CN101192861B - 网络中调整数据速率的方法、装置及通信系统 - Google Patents

网络中调整数据速率的方法、装置及通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种网络中调整数据速率的方法，在设备刚加入网络时，设置数据速率控制参数P，有新业务或业务要求改变时，通过调整源设备和/或中转设备的P值来调整数据速率，从而在一定程度上保证设备间的公平性，减少网络拥塞。本发明还公开了一种无线通信系统和一种数据速率调整装置以及一种拓扑服务器。

Description

网络中调整数据速率的方法、装置及通信系统
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及通信网络中调整数据速率的技术。
背景技术
在无线通信网络当中，如何安排设备接入信道日趋重要。信道接入技术通常放在媒体接入控制(MAC——Media Access Control)协议层当中实现，根据不同的接入方式，可以分为频分多址接入、时分多址接入、码分多址接入、随机接入等方式。其中，随机接入方式是广泛采用的一种方式，特别是在很多自组织网络或者网状结构的网络当中，如目前的无线局域网系统、蓝牙系统、ZigBee(基于IEEE 802.15.4标准的一种低速短距离无线技术)系统等等，它具有简单、易控制、易于分布式处理等特点。
按照随机接入信道方式，设备在接入信道前先监听一段时间，如果没有发现其它设备在发送信号，就发送信号或者等待随机的时间后发送信号，如果发现其它设备在发送信号，就等待随机的时间后再监听信道。具体的算法可能有一些变化，但在高层没有必要的控制，各设备按照自己规定的速率进行数据发送，完全通过媒体接入控制协议来竞争信道。
随机接入信道方式会产生一些问题。在设备的发射功率一定的情况下，单位面积内能容纳的通信量是有限的。例如，在单位面积内有很多设备，可能不同的时刻有不同的设备在发送数据，但无论任何时候，正常情况下每个信道上只能有一个设备在发送数据，否则就会因为冲突而发生相互干扰。这样，数据量比较大的设备可能会长期占用信道，从而导致其它设备很难接入或者延时较大，难以保证设备之间的公平性。
另外，“隐藏节点”问题导致随机接入信道方式存在一些缺陷。无线通信的一个特点是，信号会随着距离很快衰减，因此每个无线设备都有一定的通信范围。如图1所示，节点B在节点C的通信范围之内，而节点A在节点C的通信范围之外。然而，在网络没有采取定向天线等硬件措施的情况下，信号的发送是无方向性的，因此，当节点C向节点D发送数据时，节点B也可以接收到。根据随机接入信道方式，当A或C发送数据之前需要监听信道，没有其它节点发送数据时自己才可能发送，以防止冲突。但在图1的情况下，由于节点A和节点C不在同一通信范围之内，节点A监听信道时并不能“听到”节点C在发送数据，因此就向节点B发送数据，此时因为节点C的干扰，节点B不能正常接收，也就是说节点A和节点C发送的信号在节点B处产生冲突，这时节点C就称为节点A的“隐藏节点”。同样，节点A也可以成为节点C的隐藏节点。
“隐藏节点”的存在，不仅会导致其它无关设备能对本设备产生影响，而且会导致同一通信链路上的几个设备本身也会相互影响。如图2所示，通信链路为A->B->C，采用一个通信通道。这条链路不能以100％的最高速率进行数据传输，因为当设备A发送数据到设备B的时候，设备B不能发送数据到设备C，否则设备B的发射机信号会对自身的接收机造成严重干扰。因此，最高速率只有50％，即50％的时间设备A发给设备B，另外50％的时间设备B发给设备C。
在3跳的情况下，“隐藏节点”对通信速率的不利影响比图2所示的两跳更加突出。如图3所示，通信链路为A->B->C->D，采用一个通信信道。这种情况下，速率最多只能达到1/3的最高速率。当设备A向设备B发送数据的时候，设备B的发射机信号会影响自己的数据接收，所以不能发送信号，设备C作为设备A的“隐藏节点”也不能向设备D发数据；设备B向设备C发送数据的时候，设备A和设备C都不能发送数据，因为设备B和设备C的发射机信号都会影响自己的数据接收，即设备A发送到设备B的数据受到影响，而设备C发送到设备D的信号会影响自己；同理，设备C发给设备D的时候，设备A和设备B都不能发送数据。因此，整个链路被迫分为三段，每段最多利用1/3的时间进行通信，因而整条链路的速率被限制为最高速率的1/3。对于跳数更多的情况，如果不采用如定向天线的硬件措施，即使是最好情况下，速率也被限制为最高速率的1/3。
如上所述，“隐藏节点”的存在导致设备间的相互影响，从而限制了设备的通信速率。对于随机接入信道的设备来说，因为无法预测何时会发生这种影响，所以不能保证通信速率，进而导致不能保证业务时延满足要求。
发明内容
本发明增加一些控制机制来保证设备业务的时延指标等服务质量，并在一定程度上保证设备间的公平性。
本发明实施例提供了一种网络中调整数据速率的方法：给网络中的设备设置数据速率控制参数P；有新业务或业务要求改变时，通过调整源设备和/或中转设备的P值来调整数据速率。
本发明实施例还提供了另一网络中调整数据速率的方法：给网络中的设备设置数据速率控制参数P和数据量门限；当业务的数据量低于所述数据量门限时，采用所述参数P控制的数据速率来发送数据；当业务的数据量不低于所述数据量门限时，通过调整源设备及中转设备的P值来调整数据速率。
本发明实施例还提供了一种通信系统，包括至少两个设备，所述设备包括：设置单元，用于设置数据速率控制参数P的值；调整单元，用于在所述设备作为源设备或中转设备时，调整所述设置单元设置的P值以调整数据速率。
本发明实施例还提供了另一种通信系统，包括至少两个设备和一个拓扑服务器，其中，至少两个所述设备包括：设置单元，用于设置数据速率控制参数P；调整子单元，用于在所述设备作为源设备或中转设备时，根据所述拓扑服务器的通知调整所述设置单元设置的P值以调整数据速率。所述拓扑服务器包括：存储单元，用于存储网络的拓扑信息和网络中各设备的P值信息；预留单元，用于在有新业务或业务要求改变时确定所述设备作为源设备或中转设备时的预留值；通知单元，把所述预留单元确定的预留值通知作为源设备或中转设备的所述设备。
本发明实施例还提供了一种数据速率调整装置，包括：设置单元，用于给网络设备设置数据速率控制参数P；调整单元，用于调整所述设置单元设置的P值以调整数据速率。
本发明实施例还提供了另一种数据速率调整装置，包括：设置单元，用于给网络中的设备设置数据速率控制参数P；调整子单元，根据所述拓扑服务器的通知调整所述设置单元设置的P值以调整数据速率。
本发明实施例还提供了一种通信网络中的拓扑服务器，包括：存储单元，用于存储网络的拓扑信息和网络中各设备的P值信息；预留单元，用于在有新业务或业务要求改变时确定网络中的源设备或中转设备的预留值；通知单元，把所述预留单元确定的预留值通知所述源设备或中转设备。
依据本发明，给网络中的设备设置数据速率控制参数P，并随着业务要求的变化来调整P值，从而保证数据速率满足业务的时延指标要求，并且在一定程度上保证设备间的公平性，防止设备随意发送数据，减少网络拥塞。
附图说明
图1是现有技术中隐藏节点问题的示意图；
图2是现有技术中2跳通信的示意图；
图3现有技术中3跳通信的示意图；
图4为本发明一实施例的流程图；
图5为图4所示的实施例中一种随机接入信道的算法流程图；
图6为图4所示的实施例中一种网络的局部示意图；
图7示出了图4所示实施例中的仿真结果；
图8为图4所示实施例中又一种网络的结构简图；
图9为图4所示实施例中另一种网络的结构简图；
图10为图4所示实施例中的P值调整流程图；
图11为本发明另一实施例中的星形网络结构简图；
图12为本发明又一实施例中的网络结构简图；
图13a和图13b为本发明的装置实施例的结构简图；
图14为图12中部分设备的结构简图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本发明通过增加一些控制机制来保证业务的时延等质量要求。保证服务质量通常有两种方法：一种是直接修改MAC层的信道接入协议；另一种方法是修改高层的控制协议。第一种方法难度比较大，而且兼容性不好，破坏了协议层的独立性，第二种方法相对比较容易，而且兼容性好。本发明实施例考虑第二种方法。
流程如图4所示，具体描述如下。
步骤401：在设备刚加入网络时，设置一个数据速率控制参数P，以保证该设备业务的时延等要求。这个参数P表征设备对信道资源的最大占用率，用于控制高层(泛指媒体接入控制层以上的协议层)发送数据的速率。高层发送数据的时候并不是一次连续发送完毕，而是分段发送，每段之间有一个时间间隔。定义总的分段发送时间除以总的发送时间(即总的分段发送时间加上总的间隔时间)等于P或者以P为唯一自变量的表达式(如2＊P)。根据P的定义可知，设备的P值越大，该设备业务的数据速率越快，时延越小。
每个分段的大小可以相同，也可以不同。间隔的时间可以相同，也可以不同。协议一般都会规定分段的最大长度，所以一种常用的情况是设备尽量按照最大的分段大小来发送数据。例如，在IEEE 802.15.4协议中规定了物理层数据帧的最大长度是127字节，而数据速率为250kbps，那么，发送一个最大分段所需要的时间是127＊8/250＝4ms。如果设置P＝0.4，那么每发送一个最大分段就应该间隔6ms。当设备发送的数据量较大超过了最大分段的大小时，常用的办法是按照最大分段长度来分段发送，因此每发送4ms就会间隔6ms。
设备刚加入网络的时候，参数P的值可以设置为0(忽略信令传输所占用的资源)，也可以预设为应用规范规定的一个初始值。通常，应用规范中会规定最大时延、平均时延、查询速率等性能指标参数，因此也可以在应用规范当中给出参数P的初始值。不同的应用规范可能规定不同的P，而对于某一设备，可能同时实现多种应用，因而，当设备的业务改变时，相应的P值也会改变。
应用协议可以根据参数P与平均时延的关系来设置参数P的初始值。下面以一个简单的理论分析为例，找出参数P和平均时延的关系。
图5是一种随机接入信道算法的流程图。本算法使用指数退避，NB表示总的退避次数，BE表示退避指数，macMinBE表示最小的退避指数，aMaxBE表示最大的退避指数，macMaxCSMABackoffs表示规定的最大退避次数，random(x)表示从0到x均匀分布的随机数，min(x，y)表示取x和y中的最小值。
假设：
MBE＝macMinBE，m＝macMaxCSMABackoffs；(MBE+m)始终小于aMaxBE，即假设aMa×BE的值比较大，这样计算出来的延时可能偏大一些，但方便分析；节点发送不成功会继续发送，一直发到成功为止；某设备N设定的参数P＝p，那么在最坏的情况下，它周围的节点最大占用(1-p)的信道资源。
又假设在最坏的情况下周围所有的设备都按照协商好的最大速率发送数据，因为设备N并不知道周围设备具体什么时候发送数据，所以可以认为设备N在任何时刻发送数据成功的概率为p。
设ti＝random(0，2MBE+i-1)，ti表示每次退避的时间，它是一个从0到2MBE+i-1的均匀分布随机数。另外设si＝t1+t2+......+ti，即si表示i次退避时间的总和。
因为一开始就要退避，所以退避1次的概率为p；退避2次的概率为(1-p)p；......退避v次的概率为(1-p)v-1p。
虽然退避算法中NB＞m就会失败，但由于MAC层或者更高层的重传机制，相同的数据包会重发，此时NB又归0，退避指数也复位，因此先考虑前m次退避。在m次退避里，平均延时为
T1＝p＊s1+p(1-p)＊s2+p(1-p)2＊s3+......+p(1-p)m-1sm    (1)
接着考虑第(m+1)次到第2m次退避，注意此时退避指数复位，所以平均延时为T2＝p(1-p)m(sm+s1)+p(1-p)m+1(sm+s2)+......+p(1-p)2m-1(sm+sm)
＝(1-p)mT1+sm(1-p)m[1-(1-p)m-1]    (2)
如此类推，
Ti＝(1-p)(i-1)mT1+(i-1)sm(1-p)(i-1)m[1-(1-p)m-1]    (3)
因此总的平均时延为
T＝E(T1+T2+......+T∞)
＝1/[1-(1-p)m-1]＊p＊{∑i＝1 m(1-p)i-1＊[2MBE(2i-1)-i]/2}
+[2MBE(2m-1)-m]＊[1-(1-p)m-1]＊G/2    (4)
这里“E”是指取数学期望；G是一个无穷级数，|1-p|＜1时收敛
G＝∑i＝1 ∞i(1-p)i＊m    (5)
从式(4)可以得到参数P和平均时延的关系：P参数设置得越大，平均时延越小。
下面再以一个简单的仿真结果来说明。假设网络的局部情况如图6所示，当设备C发送大量数据到设备D的时候，设备A正要向设备B发送一个数据包，由于冲突和底层控制算法的退避，设备A发送的数据包可能有时延，这个时延跟设备A到设备B的数据速率即P的设置有关。根据图5的底层算法流程作一个
仿真，结果如图7和表1所示。其中一些参数的取值情况为：MBE＝3，macMaxCSMABackoffs默认值为4，aMaxBE＝5；单位递退时间为0.32ms。
表1
  P   最大时延(ms)   平均时延(ms)
  0.1   340   45
  0.2   110   17
  0.3   76   9.7
  0.4   69   7.2
  0.5   62   5.5
  0.6   32   3.4
  0.7   19   1.8
  0.8   12   1.2
  0.9   12   0.59
图7和表1当中的P是指设备A的P参数，可以看出设备A的P值越大，设备A到设备B的时延就越小。因此，为了使设备A到设备B的时延符合性能要求，P值越大越好，但是，参数P表征网络资源占用率，P参数的设置必须考虑周围的其它设备，一般规定周围设备的P值之和不能超过某个值，这个值表示的是网络的容量，例如“1”。因此，设备需要与周围其它设备例如设备C进行协商，设置合理的P值。
应用规范也可以根据参数P与最大时延的关系来设置参数P的初始值。理论上的最大时延是不存在的，最大时延只是在一定概率前提下存在，例如，如果限定概率低于0.0000001的情况忽略不计，而又规定最大时延是200ms，那么只要大于200ms时延的概率低于0.0000001就可以了。因此，当要求保证最大时延的时候，需要设定两个门限——概率门限和时延门限，如果超过时延门限的概率低于概率门限，即满足最大时延要求。然后，可以通过仿真或者理论计算确定最大时延对应的P值。
步骤402：新加入设备设置完参数P之后把P值通知邻设备，邻设备判断该P值是否合理，如果合理，则该P值即为前述新加入设备的默认值，如果不合理，则执行步骤406。
邻设备是指位于某一设备自身无线覆盖范围内、可以和所述的某一设备进行直接通信而无需经过其它设备进行中转的设备。相对于邻设备而言，所述的某一设备称为主设备。邻设备根据自己的邻设备P值情况判断新加入设备的P值设置是否合理，如果合理，则给出一个包含成功的状态响应，也可以不响应，即默认不响应为合理，此种情况下不改变设置的P值。
步骤406：邻设备给出一个包含失败状态和期望的合理P值的响应，新加入设备根据邻设备响应的信息修改自己的P值，例如把P设置为所有失败状态响应的期望合理值中的最小值。该修改后的P值即为前述新加入设备的默认值。
是否合理的一种判断方法为：主设备和所有邻设备P值之和不超过某个常数，例如1，因为“1”代表100％的网络容量。该常数也可以不是1，例如，用户为了给使用相同频段工作的其它网络预留一定的工作时间，或者减小和周围网络的干扰，可以设置小于1的常数；也可以设置大于1的常数，因为所有邻设备同时发送数据的可能性不大，设置为“1”只是考虑最坏的情况，而为了提高网络的总体容量，允许一定可能的拥塞的出现。
以图8所示的网络为例，设备B刚加入网络时设置P值为0.1，然后通知邻设备A，邻设备A已知它自己的邻设备C和D的P值都是0.05，而自己的P值为0.1，再加上新加入的设备B的P值，总和0.3＜1，因此发送包含成功状态的响应或者不响应。如果设备B刚加入时的P值为0.9，那么邻设备A计算的参数总和为1.1＞1，因此向设备B发送包含失败状态的响应并且给出期望值0.8，设备B收到响应后把自己的P值改为0.8。
需要说明的是，网络当中并不是所有的设备都有调整参数P的能力。例如，某些设备业务类型单一、而且本身数据速率低、设计简单，没有调整P参数的能力。这种设备如果作为邻设备，那么在判断主设备的P值设置是否合理时，需要估计此种邻设备的P值。一种方法是，在主设备中预先存储一个业务类型与P值的对应表，然后根据此种邻设备的业务类型从对应表中查找对应的P值。例如，如果设备是无线控制的电灯，可以假设其P参数为0.05。
给刚加入网络的设备设置完P值后，也可以不需要邻设备验证是否合理，因为通常来说，给刚加入网络的设备设置P值时就已经考虑了网络拥塞可能性和时延要求，具有较大的合理性。所以，步骤402为可选步骤，该步骤使P值的设置更加合理。
步骤403：有新业务或业务要求改变时，通信连路上的设备发起资源预留过程，并根据预留结果来调整P值。如图10所示，该资源预留过程包括发送资源预留请求命令、各设备判断预留情况并根据预留情况确定各自的预留值、确定最小预留值、源设备通知各中转设备(即中间转发设备)把P值更新为最小预留值等步骤。其中，源设备的资源预留可以在发送资源预留请求之前开始，也可以在发送预留请求的同时开始，还可以在发送预留请求之后开始。各设备调整P值的过程具体描述如下。
设一开始网络的情况如图9所示，每个设备都已经设置好参数P的值，此时设备A准备发起一个新的业务，需要传送大量数据到设备D。根据业务的时延要求，应用规范规定设置参数P值最低为0.2，最高为1。此时设备A发现原先设置的P＝0.1＜0.2，因此需要发起资源预留过程，以调整P值。
4031：发起新业务的源设备A向业务目的设备D发送一个资源预留请求命令，也可以只向所有中转设备发送预留请求命令。本实施例中采用向目的设备发送预留请求命令。该命令包括源设备A的地址和目的设备D的地址，还包含预留资源项，即设备A对于参数P的期望值，或者，包含预留资源项和最低要求预留资源项(即P的最低要求值)。在命令当中包含P的最低要求值是为了便于后续处理，也可以为了简便不包含该值。P的最低要求值由业务本身的性能要求决定，本实施例中，根据业务的时延要求，规定最低要求值为0.2。参数P的期望值，可以选择最低要求值0.2或者最大值1/3，也可以选择默认的一个值。
期望值的最大值与跳数有关，当跳数为N时，可以规定期望值的最大值为1/N。图9中，设备A可以通过查找路由表得知到目的设备D有3跳，因此P的期望值的最大值只能设为1/3。如果不能从路由表获知跳数，也可以规定凡是非直接到达的数据传输，P的最大值只能设为1/3，而是否直接可达一般是可以通过邻居表或路由表得知的。
这里设置P的期望值为0.33，然后包含在资源预留请求命令发送到设备D。
当源设备到目的设备只有1跳，即源设备与目的设备直接相连时，可以省去发送资源预留请求命令的步骤。
4032：源设备以及通信链路上的中转设备进行资源预留，包括：判断预留是否成功(即这些设备对于参数P的期望值是否被网络容量所允许)，根据判断结果确定P的预留值。具体方法有四种。
第一种方法是每个设备通过查询邻居表来判断预留是否成功，即判断邻居表当中所有设备的P值加上自己对于P的期望值之和是否超过常数S，如果不超过S，则预留成功。如果超过S，则预留失败。常数S的值可以取“1”，表示100％的网络容量，也可以大于1或小于1。如果预留成功，则把期望值作为预留值；如果预留失败，则认为预留值为0，或者，在资源预留请求命令包含了最低要求值的情况下，选择一个降低的预留值，也就是说，在最大允许值与最低要求值之间选择一个值作为预留值。所述的最大允许值指的是与邻设备的P值之和为S时的P值。如果最大允许值小于最低要求值，则认为预留值为0。
第二种方法是，每个设备通过实时查询邻居表来判断预留是否成功，即向邻设备发送P值搜集命令获得最新的P值，然后再计算P值之和是否超过S。如果预留成功，则把期望值作为预留值；如果预留失败，则认为预留值为0，或者，在资源预留请求命令包含了最低要求值的情况下，选择一个降低的预留值，也就是说，在最大允许值与最低要求值之间选择一个值作为预留值。
第三种方法是每个设备(此时称为主设备)分别询问各自的所有邻设备，根据所有邻设备的响应来判断预留是否成功。也就是说，每个设备给自己的所有邻设备发送预留查询请求命令，可以使用1跳的广播来发送，也可以用单播发送。该命令中包含自己对于参数P的期望值，或者同时包括参数P的期望值和最低要求值。
邻设备收到预留查询请求命令后判断预留是否成功，方法是查询邻居表看其中所有设备的P参数加上自己的P值(如果为通信链路上的设备，则为期望值)之和是否超过常数S，如果不超过S，则预留成功，把期望值作为预留值。如果超过S，则响应预留失败；或者，在响应中给出一个比原期望值小的期望预留值，然后，主设备根据邻设备的响应选择一个降低的预留值，具体为：如果邻设备在最大允许值与最低要求值之间选取一个值作为期望预留值，那么主设备在各邻设备响应的期望预留值中选择最小的一个作为预留值。如果邻设备在不超过最大允许值的所有值中任意选取一个值作为期望预留值，那么主设备在各邻设备响应的期望预留值中选择最小的一个作为准预留值，并且判断该准预留值是否不小于最低要求值，如果不小于，则将该准预留值作为预留值。如果最大允许值小于最低要求值，则邻设备给出预留失败的响应，也可以等待某些设备的P值变化后再响应。
如果有一个邻设备响应预留失败，则主设备预留失败，确定主设备的预留值为0。
第四种方法也是每个设备分别实时询问各自的所有邻设备，根据所有邻设备的响应来判断预留是否成功。即每个邻设备在判断预留是否成功时，不是用邻居表中各设备的值来计算，而是通过向自己的邻设备发送P值搜集命令获得最新的P值后，以所获得的最新值来计算P值之和是否超过S。
如果超过S，则响应预留失败，或者在响应中给出一个比原期望值小的期望预留值。主设备根据邻设备的响应选择一个降低的预留值，具体为：如果邻设备在最大允许值与最低要求值之间选取一个值作为期望预留值，那么主设备在各邻设备响应的期望预留值中选择最小的一个作为预留值。如果邻设备在不超过最大允许值的所有值中任意选取一个值作为期望预留值，那么主设备在各邻设备响应的期望预留值中选择最小的一个作为准预留值，并且判断该准预留值是否不小于最低要求值，如果不小于，则将该准预留值作为预留值。如果最大允许值小于最低要求值，则邻设备给出预留失败的响应。
如果预留失败，则视为预留值为0。如果预留成功，则把期望值作为预留值。
四种方法中，第二种方法和第四种方法的实时性强，最后得到的P更为合理，但是占用的网络资源也更多些。
继续以图9所示的网络为例来说明预留值的确定过程。取S值为1。
设备A发送资源预留请求命令后，设备B、C、D都收到这个命令，此时，A、B、C都各自进行资源预留查询，判断预留是否成功。如前文所述，查询方法可以有四种。
第一种方法是直接查找邻居表。以设备B为例，它的邻设备有A，F，C，各自的P值分别为0.1，0.05，0.1，加上自己期望的P值0.33后仍然小于1，因此预留成功，确定设备B的预留值为0.33。
第二种方法是实时查询邻设备的P值。仍以设备B为例，B向邻设备A，F，C发送P值搜集命令，这时通信链路上的各设备以期望值来反馈，因此，获得最新的P值分别为0.33，0.05，0.33，加上B自己预留的0.33后超过1，因此预留失败，此时，B可以反馈预留失败并确定P的预留值为0，也可以在最低要求值0.2与最大允许值0.29之间选取一个值作为预留值，这里选取0.27。
第三种方法是向邻设备发送资源预留查询命令，邻设备收到该命令查询各自的邻居表，确定预留是否成功。仍以设备B为例，设备B发送一个资源预留查询命令到所有邻设备A，F，C，该命令中包含期望预留值0.33和最低要求值0.2。邻设备A，F，C收到资源预留查询命令后，分别查询自己的邻居表。例如，A查询到邻设备B、E和F的P值都为0.05，自己为0.33，再加上设备B的0.33，总和小于1，因此A反馈预留成功的响应。而F查询邻居表中邻设备的值为A：0.33，B：0.33，C：0.1(在F查询自己的邻居表时，可能已经收到C的预留查询命令，邻居表中C的P已变为0.33；也可能没收到，邻居表中C的P值仍为0.1。这里假设还没收到C的预留查询命令)，E：0.05，G：0.05，再加上自己的值0.05，仍小于1，因此响应预留成功，同样C也响应预留成功，因此确定B的预留值为0.33。需要说明的是，邻设备在收到预留查询命令后，可以立即判断预留是否成功，也可以先延时一段时间再进行判断。延时是为了等待是否有其他主设备的预留查询命令，延时的时间通常为预留请求命令经过若干跳传输的延时，例如3跳或者4跳。例如，邻设备F在收到主设备A的预留查询命令后，经过3跳传输的延时后，再进行预留是否成功的判断。在延时期间，设备C也向设备B发送了预留查询命令，因此设备F的邻居表中，设备C的P值已变为0.33。
第四种方法跟第三种类似，只是每个邻设备收到资源预留查询命令后实时询问各自的邻设备。这里以设备A为例，它先向邻设备B，E，F发送资源预留查询命令，各邻设备收到该命令后，向自己的邻设备发送P值搜集命令获得最新的P值。对于设备B，它向自己的邻设备A，C，F发送P值搜集命令，这时通信链路上的各设备以期望值来反馈，因此，获得最新的P值分别为0.33，0.33，0.05，加上B自己的值0.33，总和大于1，因此B响应预留失败，或者要求把P调整为最低要求值0.2与最大允许值0.29之间的一个值，这里取0.27。对于设备E，它向自己的邻设备A，F，H发送P值搜集命令，获得最新的P值分别为0.33，0.05，0.2，再加上自己的值0.05，总和不超过1，因此响应预留成功；对于设备F，它向自己的邻设备A，B，C，E，G发送P值搜集命令，获得最新的P值分别为0.33，0.33，0.33，0.05，0.05，再加上自己的值0.05，总和大于1，因此响应预留失败或者给出一个降低的期望预留值，但发现即使降低到最小要求值0.2也不能满足要求，因此响应预留失败。最后，设备A根据邻设备B，E，F的响应，得出预留失败。设备A可以降低期望值，再次发起预留请求，或者等待B发起请求的时候F要求B降低要求到0.2，这时再向A响应预留成功，但预留值降低为0.2。
表2列出了四种方法最后确定的A，B，C的预留值。
表2
  节点   方法1   方法2   方法3   方法4
  A   0.33   0.33   0.33/0.2   0/0.2
  B   0.33   0/0.27   0.33/0.2   0.33/0.2
  C   0.33   0.33   0/0.2   0.33
对于没有P值调整能力的设备，如果作为源设备，其数据速率是相对固定的，如果作为中转设备，那么其速率依赖于源设备的数据速率。如果作为邻设备，那么在判断主设备的P值设置是否合理时，需要根据此种邻设备的业务类型估计出其对应的P值。
仍以图9所示的网络为例，假设设备B没有调整P的能力。因而源设备A有新业务或业务要求改变时，作为中转设备的设备B不需要进行资源预留。在采用前述的四种查询方法来判断设备A的预留是否成功时，根据设备B的类型估计出其P值为0.05，然后以这个值进行资源预留判断。
4033：确定最小预留值。一种方法是目的设备向源设备发送资源预留响应命令，也可以是由通信链路上的最后一个中转设备向源设备发送资源预留响应。在资源预留响应命令中包含最小预留值域，该最小预留值域的初始值为S，每经过一个中间设备时，该设备把自己的预留值跟最小预留值域中的值做比较，如果小于最小预留值域中的值，就把最小预留值域中的值变为该预留值。所有中转设备及源设备都比较完之后的最小预留值域中的值即为最小预留值。另一种方法是，中转设备都通过资源预留响应向源设备报告自己的预留值，源设备在中转设备所响应的预留值以及自己的预留值中选择一个最小的值作为最小预留值。
继续以图9所示的网络为例。目的设备D收到资源预留请求命令后向源设备A发送包含最小预留值域的资源预留响应，依次经过设备C，B，A。以表2中的方法2得到的预留值为例(B取0.27)。最小预留值域的初始值为1，途经设备C时，C把自己请求的P参数预留值0.33与最小预留值域的初始值1作比较，比1小，因此把最小预留值的值替换为0.33。然后到达设备B，B的预留值0.27比0.33小，因此把最小预留值域替换为0.27。然后到达设备A，A的预留值为0.33，比0.27大，因此最小预留值域的值不变，仍为0.27。0.27即为最小预留值。
4034：判断最小预留值是否为0，如果不为0，则执行步骤4035，如果最小预留值为0，即预留失败，则执行步骤4037。
4035：源设备及中转设备把自己的P值调整为最小预留值，具体为：源设备把自己的P值调整为最小预留值，并向目的设备发送包含最小预留值消息的预留通知命令。在目的设备不是休眠设备时，不需要设置查询速率，因此源设备可以只通知所有中转设备最小预留值。源设备调整自己的P值可以在发送预留通知命令之后，也可以之前，还可以同时。
途经的中转设备接收到预留通知命令后把自己的参数P值更新为最小预留值。源设备及中转设备更新完P值后，可以通知各自的邻设备参数更新情况，也可以不通知。
需要说明的是，当源设备到目的设备只有1跳时，即源设备与目的设备可以直接通信时，可以不用发送资源预留响应命令，不用确定最小预留值，也不用发送预留通知命令，而是直接把源设备的预留值作为调整后的P值。
4036：如果源设备发现预留失败，可以降低期望值，再次发起预留过程，也可以通知高层预留失败。
如果目的设备或中转设备是休眠设备，而且使用周期性查询的机制来接收数据，则可以在步骤403之后增加步骤407：根据调整后的P参数来设置合适的查询速率。
如果接收设备是休眠设备，那么发送设备不知道它何时“醒”来，因此不知道什么时候适合发送数据，所以可以采用接收方周期性查询的方式来接收数据。即作为接收设备的休眠设备每隔一段时间询问发送设备是否有发送给它的数据，如果有，发送设备就发送数据到休眠设备。休眠设备的查询速率/周期不会直接影响总的数据速率，但是对时延有较大影响，因此应该根据P参数设置合理的查询速率/周期。假设图9中的设备D是休眠设备，调整后的P值为0.27，又假设0.27的参数P对应的时延为70ms，那么B的查询周期必须设为70ms以下，或者改用非周期性查询的工作方式。
步骤404：设备A按照调整后的参数P控制的数据速率发送数据。中转设备按照调整后的参数P控制的数据速率进行数据转发。如果中转设备或目的设备中有休眠设备，则休眠设备根据设定的查询速率进行数据接收。
需要说明的是，资源预留过程增加了一些网络开销，为了平衡开销和获得的好处，可以根据资源预留增加的网络开销情况来设置一个数据量门限，在发起资源预留过程之前先判断新业务的数据量是否低于数据量门限。如果数据量低于数据门限，则可以不调整P值，而是直接用默认的P值(即步骤401中设置的P值，或者步骤406中修改后的P值)控制的速率来发送数据；或者在判断预留是否成功时采用较简单的预留方法，例如查询邻居表的方法。
步骤405：当数据发送完毕，即业务结束时，把源设备及中转设备的参数P还原为调整前的值，即默认值。可以将恢复信息通知邻设备，也可以不通知。
在另一实施例中，网络为星形网络，如图11所示。
在图11所示的星形网络中，假设一开始只有设备A，然后有新设备加入，每一个新加入设备都与设备A直接相连。新设备加入的时候都设定P值为默认值0.05，并通知设备A，设备A也把自己的P值设置为默认值0.1。
某一时刻，设备F有新的业务，目的设备是设备A，需要把P值提高到0.3，最低为0.2，也就是说，期望值为0.3，最低要求值为0.2。
设备F通过查询路由表或其他方法得知目的设备A是直接相连的设备，即只有1跳，设备F直接进行资源预留，判断预留是否成功。设备F可以采用步骤4032所述的四种方法之一来判断资源预留是否成功，并确定预留值。这里只以第一种方法为例。设备F查询自己的邻居表，邻居表中的邻设备只有设备A，其P值为0.1，加上设备F的期望值0.3，总和不超过1(取S＝1)，预留成功，因此设备F的预留值为0.3。
设备F把P值调整为0.3，并按照调整后的参数P＝0.3所控制的数据速率发送数据。业务结束时，把源设备F的参数P还原为默认值0.05，可以将恢复信息通知邻设备，也可以不通知。
图13a和图13b为本发明的装置实施例的结构图。如图13a所示，在包含设备1、设备2和设备3的无线网络中，设备1装备有数据速率调整装置1302，设备2装备有数据速率调整装置1304。如图13b所示，数据速率调整装置1304具体包括设置单元1305、调整单元1306，还可以包括判断单元1318和通知单元1320，还可以包括查询速率设置单元1316和恢复单元1317。调整单元1306又具体包括第一预留单元1308、响应单元1312、最小预留值确定单元1314和第一调整子单元1310。调整单元1306也可包括第二预留单元和第二调整子单元，以适用于只有1跳的情形(未在图中示出)。数据速率调整装置1302包含与数据速率调整装置1304同样的单元(未在图中示出)。
需要说明的是，如果数据速率调整装置应用于源设备，可以没有响应单元，如果应用于中转设备，可以没有最小预留值确定单元。
假设图13a的网络中，原来有设备2和设备3。在设备1刚加入网络时，设置单元设置一个数据速率控制参数P，以保证该设备业务的时延等要求。
可选地，作为主设备的设备1设置完参数P之后把P值通知作为邻设备的设备2。设备2的判断单元1318判断作为主设备的新加入设备1的设置单元设置的参数P是否合理，具体判断方法如前面的方法实施例所述。如果不合理，则设备2的通知单元通知设备1的设置单元修改P的值。
有从设备1发送到设备3的新业务或者设备1到设备3的业务要求改变时，作为源设备的设备1和作为中转设备的设备2中的调整单元对P值进行调整，以满足新的数据速率要求。
以设备2为例，具体过程为：设备1的调整单元中的发送单元向作为目的设备的设备3发送包含P的期望值的资源预留请求，途径设备2。设备2收到请求后，设备2中的第一预留单元1308进行资源预留，确定设备2的预留值。在此期间，设备1也通过其第一预留单元确定了预留值。设备1可以在发送预留请求之前开始资源预留，也可以在发送预留请求的同时开始资源预留，还可以在发送预留请求之后开始资源预留。设备2确定预留值后，通过响应单元1312把预留值告知设备1。设备1的最小预留值确定单元在自己的预留值与设备2的预留值中选择一个最小的值作为最小预留值。设备1把确定的最小预留值通知设备2，设备2收到后通过第一调整子单元1310把自己的P值调整为最小预留值。
如果源设备到目的设备只有1跳，则需要调整P值时，直接由源设备的第二预留单元进行资源预留，确定预留值，然后，源设备的第二调整子单元把P值调整为预留值。
如果设备2或设备3为休眠设备，则还需要设置查询速率。本实施例中假设设备2为休眠设备，由设备2中的查询速率设置单元1316依据调整后的P值设置查询速率。
设备1按调整后的参数P控制的数据速率发送数据；设备2按照调整后的参数P控制的数据速率中转数据，并按照设置的查询速率进行数据接收。数据发送完毕后，设备2中的恢复单元1317把参数P恢复为默认值，即设置单元1305最初设置的P值或者修改后的P值。
前面几个实施例描述的数据速率调整方法和装置都是基于分布式控制的方式，当网络规模比较小时，可以使用集中控制的方式来代替分布式控制。下面详细阐述基于集中控制的数据速率调整方法及装置的实施例。
在网络当中设置一个拓扑控制器，存储有网络的拓扑信息和网络中各设备的参数P值(每个设备在加入网络的时候告知)。当设备因为新业务或业务要求改变而需要改变P值时，不再是发送资源预留请求到目的设备，而是发送到拓扑控制器。拓扑控制器收到预留请求之后，结合拓扑进行计算，然后给请求的源设备和通信链路上的中转设备返回预留成功，或者需要修改及修改后的P值，或者预留失败，也有可能给作为中转设备或目的设备的休眠设备发出查询速率设置命令，然后源设备根据设定的P参数值来发送数据，中间设备根据设定的P参数值来中转数据，休眠设备根据设定的查询速率进行数据接收。下面以图12所示的网络为例来说明集中控制方式的具体操作。
图14为图12中部分设备的结构简图。其中，拓扑服务器1410为图12中的S，包含通知单元1412、预留单元1414和存储单元1416。设备1402为图12中的设备A，装备有数据速率调整装置1406，具体包括发送单元1418、设置单元1404和调整子单元1408。设备1420为图12中的设备B，装备有数据速率调整装置1422，具体包括设置单元1424和调整子单元1426。
如图12和图14所示，拓扑服务器1410中的存储单元1416存储有网络的拓扑信息，和设备A、B、C、D、E的P值信息。当设备A要发送数据到设备D时，对于P的期望值为0.33，最低要求值为0.2。于是设备A中的发送单元1418发送资源预留请求到拓扑服务器1410，拓扑服务器1410收到请求后，通过存储的拓扑信息得知设备A到设备D还要经过设备B和C，并且通过存储的拓扑信息得到A，B，C各自的邻设备包括哪些设备，于是，拓扑服务器1410中的预留单元1414分别计算设备A，B，C和它们各自的邻设备的P值(通信链路上的设备以期望值来参加计算)之和是否超过规定的常数，假设常数是1。B的邻设备A，C，E的P值分别为0.33，0.33，0.1，加上B的0.33，超过1，因此预留单元1414把A的期望值降低一个步长0.03，变为0.3，再重新计算。计算过程和前面实施例类似，此处不再赘述。
经计算，设备A，B，C都不超过1，因此，预留单元1414确定设备A，B，C的预留值都为0.3。确定预留值后，拓扑服务器1410中的通知单元1412分别通知设备A，B，C预留值为0.3(设备C未在图中示出)。收到通知后，设备A中的调整子单元1408把设备A的P值调整为0.3。如果设备B，C或D中有休眠设备，则拓扑服务器1410根据0.3的P值来设置休眠设备的查询速率，并将设置结果通知休眠设备。然后，设备A按照P＝0.3控制的数据速率发送数据，设备B和C按照P＝0.3控制的数据速率中转数据，休眠设备按照设置的查询速率来接收数据。
附图和相关描述只是为了说明本发明的原理，并非用于限定本发明的保护范围，例如，本发明也可适用于有线通信网络。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (21)

1.网络中调整数据速率的方法，其特征在于，
给网络中的设备设置数据速率控制参数P；
有新业务或业务要求改变时，通过调整源设备和/或中转设备的P值来调整数据速率；
其中，所述调整源设备和/或中转设备的P值的方法为：
所述源设备向目的设备、中转设备或者拓扑服务器发送包含对于P的期望值的资源预留请求；
确定所述源设备及中转设备各自的预留值；
根据所述源设备及中转设备各自的预留值确定最小预留值；
当最小预留值不为0时，源设备及中转设备把P值调整为最小预留值。
2.根据权利要求1所述的网络中调整数据速率的方法，其特征在于，在调整P值之前进一步包括：
将所设置的参数P的值通知邻设备，所述邻设备判断所述P值是否合理。
3.根据权利要求2所述的网络中调整数据速率的方法，其特征在于，如果给所述网络中的设备设置的P值与其邻设备的P值之和不超过预设常数，则合理，如果超过则不合理。
4.根据权利要求2所述的网络中调整数据速率的方法，其特征在于，如果所述邻设备判断得出所述P值不合理，则根据所述邻设备的响应修改所述P值。
5.根据权利要求1所述的网络中调整数据速率的方法，其特征在于，当最小预留值为0时，所述源设备降低期望值重新发起资源预留或者通知高层预留失败。
6.根据权利要求1所述的网络中调整数据速率的方法，其特征在于，当所述目的设备或中转设备为休眠设备时，进一步包括：
根据调整后的P值设置合适的查询速率。
7.根据权利要求1所述的网络中调整数据速率的方法，其特征在于，如果所述源设备向目的设备或中转设备发送资源预留请求，则所述源设备及中转设备根据以下四种方法之一确定各自的预留值：
通过查询邻居表来判断预留是否成功，如果预留成功，则把期望值作为预留值，如果预留失败，则认为预留值为0，或者在所述资源预留请求包含了最低要求值的情况下选择一个降低的预留值；
或者，通过实时查询邻设备的P值来判断预留是否成功，如果预留成功，则把期望值作为预留值，如果预留失败，则认为预留值为0，或者在所述资源预留请求包含了最低要求值的情况下选择一个降低的预留值；
或者，分别询问各自的所有邻设备，所述邻设备查询各自的邻居表后给出响应，根据所述邻设备的响应来判断预留是否成功，如果预留成功，则把期望值作为预留值，如果预留失败，则认为预留值为0或者根据邻设备的响应选择一个降低的预留值；
或者，分别实时询问各自的所有邻设备，所述邻设备询问自己的邻设备后给出响应，根据所有邻设备的响应来判断预留是否成功，如果预留成功，则把期望值作为预留值，如果预留失败，则认为预留值为0或者根据邻设备的响应选择一个降低的预留值。
8.根据权利要求1所述的网络中调整数据速率的方法，其特征在于，如果所述源设备向拓扑服务器发送资源预留请求，则根据以下方法确定所述源设备及中转设备各自的预留值：
所述拓扑服务器判断预留是否成功，如果预留成功，则把期望值作为预留值，如果预留失败，则认为预留值为0，或者在所述资源预留请求包含了最低要求值的情况下选择一个降低的预留值；
9.根据权利要求8所述的网络中调整数据速率的方法，其特征在于，所述拓扑服务器判断预留是否成功具体为：
所述拓扑服务器存储有拓扑信息和网络中各设备的P值；
所述拓扑服务器判断所述源设备及中转设备对于P的期望值与各自邻设备的P值之和是否超过预设的常数；如果不超过则预留成功，如果超过则预留失败；
当所述邻设备为源设备或中转设备时，判断所述源设备及中转设备对于P的期望值与各自邻设备的期望值之和是否超过预设的常数；
如果所述P值之和不超过预设的常数，则预留成功，如果超过则预留失败。
10.根据权利要求1至9任一项所述的网络中调整数据速率的方法，其特征在于，所述数据速率控制参数P的定义为：
总的分段发送时间除以总的发送时间等于P或者等于以P为唯一自变量的表达式。
11.根据权利要求10所述的网络中调整数据速率的方法，其特征在于，数据发送完毕后，把所述源设备及中转设备的P值还原为调整前的值。
12.根据权利要求1所述的网络中调整数据速率的方法，其特征在于，当所述源设备与目的设备之间只有1跳时，所述调整源设备P值的方法为：
所述源设备进行资源预留，确定预留值；
把所述源设备的P值调整为所述预留值。
13.根据权利要求1所述的网络中调整数据速率的方法，其特征在于，当目的设备或所述中转设备是休眠设备时，进一步包括：根据所述源设备或中转设备调整后的P值来设置查询速率。
14.一种通信系统，包括至少两个设备，其特征在于，其中至少一个设备包括：
设置单元，用于设置数据速率控制参数P的值；
调整单元，用于调整所述设置单元设置的P值以调整数据速率；
所述至少一个设备作为源设备时，所述调整单元包括：
发送单元，用于向中转设备或目的设备发送资源预留请求；
第一预留单元，用于确定所述源设备的预留值；
最小预留值确定单元，用于从所述中转设备的预留值以及所述源设备的预留值中选择最小的一个作为最小预留值；
第一调整子单元，用于把P值调整为所述的最小预留值。
15.根据权利要求14所述的通信系统，其特征在于，当所述源设备与目的设备之间只有1跳时，所述调整单元还包括：
第二预留单元，用于确定所述源设备的预留值；
第二调整子单元，用于把P值调整为所述的预留值。
16.根据权利要求14所述的通信系统，其特征在于，
所述至少一个设备作为中转设备时，所述调整单元包括：
发送单元，用于转发资源预留请求；
第一预留单元，用于确定所述中转设备的预留值；
响应单元，用于向源设备报告所述中转设备的预留值；
第一调整子单元，用于把P值调整为源设备所确定的最小预留值。
17.根据权利要求14至16任一项所述的通信系统，其特征在于，所述设备进一步包括：
判断单元，用于在所述设备作为邻设备时判断主设备的设置单元设置的参数P是否合理；
通知单元，在所述判断单元得出所述参数P不合理时，通知所述主设备修改参数P。
18.一种数据速率调整装置，装备于网络中的设备中，其特征在于，包括：
设置单元，用于给网络中的设备设置数据速率控制参数P；
调整单元，用于调整所述设置单元设置的P值以调整数据速率；
所述调整单元包括：
发送单元，用于发送或转发资源预留请求；
预留单元，用于确定所述网络中的设备的预留值；
最小预留值确定单元，用于在所述网络中的设备作为源设备时从各响应单元报告的预留值以及自己的预留值中选择最小的一个作为最小预留值；
第一调整子单元，用于把P值调整为所述的最小预留值。
19.根据权利要求18所述的数据速率调整装置，其特征在于，所述调整单元还包括：
响应单元，用于在所述网络中的设备作为中转设备时向源设备报告所述网络中的设备的预留值。
20.根据权利要求18至19任一项所述的数据速率调整装置，其特征在于，进一步包括：
判断单元，用于判断主设备设置的参数P是否合理；
通知单元，在所述判断单元得出所述参数P不合理时，通知所述主设备修改参数P。
21.根据权利要求18所述的数据速率调整装置，其特征在于，进一步包括恢复单元，用于在数据发送完毕后把所述作为中转设备或源设备的所述网络中的设备的P值恢复为调整前的值。
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