CN105744641A - 一种适用于无线mesh网络的定向时分链路调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于无线mesh网络的定向时分链路调度方法。该方法首先定义了定向天线条件下，网络中链路的冲突集合。然后将全网节点的时间轴同步划分为一系列固定长度的连续时帧，每一时帧进一步划分为调度子时帧和传输子时帧，调度子时帧由若干数目的调度时隙组成。在此基础上，根据网络中每条链路的冲突集合，利用链路时隙分配方法将网络中的所有传输链路分配到具体调度时隙。节点在调度子时帧中通过信道侦听完成链路传输调度，完成传输调度的链路在传输子时帧中并行传输数据。同时，该方法在链路时隙分配结果基础上，将调度时隙进行周期性轮转，为网络中的传输链路提供公平性保证。EXata仿真环境下的仿真结果证明了该方法的有效性。

Description

一种适用于无线mesh网络的定向时分链路调度方法

技术领域

本发明属于无线网络领域，特别涉及适用于无线mesh网络的定向时分链路调度方法。

背景技术

无线mesh网络是一种多跳的，具有自组织、自管理、自愈合等特性的分布式网络。它融合了WLAN和Adhoc网络的一些关键技术，网络通常由若干mesh路由器构成中心骨干网，其中的一些路由器既可以作为网络中对等的数据转发实体，也可以作为桥接器连接到互联网或其它有线/无线网络。在向移动互联网时代演进的过程中，无线mesh网络是解决“最后一英里”接入瓶颈的关键技术之一。IEEE802工作组于2004年开始致力于mesh网络技术相关标准的研究与制定，并于2011年正式发布了无线局域网mesh组网标准IEEE802.11s。该标准在媒质接入控制子层(MediumAccessControl，MAC)沿用了IEEE802.11分布式协调功能(DistributedCoordinationFunction，DCF)，mesh节点采用随机竞争接入的方式共享信道带宽。

当今社会，网络应用背景趋于多样化和复杂化，各种各样新颖的网络业务层出不穷。尤其是视频、音频等多媒体业务对mesh网络的信道容量、数据传输速率、服务质量(QualityofService，QoS)、带宽利用率等提出了更高的要求，其中提高mesh网络的信道容量成为了亟待解决的重要问题之一。在mesh网络中采用定向天线是解决这些问题的有效途径。Mesh节点采用定向天线可以使信号能量在特定方向得到加强，在扩大信号传输距离的同时抑制了冲突干扰，极大地提高了空间复用度和信道带宽利用率，从而使网络容量显著增加。另一方面，在相同的网络覆盖范围内，使用定向天线可以减小信号的发送功率，增加电池的使用寿命，有效延长网络生存周期。

无线mesh网络中引入定向天线后，一些传统的MAC协议不再完全适用。近年来，研究人员提出了许多适用于无线mesh网络的定向MAC协议。其中大致可以分为随机定向接入和同步定向接入两种类型。随机定向接入协议以IEEE802.11DCF协议为基础，利用随机退避、载波检测(包括物理载波检测和定向虚拟载波检测)及RTS/CTS控制帧握手机制为主要实现手段；同步定向接入协议则采用与全向TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)协议类似的网络时帧划分结构。由于节点采用定向天线传输同时带来“聋”和“定向隐终端”等新问题，这些问题主要由随机竞争模式下的载波检测机制引起，且随机竞争机制一定程度上限制了邻居节点并行传输的可能。因此，在定向MAC协议设计中采用同步时分的接入控制方式成为了当前的研究热点。

传统的同步时分接入协议通常要求全网节点保持时间同步，然后将网络时间轴划分为一系列连续的时帧，每一时帧又由若干数目的定长时隙组成。同时采用某种预设的时隙分配方案将每一时隙分配给指定的收/发节点对，从而允许各个节点以时分多址的方式接入无线信道。由于每个时隙为一对特定的收/发节点提供了独立的无冲突数据传输通道，因而同步时分MAC协议具有较高的数据传输效率及可靠的传输时延保障。然而当网络中引入定向天线后，仅将每个时隙分配给单一的收/发节点无法充分利用定向天线的空分复用优势，降低了网络中定向链路并发传输的可能，导致时隙利用率偏低，网络总吞吐量性能表现不佳。为了获得最佳的网络吞吐量性能，同时紧密结合无线mesh网络拓扑结构相对固定的特点，本发明在全网链路冲突集合的基础上，提出了一种有效可靠的定向并发链路调度方案，使每个时隙分配尽可能多的不冲突链路，实现了网络中并发传输链路数量最大化。

发明内容

本发明的目的是针对无线mesh网络，提出有效可靠的定向时分链路调度策略，从而获得最佳的网络吞吐量性能。为了实现该目的，本发明所采用的步骤是：

步骤1：根据网络中节点地理位置信息以及物理层使用的定向天线波束宽度计算网络中每条传输链路的冲突集合，得到全网的冲突链路矩阵。

步骤2：网络初始化过程，将网络时间轴划分为一系列固定长度的连续时帧，每一时帧进一步划分为调度子时帧和传输子时帧，调度子时帧由若干数目的调度时隙组成，根据网络中每条链路的冲突集合，利用链路时隙分配方法将所有传输链路分配到具体调度时隙，分配到相同调度时隙的无冲突链路可以在传输子时帧中并发传输数据。

步骤3：网络运行过程，定向链路的收发节点在分配到的调度子时帧时隙中通过信道侦听完成传输调度，成功预约信道的链路在传输子时帧中同步并行传输数据分组，同时，在链路时隙分配结果基础上，每隔一段时间将调度时隙进行周期性轮转，为网络中每条传输链路提供公平性保证。

本发明提出的无线mesh网络定向时分链路调度方法已经在EXata网络仿真环境中实现。仿真中物理层使用理想的自适应天线模型，网络层采用静态路由，传输层采用UDP协议。仿真网络中有20个节点随机分布在200*200m²的区域范围内，应用层共产生10条业务流。

附图6给出了在物理层使用波束宽度为60°的定向天线传输数据时，选取不同的seed值，采用本发明提出的链路调度方法获得的链路平均吞吐量与BasicDMAC(DirectionalMAC)协议以及简单定向时分多址协议D-TDMA(DirectionalTDMA)获得的链路平均吞吐量的比较。仿真结果证明，与BasicDMAC协议和D-TDMA协议相比，本发明提出的链路调度方法能够获得更优的网络吞吐量性能。附图7给出了在不同天线波束宽度条件下，采用本发明获得的链路公平性与BasicDMAC协议获得的链路公平性的比较。仿真结果证明，与BasicDMAC协议相比，本发明提出的链路调度方法能够为网络中的传输链路提供更好的公平性保证。

附图说明

图1是定向链路冲突示意图；

图2是本发明采用的网络时帧结构划分；

图3是定向链路时隙分配参考示例；

图4是示例中链路时隙分配结果；

图5是链路传输调度示例；

图6是本发明与其它定向MAC协议链路吞吐量的比较；

图7是本发明与其它定向MAC协议链路公平性的比较。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

在后面的叙述中，本说明书将本发明提出的适用于无线mesh网络的定向时分链路调度方法简记为LSCT(LinksSchedulingforConcurrentTransmissions)。下面给出LSCT的具体实施步骤：

步骤1：根据物理层所使用的定向天线波束宽度以及节点自身地理位置信息，计算网络中所有传输链路的冲突集合，得到全网的冲突链路矩阵。

1、链路冲突集合

如果两条链路在同一时刻并行传输时彼此之间会产生冲突干扰，称它们为冲突链路。如附图1(a)所示，节点R将天线方向对准S节点，接收即将到来的数据包。若此时链路L_C-D同时发起传输，发送节点C首先将天线方向对准目的节点D，由于节点R处在C的天线波束辐射范围内，节点S与C的并行传输会在R处产生严重冲突。这种情况下，认为链路L_C-D和链路L_S-R是冲突链路。另外，网络中装备定向天线的活动节点无法在周围的各个方向上同时发送或者接收数据，即某一时刻节点只能在一个特定的方向上收发信号。因此所有收发节点是S或者R的链路均会与L_S-R产生冲突，附图1(b)中的链路L_A-S和链路L_R-B都是链路L_S-R的冲突链路。

对于网络中的任意链路，其所有冲突链路构成其链路冲突集合，由上述分析可知，链路L_S-R的链路冲突集合包括：(1)除L_S-R外所有发送节点是S或者R的链路；(2)除L_S-R外所有接收节点是S或者R的链路；(3)发送节点处于R(或S)的天线照射范围内并且接收节点在R(或S)方向上的链路。

2、全网冲突链路矩阵

基于上述冲突链路的分析，用c_i，j表示网络中任意两条定向链路i与j之间的冲突关系。若链路i与链路j并发传输时彼此产生冲突，则把c_i，j记为1；反之将c_i，j记为0。由此有下式成立：

$c_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}0,& i=j\\ c_{j,i}& j\≠j\end{array}\right.---\left(1\right)$

网络中所有链路的冲突关系构成全网冲突链路矩阵，记为S_M×M，具体表达形式如下：

$S_{M\×M}=\left[\begin{array}{cccc}{c}_{1,1}& c_{1,2}& ...& c_{1,M}\\ c_{2,1}& c_{2,2}& ...& c_{2,M}\\ ...& ...& ...& ...\\ c_{M,1}& c_{M,2}& ...& c_{M,M}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，M为网络中所有的传输链路数目。由(1)式可知，冲突链路矩阵S是一个对角线元素全为0的实对称矩阵。提取S矩阵的每一行可以得到链路i的冲突集合向量C_i＝[c_i，1，c_i，2，c_i，3，...，c_i，M]。

步骤2：网络初始化过程，将网络时间轴划分为一系列固定长度的连续时帧，每一时帧进一步划分为调度子时帧和传输子时帧，调度子时帧由若干数目的调度时隙组成。附图2给出了网络时间轴的结构划分。根据网络中每条链路的冲突集合，利用链路时隙分配方法将所有传输链路分配到具体调度时隙，分配到相同调度时隙的无冲突链路可以在传输子时帧中并发传输数据。

链路时隙分配的具体方法为：

1、调度子时帧中初始化时隙总数为1，链路调度分配从第1个时隙开始考虑；

2、一个调度时隙可以分配给一组无冲突的链路集合，但是一条链路只能分配到某一具体时隙；

3、彼此冲突的链路只能分配到不同的时隙，不冲突的链路可以分配到同一时隙；

4、当所有调度时隙均已分配，但仍然存在尚未分配的链路，则将时隙总数加1并把该链路分配到这一新的时隙。

假设网络中共有M条传输链路，传输链路集合记为L，L＝[l₁，l₂，...，l_M]。每执行完一次链路分配操作后，调度时隙k的链路分配结果用V_k表示，V_k＝[v_k，1，v_k，2，...，v_k，M]。其中，若链路l_i分配到了时隙k中，则v_k，i＝1；反之，v_k，i＝0。结合上文所述的链路冲突集合C_i，有如下结论：当C_i·V_k ^T＞0时，表示链路i的冲突链路已经分配到时隙k中；当C_i·V_k ^T＝0时，表示链路i的冲突链路尚未分配到时隙k中。

基于以上分析，链路时隙分配结果可通过如下伪码得到：

下面结合具体示例说明链路时隙分配方法的实现过程。假设网络中共有12个节点，节点间链路分布为1-2、3-4、5-6、7-8、9-10、11-12，每条链路的冲突集合如附图3所示，例如链路1-2的冲突集合中包含链路7-8和链路9-10，则这三条链路无法分配到相同的调度时隙。链路分配初始化时总的调度时隙数为1。首先将第一条链路1-2分配到时隙1；然后考虑第二条链路3-4，由于链路3-4的冲突链路尚未分配到时隙1中(链路1-2不在链路3-4的冲突集合范围内)，则将链路3-4也分配到时隙1中；接着考虑第三条链路5-6，由于链路5-6的冲突链路尚未分配到时隙1中(链路1-2和链路3-4均不在链路5-6的冲突集合范围内)，将链路5-6分配到时隙1中。接着考虑第四条链路7-8，由于它的冲突链路已经分配到时隙1中(链路1-2与链路3-4均会与链路7-8产生冲突)，所以链路7-8只能考虑后续的时隙，按照上文给出的链路时隙分配原则，将总的时隙数目加1，同时把链路7-8分配到新的时隙2中。剩余的链路参照同样的分配方式操作，直至所有链路均已分配时隙，最后的执行结果如附图4所示。

步骤3：网络运行过程，定向链路的收发节点在分配到的调度子时帧时隙中通过信道侦听完成传输调度，成功预约信道的链路在传输子时帧中同步并行传输数据分组。同时，在链路时隙分配结果基础上，每隔一段时间将调度时隙进行周期性轮转，为网络中每条传输链路提供公平性保证。

1、链路传输调度

在完成定向链路时隙分配的初始化工作之后，网络中节点开始调度传输。假设链路L_S-R分配到时隙i，发送节点S在时隙1、2、...、i-1内监听信道状况。如果节点S在其中某一时隙被告知L的冲突链路已经预约了后面的传输子时帧，则S在时隙i内保持空闲，将自身传输推迟到下一时帧。否则，链路L的源节点S在时隙i的前半时隙向R所在的方位广播忙音信号，目的节点R在后半时隙向S所在的方位广播忙音信号，显然，能够收到忙音信号的节点所在传输链路都是L的冲突链路。于是在后续的i+1、i+2、...、N时隙内，L的任一冲突链路都需要将传输延迟到下一时帧。

仍然使用图3给出的示例说明链路传输调度的流程。定向链路时隙分配结果如图4所示，调度子时帧中总的时隙数目为2，链路1-2、3-4、5-6分配到时隙1中，链路7-8、9-10、11-12分配到时隙2中。假设网络中某段时间内只有1-2、7-8、11-12这三条链路有实际的传输业务，按照链路传输调度规约，节点1在时隙1的前半时隙向节点2所在的方位广播忙音信号，节点2在时隙1的后半时隙向节点1所在的方位广播忙音信号。由于链路7-8与链路1-2是冲突链路，节点7在收到忙音信号后，在时隙2内保持空闲，将链路7-8的传输推迟到下一时帧。同时，链路11-12并不是链路1-2的冲突链路，于是节点11在时隙2的前半时隙向节点12所在的方位广播忙音信号，节点12在时隙2的后半时隙向节点11所在的方位广播忙音信号。最后，链路1-2与链路11-12在传输子时帧中并行传输业务。

图5给出了上述链路传输调度的操作流程。从中可以看到LSCT的另一优势：并非只有分配到相同调度时隙的链路能够在传输子时帧内并行传输，在提出的链路传输调度规约支持下，分配到不同调度时隙的无冲突链路在传输子时帧内仍然可以并行传输，有效地促进了全网定向链路传输容量的最大化。

2、链路公平性保证

根据上述链路传输调度规约，假设链路L被分配到调度时隙i，则任意分配到i+1、i+2、...、N时隙中的L的冲突链路均不能在当前时帧内发起传输。由此可见，分配到较小时隙编号的链路具有较高的传输优先级。因此，为了使得网络中的每条链路均能公平地共享网络信道资源，链路时隙分配的执行结果实行周期性轮转。即每隔固定数目的时帧，之前分配到时隙i(i＝2、3、...、N)的所有链路在新时帧开始后分配到的时隙号减1，即新时帧分配到时隙i-1；之前分配到时隙1的所有链路在新时帧开始后分配到时隙N，从而通过分配时隙的周期性轮转保证网络中每条链路传输的公平性。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种适用于无线mesh网络的定向时分链路调度方法，所采用的步骤是：

步骤1：根据网络中节点地理位置信息以及物理层使用的定向天线波束宽度计算网络中每条传输链路的冲突集合，得到全网的冲突链路矩阵；

步骤2：网络初始化过程，将网络时间轴划分为一系列固定长度的连续时帧，每一时帧进一步划分为调度子时帧和传输子时帧，调度子时帧由若干数目的调度时隙组成，根据网络中每条链路的冲突集合，利用链路时隙分配方法将所有传输链路分配到具体调度时隙，分配到相同调度时隙的无冲突链路可以在传输子时帧中并发传输数据；

步骤3：网络运行过程，定向链路的收发节点在分配到的调度子时帧时隙中通过信道侦听完成传输调度，成功预约信道的链路在传输子时帧中同步并行传输数据分组，同时，在链路时隙分配结果基础上，每隔一段时间将调度时隙进行周期性轮转，为网络中每条传输链路提供公平性保证。

2.根据权利要求1所述的一种适用于无线mesh网络的定向时分链路调度方法，其特征在于结合节点位置信息以及物理层采用的天线波束宽度，计算网络中每条传输链路的冲突集合，得到全网的冲突链路矩阵的具体方法为：

如果两条链路在同一时刻并行传输时彼此之间会产生冲突干扰，称它们为冲突链路，对于网络中的任意链路，其所有冲突链路构成其链路冲突集合，考虑节点定向传输特性，节点S和R之间的链路L_S-R的链路冲突集合包括：(1)除L_S-R外所有发送节点是S或者R的链路；(2)除L_S-R外所有接收节点是S或者R的链路；(3)发送节点处于R(或S)的天线照射范围内并且接收节点在R(或S)方向上的链路；

用c_i，j表示网络中任意两条定向链路i与j之间的冲突关系，若链路i与链路j并发传输时彼此产生冲突，则把c_i，j记为1，反之将c_i，j记为0，由此有下式成立：

网络中所有链路的冲突关系构成全网冲突链路矩阵，记为S_M×M，具体表达形式如下：

其中，M为网络中所有的传输链路数目，由(1)式可知，冲突链路矩阵S是一个对角线元素全为0的实对称矩阵，提取S矩阵的每一行可以得到链路i的冲突集合向量C_i＝[c_i，1，c_i，2，c_i，3，...，c_i，M]。

3.根据权利要求1所述的一种适用于无线mesh网络的定向时分链路调度方法，其特征在于根据网络中每条链路的冲突集合，利用链路时隙分配方法将所有传输链路分配到具体调度时隙的具体方法为：

(1)调度子时帧中初始化时隙总数为1，链路调度分配从第1个时隙开始考虑；

(2)一个调度时隙可以分配给一组无冲突的链路集合，但是一条链路只能分配到某一具体时隙；

(3)彼此冲突的链路只能分配到不同的时隙，不冲突的链路可以分配到同一时隙；

(4)当所有调度时隙均已分配，但仍然存在尚未分配的链路，则将时隙总数加1并把该链路分配到这一新的时隙。

4.根据权利要求1所述的一种适用于无线mesh网络的定向时分链路调度方法，其特征在于定向链路的收发节点在分配到的调度子时帧时隙中通过信道侦听完成传输调度的具体方法为：

在完成定向链路时隙分配的初始化工作之后，网络中节点开始调度传输，调度子时帧中的调度时隙数为N，假设链路L_S-R分配到时隙i，发送节点S在时隙1、2、...、i-1内监听信道状况，如果节点S在其中某一时隙被告知L的冲突链路已经预约了后面的传输子时帧，则S在时隙i内保持空闲，将自身传输推迟到下一时帧，否则，链路L的源节点S在时隙i的前半时隙向R所在的方位广播忙音信号，目的节点R在后半时隙向S所在的方位广播忙音信号，显然，能够收到忙音信号的节点所在传输链路都是L的冲突链路，于是在后续的i+1、i+2、...、N时隙内，L的任一冲突链路都需要将传输延迟到下一时帧。

5.根据权利要求1所述的一种适用于无线mesh网络的定向时分链路调度方法，其特征在于在链路时隙分配结果基础上，每隔一段时间将调度时隙进行周期性轮转，为网络中每条传输链路提供公平性保证的具体方法为：

假设链路L被分配到调度时隙i，则任意分配到i+1、i+2、...、N时隙中的L的冲突链路均不能在当前时帧内发起传输，由此可见，分配到较小时隙编号的链路具有较高的传输优先级，因此，为了使得网络中的每条链路均能公平地共享网络信道资源，链路时隙分配的执行结果实行周期性轮转，即每隔固定数目的时帧，之前分配到时隙i(i＝2、3、...、N)的所有链路在新时帧开始后分配到的时隙号减1，即新时帧分配到时隙i-1，之前分配到时隙1的所有链路在新时帧开始后分配到时隙N，从而通过分配时隙的周期性轮转保证网络中每条链路传输的公平性。