一种列车无线网络信道分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信领域，所述无线网络，除基于IEEE802.llac的WiFi和列车 WiFi特殊场景之外，也适用于基于802. 11协议的无线异构网络、无线传感网络、无线个域 网络的频点部署。
【背景技术】
[0002] 随着移动终端种类和业务量的飞速提升，高吞吐量的无线通信网络成为亟待解决 的问题。虽然现有的3G和4G移动网络已经可以极大地满足用户需求，但是在常用交通工 具上，传统蜂窝网用户的用户体验会随着场景的特殊性极大地降低。为此，目前公交车和高 速铁路上均开始逐步引进易部署、低成本的WiFi系统作为传统蜂窝网接入的业务卸载或 补充技术。目前，铁路客运是人口流动的主要运输方式，旅客无线接入业务较多为实时性较 低、吞吐量需求较高的视频和音频等流媒体业务，合理部署列车车载WiFi系统就成为满足 旅客业务需求、提高铁路客运的竞争力的一种手段。
[0003]目前，为了降低密集型WiFi网络中不同终端间的无线电干扰水平，并提高无线通 信网络的整体吞吐性能，国内外学者提出了很多WiFi系统的信道分配方案，其中一部分方 案采用静态信道分配方法，即各AP激活后固定工作在事先设定的信道。不同的静态信道分 配方法有各自的局限性，例如，有些只适用于小型WiFi网络不适用于密集型WiFi网络，而 另一些静态分配所选择的工作信道间隔没有加以限制，存在信道间隔太小、干扰较高的缺 点。另一方面，对于不同的通信场景和业务需求，没有考虑发送功率和信道带宽对系统性能 的影响。
[0004] 现有的方案中有根据实时无线传输信道状态信息[1]、业务排队状态[2]、接收信 号信噪比、接收信号强度指示（RSSI)等信息[3]，实时地调整AP的发送功率或工作信道。 这类动态信道分配方案需要AP和终端站点（Station，STA)之间频繁地进行信令交互；除此 之外，需要频繁地调整发送功率和切换工作信道，这些都会导致用户接入不稳定和业务中 断系等问题。
[0005] 通过对现有专利及相关技术的检索发现，现有的多APWiFi系统的频点分配方法 包括：
[0006] (1)文献[4]提出了一种基于802.lib协议的家庭网络（如图1)的信道选择方 法，在房间3中放置一个路由器，通过有线方式连接房间1/2/4中的多个AP，再由AP向STA 提供无线接入。
[0007] 文献中根据信道间相关系数因子（CRC)和信道上接收到的干扰信号功率来计算 干扰功率，并选择总干扰最小的信道作为新激活AP的工作信道。计算给定信道上的干扰功 率等于所有信道上可识别的所有AP的干扰信号功率加和，即：
[0009]其中：
[0010] Pn_INT代表给定信道η干扰信号功率；
[0011] X代表信道号；
[0012] Μχ信道X上能识别出的ΑΡ的数量；
[0013] Pkx代表信道X上可识别的APk的干扰信号功率；
[0014] CRCZ代表其他信道上干扰信号功率与目标信道目标信号功率的相关系数；
[0015] Z代表信道间隔，Z=n-x。
[0016] (2)当前研究中，对于无线信道干扰的动态调节主要有两种方式：动态调节发送 功率和工作信道带宽。
[0017] 通过对AP发送功率的动态调节可以实现覆盖范围的调整，进而达到干扰避免的 目的。文献[5]中提出了AP端发送功率动态调节的方法，该方法基于无线链路占用情况， 预先设定最大和最小的信道占用情况。当有无线数据传输时，在一段测量时间内，比较此时 信道占用情况与事先设定的最大信道占用情况的大小，若大于最大信道占用情况，也就是 说业务需求较大，则增加AP的发送功率，进一步提高系统性能。否则，将其与最小信道占空 比进行比较，若小于最小信道占用情况，则减小AP端的发送功率，使其对业务量大、信道占 用严重的其他AP的干扰最小。若信道占用情况在最大和最小值之间，则传输功率不发生变 化。
[0018] 动态的信道带宽分配方法也是干扰协调的一种常用方法，在文献[6]中提出了一 种基于802.llac的信道绑定机制的动态频率选择方法。在该方法中设定优等信道阈值，信 道质量优于阈值的信道优先使用。AP优先选择某一优等信道作为工作信道，当某条信道传 输质量下降，方法再根据信道情况进行工作带宽的调整。例如有多个80MHz的信道空闲， 则从中挑选信道质量优于阈值的信道进行传输，在数据传输量较大的时候便可以进行信道 绑定，在该80MHz的信道上进行数据传输；如果其中某个或某些20MHz信道不空闲，没有 80MHz信道空闲，则寻找40MHz的空闲信道，以此类推，最后才考虑单个20MHz的信道。这种 方法需要同时考虑到信道本身质量和周围信道空闲两种因素。
[0019] (3)文献[7]总结了高速铁路无线通信关键技术的未来发展趋势，并提出为列车 旅客提供基于WiFi的列车旅客无线通信系统。现有的高速旅客列车是在新型动车组（共 4节车厢）上部署的基于802. 1In协议的WiFi系统，每节车厢均有各自的网关节点，固定工 作在不相邻的40MHz信道上（如图2)。这种部署方式可以以较小的邻频干扰部署在车厢数 目少的新型动车组上。
[0020] 上述现有技术（1)中，在计算干扰信号功率的时候，直接使用的各干扰AP的发送 功率，没有考虑由于物理距离而产生的信号强度衰减，而高速列车车厢连接处车门对干扰 信号会有较大的衰减作用，并不适合本发明的场景；在分配信道时，所有信道号均可用来分 配给AP使用，信道之间并未做到很好的隔离，同频和邻频干扰较大；相对于802.llac协议， 802.lib协议标准的信道数更少，非重叠信道个数更少。另外，802.lib仅有20MHz的信道 带宽，相比于802.llac，信道带宽选择不灵活；只针对当网络中有新加入的AP时，选择其最 佳工作信道，但未考虑新AP加入对其他已激活AP的影响，并未重新对网络整体进行规划； 该信道分配技术属于家庭网络的静态信道分配方案，针对不同的业务量和信道条件，并没 有考虑不同工作带宽下，信道分配方案对于系统吞吐量性能的影响。
[0021] 上述现有技术（2)中，信道的重新分配存在时延，所依据的链路状态可能存在过 期问题；信道进行切换时，需要将连接的STA断开，这样极易造成接入不稳定、业务中断和 数据丢失等问题。
[0022] 上述现有技术（3)中，随着编组车厢数目的增多，为每节车厢独立部署网关成本 较高；为节约成本，减小网关部署个数，需要在车厢之间引入有线连接电缆，而有线连接电 缆不便于高速列车进行自动编组；802.lln协议的相关技术可能无法满足车厢内密集用户 的上网需求，该部署方案仅适用于列车车厢数目较少的情况，若车厢数目增多，频点分配也 会随之密集，会导致同频和邻频干扰情况加剧。
[0023] 参考文献
[0024] [ 1 ]ETSIstandardΕΝ301893V1. 7. 0,BroadbandRadioAccess Networks(BRAN) ；5GHzhighperformanceRLAN；HarmonizedENcoveringtheessential requirementsofarticle3. 2oftheR&TTEDirective,2012.
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[0029] [6]杨顺.田文龙，基于IEEE802.llac的信道绑定机制，激光杂 志，2014:35(8) :46-48
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【发明内容】
[0031] 鉴于以上陈述的已有方案或相关技术的不足，本发明针对列车WiFi的特殊场景 (但不局限于该场景），提出了一种基于802.llac协议的信道选择方法，根据部署AP的个 数、AP间物理距离、可用信道个数、发送功率大小、工作信道带宽大小等参数制定信道分配 方案。
[0032] 根据我国对5GHz频段的三次规划，可用总带宽为580MHz。考虑到实际设备支持情 况，本发明将在5150~5350MHz、5725~5850MHz频带（如图3)上进行列车车厢WiFi系 统的信道分配。如表1所示。
[0033] 表1为不同带宽下的信道个数。
[0034]
[0035] 在这两段频带上，不同信道带宽下的可用信道个数，至多只有15个不重叠信道 (20MHz)。而图4所示的列车车厢WiFi系统的网络结构，所需分配总频点个数达15个，属 于AP密集型WiFi网络。故需对各AP和中继对的工作信道进行合理分配，最大程度地降低 同频和邻频干扰，提升系统吞吐量。
[0036] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术解决方案：
[0037] -种列车无线网络信道分配方法，为在选定部署的基于802.llac协议的WiFi系 统的列车通信设备上提供信道选择，根据部署AP的个数、AP间物理距离、可用信道个数、发 送功率大小、工作信道带宽大小等参数制定信道分配方案，包括如下的步骤：
[0038] (1)根据AP的地理位置，如从车头到车尾，依次为各AP编号。并将所有AP加入到 待分配信道的AP集合A中。然后为所有AP初始化相同的工作信道，并计算每一个AP受到 的总干扰，作为每一个AP的干扰权重；
[0039] (2)根据每个AP的干扰权重，将待分配集合A中的AP进行排序，选取干扰最大的 AP节点，设定其优先权最高。对于干扰权重相等的AP，则选取AP序列号最小的，设定其优 先权最尚；
[0040] (3)对优先权最高的AP，计算其工作在任意可用信道