基于鏈路多速率的多射頻多信道無線Mesh網絡信道分配算法
【技術領域】
[0001] 本發明設及無線Mesh網絡信道分配技術領域，具體為一種基于鏈路多速率的多射 頻多信道無線Mesh網絡信道分配算法化MRFCA Link Multi-Rate Fixed加 annel Assignment)。
【背景技術】
[0002] 無線Mesh網絡是一種多跳自組織、自配置網絡，Mesh網絡中的MP(Mesh Point路由 節點），MAP(Mesh Access Point接入節點），MPP(Mesh化；Ttal Point網關節點）通過多跳的 方式進行連接和數據傳輸。傳統的無線Mesh網絡使用單射頻單信道模式，在運種情況下，由 于無線Mesh網絡中鏈路數較多且網絡中的每條鏈路都使用相同的信道，鏈路之間的干擾嚴 重，嚴重制約了無線Mesh網絡的整體傳輸性能。作為接入回傳網絡，傳統的單射頻單信道無 線Mesh網絡所提供的傳輸性能已經滿足不了人們日益增長的帶寬需求，如何提升無線Mesh 網絡的傳輸性能是一個亟待解決的問題。
[0003] 多射頻多信道無線Mesh網絡中的信道分配技術能夠使用多個信道來減小鏈路之 間的干擾，顯著提升無線Mesh網絡的吞吐量，減小傳輸延時，滿足人們的需求。如何在多射 頻多信道無線Mesh網絡中合理的進行信道分配，也逐漸成為無線Mesh網絡的研究熱點。而 同時，多射頻多信道無線Mesh網絡的信道分配算法的設計也帶來了 W下幾個關鍵問題：
[0004] (1)最小化干擾:多射頻多信道無線Mesh網絡能夠顯著提升網絡性能，主要問題就 是如何使得網絡中的干擾最小化。根據可用的射頻接口和信道集合，設計合理的干擾模型 最小化網絡干擾是信道分配需要考慮的首要問題。
[0005] (2)連通度:信道分配其實可W改變網絡拓撲，運也是多射頻多信道無線Mesh網絡 跟單射頻單信道無線Mesh網絡的一個關鍵性區別。如果忽略了運種區別，在進行信道分配 的時候很可能就會導致網絡分割，甚至出現孤立點。合理的信道分配方案需要網絡拓撲是 連通的，因此在最小化網絡干擾的同時滿足網絡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是相互依存的關系。由于信道分配會改變網絡 的邏輯鏈路與實際鏈路之間的關系，影響網絡的拓撲，而路由策略依賴于網絡拓撲，運意味 著信道分配能直接影響路由。同時路由算法也需要體現多射頻多信道無線Mesh網絡中存在 的流間干擾和流內干擾問題，信道分配和路由的相互協作才能使得網絡的整體性能最大 化。
[0007] 雖然目前很多信道分配技術都能夠取得很好的效果，但其中大部分的研究考慮的 是在網絡中鏈路單速率的情況下，即網絡中所有的鏈路在一個基本速率或者一個固定速率 下所做的信道分配，運樣的分配結果雖然能給鏈路單速率網絡的容量帶來提升，然而在一 個實際Mesh網絡中，不同Mesh節點對之間的信道條件可能不一樣，由于速率自適應調整機 制的作用，不同的節點對之間選取的傳輸速率會不一致，信道條件較好的節點對之間其傳 輸速率選取的較高，而信道條件較差的節點對之間其傳輸速率選取的較低，網絡中會存在 各種不同傳輸速率的鏈路，而在運種鏈路多速率的網絡中，各種不同速率的鏈路之間在分 配信道時候就需要充分考慮到多速率共享問題，傳統的信道分配手段忽視了實際網絡中多 速率的存在。
【發明內容】
[0008] 針對上述問題，本發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網絡信道分配算法，該算法在充分考慮到多射頻多信道無線Mesh網絡信道分配存在的 問題的前提下，從鏈路多速率網絡角度出發，充分利用信道資源增大網絡吞吐量，提升網絡 傳輸性能。技術方案如下：
[0009] 基于鏈路多速率的多射頻多信道無線Mesh網絡信道分配算法，包括：
[0010] 1)建立多速率網絡拓撲結構：
[001 U 計算網絡中每個節點的BNRSM值；
[0012] 選出BNRSM值最大的節點作為根節點，若存在一個W上的節點其BNRSM值最大且相 等，則從中選取帶寬最大的節點作為根節點；
[0013] 確定根節點的傳輸速率及其鄰居節點，并確定根節點與其鄰居節點之間的鏈路；
[0014] 循環操作:任選一個鄰居節點，確定其傳輸速率及其下一級鄰居節點;并確定其與 下一級鄰居節點間的鏈路，直至網絡中所有節點的傳輸速率及其鄰居節點被確定，所有鏈 路被確定；
[0015] 2)建立分級鏈路集合：
[0016] 將網絡中每個節點分級:節點等級等于該節點到根節點的最短跳數；
[0017] 計算鏈路的等級:鏈路的等級為其兩端節點等級之和；
[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)對網絡中的鏈路進行信道分配：
[0020] 從分級鏈路集合中的第一條鏈路開始依次進行信道分配：
[0021] 若當前鏈路兩端節點均有空閑接口，則計算該鏈路在每一個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點的空閑 接口上，同時兩端節點的空閑接口數減1;
[0022] 若當前鏈路兩端節點中只有一個節點存在空閑接口，另一個節點的所有接口均已 被分配信道，則計算該鏈路在上述無空閑接口的節點上的每一個信道上的帶寬損失，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點，同時將 該節點的空閑接口數減1;
[0023] 直至所有的鏈路都分配了信道為止。
[0024] 進一步的，所述節點的BNRSM值的計算方法為：
[0025] 計算網絡各中節點在不同速率下對應的鄰居數；
[00%] 得到節點在不同速率下的邏輯鏈路集合Link=化inki,Links,Links,Linlu. ..}， 其中Link康示節點在速率ri時的邏輯鏈路數，也即在速率ri下的連通度大小；
[0027] 計算節點在速率ri下的可用平均帶寬Bandi:
[0029] 其中，if表示接口數，Si表示鏈路數和接口數的商，yi表示鏈路數和接口數的余數；
[0030] 定義節點在速率ri下的根選取度量為NRSMi = Linki地andi;
[00川得到節點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}作為節點的最大根選取度量BNRSM。
[0033] 更進一步的，所述鄰居節點的選取方法為：
[0034] 確定當前節點i的傳輸距離Disti;
[0035] 計算出當前節點i傳輸范圍內的潛在鄰居節點集合pnb e {j I Disti, j<Disti}， Disti,j表示節點i和j之間的距離；
[0036] 若潛在鄰居節點pnb的傳輸距離存在關系Distpnb〉Disti，則該潛在鄰居節點為當 前節點的實際鄰居節點，則當前節點i的實際鄰居集合為nbe{j|Distij<Disti，Dist^ = Distil O
[0037] 更進一步的，所述鏈路帶寬損失的計算方法為：
[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際帶寬大小，data為數據量大小，Bandi表 示同鏈路link互相干擾的鏈路的帶寬大小。
[0041] 本發明的有益效果是:本發明從鏈路多速率網絡角度出發，根據無線Mesh網絡的 接入回傳特性，考慮無線Mesh網絡中的流量特點，從而為網絡中的鏈路分配不同的等級，然 后再采用啟發式信道分配方式并設置合理的干擾度量來優化網絡的干擾，在考慮網絡整體 的連通性的情況下進行信道分配，充分利用信道資源增大網絡吞吐量，提升網絡傳輸性能； 本發明構建了多速率無線Mesh網絡，在考慮網絡的流量特點下，采用多射頻多信道中的信 道分配技術，緩解多速率網絡中存在的多速率共享問題，從而使得多速率機制與信道分配 機制相互融合，達到提升多射頻多信道多速率無線Mesh網絡整體性能的目的。
【附圖說明】
[0042] 圖1無線Mesh網絡示意圖。
[0043] 圖2為S種有效范圍示意圖。
[0044] 圖3為協議干擾模型示意圖。
[0045] 圖4為基于鏈路的協議干擾模型。
[0046] 圖5為LMFCA算法拓撲建立流程圖。
[0047]圖6為LMFCA算法鏈路分級流程圖。
[004引圖7為多速率鏈路結構示意圖。
[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。
【具體實施方式】
[0052]下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。
[00對一、技術問題分析
[0054] 目前MAC層有兩種接入方式，一種是CSMA/CA(載波監聽多路訪問/沖突避免）的競 爭接入方式，另外一種是基于點協調器的非競爭接入方式PCF(點協調功能），在MAC層使用 較多的是CSM/CA競爭接入方式。
[0055] CSMA/CA機制為了使得所有節點都有公平競爭信道的機會，它保證每個競爭的節 點在一段時間內發送相同的數據量，而運種基于數據量公平的方式在鏈路多速率網絡中， 會導致較低速率的節點競爭到信道之后占用較多的時間來發送數據，而速率較高的節點占 用較少的時間來發送數據，運樣速率較高的節點不能發揮其優勢，會導致整體網絡的吞吐 量下降，運也是導致多速率網絡性能異常的原因。
[0056] 采用節點時間公平原則，使大小速率不同的鏈路占用信道的時間趨于相同，能夠 緩解性能異常現象，有效地提高多速率無線Mesh網絡的性