CN104219713A - 无线局域网的信道分配和用户关联方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线局域网的信道分配和用户关联方法，包括以下步骤：(a)初始化：终端选择RSSI最大接入点，接入点选择同一信道；(b)根据信道切换规则对接入点进行信道切换；(c)判断信道切换是否达到均衡；(d)如信道切换达到均衡，则根据关联切换规则对终端进行接入点切换；如信道切换不达到均衡，则返回到(b)步骤；(e)判断关联切换是否达到均衡；(f)如关联切换达到均衡，则判断是否发生切换；如关联切换不达到均衡，则返回(d)步骤；(g)如发生切换，则返回(b)步骤；如不发生切换，则结束。本发明解决了在基于IEEE802.11标准的无线局域网的密集型网络下网络负载不均衡、网络时延大的问题。

Description

无线局域网的信道分配和用户关联方法

技术领域

本发明涉及无线局域网通信，尤其涉及一种无线局域网的信道分配和用户关联方法。

背景技术

基于IEEE802.11标准的无线局域网（WLANs）即wifi网络，主要用于解决办公室局域网huo校园网中，用户与用户终端的无线接入。如今，基于IEEE802.11标准的无线局域网（以下简称802.11无线网络）已成为最广泛的无线因特网接入方式。基于IEEE802.11标准的无线局域网使用5GHz频段（802.11a）和2.4GHz免费频段（b、g、n）。基于IEEE802.11标准的无线局域网采用载波侦听技术，多个终端竞争共享信道资源。基于IEEE802.11标准的无线局域网有两种基本结构形式：一种是包含接入点和终端的基础性结构，所有终端和接入点通信接入网络，另一种是仅仅包含若干个终端的独立型网络，也叫ad-hoc网络。前者用于大规模密集的网络类型，后者用于小型、临时的网络。基于IEEE802.11标准的无线局域网可选信道有限，特别是互不相交叠的可用信道数目很少，因此采用信道切换即接入点变换其工作频率方式运行，终端和所关联的接入点工作在同一信道上。所述关联是指终端选择接入点获得网络服务的过程。发送时延是指终端平均发送单位数据包所需的时间。

随着基于IEEE802.11标准的无线局域网的急速发展，网络规模呈现爆炸性增长，在典型的应用场景如机场、办公楼等场所，往往有许多终端需要网络接入服务，因此需要布置较多的接入点，而包含有大量终端和接入点的密集型基于IEEE802.11标准的无线局域网会面临以下挑战:

1.终端始终关联到接收信号强度指示（Received Signal StrengthIndication，RSSI）最大的接入点，往往是最近的接入点，当终端分布不均匀时会导致接入点之间负载不均衡，影响网络资源公平有效分配，降低了网络性能。

2.基于IEEE802.11标准的无线局域网可用信道数目有限，相邻接入点之间不可避免使用同一信道，为缓减接入点之间的竞争干扰水平，须对密集的接入点合理地分配这些信道。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线局域网的信道分配和用户关联方法，解决在基于IEEE802.11标准的无线局域网的密集型网络下网络负载不均衡、网络时延大的问题。

本发明的一种无线局域网的信道分配和用户关联方法，适用于基于IEEE802.11标准的无线局域网，所述无线局域网由多个接入点和多个用户终端组成，同一接入点同一时刻使用同一信道与用户终端通信，用户终端初始与信号最强的接入点通信；该方法包括以下步骤：

(a)初始化：终端选择RSSI最大接入点，接入点选择同一信道；

(b)根据信道切换规则对接入点进行信道切换；

(c)判断信道切换是否达到均衡；

(d)如信道切换达到均衡，则根据关联切换规则对终端进行接入点切换；如信道切换不达到均衡，则返回到(b)步骤；

(e)判断关联切换是否达到均衡；

(f)如关联切换达到均衡，则判断是否发生切换；如关联切换不达到均衡，则返回(d)步骤；

(g)如发生切换，则返回(b)步骤；如不发生切换，则结束。

根据信道切换规则对接入点进行信道切换包括以下步骤：

（a）根据以下公式计算所有信道的发送延时：其中，C_s是接入点s与关联的用户终端之间的发送时延之和，O_ca+O_p等于1.25ms、B_t等于8224bit，是用户终端i和接入点s之间的链路速率，A(q)表示所有使用信道q的接入点集，A_s为所有与接入点s关联的用户终端集；

（b）将所有信道的发送时延按值大小排序，根据切换条件F(Q)>F(p)+C_x，将使用发送时延最大的信道Q的接入点x切换到使用发送时延最小的信道p，其中，F(Q)为切换前发送时延最大信道的发送时延，F(p)为切换前发送时延最小信道的发送时延，C_x为接入点x与关联的用户终端之间的发送时延之和；

（c）重复步骤（a）和（b），直至重新计算后时延最大信道上的接入点不再切换信道为止；

（d）固定信道Q上的接入点信道，对其余信道上的接入点按步骤（a）～(c)重复操作，直至所有信道上的接入点都不再切换信道；

根据关联切换规则对终端进行接入点切换包括以下步骤：

（e）计算所有接入点的发送时延，所述的接入点的发送时延为该接入点与关联的用户终端之间的发送时延之和；

（f）将所有信道的发送时延按值大小排序，将关联发送延时最大信道Q上接入点的用户终端h切换到关联发送延时较小信道上的接入点，其切换条件为：F(CH(m))>F(CH(n))+C_n(A_n∪{h})-C_n(A_n)，且每次选择{F(CH(m))-[F(CH(n))+C_n(A_n∪{h})-C_n(A_n)]}最大的终端进行切换；其中，m是用户终端h当前关联的接入点，F(CH(m))表示接入点m所使用信道的发送时延，n表示目标接入点，F(CH(n))为接入点n所使用信道的发送时延，C_n(A_n)切换前接入点n的发送时延，C_n(A_n∪{h})为切换后接入点n的发送时延；

（g）重复步骤（e）和（f）直至重新计算后最拥塞信道上的终端不再切换接入点为止；

（h）固定信道Q上的终端的关联选择，对其余信道上的终端重复步骤（e）～（g）直至所有的终端不再发生切换；

（i）重复步骤（a）～（h）直至所有接入点不再切换信道、所有终端不再切换接入点。

本发明的方法简单易于实现，适用场景是大规模的基础性结构网络，使用发送时延估算当前信道拥塞程度，通过信道分配和用户关联选择使终端发送时延达到最优，因此能快速完成基于IEEE802.11标准的无线局域网的终端关联操作和接入点的信道分配，并能很好地均衡不用信道之间的负载，提高网络资源利用率，改进网络性能。

附图说明

图1是本发明一个实施例的无线局域网的信道分配和用户关联方法的流程图；

图2是按照传统的802.11协议时（初始态）终端关联和信道分配状态示意图，其中，所有节点选择同一信道；

图3是按照本发明方法的终端关联和信道分配状态示意图，其中，可用的互不交叠的信道数目为3，不同颜色表示不同信道；

图4是本发明实施例仿真时延结果曲线图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。首先需要说明的是，本发明并不限于下述具体实施方式，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来作最宽泛的理解。

本发明的无线局域网的信道分配和用户关联方法，适用于基于IEEE802.11标准的无线局域网，所述无线局域网由多个接入点和多个用户终端组成，同一接入点同一时刻使用同一信道与用户终端通信，用户终端初始与信号最强的接入点通信；该方法的一个实施例，如图1所示，包括以下步骤：

(a)初始化：终端选择RSSI最大接入点，接入点选择同一信道；

(b)根据信道切换规则对接入点进行信道切换；

(c)判断信道切换是否达到均衡；

(d)如信道切换达到均衡，则根据关联切换规则对终端进行接入点切换；如信道切换不达到均衡，则返回到(b)步骤；

(e)判断关联切换是否达到均衡；

(f)如关联切换达到均衡，则判断是否发生切换；如关联切换不达到均衡，则返回(d)步骤；

(g)如发生切换，则返回(b)步骤；如不发生切换，则结束。

其中，根据信道切换规则对接入点进行信道切换，即接入点的信道分配包括以下步骤：

（a）根据以下公式计算所有信道的发送延时：其中，C_s是接入点s与关联的用户终端之间的发送时延之和，O_ca+O_p等于1.25ms、B_t等于8224bit，是用户终端i和接入点s之间的链路速率，A(q)表示所有使用信道q的接入点集，A_s为所有与接入点s关联的用户终端集；

（b）将所有信道的发送时延按值大小排序，根据切换条件F(Q)>F(p)+C_x，将使用发送时延最大的信道Q的接入点x切换到使用发送时延最小的信道p，其中，F(Q)为切换前发送时延最大信道的发送时延，F(p)为切换前发送时延最小信道的发送时延，C_x为接入点x与关联的用户终端之间的发送时延之和；

（c）重复步骤（a）和（b），直至重新计算后时延最大信道上的接入点不再切换信道为止；

（d）固定信道Q上的接入点信道，对其余信道上的接入点按步骤（a）～(c)重复操作，直至所有信道上的接入点都不再切换信道；

根据关联切换规则对终端进行接入点切换，即用户终端的接入点选择包括以下步骤：

（e）计算所有接入点的发送时延，所述的接入点的发送时延为该接入点与关联的用户终端之间的发送时延之和；

（f）将所有信道的发送时延按值大小排序，将关联发送延时最大信道Q上接入点的用户终端h切换到关联发送延时较小信道上的接入点，其切换条件为：F(CH(m))>F(CH(n))+C_n(A_n∪{h})-C_n(A_n)，且每次选择{F(CH(m))-[F(CH(n))+C_n(A_n∪{h})-C_n(A_n)]}最大的终端进行切换；其中，m是用户终端h当前关联的接入点，F(CH(m))表示接入点m所使用信道的发送时延，n表示目标接入点，F(CH(n))为接入点n所使用信道的发送时延，C_n(A_n)切换前接入点n的发送时延，C_n(A_n∪{h})为切换后接入点n的发送时延；

（g）重复步骤（e）和（f）直至重新计算后最拥塞信道上的终端不再切换接入点为止；

（h）固定信道Q上的终端的关联选择，对其余信道上的终端重复步骤（e）～（g）直至所有的终端不再发生切换；

（i）重复步骤（a）～（h）直至所有接入点不再切换信道、所有终端不再切换接入点。

以下结合附图进一步对本发明的实施例作出具体说明。

如图1所示的802.11无线网络的信道分配和用户关联方法，其中，基于IEEE802.11标准的无线局域网包括多个接入点的和用户终端，为了更好地说明该方法，本实施例提供了500×400m²大小的区域，设置接入点数目固定为10，用户终端数目分别为20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270。

用户终端分布有两种类型，一种是均匀随机分布（uniformlydistributed），另外一种是非均匀分布（non-uniformly distributed），即一半用户终端集中分布在250m×200m的中央区域，剩余一半随机分布在整个区域；按照802.11b协议，允许使用的互不交叠的信道一共有3个；

所有接入点都能感知到其余同频接入点的传输状态，路径衰落指数设为3.3，白噪声功率设为-94dBm；终端和接入点的链路速率由802.11b协议规范。

如图1所示，802.11无线网络的信道分配和用户关联方法主要包括两个过程，分别为接入点的信道分配和用户终端的关联选择，其中，接入点的信道分配包括以下步骤：

（a）统计所有信道的发送延时，以信道q为例，它的发送延时为使用信道q的所有接入点与各自关联的用户终端之间的发送时延之和，计算方法如式（1）所示：

$F\left(q\right)=\underset{s\∈A\left(q\right)}{\mathrm{\Σ}}{C}_s=\underset{s\∈A\left(q\right)}{\mathrm{\Σ}}\underset{i\∈A_s}{\mathrm{\Σ}}[O_{\mathrm{ca}}+O_p+\frac{B_t}{R_s^i}]---\left(1\right)$

C_s是接入点s与关联的用户终端之间的发送时延之和，O_ca+O_p等于1.25ms、B_t等于8224bit，是用户终端i和接入点s之间的链路速率，A(q)表示所有使用信道q的接入点数量，A_s为所有与接入点s关联的用户终端数量；

（b）将所有信道的发送时延按值大小排序，将使用发送时延最大的信道Q的接入点x切换到使用发送时延最小的信道p，切换条件为：F(Q)>F(p)+C_x，其中，F(Q)为切换前发送时延最大信道的发送时延，F(p)为切换前发送时延最小信道的发送时延，C_x为接入点x与关联的用户终端之间的发送时延之和；

（c）重复步骤（a）和（b），直至重新计算后时延最大信道上的接入点不再切换信道为止；

（d）固定信道Q上的接入点信道，对其余信道上的接入点按步骤（a）～(c)重复操作，直至所有信道上的接入点都不再切换信道。

所述用户终端的接入点选择包括以下步骤：

（e）统计所有接入点的发送时延，所述的接入点的发送时延为该接入点与关联的用户终端之间的发送时延之和；

（f）将所有信道的发送时延按值大小排序，将关联发送延时最大信道Q上接入点的用户终端h切换到关联发送延时较小信道上的接入点，切换条件为：

F(CH(m))>F(CH(n))+C_n(A_n∪{h})-C_n(A_n)

且每次选择{F(CH(m))-[F(CH(n))+C_n(A_n∪{h})-C_n(A_n)]}最大的终端进行切换，其中，m是用户终端h当前关联的接入点，F(CH(m))表示接入点m所使用信道的发送时延，n表示目标接入点，F(CH(n))为接入点n所使用信道的发送时延，C_n(A_n)切换前接入点n的发送时延，C_n(A_n∪{h})为切换后接入点n的发送时延；

（g）重复步骤（e）和（f）直至重新计算后最拥塞信道上的终端不再切换接入点为止；

（h）固定信道Q上的终端的关联选择，对其余信道上的终端重复步骤（e）～（g）直至所有的终端不再发生切换；

（i）重复步骤（a）～（h）直至所有接入点不再切换信道、所有终端不再切换接入点。

图2是按照传统的802.11协议时（初始态）终端关联和信道分配状态示意图，其中，所有节点选择同一信道；图3是按照本发明方法的终端关联和信道分配状态示意图，其中，可用的互不交叠的信道数目为3，如红、绿、蓝三种不同颜色所示的不同信道。

采用指标信道间发送时延公平指数（Fairness Index）来衡量信道间负载均衡效果，其定义如下：

$\mathrm{FarinessIndex}=\frac{{\left(\underset{q\∈Q}{\mathrm{\Σ}}F\left(q\right)\right)}^2}{Q\underset{q\∈Q}{\mathrm{\Σ}}{F}^2\left(q\right)}$

对于公平指数而言，值在0～1之间变化，当且仅当F(q)都相等的时候等于1，表示完全均衡。因此，公平指数越靠近1表示负载均衡效果越好。

图4给出公平指数随着终端数目变化时的大小。其中，横坐标表示终端数目变化，纵坐标表示该数目终端下两种终端分布的50次仿真中最小的公平指数。

从图中可以看到，在两种终端分布下本方法都可以使信道时延公平指数接近于1，有效均衡信道间负载。公平指数随着终端数目增加而更接近1，说明本方法非常适应密集型的无线网络。

综上所述，本发明的方法简单易于实现，适用场景是大规模的基础性结构网络，使用发送时延估算当前信道拥塞程度，通过信道分配和用户关联选择使终端发送时延达到最优，因此能快速完成基于IEEE802.11标准的无线局域网的终端关联操作和接入点的信道分配，并能很好地均衡不用信道之间的负载，提高网络资源利用率，改进网络性能。

应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种无线局域网的信道分配和用户关联方法，适用于基于IEEE802.11标准的无线局域网，所述无线局域网由多个接入点和多个用户终端组成，同一接入点同一时刻使用同一信道与用户终端通信，用户终端初始与信号最强的接入点通信；其特征在于，该方法包括以下步骤：

(a)初始化：终端选择RSSI最大接入点，接入点选择同一信道；

(b)根据信道切换规则对接入点进行信道切换；

(c)判断信道切换是否达到均衡；

(d)如信道切换达到均衡，则根据关联切换规则对终端进行接入点切换；如信道切换不达到均衡，则返回到(b)步骤；

(e)判断关联切换是否达到均衡；

(f)如关联切换达到均衡，则判断是否发生切换；如关联切换不达到均衡，则返回(d)步骤；

(g)如发生切换，则返回(b)步骤；如不发生切换，则结束。

2.根据权利要求1所述的无线局域网的信道分配和用户关联方法，其特征在于，根据信道切换规则对接入点进行信道切换包括以下步骤：

（a）根据以下公式计算所有信道的发送延时：其中，C_s是接入点s与关联的用户终端之间的发送时延之和，O_ca+O_p等于1.25ms、B_t等于8224bit，是用户终端i和接入点s之间的链路速率，A(q)表示所有使用信道q的接入点集，A_s为所有与接入点s关联的用户终端集；

（b）将所有信道的发送时延按值大小排序，根据切换条件F(Q)>F(p)+C_x，将使用发送时延最大的信道Q的接入点x切换到使用发送时延最小的信道p，其中，F(Q)为切换前发送时延最大信道的发送时延，F(p)为切换前发送时延最小信道的发送时延，C_x为接入点x与关联的用户终端之间的发送时延之和；

（c）重复步骤（a）和（b），直至重新计算后时延最大信道上的接入点不再切换信道为止；

（d）固定信道Q上的接入点信道，对其余信道上的接入点按步骤（a）～(c)重复操作，直至所有信道上的接入点都不再切换信道。

3.根据权利要求1或2所述的无线局域网的信道分配和用户关联方法，其特征在于，根据关联切换规则对终端进行接入点切换包括以下步骤：

（e）计算所有接入点的发送时延，所述的接入点的发送时延为该接入点与关联的用户终端之间的发送时延之和；

（f）将所有信道的发送时延按值大小排序，将关联发送延时最大信道Q上接入点的用户终端h切换到关联发送延时较小信道上的接入点，其切换条件为：F(CH(m))>F(CH(n))+C_n(A_n∪{h})-C_n(A_n)，且每次选择{F(CH(m))-[F(CH(n))+C_n(A_n∪{h})-C_n(A_n)]}最大的终端进行切换；其中，m是用户终端h当前关联的接入点，F(CH(m))表示接入点m所使用信道的发送时延，n表示目标接入点，F(CH(n))为接入点n所使用信道的发送时延，C_n(A_n)切换前接入点n的发送时延，C_n(A_n∪{h})为切换后接入点n的发送时延；

（g）重复步骤（e）和（f）直至重新计算后最拥塞信道上的终端不再切换接入点为止；

（h）固定信道Q上的终端的关联选择，对其余信道上的终端重复步骤（e）～（g）直至所有的终端不再发生切换；

（i）重复步骤（a）～（h）直至所有接入点不再切换信道、所有终端不再切换接入点。