CN1684439B - 对无线lan的信道分配 - Google Patents

Abstract

在不引起不可接受的干扰的情况下，将信道分配给无线LAN(WLAN)内的一个或多个小区。该分配包括将分配时段划分为帧，每一帧具有相当短的持续时间，然后，在每一个这样的帧期间，根据分配向量向一个或多个WLAN小区分配一个或多个信道。该向量确保分配了信道的每个小区与分配了相同信道的每一个其他小区距离足够远，以最小化交叉干扰。只有那些分配了信道的小区被允许在给定帧期间发射。以使WLAN的性能最优化的方式来确定这些分配向量。

Description

对无线LAN的信道分配

技术领域

本发明涉及对无线LAN的信道分配，更具体地，涉及用于在不引起不可接受的干扰的情况下从一组可用信道中对无线LAN(WLAN)中的一个或多个小区分配信道。

背景技术

无线局域网(WLAN)可用的信道数量相对较少。在某些情况下，非重叠信道(即分离信道)的数量可能少于10。例如，在所谓的802.11b标准指定的和联邦通信委员会(FCC)分配给WLAN使用的七个信道之中，仅有3条是非重叠信道。因为非重叠信道的数量这么少，将信道分配给竞争WLAN或分配给一个WLAN中各接入点(AP)(例如WLAN小区与有线基础架构之间的连接点)是非常困难的。

更复杂的问题是，诸如上述7个信道的那些FCC留出的信道当前不受管制。也就是说，尽管FCC已分配了某些信道供WLAN使用，但其不决定谁可使用这些信道，或何时可以使用这些信道。结果，没有什么能阻止网络管理员的控制之外(例如，给定WLAN的管理功能或实体的控制之外)的源干扰在这些信道之上操作的用户。更麻烦的问题是这一干扰是不可预知的事实。也就是说，给定的信道可能在一给定时间是不受干扰的，而在另一时间可能由于高度干扰而变得不可用。类似地，对于给定信道，网络的一个片断可能是不受干扰的，而同时另一片断几乎是不可用的。干扰的不可预知特性使在任何给定的时段向网络有效地分配给定信道是困难的。

另一与向WLAN分配信道有关的挑战在于WLAN不能使用现有的、由蜂窝网络使用的所谓的六边形布局。这是因为与其信号主要在室外传播的蜂窝网络相比，WLAN传播的信号通常完全在室内传播。换句话说，因为WLAN生成的信号主要在室内传播，所以小区(即与每个AP相关的覆盖区域)的形状很大程度上受该WLAN位于其内的建筑物等的内部结构所影响。

因为WLAN中所涉及的高强度干扰水平，及六边形设计的不可用性，所以需要一种新的用于向WLAN分配信道的架构。

发明内容

已经认识到可在不引起不可接受的干扰的情况下对无线LAN

(WLAN)内的一个或多个小区分配信道，这是通过以下步骤实现的：将分配时段划分为帧，每一帧具有相当短的持续时间；在每一帧期间，根据分配向量从该一个或多个小区中生成一组活动WLAN小区；然后，在每一帧期间，从可用信道组中向每一个活动WLAN小区分配一个或多个信道。

根据本发明，只有那些分配了信道的小区可在给定帧期间发射。所有其他小区都被禁止在相应的帧期间发射。

为了满足最小交叉干扰需求，本发明提出了对满足最大允许交叉干扰的一个或多个WLAN分配信道，其中该最大允许交叉干扰如下：

$a_l^n(I_{0,l}^n+\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k^n\·I_{k,l})\≤I_l^{\max },$ n＝1，2，...，N，l＝1，2，...，L

其中L表示多个小区，N表示多个可用信道，I_0，l ⁿ表示信道n内对小区l的外部干扰量，a_l ⁿ表示信道分配向量的各项，其定义为

I_k，l表示在小区k和l操作于同一信道上时从小区k对小区l的交叉干扰，而I_l ^max表示最大允许交叉干扰。

附图说明

图1示出包括多个小区的WLAN的简图，其中这些小区使用根据本发明实施例的在不引起不能接受的干扰的情况下对小区分配信道的方法；

图2示出根据本发明实施例的用于在不引起不能接受的干扰的情况下对小区分配信道的方法的简要流程图。

具体实施方式

本发明提供了对WLAN的信道分配，尤其是射频(RF)信道的分配。其至少在3个方面不同于传统的用在蜂窝网络中的分配技术。

首先，本发明提供的信道分配技术不是以六边形布局为指导的，甚至也不以其作为理论出发点。

其次，本发明提供的技术动态地而不是静态地向WLAN小区分配信道。也就是说，不是如蜂窝网络中所实现的那样将信道分配给一个WLAN小区相对而言较长的时段，而是将信道分配给一个WLAN小区相当短的时段。这里将这种时段称作“帧”。帧的持续时间能短到毫秒级或其若干分之一。该时间长度比在蜂窝网络中向小区分配的信道的时间长度短得多，蜂窝网络中分配信道的时间长度在最小时大概是蜂窝电话呼叫占用的时间长度。

第三，因为本发明提供了信道的动态分配，其可适用于可用于分配的信道集合随时间而改变的情形(例如，依赖于来自WLAN的控制之外的源的干扰水平)。

为了简化本发明的说明，以下讨论中假定WLAN包括预定位置上的给定数量的AP。因此，在本发明的一个实施例中，无需确定给定WLAN的适当AP数量或位置。

为了进一步简化下面的说明，不提及功率控制问题。替代地，在本发明的另一实施例中，假定与每一AP及其用户相关的功率水平是预定的和固定的。

因为AP的位置和它们的功率水平被假定为是预定的和固定的，因而断定可影响发射AP及其相关用户的干扰水平是事先已知的。

还可进行进一步简化。例如，通过假定每个WLAN小区接收到的和对于每一信道的外部干扰的实际水平是已知的，并假定对WLAN的信道分配不能包括对任何用户-AP关联的更改(即，在没有改变、控制或以影响对特定AP的用户分配的情况下将信道分配给WLAN)，来简化下面的说明。

在理想的网络管理情形下，因为由外部源对WLAN小区施加的干扰水平是潜在地依赖于时间的，该干扰信息可由正在进行的实时度量来确定。这种度量也可用于更准确地确定WLAN小区之间的交叉干扰。

已陈述了基于简化假定的一些实施例，应当理解，本发明的范围并不限于引入了这些假定的实施例。而是，未考虑这些假定中的一个或多个所实现的其他实施例也可以在本发明的范围之内。

现在参照图1，其中示出了由L个小区组成的WLAN 100，该L个小区由相应的接入点l＝1、2、...，L来表示，其中，存在N条表示为n＝1，2，...N的可用于由控制器200等分配给每个小区l的信道。根据一些性能标准判定将这N条信道分配给L个小区的最好的方式变成了挑战。

在本发明的一个实施例中，将分配时段划分为帧，每一帧具有相当短的持续时间。接着，在每个帧中，根据分配向量生成一组活动WLAN小区，其细节将在下文中进一步讨论。此后，在每一帧期间，可从可用信道群组中向每个活动WLAN小区分配一组信道。可选地，每帧的持续时间可基本上相同或不同。分配了信道的活动小区被允许在相应的帧期间进行发射，而在给定帧期间内未分配信道的小区(即非活动小区)在整个该给定帧的持续时间内关闭。也就是说，这种小区的AP和/或其相关用户在相应帧期间被阻止发射。还应当理解，该组可用于分配的信道可随时间改变。

在本发明的另一实施例中，在每一帧期间，可将该组可用信道中的某一个信道分配给一个小区。然而，应当理解，给定信道可分配(即重分配)给不只一个WLAN小区，以克服信道短缺。

这种短缺归因于信道的数量N通常少于小区的数量L的事实。为了克服短缺，本发明提供了信道重用技术的使用(例如，将一个信道同时分配给几个小区)。在本发明的又进一步实施例中，可将同一信道分配给多个活动小区，如果分配了该同一信道的每个小区彼此距离相当远以最小化它们之间的交叉干扰数量(即确保交叉干扰可忍受)的话。

当同一信道被分配给一个或多个小区时小区彼此距离相当远以最小化干扰的需求的形式上的表现涉及到了以I_l ^max开始的多个参数的讨论，I_l ^max是从所有源对小区l的最大可允许干扰。其次，表示为I_{k， l}的交叉干扰被定义为当小区k和l都在同一信道上操作时，从小区k到小区l的交叉干扰。在进一步讨论之前，应当理解，“来自小区k的交叉干扰”意味着由小区k中的AP或发射用户引起的干扰。类似地，“对小区l的交叉干扰”指影响了该小区内的AP或接收用户的干扰。

根据本发明，I_k，l的值通过考虑到小区k和l内的用户位置的可变性来确定。只提这样一句，因为该主题的细节超出了本发明的范围且对于理解本发明的特征来说是不需要的。应该进一步指出，因为小区k和l的发射功率可能不同，所以一般I_k，l和I_l，k是不相等的。

除了干扰影响之外，还需要介绍信道分配考虑因素。如前面解释过的，分配时段被划分为帧。在本发明的一个实施例中，每帧的时段持续基本上与θ所表示的基本上相同的持续时间，且可在每帧开始时将信道分配给每个小区。如果这些时间帧表示为f＝1，2，3，...，则在本发明的一个实施例中，信道分配决定可由非二元L维向量A^f来表示，该向量包括定义如下的整数项a_l ^f：

可选地，可使用二元、L维向量A^n，f来表示与给定信道n相关的信道位置决定，其中该向量包括以下项：

A^f称作“分配向量”，而A^n，f称作“信道分配向量”(对于信道n的)。应当指出，在一方面的分配向量A^f与另一方面的信道分配向量组{A^nf，n＝1，2，...，N}之间存在唯一的对应性。

现在需要讨论最后一个，但相当重要的向量。活动向量

还被定义为指定那些活动小区，即那些在f期间分配了信道的小区的向量，

包括定义如下的项：

该活动向量用于生成允许在给定帧期间发射的活动WLAN小区(及缺省地，将被阻止发射的非活动小区)。

在达到小区间最大交叉干扰需求之前必须讨论另一个因素，即从外部源对信道n的、影响小区l的干扰量，其被表示为I_0，l ^n，f。上标f被包括进来以强调外部干扰的时间变化特性。但是，这种变化的动态可以是相当缓慢的。在任何情况下，本发明假定在每一帧f之前，在该帧期间对外部干扰的估计I_0，l ^n，f，l＝1，2，...，L，n＝1，2，...，N是可得到的。

为简化以下的符号，只要能理解下面的讨论涉及单个帧f，上述的向量、项和干扰可分别表示为A、a_k、Aⁿ、a_k ⁿ和I_0，l ⁿ。

使用刚刚给定的符号，每帧f期间分配信道时所使用的对小区之间的最大交叉干扰的要求可表示如下：

$a_l^n(I_{0,l}^n+\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k^n\·I_{k,l})\≤I_l^{\max },$ n＝1，2，...，N，l＝1，2，...，L    (4)

其中，为简化的目的，

l＝1，2，...，L。a_l ⁿ项出现于等式(4)左手侧，以便确保每当n未分配给l时，等式(4)便自动满足。

在本发明的一个实施例中，在每帧期间，根据满足等式(4)的分配向量，将一个或多个信道分配给各小区。

除了关注满足等式(4)的分配向量之外，还需要确保分配向量是最大的，即在未违背等式(4)的情况下，不可激活其他小区。为确保确实如此，本发明对潜在的分配向量进行下列附加限制。

如果A和B是两个分配向量，如果对于所有信道n＝1，2，...，N，Aⁿ≥Bⁿ，可以说A大于B，对于至少一个n的值严格不相等。

此外，对于最大可行、或简称可行的分配向量A，其必须满足等式(4)且不大于它的分配向量能满足等式(4)。该组最大可行分配向量表示为F，并称作可行组。

因而，在本发明的又一实施例中，在每一时间帧f内，从该组最大可行分配向量F中选择一个分配向量。

现在，转到对本发明可使用以在所有向量中确定最好的分配向量的规则和标准的讨论。例如，本发明可对激活向量的选择设置下列一般标准。

给定某一表示为w_l的与每个小区l相关的正权重，根据下列分配向量来分配信道：

$A^{*}=\arg \underset{\∀A\∈F}{\max }{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^L{\stackrel{\‾}{a}}_1\·w_l.---\left(5\right)$

等式(5)可称为最大权重信道分配规则。在本发明的一个实施例中，等式(5)用于从可能的分向量之中识别最好的分配向量。

尽管上标f未在等式(5)中示出，但权重w_l可随时间变化。因此，根据向量A^＊的分配可能也随时间变化。

例如，权重w_l可能从帧到帧地变化。相应地，也可逐帧来选择分配向量。

根据等式(5)中使用的小区权重w_l，将生成具有潜在不同特性的不同分配策略。

例如，在本发明的又一实施例中，等式(5)中的权重可选定为w_l＝q_l，其中q_l是在每一相应帧f开始时l的虚拟队列的长度，且小区l的虚拟队列是与l相关的接入点和与小区l相关的用户的队列集合。所得到的策略可称作最大队列长度信道分配，表示为P。

图2中的流程图中示出了根据上面描述的本发明实施例的在不引起不可接受的干扰的情况下向小区分配信道时涉及的一些步骤以及一般启动和反复步骤的概述，即：在步骤200开始；接着在步骤210，对于帧1启动，设置f＝1；然后在步骤220，对于帧f，根据A＊_argmax，

从满足

$a_l^n(I_{0,l}^n+\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k^n\·I_{k,l})\≤I_l^{\max },$ n＝1，2，...，N，l＝1，2，...，L的所有分配向量“A”中识别最佳分配向量A^＊；接着在步骤230，其根据步骤220的结果，更新各参数，例如小区权重及外部干扰水平；最后在步骤240，通过将f设置到f+1前进到下一帧，结束后返回到步骤220。

使用基于其中权重w_l被选择作为虚拟队列q_l的长度的等式(5)的最大队列长度信道分配策略P的一个结果是WLAN的吞吐量在这样一种意义下最大化：对于到达系统的指定业务流模式，如果所有小区的虚拟队列在任何其他信道分配策略下是稳定的，则它们在策略P下也是稳定的。

上述讨论已陈述了用于在不引起不可接受的干扰的情况下向WLAN分配信道的方法的一些例子。应当理解，控制器200或类似设备可操作，以使用软件、固件、硬件或三者的组合来实现上面和下面描述的方法的每一个特征和功能。本发明方法和控制器的其他例子也是可预见的。例如，在本发明的另一实施例中，与每一帧相关的时段可以是显著不同的持续时间。但是，陈述每一个想得到的例子也是不可能的。因而，可由本领域技术人员想到的其他例子、修改等均保持在由所附权利要求定义的本发明的实质和范围之内。

Claims (7)

1.一种用于在不引起不可接受的干扰的情况下从一组可用信道中对无线局域网WLAN中的一个或多个小区动态分配信道的方法，包括：

将时段划分为帧，每一帧具有短持续时间；

为每一帧根据分配向量从该一个或多个小区中生成一组活动WLAN小区；

为每一帧从该组可用信道中向该一个或多个活动WLAN小区中的每一个分配一个或多个信道，所述一个或多个信道满足最大允许交叉干扰；

在给定帧期间，允许上述活动WLAN小区发射；以及

阻止在给定帧期间未被分配信道的WLAN小区在该给定帧期间发射，

其中该最大允许交叉干扰如下：

$a_l^n(I_{o,l}^n+\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k^n\·I_{k,l})\≤I_l^{\max },$ n＝1，2，…，N，l＝1，2，…，L，

其中L表示小区数，N表示可用信道数，I_o，l ⁿ表示信道n内对小区l的外部干扰量，a_l ⁿ表示信道分配向量的各项，其定义为

I_k，l表示在小区k和l操作于同一信道上时从小区k对小区l的交叉干扰，而I_l ^max表示最大允许交叉干扰。

2.如权利要求1的方法，其中每个在该给定帧期间分配了与任何其他小区相同的信道的小区与分配了该相同信道的每一其他小区距离足够远，以最小化交叉干扰。

3.如权利要求1的方法，其中上述分配步骤进一步包括从一组最大可行分配向量中选择一分配向量。

4.如权利要求3的方法，进一步包括选择定义如下的分配向量：

$A^{*}=\arg \underset{\∀A\∈F}{\max }{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^L{\widehat{\mathrm{\α}}}_l\·w_l$

其中w_l是与每一小区l相关的正权重，而F是该组可行分配向量，α表示信道分配整数项。

5.如权利要求4的方法，其中上述权重w_l可从帧到帧而变化，且逐帧重复分配向量的选择。

6.如权利要求5的方法，其中通过选定权重w_l＝q_l来定义最大队列长度信道分配，其中q_l是在每一相应帧开始时l的虚拟队列的长度，且小区l的虚拟队列是与l相关的接入点和与小区l相关的用户的队列集合。

7.一种用于在不引起不可接受的干扰的情况下从一组可用信道中向无线局域网WLAN内的一个或多个小区分配信道的控制器，其包括：

划分单元，将时段划分为帧，每一帧具有短持续时间；

生成单元，为每一帧根据分配向量从该一个或多个小区中生成一组活动WLAN小区；

分配单元，为每一帧从该组可用信道中向该一个或多个活动WLAN小区中的每一个分配一个或多个信道，所述一个或多个信道满足最大允许交叉干扰；

允许单元，在给定帧期间，允许上述活动WLAN小区发射；以及

阻止单元，阻止在给定帧期间未被分配信道的WLAN小区在该给定帧期间发射，

其中该最大允许交叉干扰如下：

$a_l^n(I_{o,l}^n+\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k^n\·I_{k,l})\≤I_l^{\max },$ n＝1，2，…，N，l＝1，2，…，L，

其中L表示小区数，N表示可用信道数，I_o，l ⁿ表示信道n内对小区l的外部干扰量，a_l ⁿ表示信道分配向量的各项，其定义为

I_k，l表示在小区k和l操作于同一信道上时从小区k对小区l的交叉干扰，而I_l ^max表示最大允许交叉干扰。

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