CN102497406B - 一种面向节点移动性的无线mesh网资源分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线网络和移动计算领域，具体公开了一种面向节点移动性的无线mesh网资源分发方法，将移动客户端的资源下载请求转发到资源密度最大的mesh路由器；利用mesh路由器的协调能力，由mesh路由器指定其下的移动客户端提供下载服务，当该移动客户端由于移动而移出了mesh路由器的范围时，由该mesh路由器选择与之关联的其它移动客户端节点继续提供下载服务；该过程一直持续下去，直到该mesh路由器下已经没有移动客户端可以提供下载服务，再将下载请求转发给其他的mesh路由器，本发明能最大程度地消除由于节点移动性而产生的资源下载中断和资源下载的不稳定性。

Description

一种面向节点移动性的无线mesh网资源分发方法

技术领域

本发明涉及无线网络和移动计算领域，具体为一种面向节点移动性的无线mesh网资源分发方法。

背景技术

多跳无线mesh网络(Wireless Mesh Networks)作为一种动态自组织、自配置的网络，具有高度灵活性、健壮性、高带宽、易维护等特点，可为用户提供各种各样的应用，如宽带家庭网络、社区网络、企业网络，建筑自动化等。多跳无线mesh网络作为一种新兴的网络技术正迅速发展为主流的无线网络，有望成为下一代无线接入网的标准技术。

多跳无线mesh网络由两种节点组成，mesh路由器节点(meshrouter)和移动客户端节点(mobile client)，如图1所示。mesh路由器通常具有两种基本功能，作为mesh网络的骨干链路，完成数据包的转发功能；作为移动节点的接入节点(access point)，负责移动客户端的网络接入。

多跳无线mesh网络中，mesh路由器一经部署，一般处于准静止的状态。与mesh路由器节点不同的是，移动客户端节点通常具有有限的能量和高度的移动性。如果使用现有的无线网络协议，移动客户端作为资源传输源节点时，移动客户端在无线mesh网络中移动会产生网络切换，切换的延时可能会导致资源下载的中断。切换还可能会引起资源传输路由的不稳定，最终影响上层应用的性能，如流媒体传输性能。

因此，设计多跳无线mesh网络中的资源分发方法时，需要将无线mesh网的拓扑结构特点和移动客户端的移动性作为重要因素进行考虑，以提高资源下载的稳定性，降低资源下载的延时和中断。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种面向节点移动性的无线mesh网资源分发方法，最大程度地消除由于节点移动性而产生的资源下载中断和资源下载的不稳定性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种面向节点移动性的无线mesh网资源分发方法，包括多跳无线mesh网络，多跳无线mesh网络包括若干个mesh路由器节点和若干个移动客户端节点，移动客户端节点通过mesh路由器节点与网络通信，该方法包括以下步骤：

步骤1：移动客户端将资源下载请求在TTL范围内广播，其中TTL为常数；

步骤2：收到广播消息的mesh路由器评估自己的资源密度，并将资源密度返回给移动客户端，其中资源密度为mesh路由器中拥有请求资源的移动客户端数目；

步骤3：将移动客户端的资源下载请求转发到当前资源密度最大的mesh路由器；

步骤4：利用mesh路由器的协调能力，由mesh路由器指定能力最强的拥有所需资源的移动客户端提供下载服务；

步骤5：当提供下载服务移动客户端由于移动而移出了mesh路由器的范围时，mesh路由器更新资源状态，由该mesh路由器选择与之关联的目前能力最强的拥有所需资源的移动客户端继续提供下载服务；

步骤6：重复步骤5，直到该mesh路由器下已经没有移动客户端能提供下载服务；

步骤7：如果请求下载的资源下载完毕，则结束资源分发过程，否则返回步骤1，重新选择当前资源密度最大的mesh路由器进行下载。

作为优选方案，TTL为10跳。

移动客户端节点的能力评估可以综合考虑节点能量E、带宽B和节点自身能力C等多种因素。可以定义Fun(i)＝αE+βB+λC作为移动客户端节点i的能力评估，每次mesh路由器都选择Fun(i)最大的节点i提供资源下载服务。

mesh路由器更新资源状态包括两部分：移动客户端向新关联的mesh路由器发布资源；移动客户端向之前关联的mesh路由器撤销资源，即向之前关联的mesh路由器通知自己的资源不可用。

本发明提出的资源分发方法可采用Mobile IP来提供持续的服务。Mesh路由器作为Mobile IP中的家乡代理和外部代理，节点的移动性都需要向mesh路由器发布位置更新和移动更新。管理移动性的具体流程如下：当资源请求节点移动时，需要向之前的家乡代理mesh路由器发布mobile IP的更新和绑定消息，从而确保数据源节点和该节点的持续通信。当数据源节点移动时，则由该源节点对应的mesh路由器节点指定备份节点提供资源服务，所有与目的移动节点的通信数据需要都需要由该mesh路由器节点正确地转发到新挑选的资源下载服务移动客户端节点。

本发明的资源分发方法的机理是利用mesh路由器的协调能力，将资源分发固定到拥有资源副本最多mesh路由器，即资源密度最大的mesh路由器，当提供下载服务的源节点移动时，由该mesh路由器节点指定该mesh路由器的另外一个副本节点提供资源下载服务，本发明能最大化地避免由于节点移动的切换而导致的资源下载中断，并减少由于节点移动的重新路由造成的资源下载波动。

附图说明

图1为本发明一实施例多跳无线mesh网络结构示意图；

图2为本发明无线mesh网络仿真环境示意图；

图3为本发明下载速率随仿真时间的变化关系示意图；

其中：

MR：Mesh Router；MC：Mesh Client。

具体实施方式

以下通过仿真实验的方式来说明本发明的具体实施方式，并通过与其他实施例的比较来验证本发明的有效性。仿真实验实现了三种资源检索和二种资源分发机制。其中，所实现的资源检索机制包括：

第一种资源检索机制为发明所提出的资源密度敏感的资源检索机制(简称Density)：在进行请求消息发送和确定服务mesh路由器节点的过程中，需要进行资源下载的移动客户端C₁将资源下载请求消息发送到资源密度最大的mesh路由器节点R₁，由R₁协调并指定本mesh路由器中的移动客户端节点为C₁提供资源传输服务。

第二种资源检索机制为随机资源检索(简称Random)：C₁的资源请求消息会随机的发送给任意一个拥有请求资源的mesh路由器R₂，由R₂协调并指定本mesh路由器中的移动客户端为C₁提供资源传输服务。

第三种资源检索机制为最近资源检索(简称Near)：C₁的资源请求消息会发送给最近的拥有请求资源的mesh路由器R₃，由R₃协调并指定本mesh路由器中的移动客户端为C₁提供资源传输服务。

所实现的资源分发机制包括：

第一种资源分发机制为副本备份节点分发机制(简称Replica)：当提供资源下载的节点C由于移动而移出所对应的mesh路由器R的信号覆盖范围时，由R指定mesh路由器中另外一个拥有资源的移动客户端节点C_备给C₁提供资源下载服务。该过程一直持续下去，直至R下没有可以能够提供资源的移动客户端节点，否则一直由R所在mesh路由器下的移动客户端为C₁提供资源下载服务。

第二种资源分发机制为移动节点分发机制(简称Mobile)：当提供资源下载的节点C由于移动而移出所对应的mesh路由器R的信号覆盖范围时，C会自动选择mesh网络中信号最强的mesh路由器连接，完成网络切换获得重新连接后继续给C₁提供服务。

将上述三种资源检索机制和二种资源分发机制进行组合，本文在仿真实验中共实现了6种资源检索和分发算法，分别标识为：Density_Replica，Random_Replica，Near_Replica，Density_Mobile，Random_Mobile，Near_Mobile。

在仿真软件NCTUns上进行仿真实验，如图2所示，由一个6×6的mesh路由器组成的多跳无线mesh网络，其中mesh路由器用红色的M进行标记，移动客户端用b进行标记。在NCTUns中将这些mesh路由器都设置在一个子网里。每个mesh router有两个radio，一个radio用于与其他mesh router进行通信，一个radio用于提供移动客户端的AP访问点的服务。在实验原型图2中，移动客户端节点53作为资源的下载节点。

本文分别实现6种检索机制和分发机制的组合实验。其中，在仿真试验的Density_Replica机制中，节点53向资源密度最大的21号mesh路由器的索取资源。由于采用备份节点分发的机制，移动客户端节点41，40，39，38分别在[0-20]，[20-40]，[40-60]，[60-80]秒提供资源的下载服务。Random_Replica机制中，节点53向11号mesh路由器索取资源。11号mesh路由器的移动客户端节点44，49，47在[0-25]，[25-53]，[53-80]秒提供资源的下载服务。Near_Replica机制中，节点53首先选取21号mesh路由器索取资源，然后向较近的8，23号mesh路由器索取资源，移动客户端节点41，42，47在[0-25]，[25-53]，[53-80]秒提供资源的下载服务。Density_Mobile机制中，节点53向21号mesh路由器索取资源。移动节点41在[0-80]秒提供资源的下载服务，与此同时，节点41在向mesh路由器6号节点移动。Random_Mobile机制中，节点53向11号mesh路由器索取资源，移动客户端节点44在[0-80]秒提供资源的下载服务，于此同时，该移动客户端节点44在向mesh路由器36号节点移动。Near_Mobile机制中，节点53向8号mesh路由器索取资源，移动客户端节点节点41在[0-80]秒提供资源的下载服务，且移动客户端节点节点41在向mesh路由器6号节点移动。

如图3为资源下载速率随仿真时间的变化趋势图。从图3中，每个实验的头10秒进行的是仿真初始化。为了更好的衡量资源下载的性能，表1列出从11秒到80秒各种机制下的资源下载速率均值。为了反映实验结果相对于平均值(mean)的离散程度，以评估资源传输下载的稳定性，表1还列出从11秒到80秒各种机制下的资源下载速率的标准差。

表1

	Density_Replica	Random_Replica	Near_Replica	Density_Mobile	Random_Mobile	Neaar_Mobile
							平均速率(Kbps)	333.7988	170.1096	288.09	190.5824	155.5889	199.004
速率标准差	9.03654	61.65397	74.41788	106.907	48.95088	86.89558

对比相同资源检索机制下的不同资源分发机制。如对比Density_replica和Density_Mobile两种资源分发机制。我们发现在Density_replica机制中，下载速率维持在一个稳定水平，标准差最小，而Density_Mobile出现了下载速率为0的点，且下载速率标准差较大。这是因为传统的移动节点的分发机制中，当节点移动跳出当前mesh路由器的覆盖范围时，移动节点首先会扫描周围的mesh路由器节点，然后断开mesh路由器节点，并选择信号最强的mesh路由器节点进行重新关联，完成网络的切换。由于重新关联的切换延时，使得传统的移动节点分发机制出现下载速率为0。除此之外，Density_Mobile下载速率波动较大的另外一个原因是移动客户端重新关联了mesh路由器，导致下载路由路径也发生变化。

对比不同资源检索机制下的相同资源分发机制。如Density_Replica，Random_Replica，Near_Replica。我们发现Random_Replica，Near_Replica中有多个下载速率陡降的点，相对于Random_Replica，Near_Replica，本文提出的Density_Replica能提供更稳定的资源下载服务，拥有最大的平均下载速率和最小的下载速率标准差。这是因为在Density_Replica下，由于所选择的mesh路由器关联了较多的拥有资源的移动客户端节点，因此，即使一个移动客户端节点移动出mesh路由器的范围，还有多个移动客户端节点可以提供服务。而其他的两种机制，当移动客户端移动出mesh路由器的范围时，由于缺少更多的备份移动节点，就而需要重新进行网络资源检索，以确定新的mesh路由器来提供资源分发服务，这个过程亦会造成短暂的资源下载服务中断。

因此，本发明提出的基于密度敏感的资源检索和分发方法Density_replica能够取得较高的资源下载速率，并获得最为稳定的资源下载性能。

Claims (2)

1.一种面向节点移动性的无线mesh网资源分发方法，包括多跳无线mesh网络，多跳无线mesh网络包括若干个mesh路由器节点和若干个移动客户端节点，移动客户端节点通过mesh路由器节点与网络通信，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：移动客户端将资源下载请求在TTL范围内广播，其中TTL为常数；

步骤2：收到广播消息的mesh路由器评估自己的资源密度，并将资源密度返回给移动客户端，其中资源密度为mesh路由器中拥有请求资源的移动客户端数目；

步骤3：将移动客户端的资源下载请求转发到当前资源密度最大的mesh路由器；

步骤4：利用mesh路由器的协调能力，由mesh路由器指定能力最强的拥有所需资源的移动客户端提供下载服务；

步骤5：当提供下载服务移动客户端由于移动而移出了mesh路由器的范围时，mesh路由器更新资源状态，由该mesh路由器选择与之关联的目前能力最强的拥有所需资源的移动客户端继续提供下载服务；

步骤6：重复步骤5，直到该mesh路由器下已经没有移动客户端能提供下载服务；

步骤7：如果请求下载的资源下载完毕，则结束资源分发过程，否则返回步骤1，重新选择当前资源密度最大的mesh路由器进行下载；所述步骤5中，mesh路由器更新资源状态包括两部分：移动客户端向新关联的mesh路由器发布资源；移动客户端向之前关联的mesh路由器撤销资源，即向之前关联的mesh路由器通知自己的资源不可用。

2.根据权利要求1所述的面向节点移动性的无线mesh网资源分发方法，其特征在于，所述TTL为10跳。