專利名稱：一種基于多射頻多天線多扇區的無線mesh網絡的信道分配方法
技術領域：
本發明涉及一種無線通信技術領域，尤其涉及一種基于多射頻多天線多扇區的無 線MESH網絡的信道分配方法。
背景技術：
無線接入網絡包含兩種模式PMP模式和MESH模式。與PMP模式不同，在MESH模 式下，用戶站(Subscriber Station, ss)之間可構成多點到多點的無線連接，沒有明確的獨 立上下行鏈路子幀。每個站能夠與網絡中的其它站建立通信鏈路。由于MESH模式具有覆蓋 范圍大、在多跳環境下用戶吞吐量較PMP大等優點，因此，研究MESH網絡具有重要的意義。MESH網絡中，每個MESH節點包含兩個射頻板，其中射頻板1上接一副N扇區天線 (N > 2)和一副全向天線，射頻板2上接一副N扇區天線，設備配置見圖1所示；每個MESH 節點采用雙射頻設計，MESH節點可同時在射頻1和射頻2上進行同時收發數據，提高系統 的并發傳輸能力和吞吐量；每個射頻上接一副N扇區天線，可提高系統的空間復用度和系 統吞吐量。信道分配是無線MESH網絡媒體接入控制協議中的重要組成部分，通過在全網進 行有效的信道分配，MESH網絡中的各個節點可選擇相應的射頻、天線、扇區、時隙和頻率進 行通信，從而保障MESH網絡中的各個節點間的數據通信不沖突、同一 MESH節點的兩個射頻 同時工作不沖突，使全網信道得到合理分配與使用，提高整個MESH網絡的系統吞吐量。
發明內容
本發明提出了一種基于多射頻多天線多扇區的無線MESH網絡的信道分配方法， 包括下列步驟步驟A 發送節點和接收節點通過位置探測消息MSH PROB進行交互，得到節點間 的相對位置信息；步驟B 節點持續監聽自己的沖突域范圍內所有兩跳鄰居節點的控制消息；步驟C 根據監聽到的控制消息中所包含的鄰居節點下一次發送時機及信道分配 情況(包括發送信息使用的頻率、扇區、時隙)，在本節點保存的二進制位圖上將該發送頻 率、扇區、時隙更新為不可用資源；步驟D 發送節點通過本節點保存的二進制位圖信息進行信道選擇(該信道分配 包括射頻分配、天線分配、扇區分配、時隙分配和頻率信道分配)。所述步驟C中二進制位圖設計思路如下 分配一塊存儲區域，然后按系統使用的信道數K將區域分為K個區域，在每個信道 區域內，按照系統使用扇區天線的扇區數將每個信道區域分為N個扇區區域，在每個扇區 區域內，將保留從起始幀到第η幀的信道使用信息，每幀再細分為m個時隙，該時隙是系統 中最小的資源分配單位。
二進制位圖的每一位對應了從起始時刻到第η幀中的所有時隙編號，如果某個時 隙被沖突域內的節點所占用，則二進制位圖中相應的位置1，如果沒有被占用，則置0 ；另外，可以通過某個時隙在二進制位圖中的具體位置和該位的值確定鄰居節點使 用的信道信息，作為信道分配的依據。所述步驟D包括下列步驟步驟Dl 進行射頻分配；步驟D2:進行天線分配；步驟D3:進行扇區分配；步驟D4 進行時隙分配；步驟D5 進行頻率信道分配。所述步驟Dl中，其詳細射頻分配方法為在發送數據時，采用射頻1進行數據發送；當接收其他節點發送的數據信息時，固 定在射頻2進行接收。所述步驟D2中，其詳細天線分配方法為在MESH網絡中所需要的控制消息類型主要有MSH_PR0B、MSH_NENT、MSH_NCFG和 MSH_DSCH,廣播控制消息是為數據消息收發做準備，保證數據流無沖突發送。這些消息的發 送和接收所采用的天線安排如下(1)位置探測消息MSH_PR0B采用射頻1上的扇區天線發送，接收方采用射頻1上 的全向天線接收；(2)網絡接入消息MSH_NENT采用射頻1上的全向天線發送，接收方采用射頻1上 的全向天線接收；(3)網絡控制消息MSH_NCFG采用射頻1上的全向天線發送，接收方采用射頻1上 的全向天線接收；(4)分布式調度消息MSH_DSCH采用射頻1上的全向天線發送，接收方采用射頻1 上的全向天線接收；(5)數據消息采用射頻1上的扇區天線發送，接收方采用射頻2上的扇區天線接 收。所述步驟D3中，其詳細扇區分配方法為通過獲得的源節點和目的節點相對位置信息選擇能夠覆蓋目的節點的扇區天線 作為發送扇區。所述步驟D4中，其詳細時隙分配方法為時隙分配流程包含以下步驟(以一條服務流上只有原節點A和目的節點B為例)步驟D4. 1 源節點A查看本節點二進制位圖，將可用的時隙信息填充于MSH_DSCH 控制消息中；步驟D4. 2 源節點A等待發送MSH_DSCH控制消息的發送機會，當獲得MSH_DSCH控 制消息的發送時機時，源節點A發送MSH_DSCH控制消息；步驟D4. 3 目的節點B收到源節點A發送MSH_DSCH控制消息；步驟D4. 4 目的節點B解析源節點A發送MSH_DSCH控制消息，獲取源節點A請求 發送的時隙信息；
步驟D4. 5 目的節點B將源節點A請求發送的時隙信息與自身可用的發送時隙信 息進行比較，得到源節點A和目的節點B都能夠使用的時隙信息；步驟D4. 6 :目的節點B將步驟D4. 5中獲得的源節點A和目的節點B都能夠使用 的時隙信息填充于MSH_DSCH控制消息；步驟D4. 7 目的節點B等待發送MSH_DSCH控制消息的發送機會，當獲得MSH_DSCH 控制消息的發送時機時，目的節點B發送MSH_DSCH控制消息；步驟D4. 8 源節點A獲得發送數據的時隙信息，時隙分配成功。所述步驟D5中，其詳細時頻分配中的頻率信道分配方法為步驟D5. 1 源節點通過查看二進制位圖判斷本節點信道使用情況，如果源節點正 在使用一個信道(頻率)發送數據，則進入步驟D5. 2，否則，轉入步驟D5. 3;步驟D5. 2 為了減少源節點發送數據時由于信道不同造成的硬件切換時延，則源 節點向節點發送數據時優先選擇源節點上正在使用的頻率信道進行數據發送，頻率信道分 配成功。步驟D5. 3 源節點通過查看二進制位圖判斷本節點信道使用情況，從而得到源節 點上可用的時隙、頻率和扇區信息，用集合Φ表示，如果源節點上射頻2正在用一個信道& 進行數據接收，則在信道選擇時，所選信道不能為&的相鄰信道；則集合Φ為去除射頻2上 正在使用的信道和該信道的相鄰信道組成的集合；步驟D5. 4:源節點通過查看二進制位圖推算出在源節點的沖突域內可選的信道， 其中包含在源節點沖突域內可選的時隙、頻率和扇區信息，用集合識表示；步驟D5. 5 源節點根據自身節點和其沖突域內的信道使用狀況信息來計算源節 點可用的信道集合# =》^識；步驟D5. 6 在步驟D5. 5中得到的集合θ中隨機選擇一個頻率信道，頻率信道分 配成功。本發明的有益效果是保障MESH網絡中的各個節點間的數據通信不沖突、同一 MESH節點的兩個射頻同時工作不沖突，使全網信道得到合理分配與使用、提高整個MESH網 絡的系統吞吐量。
圖1多射頻多天線多扇區MESH設備硬件平臺示意圖；圖2多射頻多天線多扇區MESH網絡信道分配流程圖；圖3多射頻多天線多扇區MESH網絡節點方位探測示意圖；圖4 二進制位圖結構圖；圖5多射頻多天線多扇區MESH網絡射頻、天線、扇區、時隙和頻率分配流程圖；圖6時隙分配流程圖；圖7頻率分配流程圖。
具體實施例方式以下結合無線通信技術領域的實例及附圖，來詳細說明本發明專利提出的一種基 于多射頻多天線多扇區的無線MESH網絡的信道分配方法。
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信道分配方法針對多射頻、多天線、多扇區的MESH網絡，對于該網絡中的MESH節 點設備，如圖1所示，一共包含2個射頻模塊，其中，射頻1模塊上接有1副全向天線和1副 N扇區天線，射頻2模塊上接有1副N扇區天線。射頻1上的全向天線用于發送和接收MSH_NENT消息、MSH_NCFG消息、MSH_DSCH消 息；射頻1上的扇區天線用于用戶發送MSH_PR0B消息和數據消息；射頻2上的扇區天線用 于接收其他節點發送的數據消息。對于無線MESH網絡的信道分配過程如圖2所示，在圖中，信道分配被細分為4個 步驟包括下列步驟步驟Sl 發送節點和接收節點通過位置探測消息MSH_PR0B進行交互，得到節點間 的相對位置信息；步驟S2 節點持續監聽自己的沖突域范圍內所有兩跳鄰居節點的控制消息；步驟S3 根據監聽到的控制消息中所包含的鄰居節點下一次發送時機及信道分 配情況(包括發送信息使用的頻率、扇區、時隙)，在本節點保存的二進制位圖上將該發送 頻率、扇區、時隙更新為不可用資源；步驟S4 發送節點通過本節點保存的二進制位圖信息進行信道選擇(該信道分配 包括射頻分配、天線分配、扇區分配、時隙分配和頻率信道分配)。對于步驟Sl中的位置探測消息交互示意圖見圖3所示。在圖中包含源節點S和 目的節點D，源節點S和目的節點D之間通過交互位置探測消息MSH_PR0B獲得節點間的相 對位置信息，其交互流程為步驟Sll 源節點通過在射頻1的扇區天線輪流發送MSH_PR0B位置探測消息。在 每個扇區發送的MSH_PR0B消息中包含節點編號信息、發送扇區的編號等；步驟S12 目的節點用全向天線接收鄰居節點發送的MSH_PR0B消息，在本節點中 保留接收到MSH_PR0B消息的節點編號信息、發送扇區的編號；步驟S13 目的節點通過在射頻1上的扇區天線輪流發送MSH_PR0B位置探測消 息。在每個扇區發送的MSH_PR0B消息中包含發送扇區的編號、節點編號信息、源節點發送 MSH_PR0B消息并能夠被目的節點接收的源節點扇區編號信息等；步驟S14 源節點用全向天線接收鄰居節點發送的MSH_PR0B消息；源節點通過接 收到的MSH_PR0B消息更新源節點與目的節點的通信扇區信息，此時，源節點知道要向目的 節點發送數據時源節點和目的節點所使用的扇區編號。MSH_PR0B消息定義如下
Xmt sectorRcv sectorNode ID:8Antenna:4Antenna:4Node ID發送節點ID號Xmt sectorAntenna發射扇區天線編號Rcv sector Antenna 接收端對應接收扇區天線編號對于步驟S3，根據監聽到的控制消息中所包含的鄰居節點下一次發送時機及信道分配情況(包括發送信息使用的頻率、扇區、時隙)，在本節點生成二進制位圖；二進制位圖 設計結構如圖4所示。對于步驟S4，其執行流程見圖5所示，其中包括下列步驟步驟S41 進行射頻分配；步驟S42 進行天線分配；步驟S43 進行扇區分配；步驟S44 進行時隙分配；步驟S45 進行時頻信道分配。所述步驟S41中，其詳細射頻分配方法為在發送數據時，采用射頻1進行數據發送；當接收其他節點發送的數據信息時，固 定在射頻2進行接收。所述步驟S42中，其詳細天線分配方法為在MESH網絡中所需要的控制消息類型主要有MSH_PR0B、MSH_NENT、MSH_NCFG、 MSH_DSCH,廣播控制消息是為數據消息收發做準備，保證數據流無沖突發送。這些消息的發 送和接收所采用的天線安排如下(1)位置探測消息MSH_PR0B采用射頻1上的扇區天線發送，接收方采用射頻1上 的全向天線接收；(2)網絡接入消息MSH_NENT采用射頻1上的全向天線發送，接收方采用射頻1上 的全向天線接收；(3)網絡控制消息MSH_NCFG采用射頻1上的全向天線發送，接收方采用射頻1上 的全向天線接收；(4)分布式調度消息MSH_DSCH采用射頻1上的全向天線發送，接收方采用射頻1 上的全向天線接收；(5)數據消息采用射頻1上的扇區天線發送，接收方采用射頻2上的扇區天線接 收。所述步驟S43中，其詳細扇區分配方法為源節點通過步驟Sl中獲得的源節點和目的節點相對位置信息選擇能夠覆蓋目的 節點的扇區天線作為數據發送扇區。所述步驟S44中，詳見圖6所示，其詳細時頻分配方法為步驟S441 源節點A查看本節點二進制位圖，將本節點可用的時隙信息填充于 MSH_DSCH控制消息中；步驟S442 源節點A等待發送MSH_DSCH控制消息的發送機會，當獲得MSH_DSCH控 制消息的發送時機時，源節點A發送MSH_DSCH控制消息；步驟S443 目的節點B收到源節點A發送MSH_DSCH控制消息；步驟S444 目的節點B解析源節點A發送MSH_DSCH控制消息，獲取源節點A請求 發送的時隙信息；步驟S445 目的節點B將源節點A請求發送的時隙信息與自身可用的發送時隙信 息進行比較，得到源節點A和目的節點B都能夠使用的時隙信息；步驟S446 目的節點B將步驟S445中獲得的源節點A和目的節點B都能夠使用的時隙信息填充于MSH_DSCH控制消息；步驟S447 目的節點B等待發送MSH_DSCH控制消息的發送機會，當獲得MSH_DSCH 控制消息的發送時機時，目的節點B發送MSH_DSCH控制消息；步驟S448 源節點A獲得發送數據的時隙信息，時隙分配成功。所述步驟S45中，詳見圖7所示，其詳細時頻分配方法為步驟S451 源節點通過查看二進制位圖判斷本節點信道使用情況，如果源節點正 在使用一個信道(頻率)發送數據，則進入步驟S452，否則，轉入步驟S453 ；步驟S452 為了減少源節點發送數據時由于信道不同造成的硬件切換時延，則源 節點向節點發送數據時優先選擇源節點上正在使用的頻率信道進行數據發送，頻率信道分 配成功。步驟S453 源節點通過查看二進制位圖判斷本節點信道使用情況，從而得到源節 點上可用的時隙、頻率和扇區信息，用集合Φ表示，如果源節點上射頻2正在用一個信道& 進行數據接收，則在信道選擇時，所選信道不能為&的相鄰信道；則集合Φ為去除射頻2上 正在使用的信道和該信道的相鄰信道組成的集合；步驟S4M 源節點通過查看二進制位圖推算出在源節點的沖突域內可選的信道， 其中包含在源節點沖突域內可選的時隙、頻率和扇區信息，用集合爐表示；步驟S455 源節點根據自身節點和其沖突域內的信道使用狀況信息來計算源節 點可用的信道集合步驟D456 在步驟S455中得到的集合θ中隨機選擇一個頻率信道，頻率信道分 配成功。
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權利要求
1.一種基于多射頻多天線多扇區的無線MESH網絡的信道分配方法，其特征在于該信 道分配方法針對多射頻、多天線、多扇區的無線MESH網絡，其中，對于多射頻表示一個MESH 節點至少包含2個射頻模塊；多天線表示射頻模塊上同時安裝有M副天線(M> 1)；對于多 扇區表示射頻模塊上安裝有N扇區天線(N > 2)。
2.一種基于多射頻多天線多扇區的無線MESH網絡的信道分配方法，其特征在于該方 法主要包括以下步驟步驟A，發送節點和接收節點通過位置探測消息MSH_PR0B進行交互，得到節點間的相 對位置信息；步驟B，節點持續監聽自己的沖突域范圍內所有兩跳鄰居節點發送的控制消息；步驟C，根據監聽到的控制消息中所包含的鄰居節點下一次發送時機及信道使用信息 (包括發送信息使用的頻率、扇區、幀號和時隙)，在本節點保存的可用資源二進制位圖中 將該發送信道更新為不可用資源；步驟D，發送節點通過本節點保存的二進制位圖信息進行信道分配(包括射頻分配、天 線分配、扇區分配、時隙分配和頻率信道分配)。
3.按權利要求2所述的一種基于多射頻多天線多扇區的無線MESH網絡的信道分配方 法，其特征在于所述步驟B中，MESH網絡中的節點持續監聽自己的沖突域范圍內所有兩跳 鄰居節點的控制消息。
4.按權利要求2所述的一種基于多射頻多天線多扇區的無線MESH網絡的信道分配方 法，其特征在于所述步驟C中，根據監聽到的控制消息中所包含的鄰居節點下一次發送時 機及信道使用信息(包括發送信息使用的頻率、扇區、幀號和時隙)，在本節點保存的鄰居 節點二進制位圖上將這些發送時刻更新為不可用資源。
5.按權利要求4所述的二進制位圖構建方法，其特征在于整個二進制位圖按信道數 目分為K塊，每一塊中又按設備的扇區天線數目細分為N小塊，在每一小塊中再按幀號分為 1 η幀，在每幀又分為1 m個時隙，其中，二進制位圖的每一位對應了從起始時刻到第 η幀中的所有時隙編號，如果某個時隙被沖突域內的其他節點占用，則二進制位圖中相應的 位置1，如果沒有被占用，則置0。另外，本節點保存了 2個二進制位圖，一個為記錄本節點信道使用信息的二進制位圖 (即本節點二進制位圖)，另外一個為記錄其鄰居節點信道使用信息的二進制位圖(即 鄰居節點二進制位圖)，2個位圖結構完全相同。
6.按權利要求2所述的一種基于多射頻多天線多扇區的無線MESH網絡的信道分配方 法，其特征在于所述步驟D中，發送節點以本節點保存的二進制位圖(包括本節點二進制 位圖和鄰居節點二進制位圖)信息為依據進行數據通信時的信道分配，保證與沖突域內節 點使用信道不沖突。
7.按權利要求2所述的一種基于多射頻多天線多扇區的無線MESH網絡的信道分配方 法，其特征在于所述步驟D中，發送節點進行信道分配，如果源節點上正在使用一個頻率 信道發送數據，則源節點向目的節點發送數據時優先選擇源節點上正在使用的頻率信道進 行數據發送。
8.按權利要求2所述的一種基于多射頻多天線多扇區的無線MESH網絡的信道分配方 法，其特征在于所述步驟D中，發送節點進行信道分配，如果要在同一個節點進行同時收發數據時，信道分配時必須滿足同一個MESH節點上的2個射頻上使用的頻率信道不相同且 不相鄰。
9.按權利要求2所述的一種基于多射頻多天線多扇區的無線MESH網絡的信道分配方 法，其特征在于在步驟D中，發送節點通過本節點保存的二進制位圖信息進行信道分配步 驟如下步驟Dl 進行射頻分配； 步驟D2 進行天線分配； 步驟D3 進行扇區分配； 步驟D4 進行時隙分配； 步驟D5 進行頻率信道分配。
10.按權利要求9所述的步驟Dl，其特征在于在發送數據時，采用射頻1進行數據發 送；當接收其他節點發送的數據信息時，固定在射頻2進行接收。
11.按權利要求9所述的步驟D2，其特征在于這些消息的發送和接收所采用的天線安 排如下(1)位置探測消息MSH_PR0B采用射頻1上的扇區天線發送，接收節點采用射頻1上的 全向天線接收；(2)網絡接入消息MSH_NENT采用射頻1上的全向天線發送，接收節點采用射頻1上的 全向天線接收；(3)網絡控制消息MSH_NCre采用射頻1上的全向天線發送，接收節點采用射頻1上的 全向天線接收；(4)分布式調度消息MSH_DSCH采用射頻1上的全向天線發送，接收節點采用射頻1上 的全向天線接收；(5)數據消息采用射頻1上的扇區天線發送，接收節點采用射頻2上的扇區天線接收。
12.按權利要求9所述的步驟D3，其特征在于通過獲得的源節點和目的節點相對位置 信息選擇能夠覆蓋目的節點的扇區天線作為發送扇區。
13.按權利要求9所述的步驟D4，其特征在于時隙分配流程包含以下步驟(以一條服 務流上只有原節點A和目的節點B為例)步驟D4. 1 源節點A查看本節點二進制位圖，將可用的時隙信息填充于MSH_DSCH控制 消息中；步驟D4. 2 源節點A等待發送MSH_DSCH控制消息的發送機會，當等到獲得MSH_DSCH控 制消息的發送時機時，源節點A發送MSH_DSCH控制消息；步驟D4. 3 目的節點B收到源節點A發送MSH_DSCH控制消息； 步驟D4. 4 目的節點B解析源節點A發送MSH_DSCH控制消息，獲取源節點A請求發送 數據的資源信息(包括幀號、時隙等)；步驟D4. 5 目的節點B將源節點A請求發送的時隙信息與自身可用的發送時隙信息進 行比較，得到源節點A和目的節點B都能夠使用的時隙信息；步驟D4. 6 :目的節點B將步驟D4. 5中獲得的源節點A和目的節點B都能夠使用的時 隙信息填充于MSH_DSCH控制消息中；步驟D4. 7 目的節點B等待發送MSH_DSCH控制消息的發送機會，當獲得MSH_DSCH控制消息的發送時機時，目的節點B發送MSH_DSCH控制消息；步驟D4. 8 源節點A獲得向目的節點B發送數據的時隙信息，時隙分配成功。
14.按權利要求9所述的步驟D5，其特征在于其詳細頻率信道方流程包含以下步驟 步驟D5. 1 源節點通過查看二進制位圖判斷本節點信道使用情況，如果源節點正在使 用一個信道(頻率)發送數據，則進入步驟D5. 2，否則，轉入步驟D5. 3;步驟D5. 2 為了減少源節點發送數據時由于信道不同造成的硬件切換時延，則源節點 向節點發送數據時優先選擇源節點上正在使用的頻率信道進行數據發送，頻率信道分配成 功。步驟D5. 3 源節點通過查看二進制位圖判斷本節點信道使用情況，從而得到源節點上 可用的時隙、頻率和扇區信息，用集合Φ表示，如果源節點上射頻2正在用一個信道&進 行數據接收，則在信道選擇時，所選信道不能為A的相鄰信道；則集合Φ為去除射頻2上 正在使用的信道和該信道的相鄰信道組成的集合；步驟D5. 4:源節點通過查看二進制位圖推算出在源節點的沖突域內可選的信道，其中 包含在源節點沖突域內可選的時隙、頻率和扇區信息，用集合P表示；步驟D5. 5 源節點根據自身節點和其沖突域內的信道使用狀況信息來計算源節點可 用的信道集合-β—^φ .，步驟D5. 6:在步驟D5. 5中得到的集合θ中隨機選擇一個頻率信道，頻率信道分配成功。
全文摘要
本發明公開了一種基于多射頻多天線多扇區的無線MESH網絡的信道分配方法，屬于無線通信技術領域。本發明通過節點與其鄰居節點交互控制消息，獲取鄰居節點的資源使用情況。當節點需要向其他節點發送數據時，需根據本節點和鄰居節點的信道使用信息進行信道分配。本發明的有益效果是保障MESH網絡中的各個節點間的數據通信不沖突、同一MESH節點的兩個射頻同時工作不沖突，使全網信道得到合理分配與使用、提高整個MESH網絡的系統吞吐量。
文檔編號H04W16/10GK102065433SQ20101054910
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月18日 優先權日2010年11月18日
發明者周繼華, 楊涌, 肖宏, 趙濤 申請人:重慶金美通信有限責任公司