CN105208661A - 一种无线网络的信道分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线网络信道的分配方法及系统，本发明利用了跨层设计的思想，在现有技术中各节点之间进行互相通信的数据只有网络层路由协议中的路由请求的基础上，发送方节点加入了自己的MAC层的信道使用情况，接收方节点根据发送方节点的信道使用情况更新自己的信道使用情况，这样每个节点能够根据当前网络的容量进行路由，进而合理地分配信道，直至第N节点得到源节点至目的节点的信道分配信息。以此，本发明有效解决了现有技术中节点数增加加剧节点间的竞争和分组发送的冲突，导致信道利用率降低和网络性能急剧下降的问题。

Description

一种无线网络的信道分配方法及系统

技术领域

本发明涉及信道分配技术领域，特别是涉及一种无线网络信道的分配方法及系统。

背景技术

目前，无线网状网(WMN)是一种由Mesh路由器和Mesh终端设备以无线链路形式连接的静态无线网络，Mesh路由器通过无线互联构成骨干网络，将Mesh客户端与网关通过多跳连接起来，为客户端提供Internet服务，被认为Internet的无线版本。WMN网络部署简单、成本低廉，但是随着无线网络用户及业务量的急剧增加，用户对带宽的要求也随之成比例增长，如何提高网络容量是无线Mesh网络发展的一个关键问题。

传统的无线Mesh网络信道研究做得比较多的是单信道MAC协议，其设计难点主要集中在解决隐藏终端和暴露终端问题，大多数的协议都采用RTS/CTS分组的预约机制来解决该问题。但是，采用单信道的一个共同问题就是移动节点数的增加将加剧节点间的竞争和分组发送的冲突，这会导致信道利用率降低，网络性能急剧下降。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种无线网络信道的分配方法及系统，以解决现有技术中节点数增加加剧节点间的竞争和分组发送的冲突，导致信道利用率降低和网络性能急剧下降的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种无线网络信道的分配方法，源节点为第1级节点，得到所述源节点至目的节点的信道分配信息的节点为第N节点，N>1，该方法包括：

所述第1级节点确定自己的信道使用情况和路由请求，将所述第1级节点的信道使用情况和路由请求打包成第1路由数据包，并将所述路由数据包发送至第2级节点；

所述第i+2级节点利用所述第i+1级节点的信道使用情况更新自己的信道使用情况，利用更新后的信道使用情况和所述路由请求，得到所述第1级节点至所述第i+2级节点的信道分配信息；将所述更新后的信道使用情况和所述路由请求打包成第i+2路由数据包，并将所述第i+2路由数据包发送至第i+3级节点；其中，i＝0,1,2,……,N-2；

循环上述步骤，直至所述第N节点得到所述源节点至所述目的节点的信道分配信息。

上述方法中，优选的，在所述第N节点得到所述源节点至所述目的节点的信道分配信息之后，还包括：

所述第N节点按照得到的所述第1级节点至所述第N级节点的信道分配信息，将得到的所述源节点至所述目的节点的信道分配信息发送至所述源节点。

上述方法中，优选的，所述第1级节点将所述路由数据包发送至第2级节点，所述第2级节点为所述第1级节点的预设干扰范围内的节点；

所述第i+2级节点将所述第i+2路由数据包发送至第i+3级节点，第i+3级节点为所述第i+2级节点的预设干扰范围内的节点。

上述方法中，优选的，所述第1级节点通过查找自己的信道信息表来确定自己的信道使用情况。

本发明提供了一种无线网络信道的分配系统，源节点为第1级节点，得到所述源节点至目的节点的信道分配信息的节点为第N节点，N>1，该系统包括：

所述第1级节点，用于确定自己的信道使用情况和路由请求，将所述第1级节点的信道使用情况和路由请求打包成第1路由数据包，并将所述路由数据包发送至第2级节点；其中，所述路由请求包括所述源节点的地址和所述目的节点的地址；

所述第i+2级节点，用于利用所述第i+1级节点的信道使用情况更新自己的信道使用情况，利用更新后的信道使用情况和所述路由请求，得到所述第1级节点至所述第i+2级节点的信道分配信息；将所述更新后的信道使用情况和所述路由请求打包成第i+2路由数据包，并将所述第i+2路由数据包发送至第i+3级节点；其中，i＝0,1,2,……,N-2；循环上述步骤，直至所述第N节点得到所述源节点至所述目的节点的信道分配信息。

上述系统中，优选的，所述第N节点还用于在得到所述源节点至所述目的节点的信道分配信息之后，按照得到的所述第1级节点至所述第N级节点的信道分配信息，将得到的所述源节点至所述目的节点的信道分配信息发送至所述源节点。

上述系统中，优选的，所述第2级节点为所述第1级节点的预设干扰范围内的节点；

第i+3级节点为所述第i+2级节点的预设干扰范围内的节点。

上述系统中，优选的，所述第1级节点具体用于通过查找自己的信道信息表来确定自己的信道使用情况。

以上本发明提供的一种无线网络信道的分配方法及系统，首先，将源节点为第1级节点，得到所述源节点至目的节点的信道分配信息的节点为第N节点(N>1)，然后，利用了跨层设计的思想，在现有技术中各节点之间进行互相通信的数据只有网络层路由协议中的路由请求的基础上，发送方节点加入了自己的MAC层的信道使用情况，接收方节点根据发送方节点的信道使用情况更新自己的信道使用情况，这样每个节点能够根据当前网络的容量进行路由，进而合理地分配信道，直至第N节点得到源节点至目的节点的信道分配信息。以此，本发明有效解决了现有技术中节点数增加加剧节点间的竞争和分组发送的冲突，导致信道利用率降低和网络性能急剧下降的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种无线网络信道的分配方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的基于图1的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种路由发起阶段的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种路由回应阶段的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种无线网络信道的分配系统的结构框图示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种无线网络信道的分配方法及系统，以解决现有技术中节点数增加加剧节点间的竞争和分组发送的冲突，导致信道利用率降低和网络性能急剧下降的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参考图1，图1示出了本发明实施例提供的一种无线网络信道的分配方法的流程图，源节点为第1级节点，得到源节点至目的节点的信道分配信息的节点为第N节点，N>1，该方法具体可以包括如下步骤：

步骤S101、第1级节点确定自己的信道使用情况和路由请求，将第1级节点的信道使用情况和路由请求打包成第1路由数据包，并将路由数据包发送至第2级节点；

本发明中，为了避免干扰，每个节点只需要和自身信号干扰内的节点交换信息，即第2级节点为第1级节点的预设干扰范围内的节点；第i+3级节点为第i+2级节点的预设干扰范围内的节点。

步骤S102、第i+2级节点利用第i+1级节点的信道使用情况更新自己的信道使用情况，利用更新后的信道使用情况和路由请求，得到第1级节点至第i+2级节点的信道分配信息；将更新后的信道使用情况和路由请求打包成第i+2路由数据包，并将第i+2路由数据包发送至第i+3级节点；

其中，i＝0,1,2,……,N-2；在图1的步骤S101中，i＝0，之后的以此循环，直至第N节点得到源节点至目的节点的信道分配信息，即步骤S10N-1。

步骤S10N、第N级节点利用第N-1级节点的信道使用情况更新自己的信道使用情况，利用更新后的信道使用情况和路由请求，得到第1级节点至第N级节点的信道分配信息，即得到源节点至目的节点的信道分配信息。

进一步地，在第N节点得到源节点至目的节点的信道分配信息之后，第N节点按照得到的第1级节点至第N级节点的信道分配信息，将得到的源节点至目的节点的信道分配信息发送至源节点。

本发明主要考虑无线网络信号传输介质的特殊性，提出一种无线网络信道的分配方法，即一种基于动态规划的信道分配策略。在此信道分配策略中，参考图2，节点在进行路由的同时考虑携带的MAC层信息，根据此节点及周围节点的信道分配情况来决定下一条节点及与下一跳节点使用的信道，并采用递推的方式分配此节点到网络中的其他各节点间质量尽量好的链路。分配信道时考虑到可能会有必须经过的节点被占用的情况，此策略使用等待时间为依据与定义的等待队列相结合来选择当前最优链路。

基于上述本发明实施例所公开的技术方案，本实施例中，基于实际应用进行举例说明，具体地，若节点A(源节点)要与节点B(目的节点)进行通信，则：

(1)首先按照动态规划算法，分配A节点附近的最优链路。

(2)节点A检查自己的信道信息表(CIT)，选择可以使用的信道(C_USE)并将此信息加入到路由信息中，使用公共控制信道进行本地广播，寻找节点B。在这个过程中，A的干扰范围内的所有邻居节点都会收到A的路由信息，并根据收到的信息更新自己的CIT。这样节点A干扰范围以内的节点可以根据自己的CIT分配其他信道；A干扰范围以外的节点如果监听到控制信道被使用，则采用规避算法等待信道让出，直到此信道被让出。

(3)节点B收到路由信息包后，根据收到的信道信息查询自己CIT中的当前被占用信道(C_CUR)，确定能够使用的信道C_USE，更新CIT，并以此信道进行通信。

(4)当通信完毕后，节点A通知节点B信道C_USE使用完毕，让出此信道的控制权，两个节点更新CIT。

(5)保存A到B的最优信道分配及路由信息。

对于节点间判断信道信息和路由信息的过程，请参考图3和图4。其中，图3为路由发起阶段的示意图，图4为路由回应阶段的示意图。假设网络中有5个互不干扰的信道，信道C1为控制信道，C2、C3为数据信道。每个节点有一个CIT表，CIT中各个数据的初始值均为0。当节点A要建立与D节点的路由时，

第一阶段，节点A选择可以使用的信道作为预约信道，然后，源节点A在控制信道上广播一个携带信道状态信息的RREQ消息给下一跳邻居节点B，保存A到B的信道分配信息及路由信息。

其中，A信道信息为A节点的信道使用情况和路由请求，B信道信息为B节点更新后的信道使用情况和路由请求，其它的类推。

第二阶段，节点B在接收到节点A的RREQ后，通过对比自己的信道信息表，得出可以使用的信道，并计算信道预约时间T_PRE。然后，B更新自己的相应的数据，选择另一个可用信道作为预约信道与下一个节点进行下一步协调工作，并将更新后信道信息和预约时间的值附在RREQ中，广播给下一跳邻居节点C。分配好信道后，保存节点A到节点C的信道分配信息及路由信息。

第三阶段，节点D接收到节点C的RREQ后，通过对比自己的信道信息表，得出可以使用的信道，并计算信道预约时间T_PRE。然后，B更新自己的CIT表。由于D是目的节点，不需要再转发RREQ，保存节点A到节点D的信道分配信息及路由信息。

当每个节点都有可以使用的信道可以选择时，节点D向节点A发送RREP包的过程。如图4所示，每个节点将自己信道信息附在RREP中向上一跳节点进行回复，建立反向链路。此时，整个链路的信道则分配完毕。由于每两个节点之间的链路都使用了不同的信道，所以避免了干扰。

至此，已经得到每个阶段内的的最优分配方案，从而得到节点对之间的最优链路。

基于上述本发明实施例提供的无线网络信道的分配方法，本发明实施例还提供了一种无线网络信道的分配系统，源节点为第1级节点，得到源节点至目的节点的信道分配信息的节点为第N节点，N>1，参考图5，该系统500可以包括如下内容：

第1级节点501，用于确定自己的信道使用情况和路由请求，将第1级节点的信道使用情况和路由请求打包成第1路由数据包，并将路由数据包发送至第2级节点；其中，路由请求包括源节点的地址和目的节点的地址；

第i+2级节点，用于利用第i+1级节点的信道使用情况更新自己的信道使用情况，利用更新后的信道使用情况和路由请求，得到第1级节点至第i+2级节点的信道分配信息；将更新后的信道使用情况和路由请求打包成第i+2路由数据包，并将第i+2路由数据包发送至第i+3级节点；循环上述步骤，直至第N节点得到源节点至目的节点的信道分配信息。

其中，i＝0,1,2,……,N-2；即第2级节点502、第3级节点503、……、第N级节点50N。

上述系统500中，第N节点还用于在得到源节点至目的节点的信道分配信息之后，按照得到的第1级节点至第N级节点的信道分配信息，将得到的源节点至目的节点的信道分配信息发送至源节点。

上述系统500中，第2级节点为第1级节点的预设干扰范围内的节点；第i+3级节点为第i+2级节点的预设干扰范围内的节点。

上述系统500中，第1级节点具体用于通过查找自己的信道信息表来确定自己的信道使用情况。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种无线网络信道的分配方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无线网络信道的分配方法，其特征在于，源节点为第1级节点，得到所述源节点至目的节点的信道分配信息的节点为第N节点，N>1，该方法包括：

所述第1级节点确定自己的信道使用情况和路由请求，将所述第1级节点的信道使用情况和路由请求打包成第1路由数据包，并将所述路由数据包发送至第2级节点；

所述第i+2级节点利用所述第i+1级节点的信道使用情况更新自己的信道使用情况，利用更新后的信道使用情况和所述路由请求，得到所述第1级节点至所述第i+2级节点的信道分配信息；将所述更新后的信道使用情况和所述路由请求打包成第i+2路由数据包，并将所述第i+2路由数据包发送至第i+3级节点；其中，i＝0,1,2,……,N-2；

循环上述步骤，直至所述第N节点得到所述源节点至所述目的节点的信道分配信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第N节点得到所述源节点至所述目的节点的信道分配信息之后，还包括：

所述第N节点按照得到的所述第1级节点至所述第N级节点的信道分配信息，将得到的所述源节点至所述目的节点的信道分配信息发送至所述源节点。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第1级节点将所述路由数据包发送至第2级节点，所述第2级节点为所述第1级节点的预设干扰范围内的节点；

所述第i+2级节点将所述第i+2路由数据包发送至第i+3级节点，第i+3级节点为所述第i+2级节点的预设干扰范围内的节点。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第1级节点通过查找自己的信道信息表来确定自己的信道使用情况。

5.一种无线网络信道的分配系统，其特征在于，源节点为第1级节点，得到所述源节点至目的节点的信道分配信息的节点为第N节点，N>1，该系统包括：

所述第1级节点，用于确定自己的信道使用情况和路由请求，将所述第1级节点的信道使用情况和路由请求打包成第1路由数据包，并将所述路由数据包发送至第2级节点；其中，所述路由请求包括所述源节点的地址和所述目的节点的地址；

所述第i+2级节点，用于利用所述第i+1级节点的信道使用情况更新自己的信道使用情况，利用更新后的信道使用情况和所述路由请求，得到所述第1级节点至所述第i+2级节点的信道分配信息；将所述更新后的信道使用情况和所述路由请求打包成第i+2路由数据包，并将所述第i+2路由数据包发送至第i+3级节点；其中，i＝0,1,2,……,N-2；循环上述步骤，直至所述第N节点得到所述源节点至所述目的节点的信道分配信息。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第N节点还用于在得到所述源节点至所述目的节点的信道分配信息之后，按照得到的所述第1级节点至所述第N级节点的信道分配信息，将得到的所述源节点至所述目的节点的信道分配信息发送至所述源节点。

7.如权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述第2级节点为所述第1级节点的预设干扰范围内的节点；

第i+3级节点为所述第i+2级节点的预设干扰范围内的节点。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第1级节点具体用于通过查找自己的信道信息表来确定自己的信道使用情况。