CN105611547B - 多信道无线网络的能耗调节的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过空间密集地部署AP的多信道无线网络的能耗调节的方法，包括：周期性地获取各个终端在各个信道层的不同服务区域的AP处的关联关系和平均信号强度；根据与不同信道层的AP相关联的终端的数量来调整在不同信道层之间所关联的终端；根据同一信道层中与不同区域的AP关联的终端的数量来调整在所述信道层的不同区域之间所关联的终端；并且单独调整每个AP的无线发射功率。

Description

多信道无线网络的能耗调节的方法和系统

技术领域

本发明涉及无线通信，尤其涉及无线网络的接入控制的方法。

背景技术

为解决传统无线网络的网络部署中存在的同频干扰、接入规模和性能都受限的问题，通常可以采用虚拟蜂窝的无线架构。对于企业级的无线网络，通常可以进一步采用多层信道的方式，来划分虚拟蜂窝的无线架构。

在虚拟蜂窝网与多信道层相结合的无线网络中，包括：至少一个控制器和多个接入点(Access Point，AP)。控制器可以以任何方式接入无线网络中，各个AP可以采用相同的服务集标识符(Service Set Identifier，SSID)。AP被分成多组，每一组的AP分别利用互不干扰的各个信道层，每个信道层可以被看作是一个服务面，由此提高可接入无线网络的终端的总数。在接入到无线网络以后，终端的接收信号强度指示(Received Signal StrengthIndicator，RSSI)不是一成不变的，当控制器发现某终端在与其关联的AP上的RSSI持续变弱，而在与其相邻的AP上的RSSI持续增强时，则认为该终端要发生漫游，并通知RSSI增强的AP在RSSI超过一定阈值后主动关联该终端，以使得用户的终端在采用虚拟蜂窝的无线网络中的任何一个位置都具有较高的信噪比(Singal to Noise Ratio，SNR)。

然而，在上述将虚拟蜂窝网与多信道层相结合的无线网络中，仍然存在下列问题：

通常为了提高无线网络的容量并且获得更好的信号覆盖，会采用以一般密度地部署AP的方式，然而这会使得在AP的覆盖边缘的信号的传输速率较低。相对地，高密度地部署AP的方式单纯地追求信号覆盖会使整个无线网络系统产生较大的能耗，并且会造成在同一信道上的较多相邻终端发生冲突。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供了一种在多信道无线网络中接入终端的方法与系统。

本发明通过以下技术方案实现，其方法包括：

1)确定各个终端在各个信道层的不同服务区域的AP处的关联关系和平均信号强度；

2)判断与所述不同信道层的AP关联的终端数量的差异是否超过设定的阈值δ，并在超过所述阈值δ时，调整与不同信道层的AP相关联的终端，使得与所有信道层的AP关联的终端的平均信号强度最大；

3)基于调整后的终端与AP的关联关系，调整所述AP的无线发射功率。

根据上述方法，在其中步骤2)和步骤3)之间还包括：

2.5)判断同一信道层中与不同区域的AP关联的终端的数量的差异是否超过设定的阈值γ，并在超过所述阈值γ时，调整在所述信道层中与不同服务区域中的AP相关联的终端，使得与所有服务区域的AP关联的终端的平均信号强度最大；

根据上述方法，其中步骤3)包括：

3-1)针对单个AP，确定当前状态和前一状态下与所述AP关联的全部终端的平均信号强度的变化率Г，

3-2)根据下列公式，计算当前状态下所述AP应该发射的无线功率P：

P＝P′×(1-Г)×ε，其中P′是前一状态下所述AP的无线功率，ε是功率放大系数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

采用在空间上密集地部署AP的方式，使得每个信道层的AP均能覆盖该无线网络的全部服务区域，以关联接入到该无线网络中的用户终端，从而保证接入无线网络的终端在任意位置都具有高数据传输速率；并且动态地调整AP与终端之间的关联关系以及AP的无线发射功率，在最大限度的保证终端网络性能的前提下，降低了整个系统的无线能耗，从而克服了由高密度地部署AP的方式所造成的系统运行能耗高的问题。此外，根据本发明的方法通过调整在同一信道上不同区域之间的相邻用户的终端，解决了这些用户易发生冲突的问题。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的生成调节与每个信道层的各个AP关联的终端的数量的策略的方法的流程图；

图2是同一信道层的不同区域的邻接关系的示意图；

图3是同一信道层的相邻区域的基本类及其平均关联终端数量的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

为了保证接入无线网络的终端在任意位置都具有高数据传输速率，本发明采用在空间上密集地部署AP的方式，使得每个信道层的AP均能覆盖该无线网络的全部服务区域，以关联接入到该无线网络中的用户终端。并且为了克服由高密度地部署AP的方式所造成的系统运行能耗高的问题，本发明动态地调整AP与终端之间的关联关系并调整每个AP的无线发射功率。

出于以上目的，首先，需要控制器周期性地获取诸如在全部服务区域内的各个信道层的信道层信息、终端的MAC地址、终端的平均信号强度、终端的平均流量的无线信息。这些无线信息可以由控制器直接获取，也可以通过AP或者专用设备使用自定义的私有协议(例如Socket通信)上传至控制器。在这些无线信息中，信道层信息用于表明不同的信道层；由于对于不同的周期，终端信息可能发生变化，因此需要将每个终端的MAC地址上传到控制器；平均信号强度是在一个周期内对接入无线网络中的终端的RSSI进行多次采样所获得的平均值。类似地，平均流量是对终端在一个周期内的平均流量统计。由于对于同一个终端，其在不同的AP上的信号强度并不相同，因此不仅需要将该终端在与其关联的AP上的流量及RSSI上传至控制器，还需要将该终端在其他非关联AP上的多个RSSI上传至控制器。

为了提高计算的准确度并且减少上传至控制器的数据量，可以只对大于预先设定的阈值RSSI_max的RSSI进行平均值的计算以及上传至控制器的操作。例如，可以由与一终端关联的AP根据探测请求(Probe Request)和Radiotap头中的字段，提取RSSI、以及比特率，如果在一周期内经多次采样所获得的平均RSSI大于RSSI_max，则将该终端的比特率及平均RSSI上传至控制器。并且，由在同一信道层的其它AP将该终端在所述其他AP处大于RSSI_max的平均RSSI上传至控制器。

控制器可以根据其周期性接收到的无线信息来判断是否需要进行全局调整，并且生成调节与每个信道层的各个AP关联的终端的数量的策略。

发明人认为可以根据与不同信道层的AP相关联的终端的数量的差异来调整在不同信道层之间所关联的终端，并根据同一信道层中与不同区域的AP关联的终端的数量的差异来调整在所述信道层的不同区域之间所关联的终端；在调整了终端与AP的关联关系后，再调整每个AP的无线发射功率，从而达到调节能耗的作用。

由此，本发明使用了以下变量名称：

J为互不干扰的信道层的个数；

为互不干扰的J个信道层的集合；

I为无线网络的全部服务区域的个数；

为全部I个服务区域的集合；

为在服务区域A_i中与信道C_j的AP相关联的终端的数量；

为在全部I个服务区域中与信道C_j的AP相关联的终端的数量；

为在全部I个服务区域中与每个信道层的AP相关联的终端的数量的集合；

α为用于将N_C中的元素按大小分成x个基本类而设定的阈值；

为由N_C中的元素所分成的x个基本类其中元素的平均值的集合；

δ为用于确定在x个基本类中终端的数量的分布的均匀程度而设定的阈值；

是在终端被调整到的服务区域A_i中与信道层C_j的AP关联的全部终端的RSSI的总和；

是在第j个信道C_j上分别与在I个服务区域上的AP关联的终端的数量；

β为用于将中的元素按大小分成y个基本类而设定的阈值；其中第y个基本类中与所包含的每个区域关联的终端的数量的集合，为与第1个区域关联的终端的数量；

γ为用于确定在y个基本类中终端的数量的分布的均匀程度而设定的阈值；

ω为不同区域之间的空间距离所设置的距离阈值；

E[RSSI]是当前状态下与同一个AP关联的终端的RSSI的期望或均值；

E′[RSSI]是前一状态下与同一个AP关联的终端的RSSI的期望或均值。

参考图1，根据本发明的一个实施例，在多信道无线网络中接入终端的方法包括以下步骤：

S1：周期性地获取全局的无线信息，包括各个终端在各个信道层的不同服务区域的AP处的关联关系和平均信号强度。

S2：确定与不同信道层的AP相关联的终端数量的差异(即指标1)是否超过阈值，以判断是否需要在不同信道层之间调整所关联的终端，如“是”则继续步骤S3，如“否”则继续步骤S4。

根据本发明的一个实施例，指标1的计算包括以下步骤：

S21：按降序排列集合N_C中的元素，得到以使得在集合N_C中分别与相邻信道(例如C_k和C_k-1)的AP相关联的终端的数量(例如和)的大小相邻。

S22：将N_C中的元素按照大小差异分成x个基本类(x≥1)：

如果则与为一类；类似地，

如果则与为一类；

如果则与不为一类，该类以结束；

其中，较大的α对应于较少数量的分类组。

S23：计算上述每一类中的AP所关联的终端的数量的平均值，表示为集合并从N_x中找出最小值min{N_x}。

S24：比较N_x中的每个元素除以其最小值的方差和阈值δ的大小，从而确定分组中与AP关联的终端数量的分布的均匀程度，从而对与AP关联的终端数量明显较低或明显较高的分组进行调整。

当时，判断为“是”并继续步骤S3；

当时，判断为“否”并继续步骤S4；

其中，较大的δ对应于较少量的在基本类之间的对终端分布的调整。

以下通过一个具体实例来示出如何确定是否需要在不同信道层之间调整所关联的终端。假设，在WLAN的全部服务区域中存在三个信道层，并且分别与该三个信道层的AP关联的终端的数量为1、8、9。那么可以根据其分别关联的终端的数量的大小，将信道层1分成所关联的终端的数量较少的一组，将信道层2和3分成所关联的终端的数量较多的一组。由此，可以确定需要对信道层间所关联的终端的数量进行调整：即在不超过与信道层的AP关联的终端的数量的上限(例如12个)的情况下，需要将信道层1上所关联的该1个终端调整到信道层2或3上。

以上仅给出了一种计算指标1的方式，本领域的技术人员应理解，还可以使用其他方法来确定与不同信道层的AP关联的终端的数量的差异。

S3：调整与不同信道层的AP相关联的终端，以在被调整到其他信道层的终端的信号强度变大或者损失在可接受范围内的情况下，使得与所有信道层的AP关联的终端的平均信号强度最大。

根据本发明的一个实施例，调整与不同信道层的AP相关联的终端的数量的方法，包括：

S31：分别根据不同的调整方案，计算在被调整到的服务区域A_i中的各个信道层的平均RSSI之和，即

S32：在所获得的对应于不同的调整方案的中找出使得在假设终端被调整到的该一个服务区域中与每个信道层的AP关联的终端的平均信号强度最大的调整方案，即满足的调整方案。

以下通过一个具体实例来示出如何在不同信道层之间调整所关联的终端。假设，参考在步骤S2中所提供的实例，在将信道层1上的一个终端调整到信道层2或3后，不会使得信道层2或3上的终端的总数量超过其可容纳的上限。由此可知需判断使得调整后的终端的平均信号强度最大的方案。如果将原信道层1上的该一个终端调整到信道层2上时，终端的平均信号强度为-60dBm；而将其调整到信道层3上时，终端的平均信号强度为-65dBm。则可以将信道层1上的一个终端调整到信道层2上，以使得平均信号强度最大。

本领域的技术人员应理解，本发明还可以通过设置搜索次数上限来降低搜索算法的复杂度。其中，较小的搜索次数上限对应于在较小规模的信道层间的调整方案，以及更高的网络稳定性和更小的终端性能损耗。

S4：确定在同一信道层中在不同区域之间关联的终端的数量的差异(即指标2)是否超过阈值，以判断是否需要调整同一信道层中在不同AP之间所关联的终端，如“是”则继续步骤S5，如“否”则在下一周期执行步骤S1。

在本发明中，可以参考不同区域的空间位置关系，从而根据不同区域之间的空间距离将在同一信道层的全部区域分成多个基本类。

根据本发明的一个实施例，指标2的计算，包括以下方法：

S41：根据每一个区域其与其他区域之间的空间距离，分别将在空间上邻接的区域划分成y个基本类：

如果一区域与其他区域的空间距离满足D(A_i，A_i+d)≤ω，则将A_i与A_i+d分成一类；

其中ω为可选择的距离阈值，较大的ω对应于数量较少的基本类。

以下通过一个具体实例对上述步骤进行解释说明。参考图2所示出的不同区域的相邻关系的示意图，以区域A₁为例，其与其他区域的空间距离D(A₁，A_i，_i≠1)≤1的区域为A₂和A₄，因此可以将区域A₁、A₂、A₄看做是一类；针对区域A₂，其与其他区域的空间距离D(A₂，A_i，i≠2)≤1的区域为A₁、A₃和A₅，因此可以将区域A₁、A₂、A₃、A₅看做是一类；以此类推。计算每个基本类的平均关联的终端的数量，以确定与分组中的区域相关联的终端数量的分布的均匀程度。假设其中基本类的区域A₁、A₂、A₄的平均关联的终端的数量最大，则认为需要优先对该基本类进行调整。

本领域的技术人员应理解，为了减少运算量并改善计算效果，还可以针对上述基本类进一步调整分类，使得平均关联终端数量较小的类合并入平均关联终端数量较多的类中。

根据本发明的一个实施例，进一步调整分类的方法包括：

S411：计算与每一类中所包含的全部区域关联的终端的数量的平均值；

S412：将全部类中所包含区域的个数小于N_set的类作为小类，将所包含区域的个数大于等于N_set的类作为大类；

S413：将终端的数量的平均值最小的小类合并入与其在空间上相邻近的大类中终端的数量的平均值最大的大类中去；

S414：针对其余的小类和大类进行合并，以完成针对全部分类的合并；

其中，可以设定N_set的大小，较大的N_set值对应于使得每个类所包含的区域的数量更大，适当大小的N_set值有助于提高本发明的效果。

以下通过一个具体实例对上述步骤进行解释说明。参考图3所示出的相邻区域的基本类的示意图，其中用虚线圈出的是通过上述步骤S41所划分的类，类内所标出的数字为该类的平均关联的终端的数量，例如G₂包括4个区域，所关联的终端的总数为48个。通过图3可以看出，假如N_set＝3，那么所包括的区域个数小于3个的G₁和G₃为小类，所包括的区域个数大于3个的G₂、G₄、G₅为大类。G₁内的区域平均关联了4个终端，因此G₁作为平均关联终端的数量最小的小类应被合并入与其在空间上相邻近的其他大类中平均关联终端的数量最大的大类G₂中去。

本领域的技术人员应理解，对于上述步骤S413，还可以采用其他方法将所述多个小类中的一部分合并入在空间上与其相邻近的大类中去。

S42：确定每一类中与所包含的每个区域关联的终端的数量{N_1，…N_y}，其中第y个基本类中与所包含的每个区域关联的终端的数量被表示为集合为与第1个区域关联的终端的数量；并从每一类中找出所关联的终端数量的最小值min{N_y}。

S43：根据每一类中所关联终端数量除以所关联的终端数量的最小值的结果的方差，来确定是否需要对该类中所关联的终端进行调整；如需调整则继续步骤S5，如无需调整则在下一周期继续重复步骤S1。

根据本发明的一个实施例，针对全部基本类中的第y个类，比较N_y中的每个元素除以其最小值的方差和阈值γ的大小，

当时，判断为“是”并继续步骤S5；

当时，判断为“否”并在下一周期继续重复步骤S1；

其中，较大的γ对应于较少量的在基本类之间的对终端分布的调整。

本领域的技术人员可以了解，为了避免策略震荡，还可以适当缩小搜索的次数来代替遍历搜索，或者设置较大的γ。

本领域的技术人员应理解，在确定在同一信道与各个服务区域中的AP关联的终端的数量的差异性的情况下，本发明还可以不执行针对指标2的计算。

S5：调整在该信道层中与不同服务区域中的AP相关联的终端，以在被调整到其他服务区域中的终端的信号强度变大或者损失在可接受范围内的情况下，使得与所有服务区域的AP关联的终端的平均信号强度最大。

根据本发明的一个实施例，调整在该信道层中与不同服务区域中的AP相关联的终端的方法，包括：

S51：分别根据不同的调整方案，针对信道层C_j上的I个服务区域，计算与不同服务区域的AP关联的全部终端的RSSI之和，即A_i∈A。

S52：找出对应于不同的调整方案的中使得与该服务区域的AP关联的全部终端信号强度之和最大的调整方案，即满足的调整方案。

本领域的技术人员应理解，本发明还可以通过设置搜索次数上限来降低搜索算法的复杂度。其中，较小的搜索次数上限对应于在该信道层中较小规模的服务区域间的调整方案，以及更高的网络稳定性和更小的终端性能损耗。

S6：对每个AP进行单独调整，根据前一状态的无线发射功率确定当前状态的无线发射功率。

根据本发明的一个实施例，对每个AP进行单独调整的方法，包括：

S61：计算当前状态和前一状态下与同一个AP关联的全部终端的平均RSSI的变化率Г，

其等于当前状态与前一状态下与同一个AP关联的终端的RSSI的期望值或均值之差E[RSSI]-E′[RSSI]再除以前一状态下与该AP关联的终端的RSSI的期望值或均值E′[RSSI]，即

S62：计算当前状态下该AP应该发射的无线功率P，其等于前一状态下该AP的无线功率P′乘以1减去该变化率Г乘以功率放大系数ε，即P＝P′×(1-Г)×ε；其中，ε是可选择的，较大的ε对应于更大的无线功率P。

本领域的技术人员应理解，为了进一步地调整系统的能耗，还可以将所关联的终端数为0的AP的当前状态的无线发射功率设置为默认的最小功率。

S7：更新调整后终端与AP的关联关系，并且更新关联状态的历史记录。

根据本发明的方法，在最大限度的保证终端网络性能的前提下，降低了整个系统的无线能耗。此外，根据本发明的方法通过调整在同一信道上不同区域之间的相邻用户的终端，使得这些用户不易发生冲突。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。因此，尽管上文参照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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于空间密集部署AP的多信道无线网络的控制方法，包括：

1)确定各个终端在各个信道层的不同服务区域的AP处的关联关系和平均信号强度；

2)判断与所述不同信道层的AP关联的终端数量的差异是否超过设定的阈值δ，并在超过所述阈值δ时，调整与不同信道层的AP相关联的终端，使得与所有信道层的AP关联的终端的平均信号强度最大；

3)基于调整后的终端与AP的关联关系，调整所述AP的无线发射功率，包括：根据当前状态和前一状态下与所述AP关联的全部终端的平均信号强度的变化率来确定当前状态下所述AP的无线发射功率。

2.根据权利要求1所述的方法，在其中步骤2)和步骤3)之间还包括：

2.5)判断同一信道层中与不同区域的AP关联的终端的数量的差异是否超过设定的阈值γ，并在超过所述阈值γ时，调整在所述信道层中与不同服务区域中的AP相关联的终端，使得与所有服务区域的AP关联的终端的平均信号强度最大。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤3)包括:

3-1)针对单个AP，确定当前状态和前一状态下与所述AP关联的全部终端的平均信号强度的变化率Γ，

3-2)根据下列公式，计算当前状态下所述AP应该发射的无线功率P：P＝P′×(1-Γ)×ε，其中P′是前一状态下所述AP的无线功率，ε是功率放大系数。

4.根据权利要求2中所述的方法，其中步骤2.5)包括：

2.5-1)根据所述信道层中的所述区域中的每一个分别与除该区域外的其他区域之间的空间距离，分别将在空间上邻接的区域划分成多个基本类，其中，如果一区域与其他任一区域的空间距离小于等于设定的距离阈值ω，则将这两个区域分成一类；

2.5-2)判断每个所述基本类中所关联终端数量除以所关联的终端数量的最小值的结果的方差是否大于等于设定的阈值γ。

5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤2.5-1)进一步包括：

在所述多个基本类的基础上进一步调整分类：

2.5-1-1)确定与每一所述类中所包含的全部区域关联的终端的数量的平均值；

2.5-1-2)将全部所述类中所包含区域的个数小于设定的N_set的类作为小类，将所包含区域的个数大于等于设定的N_set的类作为大类；

2.5-1-3)将所述小类中的一部分合并入与其在空间上相邻近的所述大类中去；

2.5-1-4)针对其余的所述小类和所大类进行合并，以完成针对全部分类的合并。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中步骤2)包括：

2-1)根据与所述各个信道层的全部区域的AP相关联的终端的数量的集合中的元素的大小，将所述集合中的元素分成多个基本类，其中，J是所述信道层的数量；

2-2)判断每个所述基本类中所关联的终端的数量的平均值除以所述平均值中的最小值的结果的方差是否大于等于设定的阈值δ，并且在大于等于设定的阈值δ时，调整与不同信道层的AP相关联的终端，使得与所有信道层的AP关联的终端的平均信号强度最大。

7.根据权利要求6所述的方法，其中步骤2-1)包括：

对所述集合中的元素依次进行以下判断：

如果则与为一类；

如果则与为一类；

…

如果则与不为一类，该类以结束；

其中，α为一设定值。

8.根据权利要求3所述的方法，将所关联的终端数为0的AP的所述当前状态的无线发射功率设置为默认的最小功率。

9.一种用于空间密集部署AP的多信道无线网络的控制设备，包括：

用于确定各个终端在各个信道层的不同服务区域的AP处的关联关系和平均信号强度的装置；以及

用于判断与所述不同信道层的AP关联的终端数量的差异是否超过设定的阈值δ的装置，其中在超过所述阈值δ时，则调整与不同信道层的AP相关联的终端，使得与所有信道层的AP关联的终端的平均信号强度最大；以及

用于基于调整后的终端与AP的关联关系，调整AP的无线发射功率的装置，其用于根据当前状态和前一状态下与所述AP关联的全部终端的平均信号强度的变化率来确定当前状态下所述AP的无线发射功率。

10.根据权利要求9所述的设备，还包括：

用于判断同一信道层中与不同区域的AP关联的终端的数量的差异是否超过设定的阈值γ的装置，其中在超过所述阈值γ时，则调整在所述信道层中与不同服务区域中的AP相关联的终端，使得与所有服务区域的AP关联的终端的平均信号强度最大。