專利名稱：一種無線mesh網(wǎng)絡(luò)中的信道分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及無線mesh網(wǎng)絡(luò)中的信道分配。
背景技術(shù)：
無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種寬帶無線自組網(wǎng)架構(gòu)體系，具備"高帶寬"、"高可靠 性"和"高頻譜利用率，，特征。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以劃分為平面結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu) 兩類。平面結(jié)構(gòu)又可以稱為對等結(jié)構(gòu)，其所有節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)控制、路由選擇和流 量管理上都是平等的。平面結(jié)構(gòu)雖然具有組網(wǎng)簡單且網(wǎng)絡(luò)可靠性高的優(yōu)點，但 是其網(wǎng)絡(luò)控制開銷大，路由復(fù)雜度高；分層結(jié)構(gòu)中， 一些相鄰的節(jié)點被聚合成 蔟(Cluster),每個蔟由簇頭(Cluster Header)和多個簇成員(Cluster Member) 組成。簇頭之間形成Mesh網(wǎng)絡(luò)，而簇成員通過蔟頭實現(xiàn)互通。這種分層結(jié)構(gòu)雖 然實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)控制的簡化，但也使蔟頭成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸。
在虛擬層次化的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，將地理位置相近的節(jié)點劃分成小區(qū)(也 就是簇)，小區(qū)內(nèi)的所有節(jié)點可以直接與相鄰小區(qū)中的節(jié)點直接通信，而非相鄰 小區(qū)的節(jié)點之間的通信則需要通過相鄰小區(qū)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，小區(qū)之間成為虛 擬層次網(wǎng)絡(luò)的頂層Mesh網(wǎng)絡(luò)，而底層小區(qū)內(nèi)節(jié)點都可以具備蔟頭和簇成員這兩 種功能。即小區(qū)內(nèi)的所有節(jié)點可虛擬成一個位于小區(qū)中心的"虛擬節(jié)點"，如 圖1所示。將虛擬節(jié)點看成是路由層的節(jié)點，即每個小區(qū)內(nèi)的所有節(jié)點都具有 相同的IP子網(wǎng)地址，但具有不同的MAC地址，這樣既簡化了路由層的復(fù)雜度， 又使數(shù)據(jù)鏈路層有更好的冗余。
在上述虛擬層次化的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，小區(qū)的劃分方式類似于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中 的小區(qū)劃分方式，所不同的是蜂窩網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間終端節(jié)點不能直接通 信，小區(qū)內(nèi)終端節(jié)點直接和基站通信。而這里劃分的小區(qū)內(nèi)部以及相鄰小區(qū)內(nèi) 的節(jié)點可以直接通信，這樣可實現(xiàn)不同小區(qū)內(nèi)節(jié)點間的多跳通信。本發(fā)明針對 這種虛擬層次化的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了一種無線信道資源分配方法，通過有效 的空間復(fù)用提高Mesh網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源利用率。

發(fā)明內(nèi)容
針對新的組網(wǎng)方式，本發(fā)明為虛擬層次化的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供一種無線信 道分配方法，以提高無線頻譜資源的利用率，減少小區(qū)之間的無線干擾。
本發(fā)明采用射頻防衛(wèi)度和小區(qū)業(yè)務(wù)強度作為信道分配指標以優(yōu)化信道資源 復(fù)用，其特征在于包含如下步驟
A、 建立虛擬層次化Mesh網(wǎng)絡(luò)拓樸規(guī)則將地理位置相近的節(jié)點(包括mesh 客戶端和mesh路由器)劃分成小區(qū)，小區(qū)內(nèi)的所有節(jié)點虛擬成一個"虛擬節(jié)點"， 每個虛擬節(jié)點內(nèi)部的節(jié)點可以直接通信，鄰居小區(qū)內(nèi)的節(jié)點也可以直接通信， 而非鄰居小區(qū)內(nèi)節(jié)點間要通過多跳通信。
B、 根據(jù)虛擬層次化mesh網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)建立一種新型廣義集合T-coloring 信道分配模型保證鄰居小區(qū)分配公共信道以維持網(wǎng)絡(luò)的連通性，同時為降低 網(wǎng)絡(luò)干擾，在一定的同頻道復(fù)用距離內(nèi)非鄰居小區(qū)要分配不同的信道，并滿足 T-coloring約束，鄰居小區(qū)除公共信道外其余分配的信道也要滿足一定的 T-coloring約束，而距離大于同頻道再用距離的節(jié)點可分配相同的信道以提高 頻率復(fù)用效率。
C、 用射頻防衛(wèi)度作為信道分配的指標優(yōu)化同頻道復(fù)用距離，采用小區(qū)分 裂方式優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)容量和信道分配公平性在載波干擾比大于射頻防衛(wèi)度的情況 下可復(fù)用信道，不需要為了避免干擾而在節(jié)點的干擾域以外才復(fù)用信道，而是 在存在一定可接受干擾的情況下提高信道分配方案的實用性和頻譜資源利用 率；此外，在小區(qū)業(yè)務(wù)強度不均勻時采用小區(qū)分裂方式來控制小區(qū)半徑，提高 網(wǎng)絡(luò)容量以滿足通信需求，同時改善信道分配的公平性。
在步驟A中，在所形成的虛擬層次化Mesh網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上信道分配方案以小 區(qū)為單位進行信道分配，其特征是每個小區(qū)分配一組信道，鄰居小區(qū)分配一 定的公共信道以滿足鄰居小區(qū)間的通信需求，同時也根據(jù)每個小區(qū)的業(yè)務(wù)需求 為每個小區(qū)分配額外的信道以滿足小區(qū)內(nèi)部節(jié)點間的通信。
在步驟A中，基于虛擬層次化Mesh網(wǎng)絡(luò)拓樸規(guī)則的信道分配方法區(qū)別于以 往平面結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)的無線mesh中信道資源的分配方法，后者以連接圖或沖 突圖為基礎(chǔ)分配給具體的鏈路或節(jié)點以降低網(wǎng)絡(luò)干擾并保持網(wǎng)絡(luò)的連通性；前 者不分配信道給具體的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或鏈路，而是在虛擬節(jié)點形成的拓樸結(jié)構(gòu)的基 礎(chǔ)上根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性要求和小區(qū)業(yè)務(wù)需求分配一個信道集合給每個小區(qū)。在步驟B中，使用一種廣義集合T-coloring模型進行信道分配，其特征是 每個小區(qū)根據(jù)其業(yè)務(wù)需求分配一個信道集合，相鄰小區(qū)分配的信道集合中要有 一定數(shù)目的公共信道以進行多跳通信并維持網(wǎng)絡(luò)的連通性，這不同于蜂窩網(wǎng)絡(luò) 中信道分配問題常用的集合T-coloring模型。
在步驟B中使用的廣義集合T-coloring著色模型，其方法是為了維持網(wǎng) 絡(luò)的連通性并滿足小區(qū)間的通信需求鄰居小區(qū)要分類一定的公共信道；如果幾 個小區(qū)互為鄰居小區(qū)，則它們各自分配的公共信道不能相同；在一定的同頻道 再用距離內(nèi)的非鄰居小區(qū)要分配不相交的信道集合，并使得其分配的信道間的 差值不落在一定的頻率禁用集合中，即滿足T-coloring約束；鄰居小區(qū)除分配 的公共信道外其它分配的信道間的差值也要滿足類似的T-coloring約束。
在步驟C中用射頻防衛(wèi)度作為信道分配指標，在以往的無線mesh網(wǎng)絡(luò)信道 分配問題中節(jié)點干擾域以內(nèi)的其它節(jié)點不能使用相同信道，這種信道分配方式 未充分考慮鏈路間的干擾程度，具有相對比較低的信道資源利用率；而用射頻 防衛(wèi)度作為信道分配指標時在載波干擾比大于射頻防衛(wèi)度的情況下節(jié)點可復(fù)用 相同信道，提高了信道利用率。
在步驟C中考慮當網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點分布不均勻時，即當部分小區(qū)節(jié)點分布比較 密集，其業(yè)務(wù)強度比較高，這些小區(qū)可能有較多的節(jié)點需要和鄰居小區(qū)內(nèi)的節(jié) 點通信，采用小區(qū)分裂的方式使得小區(qū)面積縮小，這樣原來的小區(qū)分類為幾個 小區(qū)，分類后所有小區(qū)具有比較均勻的業(yè)務(wù)強度，然后再進行信道分配，在保 持有效的網(wǎng)絡(luò)連通性的同時提高網(wǎng)絡(luò)容量，且提高了頻譜利用效率。
本發(fā)明的有益效果為在虛擬層次化Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下提出了一種無線信道 分配方法，采用射頻防衛(wèi)度和小區(qū)業(yè)務(wù)強度作為無線信道分配的指標的廣義集 合T-coloring著色模型，從而提高了虛擬層次化Mesh網(wǎng)絡(luò)的無線頻譜資源利 用度。


圖1為網(wǎng)絡(luò)虛擬層次結(jié)構(gòu)圖。
圖2為小區(qū)結(jié)構(gòu)劃分和節(jié)點覆蓋圖。
圖3為節(jié)點覆蓋簡化圖和對應(yīng)的網(wǎng)格拓樸規(guī)則圖。
圖4為載波干擾比說明圖。圖5為基于射頻防衛(wèi)度的信道分配舉例分析圖。'
圖6為廣義集合T-coloring模型舉例分析圖。
圖7為業(yè)務(wù)強度不均勻時小區(qū)劃分和對應(yīng)的小區(qū)分裂圖。
圖8為信道分配算法流程圖。
具體實施例方式
下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明
本發(fā)明的基本思路如下結(jié)合虛擬層次化Mesh網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)要求提出一種無 線mesh網(wǎng)絡(luò)中的信道分配方案，方案中應(yīng)用新的廣義集合T-coloring著色模 型作為信道分配規(guī)則，規(guī)則中采用射頻防衛(wèi)度和小區(qū)業(yè)務(wù)強度作為信道分配的 改進指標，在可接受的網(wǎng)絡(luò)干擾的情況下維持網(wǎng)絡(luò)的連通性以及有效提高網(wǎng)絡(luò)
容量》 ,
圖2是本發(fā)明的虛擬層次化Mesh網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)結(jié)構(gòu)劃分和節(jié)點覆蓋圖，小區(qū)
劃分后每個小區(qū)都包含一定數(shù)量的節(jié)點，小區(qū)具有相同半徑R,為了不留空隙地 覆蓋整個平面區(qū)域，小區(qū)之間有一定的交疊，這類似于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)結(jié)構(gòu)。 相鄰小區(qū)中心間的距離為為了完成不同節(jié)點間的多跳通信，每個小區(qū)內(nèi)的節(jié) 點都可以和鄰居小區(qū)內(nèi)的任一站點通信，因此小區(qū)內(nèi)不同地理位置的節(jié)點都可 以通過一定的功率控制措施調(diào)整覆蓋半徑覆蓋鄰居小區(qū)的通信節(jié)點，若圖2中 的節(jié)點A要和鄰居小區(qū)中的節(jié)點B通信，此時A的覆蓋半徑為j+2i ，而節(jié)點A 和鄰居小區(qū)邊緣節(jié)點C通信時覆蓋半徑為d ，因此小區(qū)內(nèi)節(jié)點的覆蓋半徑在rf和 d+2i 之間。
位于小區(qū)中心的虛擬節(jié)點表示每個小區(qū)，圖3 (a)為節(jié)點覆蓋簡化圖舉例 分析，其小區(qū)覆蓋半徑為d + i ,實際上節(jié)點可位于小區(qū)內(nèi)任何位置；為了用連 接圖來表示這種虛擬層次化Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓樸規(guī)則，鄰居虛擬節(jié)點用一條邊 連接，圖3 (b)給出了圖3 (a)對應(yīng)的網(wǎng)格mesh網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)；進行信道分 配時鄰居小區(qū)要分配公共信道以完成節(jié)點間的多跳通信，這里暫不考慮各個小 區(qū)內(nèi)節(jié)點的間的具體信道分配情況，筒單地講由于小區(qū)內(nèi)節(jié)點間可直接通信， 因此從圖著色角度來講，可簡單認為小區(qū)內(nèi)節(jié)點的信道分配是對它們構(gòu)成的完 全圖進行邊著色或鏈路調(diào)度以有效解決小區(qū)內(nèi)信道資源竟爭問題。
為了減小同信道干擾的影響和保證接收信號的質(zhì)量，必須使接收機輸入端的有用信號電平和同頻道干擾電平之比C〃大于一定門限值，該門限值為射頻防
衛(wèi)度；圖4為載波干擾比圖示說明，圖中載波C雖然受到干擾/x和/y的影響， 但只要載波干擾比cz/大于等于門限值-，節(jié)點"和v之間的通信是可能的；定 義每個節(jié)點接收端接收到的干擾為所有干擾之和，如果節(jié)點"和v之間要正常通 4言，則必須滿足c /(/x+/力^ / 。
更一般地，設(shè)mesh網(wǎng)絡(luò)連接圖用G(r,五)表示，v為邊e。-(v,v。)的一個節(jié)點， F^(w,wen是臨近節(jié)點v的節(jié)點集合，R匚r， / = 1，2，...， A，A^in,并且每個v, 關(guān)聯(lián)的邊對e。產(chǎn)生干擾，若e。上的信息傳輸是可能的則必須滿足
C〃 =--"
/(V, VI) + /(V, V2) + ... + /(V, w)
無線信號的強度隨距離的增加而成比例的下降，當節(jié)點間的距離足夠大時
可忽略產(chǎn)生的干擾，定義心為節(jié)點V和V。的距離，d為V和臨近V的節(jié)點V,之間的
距離，/=1,2，...， yt,且"是值在2到4之間的衰落參數(shù)，若每個節(jié)點具有相同 的發(fā)射功率，則載波干擾比可表示為
c〃 =_C(v,vo)_=__》-
/(V,V1) + /(V,V2) + ... + /(V,V/t) (ir" + C 2_a,...+ (i/t一"
基于以上對載波干擾比的定義，在一定的射頻防衛(wèi)度的條件下可以計算出 同頻道再用距離d的大小，舉例來說，在前面的三角形網(wǎng)格拓樸中，每個虛擬
節(jié)點具有相同的發(fā)射功率尸，該虛擬節(jié)點會受到周圍來自6個方向使用相同信道 的虛擬節(jié)點的干擾，因此對應(yīng)的載波干擾比為
丄力
上式中假設(shè)a為4，々為18dB,則可計算出"〃=2. 7,其中"=7^，這樣 可近似認為相距為3d的小區(qū)可使用相同信道通信而忽略干擾的影響。
假定i)/d-2. 7,圖5所示為三角形網(wǎng)格mesh拓樸下用射頻防衛(wèi)度作為改進 指標的信道分配情況，其中相距為3跳的節(jié)點可4吏用相同信道，如^ _> d和C — G 通信時可同時使用信道1， 54v4和G — J通信時可同時使用信道2。
虛擬層次化Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的每個小區(qū)根據(jù)小區(qū)業(yè)務(wù)需求要分配一組信道， 而相鄰小區(qū)要分配一定的公共信道以保持網(wǎng)絡(luò)的連通性，并且在用射頻防衛(wèi)度作為信道分配改進指標時同頻道復(fù)用距離內(nèi)非鄰居小區(qū)不能分配相同信道以避
免網(wǎng)絡(luò)干擾。本發(fā)明提出的廣義集合T-coloring問題主要針對虛擬層次化mesh 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行信道分配，其借鑒了集合T-coloring問題的著色規(guī)則并進行了適 當了修改和擴充。相鄰小區(qū)分配的信道集合的交集不能為空集，且同頻道復(fù)用 距離內(nèi)非鄰居小區(qū)不能分配相同信道。用圖論建模后網(wǎng)絡(luò)連接圖用圖G(r,。表
示，其中『|= ， f為邊集合，存在頻率禁用集合r,、 r2,按照一定規(guī)則； 廣義
集合T-coloring模型必須滿足
1、 (v,，w)e五ei (v,.)ni (咖0，且(i (v,.)ni (v》)cW(v,)，(雖.)ni (》))ci (v,)，其 中i (w)eZM仰，/ = 1，2...,"， i (v,)是分配給節(jié)點v'的信道集合；
(雖)n i (v,)) n (物)n = 0 , ^ )) ^ (雖)^ )) = 0 ;
3 、 v力"且d(v,, V》< D e i (v,) n = 0 ,其中c/(v,， v,)為節(jié)點v,'和v,間的距
離，D為同頻道再用距離；
4、
其中/ )e (i (v,)—n維)))，e (i (v》-(i (v,.) n維))),:n c z;
5、 (w，v))g￡時非鄰居小區(qū)的信道約束有兩種情況
(a) w) e ￡ ， (w, v,) e ￡ , c (v,, w) = 2d e I /(v,.) - |g T2 ， /(v,) gn i (v》)，/(v,) g (i (v,) n 一))；
(b) 2d < d(v,, v,) < e I /O) - /(v力|g r2 ，其中/(v,) e i (v,) ， /(v,') e i (v,),
r2cz,其中d為鄰居小區(qū)間中心距離。
可以看出上述廣義集合T-coloring模型的信道分配規(guī)則是對傳統(tǒng)的集合 T-coloring模型的修改和擴充，條件1為了維持小區(qū)內(nèi)節(jié)點間的通信，可以保 證鄰居小區(qū)分配公共信道；條件2保證了互為鄰居的幾個小區(qū)要分配不同的公 共信道以避免干擾；條件3保證了同頻道再用距離內(nèi)非鄰居小區(qū)要分配不同信 道；條件4保證了鄰居小區(qū)除了分配的公共信道外，其余分配的信道要滿足 T-coloring信道分配約束，以避免網(wǎng)絡(luò)干擾；條件5保證了同頻道再用距離內(nèi) 非鄰居小區(qū)分配的不同信道也要滿足T-coloring信道分配約束。
假設(shè)一定的射頻防衛(wèi)度下同頻道再用距離為3d，圖6給出了廣義集合 T-co 1 or ing模型下信道分配規(guī)則的一個簡單舉例，從本例中可以看出鄰居小區(qū)分配一個公共信道，鄰居小區(qū)除了公共信道外其余分配的信道要符合
T-coloring約束，此種情況下本例設(shè)定2" = {0，1},而小區(qū)中心相距2d的非鄰居 小區(qū)要分配不同的信道集合，且分配的信道也要滿足T-coloring約束，此時設(shè) 定7^仰，小區(qū)中心相距3J的非鄰居小區(qū)可以使用相同信道。
其次在小區(qū)業(yè)務(wù)強度不均勻時可采用小區(qū)分裂方式來提高網(wǎng)絡(luò)容量以滿足 通信需求。上述信道分配模型保證了網(wǎng)絡(luò)的連通性并有效控制了網(wǎng)絡(luò)的無線干 擾，如果網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)強度分布比較均勻，信道分配的效率會比較好；但實際上 可能部分小區(qū)節(jié)點分布比較密集，其業(yè)務(wù)強度比較高，這些小區(qū)可能有較多的 節(jié)點需要和鄰居小區(qū)內(nèi)的節(jié)點通信，如果按前面的信道分配規(guī)則對這些業(yè)務(wù)強 度較高的小區(qū)分配和其它業(yè)務(wù)強度相對比較低的小區(qū)按照相同規(guī)則分配信道， 可能無法滿足小區(qū)業(yè)務(wù)需求，也會影響信道分配的公平性和信道資源分配的有 效性。而采用小區(qū)分裂的方式可以滿足業(yè)務(wù)強度需求來提高網(wǎng)絡(luò)容量，圖7(a) 中中心部分幾個小區(qū)節(jié)點分布比較密集，因此可采用小區(qū)分裂的方式使得小區(qū) 面積縮小，這樣原來的小區(qū)分裂為幾個小區(qū)，分裂后所有小區(qū)具有比較均勻的 業(yè)務(wù)強度。圖7 (b)為小區(qū)分裂后的情況。
小區(qū)分裂后使得各個小區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)強度比較均勻，然后再進行信道分配，在 保持有效的網(wǎng)絡(luò)連通性的同時，提高了網(wǎng)絡(luò)容量，并且有利于提高頻譜利用效 率。原因在于小區(qū)分裂前的信道分配忽視了業(yè)務(wù)強度大的小區(qū)對信道的需求， 并且不具有信道分配的公平性和有效性。而采用小區(qū)分配后所有小區(qū)業(yè)務(wù)強度 變得相對均勻，在滿足信道分配公平性的同時，滿足了原來高業(yè)務(wù)強度小區(qū)的 信道需求，因此有效地提高了網(wǎng)絡(luò)容量。
圖8為信道分配算法的流程圖，信道分配算法如下
假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中劃分小區(qū)后總能通過一定的小區(qū)分裂措施使各小區(qū)達到大致相 等的業(yè)務(wù)強度，其小區(qū)總數(shù)為W,用/為每個小區(qū)編號，1&^W， p1,2，…jV, 定義網(wǎng)絡(luò)中總的可用信道為F = {1,2,..^} ， |F|=^。虛擬層次化后網(wǎng)格拓樸連接 圖用G(r,E)表示，|r|=W,每個頂點v,eF表示一個小區(qū)，如果兩個小區(qū)為鄰居 小區(qū)就在他們之間連接一條邊，定義對稱矩陣M-(^:ee ￡}表示圖(？的鄰接矩 陣，其每一行對應(yīng)一個小區(qū)的連接情況。"=1表示小區(qū)!'和/為鄰居小區(qū)，且 e// = e/,.，特殊情況下"y時，e,=0。同時假設(shè)在一定的射頻防衛(wèi)度下非鄰居小區(qū) 間節(jié)點距離小于同頻復(fù)用距離時，頻率禁用集合為r,,而鄰居小區(qū)除公共信道外，其余分配的非公共信道的頻率禁用集合為r2，且r,;:T2crz。每個小區(qū)根據(jù)
其業(yè)務(wù)強度其信道需求為集合W(v,)， li (v,.)l《/c。定義鄰居小區(qū)分配的公共信道個 l丈為& , 1 S & <| i (v,) I且1 S <| i (v乂) I ,圖G(7,的每個節(jié)點v,.的度d(v,) ， "(v,) 表示每個小區(qū)的鄰居小區(qū)數(shù)目，d(v,.)等于鄰接矩陣每行中值為1的元素數(shù)目。
用最小階信道分配問題(M0-CAP)來分析基于集合T-coloring模型的信道 分配方法時，定義用射頻防衛(wèi)度作為信道分配改進指標時優(yōu)化信道分配后所用 最少信道數(shù)(最小階)用p(G)表示。算法在滿足T-.coloring模型中信道分配 規(guī)則的基礎(chǔ)上要使用最少信道數(shù)優(yōu)化信道分配，也就是使IFI最小，其目標函數(shù) 為
min I UO) i
當網(wǎng)絡(luò)中可用信道數(shù)目有限時，當小區(qū)數(shù)達到一定規(guī)模時進行信道分配會 存在違反廣義集合T-coloring約束條件的情況，可以用最小干擾信道分配問題 (MI-CAP)來分析網(wǎng)絡(luò)干擾。對于每個小區(qū)和每個可用信道，引入新的二進制 變量A:若信道/eF分配給了節(jié)點v,則^/ = 1，否則^/ = 0。同時引入代價函 數(shù)5(l/-gl):當v,.,r， /e雖)，ge雖)，c (v,，v,)<D,且信道/和g違
反廣義集合T-coloring約束條件時^/-g|) = l，其它情況列/-g|) = 0。則在可 用信道資源有限時最小化網(wǎng)絡(luò)時目標函數(shù)用整數(shù)線性規(guī)劃可表示為
X/e {0，1} Vve 「 ， / e
^(1 / 一 g I) e {0，1}Vv,，y/ e F , Vi *巧.'/ e ' g e ' J(v,， v,) < "
基于以上定義,信道分配算法要滿足廣義集合T-coloring成立的各項條件， 現(xiàn)假設(shè)算法中鄰居小區(qū)僅分配一個公共信道來維持網(wǎng)絡(luò)連通性，分配多個公共 信道時算法類似。算法的輸入為網(wǎng)絡(luò)中可用信道集合F、鄰接圖M、每個節(jié)點 的度c/(0以及頻率禁用集合7^和T2 。算法流程如下
1、初始化每個小區(qū)信道分配集合/ (仏)=0 , /=1,2,…AT。從編號為l的小區(qū)開始分配信道，根據(jù)圖G每個節(jié)點w的度d(v,)給每個節(jié)點分配"(v,)數(shù)目的信
道。分兩種情況考慮
A、 若不考慮信道資源的受限性，只要信道分配合理總能滿足相應(yīng)的約束條 件，則可視為最小階信道分配問題。其分配規(guī)則為鄰居小區(qū)間分配的信道要滿 足廣義集合T-coloring的約束條件1、 2和4，同頻道復(fù)用距離內(nèi)的非鄰居小區(qū) 間滿足規(guī)則3和5。此過程采用優(yōu)化算法使所用信道資源最少。當所有節(jié)點都分 配有效信道后執(zhí)行步驟2;
B、 信道資源受限情況下若違反一定的約束條件則認為存在網(wǎng)絡(luò)干擾，此時 可視為最小干擾信道分配問題，在某個節(jié)點無有效信道可用則運用貪心優(yōu)化算 法為該節(jié)點分配當前所用信道中對該節(jié)點產(chǎn)生干擾最小的信道。所有節(jié)點都分 配信道后直接執(zhí)行步驟3。
2、 若步驟l中的信道分配規(guī)則滿足小區(qū)間的通信規(guī)則，則從編號為l的小 區(qū)開始根據(jù)每個小區(qū)的信道需求i (v,.)為每個小區(qū)分配(i (w)-d(v,))數(shù)量的信道以 滿足各個小區(qū)的信道需求。此時其分配規(guī)則要滿足廣義集合T-coloring的約束 條件3、 4和5。同樣信道資源受限情況下若不滿足一定約束條件則認為存在網(wǎng) 絡(luò)干擾。此過程優(yōu)化規(guī)則與步驟1相同。
3、 統(tǒng)計信道分配后滿足信道分配規(guī)則的情況下所用最少信道數(shù)和信道資源 受限時網(wǎng)絡(luò)干擾情況。由于步驟1和2均采用優(yōu)化算法以保證所用信道資源最 少或網(wǎng)絡(luò)干擾最小，因此可認為統(tǒng)計后的信道數(shù)和網(wǎng)絡(luò)干擾近似為所求優(yōu)化值。
若不考慮網(wǎng)絡(luò)中存在干擾的情況，從以上步驟可以看出，信道分配算法主 要包括2個過程，第一個過程中步驟1使得鄰居小區(qū)分配有效的公共信道資源， 保證了網(wǎng)絡(luò)的連通性，該過程可以看作是一個多重圖的邊著色問題。而第二個 過程中步驟2可保證每個小區(qū)分配的信道數(shù)都滿足了各個小區(qū)的業(yè)務(wù)需求，并 滿足對應(yīng)的信道分配約束條件，有效地控制了網(wǎng)絡(luò)干擾。
權(quán)利要求
1、一種虛擬層次化的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的無線信道分配方法，以小區(qū)為單位進行信道分配，采用新型廣義集合T-coloring信道分配模型并用射頻防衛(wèi)度和小區(qū)業(yè)務(wù)強度作為信道分配指標以優(yōu)化信道資源復(fù)用，從而提高無線頻譜資源的利用率和減少小區(qū)之間的無線干擾；其特征在于包含如下步驟A、建立虛擬層次化Mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲規(guī)則將地理位置相近的節(jié)點(包括mesh客戶端和mesh路由器)劃分成小區(qū)，小區(qū)內(nèi)的所有節(jié)點虛擬成一個“虛擬節(jié)點”，每個虛擬節(jié)點內(nèi)部的節(jié)點可以直接通信，鄰居小區(qū)內(nèi)的節(jié)點也可以直接通信，而非鄰居小區(qū)內(nèi)節(jié)點間要通過多跳通信。B、根據(jù)虛擬層次化mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)建立一種新型廣義集合T-coloring信道分配模型保證鄰居小區(qū)分配公共信道以維持網(wǎng)絡(luò)的連通性，同時為降低網(wǎng)絡(luò)干擾，在一定的同頻道復(fù)用距離內(nèi)非鄰居小區(qū)要分配不同的信道，并滿足T-coloring約束，鄰居小區(qū)除公共信道外其余分配的信道也要滿足一定的T-coloring約束，而距離大于同頻道再用距離的節(jié)點可分配相同的信道以提高頻率復(fù)用效率。C、用射頻防衛(wèi)度作為信道分配的指標優(yōu)化同頻道復(fù)用距離，并采用小區(qū)分裂方式優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)容量和信道分配公平性在載波干擾比大于射頻防衛(wèi)度的情況下可復(fù)用信道，不需要為了避免干擾而在節(jié)點的干擾域以外才復(fù)用信道，而是在存在一定可接受干擾的情況下提高信道分配方案的實用性和頻譜資源利用率；此外，在小區(qū)業(yè)務(wù)強度不均勻時采用小區(qū)分裂方式來控制小區(qū)半徑，提高網(wǎng)絡(luò)容量以滿足通信需求，同時改善信道分配的公平性。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述步驟A，其特征在于在所形成的虛擬層次化Mesh 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上信道分配方案以小區(qū)為單位進行信道分配，每個小區(qū)分配一組信 道，鄰居小區(qū)分配一定的公共信道以滿足鄰居小區(qū)間的通信需求，同時也根據(jù) 每個小區(qū)的業(yè)務(wù)需求為每個小區(qū)分配額外的信道以滿足小區(qū)內(nèi)部節(jié)點間的通 信。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述步驟A，其特征在于基于虛擬層次化Mesh網(wǎng)絡(luò)拓 樸規(guī)則的信道分配方法區(qū)別于以往平面結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)的無線mesh中信道資源 的分配方法，后者以連接圖或沖突圖為基礎(chǔ)分配給具體的鏈路或節(jié)點以降低網(wǎng) 絡(luò)干擾并保持網(wǎng)絡(luò)的連通性；前者不分配信道給具體的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或鏈路，而是 在虛擬節(jié)點形成的拓樸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上根據(jù)網(wǎng)落的連通性要求和小區(qū)業(yè)務(wù)需求分配一個信道集合給每個小區(qū)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述步驟B，其特征在于使用一種廣義集合T-coloring 模型進行信道分配，每個小區(qū)根據(jù)其業(yè)務(wù)需求分配一個信道集合，相鄰小區(qū)分 配的信道集合中要有一定數(shù)目的公共信道以進行多跳通信并維持網(wǎng)絡(luò)的連通 性，這不同于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中信道分配問題常用的集合T-co 1 or ing模型。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述步驟B的信道分配模型，其特征在于為了維持網(wǎng) 絡(luò)的連通性并滿足小區(qū)間的通信需求鄰居小區(qū)要分類一定的公共信道；如果幾 個小區(qū)互為鄰居小區(qū)，則它們各自分配的公共信道不能相同；在一定的同頻道 再用距離內(nèi)的非鄰居小區(qū)要分配不相交的信道集合，并使得其分配的信道間的 差值不落在一定的頻率禁用集合中，即滿足T-coloring約束；鄰居小區(qū)除分配 的公共信道外其它分配的信道間的差值也要滿足類似的T-coloring約束。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述步驟C，其特征在于用射頻防衛(wèi)度作為信道分配 指標，在以往的無線mesh網(wǎng)絡(luò)信道分配問題中節(jié)點干擾域以內(nèi)的其它節(jié)點不能 使用相同信道，這種信道分配方式未充分考慮鏈路間的干擾程度，具有相對比 較低的信道資源利用率；而用射頻防衛(wèi)度作為信道分配指標時在載波干擾比大 于射頻防衛(wèi)度的情況下節(jié)點可復(fù)用相同信道，提高了信道利用率。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述步驟C，其特征在于考慮當網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點分布不均 勻時，即當部分小區(qū)節(jié)點分布比較密集，其業(yè)務(wù)強度比較高，這些小區(qū)可能有 較多的節(jié)點需要和鄰居小區(qū)內(nèi)的節(jié)點通信，采用小區(qū)分裂的方式使得小區(qū)面積 縮小，這樣原來的小區(qū)分類為幾個小區(qū)，分類后所有小區(qū)具有比較均勻的業(yè)務(wù) 強度，然后再進行信道分配，在保持有效的網(wǎng)絡(luò)連通性的同時提高網(wǎng)絡(luò)容量， 且提高了頻譜利用效率。
全文摘要
本發(fā)明提供一種應(yīng)用于無線mesh網(wǎng)絡(luò)中的信道分配方法，該方法在虛擬層次化的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中采用射頻防衛(wèi)度和小區(qū)業(yè)務(wù)強度作為信道分配指標以實現(xiàn)同頻道復(fù)用；信道分配方案以小區(qū)為單位進行信道分配，并采用一種廣義集合T-coloring著色模型；用射頻防衛(wèi)度作為信道分配的指標，在載波干擾比大于射頻防衛(wèi)度的情況下復(fù)用信道，且在小區(qū)業(yè)務(wù)強度不均勻時采用小區(qū)分裂方式來控制小區(qū)半徑。本發(fā)明的顯著效果是為虛擬層次化的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了一種無線信道分配方法，從而提高無線頻譜資源的利用率，減少小區(qū)之間的無線干擾。
文檔編號H04W16/10GK101568124SQ20091010386
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者劉國金, 軍 唐, 胡致遠, 蘇家勇, 鄧建良, 郭建丁, 黃天聰 申請人:重慶大學