一种基于数据流量和干扰强度的频道分配方法

1.本发明属于无线网状网技术领域，具体涉及一种基于数据流量和干扰信号功率的频道分配方法。


背景技术：

2.现有技术公开了无线网状网可以包含多个无线接入设备和多个无线终端设备。无线终端设备通过无线链路连接到无线接入设备，无线接入设备之间也可以无线互连，最终通过网关接入有线主干网络。传输不同数据的邻近无线链路应该使用互不重叠的频道，以免相互干扰，降低网络吞吐量，增加端到端数据延时，因此需要提出高效的频道分配方法[1]。
[0003]
现有技术中，频道分配方法主要有集中式频道分配方法和分布式频道分配方法两类。集中式频道分配方法以d1c-ca[2]和ld-ca[3]为代表，让一个控制站掌握整个网络信息，负责对各个无线接入设备分配频道。控制站一般嵌入到网关中，由网关实现控制站功能。集中式频道分配方法可以高效分配频道，但要求控制站接收各个无线接入设备发来的网络信息，再将频道分配信息发回到各个无线接入设备，因此可能难以对快速变化的网络进行高效的频道分配。分布式频道分配方法以spanner-dca[4]和loca[5]为代表，没有控制站负责各个无线接入设备的频道分配，而是让受网络变化影响区域内的无线接入设备相互交换信息，自主进行频道分配，因此它可以快速响应网络的变化，但由于分布式频道分配没有掌握整个网络信息，所以频道分配效率可能不高。与本发明相关的参考文献有：[1]fuw.,xieb.,wangx.：flow-basedchannelassignmentinchannelconstrainedwirelessmeshnetworks[c]，ininternationalconferenceoncomputercommunicationsandnetworks,2008,pp.1
–
6[2]aryafare.,gurewitzo.,knightlye.w.：distance-1constrainedchannelassignmentinsingleradiowirelessmeshnetworks[c]，ininternationalconferenceoncomputercommunications,2008,pp.1436-1444[3]jinj.,zhaob.,zhouh.：link-weightedanddistance-constrainedchannelassignmentinsingle-radiowirelessmeshnetworks[c]，ininternationalconferenceonlocalcomputernetworks,2009,pp.786-791[4]kanthic.n.,jainb.n.：spannerbaseddistributedchannelassignmentinwirelessmeshnetworks[c]，ininternationalconferenceoncommunicationsystemssoftwareandmiddleware,2007,pp.1-10sridhark.n.,casettic.,chiasserinic.f.：alocalizedanddistributedchannelassignmentschemeforwirelessmeshnetworks[c]，ininternationalconferenceonlocalcomputernetworks,2009,pp.45-52。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是针对无线网状网现有技术的现状，提出一种基于数据流量和干扰信号功率的频道分配方法。
[0005]
具体而言，本发明的方法中，计算每个无线接入设备可能接收到的最大干扰信号功率占所有无线接线接入设备可能接收到的最大干扰信号功率总和的占比值、每个无线接入设备传输的数据流量占所有无线接入设备传输的数据流量总和的占比值，再将干扰信号功率占比值与数据流量占比值求和，最后按照这两种占比值总和从大到小的顺序为无线接入设备分配频道，最终确定的频道分配组合应该使得所有无线接入设备实际收到的干扰信号功率总和最小。
[0006]
本发明的方法包含两个步骤，下面分别加以详述。
[0007]
步骤1：无线网状网中各个无线接入设备接收并测量其他无线接入设备所发送信标信号的功率，根据设备标识符识别信标来源于哪个无线接入设备，并将收到的信标功率和来源信息通知控制站。各个无线接入设备还周期性统计数据传输流量并通知控制站。
[0008]
用户向控制站写入无线接入设备间无线互连关系。各个无线接入设备接收并测量其他无线接入设备所发送信标信号的功率，并根据随同信标发送来的设备标识符识别信标来源于哪个无线接入设备，然后将记录的信标功率值和信标来源设备的标识符通知控制站。需要注意的是，一个无线接入设备发送的信标信号只能被其信号覆盖范围内的无线接入设备收到并测出信标功率值，而其信号覆盖范围外的无线接入设备因信标的功率衰减过大而接收不到信标，也就测不出信标功率值了。各个无线接入设备还周期性统计数据传输流量有多少字节并通知控制站。例如，一个无线网状网含有四个无线接入设备ap1、ap2、ap3、ap4，它们之间没有无线互连。无线接入设备ap1记录并通知控制站它收到ap2、ap3、ap4信标的功率分别为r12、r13、r14。无线接入设备ap2记录并通知控制站它收到ap1、ap3、ap4信标的功率分别为r21、r23、r24。无线接入设备ap3记录并通知控制站它收到ap1、ap2、ap4信标的功率分别为r31、r32、r34。无线接入设备ap4记录并通知控制站它收到ap1、ap2、ap3信标的功率分别为r41、r42、r43。无线接入设备ap1、ap2、ap3、ap4在某个周期内统计并通知控制站它们的数据传输流量字节数分别为d1、d2、d3、d4。
[0009]
步骤2：控制站计算每个无线接入设备收到的信标功率总和占所有无线接入设备收到的信标功率总和的占比值，每个无线接入设备的数据传输流量占所有无线接入设备的数据传输流量总和的占比值，再按照这两种占比值总和从大到小的顺序为各个无线接入设备分配频道，最终确定的频道分配组合应该使得所有无线接入设备实际收到的干扰信号功率总和最小。
[0010]
控制站计算每个无线接入设备收到的信标功率总和，并将各个无线接入设备收到的信标功率总和加起来获得所有无线接入设备收到的信标功率总和，然后计算每个无线接入设备收到的信标功率总和占所有无线接入设备收到的信标功率总和的占比值，这个占比值被视为每个无线接入设备可能接收到的最大干扰信号功率占所有无线接线接入设备可能接收到的最大干扰信号功率总和的占比值。控制站还计算每个无线接入设备在一个计数周期内数据传输流量占所有无线接入设备的数据传输流量总和的占比值。控制站按照这两种占比值总和从大到小的顺序为各个无线接入设备分配频道。需要注意的是，通过相同工作频道进行无线互连的多个无线接入设备虽然在彼此的信号覆盖范围内并在步骤1中相互
记录了收到对方的信标功率值，但它们之间不存在干扰，而且控制站只让它们之中干扰信号功率占比值与数据流量占比值总和最大的无线接入设备参与频道分配，其他无线接入设备只需分配与之相同的工作频道即可。最后，控制站将频道分配信息通知各个无线接入设备，让它们使用新分配的频道。当控制站在下一个计数周期末收到各个无线接入设备新发送的数据流量和干扰信号功率信息后，又开始新一轮频道分配。还是以步骤1中那个含有无线接入设备ap1、ap2、ap3、ap4的无线网状网为例，无线接入设备ap1从ap2、ap3、ap4收到的信标功率r12、r13、r14可以分别视为ap2、ap3、ap4施加给ap1的外部干扰信号功率。如果ap2、ap3、ap4与ap1使用相同的频道，ap1收到的干扰信号功率总和s1最大，即s1=r12+r13+r14。同理，无线接入设备ap2收到的最大干扰信号功率总和s2=r21+r23+r24，无线接入设备ap3收到的最大干扰信号功率总和s3=r31+r32+r34，无线接入设备ap4收到的最大干扰信号功率总和s4=r41+r42+r43。所有所有无线接入设备收到的最大干扰信号功率总和s=s1+s2+s3+s4，则无线接入设备ap1、ap2、ap3、ap4的干扰信号功率占比值分别为s1/s、s2/s、s3/s、s4/s。在步骤1中，无线接入设备ap1、ap2、ap3、ap4在某个周期内统计数据传输流量字节数分别为d1、d2、d3、d4，则所有无线接入设备的数据传输流量总和为d=d1+d2+d3+d4，那么各个无线接入设备的数据流量占比值分别为d1/d、d2/d、d3/d、d4/d。因此，无线接入设备ap1、ap2、ap3、ap4的干扰信号功率占比值与数据流量占比值总和p1、p2、p3、p4分别为s1/s+d1/d、s2/s+d2/d、s3/s+d3/d、s4/s+d4/d。假定p1《p3《p2《p4,则按照ap4、ap2、ap3、ap1的先后顺序分配频道。行向量c用于表示频道分配组合，其中第一个元素到最后一个元素的数值分别是按照干扰信号功率占比值与数据流量占比值总和从小到大排序的各个无线接入设备的频道编号。但要注意的是，行向量c中一个元素值为0，表示该元素对应的无线接入设备还没有分配频道；行向量c中一个元素值为正整数，表示该元素对应的无线接入设备被分配以该正整数为编号的频道。在本例中，行向量c=[c1,c3,c2,c4]，c1,c3,c2,c4分别对应无线接入设备ap1,ap3,ap2,ap4的频道编号。假定只有频道1、频道2、频道3可用于分配，则具体的频道分配方法如下。
[0011]
首先，为无线接入设备ap4分配频道，有频道1、频道2、频道3三种选择，可分别表示为行向量c1a=[0,0,0,1]，c1b=[0,0,0,2], c1c=[0,0,0,3],这三种频道选择对应的无线接入设备ap4实际收到的干扰信号功率总和均为0，随机选择其中一个行向量进入下一步处理变化，本例选择c1a进入下一步处理变化。
[0012]
然后，为无线接入设备ap2分配频道，有频道1、频道2、频道3三种选择。所以行向量c1a=[0,0,0,1]可变化为三种频道组合，分别为c2a=[0,0,1,1]、c2b=[0,0,2,1]、c2c=[0,0,3,1],c2a表示ap2与ap4使用相同的频道1，则ap4与ap2实际收到的干扰信号功率总和为r24+r42，c2b表示ap2与ap4分别使用不同的频道2和频道1，则ap2与ap4之间互不干扰，实际收到的干扰信号功率总和为0，c2c表示ap2与ap4分别使用不同的频道3和频道1，则ap2与ap4之间也互不干扰，实际收到的干扰信号功率总和也为0。在这些变化新产生的行向量中，c2b、c2c对应的ap4与ap2实际收到的干扰信号功率总和均为最小值0，随机选择其中一个行向量进入下一步处理变化，本例选择c2b进入下一步处理变化。
[0013]
再后，为无线接入设备ap3分配频道，有频道1、频道2、频道3三种选择。所以行向量c2b=[0,0,2,1]可变化为三种频道组合，分别为c3a=[0,1,2,1]、c3b=[0,2,2,1]、c3c=[0,3,2,1],它们对应的ap2、ap4、ap3实际收到的干扰信号功率总和分别为r34+r43、r23+r32、0。
在这些变化新产生的行向量中，c3c对应的ap4、ap2、ap3实际收到的干扰信号功率总和为最小值0，所以选择c3c进入下一步处理变化。
[0014]
最后，为无线接入设备ap1分配频道，有频道1、频道2、频道3三种选择。所以行向量c3c =[0,3,2,1]可变化为三种频道组合，分别为c3a=[1,3,2,1]、c3b=[2,3,2,1]、c3c=[3,3,2,1],它们对应的ap4、ap2、ap3、ap1实际收到的干扰信号功率总和分别为r14+r41、r12+r21、r13+r31。在这些变化新产生的行向量中，假定c3a对应的ap4、ap2、ap3、ap1实际收到的干扰信号功率总和r14+r41为最小值，则c3a=[1,3,2,1]对应的频道组合为最终分配方案，即无线接入设备ap1分配频道1，ap2分配频道2，ap3分配频道3，ap4分配频道1。
[0015]
本发明的优点有：(1)本发明充分考虑到无线接入设备的干扰信号强度越大，数据流量越大，就越需要优先分配频道的要求，对干扰信号强度和数据流量这两个关键因素进行了量化权衡与折衷，按照干扰信号功率占比值与数据流量占比值总和从大到小的顺序为各个无线接入设备分配频道, 并让最终确定的频道分配组合使得所有无线接入设备实际收到的干扰信号功率总和最小，从而有效地提高网络吞吐量，减少端到端数据延时。
[0016]
(2)本发明使用所有无线接入设备提供的数据流量和外部干扰信号功率信息，可以全局综合衡量，高效计算出最优的频道分配方案。
具体实施方式
[0017]
实施例1 测试实验及结果：实验在边长为1000米的正方形区域内部署24个信号覆盖范围达300米的无线接入设备，正方形区域中心是一个包含控制站功能的网关，这25个网络节点形成一个5
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5 网格拓扑结构，相邻网络节点之间的距离是250米。在这24个无线接入设备中，随机选择20个无线接入设备向网关发送或从网关接收包含1000个字节的数据包。频道带宽是每秒2兆比特，频道交换延时是80微妙。每一条收发数据流随机在0到20秒内开始，在400秒后结束。实验采用d1c-ca[2]、ld-ca[3]、spanner-dca [4]、loca [5]和本发明分别实现频道分配，表1和表2列出的测试结果是50次实验测试结果的平均值。从表1和表2可以看出，随着频道数量的增加，最大平均吞吐量增加，平均端到端数据延时减少，而本发明的频道分配方法可以比其他方案实现更高的网络吞吐量和更低的端到端数据延时。
[0018]
表1是网络最大平均吞吐量比较。
[0019]
表2是网络平均端到端数据延时比较。
[0020]
表1表2网络平均端到端数据延时比较