基于鏈路多速率的多射頻多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于鏈路多速率的多射 頻多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配算法化MRFCA Link Multi-Rate Fixed加 annel Assignment)。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種多跳自組織、自配置網(wǎng)絡(luò)，Mesh網(wǎng)絡(luò)中的MP(Mesh Point路由 節(jié)點(diǎn)），MAP(Mesh Access Point接入節(jié)點(diǎn)），MPP(Mesh化；Ttal Point網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）通過多跳的 方式進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)使用單射頻單信道模式，在運(yùn)種情況下，由 于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中鏈路數(shù)較多且網(wǎng)絡(luò)中的每條鏈路都使用相同的信道，鏈路之間的干擾嚴(yán) 重，嚴(yán)重制約了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的整體傳輸性能。作為接入回傳網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的單射頻單信道無 線Mesh網(wǎng)絡(luò)所提供的傳輸性能已經(jīng)滿足不了人們?nèi)找嬖鲩L的帶寬需求，如何提升無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能是一個(gè)亟待解決的問題。
[0003] 多射頻多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的信道分配技術(shù)能夠使用多個(gè)信道來減小鏈路之 間的干擾，顯著提升無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，減小傳輸延時(shí)，滿足人們的需求。如何在多射 頻多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中合理的進(jìn)行信道分配，也逐漸成為無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)。而 同時(shí)，多射頻多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的信道分配算法的設(shè)計(jì)也帶來了 W下幾個(gè)關(guān)鍵問題：
[0004] (1)最小化干擾:多射頻多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)性能，主要問題就 是如何使得網(wǎng)絡(luò)中的干擾最小化。根據(jù)可用的射頻接口和信道集合，設(shè)計(jì)合理的干擾模型 最小化網(wǎng)絡(luò)干擾是信道分配需要考慮的首要問題。
[0005] (2)連通度:信道分配其實(shí)可W改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，運(yùn)也是多射頻多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò) 跟單射頻單信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵性區(qū)別。如果忽略了運(yùn)種區(qū)別，在進(jìn)行信道分配 的時(shí)候很可能就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分割，甚至出現(xiàn)孤立點(diǎn)。合理的信道分配方案需要網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫?連通的，因此在最小化網(wǎng)絡(luò)干擾的同時(shí)滿足網(wǎng)絡(luò)連通性是信道分配的必要條件。
[0006] (3)路由依賴:信道分配和路由其實(shí)是相互依存的關(guān)系。由于信道分配會(huì)改變網(wǎng)絡(luò) 的邏輯鏈路與實(shí)際鏈路之間的關(guān)系，影響網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，而路由策略依賴于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，運(yùn)意味 著信道分配能直接影響路由。同時(shí)路由算法也需要體現(xiàn)多射頻多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中存在 的流間干擾和流內(nèi)干擾問題，信道分配和路由的相互協(xié)作才能使得網(wǎng)絡(luò)的整體性能最大 化。
[0007] 雖然目前很多信道分配技術(shù)都能夠取得很好的效果，但其中大部分的研究考慮的 是在網(wǎng)絡(luò)中鏈路單速率的情況下，即網(wǎng)絡(luò)中所有的鏈路在一個(gè)基本速率或者一個(gè)固定速率 下所做的信道分配，運(yùn)樣的分配結(jié)果雖然能給鏈路單速率網(wǎng)絡(luò)的容量帶來提升，然而在一 個(gè)實(shí)際Mesh網(wǎng)絡(luò)中，不同Mesh節(jié)點(diǎn)對之間的信道條件可能不一樣，由于速率自適應(yīng)調(diào)整機(jī) 制的作用，不同的節(jié)點(diǎn)對之間選取的傳輸速率會(huì)不一致，信道條件較好的節(jié)點(diǎn)對之間其傳 輸速率選取的較高，而信道條件較差的節(jié)點(diǎn)對之間其傳輸速率選取的較低，網(wǎng)絡(luò)中會(huì)存在 各種不同傳輸速率的鏈路，而在運(yùn)種鏈路多速率的網(wǎng)絡(luò)中，各種不同速率的鏈路之間在分 配信道時(shí)候就需要充分考慮到多速率共享問題，傳統(tǒng)的信道分配手段忽視了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中多 速率的存在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于鏈路多速率的多射頻多信道無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配算法，該算法在充分考慮到多射頻多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配存在的 問題的前提下，從鏈路多速率網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)，充分利用信道資源增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提升網(wǎng)絡(luò) 傳輸性能。技術(shù)方案如下：
[0009] 基于鏈路多速率的多射頻多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配算法，包括：
[0010] 1)建立多速率網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：
[001 U 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的BNRSM值；
[0012] 選出BNRSM值最大的節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，若存在一個(gè)W上的節(jié)點(diǎn)其BNRSM值最大且相 等，則從中選取帶寬最大的節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)；
[0013] 確定根節(jié)點(diǎn)的傳輸速率及其鄰居節(jié)點(diǎn)，并確定根節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)之間的鏈路；
[0014] 循環(huán)操作:任選一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，確定其傳輸速率及其下一級鄰居節(jié)點(diǎn);并確定其與 下一級鄰居節(jié)點(diǎn)間的鏈路，直至網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的傳輸速率及其鄰居節(jié)點(diǎn)被確定，所有鏈 路被確定；
[0015] 2)建立分級鏈路集合：
[0016] 將網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分級:節(jié)點(diǎn)等級等于該節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的最短跳數(shù)；
[0017] 計(jì)算鏈路的等級:鏈路的等級為其兩端節(jié)點(diǎn)等級之和；
[0018] 將所有鏈路按照等級由小到大順序排列，若存在等級相同的鏈路，則將傳輸速率 較大的鏈路排在前面，形成分級鏈路集合；
[0019] 3)對網(wǎng)絡(luò)中的鏈路進(jìn)行信道分配：
[0020] 從分級鏈路集合中的第一條鏈路開始依次進(jìn)行信道分配：
[0021] 若當(dāng)前鏈路兩端節(jié)點(diǎn)均有空閑接口，則計(jì)算該鏈路在每一個(gè)可用信道上的帶寬損 失，從中選取帶寬損失最小的信道賦給該鏈路，并將該信道分配到該鏈路兩端節(jié)點(diǎn)的空閑 接口上，同時(shí)兩端節(jié)點(diǎn)的空閑接口數(shù)減1;
[0022] 若當(dāng)前鏈路兩端節(jié)點(diǎn)中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)存在空閑接口，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有接口均已 被分配信道，則計(jì)算該鏈路在上述無空閑接口的節(jié)點(diǎn)上的每一個(gè)信道上的帶寬損失，從中 選取帶寬損失最小的信道賦給該鏈路，并將該信道賦給上述具有空閑接口的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將 該節(jié)點(diǎn)的空閑接口數(shù)減1;
[0023] 直至所有的鏈路都分配了信道為止。
[0024] 進(jìn)一步的，所述節(jié)點(diǎn)的BNRSM值的計(jì)算方法為：
[0025] 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)各中節(jié)點(diǎn)在不同速率下對應(yīng)的鄰居數(shù)；
[00%] 得到節(jié)點(diǎn)在不同速率下的邏輯鏈路集合Link=化inki,Links,Links,Linlu. ..}， 其中Link康示節(jié)點(diǎn)在速率ri時(shí)的邏輯鏈路數(shù)，也即在速率ri下的連通度大?。?br>[0027] 計(jì)算節(jié)點(diǎn)在速率ri下的可用平均帶寬Bandi:
[0029] 其中，if表示接口數(shù)，Si表示鏈路數(shù)和接口數(shù)的商，yi表示鏈路數(shù)和接口數(shù)的余數(shù)；
[0030] 定義節(jié)點(diǎn)在速率ri下的根選取度量為NRSMi = Linki地andi;
[00川得到節(jié)點(diǎn)的在各速率下的根選取度量集合NRSM= {NRSMi ,NRSM2，NRSM3， NRSM4. . .}；
[0032] 選擇集合中最大值即max {NRSM}作為節(jié)點(diǎn)的最大根選取度量BNRSM。
[0033] 更進(jìn)一步的，所述鄰居節(jié)點(diǎn)的選取方法為：
[0034] 確定當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i的傳輸距離Disti;
[0035] 計(jì)算出當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i傳輸范圍內(nèi)的潛在鄰居節(jié)點(diǎn)集合pnb e {j I Disti, j<Disti}， Disti,j表示節(jié)點(diǎn)i和j之間的距離；
[0036] 若潛在鄰居節(jié)點(diǎn)pnb的傳輸距離存在關(guān)系Distpnb〉Disti，則該潛在鄰居節(jié)點(diǎn)為當(dāng) 前節(jié)點(diǎn)的實(shí)際鄰居節(jié)點(diǎn)，則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i的實(shí)際鄰居集合為nbe{j|Distij<Disti，Dist^ = Distil O
[0037] 更進(jìn)一步的，所述鏈路帶寬損失的計(jì)算方法為：
[0038] BandLossiink = Bandlink-Bandinterference
[0040] 其中，BamlLossiink為鏈路link的帶寬損失，Bandiink為鏈路link分配的傳輸速率， Bandinterferenee為受到其他鏈路干擾之后得到的實(shí)際帶寬大小，data為數(shù)據(jù)量大小，Bandi表 示同鏈路link互相干擾的鏈路的帶寬大小。
[0041] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明從鏈路多速率網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)，根據(jù)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的 接入回傳特性，考慮無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的流量特點(diǎn)，從而為網(wǎng)絡(luò)中的鏈路分配不同的等級，然 后再采用啟發(fā)式信道分配方式并設(shè)置合理的干擾度量來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的干擾，在考慮網(wǎng)絡(luò)整體 的連通性的情況下進(jìn)行信道分配，充分利用信道資源增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能； 本發(fā)明構(gòu)建了多速率無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，在考慮網(wǎng)絡(luò)的流量特點(diǎn)下，采用多射頻多信道中的信 道分配技術(shù)，緩解多速率網(wǎng)絡(luò)中存在的多速率共享問題，從而使得多速率機(jī)制與信道分配 機(jī)制相互融合，達(dá)到提升多射頻多信道多速率無線Mesh網(wǎng)絡(luò)整體性能的目的。
【附圖說明】
[0042] 圖1無線Mesh網(wǎng)絡(luò)示意圖。
[0043] 圖2為S種有效范圍示意圖。
[0044] 圖3為協(xié)議干擾模型示意圖。
[0045] 圖4為基于鏈路的協(xié)議干擾模型。
[0046] 圖5為LMFCA算法拓?fù)浣⒘鞒虉D。
[0047]圖6為LMFCA算法鏈路分級流程圖。
[004引圖7為多速率鏈路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0049] 圖8為多速率信道分配方案一。
[0050] 圖9為多速率信道分配方案二。
[0051 ]圖10為LMRFCA算法信道分配流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[00對一、技術(shù)問題分析
[0054] 目前MAC層有兩種接入方式，一種是CSMA/CA(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免）的競 爭接入方式，另外一種是基于點(diǎn)協(xié)調(diào)器的非競爭接入方式PCF(點(diǎn)協(xié)調(diào)功能），在MAC層使用 較多的是CSM/CA競爭接入方式。
[0055] CSMA/CA機(jī)制為了使得所有節(jié)點(diǎn)都有公平競爭信道的機(jī)會(huì)，它保證每個(gè)競爭的節(jié) 點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)量，而運(yùn)種基于數(shù)據(jù)量公平的方式在鏈路多速率網(wǎng)絡(luò)中， 會(huì)導(dǎo)致較低速率的節(jié)點(diǎn)競爭到信道之后占用較多的時(shí)間來發(fā)送數(shù)據(jù)，而速率較高的節(jié)點(diǎn)占 用較少的時(shí)間來發(fā)送數(shù)據(jù)，運(yùn)樣速率較高的節(jié)點(diǎn)不能發(fā)揮其優(yōu)勢，會(huì)導(dǎo)致整體網(wǎng)絡(luò)的吞吐 量下降，運(yùn)也是導(dǎo)致多速率網(wǎng)絡(luò)性能異常的原因。
[0056] 采用節(jié)點(diǎn)時(shí)間公平原則，使大小速率不同的鏈路占用信道的時(shí)間趨于相同，能夠 緩解性能異?，F(xiàn)象，有效地提高多速率無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的性