一种信道分配方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种信道分配方法及装置，主要内容为：确定与无线网状网中每一节点对应的候选节点集，根据约束条件，确定所有候选节点集信道分配方案；从中选择一个信道分配方案，在选择的信道分配方案下，所有候选节点集间的链路干扰最小，将为节点所属的每一候选节点集分配的信道均作为给该节点分配的信道。由于采用候选节点集为信道分配单位，且选择的信道分配方案是使所有候选节点集间的链路干扰最小的候选节点集信道分配方案，最后，再根据候选节点集的信道分配方案确定节点的信道分配方案，因此，获得的节点的信道分配方案减少了候选节点集间的路由冲突，在保留候选节点和偷听机会的同时，兼顾了多信道的并发传输，进而提高了信道的吞吐量。
【专利说明】一种信道分配方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线网状网络【技术领域】，尤其涉及一种信道分配方法及装置。
【背景技术】
[0002]多跳无线网络是无线局域网(Wireless Local Area Networks, WLAN)的扩展,能有效弥补WLAN覆盖范围小、传输距离有限、自由组网和施工困难的问题，具有更低部署成本，更大覆盖范围，能提供经济的网络接入服务。如何通过有效的技术手段，如路由协议和信道分配来提升多跳无线网络的容量是一直以来备受关注的热门领域。
[0003]其中机会路由是多跳无线网络中新兴的路由方式，它利用无线媒介广播性质和多用户分集，不事先确定路由的下一跳，直接广播发送数据包，周围可能有多个邻居节点都正确收到数据包。在收到数据包的节点间进行某种协调，由其中一个离目的节点最“近”的节点继续转发。当然并不是所有的节点都参与，机会路由按某种规则选择其中的一部分参加，这些被选中的邻居节点称为候选节点或候选转发节点。经多方验证，与只有一个预先设定下一跳的传统固定路由相比，机会路由这种使用多个候选节点转发数据包的方式更能适应不可靠的无线链路，尤其能充分利用远距离和高丢失率的无线链路，能明显提升多跳无线网络，尤其是无线网状网的端到端吞吐量。
[0004]然而，机会路由的一对多传输方式使得利用现有的统一信道分配方法进行信道分配或与传统路由兼容的传统信道分配方法时，存在信道分配的吞吐量不高的问题。
[0005]例如:在4个节点的网络拓扑中每个节点配备2个无线射频，可用信道数为3。源节点为S，目的节点为D，S的候选节点为D，A，B。图1为传统最小化链路干扰的信道分配结果，图2为统一信道分配结果，网络中所有节点都使用完全相同的信道，例中所有节点都只使用信道I和信道2。其中，节点间的虚线边表示链路，边上的值为链路包投递率，实线表示信道Cl，带一点的虚线表示信道C2，带两点的虚线表示信道C3。使用多射频多信道机会路由吞吐量EMORE分析模型对两种信道分配下的吞吐量进行分析，传统信道分配的吞吐量可达0.5，统一信道分配可达0.6475。
[0006]传统信道分配利用多信道的并发传输来获得更高的吞吐量，但从图1中可看出传统信道分配后可能出现以下缺点:I)切断节点与某些候选节点的链路，如链路AB，这是节点与候选节点没有共享信道造成的；2)以某信道发送时，候选节点数目变少，如S以Cl发送，B无法成为其候选节点，候选节点只剩A和D，导致机会路由的偷听机会减少；主要原因是传统信道分配是通过最小化边与边之间的干扰来增加并发传输进而获得更高的吞吐量。这是是基于链路的干扰模型，这与传统路由的一对一的传输方式和以一条链路为传输单元的性质完全吻合。但机会路由利用无线传输的广播特性，是一对多的传输方式，一个传输单元存在多条链路，因此传统信道分配方式与机会路由需要多个候选节点冲突。
[0007]统一信道分配完全使用相同的信道，虽然与传统信道分配相比存在较多信道冲突，可并发的传输较少，但却保留了候选节点和偷听机会。在这个例子中虽然保留候选节点的统一信道分配比利用并发传输传统信道分配吞吐量高，但是传统信道分配只关注了多信道，统一信道分配只关注了机会路由，也就只获得了其中一种技术带来的好处，因而现有技术的信道分配方案在针对使用机会路由及多信道的无线网络网中存在不能兼顾并发传输和保留候选节点和偷听机会的问题，这在某种程度上使得无线网状网的吞吐量较低。
【发明内容】
[0008]本发明实施例提供一种信道分配方法及装置，用以解决现有的信道分配方案中存在不能兼顾并发传输和保留候选节点和偷听机会的问题。
[0009]一种信道分配方法，所述方法包括:
[0010]确定与无线网状网中每一节点对应的候选节点集，所述与每一节点对应的候选节点集包含该节点和该节点的候选节点；
[0011 ] 根据候选节点集信道分配数目约束条件和各节点的射频接口数目约束条件，确定所有可行的候选节点集信道分配方案；
[0012]从所有可行的候选节点集信道分配方案中选择一个信道分配方案，其中，在选择的所述信道分配方案下，所有候选节点集间的链路干扰最小，所有候选节点集间的链路干扰是指候选节点集中两两个候选节点集间的链路干扰的总和，所述两两候选节点集间的链路干扰是指一候选节点集中包含的节点构成的链路与另一候选节点集中包含的节点构成的链路之间的干扰；
[0013]将为节点所属的每一候选节点集分配的信道均作为给该节点分配的信道。
[0014]一种信道分配装置，所述装置包括:
[0015]候选节点集确定模块，用于确定与无线网状网中每一节点对应的候选节点集，所述与每一节点对应的候选节点集包含该节点和该节点的候选节点；
[0016]候选节点集信道分配方案确定模块，用于根据候选节点集信道分配数目约束条件和各节点的射频接口数目约束条件，确定所有可行的候选节点集信道分配方案；
[0017]信道分配方案选择模块，用于从所有可行的候选节点集信道分配方案中选择一个信道分配方案，其中，在选择的所述信道分配方案下，所有候选节点集间的链路干扰最小，所有候选节点集间的链路干扰是指候选节点集中两两个候选节点集间的链路干扰的总和，所述两两候选节点集间的链路干扰是指一候选节点集中包含的节点构成的链路与另一候选节点集中包含的节点构成的链路之间的干扰；
[0018]节点信道分配模块，用于将为节点所属的每一候选节点集分配的信道均作为给该节点分配的信道。
[0019]在本发明实施例的方案中，由于在进行信道分配时，采用候选节点集为信道分配单位，并且选择的候选节点集信道分配方案是使所有候选节点集间的链路干扰最小的候选节点集信道分配方案，最后，再根据候选节点集的信道分配方案确定节点的信道分配方案，因此，获得的节点的信道分配方案减少了候选节点集间的路由冲突，在保留候选节点和偷听机会的同时，兼顾了多信道的并发传输，进而提高了信道的吞吐量。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明【背景技术】中传统最小化链路干扰的信道分配结果示意图；
[0021]图2为本发明【背景技术】中的统一信道分配结果示意图；
[0022]图3为本发明实施例中的传统路由的边冲突示意图；
[0023]图4为本发明实施例中的机会路由的冲突示意图；
[0024]图5为本发明实施例一中的无线网状网结构示意图；
[0025]图6为本发明实施例一中的信道分配方法流程图；
[0026]图7 Ca)为本发明实施例一中的节点邻居示意图；
[0027]图7 (b)为本发明实施例一中的链路干扰示意图；
[0028]图7 (C)为本发明实施例一中的候选节点集干扰示意图；
[0029]图7 Cd)为本发明实施例一中的候选节点集干扰示意图；
[0030]图8为本发明实施例一中的确定候选节点集之间的干扰关系的流程图；
[0031]图9为本发明实施例二中的无线网状网拓扑结构示意图；
[0032]图10为本发明实施例三中的信道分配装置结构示意图；
[0033]图11为本发明实施中不同信道分配方法平均为CFS分配的信道数；
[0034]图12为本发明实施中不同信道分配方法的平均干扰值；
[0035]图13为本发明实施中不同信道分配方法在重负载下吞吐量；
[0036]图14为本发明实施中所有汇聚吞吐量的累积分布图。
【具体实施方式】
[0037]为清楚地说明本发明实施例的方案，首先结合基于【背景技术】中所述的网络拓扑的传统路由的边冲突图和基于【背景技术】中所述的网络拓扑的机会路由的冲突图对本发明实施例中的信道分配的基本原理进行说明。
[0038]基于链路或边干扰对应的边冲突图如图3所示，网络拓扑图中的链接转变成边冲突图中的节点，网络拓扑图相互干扰的两条链路对应到边冲突图中的两个节点间存在一条边。传统信道分配基于这一种链路的冲突图，通过给链路分配信道来最小链路之间存在的干扰。
[0039]机会路由冲突图如图4所示，机会路由冲突图中的节点还是网络拓扑图中的节点，但每个节点包含节点会使用到的链路集合，即机会路由的本节点为发送节点和候选节点间的链路集合，所以目的节点没有对应的节点。只要节点间的链路集合存在干扰，两个节点对应存在一条边。
[0040]在传统的路由方式中链路SA和SB，AB和AD是相互冲突。而机会路由由于存在多个候选节点，允许链路SA和SB，AB和AD共存。根据机会路由冲突图的分析，机会路由中进行信道分配时应该把一个节点的多个候选节点绑定为一个整体进行分配，如把节点和该节点的多个候选节点构成的整体称为一个候选节点集，那么主要解决地就问题就从给链路分配信道，变成了给候选节点集分配信道，进行信道分配时应该把候选节点集作为一个信道分配单元进行分配。通过给候选节点集分配信道来尽量减少候选节点集与候选节点集之间的干扰，来提升机会路由性能。根据这一思路在面向使用一对多的传输方式的机会路由时，本发明实施例提出的信道分配方案是一种基于候选节点集的信道分配方案。
[0041]下面结合具体实施例详细描述本发明方案。
[0042]通常的，可以用一个扩展的无向图G=(V，E，R，K)来表示如图5所示的包含N个节点的多射频多信道无线网状网，其中V表示N个节点集，E表示节点间链路的矩阵，R表示每个节点可配置个无线射频数目(也即射频接口或无线接口，假设所有节点配置的射频数量相等时)，K表示无线网状网中可使用的正交信道的数目。
[0043]针对上述描述的无线网状网，本发明实施例一的信道分配方法流程图，如图6所示，包括以下步骤:
[0044]步骤101:确定与无线网状网中每一节点对应的候选节点集。
[0045]所述与每一节点对应的候选节点集包含该节点和该节点的候选节点；在一条流的源节点和目的节点已知时，利用机会路由的路由判据即可确定与每一节点对应的候选节点，并且在与每一节点对应的候选节点已知时，机会路由可以确定该条流的路由。
[0046]所述路由机判据可以为:期望传输次数(Expected Transmiss1n Count,ETX)、期望任意传输次数(Expected Anypath Transmiss1n Count, EAX)、期望传输时间(ExpectedTransmiss1n Time, ETT)或期望任意传输时间(Expected Anypath Transmiss1n Time,EATT )等。
[0047]其中，路由判据是负责选路，机会路由是选好路后，来确定路上的节点之间如何传输。
[0048]所述ETX是路径选择过程中一个衡量链路质量的确切数值。单独一条链路的ETX值定义为数据包在这条链路上成功发送时的期望发送次数(包括重传)。
[0049]在机会路由中，每个节点i都对应多个候选节点FN(i)，那么节点i与它的候选节点FN⑴可以构成一个候选节点集(Candidate Forwarder Set,CFS),这个候选节点集中的所有节点组成的链路构成一个候选链路集(也可以说候选节点集中的所有节点组成的边构成一个候选边集，本发明实施例中不区分边和链路、顶点和节点)。若节点i的候选节点包括节点I和节点2，节点P的候选节点包括节点3和节点4。那么节点1、节点2节点和节点i构成节点i的一个候选节点集，节点3、节点4和节点P构成节点P的候选节点集。所有候选节点集构成候选节点集的集合(Set of Candidate Forwarder Sets, CFSs)。
[0050]需要说明的是，并不是每一个节点均对应一个候选节点集，有的节点可能没有候选节点集，例如，目的节点由于不需要转发，故其没有候选节点，进一步的，也不对应候选节点集。
[0051]用数学语言描述候选节点集时，在一个包括N个节点的无线网状网存在M个候选节点集时，节点与候选节点集之间的关系可以用NXM的矩阵Snxm表示。如果节点i是第m个候选节点集的元素，记为i e m且S ^n0为1，否则igm且S (丄…为O。
[0052]
【权利要求】
1.一种信道分配方法，其特征在于，所述方法包括: 确定与无线网状网中每一节点对应的候选节点集，所述与每一节点对应的候选节点集包含该节点和该节点的候选节点； 根据候选节点集信道分配数目约束条件和各节点的射频接口数目约束条件，确定所有可行的候选节点集信道分配方案； 从所有可行的候选节点集信道分配方案中选择一个信道分配方案，其中，在选择的所述信道分配方案下，所有候选节点集间的链路干扰最小，所有候选节点集间的链路干扰是指候选节点集中两两个候选节点集间的链路干扰的总和，所述两两候选节点集间的链路干扰是指一候选节点集中包含的节点构成的链路与另一候选节点集中包含的节点构成的链路之间的干扰； 将为节点所属的每一候选节点集分配的信道均作为给该节点分配的信道。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两两候选节点集间的链路干扰是通过以下方式确定的: 确定一候选节点集包含的节点构成的链路与另一候选节点集包含的节点构成的链路之间的干扰的估计值，其中，所述估计值是在假定所有候选节点集使用同一信道的情况下得到的； 在候选节点集信道分配方案下，确定为所述一候选节点集分配的信道集合和为所述另一候选节点集分配的信道集合的交集，将确定的所述估计值与所述交集中元素的个数的乘积作为所述一候选节点集包含的节点构成的链路与另一候选节点集包含的节点构成的链路之间的干扰值，其中，在确定的所述交集为空集时，该交集中元素的个数为O。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过以下方式确定一候选节点集包含的节点构成的链路与另一候选节点集包含的节点构成的链路之间的干扰的估计值: 确定无线网状网中包含的链路之间的干扰； 根据无线网状网中包含的链路之间的干扰和各候选节点集中包含的节点构成的链路，确定一个候选节点集中包含的链路与另一个候选节点集中包含的链路之间的干扰； 将确定的一个候选节点集中包含的链路与另一个候选节点集中包含的链路之间的干扰作为所述估计值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定无线网状网中包含的链路之间的干扰 ，具体为: 根据节点的位置，确定各节点的邻居集，节点的邻居集是指与该节点的物理传输距离小于设定距离的节点的集合，或者是指与该节点构成的链路的包投递率大于设定阈值的节点的集合； 根据确定的各节点的邻居集，确定与无线网状网中包含的每一链路对应的链路干扰集，其中，第一链路对应的链路干扰集中的每一链路中包含的节点均为该第一链路包含的节点的邻居节点。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述候选节点集信道分配数目约束条件为:为一个候选节点集至少分配一个信道； 所述各节点的射频接口数目约束条件为:为每个节点所分配的信道数总和小于等于该节点具有的射频数。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于， 所述为一个候选节点集至少分配一个信道，具体为
所述为每个节点所分配的信道数总和小于等于该节点具有的射频数，具体为:
其中，Amxk为候选节点集的信道分配矩阵，在第m个候选节点集使用了第k个信道时，该信道分配矩阵Amxk的元素A (m, k)=l ;否则，A (m, k)=0 ；SNXM为节点和候选节点集之间的关系矩阵SNXM，在节点i是第m个候选节点集的元素时，该节点和候选节点集之间的关系矩阵Snxm的元素S(i,m)=l ;否则S(i,m)=0 ;K为无线网络网中可用的正交信道个数，k=U2-K；N为无线网络网中节点的个数，i=l>2-N ；M为确定的候选节点集的个数，Ri为节点i具有的射频数，X为节点的信道分配矩阵，X(i，k)=l表示节点i使用了第k个信道，X(i，k)=0表示节点i未使用第k个信道，πι=1、2...Μ。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于， 所述从所有可行的候选节点集信道分配方案中选择一个信道分配方案，该被选择的信道分配方案使得所有候选节点集间的链路干扰最小具体为:在满足
和
的条件下，求取满足
的候选节点集的信道分配矩阵； 其中，Imxm为第u个候选节点集和第V个候选节点集间干扰的估计值矩阵，在估计出第U个候选节点集和第V个候选节点集间存在干扰时，I(u；v) = I ;否则，I(u；v) = O ;ιι=1、2...Μ ；V=IU0
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将为节点所属的每一候选节点集分配的信道均作为为该节点分配的信道具体为: 将节点和候选节点集之间的关系矩阵Snxm和候选节点集的信道分配矩阵Amxk代入公
，得到节点的信道分配矩阵。
9.一种信道分配装置，其特征在于，所述装置包括: 候选节点集确定模块，用于确定与无线网状网中每一节点对应的候选节点集，所述与每一节点对应的候选节点集包含该节点和该节点的候选节点； 候选节点集信道分配方案确定模块，用于根据候选节点集信道分配数目约束条件和各节点的射频接口数目约束条件，确定所有可行的候选节点集信道分配方案； 信道分配方案选择模块，用于从所有可行的候选节点集信道分配方案中选择一个信道分配方案，其中，在选择的所述信道分配方案下，所有候选节点集间的链路干扰最小，所有候选节点集间的链路干扰是指候选节点集中两两个候选节点集间的链路干扰的总和，所述两两候选节点集间的链路干扰是指一候选节点集中包含的节点构成的链路与另一候选节点集中包含的节点构成的链路之间的干扰； 节点信道分配模块，用于将为节点所属的每一候选节点集分配的信道均作为给该节点分配的信道。
10.如权利要求9所述的信道分配装置，其特征在于， 所述信道分配方案选择模块，具体用于确定一候选节点集包含的节点构成的链路与另一候选节点集包含的节点构成的链路之间的干扰的估计值，在候选节点集信道分配方案下，确定为所述一候选节点集分配的信道集合和为所述另一候选节点集分配的信道集合的交集，将确定的所述估计值与所述交集中元素的个数的乘积作为所述一候选节点集包含的节点构成的链路与另一候选节点集包含的节点构成的链路之间的干扰值，其中，所述估计值是在假定所有候选节点集使用同一信道的情况下得到的，在确定的所述交集为空集时，该交集中元素的个数为O。
11.如权利要求10所述的信道分配装置，其特征在于，所述信道分配方案选择模块，具体用于确定无线网状网中包含的链路之间的干扰；根据无线网状网中包含的链路之间的干扰和各候选节点集中包含的节点构成的链路，确定一个候选节点集中包含的链路与另一个候选节点集中包含的链路之间的干扰；将确定的一个候选节点集中包含的链路与另一个候选节点集中包含的链路之间的干扰作为所述估计值。
12.如权利要求11所述的信道分配装置，其特征在于，所述信道分配方案选择模块，具体用于根据节点的位置，确定各节点的邻居集，根据确定的各节点的邻居集，确定与无线网状网中包含的每一链路对应的链路干扰集，其中，节点的邻居集是指与该节点的物理传输距离小于设定距离的节点的集合，或者是指与该节点构成的链路的包投递率大于设定阈值的节点的集合，其中， 第一链路对应的链路干扰集中的每一链路的节点均为该第一链路包含的节点的邻居节点。
13.如权利要求12所述的信道分配装置，其特征在于，所述候选节点集信道分配数目约束条件为:为一个候选节点集至少分配一个信道； 所述各节点的射频接口数目约束条件为:为每个节点所分配的信道数总和小于等于该节点具有的射频数。
【文档编号】H04W40/16GK104080088SQ201310101899
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2013年3月27日
【发明者】曾彬, 何施茗, 张大方 申请人:中国移动通信集团湖南有限公司