一种基于信道间隔的无线网络信道分配策略的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于信道间隔的无线网络信道分配策略，整合了信道间隔的干扰信息、网络层协议和MAC层信道信息，使节点对在通信时尽量能够分配到较好的通信链路，并使用时间与不同信道间隔的丢包率作为量度并与队列相结合来避免干扰。本发明可以动态地分配信道资源，信道只有在有需要时才被分配，使用完后则被释放，不会造成浪费，使信道资源相对地增加；利用跨层设计的思想，将MAC层的信道信息加入到路由信息中，使节点能够根据当前网络的容量况进行路由，进行合理地信道分配；算法中的每个节点只需要和自身信号干扰范围内的节点交换信息，对范围外的节点没有影响；采用了比较简单的信道干扰的度量标准，减少了节点计算此阀值的时间。
【专利说明】一种基于信道间隔的无线网络信道分配策略
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线网络中的节点间通信前的路由算法、信道分配方法，具体提供了一种与路由相结合的信道分配策略。
技术背景
[0002]无线网状网(WMN)是一种由Mesh路由器和Mesh终端设备以无线链路形式连接的静态无线网络，并且被认为Internet的无线版本。WMN大幅降低了网络部署的复杂程度，而且由于使用无线连接所以减少了对成本高昂的有线连接的需求。作为一种新型的网络，Mesh结构已被纳入到IEEE 802.11、IEEE 802.15和IEEE 802.16标准中。随着无线网络中业务的发展，用户数量和业务量的急剧增加，用户对带宽的需求也在不断增长。如何满足用户需求，提高网络容量是无线Mesh网络发展的一个关键问题，在Mesh网络中使用多信道是解决这一问题简单有效的方法。
[0003]现有的无线技术标准，如IEEE 802.llb/g，工作在2.4?2.4835GHz频段，这些频段被分为11个信道，其中，只有3条是正交信道(即频率不重叠)。在信道的使用过程中，不是所有的信道都能被同时使用，因为相邻的信道因频率相交会互相干扰。通常，信道1、信道6和信道11 (即信道间隔大于等于5)能够用于同时通信而不相互干扰，随着信道间隔减小(信道的核心频率接近)，信道之间的干扰会变大，特别是当节点的干扰范围内有其他节点使用两个相同信道通信时，几乎可以认为不能通信。IEEE 802.1la扩充了标准的物理层，规定该层使用5GHz的频带。该标准采用OFDM调制技术，提供了 12个非重叠的传输信道，它的传输速率范围为6Mbps-54Mbps。不过，也正式因为802.1la使用的频段较高，使其传输距离大打折扣，其无线AP的覆盖范围甚至不到802.llb/g的一半。以实际情况来说，假如一个使用了 802.1lb标准的无线AP的覆盖为80米，那么使用802.1la标准的无线AP就只能达到30米左右。另外，由于设计复杂，基于802.1la标准的无线产品的成本要比基于802.1lb的无线产品高的多。所以当前的无线Mesh网络使用802.1lb标准居多。那么只有合理有效的分配非常有限的信道资源，才能够在很大程度上消除Mesh节点间的信号干扰，从而提高无线Mesh网络的吞吐量，确保无线Mesh网络数据的可靠传输，降低丢包率，使无线Mesh网络能够实际应用到各个领域。
[0004]传统的无线Mesh网络信道研究得比较多的是单信道MAC协议，其设计难点主要集中在解决隐藏终端和暴露终端问题，大多数的协议都采用RTS/CTS分组的预约机制来解决该问题。采用单信道的一个共同问题就是移动节点数的增加将加剧节点间的竞争和分组发送的冲突，使得网络性能随之急剧下降，信道利用率降低。采用多接口多信道技术可以为网络中的节点或链路分配不同信道，有效降低网络干扰，提升网络容量。而在信道分配方面，主要集中在静态分配和动态分配两方面。静态分配需要每隔一段时间重新调整网络的信道分布，性能损耗较大。动态分配可以根据需要分配网络，但是需要根据合理有效的分配依据。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:本发明提供了一种基于信道间隔的无线网络信道分配策略。
[0006]本发明所采用的技术方案为:
一种基于跨层设计的与路由相结合的信道分配策略，整合了信道间隔的干扰信息、网络层协议和MAC层信道信息，使节点对在通信时尽量能够分配到较好的通信链路，并使用时间与不同信道间隔的丢包率作为量度并与队列相结合来避免干扰，该策略包括:(I)获得MAC层数据，(2)在路由协议中加入MAC层数据，(3)根据获得的数据计算干扰度选择较优的链路，(4)避免干扰机制，其中:
(1)获得MAC层数据是信道分配的数据基础，节点根据MAC层的数据进行路由和避免干
扰；
(2)在路由协议中加入MAC层数据主要负责建立节点对之间的链接；
(3)选择较优的链路主要负责根据得到的MAC层数据、网络层数据和预设阀值计算干扰度，并以此为依据来判断节点在路由时链路和避免干扰的操作；其中，预设阀值表示网络可以接受的最差的信道干扰时的信道间隔；
(4)避免干扰机制是信道分配策略核心部分，解决了在不同的链路以及信号干扰的情况下节点通信时该如何尽量避免干扰的问题。
[0007]所述策略以时间作为量度并与队列相结合来避免干扰，使用时间和不同信道间隔的干扰关系相结合作为节点负载情况度量，并通过一个队列来实现较优的信道分配，通过对时间、占用信道和队列的操作可以改变网络中的链路状况。
[0008]当节点进行通信时，在信道协调和分配过程中，需要网络中有一个固定的控制信道来对干扰范围内的节点进行载波监听并协调信道，以此来避免多信道的隐藏终端问题，其他的信道作为数据传输使用的信道。
[0009]当节点A要与节点B进行通信时，所述节点分配信道的步骤如下:
(1)预设阀值；
(2)节点A检查自己的信道信息表(CIT)，选择可以使用的信道(C_USE)并将此信息加入到路由信息中，使用公共控制信道进行本地广播，寻找节点B ;在这个过程中，A的干扰范围内的所有邻居节点都会收到A的路由信息，并根据收到的信息更新自己的CIT ;这样节点A干扰范围以内的节点可以根据自己的CIT中的信道信息计算干扰度，在小于等于阀值的干扰度中，以干扰度由低到高的顺序分配信道；A干扰范围以外的节点如果监听到控制信道被使用，则尽量选取干扰度较小的信道采用规避算法选取信道，直到得到通信质量较好的信道；
(3)节点B收到路由信息包后，根据收到的信道信息计算自己CIT中的当前被占用信道的阀值(C_CUR)，根据阀值确定能够使用的信道C_USE，更新CIT，并以此信道进行通信；
(4)当通信完毕后，节点A通知节点B信道C_USE使用完毕，让出此信道的控制权，两个节点分别更新CIT。
[0010]对于A、B、C三个节点，当节点A要建立与C节点的路由时，RREQ广播及信道分配过程如下:
(I)节点A作为通信发起端，以控制信道为基础，根据自己等待队列中的总时间和不同信道间隔的干扰情况计算出A节点干扰范围内的的每个信道的干扰度，并在小于预设值的干扰度中选取最小干扰度所对应的信道作为预约信道，然后在控制信道上广播一个携带信道状态信息(主要包括A干扰范围内的信道使用情况C_USE、预约信道(:_(^1?、等待时间T、数据大小等)的RREQ (路由请求)消息给下一跳邻居节点B ；
(2)节点B作为通信接收端，从接收到源节点A的RREQ后，通过对比自己的信道信息表，以收到的A的C_CUR为基础，使用计算信道预约时间T_PRE、干扰度，确定A的C_CUR是否可用，如果可用则继续选择另一个可用信道作为预约信道与下一个节点进行下一步协调工作，并作为通信发起端将更新后信道信息和预约时间的值附在RREQ中，广播给下一跳节点C;
(3)此时，作为通信接收端的节点C接收到节点B的RREQ后，通过步骤(2)的方法确定信道，然后，B更新自己的CIT表；由于C是目的节点，不需要再转发RREQ。
[0011]当每个节点都有可以使用的信道可以选择时，节点C向节点A发送RREP (路由响应)包，每个节点将自己信道信息附在RREQ中向上一跳节点进行回复，建立反向链路。此时，整个链路的信道则分配完毕。由于每两个节点之间的链路都使用了不同的信道，所以避免了干扰。
[0012]当上一跳节点预约的信道不能使用，则节点返回自己的信道信息，上一跳更新自己的信道信息表后，重新选择通信质量尽量好的信道重新进行协调信道的工作。
[0013]本发明的有益效果为:
(1)动态地分配信道资源，信道只有在有需要时才被分配，使用完后则被释放，不会造成浪费，使信道资源相对地增加。
[0014](2)利用跨层设计的思想，将MAC层的信道信息加入到路由信息中，使节点能够根据当前网络的容量况进行路由，进行合理地信道分配。
[0015](3)算法中的每个节点只需要和自身信号干扰范围内的节点交换信息，对范围外的节点没有影响。
[0016](4)采用了比较简单的信道干扰的度量标准，减少了节点计算此阀值的时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为节点分配信道示意图；
图2为RREQ广播及信道分配过程示意图；
图3为RREP过程示意图；
图4为选路失败时，避免干扰过程示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面参照附图，结合实施例对本发明详细说明。
[0019]实施例1:
一种基于跨层设计的与路由相结合的信道分配策略，所述策略整合了信道间隔的干扰信息、网络层协议和MAC层信道信息，使节点对在通信时尽量能够分配到较好的通信链路，并使用时间与不同信道间隔的丢包率作为量度并与队列相结合来避免干扰，该策略包括:
(I)获得MAC层数据，(2)在路由协议中加入MAC层数据，(3)根据获得的数据计算干扰度选择较优的链路，(4)避免干扰机制，其中:
(1)获得MAC层数据是信道分配的数据基础，节点根据MAC层的数据进行路由和避免干
扰；
(2)在路由协议中加入MAC层数据主要负责建立节点对之间的链接；
(3)选择较优的链路主要负责根据得到的MAC层数据、网络层数据和预设阀值计算干扰度，并以此为依据来判断节点在路由时链路和避免干扰的操作；其中，预设阀值表示网络可以接受的最差的信道干扰时的信道间隔；
(4)避免干扰机制是信道分配策略核心部分，解决了在不同的链路以及信号干扰的情况下节点通信时该如何尽量避免干扰的问题。
[0020]实施例2:
在实施例1的基础上，本实施例所述策略以时间作为量度并与队列相结合来避免干扰，使用时间和不同信道间隔的干扰关系相结合作为节点负载情况度量，并通过一个队列来实现较优的信道分配，通过对时间、占用信道和队列的操作可以改变网络中的链路状况。
[0021]实施例3:
在实施例1或2的基础上，本实施例当两个节点进行通信时，在信道协调和分配过程中，需要网络中有一个固定的控制信道来对干扰范围内的节点进行载波监听并协调信道，以此来避免多信道的隐藏终端问题，其他的信道作为数据传输使用的信道。
[0022]实施例4:
如图1所示，在实施例3的基础上，本实施例当节点A要与节点B进行通信时，所述节点分配信道的步骤如下:
(1)预设阀值；
(2)节点A检查自己的信道信息表(CIT)，选择可以使用的信道(C_USE)并将此信息加入到路由信息中，使用公共控制信道进行本地广播，寻找节点B ;在这个过程中，A的干扰范围内的所有邻居节点都会收到A的路由信息，并根据收到的信息更新自己的CIT ;这样节点A干扰范围以内的节点可以根据自己的CIT中的信道信息计算干扰度，在小于等于阀值的干扰度中，以干扰度由低到高的顺序分配信道；A干扰范围以外的节点如果监听到控制信道被使用，则尽量选取干扰度较小的信道采用规避算法选取信道，直到得到通信质量较好的信道；
(3)节点B收到路由信息包后，根据收到的信道信息计算自己CIT中的当前被占用信道的阀值(C_CUR)，根据阀值确定能够使用的信道C_USE，更新CIT，并以此信道进行通信；
(4)当通信完毕后，节点A通知节点B信道C_USE使用完毕，让出此信道的控制权，两个节点分别更新CIT。
[0023]实施例5:
如图2所示，为路由发起阶段，假设网络中有6个信道，信道编号为I到6，信道间隔为
O到5，预设阀值为3信道I为控制信道，2至6为数据信道。每个节点有一个CIT表，CIT中各个数据的初始值均为O。在实施例1或2的基础上，本实施例对于A、B、C三个节点中，当节点A要建立与C节点的路由时，RREQ广播及信道分配过程如下:
(I)节点A作为通信发起端，以控制信道为基础，根据自己等待队列中的总时间和不同信道间隔的干扰情况计算出A节点干扰范围内的的每个信道的干扰度，并在小于预设值的干扰度中选取最小干扰度所对应的信道作为预约信道，然后在控制信道上广播一个携带信道状态信息(主要包括A干扰范围内的信道使用情况C_USE、预约信道(:_(^1?、等待时间T、数据大小等)的RREQ (路由请求)消息给下一跳邻居节点B ；
(2)节点B作为通信接收端，从接收到源节点A的RREQ后，通过对比自己的信道信息表，以收到的A的C_CUR为基础，使用计算信道预约时间T_PRE、干扰度，确定A的C_CUR是否可用，如果可用则继续选择另一个可用信道作为预约信道与下一个节点进行下一步协调工作，并作为通信发起端将更新后信道信息和预约时间的值附在RREQ中，广播给下一跳节点C;
(3)此时，作为通信接收端的节点C接收到节点B的RREQ后，通过步骤(2)的方法确定信道，然后，B更新自己的CIT表；由于C是目的节点，不需要再转发RREQ。
[0024]实施例6:
如图3所示，在实施例5的基础上，本实施例中当每个节点都有可以使用的信道可以选择时，节点C向节点A发送RREP (路由响应)包，每个节点将自己信道信息附在RREQ中向上一跳节点进行回复，建立反向链路。此时，整个链路的信道则分配完毕。由于每两个节点之间的链路都使用了不同的信道，所以避免了干扰。
[0025]实施例7:
在实施例5的基础上，本实施例中当上一跳节点预约的信道不能使用，则节点返回自己的信道信息，上一跳更新自己的信道信息表后，重新选择通信质量尽量好的信道重新进行协调信道的工作。如图4所示，节点B收到节点A的RREQ后，发现预约的信道不能使用，贝U返回自己信道表中信息，A更新自己的信道信息表后重新与B协调信道。
【权利要求】
1.一种基于信道间隔的无线网络信道分配策略，其特征在于:所述策略整合了信道间隔的干扰信息、网络层协议和MAC层信道信息，使节点对在通信时尽量能够分配到较好的通信链路，并使用时间与不同信道间隔的丢包率作为量度并与队列相结合来避免干扰，该策略包括:1)获得MAC层数据，2)在路由协议中加入MAC层数据，3)根据获得的数据计算干扰度选择较优的链路，4)避免干扰机制，其中: 1)获得MAC层数据，是信道分配的数据基础，节点根据MAC层的数据进行路由和避免干扰； 2)在路由协议中加入MAC层数据，主要负责建立节点对之间的链接； 3)选择较优的链路，主要负责根据得到的MAC层数据、网络层数据和预设阀值计算干扰度，并以此为依据来判断节点在路由时链路和避免干扰的操作；其中，预设阀值表示网络可以接受的最差的信道干扰时的信道间隔； 4)避免干扰机制，是信道分配策略核心部分，解决了在不同的链路以及信号干扰的情况下节点通信时该如何尽量避免干扰的问题。
2.根据权利要求1所述的一种基于信道间隔的无线网络信道分配策略，其特征在于:所述策略以时间作为量度并与队列相结合来避免干扰，使用时间和不同信道间隔的干扰关系相结合作为节点负载情况度量，并通过一个队列来实现较优的信道分配，通过对时间、占用信道和队列的操作可以改变网络中的链路状况。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于信道间隔的无线网络信道分配策略，其特征在于:当两个节点进行通信时，在信道协调和分配过程中，需要网络中有一个固定的控制信道来对干扰范围内的节点进行载 波监听并协调信道，以此来避免多信道的隐藏终端问题，其他的信道作为数据传输使用的信道。
4.根据权利要求3所述的一种基于信道间隔的无线网络信道分配策略，其特征在于，当节点A要与节点B进行通信时，所述节点分配信道的步骤如下: 1)预设阀值； 2)节点A检查自己的信道信息表CIT，选择可以使用的信道C_USE，并将此信息加入到路由信息中，使用公共控制信道进行本地广播，寻找节点B ;在这个过程中，A的干扰范围内的所有邻居节点都会收到A的路由信息，并根据收到的信息更新自己的CIT ;这样节点A干扰范围以内的节点可以根据自己的CIT中的信道信息计算干扰度，在小于等于阀值的干扰度中，以干扰度由低到高的顺序分配信道4干扰范围以外的节点如果监听到控制信道被使用，则尽量选取干扰度较小的信道采用规避算法选取信道，直到得到通信质量较好的信道； 3)节点B收到路由信息包后，根据收到的信道信息计算自己CIT中的当前被占用信道的阀值C_CUR，根据阀值确定能够使用的信道C_USE，更新CIT，并以此信道进行通信； 4)当通信完毕后，节点A通知节点B信道C_USE使用完毕，让出此信道的控制权，两个节点分别更新CIT。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于信道间隔的无线网络信道分配策略，其特征在于，对于A、B、C三个节点，当节点A要建立与C节点的路由时，RREQ广播及信道分配过程如下: I)节点A作为通信发起端，以控制信道为基础，根据自己等待队列中的总时间和不同信道间隔的干扰情况计算出A节点干扰范围内的的每个信道的干扰度，并在小于预设值的干扰度中选取最小干扰度所对应的信道作为预约信道，然后在控制信道上广播一个携带信道状态信息的RREQ消息给下一跳邻居节点B ； 2)节点B作为通信接收端，从接收到源节点A的RREQ后，通过对比自己的信道信息表，以收到的A的C_CUR为基础，使用计算信道预约时间T_PRE、干扰度，确定A的C_CUR是否可用，如果可用则继续选择另一个可用信道作为预约信道与下一个节点进行下一步协调工作，并作为通信发起端将更新后信道信息和预约时间的值附在RREQ中，广播给下一跳节点C； 3)此时，作为通信接收端的节点C接收到节点B的RREQ后，通过步骤2)的方法确定信道，然后，B更新自己的CIT表；由于C是目的节点，不需要再转发RREQ。
6.根据权利要求5所述的一种基于信道间隔的无线网络信道分配策略，其特征在于:当每个节点都有可以使用的信道可以选择时，节点C向节点A发送RREP包，每个节点将自己信道信息附在RREQ中向上一跳节点进行回复，建立反向链路。
7.根据权利要求5所述的一种基于信道间隔的无线网络信道分配策略，其特征在于:当上一跳节点预约的信道不能使用，则节点返回自己的信道信息，上一跳更新自己的信道信息表后，重新选择 通信质量尽量好的信道重新进行协调信道的工作。
【文档编号】H04W72/04GK103596276SQ201310590758
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】丛戎 申请人:浪潮电子信息产业股份有限公司