CN103313323B - 用于无线局域网中边缘节点的多跳路径和信道选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于无线局域网中边缘节点的多跳路径和信道选择方法，步骤为：(1)在一定的初始化触发条件下，AP与STA之间发送初始化和应答消息；(2)存在需要进行多跳模式切换的STA时，依次为待切换STA选择中继节点和中继信道：如果存在中继节点使待切换STA获得多跳增益，则从中选择最优中继节点和中继信道，切换至多跳模式；否则将待切换STA切换至其他AP；(3)在当前AP不能获得满意服务且找不到合适中继节点的STA，选择能获得最大收益的AP接入，并可切换至多跳模式。本发明能提高无线局域网中边缘用户的传输速率和网络资源的利用效率，提升了用户和网络的吞吐量和性能。<!--1-->

Description

用于无线局域网中边缘节点的多跳路径和信道选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及无线局域网中各工作站间通过多跳手段连接到接入点时的多跳路径和信道选择方法。

背景技术

无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork,WLAN）技术的初衷是为了摆脱有线的束缚，作为蜂窝网和有线网的重要补充和延伸，起到分流作用，缓解传输压力。然而随着互联网的飞速发展，WLAN的发展远远超越了最初的构想，变成了通信中不可或缺的一部分，已经在越来越多的情况下可以代替蜂窝网和有线网。特别是在移动智能终端的迅速普及下，WLAN用户的数量和适用于无线接入的各种芯片设备数以迅猛的速度增长。根据Wi-Fi联盟统计，2009年全球的WLAN用户已经达到了6亿。国际预测研究公司In-Stat预测，2012年Wi-Fi芯片的年出货量将达到10亿片。WLAN的巨大市场需求，促使国内外运营商在不断升级扩大3G网络的同时，也大力发展无线局域网热点覆盖，形成与蜂窝网络的优势互补。在国内，包括电信在内的运营商正在不断加大投资，进行大规模的WLAN热点部署，为用户提供更加便捷的服务，这一举措又进一步推动了WLAN的发展。当前国内外运营商纷纷加紧WLAN的部署，并快速形成了密集的WLAN布网环境，其特点为高密度的接入点（AccessPoint,AP）分布、高密度的用户分布以及快速增长的业务需求带来的网络高负荷。

然而，接入点和用户密度的迅速增加往往导致严重的同信道和邻信道干扰；边缘用户由于信噪比较低且易受到同信道干扰，传输速率往往较低，难以满足用户服务质量和带宽需求。同时，当边缘用户获得传输机会时，由于其较低的传输速率，将会长时间而低效的占用信道，挤占其他用户的传输机会和信道使用，导致网络资源利用率的严重下降，造成整个网络的拥塞。因而迫切需要有效的机制设计，解决边缘用户网络资源利用低效的问题。

为了提高网络覆盖范围，解决边缘用户传输速率低下的问题，S.Lee等在文献“TheCaseforaMulti-hopWirelessLocalAreaNetwork”（一种多跳无线局域网方案）中定义了多跳传输模式。在此模式下，用户可以使用其他用户作为中继节点，通过多跳中继的方式，接入到AP。多跳用户与中继节点之间的中继信道可以使用与单跳节点相同的接入信道，也可以使用其他可用信道。通过这种方法，可以有效提高边缘用户的传输速率，从而提升网络资源利用效率。然而，对于如何选择中继节点和中继信道从而构成多跳路径，以及如何以尽可能低的开销完成协议信息的交互，现有研究尚无具体的定义。而此种多跳路径和信道选择方法，对于多跳拓扑网络的性能至关重要：优化的多跳路径和信道选择，以及高效的协议信息交互，可以显著的提高网络吞吐量，保证用户的服务质量；反之，则会严重影响网络和用户的性能。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明旨在于提供一种无线局域网环境下边缘工作站点（Station,STA）通过多跳的方式，具体是，以其他工作站点作为中继节点，连接到接入点时，多跳路径和信道选择的方法，以满足边缘工作站点的速率需求，防止边缘工作站点对网络资源的低效利用，提高频谱利用率和网络的性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

用于无线局域网中边缘节点的多跳路径和信道选择方法，具有工作站点和接入点，所述方法包括以下步骤：

（1）网络初始化，具体是，所述接入点向其覆盖范围内的所有工作站点发出网络拓扑更新通知消息；

（2）多跳模式切换，具体是，根据所述速率指示信息，工作站点按照信道质量从差到好的顺序，依次尝试寻找中继节点，切换至多跳模式；

（3）接入点切换，具体是，当某个所述工作站点在当前所述接入点不能获得满意的服务，则选择另外的能够获得最大收益的接入点接入，并且仍使用步骤（2）的方法切换至多跳模式。

需要说明的是，所述工作站点接到所述接入点发出的更新通知消息后，向所述接入点发送更新应答消息，所述接入点接收到所有工作站点的应答之后，根据应答获得各工作站点的信道质量和速率信息，并通过速率指示消息告知当前所述接入点覆盖范围内的所有工作站点。

需要进一步说明的是，所述切换至多跳模式的步骤如下：

（1）待切换工作站点选择一条可用信道进行轮询，发出模式更新请求；

（2）附近可作为中继节点的工作站点根据监听到的与待切换工作站点间的信道质量，对请求进行先后应答；

（3）若所有可用信道均已被轮询，转向下一步；否则返回步骤（1）；

（4）待切换工作站点判断是否存在中继节点能够使待切换的工作站点获得多跳增益，若存在，则从中选择能使待切换的工作站点获得最大多跳增益的工作站点和相应的信道作为中继节点和中继信道；否则，当前待切换的工作站点需要接入其他接入点，转向步骤（3）；

（5）是否有其他工作站点需要切换到多跳模式，若有，选择下一工作站点作为待切换的工作站点，返回步骤（1）；否则，当前接入点覆盖范围内工作站点的多跳模式切换结束；

其中，所述可用信道是指与附近其他节点使用的信道互不干扰冲突的所有信道；所述可作为中继节点的工作站点是指能够接收到待切换工作站点发出的模式更新请求消息的所有工作站点；所述多跳增益是指是否能使待切换的工作站点的传输速率得到提高，以及网络的性能是否能够得到提高。

需要说明的是，，所述接入点向所有工作站点发送网络拓扑更新通知消息时，使用接入信道向单跳工作站点发送，单跳中继工作站点使用中继信道向多跳工作站点转发，随后所有工作站点均通过接入信道直接应答所述接入点。

需要说明的是，所述可作为中继节点的工作站点对请求进行先后应答，具体是，将应答的时隙分为多个子时隙，按照监听到的与待切换的工作站点之间的信道质量，可作为中继节点的工作站点在对应的子时隙中进行中继应答，信道质量最好的工作站点最先应答，而信道质量差的工作站点后应答。

需要说明的是，所述多跳模式切换过程中，中继信道可以选择使用与接入信道不同的其他信道，此时网络处于多信道工作模式；如果网络中的可用信道只有接入信道一条，则网络处于单信道工作模式。

需要说明的是，其特征在于，所述最大收益是指能使工作站点获得最好信道质量，或是获得最大的传输速率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明充分考虑了信道质量因素，优先保证传输速率最低的工作站点通过最优的中继节点，选择最优的中继信道，切换到多跳模式，从而有效的提高了网络资源的利用效率，提升了用户和网络的吞吐量；

2、本发明采用分布式的消息交互方式实现多跳路径和信道选择，以尽可能低的复杂度和尽可能小的开销，实现了优化的多跳路径和信道选择，多跳切换速度快，操作性和实用性强，增强了系统的稳定性和可靠性，提高了网络性能。

附图说明

图1为本发明实施例的场景示意图；

图2为本发明的多跳路径和信道选择方法总流程图；

图3为本发明的网络初始化步骤信息交互图；

图4为本发明的多跳模式切换子流程图；

图5为本发明的多跳模式切换步骤信息交互图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的描述。

为了方便描述，下述实施例中的工作站点以STA表示，接入点以AP表示。

如图1所示，为密集局域网环境示意，场景中包含接入点和工作站点。边缘位置的STA可以其他STA作为中继节点，采用多跳方式，接入到AP。单跳STA与AP之间的接入信道须使用AP预先指配的信道。多跳STA与中继STA之间的中继信道可以与接入信道相同，也可以使用与接入信道不同的其他可用信道。

如图2所示，本发明在图1的示意场景中，进行多跳路径和信道选择的具体实现步骤如下：

（1）网络初始化，具体是，所述接入点向其覆盖范围内的所有工作站点发出网络拓扑更新通知消息；

（2）多跳模式切换，具体是，根据所述速率指示信息，工作站点按照信道质量从差到好的顺序，依次尝试寻找中继节点，切换至多跳模式；

（3）接入点切换，具体是，当某个所述工作站点在当前所述接入点不能获得满意的服务，则选择另外的能够获得最大收益的接入点接入，并且仍使用步骤（2）的方法切换至多跳模式。

需要说明的是，网络设置初始化触发条件，该触发条件可综合考虑工作站点STA的数量、信道质量、传输速率，以及占用网络资源的比例和效率。

如图3所示，当初始化条件被触发时，AP通过接入信道向网络中的所有单跳STA发出网络拓扑更新通知消息。单跳非中继STA接到更新通知消息后，直接向AP发送更新应答消息。单跳中继STA接到更新通知消息后，则首先向AP发送更新应答消息，随后通过中继信道，向自身所属的多跳STA转发更新通知消息；而多跳STA收到转发的更新通知消息后，则直接使用接入信道，向AP发出更新应答消息。AP接收到所有STA的应答消息之后，根据应答可获得各STA的信道质量和速率信息，并通过全网速率指示消息告知当前AP覆盖范围内的所有STA。

如图4、图5所示，如果存在STA需要进行多跳模式切换，则需要切换到多跳模式的STA根据AP发出的速率指示消息，按照信道质量从差到好的顺序，依次尝试寻找中继节点和中继信道。将当前需要切换到多跳模式的信道质量最差的STA作为待切换STA，待切换STA多跳切换的步骤如下：

（1）待切换STA从所有当前可用的信道中选择一条进行轮询，发出模式更新请求消息；

（2）附近可作为中继节点的STA收到待切换STA发出的模式更新请求消息后，做出中继应答。在进行中继应答时，将应答的时隙分为多个子时隙，按照监听到的与待切换STA之间的信道质量，可作为中继节点的STA在对应的子时隙中进行中继应答，信道质量最好的STA最先应答，而信道质量差的STA后应答；

（3）待切换STA依次轮询每一条可用信道，并记录在该信道上应答的各STA及其信道质量信息，直到所有可用信道均被轮询完毕；

（4）待切换STA根据轮询得到的信息，判断是否存在中继节点能够使自身获得多跳增益，多跳增益的判断条件可以根据是否能使待切换STA的传输速率得到有效的提高，以及网络的性能是否能够得到提高而设置。如果存在使待切换STA获得多跳增益的中继节点，则待切换STA从中选择使多跳增益最高的最优中继节点和中继信道，并向中继节点发出模式更新确认消息，确认选择的最优中继节点和中继信道，最优中继节点再向AP发出模式更新确认消息，AP以用户模式更新完成指示消息进行响应和确认；否则，当前待切换STA在当前AP无法找到合适的中继节点、获得多跳增益并切换到多跳模式，需要接入到其他AP，转向步骤（3）；

（5）判断当前AP中是否还存在其他需要切换到多跳模式的STA：若有，则从中选择信道质量最差的STA，作为待切换STA，返回步骤(1)，为其寻找中继节点和中继信道；否则，当前AP覆盖范围内STA的多跳模式切换结束。

在上述多跳切换步骤中，中继信道可以选择使用与接入信道不同的其他信道，此时网络处于多信道工作模式。在多信道工作模式下，如果节点只有单网卡，则中继信道和接入信道不能同时工作；而如果节点具有多网卡，则中继信道和接入信道可以同时工作。如果网络中的可用信道只有接入信道一条，则网络处于单信道工作模式。在单信道工作模式下，上述步骤中仅需要轮询唯一的可用信道即可。综上，上述步骤既可以工作于多信道模式，又可工作于单信道模式。

需要说明的是，如果某个STA在当前AP不能获得满意的服务，并且也不能找到合适的中继节点，切换到多跳模式，则需要选择接入其他AP。STA选择能使自身获得最大收益的AP接入，最大收益的判断条件可以设置为信道质量最优，也可以设置为其他条件。如果STA在该AP中需要切换到多跳模式，则仍使用多跳切换模式步骤所述的方法。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.用于无线局域网中边缘节点的多跳路径和信道选择方法，具有工作站点和接入点，所述方法包括以下步骤：

(1)网络初始化，具体是，所述接入点向其覆盖范围内的所有工作站点发出网络拓扑更新通知消息；

(2)多跳模式切换，具体是，根据速率指示信息，工作站点按照信道质量从差到好的顺序，依次尝试寻找中继节点，切换至多跳模式；

(3)接入点切换，具体是，当某个所述工作站点在当前所述接入点不能获得满意的服务，则选择另外的能够获得最大收益的接入点接入，并且仍使用步骤(2)的方法切换至多跳模式；

其特征在于，所述工作站点接到所述接入点发出的更新通知消息后，向所述接入点发送更新应答消息，所述接入点接收到所有工作站点的应答之后，根据应答获得各工作站点的信道质量和速率信息，并通过速率指示消息告知当前所述接入点覆盖范围内的所有工作站点。

2.根据权利要求1所述的多跳路径和信道选择方法，其特征在于，所述切换至多跳模式的步骤如下：

(1)待切换工作站点选择一条可用信道进行轮询，发出模式更新请求；

(2)附近可作为中继节点的工作站点根据监听到的与待切换工作站点间的信道质量，对请求进行先后应答；

(3)若所有可用信道均已被轮询，转向下一步；否则返回步骤(1)；

(4)待切换工作站点判断是否存在中继节点能够使待切换的工作站点获得多跳增益，若存在，则从中选择能使待切换的工作站点获得最大多跳增益的工作站点和相应的信道作为中继节点和中继信道；否则，当前待切换的工作站点需要接入其他接入点，转向步骤(3)；

(5)是否有其他工作站点需要切换到多跳模式，若有，选择下一工作站点作为待切换的工作站点，返回步骤(1)；否则，当前接入点覆盖范围内工作站点的多跳模式切换结束；

其中，所述可用信道是指与附近其他节点使用的信道互不干扰冲突的所有信道；所述可作为中继节点的工作站点是指能够接收到待切换工作站点发出的模式更新请求消息的所有工作站点；所述多跳增益是指是否能使待切换的工作站点的传输速率得到提高，以及网络的性能是否能够得到提高。

3.根据权利要求1所述的多跳路径和信道选择方法，其特征在于，所述接入点向所有工作站点发送网络拓扑更新通知消息时，使用接入信道向单跳工作站点发送，单跳中继工作站点使用中继信道向多跳工作站点转发，随后所有工作站点均通过接入信道直接应答所述接入点。

4.根据权利要求2所述的多跳路径和信道选择方法，其特征在于，所述可作为中继节点的工作站点对请求进行先后应答，具体是，将应答的时隙分为多个子时隙，按照监听到的与待切换的工作站点之间的信道质量，可作为中继节点的工作站点在对应的子时隙中进行中继应答，信道质量最好的工作站点最先应答，而信道质量差的工作站点后应答。

5.根据权利要求2所述的多跳路径和信道选择方法，其特征在于，所述多跳模式切换过程中，中继信道可以选择使用与接入信道不同的其他信道，此时网络处于多信道工作模式；如果网络中的可用信道只有接入信道一条，则网络处于单信道工作模式。

6.根据权利要求1所述的多跳路径和信道选择方法，其特征在于，所述最大收益是指能使工作站点获得最好信道质量，或是获得最大的传输速率。