CN107734694B - 一种基于动态负载的重叠信道分配方法 - Google Patents

一种基于动态负载的重叠信道分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于动态负载的重叠信道分配方法，包括：依据物理拓扑结构计算每个节点的优先级，并且使得拥有较高优先级的节点优先与邻居节点进行接口绑定；对信道进行初始化处理；计算每条链路对应的信道分配顺序，其中，信道分配顺序算法中增加链路负载作为计算因子；将未分配的信道按照降序排列，分别计算当前链路基于每条信道时，已分配信道的链路对当前链路的干扰值；选取干扰值最小对应的信道分配给当前链路。通过将链路实际负载作为信道分配顺序的计算因子，通过引入实际传输速率提出一种更适用的链路负载计算方法。本申请提出的信道分配方法能够根据通信系统中的业务负载程度周期性重新分配信道，提高系统吞吐量和通信性能。

Description

一种基于动态负载的重叠信道分配方法
技术领域
本发明涉及通信系统中信道重叠处理相关技术领域，特别是指一种基于动态负载的重叠信道分配方法。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，无线局域网已经广泛应用在家庭、办公室、公共场所等。通常的无线局域网架构包括：无线局域网控制器、无线接入点(AP)、非AP站点。AP是提供无线接入的设备，无线局域网控制器通常用于管理和控制AP，为AP提供业务配置。通常的无线局域网主要使用2.4吉赫兹波段和5GHz无线频谱。其中，2.4GHz无线频谱被划分为14个信道，每个信道的带宽为20兆赫兹，若两个信道的基准频率之差小于或等于20MHz，则两个信道重叠。若一个AP对另一个AP的干扰强度高于设定的门限，则该两个AP为相邻AP。若两个相邻AP使用相同信道或重叠信道，则两个AP可能相互干扰，造成无线局域网性能下降。因此，必须要对重叠信道的情况进行信道的分配处理，否则将会降低通信性能。
在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：当前对于重叠信道的分配方法效果不佳，难以改善通信系统的通信性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于动态负载的重叠信道分配方法，能够根据通信系统中的业务负载程度周期性重新分配信道，提高系统吞吐量和通信性能。
基于上述目的本发明提供的一种基于动态负载的重叠信道分配方法，包括：
依据物理拓扑结构计算每个节点的优先级数值，并且使得拥有较高优先级的节点优先与邻居节点进行接口绑定；
对信道进行初始化处理；
计算每条链路对应的信道分配顺序，其中，信道分配顺序算法中增加链路负载作为计算因子；
将未分配的信道按照降序排列，分别计算当前链路基于每条信道时，已分配信道的链路对当前链路的干扰值；
选取干扰值最小对应的信道分配给当前链路。
可选的，所述对信道进行初始化处理的步骤包括：给网络中的链路随机分配信道；或者，依照上次分配的信道进行分配。
可选的，所述信道分配顺序对应的计算公式为：
Figure GDA0002930258070000021
Figure GDA0002930258070000022
0＜AR≤C有效；
Figure GDA0002930258070000023
1≤k≤n；
其中，Rank(l)为信道分配顺序的度量；num_neighbour为链路两个端点的邻居节点数；min_hop_count信道距离网关的最小跳数；linkload为链路使用某信道后的实时负载；m为计算负载的归一化参数；IFQ表示接口队列长度；PL表示数据包大小；AR表示网络信道带宽的真实传输速率；C有效表示在部分重叠信道相互干扰的条件下，链路所分配的信道能够达到的最大有效传输速率；SINRk表示使用第k个重叠信道的接收信噪比；k表示第k个重叠信道；n表示网络中共使用n个重叠信道进行信道分配；Bk表示信道传输带宽。
从上面所述可以看出，本发明提供的基于动态负载的重叠信道分配方法不仅将链路实际负载作为链路信道分配顺序的计算因子，而且通过引入实际传输速率提出一种更加适用的链路负载计算方法。而且本申请还基于分配链路对于当前链路的干扰进行计算，进而可以选取干扰最小的信道分配给当前链路，使得链路信道的干扰讲降到最低。因此，本申请提出的信道分配方法能够提高吞吐量，降低时延和网络开销。也即，所述基于动态负载的重叠信道分配方法能够根据通信系统中的业务负载程度周期性重新分配信道，提高系统吞吐量和通信性能。
附图说明
图1为本发明提供的基于动态负载的重叠信道分配方法的一个实施例的流程图；
图2为本发明提供的10*10网格状静态拓扑仿真节点示意图；
图3为本发明提供的静态拓扑下不同数量的数据流与网络平均吞吐量的仿真关系图；
图4为本发明提供的静态拓扑下不同数量的数据流与网络平均端对端时延的仿真关系图；
图5为本发明提供的动态拓扑下不同数量的数据流与网络平均吞吐量的仿真关系图；
图6为本发明提供的动态拓扑下不同数量的数据流与网络平均端对端时延的仿真关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
针对于当前信道分配设计中无法考虑负载进而导致信道分配结果无法有效改善通信质量的问题，发明人发现基于信道分配是难以准确计算得到链路实际负载，因此本申请针对上述不足提出一种基于动态负载的部分重叠信道分配算法，通过衡量链路的实际负载、优化链路优先级计算公式，最终使得系统能够提高吞吐量，降低时延和网络开销。其中，对计算链路优先级进行改进主要在于考虑全网链路实时负载对链路优先级的影响，使得通信系统可以根据业务负载程度周期性重新分配信道，达到提高吞吐量的目的。同时提出链路负载的定义也需要考虑到在部分重叠信道分配条件下信道实时传输速率的影响，使得选择衡量链路负载因子不会增加过多的网络开销。
参照图1所示，为本发明提供的基于动态负载的重叠信道分配方法的一个实施例的流程图。所述基于动态负载的重叠信道分配方法，包括：
步骤101，依据物理拓扑结构计算每个节点的优先级(degree)数值，并且使得拥有较高优先级的节点优先与邻居节点进行接口绑定；其中，degree是表示邻居节点接口绑定的优先级，高优先级的节点应该避免与其他邻居公用同一接口，因为越高绑定优先级的节点意味着更多的邻居和更多的数据流经过。
步骤102，对信道进行初始化处理；可选的，所述对信道进行初始化处理的步骤包括：给网络中的链路随机分配信道；或者，依照上次分配的信道进行分配。
步骤103，计算每条链路对应的信道分配顺序，其中，信道分配顺序算法中增加链路负载作为计算因子；为了得到信道分配的顺序，首先需要利用两径模型理论推导出部分重叠信道的干扰距离和信道隔离度之间的直接关系，建立了部分重叠信道进行信道分配时所使用的干扰模型。得到的干扰模型如下：
Figure GDA0002930258070000041
其中R”(τ)是两条链路使用的两个信道的信道隔离度为τ时的干扰距离；R是两条链路使用同一信道下的干扰距离；Irrr(τ)是通过理论计算获得的干扰距离因子，用于描述部分重叠信道相比正交信道干扰距离的下降程度。
进而得到信道分配的算法公式为：
Figure GDA0002930258070000042
其中，num_neighbour表示链路两个端点的邻居节点数；min_hop_count表示信道距离网关的最小跳数；Rank(l)为信道分配顺序的度量，用于量化链路阻塞的可能性，拥有越高的Rank(l)值的链路越可能成为系统容量瓶颈，也因此在分配信道时具有更高的优先级。
而链路间的干扰关系可以用信道干扰率ir(p,l)来描述，公式如下：
Figure GDA0002930258070000043
其中ir(p,l)是链路p和链路l之间的信道干扰；d(p,l)是链路p和链路l之间的物理距离；α用于量化同一节点上不同接口部分重叠信道的干扰程度，通常为一个很大的恒定值，这样可以防止同一节点上使用部分重叠信道。
在此基础上，本申请将链路负载作为重要计算因子，因此得到信道分配顺序对应的计算公式为：
Figure GDA0002930258070000051
Figure GDA0002930258070000052
0＜AR≤C有效；
Figure GDA0002930258070000053
1≤k≤n；
其中，Rank(l)为信道分配顺序的度量；num_neighbour为链路两个端点的邻居节点数；min_hop_count信道距离网关的最小跳数；linkload为链路使用某信道后的实时负载；m为计算负载的归一化参数；IFQ(Interface Queue Length，IFQ)表示接口队列长度，表示分配到节点射频上的可用信道的队列中数据包个数；PL(Packet Length)表示数据包大小；AR(Actual Rate)表示网络信道带宽的真实传输速率；C有效表示在部分重叠信道相互干扰的条件下，链路所分配的信道能够达到的最大有效传输速率；SINRk表示使用第k个重叠信道的接收信噪比；k表示第k个重叠信道；n表示网络中共使用n个重叠信道进行信道分配；Bk表示信道传输带宽。
上述改进的算法通过引入实际传输速率能够得到更加准确的实时负载，而且给出估算最大有效传输速率的算法使得实际传输速率处于有效范围内容，保持了链路负载计算的稳定性。
更具体的，为了使得本申请公开更加充分，对上述公式中的具体含义给出说明：
(1)初始化信道计算链路信道分配顺序时，linkload的默认值是1，也即初始默认linkload＝1。
(2)
Figure GDA0002930258070000054
表示接口队列缓存的数据在实际传输速率情况下所在接口队列停留的时间，本申请计算时将该值进行归一化处理。归一化参数单位1用参数m来表示，即当实际速率AR→0，IFQ满队列时，linkload→∞，表示采用的接口中满队列，实际传输速率很小时在接口队列停留的时间。因此得到
Figure GDA0002930258070000061
更具体的，队列长度可以表示节点的网络属性，并且表明当前信道的拥塞状态。空队列表明该信道无拥塞状态，能够传输更多的流量，满队列则表明该信道以及达到瓶颈状态，已经无法处理更多的数据包。一般而言，队列长度从很小到满队列之后会导致网络产生丢包的情况。因此接口队列长度IFQ能够表征链路质量，链路负载以及额外的干扰情况。IFQ最大的优势在于在节点本地可用，因此不会产生额外的网络负载情况。而且能够持续获得IFQ信息，使LA-POCA能够敏捷的适应动态网络。
队列停留时间
Figure GDA0002930258070000062
能够表明网络实时的网络负载情况，
Figure GDA0002930258070000063
时，说明IFQ是空队列，即接口队列中没有数据包，
Figure GDA0002930258070000064
说明IFQ是满队列，接口队列中数据包已经满了，即
Figure GDA0002930258070000065
的值越大说明网络的负载情况越严重。
(3)linkload越大表示网络负载越严重，对应的Rank(lXY)的信道分配优先级就越高；当linkload→∞，即其网络负载无穷大，表示对应链路信道接口满队列且实际发送速率AR非常低，对应的Rank(lXY)→∞，表示该链路XY拥有分配信道的最高优先级。因此，Rank(lXY)用于量化链路阻塞的可能性拥有越高的Rank(lXY)值的链路越可能成为系统容量瓶颈，也因此在分配信道时具有更高的优先级。
步骤104，将未分配的信道按照降序排列，分别计算当前链路基于每条信道时，已分配信道的链路对当前链路的干扰值；
可选的，所述干扰值的计算公式为：
Figure GDA0002930258070000066
步骤105，选取干扰值最小对应的信道分配给当前链路。
也即，为链路l选择最佳信道c时，需要计算链路l与其他已经分配的信道的链路之间干扰和，选择干扰和Intertot(c)最小值对应的信道c分配给对应链路l信道分配度量，得到：
Figure GDA0002930258070000071
其中Al是已被分配信道的链路集合；min Intertot(cl)是为链路l选择最佳信道c时，链路l与其他已经分配的信道的链路之间干扰和的最小值。
由上述实施例可知，本申请所述基于动态负载的重叠信道分配方法不仅将链路实际负载作为链路信道分配顺序的计算因子，而且通过引入实际传输速率提出一种更加适用的链路负载计算方法。而且本申请还基于分配链路对于当前链路的干扰进行计算，进而可以选取干扰最小的信道分配给当前链路，使得链路信道的干扰讲降到最低。因此，本申请提出的信道分配方法能够提高吞吐量，降低时延和网络开销。也即，所述基于动态负载的重叠信道分配方法能够根据通信系统中的业务负载程度周期性重新分配信道，提高系统吞吐量和通信性能。
为了进一步证明本申请算法的优越性，本申请实施例还提供了针对通信网络进行仿真计算的过程，仿真参数设置如表1所示：
表1仿真参数设置
Figure GDA0002930258070000072
具体的，参照图2所示，设置10*10个节点的网格状拓扑，为满足网格状拓扑结构的通信，边缘节点配置3个射频接口，中间节点配置4个射频接口。共有12个部分重叠信道可供分配。信道带宽设为2Mbps，数据分组长度为512byte，发送速率是200kbps。同信道干扰范围设置为550m，发射范围是250m。
假设在一个1000m*1000m的区域中30个位置随机分布的节点，每个节点配置4个射频接口，共有12个部分重叠信道可供分配。信道带宽设为2Mbps，数据分组长度为512byte，发送速率是200kbps。在1000m*1000m的区域内随机分布30个节点，若两节点间距在通信范围250m之内，则为其添加一条链路。然后检查产生拓扑是否连通，若未连通，则重新设置随机分布的30个节点，直到生成能够连通的随机拓扑节点。
参照图3-图6所示，为本申请相应的仿真结果。其中，OCA和POCA分别表示两种不同信道分配方法，而LA-POCA表示本申请改进后的信道分配方法，从仿真结果可知，本申请的分配方法明显提高了网络吞吐量，同时也具有较小的时延。
由上述实施例可知，本申请通过考虑实际负载对部分重叠信道的信道分配方法中链路优先级顺序公式的影响，给出链路优先级顺序的计算公式；同时通过引入接口队列概念，不产生额外的网络开销。此外，本申请还提供了描述衡量网络实际负载的具体公式，引入实际传输速率和最大有效传输速率的关系，给出最大有效传输速率的计算公式。本申请方法至少具有以下优点：(1)对计算链路优先级算法提出了改进，同时考虑了全网链路实时负载对链路优先级的影响，使得通信系统可以根据业务负载程度周期性重新分配信道，达到提高吞吐量的目的。(2)在网络中分配部分重叠信道时，考虑网络信道在部分重叠干扰环境下实时传输速率AR和接口队列停留时间两个因素，可以达到降低时延的目的。同时信道接口队列IFQ的引入不会造成过多的网络开销。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于动态负载的重叠信道分配方法，其特征在于，包括：
依据物理拓扑结构计算每个节点的优先级数值，并且使得拥有较高优先级的节点优先与邻居节点进行接口绑定；
对信道进行初始化处理；
计算每条链路对应的信道分配顺序，其中，信道分配顺序算法中增加链路负载作为计算因子；
将未分配的信道按照降序排列，分别计算当前链路基于每条信道时，已分配信道的链路对当前链路的干扰值；
选取干扰值最小对应的信道分配给当前链路；
其中，所述信道分配顺序对应的计算公式为：
Figure FDA0002930258060000011
Figure FDA0002930258060000012
0＜AR≤C有效；
Figure FDA0002930258060000013
其中，Rank(l)为信道分配顺序的度量；num_neighbour为链路两个端点的邻居节点数；min_hop_count信道距离网关的最小跳数；linkload为链路使用某信道后的实时负载；m为计算负载的归一化参数；IFQ表示接口队列长度；PL表示数据包大小；AR表示网络信道带宽的真实传输速率；C有效表示在部分重叠信道相互干扰的条件下，链路所分配的信道能够达到的最大有效传输速率；SINRk表示使用第k个重叠信道的接收信噪比；k表示第k个重叠信道；n表示网络中共使用n个重叠信道进行信道分配；Bk表示信道传输带宽。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对信道进行初始化处理的步骤包括：给网络中的链路随机分配信道；或者，依照上次分配的信道进行分配。
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