專利名稱：：支持多跳資源預留的IEEE802.16Mesh網絡資源預留方法
技術領域：
：本發明涉及通信領域，具體涉及基于IEEE802.16的無線Mesh網絡的媒質訪問控制層技術。
背景技術：
：目前，通用的兩種無線Mesh網絡分別基于IEEE802.11技術和IEEE802.16技術，前者已有示范網絡，而后者還處于研究開發階段。已有的基于IEEE802.16的Mesh(網狀網絡)網絡中，無線Mesh網絡的媒質訪問控制層(以下簡稱“MAC層”)MAC層調度機制可分為集中式調度和分布式調度。集中式調度是指由基站統一調度信道資源的分配；分布式調度是指用戶站與用戶站之間可單獨地組成自己的Mesh網絡直接進行通信，并且它們的控制信號由各節點間調用分布式調度算法或請求/發送機制來協調，不需要中心控制基站的鏈接。分布式調度又可分為協同分布式調度和非協同分布式調度。其中，協同分布式調度是指在控制子幀中使用無碰撞方式來調度傳輸數據包；而非協同分布式調度是指部分的基于競爭的方式來傳輸調度數據包。二者的主要區別在于，協同情況下調度是完全無碰撞的，而非協同方式可能發生碰撞。我們以圖1所示的多跳網絡拓撲結構為例對IEEE802.16Mesh通過三次握手機制采用傳統的逐跳預留的分組轉發機制，分配網絡資源的方法進行具體描述。圖1所示為Mesh網絡中一條端到端的路徑P=In。一Ii1—n2—…一I^1-Iii-ni+1…一I^1—nm}當源節點有分組需要發送到目的節點nm時，IEEE802.16Mesh通過三次握手機制，逐跳轉發，每一跳(設節點Iv1將分組轉發給節點Hi)的轉發過程如圖2所示，具體過程如下首先，節點IV1發送MSH-DSCH.Req消息給節點Iii；其中，MSH-DSCH.Req消息中包含鏈路標識(LinkID)、發送數據大小(DemandLevel)和發送數據持續幀個數(DemandPersistence)等消息；其次，當節點Hi收到上一跳節點即I^1發送的MSH-DSCH.Req消息后，讀取其發送數據大小，發送數據持續幀個數以及上一跳節點即IV1的可用發送時隙，根據本節點的可用接收時隙選擇合適的minislot分配給上一跳節點即IV1用以發送數據，而后，更新可用發送時隙表和可用接收時隙表，發送MSH-DSCH.Grant消息給上一跳節點即IV1；再次，節點IV1在收到節點Hi發送的MSH-DSCH.Grant消息后，確認不會發生沖突時回復Regrant消息給節點Iii；至此，三握手過程結束；最后，節點I^1在與下一跳節點即Iii完成了完整的三次握手后，節點IV1便轉發分組給下一跳節點即叫。同樣當節點Iii轉發到ni+1時也需要上述過程。由上述過程知，這種傳統的逐跳預留的分組轉發機制，分組每進行一跳轉發，都首先需要三次握手預留資源，再發送數據分組，因此三次握手的信令開銷大，端到端時延較長。
發明內容本發明所要解決的技術問題是，針對現有IEEE802.16三次握手機制存在三次握手的信令開銷大，端到端時延較長的缺陷，提出有效的資源調度和新的三次握手機制。本發明解決上述技術問題的技術方案是，提出了一種基于IEEE802.16的Mesh網絡的協同分布式調度資源預留方法。Mesh網絡路徑上的各節點在接收到上游節點的數據時隙請求消息后，在回復授權消息的同時向下游節點發送請求消息，為本業務預留數據時隙。首先對IEEE802.16的MSH-DSCH消息進行修改，通過MSH-DSCH消息決定MSH-DSCH消息的類型；根據上游節點的數據時隙請求消息，及本地節點的可用接收時隙數，判斷請求消息中的發送時隙集合與自己的可用接收時隙結合的交集是否滿足帶寬要求；如果不滿足，則直接發送授權消息網狀網絡中分布式調度消息的授權消息MSH-DSCH.Grant消息給上游節點；否則，根據請求消息中的請求帶寬及自己的可用發送時隙數，判斷自己的可用發送時隙是否滿足帶寬要求，如果滿足，則根據請求消息中的下游節點的下一跳節點地址NextNext-nodeAddr的值，獲取下游節點的下一跳節點的地址；本地節點在回復上游節點授權消息的同時向下游節點發送請求消息，為本業務預留數據時隙。如本地節點為源節點IV獲取Iitl的下下跳節點ri2的地址，發送網狀網絡中分布式調度消息的改進后的請求消息MSH-DSCH.eReq消息給下一跳節點叫，當源節點nQ收到下一跳節點Ii1的網狀網絡中分布式調度消息的改進后的授權消息MSH-DSCH.eGrant消息后，拷貝其中的授權信息部分，讀取分配給自己用于發送數據的微時隙minislot，如果此minislot如果未標記為不可用發送數據時隙，標記其為可用于在數據發送階段用于資源預留的時隙，并向下一跳節點Il1回復MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手過程。如本地節點為源節點的下一跳節點Ii1,如果可用發送時隙滿足帶寬請求，則同時發送MSH-DSCH.eGrant消息給上一跳節點Iitl和下一跳節點n2；當節點Ii1收到上一跳節點nQ發送的MSH-DSCH.Regrant消息后，便在預留的時隙中等待接收上一跳節點轉發給自己的數據包；當節點Ii1收到下一跳節點Ii2的MSH-DSCH.eGrant消息后，拷貝其中的授權信息部分，如果分配給自己用于發送數據的minislot可用，標記其為可用于在數據發送階段用于資源預留的時隙，并向下一跳節點n2回復MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手過程。如果本地節點為中間節點叫，當節點Iii收到上一跳節點IV1發送的MSH-DSCH.eGrant消息后，如果本節點的可用接收時隙滿足業務的帶寬請求，選擇合適的minislot分配給Iv1為其預留資源，如果可用發送時隙滿足帶寬請求，獲取下下跳節點的地址，同時發送MSH-DSCH.eGrant消息給上一跳節點I^1和下一跳節點ni+1，當節點Iii收到下一跳節點ni+1的MSH-DSCH.eGrant消息后，如果為可用于在數據發送階段用于資源預留的時隙，向下一跳節點ni+1回復MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手過程。本發明的IEEE802.16Mesh網絡資源預留方法，通過有效的資源調度，與現有技術相比三次握手的信令開銷小，端到端時延短。圖1多跳網絡拓撲結構示意2現有技術三次握手消息交互和數據傳輸具體過程圖3本發明總體技術流程4源節點nQ的處理流程圖5源節點的下一跳節點即Ii1的處理流程圖5a節點Ii1收到上一跳節點即nQ的MSH-DSCH.eReq消息的處理流程圖5b節點Ii1收到下一跳節點即n2的MSH-DSCH.eGrant消息的處理流程圖6中間節點IIi的處理流程圖6a節點Iii收到上一跳節點即I^1的MSH-DSCH.eGrant消息的處理流程圖6b節點Iii收到下一跳節點即ni+1的MSH-DSCH.eGrant消息的處理流程圖7目的節點nm的處理流程圖8多跳資源預留中的信令交互過程具體實施例方式本發明提出了一種基于IEEE802.16的Mesh網絡的協同分布式調度資源預留方法。Mesh網絡路徑上的各節點在接收到上游節點的數據時隙請求消息后，在回復授權消息的同時向下游節點發送請求消息，為本業務預留數據時隙。為了實現本發明提出的資源預留方案，首先對IEEE802.16的MSH-DSCH消息進行修改，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<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>在MSH-DSCH.eReq消息中，除了攜帶原有信息外(鏈路標識(LinkID)、發送數據大小(DemandLevel)和發送數據持續幀個數(DemandPersistence)等)，還需附帶節點的地址信息、請求信息等。通過改進前的請求消息與授權消息的標志符Grant/RequestFlag、改進后的請求消息與授權消息的標志符eReq/eGrantFlag字段的值共同決定網狀網絡中的分布式調度消息MSH-DSCH消息的類型，即確定是原IEEE802.16的網狀網絡中分布式調度消息的授權消息MSH-DSCH.Grant消息，還是網狀網絡中分布式調度消息的改進后的授權消息MSH-DSCH.eGrant消息。如果Grant/RequestFlag=0、eReq/eGrantFlag=0則表示原IEEE802.16的MSH-DSCH.Request消息，如果Grant/RequestFlag=0、eReq/eGrantFlag=1則表示改進的MSH-DSCH.eReq消息，如果Grant/RequestFlag=UeReq/eGrantFlag=0則表示原IEEE802.16的MSH-DSCH.Grant消息，如果Grant/RequestFlag=1、eReq/eGrantFlag=1則表示改進的MSH-DSCH.eGrant消息。如圖3所示為本發明網絡資源預留總體技術流程圖，本發明在IEEE802.16Mesh模式的分布式調度機制的基礎上，根據MAC層數據時隙的分配機制，提出了一種基于資源預留的三次握手改進機制。節點在接收到上游節點的數據時隙請求消息后，根據請求消息中的請求帶寬、發送時隙集合，及本地節點自己的可用接收時隙數，判斷請求消息中的發送時隙集合與自己的可用接收時隙集合的交集是否滿足帶寬要求；如果不滿足，則直接發送MSH-DSCH.Grant消息給上游節點；否則，根據請求消息中的請求帶寬及自己的可用發送時隙數，判斷自己的可用發送時隙是否滿足帶寬要求，如果滿足，則根據請求消息中的下游節點的下一跳節點的地址NextNext-nodeAddr的值，得到下游節點的鏈路標識LinkID，查找路由表，獲取下游節點的下一跳節點的地址；本節點在回復上游節點授權消息的同時向下游節點發送請求消息，為本業務預留數據時隙。可以提升IEEE802.16Mesh網絡在吞吐量、分組端到端傳輸時延等方面的性能，減少三次握手的信令開銷，降低端到端時延。廣泛適用于無線Mesh網絡的資源分配。以下分別針對各節點對其處理流程進行詳細描述。各節點的具體處理流程如下所述。我們同樣結合圖1所示的多跳網絡拓撲結構說明本發明專利的具體實施方式，包括Mesh網絡路徑上的源節點、源節點的下一跳節點、中間節點、目的節點的處理流程。1)源節點nQ的具體處理流程當本地節點為源節點時，源節點Iitl的處理流程如圖4所示。具體包括收到網絡層的IP分組和下一跳節點即Ii1的MSH-DSCH.eGrant消息兩部分。當源節點Iitl收到來自網絡層的一IP分組時，根據請求帶寬及可用發送時隙數，判斷可用發送時隙是否滿足帶寬要求。查找路由表，獲取Iltl的下下跳節點H2的地址，發送網狀網絡中分布式調度消息的改進后的請求消息MSH-DSCH.eReq消息給下一跳節點即Ii1，其中，在MSH-DSCH.eReq消息中，除了攜帶原有信息外(鏈路標識(LinkID)、發送數據大小(DemandLevel)和發送數據持續幀個數(DemandPersistence)等)，還需附帶節點的地址信息。判斷是否收到下一跳節點的MSH-DSCH.eGrant消息，當源節點Iitl收到下一跳節點即Ii1的MSH-DSCH.eGrant消息后，拷貝其中的授權信息部分，讀取其分配給自己用于發送數據的minislot，對比更新后的可用數據發送時隙表判斷此minislot是否已經標記為不可用發送數據時隙，如果不可用，放棄此時隙，重新發起請求，否則標記其為可用于在數據發送階段用于資源預留的時隙，并向下一跳節點即Ii1回復MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手過程。在完成完整的三次握手后，源節點Iitl便在已預留的數據微時隙上發送數據分組。如果沒有收到下一跳節點的MSH-DSCH.eGrant消息，重傳次數i加1，當i達到規定的重傳次數，流程結束。2)源節點的下一跳節點Ii1的處理流程當本地節點為源節點的下一跳節點nl，源節點的下一跳節點即nl的處理流程如圖5所示。分為收到上一跳節點即n0的MSH-DSCH.eReq消息、MSH-DSCH.Regrant消息和下一跳節點即n2的MSH-DSCH.eGrant消息三部分，其中收到上一跳節點即nQ的MSH-DSCH.eReq消息和下一跳節點即n2的MSH-DSCH.eGrant消息的處理流程分別如圖5a和5b所示。而收到上一跳節點即nQ的MSH-DSCH.Regrant消息不做處理。當節點Ii1收到源節點n0發送的MSH-DSCH.eReq消息后，讀取其發送數據大小，發送數據持續幀個數以及上一跳節點即Iitl的可用發送時隙，根據本節點的可用接收時隙，判斷是否滿足業務的帶寬請求，據MSH-DSCH.eGrant消息中的請求帶寬、發送時隙集合，及自己的可用接收時隙，判斷與自己的可用接收時隙結合的交集是否滿足帶寬的要求，如不滿足，則結束；否則選擇合適的數據子幀中的數據微時隙minislot分配給上一跳節點即Iitl為其預留資源，更新可用發送時隙表和可用接收時隙表，并進一步根據業務的帶寬請求和自己的可用發送時隙數，判斷可用發送時隙是否滿足帶寬請求，如果滿足，則同時發送MSH-DSCH.eGrant消息給上一跳節點即和下一跳節點即Ii2，其中，在MSH-DSCH.eGrant消息中，除了攜帶對上一跳節點的確認信息外，還帶有需發到下一跳節點的請求消息；否則，直接發送MSH-DSCH.Grant消息到上一跳節點。當節點ηι收到上一跳節點即nQ發送的MSH-DSCH.Regrant消息后，便在預留的時隙中等待接收上一跳節點轉發給自己的數據包即分組；當節點H1收到下一跳節點即n2的MSH-DSCH.eGrant消息后，拷貝其中的授權信息部分，讀取其分配給自己用于發送數據的minislot，對比更新后的可用數據發送時隙表判斷此minislot是否已經標記為不可用發送數據時隙，如果不可用，放棄此時隙，重新發起請求，否則標記其為可用于在數據發送階段用于資源預留的時隙，并向下一跳節點即n2回復MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手過程。3)中間節點Iii的處理流程當本地節點為中間節點叫，中間節點Iii的處理流程如圖6所示。分為收到上一跳節點即IV1的MSH-DSCH.eGrant消息、MSH-DSCH.Regrant消息和下一跳節點即ni+1的MSH-DSCH.eGrant消息三部分，其中收到上一跳節點即I^1的MSH-DSCH.eGrant消息和下一跳節點即ni+1的MSH-DSCH.eGrant消息的處理流程分別如圖6a和6b所示。當節點Iii收到上一跳節點即IV1發送的MSH-DSCH.eGrant消息后，讀取其發送數據大小，發送數據持續幀個數以及上一跳節點即IVi的可用發送時隙，根據本節點的可用接收時隙，判斷是否滿足業務的帶寬請求，如不滿足，發送MSH-DSCH.Grant消息給上一跳節點，并結束；否則選擇合適的minislot分配給上一跳節點即Iv1為其預留資源，更新可用發送時隙表和可用接收時隙表，并進一步根據業務的帶寬請求和自己的可用發送時隙數，判斷可用發送時隙是否滿足帶寬請求，如果滿足，根據MSH-DSCH.eGrant消息得到下一跳節點的LinkID，查找路由表獲取下下跳節點的地址，同時發送MSH-DSCH.eGrant消息給上一跳節點即I^1和下一跳節點即ni+1，其中，在MSH-DSCH.eGrant消息中，除了攜帶對上一跳節點的確認信息外，還帶有需發到下一跳節點的請求消息；否則，直接發送MSH-DSCH.Grant到上一跳節點。當節點Iii收到上一跳節點即IV1發送的MSH-DSCH.Regrant消息后，便在預留的時隙中等待接收上一跳節點轉發給自己的數據包即分組；當節點Hi收到下一跳節點即ni+1的MSH-DSCH.eGrant消息后，拷貝其中的授權信息部分，讀取其分配給自己用于發送數據的minislot，對比更新后的可用數據發送時隙表判斷此minislot是否已經標記為不可用發送數據時隙，如果不可用，放棄此時隙，重新發起請求；否則標記其為可用于在數據發送階段用于資源預留的時隙，并向下一跳節點即ni+1回復MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手過程。4)目的節點~的處理流程目的節點nm的處理流程如圖7所示。當目的節點nm收到上一跳節點即Iinri發送的MSH-DSCH.eGrant消息后，讀取其發送數據大小，發送數據持續幀個數以及上一跳節點即IV1的可用發送時隙，根據本節點的可用接收時隙，判斷是否滿足業務的帶寬請求，如不滿足，則結束；否則選擇合適的minislot分配給上一跳節點即Iv1為其預留資源，更新可用發送時隙表和可用接收時隙表，發送MSH-DSCH.Grant消息給上一跳節點即I^1；當目的節點nm收到上一跳節點即Iv1發送的MSH-DSCH.Regrant消息后，便在預留的時隙中等待接收上一跳節點轉發給自己的數據包即分組。5)信令交互流程本發明中的多跳資源預留中的信令交互過程可如圖8所示。首先，源節點n(1收到一分組時，查找路由表，獲取節點n2的地址，發送MSH-DSCH.eReq消息給下一跳節點即Ii1；當節點Ii1收到源節點nQ發送的MSH-DSCH.eReq消息后，讀取其消息內容，判斷可用發送時隙是否滿足帶寬請求，如果滿足，則同時發送MSH-DSCH.eGrant消息給上一跳節點即Iitl和下一跳節點即n2；當源節點Iitl收到下一跳節點即Ii1的MSH-DSCH.eGrant消息后，拷貝其中的授權信息部分，讀取其分配給自己用于發送數據的minislot，對比更新后的可用數據發送時隙表判斷此minislot是否已經標記為不可用發送數據時隙，如果不可用，放棄此時隙，重新發起請求，否則標記其為可用于在數據發送階段用于資源預留的時隙，并向下一跳節點即Ii1回復MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手過程。在完成完整的三次握手后，源節點Iitl在已預留的數據微時隙上發送數據分組。同樣，此路徑上后面各節點也需要上述過程來進行消息的轉發及資源預留直到目的節點nm。權利要求基于IEEE802.16Mesh網絡資源預留方法，其特征在于，對IEEE802.16的MSH-DSCH消息進行修改，通過分布式調度MSH-DSCH消息決定MSH-DSCH消息的類型；根據上游節點的數據時隙請求消息，及本地節點的可用接收時隙數，判斷請求消息中的發送時隙集合與自己的可用接收時隙結合的交集是否滿足帶寬要求；如果不滿足，則直接發送授權消息MSH-DSCH.Grant消息給上游節點；否則，根據請求消息中的請求帶寬及自己的可用發送時隙數，判斷自己的可用發送時隙是否滿足帶寬要求，如果滿足，則根據請求消息中的下游節點的下一跳節點的地址NextNext-nodeAddr的值，獲取下游節點的下一跳節點的地址；本地節點在回復上游節點授權消息的同時向下游節點發送請求消息，為本業務預留數據時隙。2.根據權利要求1所述的網絡資源預留方法，其特征在于，如本地節點為源節點IV獲取的下下跳節點Ii2的地址，發送分布式調度消息中改進后的請求MSH-DSCH.eReq消息給下一跳節點η”當源節點Iitl收到下一跳節點Ii1的分布式調度消息中改進后的授權消息MSH-DSCH.eGrant消息后，拷貝其中的授權信息部分，讀取分配給自己用于發送數據的微時隙minislot，如果此minislot未標記為不可用發送數據時隙，標記其為可用于在數據發送階段用于資源預留的時隙，并向下一跳節點H1回復分布式調度消息的確認MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手過程。3.根據權利要求1所述的網絡資源預留方法，其特征在于，如本地節點為源節點的下一跳節點Ii1,如果可用發送時隙滿足帶寬請求，則同時發送MSH-DSCH.eGrant消息給上一跳節點和下一跳節點Ii2；當節點Ii1收到上一跳節點Iitl發送的MSH-DSCH.Regrant消息后，便在預留的時隙中等待接收上一跳節點轉發給自己的數據包；當節點H1收到下一跳節點n2的MSH-DSCH.eGrant消息后，拷貝其中的授權信息部分，如果分配給自己用于發送數據的數據微時隙minislot可用，標記其為可用于在數據發送階段用于資源預留的時隙，并向下一跳節點n2回復MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手過程。4.根據權利要求1所述的網絡資源預留方法，其特征在于，如果本地節點為中間節點Hi,當節點Iii收到上一跳節點IV1發送的MSH-DSCH.eGrant消息后，如果本節點的可用接收時隙滿足業務的帶寬請求，選擇合適的minislot分配給Iv1為其預留資源，如果可用發送時隙滿足帶寬請求，獲取下下跳節點的地址，同時發送MSH-DSCH.eGrant消息給上一跳節點IV1和下一跳節點ni+1，當節點Iii收到下一跳節點ni+1的MSH-DSCH.eGrant消息后，如果為可用于在數據發送階段用于資源預留的時隙，向下一跳節點ni+1回復MSH-DSCH.Regrant消息完成三次握手過程。5.根據權利要求2所述的網絡資源預留方法，其特征在于，在MSH-DSCH.eReq消息中，除了攜帶原有信息中的鏈路標識、發送數據大小和發送數據持續幀個數外，還附帶下下跳節點n2的地址信息。6.根據權利要求3所述的網絡資源預留方法，其特征在于，在MSH-DSCH.eGrant消息中，除了攜帶對上一跳節點的確認信息外，還帶有需發到下一跳節點的請求消息。全文摘要一種基于IEEE802.16Mesh網絡資源預留方法，涉及通信網絡技術，提出了一種基于IEEE802.16的Mesh網絡的協同分布式調度資源預留方法，Mesh網絡路徑上的各節點在接收到上游節點的數據時隙請求消息后，在回復授權消息的同時向下游節點發送請求消息，為本業務預留數據時隙。通過有效的資源調度，可實現三次握手的信令開銷小，端到端的時延短。本方法可廣泛用于無線Mesh網絡的資源分配。文檔編號H04W40/04GK101808371SQ201010136379公開日2010年8月18日申請日期2010年3月30日優先權日2010年3月30日發明者劉期烈,張欣,李云,陳亮申請人:重慶郵電大學