一種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)與方法，它包括信道分配步驟和路由尋路步驟：（1）計(jì)算最短跳數(shù)并分層；（2）計(jì)算鄰居數(shù)與節(jié)點(diǎn)負(fù)載；（3）根據(jù)干擾權(quán)重按照啟發(fā)式信道分配方法進(jìn)行信道分配；（4）中間節(jié)點(diǎn)接收路徑請(qǐng)求消息，計(jì)算上一跳MCDI并進(jìn)行累加，計(jì)算MCDI的時(shí)候考慮流內(nèi)和流間干擾；（5）將得到的值與路由表中存儲(chǔ)的值進(jìn)行比較，對(duì)MCDI值最小的路徑請(qǐng)求消息進(jìn)行回復(fù)并建立路徑。本發(fā)明提出一種基于鏈路負(fù)載權(quán)重的靜態(tài)信道分配方法，達(dá)到最小化網(wǎng)絡(luò)中鏈路之間的干擾的目的，再在路由選擇中充分考慮流內(nèi)干擾和流間干擾因素，得到最優(yōu)路徑，提高網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量，減小延時(shí)。
【專利說明】—種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多射頻多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配及路由優(yōu)化，尤其涉及一種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)與方法。

【背景技術(shù)】
[0002]無線Mesh網(wǎng)絡(luò)以其特殊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、高覆蓋率、高可靠性等特點(diǎn)受到了越來越高的關(guān)注，越來越廣泛地應(yīng)用于無線通信，被認(rèn)為是未來無線通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。無線Mesh回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖1所示。但是隨著無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能的要求日益提高，使得對(duì)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的容量、延遲等要求也越來越高。
[0003]面對(duì)這一問題，業(yè)界提出各種解決方法:多射頻多信道技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)和動(dòng)態(tài)成簇技術(shù)等，都能一定程度上的提高無線Mesh網(wǎng)絡(luò)性能。而多射頻多信道技術(shù)對(duì)性能提升最為明顯，如何進(jìn)行有效快速正確的信道分配仍是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)難點(diǎn)問題。因此對(duì)信道分配方法的研究具有較高的理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用前景。信道分配方法分為靜態(tài)信道分配方法、動(dòng)態(tài)信道分配方法和混合信道分配方法。靜態(tài)信道分配方法是指為射頻口分配的信道固定不變或在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)保持不變；動(dòng)態(tài)信道分配方法是指為任意射頻端口分配任意信道，并且射頻端口的信道并不是固定的，而是可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換；混合信道分配方法結(jié)合了靜態(tài)信道分配和動(dòng)態(tài)分配的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的一部分射頻接口分配的信道固定不變，另一部分射頻端口分配的信道則可以根據(jù)傳輸需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。
[0004]申請(qǐng)?zhí)枮?01210123432.2的專利公開了一種多信道多射頻無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中分布式信道分配方法，該專利定義了一種判據(jù)WA_ETT，在給鏈路分配信道時(shí)候，計(jì)算這條鏈路在每一個(gè)信道上的WA_ETT大小，然后選擇WA_ETT最小的信道分配給鏈路，在路由過程中采用路由度量判據(jù)EWCETT作為路由判據(jù)；這種方案在尋路過程中分配信道，在網(wǎng)絡(luò)中存在多條數(shù)據(jù)流的時(shí)候，甚至數(shù)據(jù)流之間的公共結(jié)點(diǎn)比較多的時(shí)候，該方案對(duì)公共結(jié)點(diǎn)的信道分配數(shù)越多，那么對(duì)節(jié)點(diǎn)的接口數(shù)要求越高，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)裝備過多的接口，成本太高，而且方案中計(jì)算EWCETT來決定選擇最優(yōu)路徑的方法只適合源路由，不適合逐條路由，有局限性。而本發(fā)明首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)拓?fù)?，采用?jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和密集度來為鏈路計(jì)算負(fù)載權(quán)重，然后根據(jù)負(fù)載權(quán)重分配信道，這種靜態(tài)分配信道的方式充分的利用了網(wǎng)絡(luò)資源，在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)流的時(shí)候也不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆杏绊?，?duì)接口數(shù)目的要求不高，節(jié)約成本，而且在信道分配完成之后，本發(fā)明在計(jì)算度量的時(shí)候考慮路徑上流內(nèi)干擾和流間干擾的問題，發(fā)明中計(jì)算最優(yōu)路徑使用的MCDI (Metric of Channel Diversity Index,信道多樣性指數(shù)度量)度量適合各種路由協(xié)議，可擴(kuò)展性比較好。
[0005]申請(qǐng)?zhí)枮?01110021937.3的專利公開了一種基于拓?fù)鋬?yōu)化和降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由信道聯(lián)合分配方法，該方案首先通過基于流量感知和流量公平分配的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)貪婪算法將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為樹形結(jié)構(gòu)，形成優(yōu)化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后對(duì)優(yōu)化后的Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用AODV進(jìn)行路由選擇，然后對(duì)鏈路進(jìn)行二步啟發(fā)式信道分配算法，該方案中對(duì)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰M(jìn)行優(yōu)化，將拓?fù)涫紫绒D(zhuǎn)換成樹狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪壿嬤B接關(guān)系和實(shí)際連接關(guān)系不符，很可能導(dǎo)致相鄰節(jié)點(diǎn)之間反而需要經(jīng)過多跳才能到達(dá)，增加了傳輸延時(shí)，同時(shí)這種樹狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中所有的流量，無論是出網(wǎng)入網(wǎng)還是網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)都需要通過根節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，會(huì)導(dǎo)致根節(jié)點(diǎn)周圍負(fù)載嚴(yán)重。而本發(fā)明中是通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置來為不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)并考慮到節(jié)點(diǎn)周圍的鄰居數(shù)來計(jì)算鏈路負(fù)載，從而來實(shí)現(xiàn)信道分配，考慮到了網(wǎng)絡(luò)中的流量樣式問題，同時(shí)本發(fā)明不改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溥B接情況，根據(jù)拓?fù)鋪頌殒溌贩峙湫诺?，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)不會(huì)全部從根節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，減小了根節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，然后在路由過程中加入流內(nèi)干擾和流間干擾，信道分配和路由選擇聯(lián)合優(yōu)化實(shí)現(xiàn)性能的提升。
[0006]申請(qǐng)?zhí)枮?01310112381.8的專利公開了一種用于多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的鏈路分配方法，該方案首先通過節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的距離里為節(jié)點(diǎn)分層，然后為每一層的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的鏈路計(jì)算信道的干擾鏈路集合，然后根據(jù)干擾鏈路集合計(jì)算鏈路的干擾度和鏈路的分配指數(shù)和節(jié)點(diǎn)的分配指數(shù)，在滿足網(wǎng)卡約束的條件下將一條鏈路分配到一個(gè)或者多個(gè)信道上去，但該方案僅僅以網(wǎng)絡(luò)分層為依據(jù)來為每一層關(guān)聯(lián)的鏈路分配信道，在考慮到接口有限的條件下為鏈路分配可用信道，沒有考慮到網(wǎng)絡(luò)的流量樣式問題，也沒有考慮到路由過程中多信道帶來的流內(nèi)干擾和流間干擾問題。而本發(fā)明是針對(duì)流量樣式問題和路由問題是通過對(duì)鏈路負(fù)載的計(jì)算為不同的鏈路賦予不同的負(fù)載權(quán)重，然后將每條鏈路分配一個(gè)固定的干擾最小的信道，從而使得網(wǎng)絡(luò)中干擾最小化，然后在路由過程中加入了流內(nèi)干擾和流間干擾考慮，通過信道分配和路由選擇的聯(lián)合優(yōu)化來提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能。
[0007]申請(qǐng)?zhí)枮閁S20050057577的專利公開了一種集中式信道分配和路由算法的具體步驟，該方案中首先預(yù)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)中各鏈路上的期望負(fù)載，并通過估計(jì)的負(fù)載來給網(wǎng)絡(luò)中每一條鏈路分配信道，然后在實(shí)際路由的過程中觀察是否所有的鏈路容量能夠滿足期望負(fù)載需求，如果不滿足則根據(jù)實(shí)際的鏈路容量反饋來重新信道分配，直到信道分配的結(jié)果能夠滿足期望鏈路負(fù)載要求，這種方法在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中流量變化快速的時(shí)候信道重新分配會(huì)比較頻繁，而這種信道分配過程中帶來的波紋效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致信道分配的延時(shí)變大，網(wǎng)絡(luò)收斂較慢，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。而本發(fā)明是基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)流量樣式特點(diǎn)進(jìn)行的靜態(tài)信道分配，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洳蛔兊那闆r下則信道分配方案不變，減小了網(wǎng)絡(luò)的變動(dòng)，同時(shí)在路由上的優(yōu)化不是作為信道分配的反饋，而是為了與信道分配聯(lián)合路由達(dá)到整體干擾最小化的目的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)與方法，達(dá)到最小化網(wǎng)絡(luò)中鏈路之間的干擾的目的，再在路由選擇中充分考慮流內(nèi)干擾和流間干擾因素，得到最優(yōu)路徑，提高網(wǎng)絡(luò)中的吞吐量，減小延時(shí)。
[0009]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)，它包括鏈路信息計(jì)算模塊、信道分配模塊和路由尋路模塊，所述的鏈路信息計(jì)算模塊用于對(duì)輸入的初始信息進(jìn)行計(jì)算，鏈路信息計(jì)算模塊的輸出與信道分配模塊連接，信道分配模塊的輸出與路由尋路模塊連接，路由尋路模塊輸出信道分配結(jié)果和源目最優(yōu)路徑。
[0010]所述的初始信息包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、根?jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)信息和可用信道集合。
[0011]一種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化方法，它包括鏈路信息計(jì)算步驟、信道分配步驟和路由尋路步驟，所述的鏈路信息計(jì)算步驟包括以下子步驟:
[0012]Sll:輸入每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可用網(wǎng)卡數(shù)K(U)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)信息、可用信道數(shù)集合C(U)和物理拓?fù)銰 (V，E)；
[0013]S12:采用Dijkstra算法來計(jì)算每一個(gè)節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的最短跳數(shù)，并以最短跳數(shù)為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分級(jí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的級(jí)數(shù)最高為第一級(jí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居為第二級(jí)，依次往下分，直到所有的節(jié)點(diǎn)都被分了層級(jí)PLi,標(biāo)記為PLi = 1、2……n，其中PLi = I表示路由節(jié)點(diǎn)i為網(wǎng)關(guān)點(diǎn)，PLi = η表不路由節(jié)點(diǎn)i為距尚網(wǎng)關(guān)最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)；
[0014]S13:同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己周圍的鄰居數(shù)NBi,那么可以通過層級(jí)PLi和鄰居數(shù)


NBi這兩個(gè)參數(shù)得到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)負(fù)載鄰居數(shù)

【權(quán)利要求】
1.一種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:它包括鏈路信息計(jì)算模塊、信道分配模塊和路由尋路模塊，所述的鏈路信息計(jì)算模塊用于對(duì)輸入的初始信息進(jìn)行計(jì)算，鏈路信息計(jì)算模塊的輸出與信道分配模塊連接，信道分配模塊的輸出與路由尋路模塊連接，路由尋路模塊輸出信道分配結(jié)果和源目最優(yōu)路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于:所述的初始信息包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、根?jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)信息和可用信道集合。
3.一種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化方法，其特征在于:它包括鏈路信息計(jì)算步驟、信道分配步驟和路由尋路步驟，所述的鏈路信息計(jì)算步驟包括以下子步驟: . 511:輸入每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可用網(wǎng)卡數(shù)K(u)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)信息、可用信道數(shù)集合C(U)和物理拓?fù)銰 (V，E)； .512:采用Dijkstra算法來計(jì)算每一個(gè)節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的最短跳數(shù)，并以最短跳數(shù)為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分級(jí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的級(jí)數(shù)最高為第一級(jí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居為第二級(jí)，依次往下分，直到所有的節(jié)點(diǎn)都被分了層級(jí)PLi,標(biāo)記為PLi = 1、2......η,其中PLi = I表示路由節(jié)點(diǎn)i為網(wǎng)關(guān)點(diǎn)，PLi = η表不路由節(jié)點(diǎn)i為距尚網(wǎng)關(guān)最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)； .513:同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己周圍的鄰居數(shù)NBi,那么可以通過層級(jí)PLi和鄰居數(shù)NBi這


NB1兩個(gè)參數(shù)得到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)負(fù)載鄰居數(shù)i，同時(shí)計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的鏈路負(fù)載權(quán)重從
. 1 L 1.eij，即鏈路eu兩端節(jié)點(diǎn)負(fù)載之和，表示為:
所述的信道分配步驟包括以下子步驟: S21:將鏈路負(fù)載按照大小順序排列，然后按照啟發(fā)式信道分配方法從鏈路負(fù)載權(quán)重最大處開始進(jìn)行信道分配，其中每條鏈路在分配信道時(shí)需要計(jì)算一個(gè)干擾權(quán)重CID，干擾權(quán)重CID為在干擾范圍內(nèi)使用相同信道的其他鏈路的鏈路負(fù)載權(quán)重之和，表示為:
式中，I(eueuv)表示鏈路\和鏈路euv存在干擾，當(dāng)且僅當(dāng)兩條鏈路在干擾范圍內(nèi)，互為潛在干擾鏈路，并且都分配了相同鏈路，表示為:
鏈路兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為i和j的鏈路L按照以下子步驟來分配信道: . 5211:如果K(i)關(guān)Φ且節(jié)點(diǎn)K(j)關(guān)Φ，則為鏈路L分配信道c，c e {c | c =C(i) H C(j)}，如果c不唯一，則選擇集合c中干擾權(quán)重CID最小的信道； . 5212:如果K(i) Φ 0，但是1((」)=Φ，則在節(jié)點(diǎn)j已經(jīng)分配了的信道中選擇干擾權(quán)重CID最小的信道c分配給節(jié)點(diǎn)i，即為鏈路L分配信道c ； S213:如果K(j) Φ 0，但是1((1) = Φ，則在節(jié)點(diǎn)i已經(jīng)分配了的信道中選擇干擾權(quán)重CID最小的信道c分配給節(jié)點(diǎn)j，即為鏈路L分配信道c ； 式中，Φ為空集，K (j) = Φ表示為節(jié)點(diǎn)j沒有可用網(wǎng)卡； S22:信道分配完畢； 所述的路由尋路步驟包括以下子步驟: 531:當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，源節(jié)點(diǎn)廣播路徑請(qǐng)求消息PREQ開始尋路過程； 532:中間節(jié)點(diǎn)接收到路徑請(qǐng)求消息PREQ之后，計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)上一跳的信道多樣性指數(shù)度量MCDI并累加路徑請(qǐng)求消息PREQ中的MCDI，將得到的值與路由表中存儲(chǔ)的MCDI值進(jìn)行比較，如果較小，則保存該值并更新路徑請(qǐng)求消息PREQ中的MCDI，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑請(qǐng)求消息PREQ ;如果較大，則丟棄此路徑請(qǐng)求消息PREQ，所述的MCDI表示為:
式中，MCDI (p)表示路徑P上的信道多樣性指數(shù)度量，i為路徑P中任意節(jié)點(diǎn)，α和β為權(quán)重因子，用于平衡流內(nèi)干擾和流間干擾在整個(gè)MCDI中所占權(quán)重，CDPi為信道多樣性感知參數(shù)，ETTi為當(dāng)前鏈路的期望傳輸時(shí)間，EffTi為當(dāng)前鏈路的期望等待時(shí)間，CDPi可表示為:
式中，表示節(jié)點(diǎn)i在路徑P上的跳數(shù)，如果節(jié)點(diǎn)i到源節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)超過3，則該值為3，如果不足3，則該值為到源節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)；neh表示節(jié)點(diǎn)i與對(duì)應(yīng)前三跳節(jié)點(diǎn)間形成的三跳鏈路使用不同信道的個(gè)數(shù)，如果節(jié)點(diǎn)i與對(duì)應(yīng)前三跳節(jié)點(diǎn)間形成的三跳鏈路使用不同信道的個(gè)數(shù)超過3,則該值為3,如果小于3,則該值為不同信道個(gè)數(shù)； ETTi和EWTi的關(guān)系可表示為:
式中，epM(i)表示節(jié)點(diǎn)i與上一跳節(jié)點(diǎn)之間的鏈路，I(epM(m)表示對(duì)鏈路產(chǎn)生干擾的所有鏈路的集合； 533:當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)路徑請(qǐng)求消息PREQ的時(shí)候，計(jì)算所有上一跳的MCDI并累加路徑請(qǐng)求消息PREQ中的MCDI JfMCDI值最小的PREQ進(jìn)行路徑回復(fù)信息PREP的回復(fù)，建立起路徑上MCDI值最小的路徑； 534:路徑選擇結(jié)束，開始數(shù)據(jù)傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化方法，其特征在于:當(dāng)鏈路的兩個(gè)端點(diǎn)的鄰居數(shù)NBi越多優(yōu)先級(jí)別越高鏈路負(fù)載權(quán)重就越大，反之當(dāng)兩個(gè)端點(diǎn)的鄰居數(shù)NBi越少優(yōu)先級(jí)別越低所述的鏈路負(fù)載權(quán)重越小。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化方法，其特征在于:所述的信道多樣性感知參數(shù)CDPi用于減小流內(nèi)干擾，所述的當(dāng)前鏈路的期望傳輸時(shí)間ETTi和當(dāng)前鏈路的期望等待時(shí)間EWTi用于減小流間干擾。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種降低干擾的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配與路由聯(lián)合優(yōu)化方法，其特征在于:所述的權(quán)重因子α為流內(nèi)干擾系數(shù)，所述的權(quán)重因子β為流間干擾系數(shù)，α + β =1。
【文檔編號(hào)】H04W72/04GK104185242SQ201410462227
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】林水生, 余飛龍, 付永濤, 李廣軍, 閻波, 郭志勇, 楊海芬, 周亮, 鄭植, 黃樂天, 衡鵬 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)