CN1773970B - 一种短距离无线网络信道的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短距离无线网络信道的确定方法，应用于短距离无线通信网络中的无线网络设备，该方法包括：a.无线网络设备获取当前无线网络环境中每一个信道的信号强度和信号质量；b.根据所获取的每一个信道的信号强度和信号质量，对每一个信道进行评估，得到每一个信道的评估结果；c.将每一个信道的评估结果与预定评估阈值进行比较，根据比较结果选择评估结果中最小值所对应的信道，作为该无线网络设备的工作信道。本发明方法可以避免新建网络与已存在网络的无线链路之间的相互干扰，并且仅依靠无线网络设备本身就可以完成无线网络信道的自动选择。

Description

一种短距离无线网络信道的确定方法

技术领域

本发明涉及短距离无线通信技术，特别是涉及一种短距离无线网络信道的确定方法。

背景技术

随着短距离无线通信技术的逐渐成熟，短距离无线通信技术也逐步进入到家庭应用领域。例如，通过在普通电视中嵌入无线网络模块，或者在普通电视上连接具有无线网络模块的机顶盒，普通电视就成为一个无线网络电视，该无线网络电视能够通过无线链路，与其他的无线网络设备，比如带有无线网卡的电脑进行无线通信，实现资源共享。无线局域网802.11b/a/g、蓝牙技术、UWB和WUSB等短距离无线通信技术为实现家庭环境中的数据、音视频的无线传输提供了基础，这些无线通信技术可以使家庭环境中的电脑、音响、电视等各种娱乐设备摆脱有线链路布局的局限性。

但是，随着无线通信技术在家庭应用中的逐渐普及，无线通信网络的密度也越来越高，由于现有的短距离无线通信的信道选择仍处于盲目状态，相邻家庭之间或一个家庭内部的各个独立的无线网络之间，不知道各自的无线信道或频率的占用情况，因此，各个独立的无线网络中的无线通信设备所使用的无线链路之间很可能互相干扰。无线链路之间的相互干扰，导致信号传输质量下降，因此，严重影响了短距离无线通信技术在家庭应用中的可信度和满意度。然而，信道选择又是一项非常专业的工作，通常需要采用场强仪或频谱仪测量周围环境中的频率使用情况，然后根据周围环境中频率使用情况选择信道，这对一般用户来说是很难做到的。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种短距离无线网络信道的确定方法，能够使无线网络设备自动选择工作信道，并避免无线链路之间的相互干扰。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种短距离无线网络信道的确定方法，应用于短距离无线通信网络中的无线网络设备，该方法包括以下步骤：

a.无线网络设备获取当前无线网络环境中每一个信道的信号强度和信号质量；

b.根据所获取的每一个信道的信号强度和信号质量，按照如下所述的公式对每一个信道进行评估，获得每一个信道的评估结果：

PQ[m，k]＝min{Q[m]×(N×K)+P[m]，N×K}，m∈{1，2，3...M}，k∈{1，2，3...K}，

其中，所述M为无线网络支持的信道数，所述K为评估重复次数，所述N×K为信道评估最大值，所述Q[m]为信道的信号质量，所述P[m]为信道的信号强度；

c.将每一个信道的评估结果与预定评估阈值进行比较，如果评估结果中具有小于或等于预定评估阈值的评估结果，则选择小于或等于预定评估阈值的评估结果中的最小值所对应的信道作为该无线网络设备的工作信道；如果评估结果全部大于预定评估阈值，则进一步判断是否重新搜索信道，如果是，则返回步骤a，否则将所述选择评估结果中的最小值所对应的信道作为该无线网络设备的工作信道；如果所述最小值为多个，则随机选择最小值中的一个所对应的信道作为该无线网络设备的工作信道。

所述步骤a获取每一个信道的信号强度和信号质量包括：对每一个信道的信号强度与信号质量探测多次，对多次探测得到的每一个信道的信号强度取平均，将得到的平均值作为每一个信道的信号强度，对多次探测得到的每一个信道的信号质量取平均，将得到的平均值作为每一个信道的信号质量。

步骤a中所述获取每一个信道的信号强度和信号质量的方法为：将无线网络设备的本振频率依次设置为所述每一个信道的频率，分别接收每一个信道的信号，根据接收到的每一个信道的信号获取该信道的信号强度和信号质量。

上述方案中，如果进行多次评估，所述步骤a中的每一个信道的信号强度和信号质量可以是每一个信道的N个信号强度和N个信号质量；所述步骤b中的每一个信道的评估结果为每一个信道的N个评估值的平均值；其中获得所述每一个信道的N个评估值的平均值的方法为：根据所述步骤a获得的每一个信道的N个信号强度和N个信号质量，分别对每一个信道进行评估，获得每一个信道的N个评估值，对获得的每一个信道的N个评估值按照信道号分别进行平均，得到每一个信道的N个评估值的平均值，其中N为评估次数。

如果进行多次评估，所述步骤a可以进一步包括：对获取的每一个信道的信号强度和信号质量进行量化处理，使获得的量化结果不超过预定的量化最大值；所述步骤b为：根据获得的量化结果对每一个信道进行多次评估，获得每一个信道的评估结果。步骤b中，所述对每一个信道进行评估的方法为：将每个信道的信号质量利用加权系数进行加权处理，得到加权值作为该信道的评估值，或者选择加权值和预定信道评估最大值中的最小值作为该信道的评估值。所述加权系数可以为量化最大值、或评估次数和量化最大值之积。

无论是否进行多次信道评估，所述步骤a均可以进一步包括：对获取的每一个信道的信号强度和信号质量进行量化处理，获得信号强度和信号质量的量化结果；所述步骤b为：根据获得的量化结果对每一个信道进行评估，获得每一个信道的评估结果。

上面所述量化处理的方法为：使用数字等级、百分数或者分贝数进行量化。

无论是否进行多次信道评估，步骤b中，所述对每一个信道进行评估的方法均可以为：将每个信道的信号质量作加权处理，得到加权值作为该信道的评估值，或者选择加权值和预定信道评估最大值中的最小值作为该信道的评估结果。

本发明所提供的信道确定方法可以通过无线网络设备本身探测周围无线信道的当前占用情况，进行信道评估，确定满足信道选择条件的信道作为工作信道，从而可以避免新建网络与已存在网络的无线链路之间的相互干扰，也就是避免环境中存在的固有干扰。并且，本发明无需专用的测试设备与探测仪器对空间进行探测，而仅依靠无线网络设备本身，比如无线网卡或基站就可以完成无线网络信道的自动选择。

附图说明

图1为本发明短距离无线网络信道的确定方法的实现流程图；

图2为无线网络设备的接收链路模块的结构原理示意图；

图3为各个信道的评估结果与预先设定的评估底线值的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明的基本思路在于：无线网络设备通过探测周围无线网络环境中的无线信道信息，获得各个无线信道的信号强度和信号质量；根据获得的信号强度和信号质量，确定当前各个无线信道的占用情况；然后根据各个无线信道的占用情况，选择其中未被占用且信号干扰少的信道作为无线网络设备的工作信道。

下面以采用无线局域网(WLAN)802.11b作为无线网络物理连接为例，对本发明无线网络设备确定自身工作信道的方法进行详细说明。

图1为本发明短距离无线网络信道的确定方法的实现流程图，包括以下步骤：

步骤101：无线网络设备探测无线网络中各个信道的占用情况。信道的占用情况一般可以通过信道的信号强度和信号质量确定。

其中，信号强度(RSSI)体现了当前环境中所检测到的当前信道的能量(energy)，该能量可能是由周围无线网络环境中占用了当前信道的无线网络设备发射的能量，也可能是相邻信道干扰过来的能量，也可能是其他干扰信号，或者是三者的叠加。信号质量(SQ)是有用信号与噪声之比，用来体现当前信道是否被占用，也就是说，如果信号质量非零，则表示当前信道已被占用，能够检测到当前信道并且解调出有用信号。如果信号强度表示的能量来自相邻信道的干扰，则不能被接收机解调出有用信号，这时的信号质量将为零。所以，信号质量能够反映当前信道是否被周围无线网络设备所占用。本发明就是将信号强度与信号质量两者结合起来，以判断无线网络信道是否被占用，以及该信道被干扰的轻重程度。

信道的信号强度和信号质量的获取过程具体是：将无线网络设备的本振频率设置为不同信道的频率，使得无线网络设备工作在不同信道上，然后利用现有技术的方法解调空间环境中该信道的信号强度和信号质量。

图2为无线网络设备的接收链路模块的结构原理示意图，其中，天线201将空间电磁波转换为高频电流信号，高频电流信号经过低噪声放大器202后通过I/Q变频器203分为两路，一路与载波的同相分量混频得到同相输出，另一路与载波的正交分量混频得到正交输出。同相输出和正交输出经过低通滤波器204和放大器205，通过RSSI输出208提取本信道接收信号强度，记为RSSI，同时输出同相分量I信号和正交分量Q信号。

I、Q信号通过IQ合成单元209、微调自动增益单元210、码元时钟恢复单元211、载波恢复单元212、均衡器213、基带信号解调器214处理之后，得到本信道的有用信号。将有用信号除以微调自动增益单元210的增益，结果记为sq，RSSI与sq的差即RSSI-sq就是噪声，则计算比值sq/(RSSI-sq)就可以得到链路信号质量。其中，压控振荡器206用于设置不同的载波频率，不同的载波频率可以解调出不同信道的信号。自动增益控制单元207用于根据接收信号的强度，设置低噪声放大器202和放大器205的增益。

各个信道的信道强度和信号质量获取过程具体如下：如前802.11b协议接收链路模块的工作原理所述的，将无线网络设备设置为接收状态，选择空闲信道估计(CCA，Clear Channel Assessment)模式，并配置压控振荡器的参数，将接收链路的信道设置为1。这时，无线网络设备的工作信道为信道1，接收空间环境中信道1的频带内信号，经过低噪声放大、IQ变频、低通滤波、放大处理后，检测接收信号的信号强度，得到信道1的信号强度，记为RSSI。IQ信号经过基带解调后的值，除以当前使用的微调自动增益值(FINE AGC)，结果记为sq，RSSI与sq的差即RSSI-sq就是噪声，则计算比值sq/(RSSI-sq)就得到信道1的信号质量。在对信道1的信号强度和信号质量检测完成之后，按照上述过程，将接收链路的信道设置为2，再检测信道2的信号强度和信号质量，依次类推，直到无线网络设备检测到信道M，M为无线网络支持的信道数。

由于无线网络的不稳定性，通常无线网络设备对无线网络环境中的信道进行多次侦听与检测，获得各个信道的多个信号强度和多个信号质量，然后将获得的各个信道的多个信号强度与多个信号质量分别进行平均处理，将得到的平均值作为各个信道的信号强度和信号质量输出。另外，本实施例中，可以通过上述方法获得各个信道的多个信号强度和多个信号质量，也就是说，各个信道的信号强度和信号质量可以是各个信道的多个信号强度和多个信号质量，用于进行多次信道评估。

步骤102：将各信道的信号强度和信号质量分别进行量化。量化的结果可以是数字等级、百分数或者分贝(dB)数。例如，如果采用数字等级，则可以从弱到强以0、1、2、3、4、5、6、7、8、...N等分数字等级对信号强度进行量化，其中N为量化最大值。本实施例中，将信号强度量化值记为P[m]，其中m为信道号，m∈{1，2，3，...M}。

类似地，也可以采用同样的方式对信号质量进行量化，即从弱到强以0、1、2、3、4、5、6、7、8、...N等分数字等级对信号质量进行量化。本实施例中，将信号质量量化值记为Q[m]，m∈{1，2，3，...M}。为简化起见，本实施例中，信号质量的量化最大值与信号强度的量化最大值均为N。当然，信号质量的量化最大值与信号强度的量化最大值也可以不相同。

根据上述量化方法，如果某一信道上信号质量量化值Q[m]为0，但信号强度量化值P[m]高，则表明该信道未被占用，但干扰很强；如果某一信道上信号质量的量化值Q[m]＞0，则表明该信道被占用。

步骤103：根据该信道信号强度量化值P[m]和信号质量量化值Q[m]，进行信道评估，得到每个信道的评估结果。为得到更精确的评估结果，可以重复进行多次评估，比如进行K次评估，形成由信道评估值组成的评估表PQ[m，k]，其中，k∈{1，2，3，...K}，K为评估重复次数。然后，按信道号m对每个信道的多个评估值进行平均，将平均值作为信道的评估结果，记为T[m]。其中T[m]为由M个信道的评估结果组成的数组。

本发明进行信道评估的基本原则为：根据前面所述量化方法，Q[m]＞0，表明该信道被占用，Q[m]＝0，表明该信道未被占用，由于信道的选择应尽量优先选择未被占用的信道，因此可以将Q[m]的值相对于P[m]进行加权处理或放大，加权系数可以多种多样，但最好与N和/或K具有相关性，比如加权系数为N或N×K，使得即使在Q[m]很小的情况下，该信道依然难以被选中。

进行信道评估的算法多种多样，仅以以下算法为例进行评估运算：

1、形成评估表：利用公式(1)得到各个PQ[m，k]的值。

PQ[m，k]＝min{Q[m]×(N×K)+P[m]，N×K}。(1)

其中：m∈{1，2，3，...M}，M为无线网络支持的信道数，k∈{1，2，3，...K}，K为评估重复次数，Q[m]×(N×K)+P[m]称为加权值，N×K称为预定信道评估最大值。本实施例中，将预定信道评估最大值和加权系数均设置为N×K。应该理解，实际应用中可以选择其它值作为预定信道评估最大值和加权系数，预定信道评估最大值和加权系数也可以不同。从公式(1)可以看出，本实施例使用加权值和预定信道评估最大值中的最小值作为该信道的评估值，实际应用中，也可以直接将加权值作为该信道的评估值。

公式(1)中的P[m]、Q[m]是根据上述步骤101和步骤102得到的，也就是说，如果进行K次评估计算，则需要首先通过步骤101获取每个信道的K个P[m]和K个Q[m]，然后利用每个信道的K个P[m]和K个Q[m]得到每个信道的K个评估值。

为获得各个信道的多个评估值，上述过程中可以是：在执行步骤103之前获取并保存每个信道的多个P[m]和多个Q[m]，然后根据公式(1)计算得到每个信道的多个评估值。或者上述过程也可以是：按照每获取一个P[m]和一个Q[m]，就执行一次评估，得到各个信道的一个评估值的过程循环执行多次，得到每个信道多个评估值。

2、对评估表PQ[m，k]中的评估值按信道号m取平均值，作为信道的评估结果T[m]。具体计算公式为：

$T\left[m\right]=\frac{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PQ}[m,k]}{K},m\∈\{\mathrm{1,2,3},...M\}.---\left(2\right)$

步骤104～106：判断信道评估结果中是否包含满足信道选择条件的信道评估结果，本实施例是将T[m]中的评估结果与记为L的预定评估阈值相比较，如果T[m]中的所有评估结果都大于L，则发出提示：“所处网络环境没有适合的信道，是否重新搜索信道”，如果用户选择“否”，则选择T[m]中的最小值对应的信道作为工作信道，如果T[m]中的最小值有多个，则随机选择其中一个最小值对应的信道作为工作信道，提示“信道选择完毕”，结束算法。如果用户选择“是”，则返回到步骤101，重新执行信道的选择过程。

如果T[m]中存在小于或等于L的评估结果，则选择最小值对应的信道作为工作信道，如果其中最小值有多个，则随机选择其中的一个最小值对应的信道作为工作信道，提示“信道选择完毕”，结束算法。

下面举一个具体的例子来进行说明。

例如：信道在WLAN 802.11b中，N为量化最大值，M为无线网络设备所支持的信道号数，K为评估重复次数，L为预先设定的评估阈值。以上变量的值可以采用某组默认值或由用户设定。本实施例中，上述各参数分别设为：N＝10，M＝13，K＝5，L＝3。

步骤101和步骤102：监听扫描信道，获得各个信道的信号强度与信号质量，并进行量化处理，得到P[m]和Q[m]。

假设多次监听扫描信道得到的信号强度与信号质量分别取平均后，所得的信号强度与信号质量的量化值P[m]、Q[m]分别为：

P[m]＝{9 7 6 8 6 4 2 3 5 5 7 5 3}，

Q[m]＝{8 0 0 7 0 0 0 0 4 0 6 0 0}。

步骤103：根据该信道的信号强度量化值P[m]、信号质量量化值Q[m]，进行评估运算，得到每个信道的评估值，形成评估表PQ[m，k]，并按信道号m对K次评估值取平均值。

首先，形成评估表：

将获得的P[m]和Q[m]代入公式(1)进行运算，得到各个信道的第一次评估值PQ[m，1]：

PQ[m，1]＝{50 7 6 50 6 4 2 3 50 5 50 5 3}。

重复执行步骤101和步骤102得到其它四次的信号强度量化值P[m]和信号质量量化值Q[m]，然后利用公式(1)分别进行计算，得到PQ[m，2]，PQ[m，3]，PQ[m，4]，PQ[m，5]。这样，经过上述过程，假设得到下面评估表：

PQ[m，1]＝{50 7 6 50 6 4 2 3 50 5 50 5 3}

PQ[m，2]＝{50 7 4 1 0 0 1 3 50 4 50 4 2}

PQ[m，3]＝{50 6 5 50 5 3 1 3 50 4 50 4 2}

PQ[m，4]＝{50 8 6 50 4 4 2 4 50 5 50 4 2}

PQ[m，5]＝{50 6 6 50 6 4 2 3 50 5 50 3 2}

其次，对评估表PQ[m，k]，按信道号m取平均值，得到各个信道的评估结果T[m]。

利用公式(2)，得到如下评估结果：

T[m]＝{50.00 6.80 5.40 40.2 4.20 3.00 1.60 3.20 50.004.60 50.00 4.00 2.20}。

图3示出了各个信道的评估结果。其中，平行于横坐标的直线为L＝3。

步骤104～106：将评估结果与L相比较，根据比较结果选择工作信道。

通过比较，T[m]中存在小于或等于L的评估结果，包括信道T[6]＝3.00，T[7]＝1.60，T[13]＝2.20。由于T[7]＝1.60最小，因此选择T[7]＝1.60对应的信道7作为工作信道，提示“信道选择完毕”，结束算法。

由上述方案可以看出，本发明可以避免新建网络与已存在网络的无线链路之间的相互干扰，并且，本发明无需专用的测试设备与探测仪器对空间环境进行探测，而仅依靠无线网络设备本身，比如无线网卡或基站就可以完成无线网络信道的自动选择。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种短距离无线网络信道的确定方法，应用于短距离无线通信网络中的无线网络设备，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.无线网络设备获取当前无线网络环境中每一个信道的信号强度和信号质量；

b.根据所获取的每一个信道的信号强度和信号质量，按照如下所述的公式对每一个信道进行评估，获得每一个信道的评估结果：

PQ[m，k]＝min{Q[m]×(N×K)+P[m]，N×K}，m∈{1，2，3...M}，k∈{1，2，3...K}，

其中，所述M为无线网络支持的信道数，所述K为评估重复次数，所述N×K为信道评估最大值，所述Q[m]为信道的信号质量，所述P[m]为信道的信号强度；

c.将每一个信道的评估结果与预定评估阈值进行比较，如果评估结果中具有小于或等于预定评估阈值的评估结果，则选择小于或等于预定评估阈值的评估结果中的最小值所对应的信道作为该无线网络设备的工作信道；如果评估结果全部大于预定评估阈值，则进一步判断是否重新搜索信道，如果是，则返回步骤a，否则将所述选择评估结果中的最小值所对应的信道作为该无线网络设备的工作信道；如果所述最小值为多个，则随机选择最小值中的一个所对应的信道作为该无线网络设备的工作信道。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a获取每一个信道的信号强度和信号质量包括：对每一个信道的信号强度与信号质量探测多次，对多次探测得到的每一个信道的信号强度取平均，将得到的平均值作为每一个信道的信号强度，对多次探测得到的每一个信道的信号质量取平均，将得到的平均值作为每一个信道的信号质量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤a中所述获取每一个信道的信号强度和信号质量的方法为：将无线网络设备的本振频率依次设置为所述每一个信道的频率，分别接收每一个信道的信号，根据接收到的每一个信道的信号获取该信道的信号强度和信号质量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a中的每一个信道的信号强度和信号质量是每一个信道的N个信号强度和N个信号质量；

所述步骤b中的每一个信道的评估结果为每一个信道的N个评估值的平均值；

其中获得所述每一个信道的N个评估值的平均值的方法为：根据所述步骤a获得的每一个信道的N个信号强度和N个信号质量，分别对每一个信道进行评估，获得每一个信道的N个评估值，对获得的每一个信道的N个评估值按照信道号分别进行平均，得到每一个信道的N个评估值的平均值，其中N为评估次数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a进一步包括：对获取的每一个信道的信号强度和信号质量进行量化处理，使获得的量化结果不超过预定的量化最大值；

所述步骤b为：根据获得的量化结果对每一个信道进行多次评估，获得每一个信道的评估结果。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤b中，所述对每一个信道进行评估的方法为：将每个信道的信号质量利用加权系数进行加权处理，得到加权值作为该信道的评估值，或者选择加权值和预定信道评估最大值中的最小值作为该信道的评估值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加权系数为量化最大值、或评估次数和量化最大值之积。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a进一步包括：对获取的每一个信道的信号强度和信号质量进行量化处理，获得信号强度和信号质量的量化结果；

所述步骤b为：根据获得的量化结果对每一个信道进行评估，获得每一个信道的评估结果。

9.根据权利要求5或8所述的方法，其特征在于，所述量化处理的方法为：使用数字等级、百分数或者分贝数进行量化。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中，所述对每一个信道进行评估的方法为：将每个信道的信号质量作加权处理，得到加权值作为该信道的评估值，或者选择加权值和预定信道评估最大值中的最小值作为该信道的评估结果。

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