无线网状网中的信道分配方法及装置的制作方法

专利名称：无线网状网中的信道分配方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线网状网络，具体的讲，涉及一种无线网状网中的信道分配方法及装置。
背景技术：
随着无线网状网的快速发展，尤其是基于802.11无线网状网技术的不断成熟，在无线网状网的回程网中使用了越来越多的无线网状网路由器。在目前大多数的无线网状网路由器中，必须手工配置所使用的信道。对于一个只有几个路由器的小规模网络，这是可行的。但是，无线网状网必须是可扩展的。随着路由器数目的增加，则需要使用自动的信道分配工具。尤其是当一个路由器上安装了多根天线以及相应的多个无线电收发装置时，就更加需要自动配置信道的功能。
此外，当网络中出现干扰源时，无线链路会发生不可预计的频繁变化，链路质量很有可能变得很差，从而使得所在信道成为不可用的信道。因此，需要一种动态的信道分配方案，根据网络实际情况重新分配可用的信道。
在无线多跳网络中，多信道分配算法可以分为两类。在第一类中，每个无线路由器只有一个无线网络接口(NIC)，算法基于每个分组包来选择信道，部分的多信道媒质接入控制(MAC，Medium Access Control)协议属于这种类型[2]，[3]；在第二类中，每个无线路由器有多个无线网络接口，给每个接口分配一个唯一的信道[1]，[4-8]。本发明主要关注的是第二类的信道分配算法。
文献[1]和[5]提出了一种称为Hyacinth的采用全向天线的多信道无线网状网架构。其中，把信道分配问题分成了两个子问题第一个子问题被称作“邻居到接口’’绑定问题(neighbor-to-interface binding problem)，确定一个节点应该使用哪个接口和它邻居通信；第二个子问题被称作“接口到信道”绑定问题(interface-to-channel binding problem)，确定一个接口应该使用哪个无线信道。值得注意的是，Hyacinth的逻辑拓扑是一种树状结构，网关是树根。文献[1]证明了所描述的信道分配问题是一个NP难的问题。
文献[1]中作者给出了一种集中式的负载感知信道分配算法，根据最小的干扰度(degree of interference)来分配信道。这里的“干扰度”指的是在干扰域中被分配了相同无线信道的虚拟链路上预计负载的总和。文献[5]中则提出了一套分布式的负载感知信道分配和路由算法。信道分配的第一步(即邻居到接口绑定)，每个节点(无线网状网路由器)使用上行NIC和它的父节点建立连接，使用几个下行NICs和它的子节点建立连接。对于一个给定节点，由其父节点为它的上行NIC分配信道。这样一来，每个路由器只负责为连接到其下行NICs的链路分配信道。信道分配的第二步(即接口到信道绑定)，采用一种分布式的负载感知信道分配算法。该算法会选择在节点附近区域使用较少的信道，并且要求节点和那些干扰的邻居交换它们的信道使用信息。
文献[1]和[5]中提出的是基于启发式的算法，它的最差性能界目前尚不清楚。此外，该方案中没有保证提供公平的带宽分配。
除了文献[1]、[5]之外，最近还有一些针对采用全向天线的多天线多信道无线网状网的联合路由和信道分配的研究工作[6]。文献[6]提出了一种联合路由、信道分配和链路调度(RCL，routing，channel assignment and link scheduling)的算法，该算法考虑公平性的限制条件，目标是最大化分配给每个业务会聚点的带宽。
在上述的研究工作中，信道分配问题和路由问题被绑定在了一起，两个问题相互依赖。与文献[1，5，6]中提出的联合式方案相比，在另外一些文献中提出的无线网状网架构采用了路由和信道分配分别处理的方案[4]，[7]。
文献[4]中的方案是在完成了信道分配之后，再计算网络中的路由。在文献[4]中，每个节点上使用了多个基于802.11标准的NICs。在所有的节点上采用同样的信道分配方案，即将信道1分配给NIC-1，将信道2分配给NIC-2，以此类推。尽管这种方案实现简便，但是其性能却与最优性能相距甚远。
文献[7]中的方案则是针对一棵由于天线的放置已经在物理上形成的路由树进行信道分配。此外，文献[7]中提出的无线网状网架构(被称为DMesh)将定向天线的空间分离和正交信道的频率分离结合起来，从而提高网络的吞吐量性能，这与那些采用全向天线的解决方案[1，4-6]是有很大区别的。但在DMesh网络中实际使用的定向天线是不可操控的，在网络实施过程中手工将它们安放好对准某个方向后，它们就总是对着那个方向。文献[7]证明了采用定向天线时的信道分配问题也是一个NP难的问题。
文献[8]中提出了一种联合最优信道分配和拥塞控制的算法JOCAC(JointOptimal Channel Assignment and Congestion Control)。作者假设路由器和网关之间的路径已经预先确定了，他们关注的是每个网络接口上的信道分配。JOCAC算法考虑链路的平均拥塞代价，通过分配信道来控制每条链路上的干扰。该算法可以通过集中式或分布式的方式实现。其中，采用穷举搜索(exhaustive search)的方法来获得集中式方案中的最优解或是分布式方案中的部分最优解。
通过分析可知，上述已有的信道分配算法难以作为通用的方案来解决无线网状网的信道分配问题(1)由于信道分配是无线网状网系统中相对独立的一个部分，信道分配算法的设计必须独立于路由问题。因此，文献[1，5，6]中提出的联合路由和信道分配算法不适合用于通用方案。
(2)在通用无线网状网解决方案中，会同时使用全向天线和定向天线来传输控制信息和数据信息。但是，前面提到的各种无线网状网架构只采用了全向天线[1，4-6]或者只采用了定向天线[7]。这就使得相应的信道分配问题会有很大的区别，通用解决方案中的信道分配会更加复杂和困难。同时我们还注意到，尽管文献[7]中的DMesh网络也使用了全向天线，但是它们仅仅是用来传输控制信息。
(3)对通用解决方案而言，在可以通过在线测量获得干扰情况之前，应该先计算出绝对的干扰大小，并进一步尽可能准确地估计出相应的网络性能指标大小，这样才能给出更加可靠、更有指导意义的最优信道分配方案。然而，前面提到的相关算法只考虑了相对干扰[1，5]或是基于测量的干扰[7]，因此并不适合用于通用方案；同时，文献[8]中提出的算法针对的是信道分配和拥塞控制的联合优化问题，无法作为独立的信道分配算法专门用于解决信道分配问题；同时，文献[8]中虽然提到采用穷举搜索的方法来寻找最优解，但是并没有给出具体的实现方案。

发明内容
鉴于如上现有的信道分配中存在的问题，本发明的目的在于提供一种无线网状网中的信道分配方法及装置，通过最大限度地减小无线链路之间的干扰，极大地提高网络性能。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供一种无线网状网中的信道分配方法，该方法包括第一步骤，在无线网状网中找出满足如下约束条件的单向链路子集，以获得信道分配的非空可行集合第一约束条件对于每条给定的逻辑链路，只分配一个无线信道；第二约束条件对于建立在同一个路由器的同一个无线网络接口上的任意两条逻辑链路，分配相同的无线信道；第三约束条件对于连接两个相同路由器的两个相同的无线网络接口并具有相反方向的两条逻辑链路，分配相同的无线信道；第二步骤，根据对无线网状网络的性能要求确定信道分配目标函数，穷举搜索所述非空可行集合，并根据该非空可行集合的每一元素相应的目标函数值确定最优的信道分配方案。
本发明另一实施例提供一种无线网状网中的信道分配方法，该方法包括第一步骤，根据如下约束条件获得信道分配的非空可行集合第一约束条件如果两个无线接口互为邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；
第二约束条件如果两个无线网络接口具有相同的邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；第三约束条件对于两个无线网络接口，如果其中一个无线网络接口的邻居之一和另一个无线网络接口的邻居之一又互为邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；第二步骤，根据对无线网状网络的性能要求确定信道分配目标函数，穷举搜索所述非空可行集合，并根据该非空可行集合的每一元素相应的目标函数值确定最优的信道分配方案。
本发明另一实施例提供一种无线网状网中的信道分配装置，包括信道分配计算单元，该信道分配计算单元又包括第一计算单元及第二计算单元，其中，所述第一计算单元用于在无线网状网中找出满足如下约束条件的单向链路子集，获得信道分配的非空可行集合第一约束条件对于每条给定的逻辑链路，只分配一个无线信道；第二约束条件对于建立在同一个路由器的同一个无线网络接口上的任意两条逻辑链路，分配相同的无线信道；第三约束条件对于连接两个相同路由器的两个相同的无线网络接口并具有相反方向的两条逻辑链路，分配相同的无线信道；所述第二计算单元用于穷举搜索所述非空可行集合，并根据该非空可行集合每一元素的目标函数值确定最优的信道分配方案。
本发明另一实施例提供一种无线网状网中的信道分配装置，包括信道分配计算单元，该信道分配计算单元又包括第一计算单元及第二计算单元，其中，所述第一计算单元用于根据如下约束条件获得信道分配的非空可行集合第一约束条件如果两个无线接口互为邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；第二约束条件如果两个无线网络接口具有相同的邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；
第三约束条件对于两个无线网络接口，如果其中一个无线网络接口的邻居之一和另一个无线网络接口的邻居之一又互为邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；所述第二计算单元用于穷举搜索所述非空可行集合，并根据该非空可行集合每一元素相应的目标函数值确定最优的信道分配方案。
本发明通过最大限度地减小无线链路之间的干扰，可以极大地提高网络整体性能。


图1为本发明中应用信道分配算法的网络实例；图2为本发明实施例的信道分配工具的功能框图；图3为本发明实施例的信道分配的主流程示意图；图4为图3中步骤1对应的流程示意图；图5为图3中步骤2对应的流程示意图；图6为本发明实施例中附有主要输入信息的网络拓扑；图7为本发明实施例中信道分配装置的结构示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
本发明实施例针对多射频多信道(MRMC，Multi-Radio Multi-Channel)无线网状网中信道的分配进行说明。
本发明的实施例考虑一个由N个无线路由器组成的无线网状网，第n个路由器上有Rn个无线网络接口(n＝1，2，...，N)，全网共有R个无线网络接口；在第n个路由器的第rn个无线网络接口上建立了Wnr条逻辑链路(rn＝1，2，...，Rn)，全网总共建立了L条单向逻辑链路。在该无线网状网中，共有C个可用于分配的非重叠(正交)无线信道，在此，可得到
R=Σn=1NRn,]]>L=Σn=1NΣrn=1RnWnrn,---(1)]]>R≤L.]]>本发明实施例的信道分配方法主要包括如下两个步骤步骤1根据约束条件获得信道分配非空可行集合；步骤2穷举搜索非空可行集合，并根据目标函数找出非空可行集合中最优信道分配方案。
下面基于不同的信道分配矢量对信道分配方法的步骤进行举例说明。
实施例1尽管信道分配的目的是给每个无线网络接口分配一个唯一的信道，但在本实施例中是从每条逻辑链路的角度出发，考虑必要的约束条件，为每条逻辑链路分配一个唯一的信道，以此来设计信道分配方案。具体步骤如下一、找出满足约束条件的单向链路子集(ULS，代表由所有应该被分配为相同信道的无线分配系统WDS链路所组成的集合)，并获得信道分配非空可行集合。
首先定义用于表示信道分配方案的信道分配矢量，本实施例中可定义信道分配矢量为X(L·C)×1，其中在第l条链路使用了第c个信道时向量元素x(l-1)C+c＝1，其它情况下x(l-1)C+c＝0，c＝1，...，C；l＝1，...，L。
本实施例中考虑以下三个约束条件1)对于每条给定的逻辑链路l，只能分配一个无线信道，也就是说，在向量元素x(l-1)C+1，x(l-1)c+2，...，xlC中，只有一个值为1，而其余的值为0。这样就得到了第一个约束等式x(l-1)C+1+...+x(l-1)C+C＝1，l＝1，...，L→AX＝1(2)其中，矩阵A可称之为第一约束矩阵。
2)如果任意两条链路u和v建立在同一个路由器的同一个无线网络接口上，那么需要给这两条链路分配相同的无线信道。这样就得到了第二个约束等式x(u-1)C+c＝x(v-1)C+c，c＝1，...，C→BX＝0(3)其中，矩阵B可称之为第二约束矩阵，在矩阵B的每一行里，有两个元素分别取值为1和-1，其余各元素取值均为0。
3)如果两条链路u’和v’连接了两个相同路由器的两个相同的无线网络接口，仅仅是具有相反的方向，那么需要给这两条链路分配相同的无线信道。这样就得到了第三个约束等式x(u′-1)C+c＝x(v′-1)C+c，c＝1，...，C→DX＝0(4)其中，矩阵D可称之为第三约束矩阵，在矩阵D的每一行里，有两个元素分别取值为1和-1，其余各元素取值均为0。
根据上述约束等式(2)～(4)，可以得到满足约束条件的单向链路子集；再结合信道分配矢量的定义，就可以得到以下非空可行集合ΨΨ＝{Xx∈{0，1}∩AX＝1∩BX＝0∩DX＝0}(5)其中，该集合里的任一元素代表一种可行的信道分配方案。
二、穷举搜索非空可行集合，根据目标函数找出最优信道分配方案。
本步骤中，是根据网络需求确定目标函数，并对非空可行集合的每个元素计算其相应的目标函数值，从而根据计算的目标函数值来确定最优的信道分配方案。
由于我们关注的是无线网状网的整体网络性能，因此信道分配的目标是获得最大的总容量(aggregate capacity)；同时，对于每条双向逻辑链路l’(l’＝1，2，...，L’)有可支持业务负载的最低要求tl’。这样，通过考虑以上两个方面，我们可以得到本系统中信道分配问题的目标函数maxX∈ΨΣl′=1L′wl′cl′(X);---(6)]]>
满足约束条件cl′(X)≥tl′，l′＝1，...，L′此处，wl′是第l’条双向逻辑链路的权重因子(weighting factor)，该参数可以根据其它一些系统要求来确定，例如文献[8]中提到的第l’条双向逻辑链路上的拥塞代价(congestion price)。cl′(X)代表第l’条双向逻辑链路可达到的最大数据速率，该参数的值可以通过理论估算或在线测量来获得。
本实施例中通过穷举搜索非空可行集合，根据上述目标函数就可以找出最优信道分配方案。也就是说，对于非空可行集合的每个元素，都要计算其相应的目标函数值。最后，在满足所有约束条件的元素中，选出具有最大目标函数值的那个元素，该元素所代表的就是最优信道分配方案。
本实施例中的目标函数可以根据实际要求进行灵活的设计。例如(但并不限于如下举例)a.如果要求网关处所建立的所有双向逻辑链路可支持的最大数据速率之和最大，并且每条链路所支持的业务负载达到最低要求；对应的目标函数可为maxX∈ψΣl′∈L′gwl′cl′(X)---(6′)]]>满足约束条件cl′(X)≥tl′，l′＝1，...，L′。
其中，L′g代表网关处所建立的所有双向逻辑链路的集合。
b.如果要求所有双向逻辑链路可支持的最大数据速率中的最小值最大，并且每条链路所支持的业务负载达到最低要求，则对应的目标函数为maxX∈ψ{minl′=1,...,L′{cl′(X)}}---(6′′)]]>满足约束条件cl′(X)≥tl′，l′＝1，...，L′。
如上根据实际需要来优化目标函数，不仅可以实现无线网状网中信道的分配，还可以达到最优的网络性能。
下面通过一个网络实例来说明上述的信道分配方法。图1为本实施例中应用信道分配算法的网络实例。如图1所示的小型的无线网状网由7个路由器组成，其中包括1个网关，3个中继路由器和3个接入路由器。图1中，所有路由器的无线网络接口和逻辑链路都被打上了标签。
在这个网络实例中，我们能统计出下列几个重要的数据无线路由器数N＝7；单向逻辑链路数L＝14；双向逻辑链路数L’＝7；可用的不重叠的(正交的)信道数C＝3。
在使用信道分配算法之前，先给出二进制信道分配向量X(14·3)×1如下X(14·3)×1＝X42×1＝[x(1-1)·3+1x(1-1)·3+2x(1-1)·3+3x(2-1)·3+1x(2-1)·3+2x(2-1)·3+3...x(14-1)·3+1x(14-1)·3+2x(14-1)·3+3]T(1’)＝
T同时，根据前述的第一个约束等式给出约束矩阵A如下 为了计算矩阵B，给出如下的等式来描述第二个约束条件(只有那些建立了多于一个逻辑链路的无线网络接口卡才被统计在内)对于路由器M_4上的NIC1上的链路l_7和l_8，我们得到x(7-1)·3+c＝x(8-1)·3+c，c＝1，2，3；即x(7-1)·3+c-x(8-1)·3+c＝0，c＝1，2，3；(3’a)对于路由器M_5上的NIC1上的链路l_9和l_1O，我们得到x(9-1)·3+c＝x(10-1)·3+c，c＝1，2，3；
即x(9-1)·3+c-x(10-1)·3+c＝0，c＝1，2，3；(3’b1)x(9-1)·3+c＝x(11-1)·3+c，c＝1，2，3；即x(9-1)·3+c-x(11-1)·3+c＝0，c＝1，2，3；(3’b2)根据上面的等式(3’a)、(3’b1)、(3’b2)，可以得出矩阵BB9×(14·3)=B9×42=000...100-100000000000...000000...0100-10000000000...000000...00100-1000000000...000000...000000100-100000...000000...0000000100-10000...000000...00000000100-1000...000000...000000100000-100...000000...0000000100000-10...000000...00000000100000-1...000---(3′)]]>为了计算矩阵D，给出如下的等式来描述第三个约束条件{l_1，l_5}x(1-1)·3+c-x(5-1)·3+c＝0，c＝1，2，3；{l_2，l_3}x(2-1)·3+c-x(3-1)·3+c＝0，c＝1，2，3；{l_4，l_7}x(4-1)·3+c-x(7-1)·3+c＝0，c＝1，2，3；{l_6，l_9}x(6-1)·3+c-x(9-1)·3+c＝0，c＝1，2，3；{l_8，l_13}x(8-1)·3+c-x(13-1)·3+c＝0，c＝1，2，3；{l_10，l_12}x(10-1)·3+c-x(12-1)·3+c＝0，c＝1，2，3；{l_11，l_14}x(11-1)·3+c-x(14-1)·3+c＝0，c＝1，2，3；根据上面的等式，可以得出矩阵D
D(7·3)×(14·3)=D21×42=100000000000-100......0000100000000000-10......00000100000000000-1......000...........................000......100000000-100000......0100000000-10000......00100000000-1---(4′)]]>根据公式(2’)～(4’)，可以得到4个单向链路子集{1’_1)，(1’_2)，{1’_3，1’_5)，以及{1’_4，1’_6，1’_7)，如图1所示。再将(2’)(3’)(4’)代入前述公式(5)，就可以得到非空可行集合ψ。这里，可选用的信道分配方案数目为34，即84个。
然后，根据实际需要来确定目标函数，并通过计算全网的总载波干扰比C/I获得理论上可达到的最大数据速率或最大总容量(aggregate capacity)。利用获得的最大数据速率或最大总容量可计算非空可行集合中每个信道分配向量对应的目标函数值，在满足所有约束条件的信道分配向量中，选出具有最大目标函数值的那个信道分配向量，该信道分配向量代表的就是最优信道分配方案。
实施例2本发明的信道分配方法并不限于实施例l，在该实施例2中是从每个无线网络接口的角度出发，建立系统模型，并根据必要的约束条件来设计信道分配方案。
假设在该无线网状网中共有R个无线网络接口，从本质上来讲，信道分配就是指如何把C个非重叠(正交)无线信道分配给R个无线网络接口。此处，我们采用信道分配矢量X来表示信道分配方案X={xnrn},]]>n＝1，2，...，N，rn＝1，2，...，Rn；其中，xnrn表示分配给第n个路由器上第rn个无线网络接口Rnrn的信道的编号，如0，1，...，C-1中的某个取值。
相应地，在算法中考虑以下三个约束条件
a.如果在两个无线网络接口Riri和Rjrj之间建立了一条逻辑链路，那么须给这两个无线网络接口分配相同的无线信道。这样，可以得到第一个约束等式xiri=xjrj(i≠j)→A′X=0;---(2′′)]]>此处，Riri被称为的Rirj一个“邻居”，反之亦然。
b.如果两个无线网络接口Riri和Rjrj具有相同的邻居Rkrk，那么须给这两个无线网络接口Riri和Rjrj分配相同的无线信道。这样，我们得到第二个约束等式xiri=xkrk=xjrj(i≠j≠k)→B′X=0;---(3′′)]]>c.考虑两个无线网络接口Riri和Rjrj，Riri的邻居之一是Rkrk，Rjrj的邻居之一是Rmrm。如果Rkrk是Rmrm的邻居之一(反之亦然)，那么须给这两个无线网络接口Riri和Rjrj分配相同的无线信道。这样，我们得到第三个约束等式xiri=xkrk=xmrm=xjrj(i≠j≠k≠m)→D′X=0;---(4′′)]]>根据如上三个约束等式及信道分配矢量的定义，就可以得到信道分配的非空可行集合定义相应的系数矩阵A’、B’、D’，并将x的取值范围变成{0，1，...，C-1}，即可得到与(5)类似的非空可行集合(在此表示为Ψ’)的表达式Ψ′＝{Xx∈{0，1，...，C-1}∩A′X＝0∩B′X＝0∩ D′X＝0} (5”)根据信道分配要获得最大的总容量(aggregate capacity)的要求，以及对于每条双向逻辑链路l’(l’＝1，2，...，L’)有可支持业务负载的最低要求tl′。可以得到目标函数(OF，Objective Function)maxX∈ΨΣl′=1L′wl′cl′(X)---(6)]]>满足约束条件cl′(X)≥tl′，l′＝1，...，L′此处，wl′是第l’条双向逻辑链路的权重因子(weighting factor)，该参数可以根据其它一些系统要求来确定，例如文献[8]中提到的第l’条双向逻辑链路上的拥塞代价(congestion price)。cl′(X)代表第l’条双向逻辑链路可达到的最大数据速率，该参数的值可以通过理论估算或在线测量来获得。
通过穷举搜索非空可行集合，根据上述目标函数就可以找出最优信道分配方案。也就是说，对于非空可行集合的每个元素，都要计算其相应的目标函数值。最后，在满足所有约束条件的元素中，选出具有最大目标函数值的那个元素，该元素所代表的就是最优信道分配方案。
实施例3本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，比如ROM/RAM、磁碟、光盘等，但并不限于此。
对于实现本发明实施例的信道分配方法的程序在此不妨称之为信道分配工具，图2为该信道分配工具的功能框图。如图2所示，该信道分配工具主要分为输入模块、信道分配计算模块以及输出模块。
其中，所述输入模块用于将信道分配计算所需的输入信息转换为算法输入(即将输入信息转换为信道分配计算模块可识别的格式)，并将算法输入(转换后的输入信息)传送到信道分配计算模块。
例如，信道分配计算所需的输入信息可包括用户输入的信息和数据库输入的信息，其中1)用户输入的信息可包括a.路由器节点信息，如a)位置坐标(x，y，z)；b)用于回程网通信的天线数目；c)每根天线上不可用的802.11信道等。
b.需要建立的连接和相应的最低可支持承载业务量/数据速率的要求；c.国家代码，例如US(美国)，JP(日本)，CN(中国)。通过该代码，可以获得可用的无线信道，考虑IEEE 802.11a，各国家代码对应的可用信道分别为US36，40，44，48，52，56，60，64，149，153，157，161，165；JP36，40，44，48；CN149，153，157，161，165。
2)数据库输入的信息可包括a.路由器节点配置信息，包括a)天线配置信息，如a1)回程网天线编号，例如0，1，2，...等；a2)天线类型全向天线/定向天线；a3)天线方位角；a4)天线水平面辐射方向图(H-plane Radiation Pattern)；a5)天线增益；a6)天线输出功率；a7)天线高度；a8)相应的接收机的接收灵敏度；a9)馈线损耗，等等。
b)噪声系数(noise figure)，等等。
b.传播模型及参数，如a)传播模型，b)路径损耗指数，等等。
c.干扰，包括a)实施区域的802.11信道干扰源，b)干扰容限。
所述信道分配计算模块用于根据输入模块算法输入的信息(即转换后的用户输入和数据库输入信息)，通过前述的信道分配方法计算出最优的信道分配方案，并将计算的结果作为算法输出传输至输出模块。
我们关注的是无线网状网的整体网络性能，例如获得最大的总容量或最大数据速率，或使得全网的总的载波干扰比C/I值达到最大。本实施例中，信道分配计算模块根据输入模块的算法输入信息可计算出载波干扰比C/I值，该计算过程对本领域技术人员是很容易实现的，在此并不详述；进一步地，通过得到的C/I值，还可以推导出理论上可达到的最大数据速率，即可获得的最大总容量(aggregate capacity)。
本实施例中，与实施例1的信道分配算法对应的作为核心部分的信道分配计算模块主要执行如下两个步骤，如图3所示步骤1找出满足约束条件的单向链路子集，从而获得非空可行集合；以及步骤2穷举搜索非空可行集合，根据目标函数找出最优信道分配方案。
步骤1的程序流程图如图4所示。该步骤通过“算法输入”信息(即转换后的用户输入和数据库输入信息)进行分析和处理，找出满足约束条件的“单向链路子集”，并输出满足约束条件的“单向链路子集”的个数。该步骤的具体流程可包括a.初始化回程网天线编号和路由器编号；b.判断当前编号是否已经超过最后一个路由器上的最后一个回程网天线编号若“否”，则执行步骤c；若“是”，则步骤1结束，并输出满足约束条件的“单向链路子集”的个数，进而获得非空可行集合；c.判断当前回程网天线是否已经加入了一个“单向链路子集”若“否”，则执行步骤d；若“是”，则执行步骤f；d.加入对应的“单向链路子集”；e.“单向链路子集”的个数加1；f.更新回程网天线编号(和路由器编号)，然后执行步骤b。
步骤2的程序流程图如图5所示。该步骤在步骤1的基础上，通过穷举搜索满足约束条件的“非空可行集合”，利用目标函数根据“算法输入”的信息计算出非空可行集合中各元素对应的目标函数最大值，从而找出最优信道分配方案，并输出相关信息(即“算法输出”信息)。对本领域的技术人员利用“算法输入”的信息来根据目标函数计算目标函数最大值的过程是很容易实现的，在此并不详细描述。该步骤2的具体流程包括a.初始化最优信道分配方案，初始化目标函数最大值；b.初始化候选信道分配方案编号；
c.判断当前编号是否已经超过最后一个候选信道分配方案编号若“否”，则执行步骤d；若“是”，则步骤2结束，并输出最优信道分配方案等相关信息；d.计算出对应于当前信道分配方案的目标函数值；e.判断当前目标函数值是否大于目标函数最大值若“是”，则执行步骤f；若“否”，则执行步骤g；f.更新目标函数最大值，更新最优信道分配方案；g.更新候选信道分配方案编号，然后执行步骤c。
如上可以看到，本信道分配计算模块实现的信道分配算法，实现起来并不复杂，同时可以获得最优的性能，该最优性能是“优化目标函数”意义上的最优，该“优化目标函数”可以根据实际要求进行灵活的设计。
算法输出的信息可包括a.最优信道分配方案，即最优信道分配表数据；b.路由器节点重要配置信息，如，天线配置信息等等a1)回程网天线编号，例如0，1，2，...等；a2)天线方位角；a3)天线水平面辐射方向图(H-plane Radiation Pattern)；a4)天线高度；a5)相应的接收机的接收灵敏度，等等。
c.可达到的性能指标a)总载波干扰比C/I值；b)理论上可达到的最大数据速率，等等。
d.覆盖图数据SNR图数据(此处，SNR指的是信噪比)。
所述输出模块，用于将算法输出转换为工具输出，并根据实际需要在显示界面显示输出的结果，如具体可包括
a.最优信道分配表格其中包括了最优信道分配方案，以及每个无线网状网路由器上的重要配置信息，表1给出了一个示例。
表1.最优信道分配表格示例

b.可达到的性能指标，如a)总载波干扰比(即总C/I值)，b)理论上可达到的最大数据速率等。
c.最优方案的图示；d.覆盖图；e.信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)图等。
图6给出了本发明实施例中附有主要输入信息的网络拓扑，并在表2给出了每个节点的详细配置信息。在这个无线网状回程网中，既有全向天线也有定向天线。另一方面，对于某些路由器，在同一个无线网络接口上建立了多个无线分布系统(WDS)逻辑链路。
表2.图6对应的网络中每个路由器的配置信息

表3给出了具有不同配置要求的三种案例，如表3中所描述的，三种案例对应于不同的配置要求会被分别测试。这里，可用的信道被标识为“CH_0”，“CH_1”等。比如，CAS_0中3个可用信道，它们将被分别标识为“CH_0”，“CH_1”，和“CH_2”。
表3.具有不同配置要求的测试案例

对于图6中的网络拓扑和表2中的配置，表4给出了用我们信道分配工具计算出的最优信道分配方案。其中，图6描述的案例中要求对某些WDS逻辑链路设置不同的权重值。
表4.最优信道分配方案

根据上面的结果可以看出首先，信道分配工具给出的信道分配方案被满足实施例1中给出的约束条件。如，建立在同一个无线网络接口上的所有链路被分配了同样的信道。
其次，对于那些有足够可用信道的案例，如CAS_2，属于不同的“单向链路子集”的链路被分配了不同的信道，从而在最大程度上避免了相互间的干扰。
第三，对于那些没有足够可用信道的案例，如果所有WDS链路有相同的权重，如CAS_0，会根据本发明实施例中提到的目标函数来计算出信道分配方案，目的是得到最好的全网络性能。此外，如果配置要求改变了，最优的信道分配方案可能也会随之改变，如下面一点中将要描述的。
最后，对于那些既没有足够可用信道，又对不同WDS链路设置了不同权重的案例，对于不同的配置，我们用工具很可能算出不同的信道分配方案。以CAS_1为例，在图6中，从路由的角度来看，如果要求提高从M_6到M_0(网关)的端到端吞吐量，就要增大l′_0，l′_3，和l′_6的权值。对于这个案例，在最优方案中，包含上述链路的两个ULS会被分配为唯一的信道，即分别为CH_0和CH_2，这与表4中的CAS_0的最优方案不同。因此，这个结果与我们通过理论分析得出的结论一致。
根据上面对结果的分析，这个网络实例成功的验证了我们的信道分配工具所具有的各项功能。
实施例4本发明实施例1对应的无线网状网中的信道分配可通过如下装置来实现(如图7所示)一种无线网状网中的信道分配装置，包括信道分配计算单元，该信道分配计算单元又包括第一计算单元及第二计算单元，其中所述第一计算单元用于在无线网状网中找出满足如下约束条件的单向链路子集，获得信道分配的非空可行集合第一约束条件对于每条给定的逻辑链路，只分配一个无线信道；第二约束条件对于建立在同一个路由器的同一个无线网络接口上的任意两条逻辑链路，分配相同的无线信道；第三约束条件对于连接两个相同路由器的两个相同的无线网络接口并具有相反方向的两条逻辑链路，分配相同的无线信道；所述第二计算单元用于穷举搜索所述非空可行集合，并根据该非空可行集合每一元素的目标函数值确定最优的信道分配方案。
该无线网状网中的信道分配装置还包括输入单元以及输出单元，其中所述输入单元用于将信道分配计算所需的输入信息转换为算法输入信息(即将输入信息转换为信道分配计算模块可识别的格式)，并将算法输入信息(转换后的输入信息)传送到信道分配计算模块。
所述输出单元用于将信道分配计算单元的算法输出信息转换后进行数据输出，可根据实际需要在显示界面显示输出的结果。
本发明实施例2对应的无线网状网中的信道分配可通过如下装置来实现一种无线网状网中的信道分配装置，包括信道分配计算单元，该信道分配计算单元又包括第一计算单元及第二计算单元，其中所述第一计算单元用于根据如下约束条件获得信道分配的非空可行集合第一约束条件如果两个无线接口互为邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；第二约束条件如果两个无线网络接口具有相同的邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；第三约束条件对于两个无线网络接口，如果其中一个无线网络接口的邻居之一和另一个无线网络接口的邻居之一又互为邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；所述第二计算单元用于穷举搜索所述非空可行集合，并根据该非空可行集合每一元素相应的目标函数值确定最优的信道分配方案。
该无线网状网中的信道分配装置还包括输入单元以及输出单元，其中，所述输入单元用于将信道分配计算所需的输入信息转换为算法输入，并将算法输入传送到信道分配计算模块；所述输出单元用于将信道分配计算单元的算法输出信息转换后进行数据输出。
实施例5前述实施例中描述的是信道静态的自动分配方案。众所周知，无线网络变化频繁而且不可预计，其中包括了许多网络元素的变化，例如无线链路、拓扑结构和业务负载等。为了使本发明的信道分配工具能够应用在变化的无线网状网场合，我们在信道分配算法中还设计了两种动态方案，简要描述如下。
1)针对拓扑变化的动态方案例如，当一个新的无线网状网路由器加入到已有的网络中时，在已有的信道分配表中将加入相应的信道分配记录。
2)针对信道变化的动态方案例如当某个信道的链路质量急剧恶化时(比如该区域中出现了干扰源)，将会对信道分配表进行部分更新。换句话说，将会把可用的信道重新分配给受影响的链路。
通过本实施例的动态分配方案，就可以根据网络实际情况重新分配可用的信道，从而保证了最优的网络性能。
本发明的用于无线网状网回程网通信中的信道自动和动态分配，可适用于具备以下特性的无线网状网路由器a.具有多个无线电收发设备；b.所具有的无线电收发设备可以工作在多个信道上，这些信道应遵循无线通信的相关国际标准，例如IEEE 802.11无线局域网标准；c.对于每一个路由器，至少有一个无线电收发设备用于无线网状网的回程网通信；d.一个路由器上的一个无线电收发设备和另一个路由器上的一个无线电收发设备之间采用“半双工”的方式进行相互通信，换句话说，对于同一个无线电收发设备，发送和接收是分别进行的。
并且，本发明的信道分配方法为一个相对独立方案，可以基于已有的软硬件，不对已有的系统做大的改动；并且在动态方案完成之后，该信道分配的方法还可以作为一个软件模块集成到网络管理系统中。
在实际布网过程中，本发明实施例的信道分配方法可用在以下三个阶段a.系统设计(或称为前期设计)阶段给出初步的信道分配方案；b.最终设计阶段给出最优的信道分配方案；c.实施阶段给出根据实际布网情况进行调整后的信道分配方案。
综上所述，如上实施例的信道分配方案可具有如下的有益效果(1)本发明中的信道分配算法，独立于其它优化问题，而且通过一些接口参数很容易与各种解决其它优化问题的算法软件结合在一起，因此十分适合用于通用解决方案。
(2)本发明中的信道分配算法，对所使用的天线类型(即全向天线/定向天线)没有任何限制，也就是说，不论网络中仅使用全向天线/定向天线、或同时使用两种天线来传输控制信息和/或数据信息，都可以使用本发明中的信道分配算法。因此，考虑到网络中所使用的天线类型时，本发明中的信道分配算法也具有很好的通用性。
(3)本发明中的信道分配算法，充分利用输入的各种参数信息，并考虑实际组网中的诸多关键因素，计算出绝对干扰的大小，并较准确地估计出各种信道分配方案所对应的可达到的网络性能，从而给出了可靠的、具有实际指导意义的最优信道分配方案。
(4)本发明中的信道分配算法，在系统设计时所采用的建模方法则可以真正完整地描述出信道分配问题的各种特性和约束条件。因此，采用本发明中的信道分配算法可以很好地解决信道分配问题。
本发明中的信道分配算法，实现起来并不复杂，同时可以获得最优的性能。
以上具体实施方式
仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
参考文献[1]A.Raniwala，K.Gopalan，and T.Chiueh，“Centralized channel assignment and routingalgorithms for multi-channel wireless mesh networks，”ACM Mobile Computing andCommunications Review，vol.8，pp.50-65，April 2004. J.So and N.Vaidya，“Multi-channel MAC for ad hoc networksHandling multi-channelhidden terminals using a single transceiver，”in Proc.ACM MobiHoc，Tokyo，Japan，May 2004. A.Tzamaloukas and J.Garcia-Luna-Aceves，“A receiver-initiated collision-avoidanceprotocol for multi-channel networks，”in Proc.IEEE Infocom，Anchorage，Alaska，April2001. R.Draves，J.Padhye，and B.Zill，“Routing in multi-radio，multihop wireless mesh networks，”in Proc.ACM MobiCom，Philadelphia，Pennsylvania，Sept.2004. A.Raniwala and T.Chiueh，“Architecture and algorithms for an IEEE 802.11-basedmulti-channel wireless mesh network，”in Proc.IEEE Infocom，Miami，Florida，March2005. M.Alicherry，R.Bhatia，and L. Li，“Joint channel assignment and routing for throughputoptimization in multi-radio wireless mesh networks，”in Proc.ACM MobiCom，Cologne，Germany，Sept.2005. S.M.Das，H.Pucha，D.Koutsonikolas，Y.Charlie Hu，and D.Peroulis，“DMeshIncorporatingPractical Directional Antennas in Multi-Channel Wireless Mesh Networks，”to appear in IEEE Joumal on Selected Areas in Communications(JSAC)special issue on Multi-HopWireless Mesh Networks，2006.(Previously Technical report TR-ECE-05-16，Purdue University，August 1，2005)；[8]A.H.Mohsenian Rad，V.W.S.Wong，“Joint Optimal Channel Assignment and CongestionControl in Multi-Channel Wireless Mesh Networks”，Accepted for publication in Proe.ofIEEE International Conference on Communications(ICC’06)，Istanbul，Turkey，June 2006.
权利要求
1.一种无线网状网中的信道分配方法，其特征在于，该方法包括如下步骤第一步骤，在无线网状网中找出满足如下约束条件的单向链路子集，获得信道分配的非空可行集合第一约束条件对于每条给定的逻辑链路，只分配一个无线信道；第二约束条件对于建立在同一个路由器的同一个无线网络接口上的任意两条逻辑链路，分配相同的无线信道；第三约束条件对于连接两个相同路由器的两个相同的无线网络接口并具有相反方向的两条逻辑链路，分配相同的无线信道；第二步骤，穷举搜索所述非空可行集合，并根据该非空可行集合每一元素的目标函数值确定最优的信道分配方案。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标函数根据如下要求来确定最大的网络总容量要求以及每条双向链路支持业务负载的最低要求；或者网关处所建立的所有双向逻辑链路可支持的最大数据速率之和最大，并且每条链路所支持的业务负载达到最低要求；或者所有双向逻辑链路可支持的最大数据速率中的最小值最大，并且每条链路所支持的业务负载达到最低要求。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一步骤中定义信道分配矢量X(L·C)×1，在第l条链路使用了第c个信道时该信道分配矢量的向量元素x(l-1)C+c＝1，否则x(l-1)C+c＝0，则所述第一约束条件表示为x(l-1)C+1+…+x(l-1)C+C＝1(1)；所述第二约束条件表示为x(u-1)C+c＝x(v-1)C+c(2)；所述第三约束条件表示为x(u′-1)C+c＝x(v′-1)C+c(3)；其中，C为可用的信道个数；c＝1，...，C；l＝1，...，L，L为所述无线网状网中建立的单向逻辑链路的数目。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述目标函数满足maxX∈ψΣl′=1L′wl′cl′(X),]]>或者maxX∈ΨΣl′∈L′gwl′cl′(X),]]>或者maxX∈ψ{minl′=1,...,L′{cl′(X)}},]]>其中，l’表示双向逻辑链路，l’＝1，2，...，L’，L’为在所述无线网状网中建立的双向逻辑链路的数目；wl′是第l’条双向逻辑链路的权重因子，cl′(X)表示第l’条双向逻辑链路可达到的最大数据速率，cl′(X)≥tl′，tl’为每条双向链路支持业务负载的最低要求，L′g表示网关处所建立的所有双向逻辑链路的集合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步骤具体包括a.初始化回程网天线编号和路由器编号；b.判断当前编号是否已经超过最后一个路由器上的最后一个回程网天线编号若“否”，则执行步骤c；若“是”，则结束所述第一步骤，并输出满足约束条件的“单向链路子集”的个数；c.判断当前回程网天线是否已经加入了一个“单向链路子集”若“否”，则执行步骤d；若“是”，则执行步骤f；d.加入对应的“单向链路子集”；e.“单向链路子集”的个数加1；f.更新回程网天线编号和路由器编号，并执行步骤b。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二步骤具体包括a.初始化最优信道分配方案，初始化目标函数最大值；b.初始化候选信道分配方案编号；c.判断当前编号是否已经超过最后一个候选信道分配方案编号若“否”，则执行步骤d；若“是”，则结束所述第二步骤，并输出最优信道分配方案；d.计算出对应于当前信道分配方案的目标函数值；e.判断当前目标函数值是否大于目标函数最大值若“是”，则执行步骤f；若“否”，则执行步骤g；f.更新目标函数最大值，并相应更新最优信道分配方案；g.更新候选信道分配方案编号，然后执行步骤c。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法还包括当一个新的无线网状网络路由器加入到已有的网状网络中，则在已有的信道分配方案中加入相应的信道分配记录。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法还包括当信道的链路质量恶化时，将可用的信道重新分配给受影响的链路。
9.一种无线网状网中的信道分配方法，其特征在于，该方法包括如下步骤第一步骤，根据如下约束条件获得信道分配的非空可行集合第一约束条件如果两个无线接口互为邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；第二约束条件如果两个无线网络接口具有相同的邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；第三约束条件对于两个无线网络接口，如果其中一个无线网络接口的邻居之一和另一个无线网络接口的邻居之一又互为邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；第二步骤，穷举搜索所述非空可行集合，并根据该非空可行集合每一元素相应的目标函数值确定最优的信道分配方案。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述目标函数根据如下要求来确定最大的网络总容量的要求以及每条双向链路支持业务负载的最低要求；或者网关处所建立的所有双向逻辑链路可支持的最大数据速率之和最大，并且每条链路所支持的业务负载达到最低要求；或者所有双向逻辑链路可支持的最大数据速率中的最小值最大，并且每条链路所支持的业务负载达到最低要求。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一步骤中定义信道分配矢量X={xnrn}]]>，n＝1，2，...，N，rn＝1，2，...，Rn，N表示无线网状网中无线路由器的个数，Rn表示第n个无线路由器上无线网络接口的个数，xnrn表示分配给第n个路由器上第rn个无线网络接口的信道编号；则所述第一约束条件表示为xiri=xjrj]]>，i≠j (1)；所述第二约束条件表示为xiri=xkrk=xjrj]]>，i≠j≠k(2)；所述第三约束条件表示为xiri=xkrk=xmrm=xjrj]]>，f≠j≠k≠m (3)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述目标函数满足maxX∈ψΣl′=1L′wl′cl′(X),]]>或者maxX∈ψΣl′∈L′gwl′cl′(X),]]>或者maxX∈ψ{minl′=1,...,L′{cl′(X)}},]]>其中，l’表示双向逻辑链路，l’＝1，2，...，L’，L’为在所述无线网状网中建立的双向逻辑链路的数目；wl′是第l’条双向逻辑链路的权重因子，cl′(X)表示第l’条双向逻辑链路可达到的最大数据速率，cl′(X)≥tl′，tl′为每条双向链路支持业务负载的最低要求，L′g表示网关处所建立的所有双向逻辑链路的集合。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于该方法还包括当一个新的无线网状网络路由器加入到已有的网状网络中，则在已有的信道分配方案中加入相应的信道分配记录。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于该方法还包括当信道的链路质量恶化时，将可用的信道重新分配给受影响的链路。
15.一种无线网状网中的信道分配装置，其特征在于包括信道分配计算单元，该信道分配计算单元又包括第一计算单元及第二计算单元，其中，所述第一计算单元用于在无线网状网中找出满足如下约束条件的单向链路子集，获得信道分配的非空可行集合第一约束条件对于每条给定的逻辑链路，只分配一个无线信道；第二约束条件对于建立在同一个路由器的同一个无线网络接口上的任意两条逻辑链路，分配相同的无线信道；第三约束条件对于连接两个相同路由器的两个相同的无线网络接口并具有相反方向的两条逻辑链路，分配相同的无线信道；所述第二计算单元用于穷举搜索所述非空可行集合，并根据该非空可行集合每一元素的目标函数值确定最优的信道分配方案。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，该无线网状网中的信道分配装置还包括输入单元以及输出单元，其中，所述输入单元用于将信道分配计算所需的输入信息转换为算法输入，并将算法输入传送到信道分配计算模块；所述输出单元用于将信道分配计算单元的算法输出信息转换后进行数据输出。
17.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述目标函数根据如下要求来确定最大的网络总容量要求以及每条双向链路支持业务负载的最低要求；或者网关处所建立的所有双向逻辑链路可支持的最大数据速率之和最大，并且每条链路所支持的业务负载达到最低要求；或者所有双向逻辑链路可支持的最大数据速率中的最小值最大，并且每条链路所支持的业务负载达到最低要求。
18.一种无线网状网中的信道分配装置，其特征在于包括信道分配计算单元，该信道分配计算单元又包括第一计算单元及第二计算单元，其中，所述第一计算单元用于根据如下约束条件获得信道分配的非空可行集合第一约束条件如果两个无线接口互为邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；第二约束条件如果两个无线网络接口具有相同的邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；第三约束条件对于两个无线网络接口，如果其中一个无线网络接口的邻居之一和另一个无线网络接口的邻居之一又互为邻居，则给该两个无线网络接口分配相同的无线信道；所述第二计算单元用于穷举搜索所述非空可行集合，并根据该非空可行集合每一元素相应的目标函数值确定最优的信道分配方案。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，该无线网状网中的信道分配装置还包括输入单元以及输出单元，其中，所述输入单元用于将信道分配计算所需的输入信息转换为算法输入，并将算法输入传送到信道分配计算模块；所述输出单元用于将信道分配计算单元的算法输出信息转换后进行数据输出。
20.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述目标函数根据如下要求来确定最大的网络总容量要求以及每条双向链路支持业务负载的最低要求；或者网关处所建立的所有双向逻辑链路可支持的最大数据速率之和最大，并且每条链路所支持的业务负载达到最低要求；或者所有双向逻辑链路可支持的最大数据速率中的最小值最大，并且每条链路所支持的业务负载达到最低要求。
全文摘要
本发明提供一种无线网状网中的信道分配方法及装置，该方法包括第一步骤，在无线网状网中找出满足如下约束条件的单向链路子集，以获得信道分配的非空可行集合对于每条给定的逻辑链路，只分配一个无线信道；对于建立在同一个路由器的同一个无线网络接口上的任意两条逻辑链路，分配相同的无线信道；对于连接两个相同路由器的两个相同的无线网络接口并具有相反方向的两条逻辑链路，分配相同的无线信道；第二步骤，根据对无线网状网络的性能要求确定信道分配目标函数，穷举搜索所述非空可行集合，并根据该非空可行集合的每一元素相应的目标函数值确定最优的信道分配方案。本发明可以极大地提高网络整体性能。
文档编号H04Q7/20GK101022379SQ200710064250
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月7日 优先权日2007年3月7日
发明者谢伟, 范继涛 申请人:阿德利亚科技(北京)有限责任公司