CN114268999B - 基于干扰协调的无线Mesh自适应信道选择方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于干扰协调的无线Mesh自适应信道选择方法和系统，该方法使用位于OSI模型中数据链路层的协议搭建Mesh骨干网，在频率较高的H频段进行组网，在频率较低的L频段进行终端接入；每个Mesh节点周期性扫描其附近信道环境，根据不同信道内AP点情况确定信道优劣，引入网络控制器，获取网络中所有节点的信道环境并作出决策切换信道。本发明通过扫描信道环境，实时感知环境中不同AP点产生的干扰，自适应选择通信环境更好的信道，保证Mesh网路的吞吐量和时延；由控制器管控整个Mesh网络，可实现根据信道环境自适应切换接入方式；所设计的Mesh骨干网运行于数据链路层，通过以太网帧的方式传递路由信息，增强了网络的稳定性，降低了时延。
Description
技术领域
本发明属于信息通信技术领域，尤其涉及一种基于干扰协调的无线Mesh自适应信道选择方法和系统。
背景技术
随着移动互联网和无线通信技术的飞速发展，人们的生活方式得到了极大的改变。各种各样的网络服务改善了人们的生活体验。在用户不断追求更好的通信服务和体验的需求下，需要多媒体移动通信提供更加多样的服务种类。因此，许多高速宽带通信技术不断涌现出来。无线Mesh网络作为一种新型的互联网接入技术，可以为用户提供方便而又经济的互联网接入服务。
无线Mesh网络是一种多跳网络，与传统无线网络不同，它融合了无线局域网WLAN和Ad-hoc网络的优势，具有高速率、易组网、自愈性和自组织等优点。在实际生活中，无线Mesh网络也得到了广泛的应用，例如：无线校园网、无线城市、旅游休闲场所、视频监控等可以采用无线Mesh网络进行组网。
传统的无线Mesh网络，常常会因为环境中其他AP点的干扰，导致通信质量下降，此外还存在着资源分配率较低的问题。
有鉴于此，设计一个基于干扰协调的无线Mesh网络自适应信道选择方法，帮助Mesh骨干网选择干扰更小的信道提高通信质量和资源利用率很有必要。
发明内容
本发明的目的旨在通过监测Mesh骨干网的通信环境，根据环境中不同信道中AP点产生的干扰确定信道的优劣；帮助Mesh骨干网动态选择最优信道，从而提升其通信质量和资源利用率。
为实现以上目的，本发明提供了一种基于干扰协调的无线Mesh自适应信道选择方法，包括以下步骤：
步骤一、使用一种位于OSI模型中数据链路层的协议搭建一个Mesh骨干网；以及
步骤二、每个Mesh节点周期性扫描其附近的信道环境，根据不同信道内的AP点情况确定信道的优劣，引入网络控制器，获取网络中所有节点的信道环境并作出决策切换信道。
本发明的进一步改进在于，步骤一进一步包括如下步骤：
步骤S1、Mesh骨干网可基于不同的频段搭建，在一个频率较高的H频段进行组网，在频率较低的L频段进行终端接入；
步骤S2、当某个节点突然加入或离开Mesh骨干网，路由协议会进行快速收敛。
本发明的进一步改进在于，步骤S1进一步包括如下步骤：
步骤S1.1、每个Mesh节点周期性广播发现邻居的数据包，数据包的内容包括TTL值、序列号、源节点MAC地址、上一条节点MAC地址、链路质量等，该广播数据包的作用包括源节点向其他节点通告自身的存在和自身能到达的下一跳节点，以及传递到达其他节点的传输链路质量；
步骤S1.2、Mesh节点收到其他节点发现邻居的广播数据包后更新路由表，更新内容主要为：本地Mesh节点与一跳邻居之间的链路质量以及本地Mesh节点可达的源节点链表；
步骤S1.3、设置Mesh骨干网的名称，并给所有节点设置好信道和信道带宽，在H频段搭建出Mesh骨干网。
本发明的进一步改进在于，步骤S2进一步包括如下步骤：
步骤S2.1、设置好Mesh节点的参数，其会向其他节点发出邻居发现的广播数据包，并接收其他Mesh节点的广播数据包，更新路由表加入Mesh网络；
步骤S2.2、当节点发生故障或离开网络，将导致其他节点与该节点之间的传输链路质量变为0，所有路由不会经过该节点，该节点离开Mesh网络且不会影响其他节点的正常工作。
本发明的进一步改进在于，在步骤二中，网络控制器监控Mesh节点自适应切换信道。
本发明的进一步改进在于，步骤二进一步包括以下步骤：
步骤A1、在H频段有多个可选信道可以搭建Mesh网络，Mesh节点周期性扫描信道环境，确定信道的优劣情况；以及
步骤A2、使用一个Mesh节点作为控制器收集其他Mesh节点上报的信道环境，并作出决策控制Mesh骨干网切换到干扰最小的信道；其中，Mesh节点根据扫描到的信道环境情况，计算出每个信道处反映信道受干扰程度的加权信道功率Pwi；通过节点所在信道及节点处加权信道功率最小的信道，即干扰最小信道的信道供率，计算出信道功率差△P：
本发明的进一步改进在于，步骤二还包括控制器监控Mesh节点自适应切换信道过程，包括如下步骤：
步骤A3、Mesh节点处的信道功率差△P超出阈值，向控制器发出一个UDP请求信息，该信息包含请求切换到的信道号，以及Mesh节点的工作周期；Mesh节点处同时开启一个端口监听控制器下发的决策，当收到控制器下发的信道切换指令之后，向控制器发出一条确认信息后执行决策切换信道；以及
步骤A4、控制器处开启一个端口监听Mesh节点的切换请求，统计每一轮次中Mesh节点上报的不同信道的请求切换次数。
本发明的进一步改进在于，步骤A1进一步包括如下步骤：
步骤A1.1、Mesh节点扫描其所有可选信道中接收到的AP点信息，其中需要用到的信息有：节点处AP点的RSSI、AP点所处信道以及AP点的信道带宽，通过这些信息计算AP点对信道产生的干扰，根据节点处AP点的接收信号强度Rt(dBm)可以计算出节点处AP点的接收信号功率Pt(mw)：Rt＝10×log Pt；
步骤A1.2、根据Mesh节点处AP点的接收信号功率，计算该AP点对节点环境不同信道产生的干扰；其中，
AP点对Mesh节点处环境信道的干扰为：Pi＝∑kt×Pt(kt＝0,0.25,0.5,1)，其中kt代表该AP点产生干扰的信道数；以及
步骤A1.3、每个Mesh节点通过统计扫描到的AP点信息计算出该节点处每个信道的总信道功率Pi，计算反映信道之间干扰的加权信道功率，节点处根据信道加权功率列出一个信道优劣表，其中，Pwi：信道加权功Pwi可以体现出每个信道的受干扰程度，信道加权功率约小代表信道收到的干扰越小。
本发明的进一步改进在于，当某一信道在同一轮次中被Mesh节点请求切换的次数超出所有Mesh节点数量的一半，控制器将所有Mesh节点加入一个待切换列表，向待切换列表中所有Mesh节点广播报文控制Mesh节点统一切换信道；每当收到一个节点的确认信息之后就将其移出待切换列表，直至所有节点都成功切换之后控制器再切换到最优信道。
为了实现发明目的，本发明还提供了一种系统，用于实施前述的基于干扰协调的无线Mesh自适应信道选择方法。
本发明的有益效果如下：(1)本发明通过扫描信道环境，实时感知环境中不同AP点产生的干扰，自适应的选择通信环境更好的信道，保证了Mesh网路的吞吐量和时延；(2)本发明通过软件定义网络的方式，由控制器管控整个Mesh网络，可实现根据信道环境自适应切换接入方式；(3)本发明设计的Mesh骨干网运行于数据链路层，通过以太网帧的方式传递路由信息，增强了网络的稳定性，降低了时延。
附图说明
图1是本发明提供的基于干扰协调的无线Mesh自适应信道选择方法实现的效果图。
图2是本发明提供的Mesh网络搭建过程流程图。
图3是本发明提供的Mesh节点感知信道优劣并上报控制器进行决策的流程图。
图4是本发明提供的控制器监控Mesh节点自适应切换信道流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
需要强调的是，在描述本发明过程中，各种公式和约束条件分别使用前后一致的标号进行区分，但也不排除使用不同的标号标志相同的公式和/或约束条件，这样设置的目的是为了更清楚的说明本发明特征所在。
如图1所示，本发明提供了一种基于干扰协调的无线Mesh自适应信道选择方法。在传统Mesh网络中加入了网络控制器，通过软件定义网络的方法管控整个Mesh网络。每个Mesh节点都会扫描信道环境，实时感知环境中不同AP点产生的干扰，确定信道的优劣并上报控制器自适应选择干扰更小的信道，保证了Mesh骨干网的通信质量。
本发明所述的Mesh网络搭建过程如图2所示：
步骤S1、本发明研究的Mesh骨干网可基于不同的频段搭建，在一个频率较高的H频段进行组网，在频率较低的L频段进行终端接入。例如可以基于IEEE802.11协议，在5GHz频段进行组网，在2.4GHz频段进行终端接入。各个Mesh节点广播数据包，选择信道搭建Mesh骨干网，具体地：
步骤S1.1、每个Mesh节点周期性广播发现邻居的数据包，包的内容包括TTL值、序列号、源节点MAC地址、上一条节点MAC地址、链路质量等。该广播数据包有两个作用：源节点向其他节点通告自身的存在和自身能到达的下一跳节点；传递到达其他节点的传输链路质量。
步骤S1.2、Mesh节点收到其他节点发现邻居的广播数据包后更新路由表，更新内容主要为：本地Mesh节点与一跳邻居之间的链路质量以及本地Mesh节点可达的源节点链表。
步骤S1.3、设置Mesh骨干网的名称，并给所有节点设置好信道和信道带宽，在H频段搭建出Mesh骨干网。
步骤S2、当某个节点突然加入或离开Mesh骨干网，路由协议会进行快速收敛。具体地：
步骤S2.1、设置好Mesh节点的参数，其会向其他节点发出邻居发现的广播数据包，并接收其他Mesh节点的广播数据包，更新路由表加入Mesh网络。
步骤S2.2、当节点发生故障或离开网络，将导致其他节点与该节点之间的传输链路质量变为0，所有路由不会经过该节点，该节点离开Mesh网络且不会影响其他节点的正常工作。
本发明所述的Mesh节点感知信道优劣并上报控制器进行决策如图3所示：
步骤A1、在H频段有多个可选信道可以搭建Mesh网络，Mesh节点周期性扫描信道环境，确定信道的优劣情况。具体地：
步骤A1.1、Mesh节点扫描其所有可选信道中接收到的AP点信息，其中需要用到的信息有：节点处AP点的RSSI、AP点所处信道以及AP点的信道带宽。通过这些信息计算AP点对信道产生的干扰，根据节点处AP点的接收信号强度Rt(dBm)可以计算出节点处AP点的接收信号功率Pt(mw)：Rt＝10×log Pt。
步骤A1.2、根据Mesh节点处AP点的接收信号功率，计算该AP点对节点环境不同信道产生的干扰。一个AP点会对多个信道产生干扰，这和AP点的信道及信道带宽有关。
AP点对Mesh节点处环境信道的干扰为：Pi＝∑kt×Pt(kt＝0,0.25,0.5,1)，其中kt代表该AP点产生干扰的信道数。
步骤A1.3、每个Mesh节点通过统计扫描到的AP点信息计算出该节点处每个信道的总信道功率Pi，但是这个信道功率还不能完全体现出信道的受干扰程度，因为信道之间也会互相干扰。需要计算反映信道之间干扰的加权信道功率Pwi：
信道加权功Pwi可以体现出每个信道的受干扰程度，信道加权功率约小代表信道收到的干扰越小，节点处根据信道加权功率列出一个信道优劣表。
步骤A2、使用一个Mesh节点作为控制器收集其他Mesh节点上报的信道环境，并作出决策控制Mesh骨干网切换到干扰最小的信道。具体步骤如下：
步骤A2.1、Mesh节点根据扫描到的信道环境情况，计算出每个信道处反映信道受干扰程度的加权信道功率Pwi。通过节点所在信道及节点处加权信道功率最小的信道即干扰最小信道的信道供率，计算出信道功率差△P：
本发明所述的控制器监控Mesh节点自适应切换信道过程如图4所示：
步骤A3、Mesh节点处的信道功率差△P超出阈值，向控制器发出一个UDP请求信息，该信息包含请求切换到的信道号，以及Mesh节点的工作周期。Mesh节点处同时开启一个端口监听控制器下发的决策，当收到控制器下发的信道切换指令之后，向控制器发出一条确认信息后执行决策切换信道。
步骤A4、控制器处开启一个端口监听Mesh节点的切换请求，统计每一轮次中Mesh节点上报的不同信道的请求切换次数。
当某一信道在同一轮次中被Mesh节点请求切换的次数超出所有Mesh节点数量的一半，控制器将所有Mesh节点加入一个待切换列表，向待切换列表中所有Mesh节点广播报文控制Mesh节点统一切换信道。每当收到一个节点的确认信息之后就将其移出待切换列表，直至所有节点都成功切换之后控制器再切换到最优信道。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于干扰协调的无线Mesh自适应信道选择方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、使用一种位于OSI模型中数据链路层的协议搭建一个Mesh骨干网；进一步包括如下步骤：
步骤S1、Mesh骨干网可基于不同的频段搭建，在一个频率较高的H频段进行组网，在频率较低的L频段进行终端接入；
步骤S2、当某个节点突然加入或离开Mesh骨干网，路由协议会进行快速收敛；
步骤二、每个Mesh节点周期性扫描其附近的信道环境，根据不同信道内的AP点情况确定信道的优劣，引入网络控制器，获取网络中所有节点的信道环境并作出决策切换信道，所述网络控制器监控Mesh节点自适应切换信道；
进一步包括以下步骤：
步骤A1、在H频段有多个可选信道可以搭建Mesh网络，Mesh节点周期性扫描信道环境，确定信道的优劣情况；
步骤A2、使用一个Mesh节点作为控制器收集其他Mesh节点上报的信道环境，并作出决策控制Mesh骨干网切换到干扰最小的信道；其中，Mesh节点根据扫描到的信道环境情况，计算出每个信道处反映信道受干扰程度的加权信道功率Pwi；通过节点所在信道及节点处加权信道功率最小的信道，即干扰最小信道的信道供率，计算出信道功率差△P：所述网络控制器监控Mesh节点自适应切换信道过程，包括如下步骤：
步骤A3、Mesh节点处的信道功率差△P超出阈值，向控制器发出一个UDP请求信息，该信息包含请求切换到的信道号，以及Mesh节点的工作周期；Mesh节点处同时开启一个端口监听控制器下发的决策，当收到控制器下发的信道切换指令之后，向控制器发出一条确认信息后执行决策切换信道；
步骤A4、控制器处开启一个端口监听Mesh节点的切换请求，统计每一轮次中Mesh节点上报的不同信道的请求切换次数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1进一步包括如下步骤：
步骤S1.1、每个Mesh节点周期性广播发现邻居的数据包，数据包的内容包括TTL值、序列号、源节点MAC地址、上一条节点MAC地址、链路质量等，该广播的数据包的作用包括源节点向其他节点通告自身的存在和自身能到达的下一跳节点，以及传递到达其他节点的传输链路质量；
步骤S1.2、Mesh节点收到其他节点发现邻居的广播数据包后更新路由表，更新内容主要为：本地Mesh节点与一跳邻居之间的链路质量以及本地Mesh节点可达的源节点链表；
步骤S1.3、设置Mesh骨干网的名称，并给所有节点设置好信道和信道带宽，在H频段搭建出Mesh骨干网。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤S2进一步包括如下步骤：
步骤S2.1、设置好Mesh节点的参数，其会向其他节点发出邻居发现的广播数据包，并接收其他Mesh节点的广播数据包，更新路由表加入Mesh网络；
步骤S2.2、当节点发生故障或离开网络，将导致其他节点与该节点之间的传输链路质量变为0，所有路由不会经过该节点，该节点离开Mesh网络且不会影响其他节点的正常工作。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤A1进一步包括如下步骤：
步骤A1.1、Mesh节点扫描其所有可选信道中接收到的AP点信息，其中需要用到的信息有：节点处AP点的RSSI、AP点所处信道以及AP点的信道带宽，通过这些信息计算AP点对信道产生的干扰，根据节点处AP点的接收信号强度Rt可以计算出节点处AP点的接收信号功率Pt：Rt＝10×log Pt；
步骤A1.2、根据Mesh节点处AP点的接收信号功率，计算该AP点对节点环境不同信道产生的干扰；其中，
AP点对Mesh节点处环境信道的干扰为：Pi＝∑kt×Pt，kt＝0,0.25,0.5,1，其中kt代表该AP点产生干扰的信道数；以及
步骤A1.3、每个Mesh节点通过统计扫描到的AP点信息计算出该节点处每个信道的总信道功率Pi，计算反映信道之间干扰的加权信道功率，节点处根据信道加权功率列出一个信道优劣表，其中，Pwi：
信道加权功Pwi可以体现出每个信道的受干扰程度，信道加权功率越小代表信道收到的干扰越小。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：当某一信道在同一轮次中被Mesh节点请求切换的次数超出所有Mesh节点数量的一半，控制器将所有Mesh节点加入一个待切换列表，向待切换列表中所有Mesh节点广播报文控制Mesh节点统一切换信道；每当收到一个节点的确认信息之后就将其移出待切换列表，直至所有节点都成功切换之后控制器再切换到最优信道。
6.一种基于干扰协调的无线Mesh自适应信道选择系统，其特征在于：用于实施如权利要求1-5任意一项所述的基于干扰协调的无线Mesh自适应信道选择方法。
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