CN106714210B - 一种无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法 - Google Patents

一种无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法。其实现方案是：确定网络中每个节点上的信道集和该节点的相邻节点；根据两节点间所有可能的无线链路，得出链路和信道的对应关系，确定两节点间所有等可能的信道分配组合；利用两节点间的抗干扰权重weight的值评测这两个节点的信道分配性能，然后将所有节点间的抗干扰权重weight的值累加即可评测整个无线Mesh网络的信道分配性能。本发明提出了一种统计与空间相结合的新颖的估计方法，更加可靠地评测网络的信道分配性能，可用于无线Mesh网络。

Description

一种无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法。
背景技术
无线Mesh网络是一种新型的宽带无线网络结构，它具有部署方便快捷、初期建设成本低、覆盖范围广、可扩展性好等优点。传统的WMN大都采用单射频单信道的配置，但其网络容量和频带利用率都会随着节点数目的增加而下降。采用多射频多信道MRMC技术可以显著地降低干扰，提高网络容量和频带利用率，因此多射频多信道无线Mesh网络得到了广泛应用。
信道分配是无线资源管理的重要内容，也一直是MRMC WMNs的研究热点。针对多射频多信道无线Mesh网络的信道分配方案的主要目的是减少网络中的传输冲突，提高网络的抗干扰能力，所以我们需要一种评测的方法来估计信道分配方案的性能。
现有的信道分配性能的评测技术有TID和CDALcost等。其中，TID技术是利用网络的完全干扰等级的大小来评估信道分配方案的性能优劣的。它的优点是计算简单，只需先得到在给定链路的近距离内可能会干扰它的链路的数量，再将所有链路得到的干扰链路数求和减半即可得到，但是它的缺点是显而易见的，它仅仅是干扰强度的一个近似的估量而不是一个可靠的信道分配方案性能的预测指标。无线干扰可以归因于三个维度，即统计、时间和空间。依据于统计维度，提出了CDALcost算法，该算法计算了一个统计度量值CDALcost，该值是将网络中被分配给各个特定信道的链路的数量求和再取平均得到的。它的计算成本更加小，而且经证明是一个比TID更加可靠的信道分配方案性能的预测指标。但是，它无视了这些信道分配方案的空间特性，即如果推断出两个信道分配方案的信道的链路数是相同的，则认为这两个信道分配方案具有同水平的性能，即使这两个信道分配方案在网络中的空间连接分布上并不相同。这就会导致信道分配性能的预测和比较出错。
综上，无论是从近似估量还是从单一的统计维度进行信道分配性能的干扰预测与实际中的数据都会有比较大的差距，导致整体的准确度下降。我们需要一种能尽量减小这个差距的方法来评测信道分配方案的性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法，它采用了统计维度与空间维度相结合的方式来对信道分配方案的性能进行评测，提高了整体准确性。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
一种无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法，包括以下步骤：
步骤一：确定网络的基本状况；
步骤二：确定各节点间链路和信道的对应关系；
步骤三：评测任意两节点之间的信道分配性能；
步骤四：评测整个网络的信道分配性能。
进一步根据所述无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法，在多射频多信道无线Mesh网络中有n个节点，每个节点上有着数量随机且完全相同的无线电设备，两个节点上的无线电设备经过无线链路通信时，会产生干扰；
n个节点中，两两节点通信会存在种通信可能性；O1，O2为任意两个节点，从源节点O1到目的节点O2共有M条链路，其中有X(X<M)条链路受到了网络中其他节点之间通信的干扰；
将O1，O2之间的X条受到了网络中其他节点干扰的链路定义为两节点间干扰估计的基本实体XLS，在多射频多信道无线Mesh网络中共有个干扰估计的基本实体
在信道分配时，每一个干扰估计的基本实体产生多种等可能的信道分配组合CAs，其中某一种可能的信道分配方案为CA，CA∈CAs。
进一步根据所述无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法，引入抗干扰权重weight，以链路的空间距离为基础，链路之间越接近，链路冲突发生的可能性越大，抗干扰权重weight的值越小；链路之间距离越远，链路冲突发生的可能性越小，抗干扰权重weight的值越大；
TempXLSwt表示一个干扰估计的基本实体XLSX中的某一种可能的信道分配方案CA的抗干扰权重weight；XLSwt表示一个干扰估计的基本实体XLSX中所有等可能的信道分配组合CA的平均抗干扰权重，XLSwt可用来衡量干扰估计的基本实体XLSX的信道分配性能；CXLSwt表示个干扰估计的基本实体的抗干扰权重weight之和，CXLSwt可用来衡量网络的信道分配性能。
进一步根据所述无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法，步骤一中确定网络的基本状况，获取网络中n个节点的基本状况，即为整个网络的基本状况；
对网络中任一个节点i的基本状况，包括一个信道集Chi和一个相邻节点的列表Adji；
所述信道集Chi中的信道分配给该节点上的无线电设备，所述节点列表标记了与该节点相邻的所有节点，j表示该节点的相邻节点，j∈Adji。
进一步根据所述无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法，步骤二中确定各节点间链路和信道的对应关系，由Chi和Adji可得相邻节点i和j的信道集Chi和Adji重叠产生的一组公共信道的集合ComChij；
根据相邻节点i和j的公共信道集合ComChij，节点i和节点j之间所有可能的无线链路组成集合LnSet，所述LnSet中的每一条无线链路可能经过ComChij中的c(c≥1)个公共信道来将节点i和节点j连通，即LnSet中的一条无线链路对应ComChij中的公共信道，用LnChMap表示这种节点之间链路和信道的对应关系。
进一步根据所述无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法，步骤三中评测任意两节点之间的信道分配性能；
一个干扰估计的基本实体中存在X条受到了网络中其他节点通信干扰的链路，利用链路和信道的对应关系LnChMap可得到对应的X组公共信道，将X组公共信道分配给X个链路使用时会产生若干组等可能的信道分配组合CAs；
如果这种等可能的信道分配组合CA中所有的X条链路都被分配了完全相同的信道，则令这种等可能的信道分配组合CA的抗干扰权重weight值TempXLSwt为0，为最大干扰情况；如果X-1条链路被分配了完全相同的信道，一条链路被分配了一个正交信道，则令这种等可能的信道分配组合CA的抗干扰权重weight值TempXLSwt为1；以此类推，如果所有的X条链路都被分配了不重叠的信道，则这种等可能的信道分配组合CA的抗干扰权重weight值TempXLSwt为X；对其他若干组等可能的信道分配CAs组合执行上述操作，求出抗干扰权重weight值TempXLSwt。
将每种等可能的信道分配组合CA的TempXLSw值累加取平均，即为干扰估计的基本实体XLsx中所有等可能的信道分配组合CAs的平均抗干扰权重XLSwt；
对网络中个干扰估计的基本实体按照上述方法，可得到个XLSwt；
XLSwt值越大，表示这两个节点之间发生链路冲突的可能性越小，其信道分配性能越好；反之，则表示这两个节点之间发生链路冲突的可能性越大，其信道分配性能越差；
进一步根据所述无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法，步骤四中评测整个网络的信道分配性能；
将这个XLSwt累加，个干扰估计的基本实体的抗干扰权重weight之和为CXLSwt；
根据CXLSwt的值即可评测网络整体信道分配的性能如何，该值越小表示网络的信道分配的性能越差，该值越大表示网络的信道分配的性能越好。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明结合了统计与空间两个维度，考虑到可能出现在无线Mesh网络中的所有的干扰情况，避免了单一统计维度带来的弊端。
2.本发明分配给每一种信道分配方案一个以链路的空间距离为基础的抗干扰权重weight，这反映了其对干扰的不利影响的快速的恢复能力，抗干扰权重weight的值越大，信道分配方案的性能越好。
3.本发明在相当广泛的信道分配方案样本集中仍能与实际结果有着90％以上的依从性。它的算法复杂度稍高，但是精确水平的提高能够补偿由于算法复杂度增加造成的开销。因此，本发明绝对优于TID和CDALcost。
附图说明
图1为本发明所述的无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法流程图；
图2为TID方法评测的各信道分配方案下网络的平均丢包率PLR与实际情况的相关性；
图3为CDALcost方法评测的各信道分配方案下网络的平均丢包率PLR与实际情况的相关性；
图4为本发明所述方法评测的各信道分配方案下网络的平均丢包率PLR与实际情况的相关性。
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。
多射频多信道无线Mesh网络中有n个节点，每个节点上有着数量随机且完全相同的无线电设备，两个节点上的无线电设备经过无线链路通信时，会产生干扰。n个节点中，两两节点通信会存在种通信可能性。
O1，O2为任意两个节点，从源节点O1到目的节点O2共有M条链路，其中有X(X<M)条链路受到了网络中其他节点之间通信的干扰。将O1，O2之间的X条受到了网络中其他节点干扰的链路定义为两节点间干扰估计的基本实体XLS。在多射频多信道无线Mesh网络中共有个干扰估计的基本实体
在信道分配时，每一个干扰估计的基本实体产生多种等可能的信道分配组合CAs，其中某一种可能的信道分配方案为CA，CA∈CAs。
引入抗干扰权重weight，它以链路的空间距离为基础，链路之间越接近，链路冲突发生的可能性越大，抗干扰权重weight的值越小；链路之间距离越远，链路冲突发生的可能性越小，抗干扰权重weight的值越大。
TempXLSwt表示一个干扰估计的基本实体XLSX中的某一种可能的信道分配方案CA的抗干扰权重weight；XLSwt表示一个干扰估计的基本实体XLSX中所有等可能的信道分配组合CA的平均抗干扰权重，XLSwt可用来衡量干扰估计的基本实体XLSX的信道分配性能；CXLSwt表示个干扰估计的基本实体的抗干扰权重weight之和，CXLSwt可用来衡量网络的信道分配性能。
如图1所示，本发明所述的无线Mesh网络中的信道分配性能的评测方法，按如下步骤进行。
步骤一：确定网络的基本状况。
获取网络中n个节点的基本状况，即为整个网络的基本状况。
对网络中任一个节点i的基本状况，包括一个信道集Chi和一个相邻节点的列表Adji。所述信道集Chi中的信道分配给该节点上的无线电设备，所述节点列表标记了与该节点相邻的所有节点，用j来表示该节点的相邻节点，j∈Adji。
步骤二：确定各节点间链路和信道的对应关系。
由Chi和Adji可得相邻节点i和j的信道集Chi和Adji重叠产生的一组公共信道的集合ComChij。
根据相邻节点i和j的公共信道集合ComChij，节点i和节点j之间所有可能的无线链路组成集合LnSet，所述LnSet中的每一条无线链路可能经过ComChij中的c(c≥1)个公共信道来将节点i和节点j连通，即LnSet中的一条无线链路对应ComChij中的公共信道，用LnChMap表示这种节点之间链路和信道的对应关系。
步骤三：评测任意两节点之间的信道分配性能。
一个干扰估计的基本实体中存在X条受到了网络中其他节点通信干扰的链路，利用链路和信道的对应关系LnChMap可得到对应的X组公共信道。将这X组公共信道分配给X个链路使用时会产生若干组等可能的信道分配组合CAs。
如果这种等可能的信道分配组合CA中所有的X条链路都被分配了完全相同的信道，则令这种等可能的信道分配组合CA的抗干扰权重weight值TempXLSwt为0，这是最大干扰情况；如果X-1条链路被分配了完全相同的信道，一条链路被分配了一个正交(与其他信道的互相关函数为零)的信道，则令这种等可能的信道分配组合CA的抗干扰权重weight值TempXLSwt为1；以此类推，如果所有的X条链路都被分配了不重叠的信道，则这种等可能的信道分配组合CA的抗干扰权重weight值TempXLSwt为X。对其他若干组等可能的信道分配CAs组合执行上述操作，求出抗干扰权重weight值TempXLSwt。
将每种等可能的信道分配组合CA的TempXLSw值累加取平均，即为干扰估计的基本实体XLsx中所有等可能的信道分配组合CAs的平均抗干扰权重XLSwt。XLSwt值越大，表示这两个节点之间发生链路冲突的可能性越小，其信道分配性能越好；反之，则表示这两个节点之间发生链路冲突的可能性越大，其信道分配性能越差。
步骤四：评测整个网络的信道分配性能。
对网络中个干扰估计的基本实体执行步骤三，可得到个XLSwt。将这个XLSwt累加，得到的就是个干扰估计的基本实体的抗干扰权重weight之和为CXLSwt。
根据CXLSwt的值即可评测网络整体信道分配的性能如何，该值越小表示网络的信道分配的性能越差，该值越大表示网络的信道分配的性能越好。
本发明所述的无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法，通过对信道分配方案下网络的平均丢包率PLR的评测，与已知的权威的评测结果进行比较，进一步验证本方案的可靠性，具体实验如下：
1.实验条件
本实验在NS-3下进行仿真，参数表如下：
参数 值
网格尺寸 5×5
IEEE 802.11g设备/节点的数目 2
设备范围 250mts
可利用的正交信道 3(2.4GHZ)
最大802.11g物理数据速率 54Mbps
数据文件大小 10MB
最大段尺寸(TCP) 1KB
数据包尺寸(UDP) 1KB
MAC分段极限 2200Bytes
RTS/CTS(请求发送和清除发送协议) 不可用
路由协议 OLSR(优先链路状态路由协议)
损失模型 范围传播
速率控制 恒定速率
其中，TCP和UDP是传输层协议，TCP仿真提供了总的网络吞吐量，而UDP仿真确定了数据包丢失率和平均延迟。在网格WMN中每个节点有2个相同的无线电通信设备和3个正交信道。在网格WMN中的测试情景包括一个从行或列的第一节点到特定的行或列的最后一个节点的4中继(跳)和放置在网格角落里的被建立对角相对节点的8中继(跳)数据流。从这两类多跳流的各种各样的组合，我们设计出了四种受TCP和UDP仿真影响的测试场景。他们包括下面这几个并发流，这些并发流在25节点网格中被同时激活：(I)5(II)8(III)10(IV)12。
2.实验内容
在试验中，一共用到了13个信道分配方案：BFSCAC(BC)、BFSCAE(BE)、CLICAC(CQC)、CLICAE(CQE)、MISCAC(MC)、MISCAE(ME)、CCAC(CC)、CCAE(CE)、OISCAC(OC)、OISCAE(OE)、EIZMCAC(EC)、EIZMCAE(EE)、GSCA(GS)。其中，下标C代表C-MMCG，即传统型MRMC冲突图模型；下标E代表E-MMCG，即增强型MRMC冲突图模型；GSCA是通过将网格中的所有可能的信道分配置换以确定一个具有最小的TID估计的信道分配方案，它是一个网格特定的信道分配方案，作为一个信道分配方案性能评价的参考。其余12种都是众所周知的信道分配方案，它们的性能优劣都是已知的。
平均丢包率PLR是信道分配方案的主要性能指标，平均丢包率PLR的值随着干扰强度的增加而增大。其中，在TID方法中，TID的值越大表示干扰强度越大；在CDALcost方法中，CDALcost的值越大表示干扰强度越大；而在本发明所述方法中，CXLSwt的值越小表示干扰强度越大。利用这三种方法计算上述13种信道分配方案下网络的平均丢包率PLR，将三种方法计算的13种信道分配方案下网络的平均丢包率PLR与实际情况下的已知数据对比，得出理论估计和实际性能指标之间的相关性，得出图2、图3、图4仿真结果。
从图2可以看出，整个图像的抖动很大，有多处突起，所以TID不符合预期的相关性。从图3可以看出，整个图像抖动较少，只有一处较明显的突起，所以CDALcost方法显示出了较好的相关性。从图4可以看出，图像整体较平滑，无明显突起，所以本发明所述的评测方法显示出的与实际情况的相关性最好。
综上，本发明所述的评测方法相较于TID和CDALcost方法来说更加可靠，提高整体的准确性。
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做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 (3)

1.一种无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定网络的基本状况；
步骤二：确定各节点间链路和信道的对应关系；
步骤三：评测任意两节点之间的信道分配性能；
步骤四：评测整个网络的信道分配性能；
其中，在多射频多信道无线Mesh网络中有n个节点，每个节点上有着数量随机且完全相同的无线电设备，两个节点上的无线电设备经过无线链路通信时，会产生干扰；
n个节点中，两两节点通信会存在种通信可能性；O1，O2为任意两个节点，从源节点O1到目的节点O2共有M条链路，其中有X条链路受到了网络中其他节点之间通信的干扰,其中，X<M；
将O1，O2之间的X条受到了网络中其他节点干扰的链路定义为两节点间干扰估计的基本实体XLS，在多射频多信道无线Mesh网络中共有个干扰估计的基本实体
在信道分配时，每一个干扰估计的基本实体XLsX产生多种等可能的信道分配组合CAs，其中某一种可能的信道分配方案为CA，CA∈CAs；
引入抗干扰权重weight，以链路的空间距离为基础，链路之间越接近，链路冲突发生的可能性越大，抗干扰权重weight的值越小；链路之间距离越远，链路冲突发生的可能性越小，抗干扰权重weight的值越大；
TempXLSwt表示一个干扰估计的基本实体XLSX中的某一种可能的信道分配方案CA的抗干扰权重weight；XLSwt表示一个干扰估计的基本实体XLSX中所有等可能的信道分配组合CA的平均抗干扰权重，XLSwt可用来衡量干扰估计的基本实体XLSX的信道分配性能；CXLSwt表示个干扰估计的基本实体的抗干扰权重weight之和，CXLSwt可用来衡量网络的信道分配性能；
步骤三中评测任意两节点之间的信道分配性能；
一个干扰估计的基本实体XLsX中存在X条受到了网络中其他节点通信干扰的链路，其中，利用链路和信道的对应关系LnChMap可得到对应的X组公共信道，将X组公共信道分配给X个链路使用时会产生若干组等可能的信道分配组合CAs；
如果这种等可能的信道分配组合CA中所有的X条链路都被分配了完全相同的信道，则令这种等可能的信道分配组合CA的抗干扰权重weight值TempXLSwt为0，为最大干扰情况；如果X-1条链路被分配了完全相同的信道，一条链路被分配了一个正交信道，则令这种等可能的信道分配组合CA的抗干扰权重weight值TempXLSwt为1；以此类推，如果所有的X条链路都被分配了不重叠的信道，则这种等可能的信道分配组合CA的抗干扰权重weight值TempXLSwt为X；对其他若干组等可能的信道分配CAs组合执行上述操作，求出抗干扰权重weight值TempXLSwt；
将每种等可能的信道分配组合CA的TempXLSw值累加取平均，即为干扰估计的基本实体XLsx中所有等可能的信道分配组合CAs的平均抗干扰权重XLSwt；
对网络中个干扰估计的基本实体按照上述方法，可得到个XLSwt；
XLSwt值越大，表示这两个节点之间发生链路冲突的可能性越小，其信道分配性能越好；反之，则表示这两个节点之间发生链路冲突的可能性越大，其信道分配性能越差；
步骤四中评测整个网络的信道分配性能；
将这个XLSwt累加，个干扰估计的基本实体的抗干扰权重weight之和为CXLSwt；
根据CXLSwt的值即可评测网络整体信道分配的性能如何，该值越小表示网络的信道分配的性能越差，该值越大表示网络的信道分配的性能越好。
2.根据权利要求1所述的无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法，其特征在于，步骤一中确定网络的基本状况，获取网络中n个节点的基本状况，即为整个网络的基本状况；
对网络中任一个节点i的基本状况，包括一个信道集Chi和一个相邻节点的列表Adji；
所述信道集Chi中的信道分配给该节点上的无线电设备，所述节点列表标记了与该节点相邻的所有节点，j表示该节点的相邻节点，j∈Adji。
3.根据权利要求2所述的无线Mesh网络中信道分配性能的评测方法，其特征在于，步骤二中确定各节点间链路和信道的对应关系，由Chi和Adji可得相邻节点i和j的信道集Chi和Adji重叠产生的一组公共信道的集合ComChij；
根据相邻节点i和j的公共信道集合ComChij，节点i和节点j之间所有可能的无线链路组成集合LnSet，所述LnSet中的每一条无线链路可能经过ComChij中的c个公共信道来将节点i和节点j连通，即LnSet中的一条无线链路对应ComChij中的公共信道，用LnChMap表示这种节点之间链路和信道的对应关系，其中，c≥1。
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