基于链路多速率的多射频多信道无线Mesh网络信道分配算法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线Mesh网络信道分配技术领域，具体为一种基于链路多速率的多射 频多信道无线Mesh网络信道分配算法化MRFCA Link Multi-Rate Fixed加 annel Assignment)。
【背景技术】
[0002] 无线Mesh网络是一种多跳自组织、自配置网络，Mesh网络中的MP(Mesh Point路由 节点），MAP(Mesh Access Point接入节点），MPP(Mesh化；Ttal Point网关节点）通过多跳的 方式进行连接和数据传输。传统的无线Mesh网络使用单射频单信道模式，在运种情况下，由 于无线Mesh网络中链路数较多且网络中的每条链路都使用相同的信道，链路之间的干扰严 重，严重制约了无线Mesh网络的整体传输性能。作为接入回传网络，传统的单射频单信道无 线Mesh网络所提供的传输性能已经满足不了人们日益增长的带宽需求，如何提升无线Mesh 网络的传输性能是一个亟待解决的问题。
[0003] 多射频多信道无线Mesh网络中的信道分配技术能够使用多个信道来减小链路之 间的干扰，显著提升无线Mesh网络的吞吐量，减小传输延时，满足人们的需求。如何在多射 频多信道无线Mesh网络中合理的进行信道分配，也逐渐成为无线Mesh网络的研究热点。而 同时，多射频多信道无线Mesh网络的信道分配算法的设计也带来了 W下几个关键问题：
[0004] (1)最小化干扰:多射频多信道无线Mesh网络能够显著提升网络性能，主要问题就 是如何使得网络中的干扰最小化。根据可用的射频接口和信道集合，设计合理的干扰模型 最小化网络干扰是信道分配需要考虑的首要问题。
[0005] (2)连通度:信道分配其实可W改变网络拓扑，运也是多射频多信道无线Mesh网络 跟单射频单信道无线Mesh网络的一个关键性区别。如果忽略了运种区别，在进行信道分配 的时候很可能就会导致网络分割，甚至出现孤立点。合理的信道分配方案需要网络拓扑是 连通的，因此在最小化网络干扰的同时满足网络连通性是信道分配的必要条件。
[0006] (3)路由依赖:信道分配和路由其实是相互依存的关系。由于信道分配会改变网络 的逻辑链路与实际链路之间的关系，影响网络的拓扑，而路由策略依赖于网络拓扑，运意味 着信道分配能直接影响路由。同时路由算法也需要体现多射频多信道无线Mesh网络中存在 的流间干扰和流内干扰问题，信道分配和路由的相互协作才能使得网络的整体性能最大 化。
[0007] 虽然目前很多信道分配技术都能够取得很好的效果，但其中大部分的研究考虑的 是在网络中链路单速率的情况下，即网络中所有的链路在一个基本速率或者一个固定速率 下所做的信道分配，运样的分配结果虽然能给链路单速率网络的容量带来提升，然而在一 个实际Mesh网络中，不同Mesh节点对之间的信道条件可能不一样，由于速率自适应调整机 制的作用，不同的节点对之间选取的传输速率会不一致，信道条件较好的节点对之间其传 输速率选取的较高，而信道条件较差的节点对之间其传输速率选取的较低，网络中会存在 各种不同传输速率的链路，而在运种链路多速率的网络中，各种不同速率的链路之间在分 配信道时候就需要充分考虑到多速率共享问题，传统的信道分配手段忽视了实际网络中多 速率的存在。
【发明内容】
[0008] 针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于链路多速率的多射频多信道无线 Mesh网络信道分配算法，该算法在充分考虑到多射频多信道无线Mesh网络信道分配存在的 问题的前提下，从链路多速率网络角度出发，充分利用信道资源增大网络吞吐量，提升网络 传输性能。技术方案如下：
[0009] 基于链路多速率的多射频多信道无线Mesh网络信道分配算法，包括：
[0010] 1)建立多速率网络拓扑结构：
[001 U 计算网络中每个节点的BNRSM值；
[0012] 选出BNRSM值最大的节点作为根节点，若存在一个W上的节点其BNRSM值最大且相 等，则从中选取带宽最大的节点作为根节点；
[0013] 确定根节点的传输速率及其邻居节点，并确定根节点与其邻居节点之间的链路；
[0014] 循环操作:任选一个邻居节点，确定其传输速率及其下一级邻居节点;并确定其与 下一级邻居节点间的链路，直至网络中所有节点的传输速率及其邻居节点被确定，所有链 路被确定；
[0015] 2)建立分级链路集合：
[0016] 将网络中每个节点分级:节点等级等于该节点到根节点的最短跳数；
[0017] 计算链路的等级:链路的等级为其两端节点等级之和；
[0018] 将所有链路按照等级由小到大顺序排列，若存在等级相同的链路，则将传输速率 较大的链路排在前面，形成分级链路集合；
[0019] 3)对网络中的链路进行信道分配：
[0020] 从分级链路集合中的第一条链路开始依次进行信道分配：
[0021] 若当前链路两端节点均有空闲接口，则计算该链路在每一个可用信道上的带宽损 失，从中选取带宽损失最小的信道赋给该链路，并将该信道分配到该链路两端节点的空闲 接口上，同时两端节点的空闲接口数减1;
[0022] 若当前链路两端节点中只有一个节点存在空闲接口，另一个节点的所有接口均已 被分配信道，则计算该链路在上述无空闲接口的节点上的每一个信道上的带宽损失，从中 选取带宽损失最小的信道赋给该链路，并将该信道赋给上述具有空闲接口的节点，同时将 该节点的空闲接口数减1;
[0023] 直至所有的链路都分配了信道为止。
[0024] 进一步的，所述节点的BNRSM值的计算方法为：
[0025] 计算网络各中节点在不同速率下对应的邻居数；
[00%] 得到节点在不同速率下的逻辑链路集合Link=化inki,Links,Links,Linlu. ..}， 其中Link康示节点在速率ri时的逻辑链路数，也即在速率ri下的连通度大小；
[0027] 计算节点在速率ri下的可用平均带宽Bandi:
[0029] 其中，if表示接口数，Si表示链路数和接口数的商，yi表示链路数和接口数的余数；
[0030] 定义节点在速率ri下的根选取度量为NRSMi = Linki地andi;
[00川得到节点的在各速率下的根选取度量集合NRSM= {NRSMi ,NRSM2，NRSM3， NRSM4. . .}；
[0032] 选择集合中最大值即max {NRSM}作为节点的最大根选取度量BNRSM。
[0033] 更进一步的，所述邻居节点的选取方法为：
[0034] 确定当前节点i的传输距离Disti;
[0035] 计算出当前节点i传输范围内的潜在邻居节点集合pnb e {j I Disti, j<Disti}， Disti,j表示节点i和j之间的距离；
[0036] 若潜在邻居节点pnb的传输距离存在关系Distpnb〉Disti，则该潜在邻居节点为当 前节点的实际邻居节点，则当前节点i的实际邻居集合为nbe{j|Distij<Disti，Dist^ = Distil O
[0037] 更进一步的，所述链路带宽损失的计算方法为：
[0038] BandLossiink = Bandlink-Bandinterference
[0040] 其中，BamlLossiink为链路link的带宽损失，Bandiink为链路link分配的传输速率， Bandinterferenee为受到其他链路干扰之后得到的实际带宽大小，data为数据量大小，Bandi表 示同链路link互相干扰的链路的带宽大小。
[0041] 本发明的有益效果是:本发明从链路多速率网络角度出发，根据无线Mesh网络的 接入回传特性，考虑无线Mesh网络中的流量特点，从而为网络中的链路分配不同的等级，然 后再采用启发式信道分配方式并设置合理的干扰度量来优化网络的干扰，在考虑网络整体 的连通性的情况下进行信道分配，充分利用信道资源增大网络吞吐量，提升网络传输性能； 本发明构建了多速率无线Mesh网络，在考虑网络的流量特点下，采用多射频多信道中的信 道分配技术，缓解多速率网络中存在的多速率共享问题，从而使得多速率机制与信道分配 机制相互融合，达到提升多射频多信道多速率无线Mesh网络整体性能的目的。
【附图说明】
[0042] 图1无线Mesh网络示意图。
[0043] 图2为S种有效范围示意图。
[0044] 图3为协议干扰模型示意图。
[0045] 图4为基于链路的协议干扰模型。
[0046] 图5为LMFCA算法拓扑建立流程图。
[0047]图6为LMFCA算法链路分级流程图。
[004引图7为多速率链路结构示意图。
[0049] 图8为多速率信道分配方案一。
[0050] 图9为多速率信道分配方案二。
[0051 ]图10为LMRFCA算法信道分配流程图。
【具体实施方式】
[0052]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[00对一、技术问题分析
[0054] 目前MAC层有两种接入方式，一种是CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突避免）的竞 争接入方式，另外一种是基于点协调器的非竞争接入方式PCF(点协调功能），在MAC层使用 较多的是CSM/CA竞争接入方式。
[0055] CSMA/CA机制为了使得所有节点都有公平竞争信道的机会，它保证每个竞争的节 点在一段时间内发送相同的数据量，而运种基于数据量公平的方式在链路多速率网络中， 会导致较低速率的节点竞争到信道之后占用较多的时间来发送数据，而速率较高的节点占 用较少的时间来发送数据，运样速率较高的节点不能发挥其优势，会导致整体网络的吞吐 量下降，运也是导致多速率网络性能异常的原因。
[0056] 采用节点时间公平原则，使大小速率不同的链路占用信道的时间趋于相同，能够 缓解性能异常现象，有效地提高多速率无线Mesh网络的性