CN103338504A - 无线局域网中多个ap信道及功率的联合自配置方法 - Google Patents

Abstract

一种无线局域网中多个AP信道及功率的联合自配置方法，先选择待配置AP所在区域作为局部网络，根据实际情况将该局部网络划分为多个网格；每个AP分别向服务器发出自配置请求，同时汇报其位置坐标和扫描的周围环境频谱使用信息；服务器根据AP自配置请求，分析其位置和周围环境，并结合邻小区AP信道使用情况，以满足覆盖率要求与同频干扰最小化为自配置前提，为各个待配置AP分配信道及功率参数：先根据路损经验模型估算每个网格的信号能量，以获知网络覆盖情况；再根据能效比值最高的原则，计算得到每个AP最终配置的信道及其功率参数，并下发给各待配置AP。本发明方法快速、有效，保证区域覆盖要求，且最大程度避免同频干扰，保证网络的能效比最高。

Description

无线局域网中多个AP信道及功率的联合自配置方法

技术领域

本发明涉及一种无线网络中信道资源及功率的自动分配方法，确切地说，涉及一种自组织网络中的无线接入点AP（Access Point）传输参数的自配置方法，也就是在无线局域网中，基于网格模型的多个AP信道资源及功率的联合自配置方法，属于移动通信的技术领域。

背景技术

随着多媒体业务需求的发展，移动性强、组网灵活和可扩展性强的无线局域网络WLAN（Wireless Local Area Networks）倍受青睐，无线局域网是一种基于802.11标准的、相当便利的数据传输系统，它利用射频RF（Radio Frequency）技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的局域网络，使得无线局域网络能够利用简单的存取架构，让用户透过它，解除了网线束缚、可享受高速无线接入的同时，在网络内自由地移动，达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。

经过多年发展，尤其是近年来，无线局域网新标准的推出、WiFi芯片组出货量的飓增和全球WiFi热点的大规模布署，都表明无线局域网已经得到了广泛应用，并且还在蓬勃发展。因为各个企事业机构和个人均可以随意地搭建无线局域网，故为了提高Wireless LAN的无线接入能力，IEEE802.11n和802.11ac/ad分别允许用户使用40MHz和80MHz带宽。可以预见，在不久的将来，势必出现各种不同标准的AP密集并存的业务环境。在这种业务环境下，各台AP业务负载的动态性，加上非运营Wireless LAN的无规划性和各台AP采用的标准不统一性，都将会导致稀缺的无线频率资源不能得到充分利用，甚至造成严重的干扰或浪费。因此，这种各种不同标准的AP密集并存的业务环境的信道资源如何分配问题，就成为了当前亟待解决的问题。

但是，由于频谱资源的限制，无线网络的节点、即用作移动终端用户进入无线网络的无线接入点AP的信道若不能得到合理的配置，将会产生非常严重的同频干扰。在802.11b/g标准中，规定了13个可用信道，相邻两个信道的带宽间隔是5MHz。但是，每个信道占用的带宽为22MHz，网络中的两个相邻AP所使用的信道必须至少相距5个信道，才不会产生干扰，这使得AP的信道资源配置变得复杂。

下一代宽带移动通信系统在技术、网络结构、业务支撑和服务环境上，都和传统蜂窝网络有很大的不同，具体表现在：首先，采用多输入多输出（MIMO）、无线中继、小区间干扰协调、载波聚合等先进技术。其次，为了减少传输时延等，采用扁平化网络结构，改变了传统集中控制模式，基站间采用协商方式进行相应的无线资源分配和切换等。第三，为了满足室内高速和绿色通信要求，采用家庭基站技术增强室内覆盖；并改变网络结构和增强基站功能，提高应急通信能力，实现便捷灵活的高效组网。新系统的这些新特征和技术需求使得传统无线网络规划、网络优化和网络管理方法和流程都不再高效、实用，需要研究具有学习能力的智能化网络规划优化及管理方法。由此引入了网络自组织（SON）关键技术，其主要目的是适应新技术需求，提高网络的自组织能力，简化无线网络设计、降低网络运维成本，实现网络的自配置、自优化和自治愈，以适合下一代宽带移动通信系统的技术和业务需求。

常见无线局域网络中的AP正常工作需要配置信道资源参数和功率参数。信道资源的分配要求是相邻小区之间使用不同的信道资源，以避免同频干扰；基站功率参数的分配要求是既不因功率过小而产生覆盖空洞、也不因功率过大而造成过度覆盖。

传统网络中，小区之间是根据不同的系统特性进行区分的，网络内AP的资源都是通过人工方式进行分配的，这种人工规划的方式不仅浪费了大量的人力和物力，更重要的是，由于技术人员的技术水平差异以及其他的随机因素，在没有兼顾或兼顾不全网络实际情况下所得到的分配效果往往不是最优的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种无线局域网中多个无线接入点AP信道及功率联合自配置方法，该方法用于无线网络的部署阶段，对AP进行信道资源及功率参数的分配，以避免小区间的同频干扰及网络的欠覆盖和过覆盖问题；在保证网络实现有效覆盖的同时，较大程度地提高了能量利用率，网络的整体能效比较高。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种无线局域网中多个无线接入点AP（Access Point）信道及功率的联合自配置方法，其特征在于：先选择待配置AP所在区域作为局部网络，并根据实际情况将该局部网络划分为多个网格；每个AP分别向服务器发出自配置请求，同时汇报其位置坐标和扫描到的所处位置周围环境频谱使用信息；服务器根据接收到的AP自配置请求，分析每个AP的位置及其周围环境频谱信息，并结合邻小区AP的信道使用情况，以满足覆盖率要求与同频干扰最小化作为自配置的前提，为各个待配置AP分配信道及功率参数：先根据路损经验模型估算每个网格的信号能量，以获知网络覆盖情况；再根据能效比的比值为最高的原则，计算得到最终的每个AP所配置的信道及其功率参数，并下发给各个待配置AP。

本发明无线局域网中多个无线接入点AP信道及功率联合自配置方法是一种基于认知的多AP协同的动态信道传输参数的配置方案，该方案综合考虑用户业务需求和无线射频环境的干扰，在选择传输方式时，综合考虑网络重构的代价，尽可能选择最合适的传输参数配置模式。本发明方法还进行了软件仿真，以验证该技术方案的效能，仿真结果表明：该方案实现了网络资源的均衡利用，提高了网络资源的利用效率，降低网络拥塞和提升网络容量。最后，本发明构建了基于软件无线电系统的演示验证平台，通过实际场景验证了本发明方法的有效性与可行性。

本发明方法的有益效果是：最大程度地节约了AP人工配置所需花费的大量人力与物力，还减少了人工干预带来的偶然因素，同时能显著节省AP的配置时间。采用频谱扫描方式能够最大程度地避免外界干扰对通信网络的影响，而通过多个AP联合自配置的方式能够最大程度地避免网络内各小区间的相互干扰。

此外，在进行功率配置时，本发明优先考虑该所在区域的有效覆盖、然后才考虑网络的整体能效比最大，这样既保证了网络的覆盖要求，又能够较大程度地节省功率损耗，符合绿色通信的要求。

再者，与传统的配置方法相比，采用本发明自配置方法可以快速有效地对多台AP的信道及功率进行联合自配置，保证了区域覆盖要求，同时最大程度地避免了同频干扰，还能保证网络的能效比最高，保证网络内用户的服务质量及小区整体的吞吐量，提高了无线资源的有效利用率，且操作步骤比较简单、方便，容易实现；大大缩短配置时间、减小了配置过程中的人工干预，配置后的网络整体运行稳定，明显提高功效。所以，本发明具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明无线局域网中多个AP信道及功率联合自配置方法的一个应用场景示意图。

图2是本发明无线局域网中多个AP信道及功率联合自配置方法操作步骤流程图。

图3是本发明无线局域网中多个AP信道及功率联合自配置方法的详细操作步骤流程图。

图4是本发明方法仿真实施例进行实际演示的场景示意图。

图5是图4实际试验演示时根据三个AP扫描得到的信道信息而选择信道的示意图。

图6是图4实际试验演示时三台AP的配置信息及网络整体概况的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，先介绍本发明无线局域网中多个AP信道及功率的联合自配置方法的一个典型应用场景：图中将所有待配置AP视为一个集合Q、待配置基站的总数为M，再将所有待配置AP所在区域视为一个待配置区域（即局部网络），同时结合实际情况，将待配置区域划分为多个规则的网格，以便将每个网格作为后续统计的最小单元。由于该待配置区域以外的AP对该区域也有一定的覆盖，为避免网络内的同频干扰，在对待配置区域AP分配信道时，必须要合理分配该区域边缘处的AP信道。为此，每个AP要分别向服务器发出自配置请求，同时汇报其位置坐标和扫描到的所处位置周围环境频谱使用信息。服务器根据接收到的AP自配置请求，分析每个AP的位置及其周围环境频谱信息，并结合邻小区AP的信道使用情况，以满足覆盖率要求与同频干扰最小化作为自配置的前提，为各个待配置AP分配信道及功率参数：先根据路损经验模型估算每个网格的信号能量，以获知网络覆盖情况；再根据能效比的比值为最高的原则，计算得到最终的每个AP所配置的信道及其功率参数，并下发给各个待配置AP。

参见图2和图3，介绍本发明方法的下列操作步骤：

步骤1，确定所有待配置AP的集合Q，并将其所在区域规划为一个局部网络，再根据实际情况将该局部网络划分为尺寸较小的多个网格，以便将每个网格用作后续计算中的最小统计单元；

步骤2，每个待配置AP进入用户模式，并扫描其所在位置及其周围环境的频谱占用信息，再将其位置坐标(xi,yi)及其周围环境的频谱占用信息上报服务器，以及申请自配置其信道与发送功率；式中，自然数下标i为待配置信道AP的序号。

该步骤中，每个AP的位置坐标(xi,yi)是通过卫星定位系统或其他定位导航系统获得的，周围环境的频谱占用信息是每个AP各自扫描获得的，能够准确地实时反映当前无线环境情况。

步骤3，服务器获知全部AP的上报信息后，为所有待配置AP分配信道：从所有待配置AP的频谱占用信息中寻找其中干扰强度最小的信道，并为该具有最小干扰强度的AP分配该信道；再从距离该已分配信道AP较近处选择一个或多个AP，并从该一个或多个AP的所有频谱中删除其中已经分配给AP的信道后；分别从其各自未使用的剩余信道中选取干扰强度最小的信道，作为该一个或多个AP各自配置的信道；然后，循环执行该步骤操作，直至所有待配置AP均分配到信道。该步骤3包括下列操作内容：

（31）服务器汇总所有AP上报的频谱扫描信息后，依序逐一进行比较分析：首先找到所有AP在各个信道上的最小干扰强度值I_min=min(I_ij)，同时获知该最小干扰强度值所对应的信道

式中，自然数i和j分别是待配置信道的AP的序号和信道的序号，I_ij为序号为i的AP在第j个信道上扫描到的干扰强度值，I_min为所有AP在各个信道上的最小干扰强度值。

（32）将该最小干扰强度值的信道分配给具有最小干扰强度值的AP，使其能最大程度地避免外界环境的干扰；同时，将该AP加入已配置信道的AP集合Q_f。

（33）服务器从集合Q_f中依照顺序将各个已配置信道的AP作为中心AP，再按照下述方法选取距离较近的各个未配置信道AP作为当前配置信道的目标AP_i：该目标AP_i到中心AP的距离d应不大于邻小区的距离门限值d₀，即d≤d₀；式中，目标AP_i与中心AP之间的距离d₀为邻小区的距离门限值，(x_i,y_i)为目标AP_i的坐标，(x₀,y₀)为中心AP的坐标；自然数i是待配置信道AP、即目标AP的序号。

（34）因为802.11协议规定相邻正交信道的间隔为5个信道，故在这些待配置信道的目标AP_i的频谱中，先删除其中已经配置给其中心AP的信道和其他与已配置信道非正交的信道后，再在剩余信道中，各自分别寻找其中干扰强度最小的信道作为该一个或多个待配置信道目标AP_i各自所配置的信道频谱f_i=arg·{min(I_ij),f≠f₀}，式中，f₀为中心AP的信道；这样既规避了外界干扰、又避免了局部网络内各个AP间的相互干扰；然后，将该已经分配信道的AP加入集合Q_f。

（35）返回执行步骤（33）的操作，直至所有的待配置信道的目标AP_i均分配到信道，使得Q_f=Q。此时，得到各AP的信道配置向量

步骤4，根据路损经验模型，估算每个AP在该局部网络内每个网格上的覆盖能量，获得满足覆盖率要求的所有功率组合的集合；再对所得到的所有功率组合的集合中每种功率组合的能效比值进行估算，选取能效比最大的组合作为各个AP的配置功率。

本发明中的能效比EER（Energy Efficiency Ratio）是该局部网络区域内有效覆盖面积与所有AP的总发送功率之和的比值，即

其中，S为有效覆盖总面积，其为参考信号接收功率RSRP(Reference Signal Received Power)达到信号功率通信门限值RSRP₀的所有网格面积之和，P为网络内所有AP的发送功率之和。该能效比的意义是单位功率能够实现的有效覆盖的面积。功率配置的目标是在满足覆盖率的前提下，尽量使得网络的能效比达到最高水平。

该步骤4包括下列操作内容：

（41）根据路损经验模型，在基站采用不同发送功率时，分别计算其覆盖区域内每个网格处的参考信号接收功率RSRP是否不小于其通信门限值RSRP₀，即判断不等式：RSRP_n≥RSRP₀是否成立，若是，则认为该网格实现了有效覆盖；若否，则认为该网格未实现有效覆盖；式中，自然数下标n是网格序号；

（42）统计和判断所有网格的参考信号接收功率RSRP中实现有效覆盖的网格总数与待配置区域内网格总数的比值是否达到网络覆盖率的门限要求，即判断不等式：

是否成立，若是，则认为该功率组合能够满足覆盖率要求，将其加入满足覆盖率要求的功率集合U：

式中，N为实现有效覆盖的网格总数，N₀为待配置区域内的网格总数，ε为网络覆盖率门限值，

为表示功率组合的向量、且

Γ(x)为真值函数，其定义为

即当x取值为真时，Γ(x)值为1；反之，Γ(x)值为0；

（43）计算集合U中的每个功率组合所对应的能效比EER：

式中，S₀是每个网格的面积，

为该功率组合的总发送功率，选取能效比最大的功率组合作为各个待配置信道的AP_i的配置功率，即

其中，

为能效比最大的功率组合，即为计算得到的各待配置信道的AP_i的功率组合。

步骤5，服务器将上述步骤计算到的信道及其功率参数下发给各个AP进行配置，且在完成配置后，接入网络运行。

本发明还进行了多次仿真实施试验，下面简要介绍试验情况：

首先构建了基于软件无线电系统的仿真实施例的演示试验验证平台，以便通过仿真的实际场景验证本发明方法的有效性与可行性。图4是本发明方法实施例进行仿真实际试验的场景示意图，试验房间的大小是17m×17m，并且该试验房间的某个角落设有一个玻璃房隔间，该隔间的覆盖情况不予考虑。在房间中布置了三台由软件无线电设备开发出来的模拟AP；该试验房间的外侧周围设有多台私人AP和一台商用AP，会对该试验玻璃房的无线环境产生干扰信号。实施试验的自配置过程开始后，三台模拟AP对周围环境进行频谱扫描，并向服务器汇报相关信息。图5是三台模拟AP进行信道选择的过程；且在信道配置后，再进行三台模拟AP功率的配置。图6是该三台模拟AP最终配置的结果以及网络的统计情况，由该试验结果可以看出，覆盖率满足要求，且能效比较高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种无线局域网中多个无线接入点AP信道及功率的联合自配置方法，其特征在于：先选择待配置AP所在区域作为局部网络，并根据实际情况将该局部网络划分为多个网格；每个AP分别向服务器发出自配置请求，同时汇报其位置坐标和扫描到的所处位置周围环境频谱使用信息；服务器根据接收到的AP自配置请求，分析每个AP的位置及其周围环境频谱信息，并结合邻小区AP的信道使用情况，以满足覆盖率要求与同频干扰最小化作为自配置的前提，为各个待配置AP分配信道及功率参数：先根据路损经验模型估算每个网格的信号能量，以获知网络覆盖情况；再根据能效比的比值为最高的原则，计算得到最终的每个AP所配置的信道及其功率参数，并下发给各个待配置AP。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

（1）确定所有待配置AP的集合Q，并将其所在区域规划为一个局部网络，再根据实际情况将该局部网络划分为尺寸较小的多个网格，以便将每个网格用作后续计算中的最小统计单元；

（2）每个AP进入用户模式并扫描其所在位置及其周围环境的频谱占用信息，再将其位置坐标及其周围环境的频谱占用信息上报服务器，以及申请自配置其信道与发送功率；

（3）服务器获知全部AP的上报信息后，为所有待配置AP分配信道：从所有AP的频谱占用信息中寻找其中干扰强度最小的信道，并为该具有最小干扰强度的AP分配该信道；再从距离该已分配信道AP较近处选择一个或多个AP，并从该一个或多个AP的所有频谱中删除其中已经分配给AP的信道后；分别从其各自未使用的剩余信道中选取干扰强度最小的信道，作为该一个或多个AP各自配置的信道；然后，循环执行该步骤操作，直至所有待配置AP均分配到信道；

（4）根据路损经验模型，估算每个AP在该局部网络内每个网格上的覆盖能量，获得满足覆盖率要求的所有功率组合的集合；再对所得到的所有功率组合的集合中每种功率组合的能效比值进行估算，选取能效比最大的组合作为各个AP的配置功率；

（5）服务器将上述步骤计算到的信道及其功率参数下发给各个AP进行配置，且在完成配置后，接入网络运行。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述能效比EER是该局部网络区域内有效覆盖面积与所有AP的总发送功率之和的比值，即

其中，S为有效覆盖总面积，是参考信号接收功率RSRP达到信号功率通信门限值RSRP0的所有网格面积之和，P为网络内所有AP的发送功率之和；能效比的意义是单位功率能够实现的有效覆盖的面积；功率配置的目标是在满足覆盖率的前提下，尽量使得网络的能效比达到最高水平。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，每个AP的位置坐标是通过卫星定位系统或其他定位导航系统获得的，周围环境的频谱占用信息是每个AP各自扫描获得的，能够准确地实时反映当前无线环境情况。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）包括下列操作内容：

（31）服务器汇总所有AP上报的频谱扫描信息后，依序逐一进行比较分析，从中先找到所有AP在各个信道上的最小干扰强度值I_min=min(I_ij)，同时获知该最小干扰强度值所对应的信道

式中，自然数i和j分别是待配置信道的AP的序号和信道的序号，I_ij为序号为i的AP在第j个信道上扫描到的干扰强度值，I_min为所有AP在各个信道上的最小干扰强度值；

（32）将该最小干扰强度值的信道分配给具有最小干扰强度值的AP，使其能最大程度避免外界环境的干扰；同时，将该AP加入已配置信道的AP集合Q_f；

（33）服务器从集合Q_f中依照顺序将各个已配置信道的AP作为中心AP，再按照下述方法选取距离较近的各个未配置信道AP作为当前配置信道的目标AP_i：该目标AP_i到中心AP的距离d应不大于邻小区的距离门限值d₀，即d≤d₀；式中，目标AP_i与中心AP之间的距离

d₀为邻小区的距离门限值，(x_i,y_i)为目标AP_i的坐标，(x₀,y₀)为中心AP的坐标；自然数i是待配置信道的目标AP的序号；

（34）因为802.11协议规定相邻正交信道的间隔为5个信道，故在这些待配置信道的目标AP_i的频谱中，先删除其中已经配置给其中心AP的信道和其他与已配置信道非正交的信道后，再在剩余的信道中，各自分别寻找其中干扰强度最小的信道作为该一个或多个待配置信道的目标AP_i各自所配置的信道：f_i=arg·{min(I_ij),f≠f₀}，式中，f₀为中心AP的信道；这样既规避了外界干扰、又避免了局部网络内各个AP间的相互干扰；然后，将该已经分配信道的AP加入集合Q_f；

（35）返回执行步骤（33）的操作，直至所有的待配置信道的目标AP_i均分配到信道，使得Q_f=Q。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤（4）包括下列操作内容：

（41）根据路损经验模型，在基站采用不同发送功率时，分别计算其覆盖区域内每个网格处的参考信号接收功率RSRP是否不小于其通信门限值RSRP₀，即判断不等式：RSRP_n≥RSRP₀是否成立，若是，则认为该网格实现了有效覆盖；若否，则认为该网格未实现有效覆盖；式中，自然数下标n是网格序号；

（42）统计和判断所有网格的参考信号接收功率RSRP中实现有效覆盖的网格总数与待配置区域内网格总数的比值是否达到网络覆盖率的门限要求，即判断不等式：

是否成立，若是，则认为该功率组合能够满足覆盖率要求，将其加入满足覆盖率要求的功率集合U：

式中，N为实现有效覆盖的网格总数，N₀为待配置区域内的网格总数，ε为网络覆盖率门限值，

为表示功率组合的向量、且

Γ(x)为真值函数，其定义为

即当x取值为真时，Γ(x)值为1；反之，Γ(x)值为0；

（43）计算集合U中的每个功率组合所对应的能效比EER：式中，S₀是每个网格的面积，p为该功率组合的总发送功率，选取能效比最大的功率组合作为各个待配置信道的AP_i的配置功率，即其中，

为能效比最大的功率组合，即为计算得到的各待配置信道的AP_i的功率组合。

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