支持业务区分的802.16MAC层可靠性保证方法

摘要

本发明请求保护支持业务区分的802.16MAC层可靠性保证方法。涉及通信领域，本发明的技术方案是，根据连接标识符确定业务类型为实时业务或非实时业务；对于可容忍的时延t小于由数据确认引起的时延tACK的实时业务，执行IEEE802.16协议规定的三次握手过程；对于可容忍的时延t大于由数据确认引起的时延tACK的实时业务，或非实时业务，执行改进的三次握手过程，并对接收数据进行确认。本发明能根据业务类型进行数据确认，从而保证了数据的可靠性，降低误码率，提高网络吞吐量，推动无线Mesh网络技术的发展和应用。

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及802.16的MAC层工作方式。

背景技术

随着无线互联网在全球范围内的迅猛发展，以及网络服务类型的增加和用户对带宽需求的增长，宽带无线接入技术成为了人们关注的焦点，并已成为通信业的主流。IEEE 802.16的MAC层支持2种网络拓扑方式：传统的点对多点(PMP)模式和网状(Mesh)模式。

PMP模式是无线接入的主要形式，在下行链路采用时分广播(TDM)方式进行数据传输，而在上行链路采用按需多址(DAMA)与TDMA或OFDM相结合的方式。PMP模式和目前蜂窝通信系统如GSM系统、第三代移动通信系统类似，采用的是集中控制机制，每个基站(BS)负责一个小区内所有用户站(SS)的通信。在PMP模式中，业务被分为四种类型：主动授权业务(UGS)、实时轮询业务(rtPS)、非实时轮询业务(nrtPS)和尽力而为业务(BE)，并定义了较为完整的QoS机制。

Mesh模式是为了适应2~11GHz频段的物理环境和不同业务需求而设计的一种结构，它以移动Ad hoc对等网络的形式出现，用户站(SS)之间可以构成小规模多跳无线网络传送数据，不需要BS的集中控制。满足军事通信中对于宽带数据传输、支持端到端IP、支持语音和视频信息、支持不采用GPS但同样可达相应精确度的定位要求。健壮性、灵活性和高速率数据传输是Mesh模式的重要特征。Mesh模式可以通过跳经一系列中间结点以提供长的端到端通信距离，同时提供足够高的数据传输速率。与发送端到接收端之间的距离相比，各结点之间的距离(每跳)相对较短，每一跳可以完成比直接通信高得多的数据传输速率，从而使在长距离的端到端通信系统中同样能支持高数据传输速率。在Mesh模式中，每个结点只需传输很短的距离，发送功率相对较小，从而大大降低了系统内的干扰并使频率复用更加密集。另外，由于可跳经中间结点传送数据，Mesh模式使得信号可以绕过障碍物和本地网络的阻塞物建立健壮的路由。在Mesh模式中，业务只被分为两种类型：实时业务和非实时业务。

目前，基于PMP模式的研究已趋于成熟，而基于Mesh模式还处于研究开发阶段。已有的基于Mesh模式的研究主要集中在调制解调、信道编码、信道分配、移动性管理等方面，还没有相关研究讨论可靠性保证问题，如文献：IEEEStd.802.16-2004，IEEE Standard for Local and Metropolitan AreaNetworks Part 16：Air Interface for Fixed Broadband Wireless AccessSystems.2004公开了基于IEEE 802.16的宽带无线接入技术，据IEEE802.16的标准规范进行三次握手过程，从而建立连接，在三次握手过程中没有考虑业务类型对建立连接的影响，通信的可靠性不高，针对上述问题一种支持业务区分的IEEE802.16MAC层可靠性保证方法。

发明内容

本发明针对现有技术基于IEEE802.16宽带无线接入系统中数据传输可靠性较低，误码率高的问题，设计了一种支持业务区分的可靠性保证方法。本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种基于IEEE802.16支持业务区分的MAC层可靠性保证方法，该方法根据业务类型建立连接，进行数据确认，从而保证了数据的可靠性。具体包括如下步骤，1)判断业务类型；2)根据不同的业务类型进行不同的三次握手过程；3)数据传送后，根据不同的业务类型确定是否进行数据确认。根据连接标识符CID判断业务类型Priority/Class为实时轮询业务rtPS还是非实时轮询业务nrtPS，由此确定业务类型为实时业务或非实时业务，当Priority/Class＝rtPS，为实时业务类型，该业务进入实时业务队列；当Priority/Class＝nrtPS，为非实时业务类型，该业务进入非实时业务队列；对于实时业务，进一步判断业务可容忍的时延t是否大于由数据确认引起的时延t_ACK，当t＜t_ACK，执行IEEE802.16协议规定的三次握手过程，并且不需要对收到的数据进行确认；当t＞t_ACK，或者非实时业务，执行改进的三次握手过程，并对接收数据进行确认，在数据子帧的微时隙中发送确认信息ACK，并且在三次握手过程中将发送ACK的微时隙预留出来。具体包括，提前分配发送ACK的微时隙，即在分布式调度消息MSH-DSCH消息中添加表示ACK的数目的信息，再添加一个数据确认信元描述确认信息单元ACK IE；请求节点发送数据请求后，授权节点分配发送数据的微时隙，以及分配发送数据确认ACK的微时隙；生成相应的确认信元Grant IE和ACK IE发送给请求节点；复制ACK IE中的授权信息，发送ACK IE，完成改进后的三次握手过程。例如，其中表示ACK数目的信息为6比特，可插入到原来MSH-DSCH消息的第31比特至第36比特，分配ACK微时隙的IE为40比特信息，可添加在MSH-DSCH的最后。数据发送后根据业务的类型判断数据是否需要确认，实时业务一般不需要确认，当实时业务可容忍的时延t大于由数据确认引起的时延tACK时，也可以进行实时业务的数据确认，非实时业务需要进行数据确认。请求节点在授权的发送数据的微时隙向授权节点发送数据，授权节点在数据接收完毕后，在授权的发送数据确认ACK的微时隙向请求节点发送ACK。

本发明能根据业务类型进行数据确认，从而保证了数据的可靠性，降低误码率，提高网络吞吐量，推动无线Mesh网络技术的发展和应用。

附图说明

图1802.16MAC层Mesh网状网结构

图2802.16标准规定的三次握手过程

图3本发明总体流程图

图4本发明改进后的三次握手过程及数据发送、确认过程

具体实施方式

本发明的目的在于为基于IEEE802.16Mesh模式的网络设计一种支持业务区分的可靠性保证方法，以提升无线Mesh网络的性能。为了便于理解本发明的技术方案，下面首先对IEEE802.16的信道接入机制和三次握手过程的建立进行简单描述。

IEEE802.16协议是由IEEE 802工作组推出的，定义了无线城域网(WMAN)的空中接口规范，开发了(2～66)GHz频带的无线接入物理层(以下简称“PHY层”)和媒质接入控制层(以下简称“MAC层”)。IEEE802.16协议的MAC层提供了一种新的网络拓扑结构——Mesh网状网结构。Mesh采用时分复用方式，没有严格的上下行之分。相应的，Mesh帧采用时分复用的帧结构，由控制子帧和数据子帧两部分组成，如图1所示。控制子帧被分为若干个时隙(slot)单元，每个时隙就是一个“传输机会(transmission opportunity)”。控制子帧的长度是固定的，等于MSH-CTRL-LEN×7个OFDM符号(symbol)，其中参数MSH-CTRL-LEN表示slot的个数，由网络配置消息MSH-NCFG中的“网络描述符信息单元(Network Descriptor IE)”给出。控制子帧又分为网络控制子帧和调度控制子帧，网络控制子帧用于进行网络控制，发送网络接入消息MSH-NENT和网络配置消息MSH-NCFG，主要功能是创建和保持不同系统间的一致，包括管理网络节点的连接、链路的选择、节点和链路的控制信息等。

每个网络控制子帧中，只有第一个时隙用于传送MSH-NENT，其余的(MSH-CTRL-LEN-1)个时隙都用于传送MSH-NCFG。网络控制子帧周期性发送，发送周期为(scheduling-frame×4+1)，其中参数scheduling-frame由MSH-NCFG消息中的Network Descriptor IE给出。调度控制子帧主要发送集中式调度消息MSH-CSCH和分布式调度消息MSH-DSCH，用于对链路上资源数量的分配，完成系统间数据发送的协调调度。通过节点之间使用调度控制子帧来决定无线链路的带宽资源分配，即将具体的时隙分配给网络中的各个用户站(SS)或SS节点通过获取该帧来获得发送和接收数据的时隙。

IEEE802.16的Mesh分布式调度运用三次握手(three-way handshaking)过程来建立发送数据前的连接，其过程如图2所示。

本发明在现有技术标准IEEE802.16三次握手过程的基础上，根据业务类型的不同进行不同的三次握手过程，通过对传送的数据进行业务分类确认的方式来提高网络的可靠性，提供支持业务区分的802.16MAC层可靠性保证，实现对网络性能的优化。

在发送数据前，根据不同的业务类型进行三次握手过程建立连接，主要包括三个部分：1)判断业务类型；2)根据不同的业务类型进行不同的三次握手过程；3)数据传送后，根据不同的业务类型确定是否进行数据确认。其总体流程如图3所示。具体包括如下步骤，判断Mesh模式中的业务类型是实时业务还是非实时业务，根据业务类型将业务分别存进相应的队列，实时业务进入实时业务队列，非实时业务进入非实时业务队列；根据不同的业务类型进行不同的三次握手过程；完成数据发送后根据业务的类型判断数据是否需要确认，实时业务因为实时性极强，所以数据一般不需要确认，当实时业务可容忍的时延t大于由数据确认引起的时延t_ACK时，也可以进行实时业务的数据确认。而非实时业务因为实时性不强，而质量要求极高，所以数据需要确认。

以下针对附图和具体实例对本发明的实施过程进行具体描述。

1.判断业务类型

业务流由连接标识符(CID)标识构成，CID中包含了业务类型(Priority/Class)。在802.16的Mesh模式中，业务被分为实时业务和非实时业务。实时业务主要包括网络电话(VoIP)、网络电视(IPTV)、视频点播(VOD)等，非实时业务主要包括ATM、FTP、因特网接入等。若业务类型为实时业务，即Priority/Class＝rtPS；若业务类型为非实时业务，即Priority/Class＝nrtPS。如果是实时业务进入实时业务队列，如果是非实时业务进入非实时业务队列。当所述业务为实时业务且不能容忍由数据确认引起的时延时，执行802.16协议规定的三次握手过程，并且在收到数据后不需要进行确认。当所述业务为实时业务，且实时业务可容忍的时延t大于由数据确认引起的时延t_ACK时、或当所述业务为非实时业务执行本发明改进的三次握手过程，在接收到数据后，对非实时业务需对数据进行确认，对实时业务则根据要求进行确认。

2.根据业务类型进行三次握手过程

2.1当业务为实时业务且不能容忍由数据确认引起的时延

当Priority/Class＝rtPS且t＜t_ACK，表明该业务类型为实时业务且不能容忍由数据确认引起的时延，该业务执行802.16协议规定的三次握手过程，并且不对收到的数据进行确认。如图2所示为802.16协议规定的三次握手过程示意图，包括请求、回复、确认三个阶段。

(1)请求。待发送数据的请求节点使用MSH-DSCH消息的“请求信元(Request IE)”说明链路标识(Link ID)、发送数据大小(Demand Level)和发送数据持续帧的个数(Demand Persistence)等信息。在这个过程中，请求节点还将自己可以在哪些微时隙或发送或接收或同时发送接收的信息加到MSH-DSCH消息的“可用信元(Availability IE)”中，发送给授权节点。

(2)回复。授权节点接到请求后，从可用信元查找请求节点可用于发送的微时隙，并结合自身可以接收的微时隙来分配合适的微时隙(minislot)，最后将分配的微时隙的具体位置(包括分配的微时隙的起始帧号Start FrameNumber、一帧中分配的微时隙的起始位置Minislot Start、一帧中分配的微时隙数Minislot Range等)加到MSH-DSCH消息的“确认信元(Grant IE，direction＝1，表明是发给请求方)中，回复给请求节点。

(3)确认。请求节点收到Grant IE(direction＝1)后，复制授权信息，发送Grant IE(direction＝0，表明是发给授权方)作为确认信息完成三次握手过程。

通过三次握手过程实现数据子帧中微时隙的调度和分配。

2.2非实时业务、或能容忍由数据确认引起的时延的实时业务

当Priority/Class＝rtPS且t＞t_ACK，表明该业务为实时业务且由数据确认引起的时延对实时业务实时性要求影响不大，当Priority/Class＝nrtPS，表明上述业务为非实时业务，执行图4所示的本发明改进后的三次握手过程，为了保证数据传输的可靠性，节点在接收到数据后应该对收到的数据进行确认，即发送ACK表示已经收到数据。

由数据确认引起的时延t_ACK主要由两部分组成，一部分是正常的三次握手过程t_three-way、数据发送过程t_data和数据确认过程t_ack，另一部分是由于未收到数据确认而重新进行的n次三次握手n*t_three-way、数据发送n*t_data和数据确认n*t_ack，如式(1)所示：

t_ACK＝(t_three-way+t_data+t_ack)+n*(t_three-way+t_data+t_ack)        (1)

对于要进行数据确认的业务，就要提前分配发送ACK的微时隙，以下以一具体实例进行说明，我们可在MSH-DSCH消息中添加6比特信息表示ACK的数目，插入到原来的第31比特至第36比特，在分布式调度消息MSH-DSCH中添加一个分配ACK微时隙的IE，添加40比特信息(数据确认信元)描述ACK IE，插入在MSH-DSCH消息的最后40比特，修改后的MSH-DSCH消息格式如表1所示，添加的MSH-DSCH_ACK_IE格式如表2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No.ACKs  6比特  ACK的数目reserved  2比特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

for(i＝0；i＜No_ACKs；++i)MSH-DSCH_ACK_IE()  40比特  数据确认信元}

根据802.16的特殊性，即数据在数据子帧的微时隙中发送，且微时隙的分配由控制子帧的MSH-DSCH消息通过三次握手过程来实现。但在802.16协议中，只规定了发送数据的微时隙通过MSH-DSCH消息的三次交互来预留，并没有规定ACK如何发送。因此，本发明考虑确认信息ACK也在数据子帧的微时隙中发送，并且在三次握手过程中将发送ACK的微时隙也预留出来。我们在分布式调度消息MSH-DSCH中添加一个分配ACK微时隙的IE，表2所示为添加的ACK IE的格式，以及其中相关语句表达的具体含义。

表2添加的MSH-DSCH_ACK_IE格式

  语句  大小注释  MSH-DSCH_ACK_IE(){  Link ID  8比特与授权相关的邻居节点的链接识别号  Start Frame number  8比特表示授权的发送ACK微时隙的起始帧的最低8位  Minislot start  8比特一帧里授权的发送ACK微时隙的起始位置  Minislot range  8比特授权的发送ACK的微时隙数  Direction  1比特ACK IE的发送方向，0表示ACK微时隙授权确认、方向是请求节点->授权节点，1＝表示ACK微时隙授权、方向是授权节点->请求节点  Persistence  3比特授权的发送ACK微时隙的持续帧数，0＝取消预留、1＝单个帧、2＝2帧、3＝4帧、4＝8帧、5＝32帧、6＝128帧、7＝一直传送直到取消或减少  Channel  4比特逻辑信道号，即物理信道的逻辑号  }

在添加的MSH-DSCH_ACK_IE格式基础上，进行三次握手过程，建立连接。图4所示为在MSH-DSCH中添加一个分配ACK微时隙的IE后，进行三次握手过程及数据发送、确认的过程。请求节点发送数据请求后，授权节点结合Availability IE中请求节点可用于发送的微时隙和授权节点可用于接收的微时隙来分配发送数据的微时隙，同时结合Availability IE中请求节点可用于接收的微时隙和授权节点可用于发送的微时隙来分配发送数据确认ACK的微时隙，并生成相应的确认信息单元Grant IE(direction＝1)和ACKIE(direction＝1)发送给请求节点。请求节点收到Grant IE(direction＝1)后，复制授权信息，发送Grant IE(direction＝0)。同时，复制ACK IE(direction＝1)中的授权信息，发送ACK IE(direction＝0)，完成改进后的三次握手过程。之后，请求节点在授权节点的发送数据的微时隙向授权节点发送数据。授权节点在数据接收完毕后，在授权的发送数据确认ACK的微时隙向请求节点发送ACK。

具体的微时隙分配如下：

设Availability IE中请求节点可用于发送的微时隙为：

minislots available for transmission of request node＝{R₁，R₂，……，R_m}   (2)

其中，R_i为请求节点可用于发送的第i个微时隙。

授权节点可用于接收的微时隙为：

minislots available for reception of authorization node＝{A₁，A₂，……，A_n}   (3)

其中，A_i为授权节点可用于接收的第i个微时隙。

则有效的发送数据的微时隙为：

minislots_for_data＝{R₁，R₂，……，R_m}∩{A₁，A₂，……，A_n}

                              ＝{D₁，D₂，……，D_j}           (4)

其中，D_i为有效的发送数据的第i个微时隙。

设demand_level₁为发送数据所需的微时隙个数，j为有效的发送数据的微时隙个数。若则判断式(5)(6)是否成立：若式(5)成立，则随机分配demand_level₁个微时隙给授权节点发送数据确认；若式(6)成立，则返回分配失败信息。若则返回分配失败信息。

demand_level₁≤j                        (5)

demand_level₁＞j                        (6)

设Availability IE中请求节点可用于接收的微时隙为：

minislots available for reception of request node＝{R’₁，R’₂，……，R’_m}       (7)

其中，R’_i为请求节点可用于接收的第i个微时隙。

授权节点可用于发送的微时隙为：

minislots available for transmission of authorization node＝{A’₁，A’₂，……，A’_n}  (8)

其中，A’_i为授权节点可用于发送的第i个微时隙。

则有效的发送ACK的微时隙为：

minislots_for_ack＝{R’₁，R’₂，……，R’_m}∩{A’₁，A’₂，……，A’_n}

                 ＝{ACK₁，ACK₂，……，ACK_k}            (9)

其中，ACK_i为有效的发送ACK的第i个微时隙。

设demand_level₂为发送ACK所需的微时隙个数，k为有效的发送ACK的微时隙个数。

若则判断式(10)(11)是否成立：若式(10)成立，则随机分配demand_level₂个微时隙给授权节点发送数据确认，且数据确认时间在数据发送完后；若式(11)成立，则返回分配失败信息。若则返回分配失败信息。

demand_level₂≤k                    (10)

demand_level₂＞k                    (11)

3.数据确认阶段

数据发送后根据业务的类型判断数据是否需要确认，实时业务(即Priority/Class＝rtPS)因为实时性极强，所以数据一般不需要确认，当实时业务可容忍的时延t大于由数据确认引起的时延t_ACK时，也可以进行实时业务的数据确认。而非实时业务(即Priority/Class＝nrtPS)因为实时性不强，而质量要求极高，所以数据需要确认，节点发送信息ACK表示已经收到数据。

以上所述，仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可以轻易得到的变换和替换，都应包含在本发明的保护范畴内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。本发明能保证数据的可靠性，广泛用于无线Mesh网络。