CN103476101A - 基于信道分配和功率控制联合优化的无线资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道分配和功率控制联合优化的无线资源分配方法。基于相邻AP的信道不重叠的原则，优化AP的信道分配，并以此为基础再对信道质量好的AP，进行功率调节。根据估测AP与用户间的距离，计算功率调节的范围，并在该范围内以SINR平衡准则调节AP的发射功率。该发明充分利用了有限的无线信道进行信道分配，并结合有效的功率调节，大大降低了网络内的干扰，增加了整个网络的吞吐量，且解决了因调节功率而带来的覆盖空洞问题，保证了用户的QoS，此外，该方法可在不增加额外的通信开销的基础上，协调属于不同管理域的AP。

Description

基于信道分配和功率控制联合优化的无线资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，是一种实时动态的分布式无线资源分配方法。该方法主要应用于密集型WLAN网络中，能够有效地降低网络中的干扰并提高整个网络的吞吐量。

背景技术

近年来，无线局域网（WLAN）由于配置简单，成本较低而得到广泛应用。运营商使用WLAN来分流3G网络中的流量，以减轻3G网络的负担，为了实现WLAN的无缝覆盖，预计将在全国范围内架设数百万个无线接入点（AP），而且企业和个人也可以根据其需求，在公司和家庭中安置AP，从而导致了AP的密度较高和网络性能的下降，所以如何合理地分配无线资源以提高网络性能是WLAN发展中面临的重要挑战。

在WLAN中，频率和功率是重要的无线资源，通常情况下，被设置为默认值，导致AP在覆盖范围和传输信道上重叠而产生严重的同频干扰。此外，不同的AP往往属于不同的管理域，因此无法集中管理，而分布式管理中，AP往往具有“自私性”，即其是以最大化自己的吞吐量为目标，而忽略了整个网络的性能，所以如何在分布式管理下最大化整个网络的吞吐量成为研究的热点。现有的WLAN网络资源分配中主要存在以下两个难点。（1）无线信道有限问题：如图1所示，WLAN在2.4GHz的频段上共有13个信道，每个信道的带宽为22MHz，相邻的信道间的间隔却只有5MHz，必然会导致信道之间在频率上存在重叠，存在重叠区域的信道称为重叠信道，不存在重叠区域的信道则称为不重叠信道。高密度的WLAN网络中，邻居AP数量远大于可用的不重叠信道数，因此，相邻AP间设置为相同的信道而产生同频干扰；（2）覆盖空洞问题：发射功率的大小会影响其覆盖范围，所以当减小发射功率时，覆盖范围也随之变小，而导致用户不再在其AP的通信范围之内，无法保证用户的QoS。

现有的资源分配方法主要有‘信道分配’，‘功率控制’，‘联合优化的信道分配和功率控制’，大部分的研究集中在单独使用信道分配或功率控制上，但IanaSio mina和Jiayuan Chen分别在两篇不同的文章中用实验证明了相比于这两种方法，联合优化的信道分配和功率控制方法在提高网络性能上更加具有优势。

联合优化的信道分配和功率控制方法最早应用于蜂窝网中以减小掉话率，随后在认知无线电网络中得到了广泛应用，其可在限定对授权用户的干扰的情况下，最大化网络中授权用户和非授权用户的吞吐量，近年来，WLAN网络开始使用这类方法用于解决密集型网络中的干扰问题。Yang Song等人从博弈论的角度优化信道分配和功率控制，Jiayuan Chen等人提出了一种分布启发式算法，AP先随机地选择不重叠信道，再进行基于SINR平衡算法的功率调节，IanaSio mina等人为了充分利用信道资源，在信道分配中使用了重叠信道，但是以上这些方法中均未考虑到功率控制带来的覆盖空洞问题，Sueng Jac Bac等人通过在相邻AP之间交换信息解决这个问题，却引入了额外的通信开销。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于联合优化的信道分配和功率控制的无线资源分配方法。该方法在尽量增大相邻AP间的信道间隔的基础上，选用重叠的无线信道，并考虑了功率控制带来的覆盖空洞问题，通过对AP与用户间距离的估测解决该问题。该方法旨在降低相邻AP间的同频和邻频干扰，进而提高用户吞吐量，有效的利用频率资源，在保持通信链路的情况下，减小AP的能量消耗，最终提高整个网络性能。

WLAN包括两个传输方向，分别为上行链路即从用户将数据上传到AP和下行链路即AP将数据传递到用户，下行链路的流量远远大于上行链路的流量，所以本发明中提出的联合优化的信道分配和功率控制算法主要应用于高密度WLAN网络的下行链路，与实际应用情况相同，WLAN中包括多个具有星型拓扑结构的基本服务集，基本服务集中包括一个AP及多个用户，用户的终端设备支持IEEE802.11b/g协议，该方法具体通过如下的技术方案来实现：

在优化的信道分配下，进行功率调节更易保证通信质量，为了降低因减小功率而对网络性能带来的影响，在本发明中，AP从重叠信道中随机选择一个作为自己的传输信道，在AP与邻居AP所用信道重叠的情况下，AP重新选择信道，直至满足用户的信号与干扰加噪声比（SINR）大于保证链路质量所需的SINR阈值。信道重新选择的具体步骤下如：

（1）由图2可以得到每个邻居AP的不重叠信道集合，由于AP有M个邻居AP，故可以得到M个不重叠信道集合。

（2）对M个不重叠信道集合取交集。

（3）若该交集为空，AP选择具有最大信号接收强度（RSSI）的信道作为传输信道，否则随机地从该交集中选择一个信道作为传输信道。

信道分配得到优化后，在保持通信链路不断的情况下，根据SINR平衡准则，周期性地调节发射功率。功率控制的具体步骤如下：

（1）根据无线信道传输模型及用户的RSSI值，估测用户与AP间的相对距离

其中RSSI的单位为dBm，d的单位为km。

（2）由（1）中得到的相对距离d，根据公式P_min=P_max*d/d_max，计算保持通信链路的最小发射功率P_min，其中P_max是AP的最大发射功率，d_max是对应的最大覆盖范围。

（3）由SINR平衡准则P/P_max=R_th/R，计算保证通信质量的发射功率P，R为该AP的SINR值，R_th为保证链路质量的最小SINR值。

（4）若P大于P_min，将发射功率调节到P，否则将发射功率调节到

P_min。

本发明针对研究高密度WLAN网络中AP与用户之间的下行链路，一个AP内通常有多个用户，且具有星型拓扑结构，通常用户会接入与自己距离最近的AP，且每个AP在每个时隙内只与一个用户通信。当用户处于多个AP的通信范围之内时，定义用户受到的干扰为会对SINR值有影响但不会阻断通信的累加噪声。本发明所应用的网络模型中AP与用户的位置可以是移动和变化的。由于该算法是分布式的，所以整个算法可单独在AP内执行，而且无需AP之间额外的通信开销。

与上述现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明对信道分配和功率控制进行了联合优化，充分利用了无线资源，并考虑了功率控制带来的覆盖空洞问题，在保持通信链路不断开的前提下，减小发射功率，实现了在密集型WLAN网络中，降低干扰，提高整个网络中的用户吞吐量和减小能量消耗的目标。

附图说明

图1为WLAN网络在2.4GHz频段上的信道分布图。

图2为WLAN网络中13个可用信道的不重叠信道集合分布图。

图3为简化的无线信道传输模型。

图4为本发明基于联合优化的信道分配和功率控制的无线资源分配方法的具体流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本实施例中应用网络模型具体如下：将150个AP随机分布在300m*300m的区域中，该网络有如下性质，WLAN网络由多个基本服务集组成，每个基本服务集包括一个AP及多个用户，且呈现出星型网络结构。AP在每个时隙内只与一个用户通信，用户使用的终端设备支持IEEE802.11b/g标准，且AP和用户的位置可以不固定，各个基本服务集中的AP间无需相互通信。

本实施例是基于如图3所示的无线传输模型，由于AP1和AP2在覆盖范围上重叠，且用户1处于他们的重叠区域，所以用户1在与AP1通信时会受到AP2的干扰，将用户1受到的干扰定义为只影响SINR大小，但不会阻断通信的累加干扰，记为In₁，表示为

In₁=G₁₂P₂X₁₂

其中G为信道增益，P为发射功率，X为信道间的影响因子，是一个介于0与1之间的小数，两个信道之间的重叠区域越大，相互干扰越大，其值越趋近于1。SINR值通常与吞吐量相关联，故可衡量通信链路质量，SINR值越大，说明通信链路质量越好，在图3的无线传输模型中，用户1的SINR记为R₁，可表示为

$R_1=\frac{G_{11}{P}_1}{G_{12}{P}_2{X}_{12}+N_1}$

N为加性高斯白噪声。

基于上面的无线传输模型，将WLAN网络中AP的数量由2个扩展到150个时，与APi通信的用户i所受到的干扰及SINR值分别表示为

${\mathrm{In}}_i=\underset{i\≠j}{\mathrm{\Σ}}{G}_{\mathrm{ij}}{P}_j{X}_{\mathrm{ij}}$

$R_i=\frac{G_{\mathrm{ii}}{P}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i\≠j}{G}_{\mathrm{ij}}{P}_j{X}_{\mathrm{ij}}+N_i}$

优化的信道分配有助于缓解功率控制带来的影响，所以在该方法中，信道重叠的相邻AP先重新选择信道，直至通信链路的质量得到保证，即AP的SINR值大于设定的阈值R_th，再调节其发射功率，以减小与其邻居AP之间的重叠区域，最终达到减小干扰，提高吞吐量的目标。

信道分配：按照IEEE802.11协议的规定，在2.4GHz上的可用信道共有13个，每个信道的带宽为22MHz，相邻信道之间的信道间隔为5MHz，常用的不重叠信道只有信道1，信道6和信道11，这种方法浪费了本就不充足的频率资源，实际上，如图2所示，信道的不重叠信道有4至8个。AP可以通过能量检测感知其邻居AP的信道，尽可能的选择与其邻居AP信道间隔大的信道，以减小同频和邻频干扰。

功率控制：根据香农定理可知，当增大SINR值，吞吐量也会随之增加，但是在实际中，会存在边缘效应，即当SINR达到相应的阈值之后，即使再增加SINR，吞吐量也不会有大的提高，故根据SINR平衡准则来调整功率，即把SINR恒定到保证链路质量的SINR阈值上，但减小发射功率的过程中，AP的覆盖范围也会减小，导致用户在AP的通信范围之外。2.4GHz视距情况下的无线信道衰落模型可以表示为

PL(dBm)=100+10logd

且PL(dBm)＝P(dBm)－RSSI(dBm)

所以AP与用户之间的距离d可以表示为

$d={10}^{\frac{-\mathrm{RSSI}-80}{20}}$

由d估算出保持通信链路的最小发射功率，并在这个范围内进行功率调节。

本实施例的工作流程如下：

（1）网络初始化：将150个AP随机分布在300m*300m的区域中，每个AP将发射功率P设置为最大值，并随机地从13个重叠信道选择一个作为其传输信道C。

（2）AP通过能量检测方法感知M个邻居AP的传输信道，分别为C1，C2，…，Cm。

（3）判断其传输信道C与邻居AP的传输信道C1，C2，…，Cm是否存在重叠，如果存在，则重新选择传输信道，否则，跳到步骤（4）。

（4）计算AP的信号与干扰加噪声比（SINR）。

（5）判断AP的SINR值是否大于保证链路质量的最小SINR值，若是，则调节发射功率，若否，则跳到步骤（2）。

（6）该周期结束，开始下一周期，跳到步骤（4）。信道重新选择的具体实施步骤如下：

（1）根据图2，分别得到每个邻居AP传输信道的不重叠信道集合N1，N2，…，Nm。

（2）对N1，N2，…，Nm取交集，记为I。

（3）判断I是否为空，若为空，则选择具有最大RSSI值的信道作为传输信道，若不为空，则随机的从I中选择一个作为传输信道。

功率调节的具体实施步骤如下：

（1）根据无线信道传输模型及用户的RSSI值，估测用户与AP间的相对距离

其中RSSI的单位为dBm，d的单位为km。

（2）由（1）中得到的相对距离d，根据公式p_min=p_max*d/d_max，计算保持通信链路的最小发射功率P_min，其中P_max是AP的最大发射功率，d_max是对应的最大覆盖范围。

（3）由SINR平衡准则P/P_max=R_th/R，计算保证通信质量的发射功率P，R为该AP的SINR值，R_th为保证链路质量的最小SINR值。

（4）若P大于P_min，将发射功率调节到P，否则将发射功率调节到P_min。

Claims (3)

1.一种基于信道分配和功率控制联合优化的分布式无线资源分配方法，其在AP上进行信道选择和功率调节的特征包括：

A.AP随机地选择一个重叠信道作为其传输信道；

B.AP通过能量检测感知其邻居AP的传输信道；

C.判断是否与邻居AP的信道重叠，如果是则重新选择信道，否则跳到步骤D；

D.计算AP的信号与干扰加噪声比（SINR）；

E.判断AP的SINR值是否大于保证链路质量的最小SINR，若是，则调节该AP的发射功率，若否，则跳到步骤B；

F.该周期结束，开始下一周期，跳到步骤D。

2.如权利要求1所述方法，其传输信道的重新选择特征在于，根据802.11协议在2.4GHz信道分布情况，分别得到每一个邻居AP传输信道的不重叠信道集合，对这些集合取交集，如果交集不为空，则随机地从该交集选择一个信道作为该AP传输信道，如果交集为空，则选择接收信号强度（RSSI）最大的信道作为该AP的传输信道。

3.如权利要求1所述方法，其功率调节特征在于，根据公式

估测AP与其用户之间的距离d，单位为km，其中RSSI为接收信号强度，单位为dBm，计算保持通信链路的最小发射功率P_min=P_max*d/d_max，其中P_max是AP的最大发射功率，d_max是对应的最大覆盖范围。由SINR平衡准则，计算保证链路质量的发射功率P=P_max*R_th/R，R为该AP的SINR值，R_th为保证链路质量的最小SINR值。如果P大于P_min，则将发射功率调整到P，否则，将发射功率调整到P_min。

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