CN108718453B

CN108718453B - 一种高密wlan场景下的分区域组网方法

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Publication number: CN108718453B
Application number: CN201810621726.5A
Authority: CN
Inventors: 彭敏; 张洲; 周清峰; 徐彬; 张凯
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2038-06-15
Also published as: CN108718453A

Abstract

本发明涉及一种高密WLAN场景下的分区域组网方法，包括下列顺序的步骤：(1)将高密WLAN区域划分为多个子区域，以子区域为单位分配信道；(2)利用干扰对齐技术抑制子区域内同频干扰，提升子区域内干扰信道自由度；(3)建立子区域划分与信道分配模型，以网络自由度最大化为目标，得到最优子区域划分和信道分配方案，提升网络吞吐量。本发明提出了一种分区域组网框架，将WLAN网络划分为多个子区域，为每一个子区域分配相同的信道，而相邻的区域分配不同的信道，通过抑制子区域内同频干扰并且隔离各干扰信道最终达到抑制干扰以提高网络吞吐量的目的；本发明推动具有高吞吐量、高服务质量要求的移动互联网应用的发展，具有重要的理论意义和显著的实用价值。

Description

一种高密WLAN场景下的分区域组网方法

技术领域

本发明涉及WiFi信道分配和无线通信技术领域，尤其是一种高密WLAN场景下的分区域组网方法。

背景技术

近年来，无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)部署越来越广泛，在机场、会议室等场合，由于小范围内用户非常多，为了满足多用户高带宽需求，通常会将无线接入点(Access point,AP)部署得非常密集。但是高密度部署会带来严重的干扰，如果不能有效控制干扰，会使得WLAN的性能受到严重影响，甚至可能出现了增加AP反而导致网络整体性能下降的情况。为了降低干扰，在部署WLAN时通常会为相邻的AP配置互不重叠的信道。如果AP分布较为稀疏，这种信道分配方式能够很好的避免干扰，但是在高密场景下，大量AP都处于相互干扰的范围之内，由于可用信道数量很少，无法为干扰范围内的所有AP都配置互不重叠的信道。

现有研究通常采用优化信道分配算法、载波侦听、降低发射功率等方法来减小高密场景下的同频干扰，这些方法存在以下缺陷：无论信道分配如何优化，由于干扰范围过大，无法避免高密场景下的同频干扰；载波侦听有助于处于干扰范围的同信道AP合理调配时隙，可在一定程度上避免碰撞，但这些同信道AP与其相关联的客户端在同一时刻只能有一个节点发送数据，总吞吐量仍然受限；降低发射功率在降低干扰的同时也降低了有用信号的强度，信干比并没有提高，对干扰的抑制效果不大。

在高密WLAN中，处在干扰范围内的同信道AP和其关联的客户端构成了干扰信道，对于多用户干扰信道，干扰对齐(Interference Alignment,IA)可有效控制干扰和提高系统容量。然而，在现有高密WLAN组网方式下，邻近的同信道AP存在干扰，无论将哪些同信道AP看作一个干扰信道进行干扰对齐操作，必然会有相互干扰的同信道AP被划分到两个不同的干扰信道中，导致干扰信道之间相互影响。由于相互影响的干扰信道中的用户并不能同时传输消息，即使干扰对齐能提高各干扰信道的系统容量，也无法使网络吞吐量得到显著提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不仅能解决高密WLAN场景下AP部署所产生的干扰问题，又能提高网络吞吐量的高密WLAN场景下的分区域组网方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种高密WLAN场景下的分区域组网方法，包括下列顺序的步骤：

(1)将高密WLAN区域划分为多个子区域，以子区域为单位分配信道；

(2)利用干扰对齐技术抑制子区域内同频干扰，提升子区域内干扰信道自由度；

(3)建立子区域划分与信道分配模型，以网络自由度最大化为目标，得到最优子区域划分和信道分配方案，提升网络吞吐量。

所述步骤(1)具体包括以下步骤：

(1a)将高密WLAN区域划分为多个子区域，为每一个子区域的BSS分配相同的信道，将各干扰信道隔离开；

(1b)为相邻子区域分配不同的信道，将各个干扰信道隔离开，使得网络自由度获得最大增益。

所述步骤(2)具体是指：每个无线接入点与其关联的终端构成一个基础服务集，在基础服务集内，同一时刻只有一对节点传输消息，对于子区域内的K用户的干扰信道，采用干扰对齐技术实现子区域内的同频干扰，提高干扰信道自由度；所述干扰对齐技术采用基于可配置天线的干扰对齐技术，提高干扰对齐的性能。

所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(3a)建立子区域大小与子区域内每个BSS的平均自由度之间的关系；

(3b)建立子区域划分的约束条件，确保子区域内的所有BSS相互处于干扰范围内，同时使非相邻的BSS不处在干扰范围内；

(3c)分析子区域间的同信道干扰对自由度的影响，建立由干扰信道自由度计算网络总自由度的系统模型。

由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，提出了一种分区域组网框架，将WLAN网络划分为多个子区域，为每一个子区域分配相同的信道，而相邻的区域分配不同的信道，通过抑制子区域内同频干扰并且隔离各干扰信道最终达到抑制干扰以提高网络吞吐量的目的；第二，本发明推动具有高吞吐量、高服务质量要求的移动互联网应用的发展，具有重要的理论意义和显著的实用价值。

附图说明

图1为本发明分区域组网框架下的总体技术路线图：

图2为本发明在传统高密场景下的异信道组网示意图：

图3为本发明的分区域组网示意图：

图4为本发明的干扰对齐示意图。

具体实施方式

本发明的思路是：虽然2.4GHz频段共有14个可用信道，由于信道之间有重叠，能够同时使用而互不干扰的信道实际上只有3个。传统组网方式通常为相邻的AP分配不同的信道，但是在高密场景下，大量AP都处于相互干扰范围之内，由于可用信道数量很少，无法为干扰范围内的所有AP都配置互不重叠的信道。现有文献已经证明，只需要在提高干扰信道自由度的同时确保各干扰信道不相互影响，即可获得网络自由度增益并提高网络吞吐量。本发明采用有别于传统组网方式的分区域组网方法，将高密WLAN划分为多个子区域，并以子区域为单位分配信道。在这种组网方法下，子区域内所有AP使用相同的信道，每个子区域可以看作一个干扰信道，通过适用于高密WLAN的干扰对齐，可以抑制子区域内的干扰。在此基础上，通过子区域信道分配，可使得各干扰信道隔离开来，从而提高整个网络的自由度和吞吐量。

如图1所示，一种高密WLAN场景下的分区域组网方法，包括下列顺序的步骤：(1)将高密WLAN区域划分为多个子区域，以子区域为单位分配信道；(2)利用干扰对齐技术抑制子区域内同频干扰，提升子区域内干扰信道自由度；(3)建立子区域划分与信道分配模型，以网络自由度最大化为目标，得到最优子区域划分和信道分配方案，显著提升网络吞吐量。

所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1a)将高密WLAN区域划分为多个子区域，为每一个子区域的BSS分配相同的信道，以保证将各干扰信道隔离开；(1b)为相邻子区域分配不同的信道，将各个干扰信道隔离开，使得网络自由度获得最大增益。

所述步骤(2)具体是指：每个无线接入点(Access point，AP)与其关联的终端(Station，STA)构成一个基础服务集(Basic Service Set，BSS)，在BSS内，同一时刻只有一对节点传输消息，对于子区域内的K用户的干扰信道，采用干扰对齐技术实现子区域内的同频干扰，提高干扰信道自由度；所述干扰对齐技术采用基于可配置天线的干扰对齐技术，提高干扰对齐的性能。

所述步骤(3)具体包括以下步骤：(3a)建立子区域大小与子区域内每个BSS的平均自由度之间的关系，在分区域组网方法中，子区域大小会影响子区域内的平均自由度；(3b)建立子区域划分的约束条件，确保子区域内的所有BSS相互处于干扰范围内，同时使非相邻的BSS不处在干扰范围内，只有子区域内的所有BSS处于干扰范围内，才能确保每个子区域构成一个干扰信道；(3c)分析子区域间的同信道干扰对自由度的影响，建立由干扰信道自由度计算网络总自由度的系统模型。在分区域组网方法下，子区域间信道分配本着尽量使处于干扰范围内的子区域使用互不重叠的信道的原则。

本发明提出了一种高密WLAN场景下的分区域组网方法，主要为解决高密部署无线接入点(AP)所产生的干扰问题。本发明提出将高密WLAN划分为多个子区域，并以子区域为单位分配信道。在这种组网框架下，子区域内所有AP使用相同的信道，每一个子区域可以看作是一个干扰信道。与此同时，采取基于可配置天线的干扰对齐方法去抑制子区域内的同频干扰以提高子区域内干扰信道自由度。最后，通过合理的子信道划分方法和信道分配算法并建立系统模型，根据约束条件求解最优解，从而提高网络的自由度和吞吐量。本发明为高密WLAN的干扰抑制提供了一种全新的思路和方案，完成预期目标后可显著提高高密WLAN的网络吞吐量，从而推动具有高吞吐量、高服务质量要求的移动互联网应用的发展，具有重要的理论意义和显著的实用价值。

在高密WLAN中，处于干扰范围内的同信道BSS构成了干扰信道，通过子区域间的信道分配，可以将各干扰信道隔离开来，使得网络自由度获得更大增益。子区域内分配相同的信道会产生干扰，为了提高子区域内的自由度抑制子区域内的同频干扰，采用基于可配置天线的干扰对齐。处于干扰范围内的同信道AP和其关联的客户端构成了干扰信道，干扰对齐是提高干扰信道自由度的有效方法，通过可配置天线的模式切换算法，采用一种可配置天线的方法实现自由度增益。不同的子区域划分方式会直接影响干扰对齐增益，同时子区域间的信道分配策略会对干扰对齐的设计产生影响。因此通过建立子区域划分与信道分配模型，以网络自由度最大化为目标，得到最优自区域划分与信道分配方案，最终使得网络吞吐量获得显著提升。

以下结合图2、3、4对本发明作进一步的说明。

针对步骤(1)，将高密WLAN区域划分为多个子区域，以子区域为单位分配信道：

在高密WLAN中，处于干扰范围内的同信道BSS构成了干扰信道，对干扰信道来说，干扰对齐能够提高系统的自由度，使系统容量得到提升。如果能够通过各干扰信道自由度的提高使网络的总自由度也获得增益，将可以使整个网络获得更高的吞吐量。然而，在现有组网方式下，网络中的多个干扰信道之间相互影响，即使每一个干扰信道从理论上来说都可以获得自由度增益，整个网络的自由度也不一定能够得到明显的增益。

如图2所示，假设高密WLAN区域部署了27个AP，传统的异频组网方式是将相邻的AP分配不同的信道。现假设干扰半径是BSS覆盖半径的4倍，每个BSS与邻近的多个同信道BSS干扰，无论如何分配时隙，使用同一信道的9个BSS同一时刻最多只能有4个设备传输，即它们的总自由度最高只能达到4，而且此时要求中间区域BSS不传输。在保证各BSS公平的情况下，需要3个时隙才能使每个BSS完成一次传输，即整体的平均自由度为1/3。

另一方面，从图2可以看出，在传统组网方式下，邻近的同信道AP相隔一定距离却又存在一定干扰，无论将哪些同信道AP看作一个干扰信道进行干扰对齐操作，必然会有相互干扰的同信道AP被划分到两个不同的干扰信道，导致干扰信道之间相互影响，但是整个网络的自由度不是简单的各干扰信道自由度的简单叠加。

为此，如图3所示，同样高密WLAN区域部署了27个AP，首先，将高密WLAN区域分成5个子区域，为每一个子区域都分配相同的信道，相邻的子区域分配不同的信道。在这种划分方式下，假设不进行干扰管理，网络的总自由度为5，平均自由度仅为5/27，所以需要一定手段管理子区域的同频干扰。

针对步骤(2)，利用干扰对齐技术抑制子区域内同频干扰，提升子区域内干扰信道自由度：

如果不进行干扰管理，相邻BSS使用相同的信道无疑会增大干扰，因此为了使分区域组网方式比传统组网方式能够获得更大的吞吐量，子区域内的同信道干扰需要得到有效的控制。

针对每一个子区域内的干扰，本发明提出了干扰对齐技术来控制子区域内干扰并提高干扰信道的自由度。干扰对齐的基本原理是经过信号预编码，传输信号干扰在接收端被对齐到一个子空间。

以时域干扰对齐为例，如图4所示，假设3对用户进行消息传输，每个发射机只在奇数时刻发送，每个信道都有时延，假设所有期望信道的时延是1，干扰信道的时延是2。对接收机R1来说，收到来自另外两个发射机的干扰堆叠在同一时刻，即只需要两个时刻就可以在接收机R1收到期望信号，也就是实现了1/2的自由度，其他两对用户同样如此，所以总的自由度为3/2。如果按照正常时隙分配，同一时刻只能有一个用户发送，总的自由度为1。

如图3所示的分区域组网方法，将每一个子区域看作一个干扰信道，通过时域干扰对齐技术，可以推出这5个子区域内的干扰信道自由度分别为：7/2、3、2、7/2、3/2，通过干扰对齐技术提高了子区域内的自由度，实现此方法需要在收发两端获知实时CSI，这在实际系统上难以满足。所以，本发明提出通过可配置天线实现自由度增益。可配置天线可以在预先设置的多种模式间切换，通过某些技术手段来改变天线的辐射或者电子特性，比如频率、极化和辐射方向等，在不同模式下的信道可以认为是独立同分布的。

针对于步骤(3)，建立子区域划分与信道分配模型，以网络自由度最大化为目标，得到最优子区域划分和信道分配方案，显著提升网络吞吐量：

在分区域组网方法下，不同的子区域划分方式会直接影响干扰对齐的增益。因此，需要划分合适的子区域才可以通过干扰对齐获得更高的网络自由度。另外一个方面，如果处于干扰范围的子区域使用相同的信道，将破坏干扰对齐的设计，造成严重的干扰，合适的子区域间的信道分配可以提高网络的整体自由度。

在本发明中，需要合理划分子区域，使得网络吞吐量最大。由子区域内平均自由度公式可以看出，子区域内BSS数量K越小，平均自由度越高。如果各子区域互不干扰，整个网络的平均自由度就越高。然而，如果子区域内BSS太少，子区域的分布会比较密集，由于可用的互不重叠的信道数量非常少，在分配信道时会出现子区域间的同信道干扰。所以，子区域过大或者过小都不利于提高网络吞吐量，为此，需要根据BSS干扰范围、可用信道数量建立子区域的划分与信道分配的系统模型，并根据约束条件求解最优方案。

在具有N个均匀分布的BSS的WLAN中，假设BSS的覆盖半径为r，则干扰半径为R，可用互不重叠的信道集合为C。子区域划分实际上就是为每个BSS分配区域号。将整个网络划分成个子区域，第i个BSS所在的子区域记为S(BSS_i),所有子区域的集合记为S,则上述条件可以记为：

S(BSS_i)∈S,i＝1,2,...,N

为了确保子区域内可以进行干扰对齐操作，在划分子区域时，子区域所有BSS必须相互处于侦听范围，即：

d(i,j)≤R-2r,i,j∈S_k

其中，d(i,j)表示第i个BSS即BSS_i与第j个BSS即BSS_j的AP之间的距离，AP是无线接入点，S_k为第K个子区域。划分子区域后为每个子区域分配信道，第i个子区域所使用的信道C(S_i)满足：

C(S_i)∈C,i＝1,2,...,K

将D(S_i,S_j)定义为子区域i与子区域j之间的最小距离，如果D(S_i,S_j)≤R或者C(S_i)≠C(S_j)，则两个子区域不存在干扰。假设子区域i,j的平均自由度分别为f_i,f_j，子区域i、j分别有n_i、n_j个BSS，这两个子区域的平均自由度为：

n表示子区域内BSS；

如果D(S_i,S_j)≤R，且C(S_i)＝C(S_j)，则两个子区域之间存在干扰。由于相互干扰，在同一时刻只能有一个子区域能够传输，只要得到让所有BSS都完成一次所传输的时隙，即可计算出两个子区域的平均自由度：

根据各干扰信道自由度计算出网络的整体自由度f，子区域划分和信道分配的优化目标为：

max{f}

约束条件为：

在本实施例中，由27个均匀分布的BSS的WLAN中，将此WLAN区域分成如图3所示的5个子区域。由于干扰半径是BSS覆盖半径的4倍，故这5个子区域之间互相不产生干扰。根据步骤b中所求每个子区域内的干扰信道自由度可以得出整个网络的平均自由度为：

通过简单计算，从而得出本实施例中的整体网络平均自由度为159/54，相比较于传统组网方式的自由度为1/3有了一定的提升。

综上所述，本发明提出了一种分区域组网框架，将WLAN网络划分为多个子区域，为每一个子区域分配相同的信道，而相邻的区域分配不同的信道，通过抑制子区域内同频干扰并且隔离各干扰信道最终达到抑制干扰以提高网络吞吐量的目的；本发明推动具有高吞吐量、高服务质量要求的移动互联网应用的发展，具有重要的理论意义和显著的实用价值。

Claims

1.一种高密WLAN场景下的分区域组网方法，其特征在于：包括下列顺序的步骤：

（1）将高密WLAN区域划分为多个子区域，以子区域为单位分配信道；

（2）利用干扰对齐技术抑制子区域内同频干扰，提升子区域内干扰信道自由度；

（3）建立子区域划分与信道分配模型，以网络自由度最大化为目标，得到最优子区域划分和信道分配方案，提升网络吞吐量；

所述步骤（1）具体包括以下步骤：

（1a）将高密WLAN区域划分为多个子区域，为每一个子区域的BSS分配相同的信道，将各干扰信道隔离开；

（1b）为相邻子区域分配不同的信道，将各个干扰信道隔离开，使得网络自由度获得最大增益；

所述步骤（3）具体包括以下步骤：

（3a）建立子区域大小与子区域内每个BSS的平均自由度之间的关系；

（3b）建立子区域划分的约束条件，确保子区域内的所有BSS相互处于干扰范围内，同时使非相邻的BSS不处在干扰范围内；

（3c）分析子区域间的同信道干扰对自由度的影响，建立由干扰信道自由度计算网络总自由度的系统模型。

2.根据权利要求1所述的高密WLAN场景下的分区域组网方法，其特征在于：所述步骤（2）具体是指：每个无线接入点与其关联的终端构成一个基础服务集，在基础服务集内，同一时刻只有一对节点传输消息，对于子区域内的K用户的干扰信道，采用干扰对齐技术实现子区域内的同频干扰，提高干扰信道自由度；所述干扰对齐技术采用基于可配置天线的干扰对齐技术，提高干扰对齐的性能。