CN105357712A - 一种无线网络中多节点信道扫描与分配方法 - Google Patents

一种无线网络中多节点信道扫描与分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线网络多节点信道扫描与分配方法，用于在无线网络特别是IEEE？802.11n/ac无线局域网WLAN中同一节点上多张无线网卡绑定情况下进行联合传输时的多节点联合的信道扫描及统一信道分配，以实现自适应地选择不同带宽、不相邻的质量较好的信道。利用5GHz频段WLAN作为回传通道。包括初始化信道扫描过程与周期性信道扫描过程，初始化信道扫描过程遍历5GHz频段上所有信道；周期性信道扫描过程则只需扫描各无线网卡所在的工作信道。这样既节约了扫描时间，又避免了对工作信道的不利影响。同时，各节点采用多信道联合传输数据，既达到了扩展传输带宽，提高系统吞吐量的目的，又克服了采用单一连续聚合信道传输时由于部分频段信道质量不佳造成系统整体性能下降的缺点。

Description

一种无线网络中多节点信道扫描与分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，所述无线网络，除IEEE802.11n/ac无线局域网(WLAN)之外，包括无线异构网络、无线传感网络、无线个域网络的接入或回传的带宽聚合均适用。
背景技术
为满足日益增长的无线业务需求，无线网络特别是IEEE802.11WLAN作为蜂窝移动通信系统的补充，正在逐渐成为未来移动通信系统不可分割的组成部分。
众所周知，在使用任何网络之前，首先必须找出网络的存在。在无线通信领域，移动台(STA)在所在区域识别现有网络的过程称为扫描，主要有两种形式：被动扫描与主动扫描。被动扫描是通过被动地接收各个接入点(AP)发送的“信标(Beacon)”信息来确定周围AP的存在，而主动扫描则利用“探查请求(ProbeRequest)”/“探查响应(ProbeResponse)”信息来主动探测AP的存在，从而STA可知道一个BSS的存在。扫描结束后会产生一份扫描报告。这份报告列出了该次扫描所发现的所有BSS及其相关参数。进行扫描的STA可利用这份完整的参数列表来加入其所发现的任何网络。
然而，上述扫描过程主要针对STA而言，STA一般选择扫描所得信号强度最强的AP接入，由于AP所使用的信道固定，也可以说是选择合适的信道接入。该扫描过程不能实现AP的信道自适应选择。
同时，为提高系统吞吐量，IEEE802.11n/acWLAN将多个20MHz带宽的相邻信道聚合为一个带宽更宽的信道(40/80/160MHz)来传输数据，这存在当部分频段信道质量不佳时系统整体性能下降的问题。
通过对现有专利及相关技术的检索发现，现有的与多节点信道扫描技术相关的方法和系统包括：
(1)一种无线局域网络信道扫描的方法和装置(CN101662796)能够提高信号强度检测的速率和灵敏度。无线接入点(AP)对初始上报周期检测到报文的信道进行记录，在后续上报周期内，如果存在已记录的信道，则AP在前N个时间段对已记录的信道进行扫描，在剩余的时间段对没有记录的信道进行扫描；如果不存在已记录的信道，则在各时间段对所有信道进行扫描；将当前上报周期检测到报文的信道加入所述记录，并上报扫描结果。
(2)一种无线信道切换方法及装置(CN103596228A)通过AP在混杂模式下对当前工作信道和部分非工作信道进行设定时长的扫描，得到各信道的扫描信息，计算对应的信道质量评估值，切换到信道质量较好的信道上。
(3)一种无线网络中信道扫描的方法和系统(CN102457942A)规划了支持多个信道化集合方案的设备的信道扫描过程，使接入点(AP)和/或与AP所关联的非AP站点按照规定的三种方式的一种或多种进行信道扫描。
上述专利(1)(2)中涉及了AP的信道扫描方法，但其均是针对单节点而言，只能检测在该节点所处环境下的各信道条件，而不能有效评估在其他节点处的各信道质量，因此不适用于本发明中所述为实现多节点上多网卡绑定时进行统一信道分配的信道扫描研究情境。由于各节点所在地理位置的不同，其所在无线环境也不同，若要对多节点上绑定的多张无线网卡进行统一的信道分配，必须采用多节点联合的信道扫描方法。
上述专利(3)中信道扫描不只涉及AP，还包括与AP所关联的非AP站点，但其重点为：在一个或多个不同的信道化集合内的信道上进行重叠基本服务集(OBSS)信道扫描。这同样与本发明中研究情境有很大差异。
现有专利中尚没有明确针对为实现多节点上多网卡绑定统一信道分配的信道扫描方法和系统。
发明内容
鉴于以上陈述的已有方案或相关技术的不足，本发明通过多节点联合信道扫描方法得到最终的信道扫描列表，并由各节点的特定网卡实现周期性信道扫描的过程，同时在此基础上提出一种对多网卡绑定进行统一信道分配的方法。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种无线网络中多节点信道扫描与分配方法，用于解决无线网络特别是IEEE802.11n/ac无线局域网WLAN中同一节点上多张无线网卡绑定后进行联合传输时的多节点联合的周期性信道扫描问题及统一信道分配，以实现自适应地选择不同带宽、不相邻的质量较好的信道；利用5GHz频段WLAN作为回传通道，回传端节点同时配置多张无线网卡，选取各节点上多张无线网卡中的一张作为控制网卡，用于执行信道扫描功能，其余各无线网卡均作为数据网卡，用于完成数据的传输过程，以两个节点A、B为例，其具体过程包括：
a.初始化信道扫描方法：
(1)各节点(A、B)的控制网卡分别遍历5GHz频段上的所用信道，根据扫描所得数据，分别估计各信道的信道质量；
(2)节点A选取本端信道扫描列表(表A)中信道质量最好的信道给控制网卡使用，并建立接入点-0(AP-0)；
(3)节点B的控制网卡作为移动台-0(STA-0)，连接AP-0，并将本端的信道扫描列表(表B)传给节点A；
(4)断开节点A与节点B间的连接，即AP-0与STA-0间的连接；
(5)节点A通过联合处理两端信道扫描列表(表A与表B)中相应信道的扫描信息，得到最终的信道扫描列表(表C)；
b.统一信道分配方法：
(1)节点A在最终的信道扫描列表(表C)中为各数据N个网卡分配不同的工作信道，信道带宽自适应选择，如20/40/80MHz，信道分配的基本准则是：选取信道质量尽量好，且所选的N个工作信道尽量相互隔开；
(2)节点A的各数据网卡分别在为其分配的工作信道上建立AP(AP-1～AP-N)，节点B的各数据网卡则分别作为STA-1～STA-N连接节点A上相应的AP，并开始数据传输过程；
(3)若除已选的N个工作信道外，还有符合信道分配准则的信道可用，则在其中选取一个信道给控制网卡使用，节点A建立AP-0，节点B的控制网卡作为STA-0连接AP-0，开始数据传输过程；
c.周期性信道扫描方法：
(1)节点A、B的控制网卡分别执行周期性的信道扫描过程，且只扫描除工作信道以外的其他各信道；
(2)节点B将其信道扫描列表(表B)传给节点A；
(3)节点A对两端的信道扫描列表(表A、表B)作联合处理，得到最终的信道扫描列表(表C)；
在多节点处理时，构成AP端及STA端的各节点均进行周期性信道扫描，最终的信道扫描列表由两端的扫描信息联合得到，当受到外界干扰时，在周期性获得的信道扫描列表中选择N个工作信道外其他信道质量较好的信道进行切换来避开此干扰。
周期性信道扫描过程与初始化信道扫描过程的不同之处在于，本过程不扫描各数据网卡的工作信道，防止对工作信道造成干扰，降低系统性能，同时缩短了信道扫描的时间，提高了信道扫描的效率。
同时，若在统一信道分配方法的步骤(3)中为各节点的控制网卡也分配了信道用来传输数据，则在各控制网卡执行周期性的信道扫描之前需要先停止其数据的传输过程。
采用本发明的方法，各节点配置多张无线网卡，选取其中一张无线网卡用作控制网卡，其余的无线网卡用作数据网卡，其中，控制网卡主要执行信道扫描过程，且当可选信道的数量足够时可以与数据网卡一起用于传输数据。由各节点的特定网卡(控制网卡)进行本端的信道扫描，而不需要同一节点上多张无线网卡均进行此过程，这样可以使各数据网卡省掉信道扫描过程，专用于数据传输，提高系统传输性能。
信道扫描过程为多节点联合实现，由于各节点所处地理位置不同，所得的扫描结果不尽相同，通过联合处理多节点的信道扫描结果，可以选得质量最好的信道用作工作信道。同时，在完成初始信道扫描后的其他时间的信道扫描(周期性)过程中，不再对各数据网卡的工作信道进行扫描，既可缩短扫描时间，又可避免对各工作信道造成不利影响。
各节点(AP端及STA端)均进行信道扫描，最终的信道扫描列表由两端的扫描信息联合得到，此过程为周期性进行的，并统一为AP/STA端的各无线网卡分配信道，各工作信道是可变的，即当受到外界干扰时，可以在周期性获得的信道扫描列表中选择其他信道质量较好的信道进行切换来避开此干扰，这与传统WLAN的扫描过程不同；传统WLAN中各AP初始化时随机选择信道，且一般不再改变，而各STA通过信道扫描(主动扫描或被动扫描)感知其周围存在的AP并选择其中一个AP接入。
本发明没有采用单一连续的聚合信道(如，IEEE802.11ac中40/80/160MHz带宽信道)，可以避免由于聚合的连续信道中部分频段信道质量不佳造成的系统整体性能差的问题。各节点多信道联合传输，且信道带宽自适应选择，既达到了扩展传输带宽，提高系统吞吐量的目的，又克服了单一聚合信道传输的不足之处。
本发明方法并不限定于固定带宽，可以是带宽自适应的，如对于IEEE802.11acWLAN，若所选的两个或四个工作信道为相邻信道时，可以将其合并为40MHz或80MHz带宽的信道作为一个工作信道使用，既可以降低系统在多网卡并行传输时的复杂度，又可以避免邻道干扰问题
本发明无线网络多节点信道扫描与分配方法，信道的周期性扫描是由各节点上特定的无线网卡(控制网卡)来联合完成的，既克服了单节点信道扫描的不足，又提高了多节点联合扫描的效率。此处，信道扫描效率的提高体现在两方面：其一，各节点上的各数据网卡只用于数据传输，不进行信道扫描；其二，除初始化过程的信道扫描外，在其他时间(周期性)的信道扫描不用扫描各工作信道。同时，这两点也可以降低多网卡扫描的复杂度，并防止信道扫描过程影响各工作信道的正常数据传输。对于统一信道分配方法，信道选择的基本准则是：选取信道质量尽量好且相互隔开的信道，其目的在于尽量降低各工作信道间的邻道干扰。
附图说明如下：
图1为本发明实施例场景示意图。
图2为本发明实施例中多节点联合信道扫描过程。
图3为本发明实施例中AP端信道扫描过程。
图4为本发明实施例中STA端信道扫描过程。
图5为本发明实施例中信道分配过程。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图对本发明作进一步的描述。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。
下面以IEEE802.11nWLAN为实施例对本发明中提出的多节点信道扫描和分配方法和系统作解释说明。为方便清晰的描述本发明内容，以两个节点(节点A、节点B)为实施例来说明，如图1所示。节点A、B分别看作AP端及STA端，且其上各绑定(N+1)张无线网卡，其中的一块网卡用作控制网卡，其余的则用作数据网卡。控制网卡主要用于实现周期性的信道扫描；数据网卡则动态地切换到所选定信道上传输数据。其中所述绑定，即bonding技术，可以将多块网卡虚拟成为一块网卡，使其具有相同的IP地址，来实现提升网络吞吐量或提高可用性的目的。
同时，为更清晰的说明本发明中多节点联合信道扫描方法与分配和系统，本实施例中对于扫描信息的处理及信道质量的评估，以Hostapd(是一个带加密功能的无线接入点程序)中针对ath9k芯片驱动的自动信道选择(AutomaticChannelSelection，ACS)算法为例来描述，其核心思想是在Hostapd启动过程中通过被动扫描信道收集所需的测量数据，并根据这些数据计算得到一系列邻道干扰因子值，以此作为评估信道质量的标准，比较选择邻道干扰因子最小的信道供AP使用。
由于AP端及STA端所处地理位置不同，周围无线环境造成的信道条件可能不同，因此本发明中AP端与STA端均需进行信道扫描，由AP端来联合处理两端的信道扫描信息，得到最终的信道扫描列表。这可以在一定程度上保证在统一信道分配中所选的工作信道同时适用于两端情况。图2为本发明实施例中多节点联合信道扫描方法的整体流程图，图3与图4则分别为本发明实施例中AP端与STA端的信道扫描过程，是由两端的控制网卡联合实现的，具体可描述为：
(1)AP端与STA端分别绑定本端的所有无线网卡，分别记为AP-0～AP-N、STA-0～STA-N；
其中，AP-0与STA-0分别代表两端的控制网卡，其他的代表相应的数据网卡；
(2)AP-0与STA-0分别执行两端的信道扫描过程，遍历5GHz频段上所有信道(本实施例中信道为20MHz带宽)；两端分别根据各自扫描所得数据计算各信道的邻道干扰因子，得信道扫描列表A(AP端)与信道扫描列表B(STA端)；
(3)AP端在信道扫描列表A中选择一个邻道干扰因子较小的信道给AP-0使用，STA-0连接AP-0并将信道扫描列表B上报给AP端；
(4)断开AP-0与STA-0之间的连接，同时，AP端处理列表A、B中的数据：计算f(α,β)＝α(ai+bi)+β(|ai-bi|)，将所得值按从小到大排序，从而可得最终的信道扫描列表C；其中，ai与bi分别为信道扫描列表A、B中对应信道的邻道干扰因子值，α与β分别为对应信道的邻道干扰因子值之和与之差的权重；0≤α≤1，0≤β≤1，0＜i≤num，记num为AP端与STA端均支持的信道个数；
(5)初始化信道扫描结束。
在上述过程中，信道扫描列表A、B中包含本端(AP/STA端)所支持的信道的编号及其邻道干扰因子值；信道扫描列表C中则包含两端均支持的信道编号及联合处理后的邻道干扰因子值，以下表述中称为干扰因子值。
由于正常情况下同一节点上所有无线网卡的扫描结果相同，本发明中信道扫描仅由各节点上的控制网卡来完成，而不需本端的所有网卡均进行信道扫描，降低了复杂度。
同时，为保证当各数据网卡的工作信道受到外界干扰时有合适的信道可以执行切换过程，本发明中提出上述信道扫描过程是周期性进行的，即信道扫描列表C是周期性更新的。
需注意的一点是，本发明中除了初始化阶段的信道扫描过程是遍历了5GHz频段所有信道外，为了缩短信道扫描时间，提高信道扫描效率，其他时间的信道扫描不需要扫描各无线网卡的工作信道，这也在一定程度上降低了扫描过程对工作信道的干扰。
由于同一节点上配置了多张无线网卡，若不能进行合理的信道分配，会造成严重的邻道干扰，使系统性能大幅度下降。图5为本发明实施例的信道分配过程，具体可描述为：
(1)AP端从信道扫描列表C中选取N个合适信道：优先选取干扰因子较小且互不相邻的信道，若无足够信道可选时，再考虑选取邻道；
(2)将选出的N个信道分配给AP-1～AP-N，STA-1～STA-N与之对应连接，无线传输链路记为信道1～信道N；
(3)初始化信道分配结束。
上述初始化信道分配过程是针对各节点的数据网卡的，为进一步提升系统性能，当有足够信道可选时，可以考虑在控制网卡未进行信道扫描的时间段内，也为控制网卡分配合适的工作信道传输数据。
上述过程为初始化信道分配，若系统性能太差，有可能是由于多张无线网卡同时传输数据时的邻道干扰造成的，本发明实施例中考虑采用以下过程来优化此信道分配方法：
(1)分别监测各工作信道一段时间后，暂停当时性能最差的工作信道的数据传输；
(2)若系统性能明显提升，则继续监测剩余各工作信道一段时间后，暂停剩余的各工作信道中性能最差的工作信道的数据传输；否则，执行步骤(3)；
(3)若系统性能有所下降，则恢复上一阶段中暂停的工作信道的数据传输；否则，执行步骤(4)；
(4)优化信道分配结束。
在上述实施例的信道分配过程中，信道带宽为20MHz，本发明所提出的多节点信道扫描与分配方法和系统中的统一信道分配过程并不限定于固定带宽，可以是带宽自适应的，如，对于IEEE802.11acWLAN，若所选的两个或四个工作信道为邻道时，可以将其合并为40MHz或80MHz带宽的信道作为一个工作信道使用，既可以降低系统在多网卡并行传输时的复杂度，又可以避免邻道干扰问题。
采用本发明的基本方案，在实际实施时，可以衍生出多种不同的等同方法和系统，但凡是根据发明的技术方案及其发明构思，加以等同替换与改变，均被认为属于发明的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种无线网络中多节点信道扫描与分配方法，用于解决无线网络特别是IEEE802.11n/ac无线局域网WLAN中同一节点上多张无线网卡绑定后进行联合传输时的多节点联合的周期性信道扫描问题及统一信道分配，以实现自适应地选择不同带宽、不相邻的质量较好的信道；利用5GHz频段WLAN作为回传通道，回传端节点同时配置多张无线网卡，选取各节点上多张无线网卡中的一张作为控制网卡，用于执行信道扫描功能，其余各无线网卡均作为数据网卡，用于完成数据的传输过程，以两个节点A、B为例，其具体过程包括：
a.初始化信道扫描方法：
(1)各节点(A、B)的控制网卡分别遍历5GHz频段上的所用信道，根据扫描所得数据，分别估计各信道的信道质量；
(2)节点A选取本端信道扫描列表(表A)中信道质量最好的信道给控制网卡使用，并建立接入点-0(AP-0)；
(3)节点B的控制网卡作为移动台-0(STA-0)，连接AP-0，并将本端的信道扫描列表(表B)传给节点A；
(4)断开节点A与节点B间的连接，即AP-0与STA-0间的连接；
(5)节点A通过联合处理两端信道扫描列表(表A与表B)中相应信道的扫描信息，得到最终的信道扫描列表(表C)；
b.统一信道分配方法：
(1)节点A在最终的信道扫描列表(表C)中为各数据网卡(N个)分配不同的工作信道，信道带宽自适应选择，如20/40/80MHz，信道分配的基本准则是：选取信道质量尽量好，且所选的N个工作信道尽量相互隔开；
(2)节点A的各数据网卡分别在为其分配的工作信道上建立AP(AP-1～AP-N)，节点B的各数据网卡则分别作为STA-1～STA-N连接节点A上相应的AP，并开始数据传输过程；
(3)若除已选的N个工作信道外，还有符合信道分配准则的信道可用，则在其中选取一个信道给控制网卡使用，节点A建立AP-0，节点B的控制网卡作为STA-0连接AP-0，开始数据传输过程；
c.周期性信道扫描方法：
(1)节点A、B的控制网卡分别执行周期性的信道扫描过程，且只扫描除工作信道以外的其他各信道；
(2)节点B将其信道扫描列表(表B)传给节点A；
(3)节点A对两端的信道扫描列表(表A、表B)作联合处理，得到最终的信道扫描列表(表C)；
在多节点处理时，构成AP端及STA端的各节点均进行周期性信道扫描，最终的信道扫描列表由两端的扫描信息联合得到，当受到外界干扰时，在周期性获得的信道扫描列表中选择N个工作信道外其他信道质量较好的信道进行切换来避开此干扰。
2.如权利要求1所述的无线网络多节点信道扫描与分配方法，其特征在于：若在统一信道分配方法的步骤(3)中为各节点的控制网卡也分配了信道用来传输数据，则在各控制网卡执行周期性的信道扫描之前先停止其数据的传输过程。
3.如权利要求1所述的无线网络多节点信道扫描与分配方法，其特征在于：各节点配置了多张无线网卡，选取了其中一张无线网卡用作控制网卡，其余的无线网卡用作数据网卡，其中，控制网卡主要执行信道扫描过程，且当可选信道的数量足够时与数据网卡一起用于传输数据。
4.如权利要求1所述的无线网络多节点信道扫描与分配方法，其特征在于：本方法不限定于固定带宽，可以是带宽自适应的；对于IEEE802.11acWLAN，若所选的两个或四个工作信道为相邻信道时，可将其合并为40MHz或80MHz带宽的信道作为一个工作信道使用。
5.如权利要求1所述的无线网络多节点信道扫描与分配方法，其特征在于：所述无线网络，除IEEE802.11n/acWLAN之外，还包括无线异构网络、无线传感网络、无线个域网络的接入或回传的带宽聚合。
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