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CN114945217A - 一种冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法 - Google Patents

一种冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法 Download PDF

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CN114945217A CN202210571525.5A CN202210571525A CN114945217A CN 114945217 A CN114945217 A CN 114945217A CN 202210571525 A CN202210571525 A CN 202210571525A CN 114945217 A CN114945217 A CN 114945217A
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Abstract

本发明为解决现实中Wi‑Fi网络信道分配的现实需求，提出一种冲突避免的Wi‑Fi网络信道分配方法。该方法以网络总吞吐量为优化目标，提出吞吐量弱化度的概念来定量刻画相邻AP同信道冲突造成的影响大小，并建立相应图模型，通过贪心的方式依次选择要进行信道分配的AP以及确定为其分配的具体信道。实验结果表明本发明较传统方式能取得更好的网络性能。

Description

一种冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法
技术领域
本发明涉及一种冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法，属于工业互联网和无线网络领域。
背景技术
信道资源对于无线网络而言一直是十分紧缺的资源，在当下网络接入设备急剧增加的现实趋势下更显捉襟见肘。Wi-Fi网络中，在网络运行、进行数据传输前需要为网络中各AP分配通信所使用信道，随后各终端才能通过扫描、认证、连接与所关联AP在该信道上进行数据传输。当空间上两相邻AP使用相同信道时会对彼此产生严重干扰，大大降低网络性能。同时，Wi-Fi的信道资源又非常紧缺，如在2.4GHz频段仅存在三个完全不重叠信道。现有研究缺乏对AP相互冲突带来影响的深入定量刻画，且大多针对干扰而不是吞吐量这样的直接网络性能指标。因此在网络逐渐呈现大规模、高密度的现实趋势下，迫切需要新的信道分配方案来解决此技术问题。
本方法利用了Bianchi模型来建模单个BSS(基本服务集)的吞吐量，该模型的有效性已被诸多研究验证。该模型反映了网络吞吐量与参与竞争站点数的数理关系。
发明内容
技术问题：
本发明提出了一种冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法，对于给定地理条件与AP、STA位置分布，确定各AP所使用信道，以达到降低AP间冲突干扰、尽可能空间复用信道资源、提高网络整体吞吐量性能的目的。
技术方案：为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，图模型初始化：根据环境地理信息、AP与终端分布建立图模型。
首先基于信号强度来判断各终端间是否相互竞争，
Figure BDA0003660456170000011
其中Pij为STAi在STAj处的信号强度，
Figure BDA0003660456170000012
为载波侦听信号强度阈值。
进而可判断终端与指定BSS通信到时是否会对其造成冲突，
Figure BDA0003660456170000021
其中，βij表示BSSi与STAj同信道时是否会被冲突，
Figure BDA0003660456170000022
为BSSi所含STA集合。
随后计算BSSi与BSSj同信道时BSSi为BSSj引入的额外参与竞争STA数，
Figure BDA0003660456170000023
定义吞吐量弱化度来表示两BSS发生同信道冲突时对彼此造成的影响，
χij＝S(nj)-S(nj+πij)
其中，χij为吞吐量弱化度，表示BSSi与BSSj同信道时BSSi对BSSj造成的吞吐量损失，nj为BSSj自身的STA数，S为Bianchi模型中STA数对应的归一化吞吐量。
根据上述公式依次计算各AP间的吞吐量弱化度，由此可建立吞吐量弱化图，用二维数组χ表示，χij表示节点APi到节点APj间有向边的权重(吞吐量弱化度)。步骤1建立的吞吐量弱化图是后续依次信道分配时AP选择与信道选择优先顺序的基础，其较传统方法更进一步定量刻画了AP间相互冲突时对吞吐量造成的影响，从而使信道分配时更好地决策如何降低冲突可能性、降低冲突时带来的影响、复用信道资源，获得更好的信道资源。
步骤2，邻居关系计算：根据吞吐量弱化图计算各AP的邻居表。
对吞吐量弱化图进行遍历，如果两节点间吞吐量弱化度不为0，则表示两节点相邻，彼此将对方加入自己的邻居集合。
步骤3，中间变量初始化：初始化中间变量已分配信道AP集合与各AP可选不冲突信道集合。
已分配信道AP集合初始化为空集，算法运行时每为一个AP分配信道即将该AP加入此集合。各AP可选不冲突信道集合初始化为总可选信道集合，当邻居AP被分配信道后，即将该信道从自身可选不冲突集合中移除。
步骤4，迭代结束判断：当已分配信道AP集合包含了所有AP，则迭代结束，输出算法结果。
步骤5，选出本次迭代要分配信道的AP：
遍历所有AP，如果AP已分配则忽略；如果AP未被分配信道，则计算其可选不冲突信道集合大小，选出可选不冲突信道集合最小的AP(s)。遍历可选不冲突信道集合最小的AP，计算对应的潜在影响大小δ：
Figure BDA0003660456170000031
其中，δi表示APi对尚未分配信道的邻居AP造成的潜在影响，
Figure BDA0003660456170000032
为其尚未分配信道的邻居AP集合。
将可选不冲突信道集合最小的AP集合中δ最大的AP作为本次迭代时要分配信道的AP。
步骤6，为指定AP分配信道：
如果该AP的可选不冲突信道集合不为空，则遍历该AP的邻居表，计算出其已分配信道的邻居AP集合；再遍历该集合，计算出该AP的已分配邻居节点的已分配邻居AP(且不与该AP相邻)的AP集合，如果该集合不为空，则从中任意选择一个AP将其信道作为本次分配结果，如果该集合为空，则从可选不冲突信道集合中选择第一个作为本次分配结果。
如果该AP的可选不冲突信道集合为空，则遍历总的信道集合，分别计算对同信道邻居AP造成的总吞吐量弱化度，选择最小的那个信道作为本次结果。
步骤7，更新中间变量：将步骤4中确定的AP加入已分配信道集合，并遍历该AP的邻居节点集合，将步骤5中确定的信道从邻居节点的可选不冲突信道集合中移出。
本发明提出的一种冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法，对于给定地理条件与AP、STA位置分布，确定各AP所使用信道，以达到降低AP间冲突干扰、尽可能空间复用信道资源、提高网络整体吞吐量性能的目的。
有益效果：本发明较传统技术而言，在信道分配决策所依赖的图模型上，进一步地定量刻画了AP间相互干扰时对吞吐量造成的影响程度，从而作为图模型中边的权重，更好地进行信道分配决策；在信道分配优先顺序策略上，不仅考虑了尽量避免干扰，还进一步考虑了降低干扰时造成的影响程度，以及如何更好地复用信道资源。从而本发明所得到的信道分配结果较传统方法可获得更优的网络吞吐量性能。
附图说明
图1是本发明的算法流程图；
图2是本发明的吞吐量弱化图示意图；
图3为本发明实例2在不同AP数量时信道分配结果对应的目标函数值(网络吞吐量)以及方法的计算时间的对比；
图4为本发明实例2在不同信道数量时信道分配结果对应的目标函数值(网络吞吐量)以及方法的计算时间的对比。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1：参见图1—图4，一种冲突避免的Wi-Fi网络信道分配算法，所述方法包括以下步骤：
图1为根据本发明实施例1的信道分配算法流程图，下面参考图1详细说明各个步骤。
步骤1，图模型初始化：根据环境地理信息、AP与终端分布建立图模型。
首先基于信号强度来判断各终端间是否相互竞争，
Figure BDA0003660456170000041
其中Pij为STAi在STAj处的信号强度，
Figure BDA0003660456170000042
为载波侦听信号强度阈值。
进而可判断终端与指定BSS通信到时是否会对其造成冲突，
Figure BDA0003660456170000043
其中，βij表示BSSi与STAj同信道时是否会被冲突，
Figure BDA0003660456170000044
为BSSi所含STA集合。
随后计算BSSi与BSSj同信道时BSSi为BSSj引入的额外参与竞争STA数，
Figure BDA0003660456170000045
定义吞吐量弱化度来表示两BSS发生同信道冲突时对彼此造成的影响，
χij＝S(nj)-S(nj+πij)
其中，χij为吞吐量弱化度，表示BSSi与BSSj同信道时BSSi对BSSj造成的吞吐量损失，nj为BSSj自身的STA数，S为Bianchi模型中STA数对应的归一化吞吐量。
根据上述公式依次计算各AP间的吞吐量弱化度，由此可建立吞吐量弱化图，用二维数组χ表示，χij表示节点APi到节点APj间有向边的权重(吞吐量弱化度)。
步骤2，邻居关系计算：根据吞吐量弱化图计算各AP的邻居表。
对吞吐量弱化图进行遍历，如果两节点间吞吐量弱化度不为0，则表示两节点相邻，彼此将对方加入自己的邻居集合。
步骤3，中间变量初始化：初始化中间变量已分配信道AP集合与各AP可选不冲突信道集合。
已分配信道AP集合初始化为空集，算法运行时每为一个AP分配信道即将该AP加入此集合。各AP可选不冲突信道集合初始化为总可选信道集合，当邻居AP被分配信道后，即将该信道从自身可选不冲突集合中移除。
步骤4，迭代结束判断：当已分配信道AP集合包含了所有AP，则迭代结束，输出算法结果。
步骤5，选出本次迭代要分配信道的AP：
遍历所有AP，如果AP已分配则忽略；如果AP未被分配信道，则计算其可选不冲突信道集合大小，选出可选不冲突信道集合最小的AP(s)。遍历可选不冲突信道集合最小的AP，计算对应的潜在影响大小δ：
Figure BDA0003660456170000051
其中，δi表示APi对尚未分配信道的邻居AP造成的潜在影响，
Figure BDA0003660456170000052
为其尚未分配信道的邻居AP集合。
将可选不冲突信道集合最小的AP集合中δ最大的AP作为本次迭代时要分配信道的AP。
步骤6，为指定AP分配信道：
如果该AP的可选不冲突信道集合不为空，则遍历该AP的邻居表，计算出其已分配信道的邻居AP集合；再遍历该集合，计算出该AP的已分配邻居节点的已分配邻居AP(且不与该AP相邻)的AP集合，如果该集合不为空，则从中任意选择一个AP将其信道作为本次分配结果，如果该集合为空，则从可选不冲突信道集合中选择第一个作为本次分配结果。
如果该AP的可选不冲突信道集合为空，则遍历总的信道集合，分别计算对同信道邻居AP造成的总吞吐量弱化度，选择最小的那个信道作为本次结果。
步骤7，更新中间变量：将步骤4中确定的AP加入已分配信道集合，并遍历该AP的邻居节点集合，将步骤5中确定的信道从邻居节点的可选不冲突信道集合中移出。
实施例2：本发明实例2考虑一个Wi-Fi网络，AP拓扑网络随机生成，各AP所关联STA数量为3～10的随机数。使用本发明提出的一种冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法(CAATWG)与传统的信道分配方法图着色算法(GCA)以及运筹学领域现有的蒙特卡罗法(MONTECALO)进行比较。
图3为不同AP数量时信道分配结果对应的目标函数值(网络吞吐量)以及方法的计算时间的对比。
图4为不同信道数量时信道分配结果对应的目标函数值(网络吞吐量)以及方法的计算时间的对比。
从图中可以看出，本发明专利所提方法在信道分配结果质量(网络吞吐量性能)上优于传统的GCA算法与MONTECARLO算法，尤其在信道资源紧缺、冲突较多的情况下所提方法优势更为明显。同时本发明专利所提方法在计算时间上与传统的GCA方法基本接近，远小于MONTECARLO算法。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法，其特征在于，所述算法包括以下步骤：
步骤1，图模型初始化：根据环境地理信息、AP与终端分布建立图模型，
步骤2，邻居关系计算：根据吞吐量弱化图计算各AP的邻居表，
步骤3，中间变量初始化：初始化中间变量已分配信道AP集合与各AP可选不冲突信道集合，
步骤4，迭代结束判断：当已分配信道AP集合包含了所有AP，则迭代结束，输出算法结果，
步骤5，选出本次迭代要分配信道的AP，
步骤6，为指定AP分配信道，
步骤7，更新中间变量。
2.根据权利要求1所述的冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法，其特征在于，步骤1中，首先基于信号强度来判断各终端间是否相互竞争，
Figure FDA0003660456160000011
其中Pij为STAi在STAj处的信号强度，
Figure FDA0003660456160000012
为载波侦听信号强度阈值，
进而可判断终端与指定BSS通信到时是否会对其造成冲突，
Figure FDA0003660456160000013
其中，βij表示BSSi与STAj同信道时是否会被冲突，
Figure FDA0003660456160000014
为BSSi所含STA集合，
随后计算BSSi与BSSj同信道时BSSi为BSSj引入的额外参与竞争STA数，
Figure FDA0003660456160000015
定义吞吐量弱化度来表示两BSS发生同信道冲突时对彼此造成的影响，
χij＝S(nj)-S(nj+πij)
其中，χij为吞吐量弱化度，表示BSSi与BSSj同信道时BSSi对BSSj造成的吞吐量损失，nj为BSSj自身的STA数，S为Bianchi模型中STA数对应的归一化吞吐量，
根据上述公式依次计算各AP间的吞吐量弱化度，由此可建立吞吐量弱化图，用二维数组χ表示，χij表示节点APi到节点APj间有向边的权重(吞吐量弱化度)。
3.根据权利要求1所述的冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法，其特征在于，步骤2中，对吞吐量弱化图进行遍历，如果两节点间吞吐量弱化度不为0，则表示两节点相邻，彼此将对方加入自己的邻居集合。
4.根据权利要求1所述的冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法，其特征在于，步骤3中，已分配信道AP集合初始化为空集，算法运行时每为一个AP分配信道即将该AP加入此集合，各AP可选不冲突信道集合初始化为总可选信道集合，当邻居AP被分配信道后，即将该信道从自身可选不冲突集合中移除。
5.根据权利要求1所述的冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法，其特征在于，步骤4中，迭代结束判断：当已分配信道AP集合包含了所有AP，则迭代结束，输出算法结果。
6.根据权利要求1所述的冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法，其特征在于，步骤5中，遍历所有AP，如果AP已分配则忽略；如果AP未被分配信道，则计算其可选不冲突信道集合大小，选出可选不冲突信道集合最小的AP(s)，遍历可选不冲突信道集合最小的AP，计算对应的潜在影响大小δ：
Figure FDA0003660456160000021
其中，δi表示APi对尚未分配信道的邻居AP造成的潜在影响，
Figure FDA0003660456160000022
为其尚未分配信道的邻居AP集合，将可选不冲突信道集合最小的AP集合中δ最大的AP作为本次迭代时要分配信道的AP。
7.根据权利要求1所述的冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法，其特征在于，步骤6中，如果该AP的可选不冲突信道集合不为空，则遍历该AP的邻居表，计算出其已分配信道的邻居AP集合；再遍历该集合，计算出该AP的已分配邻居节点的已分配邻居AP(且不与该AP相邻)的AP集合，如果该集合不为空，则从中任意选择一个AP将其信道作为本次分配结果，如果该集合为空，则从可选不冲突信道集合中选择第一个作为本次分配结果，
如果该AP的可选不冲突信道集合为空，则遍历总的信道集合，分别计算对同信道邻居AP造成的总吞吐量弱化度，选择最小的那个信道作为本次结果。
8.根据权利要求1所述的冲突避免的Wi-Fi网络信道分配方法，其特征在于，步骤7中，更新中间变量：将步骤4中确定的AP加入已分配信道集合，并遍历该AP的邻居节点集合，将步骤5中确定的信道从邻居节点的可选不冲突信道集合中移出。
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