AP在没有数据传输时，进行被动干扰监测，获取周围频谱信息：
（5a）接入点AP启动定时器，并在当前信道接收信号，如果接收的是干扰信号，则记录发射该干扰信号的基本服务集BSS的标识号ID；
（5b）定时器超时后，如果接入点AP依然没有数据传输，切换到下一个信道；
（5c）重复步骤5a-5b，直到接入点AP遍历完所有信道；
（6）接入点AP对步骤（4）终端反馈回来的扫描结果和步骤（5）中自己获取的频谱信息进行整合，供下一步信道排序使用；
（7）接入点AP依据信道占用频率对信道的优先级排序：
（7a）接入点AP从步骤（6）整合过的信息中提取接入点信道报告AP Channel Report，统计已被使用的信道号和已用信道的使用频率，该接入点信道报告AP Channel Report中包含接入点AP使用的信道号channel number；
（7b）对步骤（7a）中已被使用的信道按照频率由高到低的顺序排序，给出信道由低到高的优先级，即占用次数越多的信道，优先级越低；
（7c）对步骤（7a）中未被使用的信道依据步骤（7b）中排列好的信道序列，依次排列步骤（7b）中信道的邻居信道，得到优先级由低到高的邻居信道序列，如果要排列的邻居信道在步骤（7b）中已出现过，则跳过此邻居信道；
（7d）重复步骤（7c），每次得到的邻居信道序列排在上次的邻居信道序列之后，直至排列完所有未被使用的信道；
（7e）将步骤（7d）得到的邻居信道序列排在步骤（7b）得到的信道序列后面，得到所有信道优先级由低到高的序列，即排在信道序列最后的信道具有最高的优先级；
（8）步骤（2）中的信道切换定时器到期时，接入点AP切换到优先级最高的信道；
（9）重复步骤（2）-（8）。
技术方案2，包括如下步骤：
1）初始化接入点AP，在每个接入点AP启动时随机分配一个信道；
2）接入点AP启动信道切换定时器；
3）终端在没有数据传输时，对信道进行主动扫描并记录扫描结果：
3a）终端通过载波监听多址接入/冲突避免协议CSMA/CA,获取当前信道的使用权；
3b）终端发送一个包含自身媒体接入控制MAC地址的广播探测帧,并启动探测定时器；
3c）终端在最大信道等待时延时间MaxChannelTime内等待探测回复，并记录探测时间内接收到的所有回复；
3d）终端在探测定时器超时后切换到下一个信道，重复步骤3a）-3c），直到扫描完所有信道；
4）终端将记录的扫描结果反馈给接入点AP，该扫描结果包括信道数和信道负载；
5）接入点AP在没有数据传输时，进行被动干扰监测，获取周围频谱信息：
5a）接入点AP启动定时器，并在当前信道感知干扰情况，记录频谱信息；
5b）定时器超时后，如果接入点AP依然没有数据传输，切换到下一个信道；
5c）重复步骤5a）-5b），直到接入点AP遍历完所有信道；
6）接入点AP对步骤4）终端反馈回来的扫描结果和步骤5）中自己获取的频谱信息进行整合，供下一步信道排序使用；
7）接入点AP依据信道负载对信道的优先级排序：
7a）接入点AP从步骤6）整合过的信息中提取基本服务集负载BSS Load，统计每个信道上终端数量station count和信道使用率channel utilization的总和，该基本服务集负载BSS Load中包含基本服务集BSS的终端数量station count和信道使用率channel utilization；
7b）分别赋给终端数量station count和信道使用率channel utilization不同的权值a1和a2，使a1+a2=1，计算信道的加权负载：W=a1×station count+a2×channel utilization；
7c）对步骤7b）中有加权负载的信道进行排序，按照信道加权负载W由高到低的顺序，给出信道由低到高的优先级，即负载越重的信道，优先级越低；
7d）对步骤7b）中没有加权负载的信道进行排序，依据步骤7c）中排列好的的信道序列，依次排列步骤7c）中信道的邻居信道，得到优先级由低到高的邻居信道序列，如果要排列的邻居信道在步骤7c）中已出现过，则跳过此邻居信道；
7e）重复步骤7d），每次得到的邻居信道序列排在上次的邻居信道序列之后，直至排列完所有没有加权负载的信道；
7f）将步骤7e）得到的邻居信道序列排在步骤7c）得到的信道序列后面，得到所有信道优先级由低到高的序列，即排在信道序列最后的信道具有最高的优先级；
8）步骤2）信道切换定时器到期时，接入点AP切换到优先级最高的信道；
9）重复步骤2）-8）。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
（1）本发明借助终端进行信道扫描，对频谱环境的监测更加全面，能有效解决隐藏干扰问题。
（2）本发明在接入点AP切换信道之前，依据不同的策略对信道优先级进行排序，接入点AP总是选择优先级最高的信道，不需要遍历所有信道，缩减了信道选择的时间，最优解的收敛速度快，提高了信道选择的效率。
附图说明
图1是本发明使用的网络拓扑图；
图2是本发明的第一实施例实现总流程图；
图3是本发明的第二实施例实现总流程图；
图4是本发明两个实施例中终端扫描信道的子流程图；
图5是本发明第一实施例中接入点AP对信道的优先级排序的子流程图；
图6是本发明第二实施例中接入点AP对信道的优先级排序的子流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作详细叙述：
参照图1，本发明适用于分布式和有基础网络支持的无线局域网。网络由多个终端、多个接入点AP和分布式系统DS组成。分布式系统可以由不同的网络运营商支撑。
本发明在运行时，每个周期的运行时间固定，由信道切换定时器设定。
实施例1：
参照图2，本实施例的实现步骤如下：
步骤1：初始化接入点AP，即在每个接入点AP启动时，为其随机分配一个信道。
步骤2：每个接入点AP启动信道切换定时器，开始对本次信道切换计时。
步骤3：每个终端在没有数据传输时，对信道进行主动扫描并记录扫描结果。
参照图4，本步骤的具体实现如下：
步骤3-1：终端通过载波监听多址接入/冲突避免协议CSMA/CA，获取当前信道的使用权；
步骤3-2：终端发送一个包含自身媒体接入控制MAC地址的广播探测帧,并启动探测定时器；
步骤3-3：终端在最大信道等待时延时间MaxChannelTime内等待探测回复，并记录探测时间内接收到的所有回复；
步骤3-4：终端在探测定时器超时后切换到下一个信道，重复步骤3-1至步骤3-3，直到扫描完所有信道。
步骤4：每个终端将记录扫描结果反馈给与其有关联的接入点AP，该扫描结果包括信道数和信道负载。
步骤5：每个接入点AP在没有数据传输时，进行被动干扰监测，获取周围频谱信息：
步骤5-1：接入点AP启动定时器，并在当前信道接收信号，如果接收的是干扰信号，则记录发射该干扰信号的基本服务集BSS的标识号ID；
步骤5-2：定时器超时后，如果接入点AP依然没有数据传输，切换到下一个信道；
步骤5-3：重复步骤5-1至步骤5-2，直到接入点AP遍历完所有信道。
步骤6：每个接入点AP对步骤4终端反馈回来的扫描结果和步骤5中自己获取的频谱信息进行整合，即接入点AP从终端反馈回来的扫描结果和自己频谱获取的信息中提取基本服务集BSS的标识号ID，以及每个基本服务集BSS使用的信道号和负载情况，并记录标识号ID、信道号和负载情况。
步骤7：每个接入点AP依据信道占用频率对信道的优先级排序。
参照图5，本步骤的具体实现如下：
步骤7-1：接入点AP从步骤6整合过的信息中提取接入点信道报告AP Channel Report，统计已被使用的信道号和已用信道的使用频率，该接入点信道报告AP Channel Report中包含接入点AP使用的信道号channel number；
步骤7-2：对步骤7-1中已被使用的信道按照频率由高到低的顺序排序，给出信道由低到高的优先级，即占用次数越多的信道，优先级越低；
骤7-3：对步骤7-1中未被使用的信道依据步骤7-2中排列好的信道序列，依次排列步骤7-2中信道的邻居信道，得到优先级由低到高的邻居信道序列，如果要排列的邻居信道在步骤7-2中已出现过，则跳过此邻居信道；
步骤7-4：重复步骤7-3，每次得到的邻居信道序列排在上次的邻居信道序列之后，直至排列完所有未被使用的信道；
步骤7-5：将步骤7-4得到的邻居信道序列排在步骤7-2得到的信道序列后面，得到所有信道优先级由低到高的序列，即排在信道序列最后的信道具有最高的优先级。
步骤8：接入点AP在步骤2中信道切换定时器超时后，将信道切换到优先级最高的信道。
步骤9：重复步骤2至步骤8，每个接入点AP动态地自主选择信道。
实施例2：
参照图3，本实施例的实现步骤如下：
步骤一：初始化接入点AP，在每个接入点AP启动时随机分配一个信道。
步骤二：每个接入点AP启动信道切换定时器，开始对本次信道切换计时。
步骤三：每个终端在没有数据传输时，对信道进行主动扫描并记录扫描结果。
参照图4，本步骤的具体实现如下：
步骤（3a）：终端通过载波监听多址接入/冲突避免协议CSMA/CA，获取当前信道的使用权；
步骤（3b）：终端发送一个包含自身媒体接入控制MAC地址的广播探测帧,并启动探测定时器；
步骤（3c）：终端在最大信道等待时延时间MaxChannelTime内等待探测回复，并记录探测时间内接收到的所有回复；
步骤（3d）：终端在探测定时器超时后切换到下一个信道，重复步骤（3a）至 步骤（3c），直到扫描完所有信道。
步骤四：每个终端将记录扫描结果的反馈与其有关联的接入点AP，该扫描结果包括信道数和信道负载。
步骤五：每个接入点AP在没有数据传输时，进行被动干扰监测，获取周围频谱信息：
步骤（5a）：接入点AP启动定时器，并在当前信道接收信号，如果接收的是干扰信号，则记录发射该干扰信号的基本服务集BSS的标识号ID；
步骤（5b）：定时器超时后，如果接入点AP依然没有数据传输，切换到下一个信道；
步骤（5c）：重复步骤（5a）至步骤（5b），直到接入点AP遍历完所有信道。
步骤六：每个接入点AP对步骤四终端反馈回来的扫描结果和步骤五中自己获取的频谱信息进行整合，即接入点AP从终端反馈回来的扫描结果和自己频谱获取的信息中提取基本服务集BSS的标识号ID，以及每个基本服务集BSS使用的信道号和负载情况，并记录标识号ID、信道号和负载情况。
步骤七：每个接入点AP依据信道负载对信道的优先级排序。
参照图6，本步骤的具体实现如下：
步骤（7a）接入点AP从步骤六整合过的信息中提取基本服务集负载BSS Load，统计每个信道上终端数量station count和信道使用率channel utilization的总和，该基本服务集负载BSS Load中包含基本服务集BSS的终端数量station count和信道使用率channel utilization；
步骤（7b）：分别赋给终端数量station count和信道使用率channel utilization不同的权值a1和a2，使a1+a2=1，计算信道的加权负载：W=a1×station count+a2×channel utilization；
步骤（7c）：对步骤（7b）中有加权负载的信道进行排序，按照信道加权负载W由高到低的顺序，给出信道由低到高的优先级，即负载越重的信道，优先级越低；
步骤（7d）：对步骤（7b）中没有加权负载的信道进行排序，依据步骤（7c）中排列好的信道序列，依次排列步骤（7c）中信道的邻居信道，得到优先级由低到高的邻居信道序列，如果要排列的邻居信道在步骤（7c）中已出现过，则跳过此邻 居信道；
步骤（7e）：重复步骤（7d），每次得到的邻居信道序列排在上次的邻居信道序列之后，直至排列完所有没有加权负载的信道；
步骤（7f）：将步骤（7e）得到的邻居信道序列排在步骤（7c）得到的信道序列后面，得到所有信道优先级由低到高的序列，即排在信道序列最后的信道具有最高的优先级。
步骤八：接入点AP在步骤二中信道切换定时器超时后，将信道切换到优先级最高的信道。
步骤九：重复步骤二至步骤八，每个接入点AP动态地自主选择信道。
术语说明：
AP：access point，接入点
ISM：Industrial,Scientific and Medical，工业，科技，医学
U-NII：Unlicensed National Information Infrastructure，不需许可的国家信息基础设施
LCCS：least congested channel search，最不拥挤信道搜索
WLAN：wireless local area network，无线局域网
WiFi：wireless fidelity，无线保真
CSMA\CA：carrier sense multiple access\collision avoidance，有碰撞避免的载波侦听多址协议
MAC：media access control，媒体接入控制
DS:distributed system，分布式系统
ID：identification，标示号
BSS：basic service set，基本服务集。
Claims (3)
1.一种密集WiFi网络中基于信道排序的自动信道选择方法，包括如下步骤：
（1）初始化接入点AP，在每个接入点AP启动时随机分配一个信道；
（2）接入点AP启动信道切换定时器；
（3）终端在没有数据传输时，对信道进行主动扫描并记录扫描结果：
（3a）终端通过载波监听多址接入/冲突避免协议CSMA/CA，获取当前信道的使用权；
（3b）终端发送一个包含自身媒体接入控制MAC地址的广播探测帧,并启动探测定时器；
（3c）终端在最大信道等待时延时间MaxChannelTime内等待探测回复，并记录探测时间内接收到的所有回复；
（3d）终端在探测定时器超时后切换到下一个信道，重复步骤（3a）-（3c），直到扫描完所有信道；
（4）终端将记录扫描结果的反馈给接入点AP，该扫描结果包括信道数和信道负载；
（5）接入点AP在没有数据传输时，进行被动干扰监测，获取周围频谱信息：
（5a）接入点AP启动定时器，并在当前信道接收信号，如果接收的是干扰信号，则记录发射该干扰信号的基本服务集BSS的标识号ID；
（5b）定时器超时后，如果接入点AP依然没有数据传输，切换到下一个信道；
（5c）重复步骤5a-5b，直到接入点AP遍历完所有信道；
（6）接入点AP对步骤（4）终端反馈回来的扫描结果和步骤（5）中自己获取的频谱信息进行整合，供下一步信道排序使用；
（7）接入点AP依据信道占用频率对信道的优先级排序：
（7a）接入点AP从步骤（6）整合过的信息中提取接入点信道报告AP ChannelReport，统计已被使用的信道号和已用信道的使用频率，该接入点信道报告APChannel Report中包含接入点AP使用的信道号channel number；
（7b）对步骤（7a）中已被使用的信道按照频率由高到低的顺序排序，给出信道由低到高的优先级，即占用次数越多的信道，优先级越低；
（7c）对步骤（7a）中未被使用的信道依据步骤（7b）中排列好的信道序列，依次排列步骤（7b）中信道的邻居信道，得到优先级由低到高的邻居信道序列，如果要排列的邻居信道在步骤（7b）中已出现过，则跳过此邻居信道；
（7d）重复步骤（7c），每次得到的邻居信道序列排在上次的邻居信道序列之后，直至排列完所有未被使用的信道；
（7e）将步骤（7d）得到的邻居信道序列排在步骤（7b）得到的信道序列后面，得到所有信道优先级由低到高的序列，即排在信道序列最后的信道具有最高的优先级；
（8）步骤（2）中的信道切换定时器到期时，接入点AP切换到优先级最高的信道；
（9）重复步骤（2）-（8）。
2.根据权利要求1所述的信道选择方法，其中所述步骤（6）中的对频谱信息整合，是指接入点AP从终端反馈回来的扫描结果和自己频谱获取的信息中提取基本服务集BSS的标识号ID，以及每个基本服务集BSS使用的信道号和负载情况，并记录标识号ID、信道号和负载情况。
3.一种密集WiFi网络中基于信道排序的自动信道选择方法，包括如下步骤：
1）初始化接入点AP，在每个接入点AP启动时随机分配一个信道；
2）接入点AP启动信道切换定时器；
3）终端在没有数据传输时，对信道进行主动扫描并记录扫描结果：
3a）终端通过载波监听多址接入/冲突避免协议CSMA/CA,获取当前信道的使用权；
3b）终端发送一个包含自身媒体接入控制MAC地址的广播探测帧,并启动探测定时器；
3c）终端在最大信道等待时延时间MaxChannelTime内等待探测回复，并记录探测时间内接收到的所有回复；
3d）终端在探测定时器超时后切换到下一个信道，重复步骤3a）-3c），直到扫描完所有信道；
4）终端将记录的扫描结果反馈给接入点AP，该扫描结果包括信道数和信道负载；
5）接入点AP在没有数据传输时，进行被动干扰监测，获取周围频谱信息：
5a）接入点AP启动定时器，并在当前信道感知干扰情况，记录频谱信息；
5b）定时器超时后，如果接入点AP依然没有数据传输，切换到下一个信道；
5c）重复步骤5a）-5b），直到接入点AP遍历完所有信道；
6）接入点AP对步骤4）终端反馈回来的扫描结果和步骤5）中自己获取的频谱信息进行整合，供下一步信道排序使用；
7）接入点AP依据信道负载对信道的优先级排序：
7a）接入点AP从步骤6）整合过的信息中提取基本服务集负载BSS Load，统计每个信道上终端数量station count和信道使用率channel utilization的总和，该基本服务集负载BSS Load中包含基本服务集BSS的终端数量station count和信道使用率channel utilization；
7b）分别赋给终端数量station count和信道使用率channel utilization不同的权值a1和a2，使a1+a2=1，计算信道的加权负载：W=a1×station count+a2×channelutilization；
7c）对步骤7b）中有加权负载的信道进行排序，按照信道加权负载W由高到低的顺序，给出信道由低到高的优先级，即负载越重的信道，优先级越低；
7d）对步骤7b）中没有加权负载的信道进行排序，依据步骤7c）中排列好的的信道序列，依次排列步骤7c）中信道的邻居信道，得到优先级由低到高的邻居信道序列，如果要排列的邻居信道在步骤7c）中已出现过，则跳过此邻居信道；
7e）重复步骤7d），每次得到的邻居信道序列排在上次的邻居信道序列之后，直至排列完所有没有加权负载的信道；
7f）将步骤7e）得到的邻居信道序列排在步骤7c）得到的信道序列后面，得到所有信道优先级由低到高的序列，即排在信道序列最后的信道具有最高的优先级；
8）步骤2）信道切换定时器到期时，接入点AP切换到优先级最高的信道；
9）重复步骤2）-8）。
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