CN110190919A - 多射频多信道无线网络信道分配方法 - Google Patents

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，该方法基于最小加权链路干扰建立了一个整数线性规划模型，不仅考虑最小化网络干扰，也考虑了网络负载流量，同时还尽可能保证网络连通性。通过引入节点优先级和链路负载权重，将网络中的节点按照离网关节点的最小跳数划分等级，并根据链路负载权重确定分配顺序。采用贪婪启发式算法求解模型，使用遍历的方法实现网络的循环信道分配，得到最优信道分配方案，非常简单且易于实现，具有很好的应用前景。

Description

多射频多信道无线网络信道分配方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别是涉及多射频多信道无线网络信道分配方法。

背景技术

20世纪90年代中期，在ITT科技公司与美国军方机构DARPA联合研究的先进战术通信系统(ATCS)中，出现了无线Mesh网络。但由于当时的技术无法解决路由、组网结构、频率频谱、干扰和天线等方面遇到的问题，尤其是一跳的覆盖距离过短和每跳的带宽损失过高，一直没有得到很好的发展。直到近几年，信息网络技术不断进步，真实需求逐渐能够得到满足，同时越来越多的新技术涌现出来，为这些难点的解决提供了可能。无线Mesh网络是以Adhoc网络为基础产生的，继承了Ad hoc网络无中心、无基础设施、自组织的特点，发展出了新的架构以提供IP宽带接入。无线Mesh网络主干上的每个节点不仅作为主机，而且作为路由器。无线Mesh节点具备自组织、动态地建立网状连接的能力，同时可以连接其他节点，是对传统无线网络拓扑结构的超越，在快速组网和临时组网等场景下非常适用。国际电气电子工程师协会为了推动无线Mesh网络技术的发展，专门成立了任务组来规范无线MESH网络网络技术，如IEEE 802.11s、IEEE 802.15和IEEE 802.16等协议标准。

无线Mesh网络的首要设计目标是最大限度地提高网络吞吐量。单射频单信道无线Mesh网络中，网络容量有限的主要原因是同时传输的链路共用同一个信道而产生了干扰。随着网络发展，多射频多信道技术已经被证明是一种有效解决共信道干扰，提升网络吞吐量的方案，即允许网络使用多个信道并为每个节点配备多个射频接口。但多射频多信道的存在会导致流内和流间干扰，多射频多信道无线Mesh网络需要更复杂的空间资源调控和网络性能优化，相应带来了信道分配问题。多射频多信道无线Mesh网络中，不同信道上的链路能够实现并行传输，需要信道分配算法为节点上的无线射频分配不同的信道。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供多射频多信道无线网络信道分配方法，该方法以多射频多信道无线网络为模型，对网络中信道分配特点进行分析，基于最小加权链路干扰，根据节点优先级和链路负载权重对链路分级处理，并采用贪婪启发式算法求解模型，得到最优信道分配方案，提高网络吞吐量，为达此目的，本发明提供多射频多信道无线网络信道分配方法：

所述网络中，V为节点的集合，E为链路的集合，网络中的节点总数为N＝|V|，链路总数L＝|E|，对每个节点u∈V，都配置了等同的具有全向天线的无线射频接口，接口个数为s，每个接口都有自己的ID编号。C_w是整个网络的非重叠信道集合，w表示信道个数，并且每个信道分别标号为1,2,3,...,w，即C_w＝{1,2,3,...,w}。C(v)表示节点v分配的信道集合，集合中元素的个数为|C(v)|，所述方法具体过程如下：

1)多射频多信道无线Mesh网络信道分配方法的约束条件为：

|C(v)|≤s≤w

GC＝{gc_ij|i,j∈[1,L]}

其中，对于网络中的节点i∈V、j∈V，d_ij表示它们之间的距离，R_t表示传输范围，即一跳的距离，g(e_ij)表示节点i、j之间能否形成链路，如果在一跳通信距离范围内，置1，否则，置0；x(e_ij)表示链路e_ij被分配到的信道编号；f(e_ij)表示链路e_ij是否具备通信能力，如果x(e_ij)≠0置1，否则置0；矩阵GC表示无线Mesh网络中所有可能的潜在干扰；I(e_ije_uv)表示链路之间的干扰是否为有效干扰，如果干扰有效，置1，否则置0；

2)给无线Mesh网络中所有节点划分优先级，以PL表示，PL_u即为节点u的优先级。规定网关节点具有最高的优先级，用1表示，根据其他节点到MPP的最小跳数划分等级，跳数越小，优先级越高；

3)定义链路e_ij的负载权重为由该链路两个端节点i、j各自的邻居节点数NB_i、NB_j与优先级PL_i、PL_j的比值之和而得，其数学表达式为负载权值越高，越应优先分配；

4)多射频多信道无线Mesh网络信道分配方法的优化目标为minOCID，OCID为引入链路负载之后多射频多信道无线Mesh网络的整体干扰度，即整个网络的加权链路干扰数，表示为：

5)采用贪婪启发式信道方法，基于最小加权链路干扰得到所述模型的近似最优目标解。

作为本发明进一步改进，步骤五启发式信道分配方法步骤如下：

(1)根据网络拓扑图、干扰模型、信道、接口和网关设置等，计算网络中的潜在干扰链路数、节点优先级和邻居节点数；

(2)分配公共信道，则潜在干扰变成有效干扰；

(3)按照负载权重降序访问链路进行信道分配，所有链路都分配完后，计算出网络整体干扰度OCID。若当前的OCID较前一次迭代优化的结果小，则重新进行迭代，否则迭代结束，信道分配完成。

有益效果：本发明提出的多射频多信道无线Mesh网络静态信道分配方法，构建了基于最小加权链路干扰的优化模型，不仅考虑最小化网络干扰，也考虑了网络负载流量，同时还尽可能保证网络连通性。通过引入节点优先级和链路负载权重，将网络中的节点按照离网关节点的最小跳数划分等级，并根据链路负载权重确定分配顺序。启发式算法求解优化模型的近似最优解，使用遍历的方法实现网络的循环信道分配。本发明基于整数规划模型提出的信道分配方法非常简单而易于实现，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为基于最小加权链路干扰的信道分配方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供多射频多信道无线网络信道分配方法，该方法以多射频多信道无线网络为模型，对网络中信道分配特点进行分析，基于最小加权链路干扰，根据节点优先级和链路负载权重对链路分级处理，并采用贪婪启发式算法求解模型，得到最优信道分配方案，提高网络吞吐量。

为了更加详细的描述本发明提出的多射频多信道无线Mesh网络信道分配方法，结合附图1，举例说明如下：

多射频多信道无线Mesh网络中，V为节点的集合，E为链路的集合，网络中的节点总数为N＝|V|，链路总数L＝|E|。对每个节点u∈V，其射频接口个数为s，每个接口都有自己的ID编号。C_w是整个网络的正交信道集合，w表示信道个数，并且每个信道分别标号为1,2,3,...,w，即C_w＝{1,2,3,...,w}。C(v)表示节点v分配的信道集合，集合中元素的个数为|C(v)|。

结合现实中的实际网络情况进行考虑，网络中的每个节点在某个时刻进行数据通信时，由于同一时刻一个射频接口有两种可能的信道分配情况：没有被分配信道或者被分配了一个信道，所以安排给节点的信道数不可能超过节点自身配置的射频数。同时为了避免射频接口没有被用上而造成浪费，尽可能在信道分配时满足射频接口的需求，那么正交信道个数要大于等于节点的接口数。则有

|C(v)|≤s≤w (1)

对于网络中的节点i∈V、j∈V，当其距离d_ij≤R_t时，节点i和节点j之间的链路e_ij存在；当d_ij＞R_t时，两节点之间不存在链路。用g(e_ij)来表示节点i、j之间的链路能否形成，则

g(e_ij)＝1是指节点i、j之间满足构成链路的条件；g(e_ij)＝0则表示两节点之间不存在链路。

g(e_ij)＝1时，当且仅当有信道被分配到链路e_ij上时，链路e_ij才有能力进行通信，称为可通信的链路。定义x(e_ij)为当前链路e_ij被分配到的信道编号，则可通信链路根据式(3)和式(4)进行定义：

式(3)中，x(e_ij)＝k表示节点i、j之间可以进行通信且分配的信道编号为k，k∈C_w；x(e_ij)＝0意味着两种情况：一种是节点i、j之间无法构成链路；另一种是链路存在但未分配信道。

式(4)中，f(e_ij)表示链路e_ij是否具备通信能力。x(e_ij)≠0时表示链路e_ij是有效链路，则f(e_ij)＝1，链路e_ij可以作通信用；否则，链路e_ij是无效链路，f(e_ij)＝0，e_ij不可以进行信息传输。

由式(4)可知，分配给每个节点的信道数C(u),u∈V为式(5)所示：

式(5)中card表示返回到集合中的元素个数，x_ui≠x_uj≠0表示返回集合中相异的非零元素个数，即分配给节点u上所有射频的信道的集合。

一般节点通信的干扰范围设为传输距离的2.2倍。因此无线Mesh网络中，任意一条链路的两跳邻居之内的全部链路都是其潜在干扰，用一个矩阵GC来具象化无线Mesh网络中所有可能的潜在干扰，即对于i,j∈[1,L]

GC的值是根据网络原始拓扑和干扰模型直接确定的，与信道分配方案无关。在此基础上，只有给链路e₁和e₂分配了同样的信道时，潜在干扰才会真正成为有效干扰。根据式(3)、式(4)和式(6)，用I(e_ije_uv)表示链路之间的干扰是否为有效干扰_：

当I(e_ije_uv)＝1时，链路之间真正产生了有效干扰；否则，链路之间产生的不是有效干扰。

给WMN中的所有节点划分优先级，则PL_u表示节点u的优先级。规定网关节点具有最高的优先级，用1表示，根据其他节点到MPP的最小跳数划分等级，跳数越小，优先级越高；最小跳数相同的节点优先级相同。

利用邻居节点数来预估链路上的潜在负载，考虑到网关节点的距离和负载，定义链路e_ij的负载权重为由该链路两个端节点i、j各自的邻居节点数与优先级的比值之和而得，如式(8)所示：

负载权值越高，越应该优先进行分配。

定义OCID为引入链路负载之后多射频多信道无线Mesh网络的整体干扰度，即整个网络的加权链路干扰数，如式(9)所示：

则最终优化目标为minOCID

约束条件

|C(v)|≤s≤w

GC＝{gc_ij|i,j∈[1,L]}

针对上述优化模型，采用贪婪启发式信道分配方法，基于最小加权链路干扰得到所述模型的近似最优目标解，启发式信道分配方法步骤如下：

(1)根据网络拓扑图、干扰模型、信道、接口和网关设置等，计算网络中的潜在干扰链路数、节点优先级和邻居节点数。

(2)分配公共信道，则潜在干扰变成有效干扰。

(3)按照负载权重降序访问链路进行信道分配，所有链路都分配完后，计算出网络整体干扰度OCID。若当前的OCID较前一次迭代优化的结果小，则重新进行迭代，否则迭代结束，信道分配完成。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (2)

1.多射频多信道无线网络信道分配方法，其特征在于：

所述网络中，V为节点的集合，E为链路的集合，网络中的节点总数为N＝|V|，链路总数L＝|E|，对每个节点u∈V，都配置了等同的具有全向天线的无线射频接口，接口个数为s，每个接口都有自己的ID编号，C_w是整个网络的非重叠信道集合，w表示信道个数，并且每个信道分别标号为1,2,3,...,w，即C_w＝{1,2,3,...,w}，C(v)表示节点v分配的信道集合，集合中元素的个数为|C(v)|，所述方法具体过程如下：

1)多射频多信道无线Mesh网络信道分配方法的约束条件为：

|C(v)|≤s≤w

GC＝{gc_ij|i,j∈[1,L]}

其中，对于网络中的节点i∈V、j∈V，d_ij表示它们之间的距离，R_t表示传输范围，即一跳的距离，g(e_ij)表示节点i、j之间能否形成链路，如果在一跳通信距离范围内，置1，否则，置0；x(e_ij)表示链路e_ij被分配到的信道编号；f(e_ij)表示链路e_ij是否具备通信能力，如果x(e_ij)≠0置1，否则置0；矩阵GC表示无线Mesh网络中所有可能的潜在干扰；I(e_ije_uv)表示链路之间的干扰是否为有效干扰，如果干扰有效，置1，否则置0；

2)给无线Mesh网络中所有节点划分优先级，以PL表示，PL_u即为节点u的优先级。规定网关节点具有最高的优先级，用1表示，根据其他节点到MPP的最小跳数划分等级，跳数越小，优先级越高；

3)定义链路e_ij的负载权重为由该链路两个端节点i、j各自的邻居节点数NB_i、NB_j与优先级PL_i、PL_j的比值之和而得，其数学表达式为负载权值越高，越应优先分配；

4)多射频多信道无线Mesh网络信道分配方法的优化目标为minOCID，OCID为引入链路负载之后多射频多信道无线Mesh网络的整体干扰度，即整个网络的加权链路干扰数，表示为：

5)采用贪婪启发式信道方法，基于最小加权链路干扰得到所述模型的近似最优目标解。

2.根据权利要求1所述的多射频多信道无线网络信道分配方法，其特征在于：步骤五启发式信道分配方法步骤如下：

(1)根据网络拓扑图、干扰模型、信道、接口和网关设置等，计算网络中的潜在干扰链路数、节点优先级和邻居节点数；

(2)分配公共信道，则潜在干扰变成有效干扰；

(3)按照负载权重降序访问链路进行信道分配，所有链路都分配完后，计算出网络整体干扰度OCID。若当前的OCID较前一次迭代优化的结果小，则重新进行迭代，否则迭代结束，信道分配完成。