CN100576957C - 利用定向天线的无线多跳网络高速通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过低速的无线链路协商控制高速定向天线链路来实现大吞吐量通信的方法，属于无线移动自组织网络通信技术领域，主要解决在无线移动自组织网络中大吞吐量无线自组织通信的问题。本发明包括步骤：1)将网络环境划分为不同的区域，使每个区域中均有一个可以利用定向天线收发数据的节点；2)将区域之间需要发送的数据汇集到带有定向天线的节点；3)定向天线发送节点通过无线链路与定向天线接收节点进行协商；4)定向天线节点收发双方进行数据传输；5)定向天线接收节点将接收的数据通过无线链路交付目的节点。本发明可以充分利用周围无线网络环境，辅助长距离大吞吐量收发设备完成数据传输。

Description

利用定向天线的无线多跳网络高速通信方法

技术领域

本发明属于无线移动自组织网络通信技术领域，具体的说是通过低速的无线通信链路协商控制高速定向天线链路来实现大吞吐量通信的方法。

背景技术

定向天线系统可以有效提升Ad hoc网络数据传输吞吐量及效率，已经成为Ad hoc网络研究的重点。定向通信的基本特征是在不需要数据传输的的方向上能耗较少，从而提高了空间利用率，减弱了信号直射反射叠加造成的“多径效应”；在正确的方向上功率增大、覆盖范围提高、链路的可靠性增强。虽然网络中的定向天线传输速率较大，带宽较大，但是由于其通信信号是定向传输，所以要在不同的节点间传输数据，需要不断的调整定向天线的方向，并且定向天线不能同时与不同方向的其他多个天线建立连接；而网络中的全方向无线链路是低速率的传输线路，不能够进行大吞吐数据传输，但是节点间通信不需要进行方向调整。因此，在报文传输过程中通过合理的调度定向天线的使用，并对齐波束方向进行适时的调整，理论上可以有效的提高系统吞吐量、链路连通时间等性能。

发明内容：

本发明的目的是提供一种利用定向天线的无线多跳网络高速通信方法，它充分利用网络环境中高速定向天线通信系统与低速的无线自组织网络链路，利用自组织网络的全向无线链路为大吞吐数据传输提供协商控制机制，从而更有效的实现定向天线通信的调度与数据传输。

为完成本发明的目的，本发明采取的技术方案是：

一种利用定向天线的无线多跳网络高速通信方法，包含以下步骤：

1)将网络环境划分为不同的区域，使每个区域中均有一个可以利用定向天线收发数据的节点；

2)将区域之间需要发送的数据汇集到带有定向天线的节点；

3)定向天线发送节点通过全向无线链路与定向天线接收节点进行协商；

4)定向天线节点收发双方的定向天线互相指向对方进行数据传输；

5)定向天线接收节点将接收的数据通过全向无线链路交付目的节点。

所述步骤3)中的协商流程进一步分为以下步骤：

3.1)发送节点发送“请求发送”报文；

3.2)接收节点将该任务加入到挂起队列的队尾，并回复是否允许立即发送的“请求响应”报文；

3.3)发送节点收到回复后，若回复是可以立即发送，即转步骤4)，发送数据；否则暂缓发送，等待对方空闲后再转步骤4)。

在所述步骤4)中，在进行数据传输前，定向天线节点对待发送数据先进行排队调度和发送调度，其中：

排队调度是指对待发送的数据排队；

每个节点维护一个待发送数据的排队队列，一个进入调度的挂起队列，以及一个当前正在处理的数据传输单元；

发送调度的过程是：节点在完成上一次调度后，首先判断挂起队列中是否有发送任务，若没有，则从排队队列中取出一个加入到挂起队列中，然后从挂起队列的队首取出要处理的新任务进行处理，至此，一次调度完毕，直到数据传输完成，开始下次调度。

本发明利用网络中存在的低速全方向无线链路通过多跳通信可与网络中所有节点通信的特性进行高速定向天线间通信的协商控制，高速的定向天线链路根据协商协议确定指向，完成大吞吐量定向数据传输。

本发明的有益效果是：(1)结合了高速定向天线与低速无线网络各自的特点，充分利用网络中的设施，实现协商与数据传输分离；(2)可以通过定向天线实现大吞吐量长距离的无线通信。

附图说明：

图1是大吞吐数据传输原理图；

图2是数据传输与协商控制协议分离示意图；

图3是协商流程；

图4是大吞吐数据发送调度流程图；

图5是定向天线链路协商与收发调度原理图。

具体实施方式：

本发明是利用定向天线的无线多跳网络高速通信方法需要考虑三方面的问题：首先对整个网络结构根据定向天线的位置划分为不同的区域，移动节点所属区域可以按照预先设定来指定，也可根据移动节点位置动态调整；第二，即如何将区域内的信息汇集到定向天线所在节点，考虑的因素有传输的数据量、目的节点所在区域等；第三，协商控制协议部分，需要考虑等待传输的定向天线是否空闲，因此需要考虑传输的排队与优先级策略。

如图1的原理图所示，区域之间需要发送的数据汇集到带有定向天线的节点，同时通过全方向的无线链路(闪电线所示)来协商数据发送，然后收发双方的定向天线互相指向对方完成数据传输，最后定向天线接收端根据数据的记录信息通过全向链路交付目的节点。

下面分三个部分介绍本发明的具体实施方式：

1、协商控制与数据传输的分离

如图2所示，本发明充分利用了网络中定向天线链路与其他无线链路的优点。网络中的定向天线传输速率较大，带宽较大，而网络中的全方向无线链路的节点间通信不需要进行方向调整。本发明结合了两者优势，实现了协商控制与数据传输的分离，在定向天线进行传输同时，用通信方便的无线链路进行通信协商，而协商协议本身不需要太多的数据传输。

2、区域内信息汇集策略

本发明将网络环境按照其本身的节点间组织关系划分为不同的区域，在每个区域中均有一个可以利用定向天线收发数据的节点。区域内的传输数据可以选择直接通过全向无线链路发送，也可以选择汇集到定向天线节点发送，我们需要定义一个标准来进行选择。由于无线自组织网络的通信链路中，节点均维护到达目标节点的路由表项，因此可以根据路由表项以及等待发送的数据量的大小，定义其信息汇集到定向天线节点的阈值函数如下：

f＝DataVolumn-k*Hop；

其中Hop表示到目标节点的距离，使用经过节点的个数(即“跳数”)表示，Data Volumn表示要发送的数据量。当f的值大于某一数值时，发送节点将会把数据信息汇集到拥有定向天线的节点，通过定向天线发送信息，否则选择直接发送数据。

3、大数据量传输的协商控制协议：包括数据传输顺序问题，本地定向天线的空闲问题，对方定向天线的空闲问题，等待传输消息发送的排队问题等。

3.1、协商的内容

通过定向天线通信，需要对通信的参数及通信时机等进行协商，本发明的协商控制协议负责协调通信双方，并控制通信过程。为实现定向天线间的通信，需要协商以下内容：双方通信的频率、通信信道，通信量大小，通信时间及收发双方是否空闲并能够通信等。

3.2、协商的流程

如图3的流程图所示，当发送节点收到汇集的大数据量待发送信息，节点向目标定向天线节点通过低速无线链路发送协商报文并协商控制定向天线发送的过程即为协商流程。协商分为“请求发送报文”与“请求响应报文”两种，“请求发送报文”中包含：序号、待发送信息的大小、目标定向天线节点地址、优先级等。“请求响应报文”包含序号、是否同意立即接收、发送地址等。发送端收到允许立即发送的“请求响应报文”即可发送数据。在图3所示的流程图中，发送节点收到区域内汇集的大数据量待发送信息后，根据其数据量大小以及紧急程度，给定一个初始优先级后，将其作为一个发送任务放入到排队队列中。当此任务满足发送条件调入到传输处理单元准备发送时，发送端向数据的接收端发送“请求发送报文”，此后发送端的处理单元等待接收端的响应报文。此时，当接收端收到发送端发出的协商报文——“请求发送报文”，首先将任务加入挂起队列队尾，若不能立即进行此任务的数据传输，则返回要求等待的“响应报文”，发送端收到后则进入等待状态；若能立即传输，接收端发送立即接收的“请求响应报文”，双方立即建立连接并进行数据传输。当接收端无法立即进行该任务数据传输时，则要根据自己的调度策略，当可以开始进行此任务的接收时，则向发送端发送立即接收的“请求响应报文”，并等待数据传输的进行。发送端收到此立即接收的响应，则发送处理单元不再等待，随即开始与接收端建立连接并完成数据传输。

3.3、数据排队与发送调度方案：

1)基于优先级的排队调度策略

首先描述定向天线节点待发送数据的排队策略，考虑各个定向天线节点上待发送信息的排队调度方案。按照待发送节点初始信息的数据量大小及初始的紧急程度，给每个待发送信息登记一个初始优先级值Start_i，随着排队时间的延长，动态统一调整排队队列中待发送信息的优先级，增量值统一定为Δi，等待时间越长，优先级增加越大，但所有已经排队的待发送信息之间的优先级关系不会改变，因此不会出现死等现象。

2)大吞吐数据发送的发送调度策略

通过上述3.2部分的协商流程，收发双方都维护有待发送信息的参数信息。所谓发送调度策略，就是通过调整定向天线的收发，完成数据传输的方案。由于定向天线收发数据首先要保证收发双方空闲，因此需要调整策略，更有效的利用定向天线进行数据收发。本发明给出了一种基本的数据发送调度方案，在调度方案中，由于定向天线同时可能需要发送、接收数据，因此方案要重点考虑在避免死锁的情况下，尽可能快地完成数据传输。

本调度方案流程如图4所示：调度是一个循环往复的过程，在每个节点维护一个发送数据的排队队列，一个进入调度的挂起队列SuspendQueue，以及一个当前正在处理的称为ProcessUnit的数据传输单元。在完成上一次调度后，首先在每个定向天线节点判断挂起队列中是否还有发送任务，若没有，则从排队队列中取出一个加入到挂起队列中，即保证“至多有一个发送任务在挂起队列或者当前传输单元中”，若用Ts表示发送任务，Rs表示接收任务，NumTs与NumRs分别表示发送和接收的任务数。

上述过程给出了针对发送任务的约束，用公式可描述为：

NumTs(ProcessUnit)+NumTs(SuspendQueue)＜＝1

数据传输单元中至多有一个任务存在，即：

NumTs(ProcessUnit)+NumRs(ProcessUnit)＜＝1

接下来，从挂起队列队首取出要处理的新任务，如果是接收任务，则发送协商响应报文给发送端要求立即接收；如果是发送任务，则发送“发送请求报文”给接收端，等待响应报文到来，发送数据；接收端接收到此报文，则将信息放置在挂起队列队尾，等待本地进程取出处理。本地队列一次调度完毕，直到数据传输完成，开始下次调度。

3)实例说明

图5给出一个简单实例说明调度策略，第一张图中A节点正向C节点发送数据，图中标识出了几个节点的排队队列、挂起队列，处理单元等调度信息情况。可知B节点已经发出向C节点传输的请求，并已经加入C的挂起队列；第二张图描述了AC通信结束后调度策略的调度工作，C取出挂起队列队首任务，发现是B的发送任务，于是向B发送响应报文以执行该任务；A节点首先看到已经没有发送任务在调度，则从排队队列中选出优先级最高的加入挂起队列，其后从挂起队列中取出D的待发送任务，向D发送响应报文以执行该任务。通过此调度方案，所有任务之间不会出现因为互相等待造成的无法执行任务的情况，而动态优先级的设定也使得不会有任务永远得不到调度。

Claims (3)

1、一种利用定向天线的无线多跳网络高速通信方法，其特征在于包含以下步骤：

1)将网络环境划分为不同的区域，使每个区域中均有一个可以利用定向天线收发数据的节点；

2)将区域之间需要发送的数据汇集到带有定向天线的节点；

3)定向天线发送节点通过全向无线链路与定向天线接收节点进行协商；

4)定向天线节点收发双方的定向天线互相指向对方进行数据传输；

5)定向天线接收节点将接收的数据通过全向无线链路交付目的节点。

2.如权利要求1所述的利用定向天线的无线多跳网络高速通信方法，其特征在于：

在所述步骤3)中的协商流程进一步分为以下步骤：

3.1)发送节点发送“请求发送”报文；

3.2)接收节点将任务加入到挂起队列的队尾，并回复是否允许立即发送的“请求响应”报文；

3.3)发送节点收到回复后，若回复是可以立即发送，即转步骤4)，发送数据；否则暂缓发送，等待对方空闲后再转步骤4)。

3.如权利要求1所述的利用定向天线的无线多跳网络高速通信方法，其特征在于：

在所述步骤4)中，在进行数据传输前，定向天线节点对待发送数据先进行排队调度和发送调度，其中：

排队调度是指对待发送的数据排队；

每个节点维护一个待发送数据的排队队列，一个进入调度的挂起队列，以及一个当前正在处理的数据传输单元；

发送调度的过程是：节点在完成上一次调度后，首先判断挂起队列中是否有发送任务，若没有，则从排队队列中取出一个加入到挂起队列中，然后从挂起队列的队首取出要处理的新任务进行处理，至此，一次调度完毕，直到数据传输完成，开始下次调度。

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