一种基于数据流量均方差的频道分配方法

international conference on local computer networks，2009，pp.45-52


技术实现要素：

11.本发明的目的是针对无线网状网技术，提出一种基于数据流量均方差的频道分配方法。
12.具体而言，本发明首先计算无线网络中无线接入设备的射频接口数据流量的平均值和均方差，然后据此将无线接入设备的射频接口划分成五个层面并为每个层面设定权重值，优先为数据流量大的高层中无线接入设备的射频接口分配带宽大的频道，在同一层中则优先为干扰信号数据流量权重总和大的无线接入设备的射频接口分配带宽大的频道。
13.本发明的基于数据流量均方差的频道分配方法，其包含两个步骤，下面分别加以详述。
14.步骤1：控制站根据无线互连关系及数据流量的平均值和均方差将无线接入设备的射频接口划分成五个层面并为每个层面设定权重值。
15.用户向控制站写入无线接入设备间的无线互连关系及信号覆盖范围。控制站将无线互连的多个无线接入设备的射频接口划为一组，因为它们工作频道相同。例如，在图1中，无线接入设备ap1的射频接口1通过无线链路l1与无线接入设备ap2的射频接口2无线互连，所以在图2中，射频接口1与射频接口2划为g1组，它们工作频道相同。同理，射频接口6与射频接口4划为g2组，射频接口7与射频接口8划为g3组，射频接口3与射频接口10划为g4组，射频接口5与射频接口12划为g5组，射频接口9与射频接口14划为g6组，射频接口11与射频接口16划为g7组，射频接口15与射频接口13划为g8组。在图1中，无线接入设备ap2有两个射频接口2和3，它们使用不同的工作频道，双竖线s1表示射频接口2和3的工作频道是隔离的，所以在图2中射频接口2和3分属不同的组。同理，图2中射频接口4和5、射频接口8和9、射频接口10和11、射频接口14和15都分属不同的组，因为它们虽然各自属于同一个无线接入设备，但工作频道不同，应该隔离。
16.控制站在指定统计周期内计算无线网络中无线接入设备的射频接口数据流量的平均值和均方差，然后据此将无线接入设备的射频接口划分成五个层面并为每个层面设定权重值。假定无线网络中有n条无线数据链路，在指定统计周期内各自数据流量分别为x1，x2，x3，...，xn，则无线网络中数据流量的平均值a和均方差d分别为
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无线网络中数据流量小于a-2d的无线接入设备的射频接口属于第一层，权重值为1；数据流量大于或等于a-2d且小于a-d的无线接入设备的射频接口属于第二层，权重值为2；数据流量大于或等于a-d且小于a+d的无线接入设备的射频接口属于第三层，权重值为3；数据流量大于或等于a+d且小于a+2d的无线接入设备的射频接口属于第四层，权重值为4；数据流量大于或等于a+2d的无线接入设备的射频接口属于第五层，权重值为5。可以看出，高层无线接入设备的射频接口数据流量大于低层无线接入设备的射频接口数据流量。
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图1中无线接入设备ap1、ap3、ap5的射频接口1、6、7与无线接入设备ap2、ap4、ap8的射频接口2、4、8分别无线互连，假定它们的数据流量都大于或等于a+2d，则射频接口1、6、7、2、4、8划分为第五层，权重值为5，如图2所示。图1中无线接入设备ap10、ap11的射频接口16、13与无线接入设备ap7、ap9的射频接口11、15分别无线互连，假定它们的数据流量都小于a-2d，则射频接口16、13、11、15划分为第一层，权重值为1，如图2所示。同理，假定射频接口3和10、射频接口5和12、射频接口9和14间数据流量都大于或等于a-d且小于a+d，则射频接口3、10、5、12、9、14划分为第三层，权重值为3，如图2所示。本例中没有无线接入设备的射频接口数据流量大于或等于a-2d且小于a-d，或是大于或等于a+d且小于a+2d，所以第二层与第四层不存在。
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步骤2：控制站优先为数据流量大的高层中无线接入设备的射频接口分配带宽大的频道，在同一层中则优先为干扰信号数据流量权重总和大的无线接入设备的射频接口分配带宽大的频道。
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控制站将要分配的频道按带宽从大到小排序，先分配带宽大的频道，再分配带宽小的频道，带宽相同的频道随机安排分配顺序。控制站优先为数据流量大的高层中无线接入设备的射频接口分配频道，再依次逐层为数据流量小的低层中无线接入设备的射频接口分配频道，在同一层中则优先为干扰信号数据流量权重总和大的无线接入设备的射频接口分配频道。如果两个位于不同组的无线接入设备射频接口的信号覆盖范围有重叠区域，则它们使用相同工作频道时会存在干扰。另外，位于同一个无线接入设备中多个射频接口是相互隔离的，所以它们之间不存在信号重叠区域。如果一个无线接入设备的射频接口被分配了频道，则与该射频接口属于同一组内的其他射频接口，即与该射频接口无线互连的其他射频接口也分配相同的频道。如果一个无线接入设备的射频接口被分配了频道，则与该射频接口存在不同组信号覆盖范围重叠情况或是位于同一无线接入设备内的其他射频接口都应该从它们各自按序排放的可分配频道集合中删除该频道，再参与下轮频道分配，而与该射频接口不存在信号覆盖范围重叠情况而且位于不同无线接入设备中的其他不同组射频接口都应该在它们各自按序排放的可分配频道集合中保留该频道，参与下轮频道分配。在图2中，两个射频接口用虚线连接，表示它们之间有信号覆盖范围重叠情况，所以它们使用相同工作频道时会存在干扰；两个射频接口用实线连接，表示它们无线互连；两个射频接口没有线连接，表示它们之间不存在信号覆盖范围重叠情况，也就是说，它们使用相同工作频道也不会出现任何干扰。但要注意，虚线s1连接的射频接口2和3属于同一个无线接入设备，它们之间不存在信号重叠区域，同理，射频接口4和5之间，射频接口8和9之间，射频接口10和11之间，射频接口14和15之间，都不存在信号重叠区域。在图2中，第五层的射频接口1、6、7、2、4、8权重值都是5；第三层的射频接口3、5、9、10、12、14权重值都是3；第一层的射频接口11、15、16、3权重值都是1。
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假定频道c1、c2、c3要参与分配，c1的带宽大于c2的带宽和c3的带宽，c2的带宽等于c3的带宽，则频道分配顺序是c1，c2，c3或c1，c3，c2。本例选择c1，c2，c3作为频道分配顺序，按以下步骤为图2中各个射频接口分配频道。
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步骤2.1：为第五层的射频接口分配频道。射频接口1在工作频道相同时有来自射频接口6的干扰信号数据流，其权重值是5。射频接口7在工作频道相同时有来自射频接口6的干扰信号数据流，其权重值是5。射频接口6在工作频道相同时有来自射频接口1、2、3、7的
干扰信号数据流，其权重值分别是5、5、3、5，则权重总和为5+5+3+5＝18。可以看出，射频接口6的干扰信号数据流量权重总和最大，所以先给射频接口6分配频道c1，则与射频接口6不同组的射频接口1、7、2、3从它们各自可分配频道集合中删除频道c1。射频接口1和7的干扰信号数据流量权重总和相同，可以给射频接口1和7都分配频道c2。射频接口6与4无线互连，属于同一组，应该使用相同的频道，所以射频接口4也分配频道c1。同理，射频接口2分配频道c2，射频接口8分配频道c2。射频接口3从它的可分配频道集合中删除频道c1、c2，射频接口5从它的可分配频道集合中删除频道c1，射频接口9从它的可分配频道集合中删除频道c2。然后进入步骤2.2。
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步骤2.2：为第三层的射频接口分配频道。射频接口3在工作频道相同时有来自射频接口6的干扰信号数据流，其权重值是5。射频接口5与9与不同组的射频接口都不存在信号覆盖范围重叠情况，所以先给射频接口3分配频道c3。然后再给射频接口5分配频道，最后给射频接口9频道，也可再给射频接口9分配频道，最后给射频接口5分配频道，本例选择再给射频接口5分配频道，最后给射频接口9分配频道。射频接口5分配频道c2，射频接口9分配频道c1。与射频接口3、5、9分别同组的射频接口10、12、14分别分配频道c3、c2、c1。射频接口11从它的可分配频道集合中删除频道c3。射频接口15从它的可分配频道集合中删除频道c1，射频接口13从它的可分配频道集合中删除频道c2，又由于射频接口15和13属于同一组，所以它们从其可分配频道集合中删除频道c1、c2。然后进入步骤2.3。
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步骤2.3：为第一层的射频接口分配频道。射频接口13在工作频道相同时有来自射频接口12的干扰信号数据流，其权重值是3，射频接口11与不同组的射频接口不存在信号覆盖范围重叠情况，所以先给射频接口13分配频道c3，然后给射频接口11分配频道c1。与射频接口11、13分别同组的射频接口16、15分别分配频道c1、c3。
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频道分配的最终结果是分配频道c1的射频接口有6、4、9、14、11、16；分配频道c2的射频接口有1、2、7、8、5、12；分配频道c3的射频接口有3、10、13、15。
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本发明具有以下优点：
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(1)本发明根据无线网络中数据流量的平均值和均方差，识别出数据流量远高于平均值，远低于平均值和平均值附近波动的无线接入设备射频接口，并将其分成五个层面，设定不同权重值，优先为数据流量大的高层中无线接入设备的射频接口分配带宽大的频道，在同一层中则优先为干扰信号数据流量权重总和大的无线接入设备的射频接口分配带宽大的频道，实现高效频道分配，从而提高网络吞吐量，减少端到端数据延时。
[0030]
(2)本发明使用所有无线接入设备提供的数据流量、无线互连及信号覆盖范围信息分层计算，可以全局综合衡量，高效计算出最优的频道分配方案。
附图说明：
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图1为无线网状网中接入设备布局示意图。
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图2为图1中接入设备相互干扰关系示意图。
具体实施方式
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实施例1 测试实验及结果：
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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200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12个无线接入设备经过最短路径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。
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表1网络最大平均吞吐量比较
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表2网络平均端到端数据延时比较
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