CN106170153B - 一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法。其实现方案是：首先建立无线Mesh网络拓扑结构包括为网络分配可用正交信道和建立各节点的邻节点集合；其次对网络节点上的射频进行信道分配，选取网络中的一个节点并设置为当前节点，考虑当前节点与当前节点的邻节点集合中的每一个节点的射频的信道分配情况，根据两个节点可能的场景状态选择不同的处理，进而依次确定所有节点上不同射频对应的信道分配。本发明提出了一种多射频多信道无线Mesh网络中信道分配的新方法，实现了更好地抑制信道间干扰、提升无线Mesh网络整体性能的目标。

Description

一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法。
背景技术
无线Mesh网络是一种多跳、自组织、自配置网络，Mesh网络中的MP(Mesh Point路由节点)，MAP(Mesh Access Point接入点)，MPP(Mesh Portal Point网关节点)通过多跳的方式进行连接和数据传输。多射频多信道无线Mesh网络是无线Mesh网络的高级技术形式，网络中的信道分配技术能够使用某种信道分配方案来减小信道之间的干扰，显著提升无线Mesh网络的吞吐量、减小传输时延以满足人们日益增长的带宽需求。如何在多射频多信道无线Mesh网络中合理地进行信道分配，也逐渐成为无线Mesh网络的研究热点。
现有多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法主要有BFCA(暴力计算信道分配方法)、EIZM-CA(提高干扰缓解信道分配方法)以及CCA(集中式信道分配方法)。BFCA的计算开销与网络节点数成指数关系，计算量随节点数增加而迅速变大因此更适合于小型网络；EIZM-CA是近年来新提出的方法之一，但在网络吞吐量、平均时延和丢包率方面的表现并不突出；CCA方法专门为栅格无线Mesh网络设计，它基于冲突图和TID(总干扰度)分配信道，但存在的主要问题是不能控制正在使用中的信道因而可能导致某一信道过度使用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，该方法在充分考虑多射频多信道无线Mesh网络信道分配应该避免的问题，一是同一网络节点不同射频不能分配相同的信道，二是互连节点应避免具有一对或更多公共信道，基于网络节点可能呈现的不同场景采取相应措施，从而提高多射频多信道无线Mesh网络的信道分配性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，包括：(1)建立无线Mesh网络拓扑结构；(2)对网络节点上的射频进行信道分配。
进一步根据本发明所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，建立无线Mesh网络拓扑结构，按如下步骤进行：
步骤(1-1)、分配可用正交信道，确定无线Mesh网络可用的正交信道，用集合表示无线Mesh网络可用的正交信道集合，其中分别表示该无线Mesh网络中的可用的信道，是正交的，CSmax表示最大可用正交信道号。
步骤(1-2)、建立各节点的邻节点集合Adji，用VWMN表示无线Mesh网络中的网络节点集合，对于VWMN中的每个节点，寻找该节点的邻节点并分别创建该节点的邻节点的集合，用i表示该无线Mesh网络中的任意一个节点，用Adji表示节点i的邻节点的集合。
进一步根据本发明所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，对网络节点上的射频进行信道分配，网络节点集合VWMN中的每个节点i进行信道预分配处理，在信道预分配处理过程中，通过分析节点i和节点i的邻节点集合Adji中的每一个节点的射频的信道分配情况确定分配给节点i的信道，在信道预分配处理中将节点i作为当前节点，将节点j作为当前节点i的一个邻节点，用CSi表示当前节点i的分配信道集合，用CSj表示节点j的分配信道集合，用表示当前节点i的邻节点集合Adji中的所有节点已分配信道，初始情况下，CSi、CSj、都是空集，在信道预分配处理过程中，对于当前节点i和当前节点i的邻节点集合中中的每个邻节点都进行处理。
进一步根据本发明所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，对网络节点上的射频进行信道分配，当前节点i和当前节点i的邻节点j都有至少一个未分配信道的射频，则在当前节点i及当前节点i的邻节点集合中的节点的未使用的信道中优先选取一个信道分配给这两个节点的未分配信道的射频，两个节点分别为当前节点i和当前节点i的邻节点j；若不存在当前节点i及当前节点i的邻节点集合中的节点的未使用的信道，则在当前节点i和当前节点i的邻节点j未使用的信道中选取一个信道分配给这两个节点的未分配信道的射频，两个节点分别为节点i和节点i的邻节点j，有Ch＝CS-CSi-CSj，若Chrefine不是空集，则在Chrefine中任意选取一个元素放入CSi和CSj中；若Chrefine是空集，则在Ch中任意选取一个元素放入CSi和CSj中，即更新集合CSi和CSj。
进一步根据本发明所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，对网络节点上的射频进行信道分配，若只有当前节点i有至少一个未分配信道的射频，则在无线Mesh网络可用正交信道集合CS中除去当前节点i的邻节点集合中的节点和当前节点i的邻节点j都已使用的信道后选取一个信道分配给当前节点i的未分配信道的射频，有∩指交集，若Ch不是空集，则在Ch中任意选取一个元素放入CSi中；若Ch是空集，则在CSj中任意选取一个元素放入CSi中。
进一步根据本发明所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，对网络节点上的射频进行信道分配，若只有当前节点i的邻节点j有至少一个未分配信道的射频，则在无线Mesh网络可用正交信道集合CS中除去当前节点i的邻节点j的邻节点集合中的节点和当前节点i都已使用的信道后选取一个信道分配给当前节点i的邻节点j的未分配信道的射频，有若Ch不是空集，则在Ch中任意选取一个元素放入CSj中；若Ch是空集，则在CSi中任意选取一个元素放入CSj中。
进一步根据本发明所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，对网络节点上的射频进行信道分配，若当前节点i和当前节点i的邻节点j都没有未分配信道的射频，则改变某一射频分配的信道使得既能保证节点间通信又使干扰增加最小，先找到当前节点i的邻节点j的邻节点集合所有节点的分配信道集合中信道使用次数最少且包含在当前节点i的分配信道集合CSi中的信道，记为k；再找到当前节点i的邻节点集合所有节点的分配信道集合和信道使用次数最少，且包含在当前节点i的邻节点j的分配信道集合CSj中的信道，记为l；最后更新当前节点i的邻节点j的分配信道集合CSj＝CSj-l+k。
进一步根据本发明所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，对网络节点上的射频进行信道分配，通过对网络节点集合VWMN中的每个节点都进行上述信道预分配处理，网络节点集合VWMN中节点i对应的最终的信道分配集合CSi中的元素对应的信道即为分配给节点i的信道，也就是说该无线Mesh网络中的每个节点的最终的信道分配集合中的元素对应的信道即为分配给该节点的信道。
本发明的有益效果是：
(1)本发明从无线Mesh网络信道分配时各节点可能出现的不同场景角度出发，通过分析当前节点和当前节点的邻节点集合中的每一个节点的射频的信道分配情况采取不同行为，在网络吞吐量、平均时延和丢包率三个典型指标上都表现良好；
(2)本发明的时间复杂度只是O(m)即时间复杂度与节点数m成线性关系，计算复杂度小；
(3)本发明通过改进信道分配方法有效降低了干扰，提升了无线Mesh网络的整体性能。
附图说明
图1为本发明所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法的流程图；
图2为开发的测试场景实例；
图3为四种不同方法在无线Mesh网络下的吞吐量对比；
图4为四种不同方法在无线Mesh网络下的平均时延对比；
图5为四种不同方法在无线Mesh网络下的丢包率对比。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明所述方案和效果作进一步详细描述。
图1为本发明所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法的流程图，本发明可分为建立无线Mesh网络拓扑结构、对网络节点上的射频进行信道分配两大步骤。具体实现步骤如下：
步骤1、建立无线Mesh网络拓扑结构：
步骤(1-1)、分配可用正交信道，确定无线Mesh网络可用的正交信道，用集合表示无线Mesh网络可用的正交信道集合，其中分别表示该无线Mesh网络中的可用的信道，是正交的，CSmax表示最大可用正交信道号。
步骤(1-2)、建立各节点的邻节点集合Adji，用VWMN表示无线Mesh网络中的网络节点集合，对于VWMN中的每个节点，寻找该节点的邻节点并分别创建该节点的邻节点的集合。用i表示该无线Mesh网络中的任意一个节点，用Adji表示节点i的邻节点的集合。
步骤2、对网络节点上的射频进行信道分配，对于网络节点集合VWMN中的每个节点i进行信道预分配处理，在信道预分配处理过程中，通过分析节点i和节点i的邻节点集合Adji中的每一个节点的射频的信道分配情况确定分配给节点i的信道。以下为叙述简便，在信道预分配处理中将节点i作为当前节点，将节点j作为当前节点i的一个邻节点。用CSi表示当前节点i的分配信道集合，用CSj表示节点j的分配信道集合，用表示当前节点i的邻节点集合Adji中的所有节点已分配信道。
初始情况下，CSi、CSj、Adji都是空集，具体的，在信道预分配处理过程中，对于当前节点i和当前节点i的邻节点集合中Adji中的每个邻节点都进行如下处理。
若当前节点i和当前节点i的邻节点j都有至少一个未分配信道的射频，则在当前节点i及当前节点i的邻节点集合中的节点的未使用的信道中优先选取一个信道分配给这两个节点(当前节点i和当前节点i的邻节点j)的未分配信道的射频；若不存在当前节点i及当前节点i的邻节点集合中的节点的未使用的信道，则在当前节点i和当前节点i的邻节点j未使用的信道中选取一个信道分配给这两个节点(当前节点i和当前节点i的邻节点j)的未分配信道的射频。具体的，设Ch＝CS-CSi-CSj；若Chrefine不是空集，则在Chrefine中任意选取一个元素放入CSi和CSj中；若Chrefine是空集，则在Ch中任意选取一个元素放入CSi和CSj中，即更新集合CSi和CSj。
若只有当前节点i有至少一个未分配信道的射频，则在无线Mesh网络可用正交信道集合CS中除去当前节点i的邻节点集合中的节点和当前节点i的邻节点j都已使用的信道后选取一个信道分配给当前节点i的未分配信道的射频。具体的，设(∩指交集)。若Ch不是空集，则在Ch中任意选取一个元素放入CSi中；若Ch是空集，则在CSj中任意选取一个元素放入CSi中。
若只有当前节点i的邻节点j有至少一个未分配信道的射频，则在无线Mesh网络可用正交信道集合CS中除去当前节点i的邻节点j的邻节点集合中的节点和当前节点i都已使用的信道后选取一个信道分配给当前节点i的邻节点j的未分配信道的射频。具体的，设若Ch不是空集，则在Ch中任意选取一个元素放入CSj中；若Ch是空集，则在CSi中任意选取一个元素放入CSj中。
若当前节点i和当前节点i的邻节点j都没有未分配信道的射频，则改变某一射频分配的信道使得既能保证节点间通信又使干扰增加最小。具体的，先找到当前节点i的邻节点i的邻节点集合所有节点的分配信道集合中信道使用次数最少且包含在当前节点i的分配信道集合CSi中的信道，记为k；再找到当前节点i的邻节点集合所有节点的分配信道集合和信道使用次数最少，且包含在当前节点i的邻节点j的分配信道集合CSj中的信道，记为l；最后更新当前节点i的邻节点j的分配信道集合CSj＝CSj-l+k。
在上述步骤二中，通过对网络节点集合VWMN中的每个节点都进行上述信道预分配处理，网络节点集合VWMN中节点i对应的最终的信道分配集合CSi中的元素对应的信道即为分配给节点i的信道，也就是说该无线Mesh网络中的每个节点的最终的信道分配集合中的元素对应的信道即为分配给该节点的信道。
本发明的性能效果可通过以下仿真实验进一步说明：
1、实验条件
本实验基于NS-3平台测试了从3×3到7×7大小的无线Mesh网络，运行了大量仿真来实际测试算法性能。参数设置是每个节点2个射频、节点分离250米、工作频率2.4GHz下3个可用正交信道，在IEEE协议标准下采用带有RTS/CTS(Request To Send/Clear To Send请求发送/清除发送)的802.11g协议。
2、实验内容
考虑一个n×n网格有2n个并发流，n个垂直流从每一个顶部节点至底部和n个水平流每一个从最左边的节点引导到最右边的节点，每个流从源节点到目的节点发送一个5MB的数据文件，当考虑每个垂直流时左上节点在一个文件中发送数据到底部左节点，当考虑水平流时发送数据到右上节点。水平流和垂直流实例如图2所示。
为了测试无线Mesh网络的性能以网络的整体吞吐量、平均延迟(MD)以及丢包率(PLR)作为指标，使用两套使用传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)作为传输层协议的仿真环境，使用NS-3内置的Bulk Send Applicaton对TCP进行仿真实验，用于NS-3内置的Udp Client Server对UDP进行仿真。TCP仿真的目的是寻找网络吞吐量(所有单个流的集合)，UDP仿真的目的是寻找PLR与MD。
3、实验结果
3.1吞吐量分析：合计吞吐量(以Mbps计)结果如图3所示。可以看出本发明方案明显胜过EIZM-CA(提高干扰缓解区信道分配方法)和CCA(集中式信道分配方法)并且本发明方案性能显然和BFCA(暴力信道分配方法)接近。本发明方案在5×5 Mesh网络下仅仅比BFCA差7.3％，比EIZM-CA大幅优于43.8％，350％压倒性的胜过CCA。
3.2平均时延分析：平均时延(毫秒级)结果在图4中表示。可以看出以平均时延作为度量标准，本发明方案结果优于EIZM-CA和CCA，并且性能接近BFCA本发明方案在5×5Mesh网络下仅仅比BFCA差9.6％，但是比EIZM-CA优于9.6％，比CCA优于28％。
3.3丢包率分析：可以在图5中观察到丢包率结果。以丢包率为度量标准，本发明方案性能明显优于EIZM-CA和CCA，而性能接近BFCA。本发明方案在5×5 Mesh网络中仅仅比BFCA差8.1％，却比EIZM-CA优于19％，比CCA性能优于34％。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (5)

1.一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，其特征在于，包括：
(1)、建立无线Mesh网络拓扑结构；
(2)、对网络节点上的射频进行信道分配；
步骤一中建立无线Mesh网络拓扑结构，按如下步骤进行：
(1-1)、分配可用正交信道，确定无线Mesh网络可用的正交信道，用集合表示无线Mesh网络可用的正交信道集合，其中分别表示该无线Mesh网络中的可用的信道，是正交的，CSmax表示最大可用正交信道号；
(1-2)、建立各节点的邻节点集合Adji，用VWMN表示无线Mesh网络中的网络节点集合，对于VWMN中的每个节点，寻找该节点的邻节点并分别创建该节点的邻节点的集合，用i表示该无线Mesh网络中的任意一个节点，用Adji表示节点i的邻节点的集合：
步骤二中对网络节点上的射频进行信道分配，网络节点集合VWMN中的每个节点i进行信道预分配处理，在信道预分配处理过程中，通过分析节点i和节点i的邻节点集合Adji中的每一个节点的射频的信道分配情况确定分配给节点i的信道，在信道预分配处理中将节点i作为当前节点，将节点j作为当前节点i的一个邻节点，用CSi表示当前节点i的分配信道集合，用CSj表示节点j的分配信道集合，用表示当前节点i的邻节点集合Adji中的所有节点已分配信道，初始情况下，CSi、CSj、都是空集，在信道预分配处理过程中，对于当前节点i和当前节点i的邻节点集合中Adji中的每个邻节点都进行处理；
通过对网络节点集合VWMN中的每个节点都进行上述信道预分配处理，网络节点集合VWMN中节点i对应的最终的信道分配集合CSi中的元素对应的信道即为分配给节点i的信道，也就是说该无线Mesh网络中的每个节点的最终的信道分配集合中的元素对应的信道即为分配给该节点的信道。
2.根据权利要求1所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，其特征在于，当前节点i和当前节点i的邻节点j都有至少一个未分配信道的射频，则在当前节点i及当前节点i的邻节点集合中的节点的未使用的信道中优先选取一个信道分配给这两个节点的未分配信道的射频，两个节点分别为当前节点i和当前节点i的邻节点j；若不存在当前节点i及当前节点i的邻节点集合中的节点的未使用的信道，则在当前节点i和当前节点i的邻节点j未使用的信道中选取一个信道分配给这两个节点的未分配信道的射频，两个节点分别为节点i和节点i的邻节点j，有Ch＝CS-CSi-CSj，Chrefine＝CSj+Ch-CSAdji，若Chrefine不是空集，则在Chrefine中任意选取一个元素放入CSi和CSj中；若Chrefine是空集，则在Ch中任意选取一个元素放入CSi和CSj中，更新集合CSi和CSj。
3.根据权利要求1所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，其特征在于，若只有当前节点i有至少一个未分配信道的射频，则在无线Mesh网络可用正交信道集合CS中除去当前节点i的邻节点集合中的节点和当前节点i的邻节点j都已使用的信道后选取一个信道分配给当前节点i的未分配信道的射频，有∩指交集，若Ch不是空集，则在Ch中任意选取一个元素放入CSi中；若Ch是空集，则在CSj中任意选取一个元素放入CSi中。
4.根据权利要求1所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，其特征在于，若只有当前节点i的邻节点j有至少一个未分配信道的射频，则在无线Mesh网络可用正交信道集合CS中除去当前节点i的邻节点j的邻节点集合中的节点和当前节点i都已使用的信道后选取一个信道分配给当前节点i的邻节点j的未分配信道的射频，有若Ch不是空集，则在Ch中任意选取一个元素放入CSj中；若Ch是空集，则在CSi中任意选取一个元素放入CSj中。
5.根据权利要求1所述一种多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配方法，其特征在于，若当前节点i和当前节点i的邻节点j都没有未分配信道的射频，则改变某一射频分配的信道使得既能保证节点间通信又使干扰增加最小，先找到当前节点i的邻节点j的邻节点集合所有节点的分配信道集合中信道使用次数最少且包含在当前节点i的分配信道集合CSi中的信道，记为k；再找到当前节点i的邻节点集合所有节点的分配信道集合中信道使用次数最少，且包含在当前节点i的邻节点j的分配信道集合CSj中的信道，记为l；最后更新当前节点i的邻节点j的分配信道集合CSj＝CSj-l+k。
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