CN101808371B - 支持多跳资源预留的IEEE802.16Mesh网络资源预留方法 - Google Patents
支持多跳资源预留的IEEE802.16Mesh网络资源预留方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于IEEE802.16 Mesh网络资源预留方法，涉及通信网络技术，提出了一种基于IEEE802.16的Mesh网络的协同分布式调度资源预留方法，Mesh网络路径上的各节点在接收到上游节点的数据时隙请求消息后，在回复授权消息的同时向下游节点发送请求消息，为本业务预留数据时隙。通过有效的资源调度，可实现三次握手的信令开销小，端到端的时延短。本方法可广泛用于无线Mesh网络的资源分配。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及基于IEEE802.16的无线Mesh网络的媒质访问控制层技术。
背景技术
目前，通用的两种无线Mesh网络分别基于IEEE802.11技术和IEEE802.16技术，前者已有示范网络，而后者还处于研究开发阶段。已有的基于IEEE802.16的Mesh(网状网络)网络中，无线Mesh网络的媒质访问控制层(以下简称“MAC层”)MAC层调度机制可分为集中式调度和分布式调度。集中式调度是指由基站统一调度信道资源的分配；分布式调度是指用户站与用户站之间可单独地组成自己的Mesh网络直接进行通信，并且它们的控制信号由各节点间调用分布式调度算法或请求/发送机制来协调，不需要中心控制基站的链接。分布式调度又可分为协同分布式调度和非协同分布式调度。其中，协同分布式调度是指在控制子帧中使用无碰撞方式来调度传输数据包；而非协同分布式调度是指部分的基于竞争的方式来传输调度数据包。二者的主要区别在于，协同情况下调度是完全无碰撞的，而非协同方式可能发生碰撞。
我们以图1所示的多跳网络拓扑结构为例对IEEE802.16Mesh通过三次握手机制采用传统的逐跳预留的分组转发机制，分配网络资源的方法进行具体描述。图1所示为Mesh 网络中一条端到端的路径P＝{n0→n1→n2→…→ni-1→ni→ni+1…→nm-1→nm}当源节点n0有分组需要发送到目的节点nm时，IEEE802.16Mesh通过三次握手机制，逐跳转发，每一跳(设节点ni-1将分组转发给节点ni)的转发过程如图2所示，具体过程如下：
首先，节点ni-1发送MSH-DSCH.Req消息给节点ni；其中，MSH-DSCH.Req消息中包含链路标识(Link ID)、发送数据大小(Demand Level)和发送数据持续帧个数(Demand Persistence)等消息；其次，当节点ni收到上一跳节点即ni-1发送的MSH-DSCH.Req消息后，读取其发送数据大小，发送数据持续帧个数以及上一跳节点即ni-1的可用发送时隙，根据本节点的可用接收时隙选择合适的minislot分配给上一跳节点即ni-1用以发送数据，而后，更新可用发送时隙表和可用接收时隙表，发送MSH-DSCH.Grant消息给上一跳节点即ni-1；再次，节点ni-1在收到节点ni发送的MSH-DSCH.Grant消息后，确认不会发生冲突时回复Regrant消息给节点ni；至此，三握手过程结束；最后，节点ni-1在与下一跳节点即ni完成了完整的三次握手后，节点ni-1便转发分组给下一跳节点即ni。
同样当节点ni转发到ni+1时也需要上述过程。由上述过程知，这种传统的逐跳预留的分组转发机制，分组每进行一跳转发，都首先需要三次握手预留资源，再发送数据分组，因此三次握手的信令开销大，端到端时延较长。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有IEEE802.16三次握手机制存在三次握手的信令开销大，端到端时延较长的缺陷，提出有效的资源调度和新的三次握手机制。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提出了一种基于IEEE802.16的Mesh网络的协同分布式调度资源预留方法。Mesh网络路径上的各节点在接收到上游节点的数据时隙请求消息后，在回复授权消息的同时向下游节点发送请求消息，为本业务预留数据时隙。
首先对IEEE802.16的MSH-DSCH消息进行修改，通过MSH-DSCH消息决定MSH-DSCH消息的类型；根据上游节点的数据时隙请求消息，及本地节点的可用接收时隙数，判断请求消息中的发送时隙集合与自己的可用接收时隙结合的交集是否满足带宽要求；如果不满足，则直接发送授权消息网状网络中分布式调度消息的授权消息MSH-DSCH.Grant消息给上游节点；否则，根据请求消息中的请求带宽及自己的可用发送时隙数，判断自己的可用发送时隙是否满足带宽要求，如果满足，则根据请求消息中的下游节点的下一跳节点地址Next Next-node Addr的值，获取下游节点的下一跳节点的地址；本地节点在回复上游节点授权消息的同时向下游节点发送请求消息，为本业务预留数据时隙。如本地节点为源节点n0，获取n0的下下跳节点n2的地址，发送网状网络中分布式调度消息的改进后的请求消息MSH-DSCH.eReq消息给下一跳节点n1，当源节点n0收到下一跳节点n1的网状网络中分布式调度消息的改进后的授权消息MSH-DSCH.eGrant消息后，拷贝其中的授权信息部分，读取分配给自己用于发送数据的微时隙minislot，如果此minislot如果未标记为不可用发送数据时隙，标记其为可用于在数据发送阶段用于资源预留的时隙，并向下一跳节点n1回复MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手过程。如本地节点为源节点的下一跳节点n1，如果可用发送时隙满足带宽请求，则同时发送MSH-DSCH.eGrant消息给上一跳节点n0和下一跳节点n2；当节点n1收到上一跳节点n0发送的MSH-DSCH.Regrant消息后，便在预留的时隙中等待接收上一跳节点转发给自己的数据包；当节点n1收到下一跳节点n2的MSH-DSCH.eGrant消息后，拷贝其中的授权信息部分，如果分配给自己用于发送数据的minislot可用，标记其为可用于在数据发送阶段用于资源预留的时隙，并向下一跳节点n2回复MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手过程。如果本地节点为中间节点ni，当节点ni收到上一跳节点ni-1发送的MSH-DSCH.eGrant消息后，如果本节点的可用接收时隙满足业务的带宽请求，选择合适的minislot分配给ni-1为其预留资源，如果可用发送时隙满足带宽请求，获取下下跳节点的地址，同时发送MSH-DSCH.eGrant消息给上一跳节点ni-1和下一跳节点ni+1，当节点ni收到下一跳节点ni+1的MSH-DSCH.eGrant消息后，如果为可用于在数据发送阶段用于资源预留的时隙，向下一跳节点ni+1回复MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手过程。
本发明的IEEE802.16Mesh网络资源预留方法，通过有效的资源调度，与现有技术相比三次握手的信令开销小，端到端时延短。
附图说明
图1多跳网络拓扑结构示意图
图2现有技术三次握手消息交互和数据传输具体过程
图3本发明总体技术流程图
图4源节点n0的处理流程
图5源节点的下一跳节点即n1的处理流程
图5a节点n1收到上一跳节点即n0的MSH-DSCH.eReq消息的处理流程
图5b节点n1收到下一跳节点即n2的MSH-DSCH.eGrant消息的处理流程
图6中间节点ni的处理流程
图6a节点ni收到上一跳节点即ni-1的MSH-DSCH.eGrant消息的处理流程
图6b节点ni收到下一跳节点即ni+1的MSH-DSCH.eGrant消息的处理流程
图7目的节点nm的处理流程
图8多跳资源预留中的信令交互过程
具体实施方式
本发明提出了一种基于IEEE802.16的Mesh网络的协同分布式调度资源预留方法。Mesh网络路径上的各节点在接收到上游节点的数据时隙请求消息后，在回复授权消息的同时向下游节点发送请求消息，为本业务预留数据时隙。
为了实现本发明提出的资源预留方案，首先对IEEE802.16的MSH-DSCH消息进行修改，修改后的MSH-DSCH消息如表1所示。
表1修改后的MSH-DSCH消息格式
| 语句 | 大小 | 注释 |
| MSH-DSCH_Message_Format(){ | ||
| Management Message Type＝41 | 8比特 | |
| Coordination Flag | 1比特 | |
| Grant/Request Flag | 1比特 | |
| Sequence counter | 6比特 | |
| No.Requests | 4比特 | |
| No.Availabilities | 4比特 | |
| No.Grants | 6比特 | |
| eReq/eGrant Flag | 1比特 | 表示是否为eReq或eGrant消息，在IEEE802.16标准中为预留字段 |
| If(eReq/eGrant Flag＝＝1) | ||
| Next Next-Node Addr. | 32比特 | 下下跳节点的IP地址 |
| If((eReq/eGrant Flag＝＝1)&&(Grant/Request Flag＝＝1)) | ||
| MSH-DSCH_Request_IE() | 在MSH-DSCH.eGrant消息中携带发送到下一跳节点的请求IE，告诉下一跳节点带宽请求信息 | |
| if(Coordination Flag＝＝0) | ||
| MSH-DSCH_Scheduling_IE() | 可变的 | |
| for(i＝0；i＜No_Requests；++i) |
| MSH-DSCH_Request_IE() | 16比特 | |
| for(i＝0；i＜No_Availabilities；++i) | ||
| MSH-DSCH_Availability_IE() | 32比特 | |
| for(i＝0；i＜No_Grants；++i) | ||
| MSH-DSCH_Grant_IE() | 40比特 | |
| } |
在MSH-DSCH.eReq消息中，除了携带原有信息外(链路标识(Link ID)、发送数据大小(Demand Level)和发送数据持续帧个数(Demand Persistence)等)，还需附带节点的地址信息、请求信息等。
通过改进前的请求消息与授权消息的标志符Grant/Request Flag、改进后的请求消息与授权消息的标志符eReq/eGrant Flag字段的值共同决定网状网络中的分布式调度消息MSH-DSCH消息的类型，即确定是原IEEE802.16的网状网络中分布式调度消息的授权消息MSH-DSCH.Grant消息，还是网状网络中分布式调度消息的改进后的授权消息MSH-DSCH.eGrant消息。如果Grant/Request Flag＝0、eReq/eGrant Flag＝0则表示原IEEE802.16的MSH-DSCH.Request消息，如果Grant/Request Flag＝0、eReq/eGrant Flag＝1则表示改进的MSH-DSCH.eReq消息，如果Grant/Request Flag＝1、eReq/eGrantFlag＝0则表示原IEEE802.16的MSH-DSCH.Grant消息，如果Grant/RequestFlag＝1、eReq/eGrant Flag＝1则表示改进的MSH-DSCH.eGrant消息。
如图3所示为本发明网络资源预留总体技术流程图，本发明在IEEE802.16Mesh模式的分布式调度机制的基础上，根据MAC层数据时隙的分配机制，提出了一种基于资源预留的三次握手改进机制。节点在接收到上游节点的数据时隙请求消息后，根据请求消息中的请求带宽、发送时隙集合，及本地节点自己的可用接收时隙数，判断请求消息中的发送时隙集合与自己的可用接收时隙集合的交集是否满足带宽要求；如果不满足，则直接发送MSH-DSCH.Grant消息给上游节点；否则，根据请求消息中的请求带宽及自己的可用发送时隙数，判断自己的可用发送时隙是否满足带宽要求，如果满足，则根据请求消息中的下游节点的下一跳节点的地址Next Next-node Addr的值，得到下游节点的链路标识LinkID，查找路由表，获取下游节点的下一跳节点的地址；本节点在回复上游节点授权消息的同时向下游节点发送请求消息，为本业务预留数据时隙。可以提升IEEE802.16Mesh网络在吞吐量、分组端到端传输时延等方面的性能，减少三次握手的信令开销，降低端到端时延。广泛适用于无线Mesh网络的资源分配。
以下分别针对各节点对其处理流程进行详细描述。各节点的具体处理流程如下所述。我们同样结合图1所示的多跳网络拓扑结构说明本发明专利的具体实施方式，包括Mesh网络路径上的源节点、源节点的下一跳节点、中间节点、目的节点的处理流程。
1)源节点n0的具体处理流程
当本地节点为源节点时，源节点n0的处理流程如图4所示。具体包括收到网络层的IP分组和下一跳节点即n1的MSH-DSCH.eGrant消息两部分。
当源节点n0收到来自网络层的一IP分组时，根据请求带宽及可用发送时隙数，判断可用发送时隙是否满足带宽要求。查找路由表，获取n0的下下跳节点n2的地址，发送网状网络中分布式调度消息的改进后的请求消息MSH-DSCH.eReq消息给下一跳节点即n1，其中，在MSH-DSCH.eReq消息中，除了携带原有信息外(链路标识(Link ID)、发送数据大小(Demand Level)和发送数据持续帧个数(Demand Persistence)等)，还需附带节点n2的地址信息。判断是否收到下一跳节点的MSH-DSCH.eGrant消息，当源节点n0收到下一跳节点即n1的MSH-DSCH.eGrant消息后，拷贝其中的授权信息部分，读取其分配给自己用于发送数据的minislot，对比更新后的可用数据发送时隙表判断此minislot是否已经标记为不可用发送数据时隙，如果不可用，放弃此时隙，重新发起请求，否则标记其为可用于在数据发送阶段用于资源预留的时隙，并向下一跳节点即n1回复MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手过程。在完成完整的三次握手后，源节点n0便在已预留的数据微时隙上发送数据分组。
如果没有收到下一跳节点的MSH-DSCH.eGrant消息，重传次数i加1，当i达到规定的重传次数，流程结束。
2)源节点的下一跳节点n1的处理流程
当本地节点为源节点的下一跳节点n1，源节点的下一跳节点即n1的处理流程如图5所示。分为收到上一跳节点即n0的MSH-DSCH.eReq消息、MSH-DSCH.Regrant消息和下一跳节点即n2的MSH-DSCH.eGrant消息三部分，其中收到上一跳节点即n0的MSH-DSCH.eReq消息和下一跳节点即n2的MSH-DSCH.eGrant消息的处理流程分别如图5a和5b所示。而收到上一跳节点即n0的MSH-DSCH.Regrant消息不做处理。当节点n1收到源节点n0发送的MSH-DSCH.eReq消息后，读取其发送数据大小，发送数据持续帧个数以及上一跳节点即n0的可用发送时隙，根据本节点的可用接收时隙，判断是否满足业务的带宽请求，据MSH-DSCH.eGrant消息中的请求带宽、发送时隙集合，及自己的可用接收时隙，判断与自己的可用接收时隙结合的交集是否满足带宽的要求，如不满足，则结束；否则选择合适的数据子帧中的数据微时隙minislot分配给上一跳节点即n0为其预留资源，更新可用发送时隙表和可用接收时隙表，并进一步根据业务的带宽请求和自己的可用发送时隙数，判断可用发送时隙是否满足带宽请求，如果满足，则同时发送MSH-DSCH.eGrant消息给上一跳节点即n0和下一跳节点即n2，其中，在MSH-DSCH.eGrant消息中，除了携带对上一跳节点的确认信息外，还带有需发到下一跳节点的请求消息；否则，直接发送MSH-DSCH.Grant消息到上一跳节点。
当节点n1收到上一跳节点即n0发送的MSH-DSCH.Regrant消息后，便在预留的时隙中等待接收上一跳节点转发给自己的数据包即分组；当节点n1收到下一跳节点即n2的MSH-DSCH.eGrant消息后，拷贝其中的授权信息部分，读取其分配给自己用于发送数据的minislot，对比更新后的可用数据发送时隙表判断此minislot是否已经标记为不可用发送数据时隙，如果不可用，放弃此时隙，重新发起请求，否则标记其为可用于在数据发送阶段用于资源预留的时隙，并向下一跳节点即n2回复MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手过程。
3)中间节点ni的处理流程
当本地节点为中间节点ni，中间节点ni的处理流程如图6所示。分为收到上一跳节点即ni-1的MSH-DSCH.eGrant消息、MSH-DSCH.Regrant消息和下一跳节点即ni+1的MSH-DSCH.eGrant消息三部分，其中收到上一跳节点即ni-1的MSH-DSCH.eGrant消息和下一跳节点即ni+1的MSH-DSCH.eGrant消息的处理流程分别如图6a和6b所示。当节点ni收到上一跳节点即ni-1发送的MSH-DSCH.eGrant消息后，读取其发送数据大小，发送数据持续帧个数以及上一跳节点即ni-i的可用发送时隙，根据本节点的可用接收时隙，判断是否满足业务的带宽请求，如不满足，发送MSH-DSCH.Grant消息给上一跳节点，并结束；否则选择合适的minislot分配给上一跳节点即ni-1为其预留资源，更新可用发送时隙表和可用接收时隙表，并进一步根据业务的带宽请求和自己的可用发送时隙数，判断可用发送时隙是否满足带宽请求，如果满足，根据MSH-DSCH.eGrant消息得到下一跳节点的Link ID，查找路由表获取下下跳节点的地址，同时发送MSH-DSCH.eGrant消息给上一跳节点即ni-1和下一跳节点即ni+1，其中，在MSH-DSCH.eGrant消息中，除了携带对上一跳节点的确认信息外，还带有需发到下一跳节点的请求消息；否则，直接发送MSH-DSCH.Grant到上一跳节点。当节点ni收到上一跳节点即ni-1发送的MSH-DSCH.Regrant消息后，便在预留的时隙中等待接收上一跳节点转发给自己的数据包即分组；当节点ni收到下一跳节点即ni+1的MSH-DSCH.eGrant消息后，拷贝其中的授权信息部分，读取其分配给自己用于发送数据的minislot，对比更新后的可用数据发送时隙表判断此minislot是否已经标记为不可用发送数据时隙，如果不可用，放弃此时隙，重新发起请求；否则标记其为可用于在数据发送阶段用于资源预留的时隙，并向下一跳节点即ni+1回复MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手过程。
4)目的节点nm的处理流程
目的节点nm的处理流程如图7所示。当目的节点nm收到上一跳节点即nm-1发送的MSH-DSCH.eGrant消息后，读取其发送数据大小，发送数据持续帧个数以及上一跳节点即nm-1的可用发送时隙，根据本节点的可用接收时隙，判断是否满足业务的带宽请求，如不满足，则结束；否则选择合适的minislot分配给上一跳节点即nm-1为其预留资源，更新可用发送时隙表和可用接收时隙表，发送MSH-DSCH.Grant消息给上一跳节点即nm-1；
当目的节点nm收到上一跳节点即nm-1发送的MSH-DSCH.Regrant消息后，便在预留的时隙中等待接收上一跳节点转发给自己的数据包即分组。
5)信令交互流程
本发明中的多跳资源预留中的信令交互过程可如图8所示。
首先，源节点n0收到一分组时，查找路由表，获取节点n2的地址，发送MSH-DSCH.eReq消息给下一跳节点即n1；当节点n1收到源节点n0发送的MSH-DSCH.eReq消息后，读取其消息内容，判断可用发送时隙是否满足带宽请求，如果满足，则同时发送MSH-DSCH.eGrant消息给上一跳节点即n0和下一跳节点即n2；当源节点n0收到下一跳节点即n1的MSH-DSCH.eGrant消息后，拷贝其中的授权信息部分，读取其分配给自己用于发送数据的minislot，对比更新后的可用数据发送时隙表判断此minislot是否已经标记为不可用发送数据时隙，如果不可用，放弃此时隙，重新发起请求，否则标记其为可用于在数据发送阶段用于资源预留的时隙，并向下一跳节点即n1回复MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手过程。
在完成完整的三次握手后，源节点n0在已预留的数据微时隙上发送数据分组。同样，此路径上后面各节点也需要上述过程来进行消息的转发及资源预留直到目的节点nm。
Claims (6)
1.基于IEEE802.16Mesh网络资源预留方法，其特征在于，对IEEE802.16的MSH-DSCH消息进行修改，通过分布式调度MSH-DSCH消息决定MSH-DSCH消息的类型；根据上游节点的数据时隙请求消息，及本地节点的可用接收时隙数，判断请求消息中的发送时隙集合与自己的可用接收时隙结合的交集是否满足带宽要求；如果不满足，则直接发送授权消息MSH-DSCH.Grant消息给上游节点；否则，根据请求消息中的请求带宽及自己的可用发送时隙数，判断本地节点自己的可用发送时隙是否满足带宽要求，如果满足，则根据请求消息中的下游节点的下一跳节点的地址Next Next-node Addr的值，获取下游节点的下一跳节点的地址；本地节点在回复上游节点授权消息的同时向下游节点发送请求消息，为本业务预留数据时隙。
2.根据权利要求1所述的网络资源预留方法，其特征在于，如本地节点为源节点n0，获取n0的下下跳节点n2的地址，发送分布式调度消息中改进后的请求MSH-DSCH.eReq消息给下一跳节点n1，当源节点n0收到下一跳节点n1的分布式调度消息中改进后的授权消息MSH-DSCH.eGrant消息后，拷贝其中的授权信息部分，读取分配给自己用于发送数据的微时隙minislot，如果此minislot未标记为不可用发送数据时隙，标记其为可用于在数据发送阶段用于资源预留的时隙，并向下一跳节点n1回复分布式调度消息的确认MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手过程。
3.根据权利要求1所述的网络资源预留方法，其特征在于，如本地节点为源节点的下一跳节点n1，如果可用发送时隙满足带宽请求，则同时发送MSH-DSCH.eGrant消息给上一跳节点n0和下一跳节点n2；当节点n1收到上一跳节点n0发送的MSH-DSCH.Regrant消息后，便在预留的时隙中等待接收上一跳节点转发给自己的数据包；当节点n1收到下一跳节点n2的MSH-DSCH.eGrant消息后，拷贝其中的授权信息部分，如果分配给自己用于发送数据的数据微时隙minislot可用，标记其为可用于在数据发送阶段用于资源预留的时隙，并向下一跳节点n2回复MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手过程。
4.根据权利要求1所述的网络资源预留方法，其特征在于，如果本地节点为中间节点ni，当节点ni收到上一跳节点ni-1发送的MSH-DSCH.eGrant消息后，如果本节点的可用接收时隙满足业务的带宽请求，选择合适的minislot分配给ni-1为其预留资源，如果可用发送时隙满足带宽请求，获取下下跳节点的地址，同时发送MSH-DSCH.eGrant消息给上一跳节点ni-1和下一跳节点ni+1，当节点ni收到下一跳节点ni+1的MSH-DSCH.eGrant消息后，如果为可用于在数据发送阶段用于资源预留的时隙，向下一跳节点ni+1回复MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手过程。
5.根据权利要求2所述的网络资源预留方法，其特征在于，在MSH-DSCH.eReq消息中，除了携带原有信息中的链路标识、发送数据大小和发送数据持续帧个数外，还附带下下跳节点n2的地址信息。
6.根据权利要求3所述的网络资源预留方法，其特征在于，在MSH-DSCH.eGrant消息中，除了携带对上一跳节点的确认信息外，还带有需发到下一跳节点的请求消息。
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