CN103200689B - 一种用于多信道无线Mesh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Mesh网络的链路分配方法，该方法包括如下步骤：（1）根据多信道无线Mesh网络中节点与网关节点的距离为网络分层；（2）根据步骤（1）中的分层依次为每一层的节点关联的链路e计算信道k的干扰链路集Q_k(e)；（3）依据步骤（2）中获得的干扰链路集计算链路e的干扰度I(e,k)以及链路e的分配指数C_k(e)和节点u的分配指数x(u,k)，在满足网卡约束条件下将该网络的l条链路分配到c个信道上。其中，l、c为正整数。本发明将网络中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，减小网络干扰。

Description

一种用于多信道无线Mesh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领域，尤其涉及一种用于多信道无线Mesh（无线网格）网络的链路分配方法。

背景技术

无线Mesh网络是一种新型宽带无线网络。在传统的单信道环境中，网络中多个节点使用相同信道同时传输时，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，可以采用多信道技术。在多信道网络中，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。对于多接口多信道无线Mesh网络而言，信道分配问题可以分成两个方面：邻居节点和接口卡的绑定，接口卡和信道的绑定。目前信道分配方式主要有三类：静态信道分配（static channel assignment）、动态信道分配（dynamic channelassignment）和混合信道分配（hybrid channel assignment）。

静态信道分配中节点的所有接口卡永久地或较长时间内绑定在某一信道上。该方式主要是通过理论分析和系统建模的方法，为业务模式固定以及拓扑结构稳定的无线网络，设计合适的信道分配算法。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。C-Hyacinth算法需要预知Mesh网络的流量记录，在流量记录文件不可获得或者节点流量变化频繁的情况下，该算法不能够很好的工作。

动态信道分配中节点的接口卡可以根据网络状况随时切换信道。在动态信道分配方式中节点可以灵活切换信道，能够充分利用网络资源，但是需要接口卡的信道切换时延尽量小，这样协议才能充分发挥性能。在动态信道分配方式中，节点在切换信道时需要进行信道协商，如SSCH(Slotted Seeded Channel Hopping)协议，协议中不同的节点使用不同的跳频序列，由于使用不同跳频序列的两个节点会有某个时隙工作在同一个信道上，发送节点可以利用这个时隙来发送协商信息。SSCH能够较好的利用多信道的优点，可以很方便的迁移到多接口多信道网络中，但是该算法对节点间时钟同步的要求依然很高，而且对接口卡的切换时延有较严格的要求。

混合信道分配是静态信道分配和动态信道分配的结合，网络中节点的一个或者部分接口固定分配信道，以保证网络拓扑结构稳定和交换控制信息等，而其余的接口则随时根据网络状况切换信道，以提高网络的整体性能。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

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种用于多信道无线Mesh网络的链路分配方法，将网络中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，减小网络干扰。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种用于多信道无线Mesh网络的链路分配方法，该方法包括如下步骤：

（1）根据多信道无线Mesh网络中节点与网关节点的距离为网络分层；

（2）根据步骤（1）中的分层依次为每一层的节点关联的链路e计算信道k的干扰链路集Q_k(e)；

（3）依据步骤（2）中获得的干扰链路集计算链路e的干扰度I(e,k)以及链路e的分配指数C_k(e)和节点u的分配指数x(u,k)，在满足网卡约束条件下将该网络的l条链路分配到c个信道上；

其中，l、c为正整数。

进一步的，所述步骤（1）中，网络分层的依据是节点与网关节点的距离。

进一步的，所述步骤（2）中，链路e的干扰链路集Q_k(e)是指所有与链路e使用相同信道k通信时存在干扰的链路集合。

进一步的，所述步骤（3）中，链路e的干扰度计算规则如下：

$I(e,k)=\underset{e^{\′}\∈Q_k\left(e\right)}{\mathrm{\Σ}}{C}_k\left(e^{\′}\right)$

其中链路e′表示与链路e存在通信干扰的链路。

进一步的，所述步骤（3）中，链路e的分配指数计算规则如下：

进一步的，所述步骤（3）中，节点u的分配指数计算规则如下：

进一步的，所述步骤（3）中，网卡约束条件表示如下：

$\underset{k=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}x(u,k)\≤m$

其中，m为正整数，表示节点分配的网络接口卡（简称“网卡”）数目。

进一步的，所述步骤（3）中，用i表示节点所处的层数，假定网络共有N层，节点配备的网络接口卡数目为m，则链路信道分配步骤如下：

3.1.初始化，设置所有链路e的分配指数C_k(e)和所有节点u的分配指数x(u,k)为0，层数i=0；

3.2.当0≤i≤N，依次顺序为第i层节点关联的所有链路分配信道；假定该层节点关联的链路共有L条，初始计数值j=1，表示链路j；

3.2.1当1≤j≤L，对于链路j，若存在C_k(j)=1，1≤k≤c，则j=j+1，继续判断C_k(j)的值；若链路j满足在所有的信道上都有C_k(j)=0，1≤k≤c，则计算链路j在每个信道上的干扰度I(j,k)，挑选取值最小的I(j,k)，即I(j,k′)=min{I(j,k)}，min{.}表示取最小值，为链路j分配信道k′，则C_k′(j)=1，计算链路j关联的节点的分配指数，假定链路j关联的节点为u和v，则x(u,k′)=x(v,k′)=1，判断节点分配指数是否满足如下的网卡约束条件：

$\underset{k=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}x(u,k)\≤m$

1）如果满足网卡约束条件，则j=j+1，返回3.2.1；

2）如果不满足网卡约束条件，则令x(u,k′)=x(v,k′)=C_k′(e)=0，重新为链路j分配信道，信道选择规则如下：

$I(j,p)=\underset{1\≤k\≤c}{\min }\underset{e^{\′}\∈Q_k\left(j\right),x(u,k)=1}{\mathrm{\Σ}}{C}_k\left(e^{\′}\right)$

则链路j分配信道p，x(u,p)=x(v,p)=1，C_p(j)=1，j=j+1，返回3.2.1；

3.2.2当j>L，停止计算，i=i+1，返回3.2。

当i>N，停止计算。更进一步的，在所述步骤3.2.1中，当干扰度存在多个最小值时，选择在已分配信道的链路中使用次数最少的信道。

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Mesh网络的链路分配方法，适用于多网络接口多信道情况。其实现中采用干扰度作为链路信道分配准则，以降低网络通信干扰为目标，执行简单、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为本发明的流程图；

图2为本发明实施例中的多信道无线Mesh网络拓扑图；

图3为本发明实施例中网关节点关联链路的信道分配图；

图4为本发明实施例中第1层节点关联链路的信道分配图；

图5为本发明实施例中第2层节点关联链路的信道分配图；

图6为本发明实施例中第3层节点关联链路的信道分配图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示为一种用于多信道无线Mesh网络的链路分配方法，包括如下步骤：

（1）根据多信道无线Mesh网络中节点与网关节点的距离为网络分层；

（2）根据步骤（1）中的分层依次为每一层的节点关联的链路e计算信道k的干扰链路集Q_k(e)；

（3）依据步骤（2）中获得的干扰链路集计算链路e的干扰度I(e,k)以及链路e的分配指数C_k(e)和节点u的分配指数x(u,k)，在满足网卡约束条件下将该网络的l条链路分配到c个信道上；

其中，l、c为正整数。

所述步骤（1）中，网络分层的依据是节点与网关节点的距离。

所述步骤（2）中，链路e的干扰链路集Q_k(e)是指所有与链路e使用相同信道k通信时存在干扰的链路集合。

所述步骤（3）中，链路e的干扰度I(e,k)，链路e的分配指数C_k(e)和节点u的分配指数x(u,k)的计算规则如下：

$I(e,k)=\underset{e^{\′}\∈Q_k\left(e\right)}{\mathrm{\Σ}}{C}_k\left(e^{\′}\right)$

其中链路e′表示与链路e存在通信干扰的链路。

所述步骤（3）中，用i表示节点所处的层数，假定网络共有N层，节点配备的网络接口卡数目为m，则链路信道分配步骤如下：

3.1.初始化，设置所有链路e的分配指数C_k(e)和所有节点u的分配指数x(u,k)为0，层数i=0；

3.2.当0≤i≤N，依次顺序为第i层节点关联的所有链路分配信道；假定该层节点关联的链路共有L条，初始计数值j=1，表示链路j；

3.2.1当1≤j≤L，对于链路j，若存在C_k(j)=1，1≤k≤c，则j=j+1，继续判断C_k(j)的值；若链路j满足在所有的信道上都有C_k(j)=0，1≤k≤c，则计算链路j在每个信道上的干扰度I(j,k)，挑选取值最小的I(j,k)，即I(j,k′)=min{I(j,k)}，min{.}表示取最小值，为链路j分配信道k′，则C_k′(j)=1，计算链路j关联的节点的分配指数，假定链路j关联的节点为u和v，则x(u,k′)=x(v,k′)=1，判断节点分配指数是否满足如下的网卡约束条件：

$\underset{k=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}x(u,k)\≤m$

1）如果满足网卡约束条件，则j=j+1，返回3.2.1；

2）如果不满足网卡约束条件，则令x(u,k′)=x(v,k′)=C_k′(e)=0，重新为链路j分配信道，信道选择规则如下：

$I(j,p)=\underset{1\≤k\≤c}{\min }\underset{e^{\′}\∈Q_k\left(j\right),x(u,k)=1}{\mathrm{\Σ}}{C}_k\left(e^{\′}\right)$

则链路j分配信道p，x(u,p)=x(v,p)=1，C_p(j)=1，j=j+1，返回3.2.1；

3.2.2当j>L，停止计算，i=i+1，返回3.2。

当i>N，停止计算。更进一步的，在所述步骤3.2.1中，当干扰度存在多个最小值时，选择在已分配信道的链路中使用次数最少的信道。所述步骤（1）中，网络分层的依据是节点与网关节点的距离，即节点到网关节点的跳数，第i跳为第i层，i=0表示网关节点。

以一个包含9个节点的多信道无线Mesh网络为例，具体说明本发明的具体实施。

如图2所示为该多信道无线Mesh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，其中节点A为网关节点。假设该网络共有1、2、3和4四个互不干扰的正交无线信道可供节点选择，即l=12，c=4，用i表示节点所处的层数，假定所有节点具有相同的传输范围和干扰范围，都为任意两个邻节点之间的距离。

（1）根据图2所示的该多信道无线Mesh网络的拓扑图，获得各节点在网络中的层次，其中网关节点A处于第0层，节点B，C处于第一层，节点D、E、F处于第二层，节点G、H处于第三层，节点I处于第四层。

（2）两条链路e₁=(u,v)和e₂=(a,b)存在通信干扰是指C_k(e₁)=C_k(e₂)≠0，且节点u和v中有一个或全部都处于节点a（或b）的传输范围内，用Q_k(e)表示链路e在信道k上有干扰的链路集合。例如在图2中，与链路AB存在干扰的链路有链路AC、BD、BE、CE、CF、DG、EG和EH。

（3）链路信道分配的具体过程如下：

（3.1）初始化。对网络中所有的链路e和节点u，有C_k(e)=0，x(u,k)=0，1≤k≤4，计数值i=0。

（3.2）当i=0，从网关节点A开始，为链路AB和链路AC分配信道。对链路AB，计算I(AB,k)，有I(AB,k)=0（1≤k≤4），因此有序地从信道集C中挑选信道1，即C₁(AB)=1，x(A,1)=x(B,1)=1，对链路AC，有I(AC,1)=1，I(AC,k)=0（2≤k≤4），因此C₂(AC)=1，x(A,2)=x(C,2)=1，分配结果如图3所示。

（3.3）当i=1，依次为节点B和C关联的链路分配信道。对节点B关联的链路，由于C₁(AB)=1，则为链路BD和链路BE分配信道，对链路BD，有I(BD,1)=I(BD,2)=1，I(BD,3)=I(BD,4)=0，因此C₃(BD)＝1，x(B,3)=x(D,3)=1。对链路BE，有I(BE,1)=I(BE,2)=I(BE,3)=1，I(BE,4)=0，但是对节点B需满足x(B,k)≤2，已有x(B,1)=x(B,3)=1，因此链路BE只能分配到信道1或3上。选择C₃(BE)＝1，x(B,3)=x(E,3)=1。同理，对链路CE、CF，有C₄(CE)＝1，x(C,4)=x(E,4)=1，C₄(CF)＝1，x(C,4)=x(F,4)=1，分配结果如图4所示。

（3.4）当i=2，依次为节点D、E和F关联的链路分配信道。对链路DG，I(DG,1)=I(DG,4)=1，I(DG,2)=0，I(DG,3)=2，因此C₂(DG)＝1，x(D,2)=x(G,2)=1。对链路EG，I(EG,1)=1，I(EG,2)=I(EG,3)=I(EG,4)=2，由于x(E,3)=x(E,4)=1，即链路EG只能从信道3和4之间选择，选择C₄(EG)＝1，x(E,4)=x(G,4)=1，同理对链路EH和FH，有C₃(EH)＝1，x(E,3)=x(H,3)=1，C₁(FH)＝1，x(F,1)=x(H,1)=1，分配结果如图5所示。

（3.5）当i=3，依次为节点G和H关联的链路分配信道。对链路GI，有I(GI,1)=0，I(GI,2)=1，I(GI,3)=3，I(GI,4)=2，由于x(G,2)=x(G,4)=1，即链路EG只能从信道2和4之间选择，因此C₂(GI)＝1，x(G,2)=x(I,2)=1。同理C₁(HI)＝1，x(H,1)=x(I,1)=1，分配结果如图6所示。

（3.6）当i=4，节点I关联的链路GI和HI已经有C₂(GI)=C₁(HI)=1，即所有链路已经全部分配了信道。

本例中链路的最终信道分配结果如下：C₁(AB)=C₁(FH)=C₁(HI)=1，C₂(AC)=C₂(DG)=C₂(GI)=1，C₃(BD)=C₃(BE)=C₃(EH)=1，C₄(CE)＝C₄(CF)＝C₄(EG)＝1。即链路AB、FH和HI分配了信道1，链路AC、DG和GI分配了信道2，BD、BE和EH分配了信道3，CE、CF和EG分配了信道4。各节点的信道分配情况如下：x(A,1)=x(A,2)=1，x(B,1)=x(B,3)=1，x(C,2)=x(C,4)=1，x(D,2)=x(D,3)=1，x(E,3)=x(E,4)=1，x(F,1)=x(F,4)=1，x(G,2)=x(G,4)=1，x(H,1)=x(H,3)=1，x(I,1)=x(I,2)=1。

Claims (8)

1.一种用于多信道无线Mesh网络的链路分配方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)根据多信道无线Mesh网络中节点与网关节点的距离为网络分层；

(2)根据步骤(1)中的分层依次为每一层的节点关联的链路e计算信道k的干扰链路集Q_k(e)；

(3)依据步骤(2)中获得的干扰链路集计算链路e的干扰度I(e,k)以及链路e的分配指数C_k(e)和节点u的分配指数x(u,k)，在满足网卡约束条件下将该网络的l条链路分配到c个信道上；

其中，l、c为正整数。

2.根据权利要求1所述一种用于多信道无线Mesh网络的链路分配方法，其特征在于：所述步骤(2)中，链路e的干扰链路集Q_k(e)是指所有与链路e使用相同信道k通信时存在干扰的链路集合。

3.根据权利要求1所述一种用于多信道无线Mesh网络的链路分配方法，其特征在于：所述步骤(3)中，链路e的干扰度计算规则如下：

$I(e,k)=\underset{e^{\′}\∈Q_k\left(e\right)}{\mathrm{\Σ}}{C}_k\left(e^{\′}\right)$

其中链路e′表示与链路e存在通信干扰的链路。

4.根据权利要求1所述一种用于多信道无线Mesh网络的链路分配方法，其特征在于：所述步骤(3)中，链路e的分配指数计算规则如下：

5.根据权利要求1所述一种用于多信道无线Mesh网络的链路分配方法，其特征在于：所述步骤(3)中，节点u的分配指数计算规则如下：

6.根据权利要求1所述一种用于多信道无线Mesh网络的链路分配方法，其特征在于：所述步骤(3)中，网卡约束条件表示如下：

$\underset{k=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}x(u,k)\≤m$

其中，m为正整数，表示节点分配的网络接口卡数目。

7.根据权利要求1所述一种用于多信道无线Mesh网络的链路分配方法，其特征在于：所述步骤(3)中，用i表示节点所处的层数，假定网络共有N层，节点配备的网络接口卡数目为m，则链路信道分配步骤如下：

7.1.初始化，设置所有链路e的分配指数C_k(e)和所有节点u的分配指数x(u,k)为0，层数i＝0；

7.2.当0≤i≤N，依次顺序为第i层节点关联的所有链路分配信道；假定该层节点关联的链路共有L条，初始计数值j＝1，表示链路j；

7.2.1当1≤j≤L，对于链路j，若存在C_k(j)＝1，1≤k≤c，则j＝j+1，继续判断C_k(j)的值；若链路j满足在所有的信道上都有C_k(j)＝0，1≤k≤c，则计算链路j在每个信道上的干扰度I(j,k)，挑选取值最小的I(j,k)，为链路j分配信道k′，则C_k′(j)＝1，计算链路j关联的节点的分配指数，假定链路j关联的节点为u和v，则x(u,k′)＝x(v,k′)＝1，判断节点分配指数是否满足如下的网卡约束条件：

$\underset{k=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}x(u,k)\≤m$

1)如果满足网卡约束条件，则j＝j+1，返回7.2.1；

2)如果不满足网卡约束条件，则令x(u,k′)＝x(v,k′)＝C_k′(e)＝0，重新为链路j分配信道，信道选择规则如下：

$I(j,p)=\underset{1\≤k\≤c}{\min }\underset{e^{\′}\∈Q_k\left(j\right),x(u,k)=1}{\mathrm{\Σ}}{C}_k\left(e^{\′}\right)$ 则链路j分配信道p，x(u,p)＝x(v,p)＝1，C_p(j)＝1，j＝j+1，返回7.2.1；

7.2.2当j>L，停止计算，i＝i+1，返回7.2；

当i>N，停止计算。

8.根据权利要求7所述一种用于多信道无线Mesh网络的链路分配方法，其特征在于：在所述步骤7.2.1中，当干扰度存在多个最小值时，选择在已分配信道的链路中使用次数最少的信道。