一種列車無線網絡信道分配方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線通信領域，所述無線網絡，除基于IEEE802.llac的WiFi和列車 WiFi特殊場景之外，也適用于基于802. 11協議的無線異構網絡、無線傳感網絡、無線個域 網絡的頻點部署。
【背景技術】
[0002] 隨著移動終端種類和業務量的飛速提升，高吞吐量的無線通信網絡成為亟待解決 的問題。雖然現有的3G和4G移動網絡已經可以極大地滿足用戶需求，但是在常用交通工 具上，傳統蜂窩網用戶的用戶體驗會隨著場景的特殊性極大地降低。為此，目前公交車和高 速鐵路上均開始逐步引進易部署、低成本的WiFi系統作為傳統蜂窩網接入的業務卸載或 補充技術。目前，鐵路客運是人口流動的主要運輸方式，旅客無線接入業務較多為實時性較 低、吞吐量需求較高的視頻和音頻等流媒體業務，合理部署列車車載WiFi系統就成為滿足 旅客業務需求、提高鐵路客運的競爭力的一種手段。
[0003]目前，為了降低密集型WiFi網絡中不同終端間的無線電干擾水平，并提高無線通 信網絡的整體吞吐性能，國內外學者提出了很多WiFi系統的信道分配方案，其中一部分方 案采用靜態信道分配方法，即各AP激活后固定工作在事先設定的信道。不同的靜態信道分 配方法有各自的局限性，例如，有些只適用于小型WiFi網絡不適用于密集型WiFi網絡，而 另一些靜態分配所選擇的工作信道間隔沒有加以限制，存在信道間隔太小、干擾較高的缺 點。另一方面，對于不同的通信場景和業務需求，沒有考慮發送功率和信道帶寬對系統性能 的影響。
[0004] 現有的方案中有根據實時無線傳輸信道狀態信息[1]、業務排隊狀態[2]、接收信 號信噪比、接收信號強度指示（RSSI)等信息[3]，實時地調整AP的發送功率或工作信道。 這類動態信道分配方案需要AP和終端站點（Station，STA)之間頻繁地進行信令交互；除此 之外，需要頻繁地調整發送功率和切換工作信道，這些都會導致用戶接入不穩定和業務中 斷系等問題。
[0005] 通過對現有專利及相關技術的檢索發現，現有的多APWiFi系統的頻點分配方法 包括：
[0006] (1)文獻[4]提出了一種基于802.lib協議的家庭網絡（如圖1)的信道選擇方 法，在房間3中放置一個路由器，通過有線方式連接房間1/2/4中的多個AP，再由AP向STA 提供無線接入。
[0007] 文獻中根據信道間相關系數因子（CRC)和信道上接收到的干擾信號功率來計算 干擾功率，并選擇總干擾最小的信道作為新激活AP的工作信道。計算給定信道上的干擾功 率等于所有信道上可識別的所有AP的干擾信號功率加和，即：
[0009]其中：
[0010] Pn_INT代表給定信道η干擾信號功率；
[0011] X代表信道號；
[0012] Μχ信道X上能識別出的ΑΡ的數量；
[0013] Pkx代表信道X上可識別的APk的干擾信號功率；
[0014] CRCZ代表其他信道上干擾信號功率與目標信道目標信號功率的相關系數；
[0015] Z代表信道間隔，Z=n-x。
[0016] (2)當前研究中，對于無線信道干擾的動態調節主要有兩種方式：動態調節發送 功率和工作信道帶寬。
[0017] 通過對AP發送功率的動態調節可以實現覆蓋范圍的調整，進而達到干擾避免的 目的。文獻[5]中提出了AP端發送功率動態調節的方法，該方法基于無線鏈路占用情況， 預先設定最大和最小的信道占用情況。當有無線數據傳輸時，在一段測量時間內，比較此時 信道占用情況與事先設定的最大信道占用情況的大小，若大于最大信道占用情況，也就是 說業務需求較大，則增加AP的發送功率，進一步提高系統性能。否則，將其與最小信道占空 比進行比較，若小于最小信道占用情況，則減小AP端的發送功率，使其對業務量大、信道占 用嚴重的其他AP的干擾最小。若信道占用情況在最大和最小值之間，則傳輸功率不發生變 化。
[0018] 動態的信道帶寬分配方法也是干擾協調的一種常用方法，在文獻[6]中提出了一 種基于802.llac的信道綁定機制的動態頻率選擇方法。在該方法中設定優等信道閾值，信 道質量優于閾值的信道優先使用。AP優先選擇某一優等信道作為工作信道，當某條信道傳 輸質量下降，方法再根據信道情況進行工作帶寬的調整。例如有多個80MHz的信道空閑， 則從中挑選信道質量優于閾值的信道進行傳輸，在數據傳輸量較大的時候便可以進行信道 綁定，在該80MHz的信道上進行數據傳輸；如果其中某個或某些20MHz信道不空閑，沒有 80MHz信道空閑，則尋找40MHz的空閑信道，以此類推，最后才考慮單個20MHz的信道。這種 方法需要同時考慮到信道本身質量和周圍信道空閑兩種因素。
[0019] (3)文獻[7]總結了高速鐵路無線通信關鍵技術的未來發展趨勢，并提出為列車 旅客提供基于WiFi的列車旅客無線通信系統。現有的高速旅客列車是在新型動車組（共 4節車廂）上部署的基于802. 1In協議的WiFi系統，每節車廂均有各自的網關節點，固定工 作在不相鄰的40MHz信道上（如圖2)。這種部署方式可以以較小的鄰頻干擾部署在車廂數 目少的新型動車組上。
[0020] 上述現有技術（1)中，在計算干擾信號功率的時候，直接使用的各干擾AP的發送 功率，沒有考慮由于物理距離而產生的信號強度衰減，而高速列車車廂連接處車門對干擾 信號會有較大的衰減作用，并不適合本發明的場景；在分配信道時，所有信道號均可用來分 配給AP使用，信道之間并未做到很好的隔離，同頻和鄰頻干擾較大；相對于802.llac協議， 802.lib協議標準的信道數更少，非重疊信道個數更少。另外，802.lib僅有20MHz的信道 帶寬，相比于802.llac，信道帶寬選擇不靈活；只針對當網絡中有新加入的AP時，選擇其最 佳工作信道，但未考慮新AP加入對其他已激活AP的影響，并未重新對網絡整體進行規劃； 該信道分配技術屬于家庭網絡的靜態信道分配方案，針對不同的業務量和信道條件，并沒 有考慮不同工作帶寬下，信道分配方案對于系統吞吐量性能的影響。
[0021] 上述現有技術（2)中，信道的重新分配存在時延，所依據的鏈路狀態可能存在過 期問題；信道進行切換時，需要將連接的STA斷開，這樣極易造成接入不穩定、業務中斷和 數據丟失等問題。
[0022] 上述現有技術（3)中，隨著編組車廂數目的增多，為每節車廂獨立部署網關成本 較高；為節約成本，減小網關部署個數，需要在車廂之間引入有線連接電纜，而有線連接電 纜不便于高速列車進行自動編組；802.lln協議的相關技術可能無法滿足車廂內密集用戶 的上網需求，該部署方案僅適用于列車車廂數目較少的情況，若車廂數目增多，頻點分配也 會隨之密集，會導致同頻和鄰頻干擾情況加劇。
[0023] 參考文獻
[0024] [ 1 ]ETSIstandardΕΝ301893V1. 7. 0,BroadbandRadioAccess Networks(BRAN) ；5GHzhighperformanceRLAN；HarmonizedENcoveringtheessential requirementsofarticle3. 2oftheR&TTEDirective,2012.
[0025] [2]L.Georgiadis,M.Neely,andL.Tassiulas,Resourceallocationand crosslayercontrolinwirelessnetworks,FoundationsandTrendsinNetworking,v ol. 1,no. 1,pp. 1-144,Apr. 2006
[0026] [3]VivekShrivastava,DheerajAgrawal,AruneshMishra,SumanBanerjeeand TamerNadeem.Understandingthelimitationsoftransmitpowercontrolforindoor WLANs.InProc.ACMIMC,SanDiego,USA,October2007.
[0027] [4]DolinskaI. ,MasiukiewiczA. ,Rz^dkowskiG. ,ChannelSelectioninHome 802.llStandardNetworks,The10thInternationalConferenceonDigitalTechnolog ies,pp. 57-63, 978-1-4799-3303-7/14/
[0028] [5]CarlosGandari1las.CarlosMartin-Engen〇s:.Dynamic,Transmit-Power ControlforWiFiAccessPointsBasedonWirelessLinkOccupancy,IEEEWireless CommunicationsandNetworkingConferrence,Track1(PHYandFundamentals), 2014
[0029] [6]楊順.田文龍，基于IEEE802.llac的信道綁定機制，激光雜 志，2014:35(8) :46-48
[0030] [7]方旭明，崔亞平，丨'謂莉，宋昊，高鐵移動通信系統關鍵技術的演進與發展，電子 與信息學報，2015, 37 (1) : 226-235

【發明內容】

[0031] 鑒于以上陳述的已有方案或相關技術的不足，本發明針對列車WiFi的特殊場景 (但不局限于該場景），提出了一種基于802.llac協議的信道選擇方法，根據部署AP的個 數、AP間物理距離、可用信道個數、發送功率大小、工作信道帶寬大小等參數制定信道分配 方案。
[0032] 根據我國對5GHz頻段的三次規劃，可用總帶寬為580MHz。考慮到實際設備支持情 況，本發明將在5150~5350MHz、5725~5850MHz頻帶（如圖3)上進行列車車廂WiFi系 統的信道分配。如表1所示。
[0033] 表1為不同帶寬下的信道個數。
[0034]

[0035] 在這兩段頻帶上，不同信道帶寬下的可用信道個數，至多只有15個不重疊信道 (20MHz)。而圖4所示的列車車廂WiFi系統的網絡結構，所需分配總頻點個數達15個，屬 于AP密集型WiFi網絡。故需對各AP和中繼對的工作信道進行合理分配，最大程度地降低 同頻和鄰頻干擾，提升系統吞吐量。
[0036] 為了實現上述目的，本發明采用以下技術解決方案：
[0037] -種列車無線網絡信道分配方法，為在選定部署的基于802.llac協議的WiFi系 統的列車通信設備上提供信道選擇，根據部署AP的個數、AP間物理距離、可用信道個數、發 送功率大小、工作信道帶寬大小等參數制定信道分配方案，包括如下的步驟：
[0038] (1)根據AP的地理位置，如從車頭到車尾，依次為各AP編號。并將所有AP加入到 待分配信道的AP集合A中。然后為所有AP初始化相同的工作信道，并計算每一個AP受到 的總干擾，作為每一個AP的干擾權重；
[0039] (2)根據每個AP的干擾權重，將待分配集合A中的AP進行排序，選取干擾最大的 AP節點，設定其優先權最高。對于干擾權重相等的AP，則選取AP序列號最小的，設定其優 先權最尚；
[0040] (3)對優先權最高的AP，計算其工作在任意可用信道