一種列車無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，所述無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，除基于IEEE802.llac的WiFi和列車 WiFi特殊場(chǎng)景之外，也適用于基于802. 11協(xié)議的無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線個(gè)域 網(wǎng)絡(luò)的頻點(diǎn)部署。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)終端種類和業(yè)務(wù)量的飛速提升，高吞吐量的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)成為亟待解決 的問(wèn)題。雖然現(xiàn)有的3G和4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以極大地滿足用戶需求，但是在常用交通工 具上，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)用戶的用戶體驗(yàn)會(huì)隨著場(chǎng)景的特殊性極大地降低。為此，目前公交車和高 速鐵路上均開(kāi)始逐步引進(jìn)易部署、低成本的WiFi系統(tǒng)作為傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)接入的業(yè)務(wù)卸載或 補(bǔ)充技術(shù)。目前，鐵路客運(yùn)是人口流動(dòng)的主要運(yùn)輸方式，旅客無(wú)線接入業(yè)務(wù)較多為實(shí)時(shí)性較 低、吞吐量需求較高的視頻和音頻等流媒體業(yè)務(wù)，合理部署列車車載WiFi系統(tǒng)就成為滿足 旅客業(yè)務(wù)需求、提高鐵路客運(yùn)的競(jìng)爭(zhēng)力的一種手段。
[0003]目前，為了降低密集型WiFi網(wǎng)絡(luò)中不同終端間的無(wú)線電干擾水平，并提高無(wú)線通 信網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多WiFi系統(tǒng)的信道分配方案，其中一部分方 案采用靜態(tài)信道分配方法，即各AP激活后固定工作在事先設(shè)定的信道。不同的靜態(tài)信道分 配方法有各自的局限性，例如，有些只適用于小型WiFi網(wǎng)絡(luò)不適用于密集型WiFi網(wǎng)絡(luò)，而 另一些靜態(tài)分配所選擇的工作信道間隔沒(méi)有加以限制，存在信道間隔太小、干擾較高的缺 點(diǎn)。另一方面，對(duì)于不同的通信場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求，沒(méi)有考慮發(fā)送功率和信道帶寬對(duì)系統(tǒng)性能 的影響。
[0004] 現(xiàn)有的方案中有根據(jù)實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸信道狀態(tài)信息[1]、業(yè)務(wù)排隊(duì)狀態(tài)[2]、接收信 號(hào)信噪比、接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI)等信息[3]，實(shí)時(shí)地調(diào)整AP的發(fā)送功率或工作信道。 這類動(dòng)態(tài)信道分配方案需要AP和終端站點(diǎn)（Station，STA)之間頻繁地進(jìn)行信令交互；除此 之外，需要頻繁地調(diào)整發(fā)送功率和切換工作信道，這些都會(huì)導(dǎo)致用戶接入不穩(wěn)定和業(yè)務(wù)中 斷系等問(wèn)題。
[0005] 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有專利及相關(guān)技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的多APWiFi系統(tǒng)的頻點(diǎn)分配方法 包括：
[0006] (1)文獻(xiàn)[4]提出了一種基于802.lib協(xié)議的家庭網(wǎng)絡(luò)（如圖1)的信道選擇方 法，在房間3中放置一個(gè)路由器，通過(guò)有線方式連接房間1/2/4中的多個(gè)AP，再由AP向STA 提供無(wú)線接入。
[0007] 文獻(xiàn)中根據(jù)信道間相關(guān)系數(shù)因子（CRC)和信道上接收到的干擾信號(hào)功率來(lái)計(jì)算 干擾功率，并選擇總干擾最小的信道作為新激活A(yù)P的工作信道。計(jì)算給定信道上的干擾功 率等于所有信道上可識(shí)別的所有AP的干擾信號(hào)功率加和，即：
[0009]其中：
[0010] Pn_INT代表給定信道η干擾信號(hào)功率；
[0011] X代表信道號(hào)；
[0012] Μχ信道X上能識(shí)別出的ΑΡ的數(shù)量；
[0013] Pkx代表信道X上可識(shí)別的APk的干擾信號(hào)功率；
[0014] CRCZ代表其他信道上干擾信號(hào)功率與目標(biāo)信道目標(biāo)信號(hào)功率的相關(guān)系數(shù)；
[0015] Z代表信道間隔，Z=n-x。
[0016] (2)當(dāng)前研究中，對(duì)于無(wú)線信道干擾的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)主要有兩種方式：動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)送 功率和工作信道帶寬。
[0017] 通過(guò)對(duì)AP發(fā)送功率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍的調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到干擾避免的 目的。文獻(xiàn)[5]中提出了AP端發(fā)送功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的方法，該方法基于無(wú)線鏈路占用情況， 預(yù)先設(shè)定最大和最小的信道占用情況。當(dāng)有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在一段測(cè)量時(shí)間內(nèi)，比較此時(shí) 信道占用情況與事先設(shè)定的最大信道占用情況的大小，若大于最大信道占用情況，也就是 說(shuō)業(yè)務(wù)需求較大，則增加AP的發(fā)送功率，進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。否則，將其與最小信道占空 比進(jìn)行比較，若小于最小信道占用情況，則減小AP端的發(fā)送功率，使其對(duì)業(yè)務(wù)量大、信道占 用嚴(yán)重的其他AP的干擾最小。若信道占用情況在最大和最小值之間，則傳輸功率不發(fā)生變 化。
[0018] 動(dòng)態(tài)的信道帶寬分配方法也是干擾協(xié)調(diào)的一種常用方法，在文獻(xiàn)[6]中提出了一 種基于802.llac的信道綁定機(jī)制的動(dòng)態(tài)頻率選擇方法。在該方法中設(shè)定優(yōu)等信道閾值，信 道質(zhì)量?jī)?yōu)于閾值的信道優(yōu)先使用。AP優(yōu)先選擇某一優(yōu)等信道作為工作信道，當(dāng)某條信道傳 輸質(zhì)量下降，方法再根據(jù)信道情況進(jìn)行工作帶寬的調(diào)整。例如有多個(gè)80MHz的信道空閑， 則從中挑選信道質(zhì)量?jī)?yōu)于閾值的信道進(jìn)行傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸量較大的時(shí)候便可以進(jìn)行信道 綁定，在該80MHz的信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；如果其中某個(gè)或某些20MHz信道不空閑，沒(méi)有 80MHz信道空閑，則尋找40MHz的空閑信道，以此類推，最后才考慮單個(gè)20MHz的信道。這種 方法需要同時(shí)考慮到信道本身質(zhì)量和周圍信道空閑兩種因素。
[0019] (3)文獻(xiàn)[7]總結(jié)了高速鐵路無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，并提出為列車 旅客提供基于WiFi的列車旅客無(wú)線通信系統(tǒng)。現(xiàn)有的高速旅客列車是在新型動(dòng)車組（共 4節(jié)車廂）上部署的基于802. 1In協(xié)議的WiFi系統(tǒng)，每節(jié)車廂均有各自的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，固定工 作在不相鄰的40MHz信道上（如圖2)。這種部署方式可以以較小的鄰頻干擾部署在車廂數(shù) 目少的新型動(dòng)車組上。
[0020] 上述現(xiàn)有技術(shù)（1)中，在計(jì)算干擾信號(hào)功率的時(shí)候，直接使用的各干擾AP的發(fā)送 功率，沒(méi)有考慮由于物理距離而產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度衰減，而高速列車車廂連接處車門對(duì)干擾 信號(hào)會(huì)有較大的衰減作用，并不適合本發(fā)明的場(chǎng)景；在分配信道時(shí)，所有信道號(hào)均可用來(lái)分 配給AP使用，信道之間并未做到很好的隔離，同頻和鄰頻干擾較大；相對(duì)于802.llac協(xié)議， 802.lib協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的信道數(shù)更少，非重疊信道個(gè)數(shù)更少。另外，802.lib僅有20MHz的信道 帶寬，相比于802.llac，信道帶寬選擇不靈活；只針對(duì)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新加入的AP時(shí)，選擇其最 佳工作信道，但未考慮新AP加入對(duì)其他已激活A(yù)P的影響，并未重新對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體進(jìn)行規(guī)劃； 該信道分配技術(shù)屬于家庭網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)信道分配方案，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)量和信道條件，并沒(méi) 有考慮不同工作帶寬下，信道分配方案對(duì)于系統(tǒng)吞吐量性能的影響。
[0021] 上述現(xiàn)有技術(shù)（2)中，信道的重新分配存在時(shí)延，所依據(jù)的鏈路狀態(tài)可能存在過(guò) 期問(wèn)題；信道進(jìn)行切換時(shí)，需要將連接的STA斷開(kāi)，這樣極易造成接入不穩(wěn)定、業(yè)務(wù)中斷和 數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。
[0022] 上述現(xiàn)有技術(shù)（3)中，隨著編組車廂數(shù)目的增多，為每節(jié)車廂獨(dú)立部署網(wǎng)關(guān)成本 較高；為節(jié)約成本，減小網(wǎng)關(guān)部署個(gè)數(shù)，需要在車廂之間引入有線連接電纜，而有線連接電 纜不便于高速列車進(jìn)行自動(dòng)編組；802.lln協(xié)議的相關(guān)技術(shù)可能無(wú)法滿足車廂內(nèi)密集用戶 的上網(wǎng)需求，該部署方案僅適用于列車車廂數(shù)目較少的情況，若車廂數(shù)目增多，頻點(diǎn)分配也 會(huì)隨之密集，會(huì)導(dǎo)致同頻和鄰頻干擾情況加劇。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0031] 鑒于以上陳述的已有方案或相關(guān)技術(shù)的不足，本發(fā)明針對(duì)列車WiFi的特殊場(chǎng)景 (但不局限于該場(chǎng)景），提出了一種基于802.llac協(xié)議的信道選擇方法，根據(jù)部署AP的個(gè) 數(shù)、AP間物理距離、可用信道個(gè)數(shù)、發(fā)送功率大小、工作信道帶寬大小等參數(shù)制定信道分配 方案。
[0032] 根據(jù)我國(guó)對(duì)5GHz頻段的三次規(guī)劃，可用總帶寬為580MHz?？紤]到實(shí)際設(shè)備支持情 況，本發(fā)明將在5150~5350MHz、5725~5850MHz頻帶（如圖3)上進(jìn)行列車車廂WiFi系 統(tǒng)的信道分配。如表1所示。
[0033] 表1為不同帶寬下的信道個(gè)數(shù)。
[0034]

[0035] 在這兩段頻帶上，不同信道帶寬下的可用信道個(gè)數(shù)，至多只有15個(gè)不重疊信道 (20MHz)。而圖4所示的列車車廂WiFi系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所需分配總頻點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)15個(gè)，屬 于AP密集型WiFi網(wǎng)絡(luò)。故需對(duì)各AP和中繼對(duì)的工作信道進(jìn)行合理分配，最大程度地降低 同頻和鄰頻干擾，提升系統(tǒng)吞吐量。
[0036] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)解決方案：
[0037] -種列車無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道分配方法，為在選定部署的基于802.llac協(xié)議的WiFi系 統(tǒng)的列車通信設(shè)備上提供信道選擇，根據(jù)部署AP的個(gè)數(shù)、AP間物理距離、可用信道個(gè)數(shù)、發(fā) 送功率大小、工作信道帶寬大小等參數(shù)制定信道分配方案，包括如下的步驟：
[0038] (1)根據(jù)AP的地理位置，如從車頭到車尾，依次為各AP編號(hào)。并將所有AP加入到 待分配信道的AP集合A中。然后為所有AP初始化相同的工作信道，并計(jì)算每一個(gè)AP受到 的總干擾，作為每一個(gè)AP的干擾權(quán)重；
[0039] (2)根據(jù)每個(gè)AP的干擾權(quán)重，將待分配集合A中的AP進(jìn)行排序，選取干擾最大的 AP節(jié)點(diǎn)，設(shè)定其優(yōu)先權(quán)最高。對(duì)于干擾權(quán)重相等的AP，則選取AP序列號(hào)最小的，設(shè)定其優(yōu) 先權(quán)最尚；
[0040] (3)對(duì)優(yōu)先權(quán)最高的AP，計(jì)算其工作在任意可用信道