CN104754747B - 高密度无线局域网部署的信道分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的高密度无线局域网部署的信道分配方法，其特征在于：包括a.寻找临时可用的空白频谱资源，并确定其信道的优先级；b.建立潜在干扰预测模型，所述潜在干扰预测模型为工作信道、可用域和干扰域的关系模型；c.根据潜在干扰预测模型，进行信道分配；本发明适用于密集部署WLAN的场所，可以通过频谱感知获得临时可用的WS信道资源，能避免由于I SM信道资源不足导致的阻塞和干扰。并通过制定信道优先级，优先选用I SM信道并尽可能不分配WS信道，可以有效避免对授权用户造成干扰和WLAN用户站点频繁切换。本发明的AP之间无需交互信息，非协调执行信道分配。利用模拟退火算法为AP选择工作信道，兼顾了频谱异质性，解决了WLAN密集部署造成的信道冲突、小区干扰、用户效用和公平性等性能指标恶化问题。

Description

高密度无线局域网部署的信道分配方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种高密度无线局域网部署的信道分配方法。
背景技术
随着计算机技术、微电子技术和数字信号处理技术的发展，无线通信技术取得了非凡的进步。无线局域网(wireless local area network,简称WLAN)利用无线射频(radiofrequency,简称RF)技术，以无线电波作为传输介质，通过设计相应的信道多址接入与控制协议支持便携式终端随时随地接入并访问互联网，为通信移动化、个性化和多媒体应用提供了可能。
由于无线频谱的排他性和不可再生性，任何无线通信网络都不可能有足够多的独立信道分配给网内每个站点/终端使用，而分配给WLAN的工作频段主要在2.4GHz和5.8GHz的ISM频段，完全正交的信道仅有3个。因此，基于有限的无线信道资源部署WLAN必须首先设计信道共享利用和资源分配机制。目前，WLAN已广泛部署在住宅小区、办公大楼、公共场所等室内外区域，用以组建无线企业网、区域无线专网等。WLAN密集部署会带来3个问题：一是有限正交信道资源与接入点覆盖小区高度重叠，必然造成信道冲突；二是存在严重的小区间干扰；三是用户效用和公平性等性能指标恶化。配置了频谱感知功能的WLAN设备通过分析无线通信场景，能获取F当前临时可用的空白(white space,WS)频谱资源，为WLAN提供了动态可用的新的通信资源。WLAN实时寻找并动态接入WS频段，能缓解甚至消除覆盖区域重叠带来的信道接入冲突，但WLAN非协调部署仍需制定合理的信道分配机制，使每个WLAN设备在ISM频段或WS频段选择工作信道。与基于预留的信道分配机制不同，基于ISM频段和WS频段的WLAN信道分配机制需要解决两个问题：一是确定信道优先级，即在ISM信道和WS信道之间进行选择时，除了避免彼此干扰外，信道优先级也应纳入考虑；二是确定频谱异质性指标，即对不同的接入点(access point,AP)，信道可用性是不同的，与授权用户(primaryuser,PU)的位置和活跃度有关。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种高密度无线局域网部署的信道分配方法以解决上述问题。
本发明提供的高密度无线局域网部署的信道分配方法，包括：
a.寻找临时可用的空白频谱资源，并确定其信道的优先级；
b.建立潜在干扰预测模型，所述潜在干扰预测模型为工作信道、可用域和干扰域的关系模型；
c.根据潜在干扰预测模型，进行信道分配。
进一步，步骤c包括根据潜在干扰预测模型，利用分布式非协调信道分配算法进行信道分配。
进一步，所述潜在干扰预测模型为：
IPi(y,z)＝(UAz∩IAy→z)/UAz
其中，y,z分别代表干扰设备和被干扰设备；UAz是z的可用域，IAy→z是y和z之间的干扰域；i为工作信道，IPi(y,z)为z的可用域UAz中存在潜在干扰的百分比。
进一步，所述分布式非协调信道分配算法包括
c1.获取可用的空白频谱资源并构成当前潜在可用信道集合；
c2.在当前潜在可用信道集合中，优先选择ISM信道；
c3.根据效用函数表征接入点在寻找工作信道时的选择偏好；
c4.当接入点检测到网络环境变化时，在所述可用信道集合中依据步骤c2确定的优先级随机选取一条信道i作为当前工作信道分配给接入点；
c5.根据步骤c2确定的优先级选取一条信道作为分配给接入点的候选信道；
c6.重复执行c5，直到可用信道集合中的所有信道轮询完毕。
进一步，步骤c3中所述效用函数为
其中，q为时的效用值，s决定效用函数的斜率。
进一步，步骤c5还包括根据效用函数，选择是否更换信道。
进一步，当授权用户在空白频谱资源的信道上的干扰小于其接收灵敏度与保护容限之差时，则该信道可被接入点占用。
进一步，所述保护容限根据衰落余量和最小接收信干比获取。
进一步，步骤c1还包括根据潜在干扰预测模型生成接入点的可用信道集合。
本发明的有益效果：本发明适用于密集部署WLAN的场所，可以通过频谱感知获得临时可用的WS信道资源，能避免由于ISM信道资源不足导致的阻塞和干扰。并通过制定信道优先级，优先选用ISM信道并尽可能不分配WS信道，可以有效的避免对授权用户造成干扰和WLAN用户站点频繁切换。本发明的AP之间无需交互信息，非协调执行信道分配。利用模拟退火算法为AP选择工作信道，兼顾了频谱异质性，解决了WLAN密集部署造成的信道冲突、小区干扰、用户效用和公平性等性能指标恶化的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明所述高密度无线局域网部署场景示意图。
图2是本发明所述潜在干扰预测模型示意图。
图3是本发明所述分布式非协调信道分配算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明所述高密度无线局域网部署场景示意图；图2是本发明所述潜在干扰预测模型示意图；图3是本发明所述分布式非协调信道分配算法流程图，如图1、2、3所示：
本发明的高密度无线局域网部署的信道分配方法，包括
a.寻找临时可用的空白频谱资源，并确定其信道的优先级；
b.建立潜在干扰预测模型，所述潜在干扰预测模型为工作信道、可用域和干扰域的关系模型；
c.根据潜在干扰预测模型，进行信道分配；
步骤c包括根据潜在干扰预测模型，利用分布式非协调信道分配算法进行信道分配。所述潜在干扰预测模型为：
IPi(y,z)＝(UAz∩IAy→z)/UAz
其中，y,z分别代表干扰设备和被干扰设备；UAz是z的可用域，IAy→z是y和z之间的干扰域；i为工作信道，IPi(y,z)为z的可用域UAz中存在潜在干扰的百分比。
在本实施例中，如图1所示的高密度无线局域网部署场景，本实施例中的的用于高密度无线局域网部署的信道分配方法，采用能量检测法寻找临时可用的空白(whitespace,简称WS)信道资源；基于可用域和干扰域建立潜在干扰预测模型；采用执行分布式非协调算法进行信道分配。本实施例中以698-806MHz TV频段作为寻找WS信道资源的待测频段，该频段由于数字电视的广泛商用，存在部分空白信道资源，按照每信道8MHz带宽划分为14个信道，频谱感知模块顺序执行各信道占用/空闲状态监测，寻找当前临时可用的WS信道资源。针对某个待测信道，能量检测判决统计量为：
其中，L为观察时间窗口长度，x[n]为接收信号采样序列。如果时刻n的判决统计量大于预定门限值，则判定该信道被占用，否则判定为空闲。
如图2所示，潜在干扰预测模型依据下列原则建立：接入点(access point,简称AP)是否占用WS信道取决于授权用户与AP的位置及其对二者之间潜在干扰的预测，当授权用户接收机在某条WS信道上的干扰ISP小于其接收灵敏度SP减去保护容限MP，即ISP≤SP-MP时，信道可被AP占用；当某台AP欲占用某条WS信道时，要求其接收到来自授权用户的干扰IPS小于其接收灵敏度减去保护容限MS，即IPS≤SS-MS。保护容限MP和MS的设定取决于衰落余量和最小接收信干比，用来定义授权用户和AP的可用域和干扰域，其中可用域为某指定服务的覆盖区域，而干扰域为接收机暴露在发射机产生不可接受的干扰区域，对于采用全向天线和同质传播情形，从空间上看，可用域和干扰域均为圆形区域，如图3所示，可用域和干扰域半径L0为基准传播距离的信道损耗，α为传播损耗指数(城区为2.7-3.5；城市阴影区为3-5；直视楼房为1.6-1.8；阻塞楼房为4-6；厂区为2-3)，x是授权用户或AP，Px,Sx分别是传输功率和灵敏度，进而建立潜在干扰预测模型。
在本实施例中，分布式非协调信道分配算法包括
c1.获取可用的空白频谱资源并构成当前潜在可用信道集合；
c2.在当前潜在可用信道集合中，优先选择ISM信道；
c3.根据效用函数表征接入点在寻找工作信道时的选择偏好；
c4.当接入点检测到网络环境变化时，在所述可用信道集合中依据步骤c2确定的优先级随机选取一条信道i作为当前工作信道分配给接入点；
c5.根据步骤c2确定的优先级选取一条信道作为分配给接入点的候选信道
c6.重复执行c5，直到可用信道集合中的所有信道轮询完毕。
步骤c1还包括根据潜在干扰预测模型生成接入点的可用信道集合。
步骤c3中所述效用函数为
其中，q为时的效用值，s决定效用函数的斜率。
步骤c5还包括根据效用函数，选择是否更换信道。
在本实施例中，根据潜在干扰预测模型，AP对WS信道的可用性取决于两个条件：一是授权用户的可用域不能与AP的干扰域重叠，即IPi(AP,PU)＝0；二是AP的可用域与授权用户的干扰域重叠区域不能超过设定阈值IPmax，即IPi(PU,AP)≤IPmax。
在本实施例中，分布式非协调信道分配算法基于模拟退火算法：
1、根据WLAN授权拥有的ISM信道数CISM和频谱感知获得的WS信道数CWS构成当前潜在可用信道集合CT＝CISM+CWS，依据潜在干扰预测模型生成AP的可用信道集合C(AP)＝{ci|1≤i≤CT∧ci＝1}，ci＝1表示对AP可用；
2、确定可用信道的优先级，在可用信道集合中，用0标识属于CISM的信道，用1标识属于CWS的信道，在候选信道选择时，首先选择标识为0的信道，当所有标识为0的可用信道均分配完后再选择标识为1的信道；
3、构建效用函数表征寻找工作信道时，AP对信道i的偏好：
其中q为时的效用值，s决定效用函数的斜率；
4、当AP检测到任何网络环境变化(AP数增减、WS信道数增减)时，在可用信道集合C(AP)中依据步骤二确定的优先级随机选取一条信道i作为当前工作信道分配给AP，同时设置初始温度T0、冷却速率CR和预定常数K等模拟退火算法参数，运行模拟退火算法计算效用函数值
5、再依据步骤二确定的优先级选取一条信道j作为分配给AP的候选信道，其选择原则为：运行模拟退火算法计算候选信道j的效用函数值如果表示效用值增加，将候选信道分配给AP；如果依据概率Pr[K,T]＝e-K/T确定是否更换信道；如果当前信道不变；
6、重复执行步骤五，直到可用信道集合中的所有信道轮询完毕，分配算法结束。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种高密度无线局域网部署的信道分配方法，其特征在于：包括
a.寻找临时可用的空白频谱资源，并确定其信道的优先级；
b.建立潜在干扰预测模型，所述潜在干扰预测模型为工作信道、可用域和干扰域的关系模型；
c.根据潜在干扰预测模型，进行信道分配；利用分布式非协调信道分配算法进行信道分配；所述分布式非协调信道分配算法包括
c1.获取可用的空白频谱资源并构成当前潜在可用信道集合；
c2.在当前潜在可用信道集合中，优先选择ISM信道；
c3.根据效用函数表征接入点在寻找工作信道时的选择偏好；
c4.当接入点检测到网络环境变化时，在所述可用信道集合中依据步骤c2确定的优先级随机选取一条信道i作为当前工作信道分配给接入点；
c5.根据步骤c2确定的优先级选取一条信道作为分配给接入点的候选信道；
c6.重复执行c5，直到可用信道集合中的所有信道轮询完毕。
2.根据权利要求1所述的高密度无线局域网部署的信道分配方法，其特征在于：所述潜在干扰预测模型为：
IPi(y,z)＝(UAz∩IAy→z)/UAz
其中，y,z分别代表干扰设备和被干扰设备；UAz是z的可用域，IAy→z是y和z之间的干扰域；i为工作信道，IPi(y,z)为z的可用域UAz中存在潜在干扰的百分比。
3.根据权利要求1所述的高密度无线局域网部署的信道分配方法，其特征在于：步骤c3中所述效用函数为
其中，q为时的效用值，s决定效用函数的斜率，其中，IP为z的可用域UAz中存在潜在干扰的百分比。
4.根据权利要求3所述的高密度无线局域网部署的信道分配方法，其特征在于：步骤c5还包括根据效用函数，选择是否更换信道。
5.根据权利要求4所述的高密度无线局域网部署的信道分配方法，其特征在于：当授权用户在空白频谱资源的信道上的干扰小于其接收灵敏度与保护容限之差时，则该信道可被接入点占用。
6.根据权利要求5所述的高密度无线局域网部署的信道分配方法，其特征在于：所述保护容限根据衰落余量和最小接收信干比获取。
7.根据权利要求1所述的高密度无线局域网部署的信道分配方法，其特征在于：步骤c1还包括根据潜在干扰预测模型生成接入点的可用信道集合。
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