在网络中引入无竞争传输周期的分布式处理方法

摘要

在网络中引入无竞争传输周期的分布式处理方法，适用于基于IEEE 802.11e协议的多跳网络(Ad hoc网络)尤其是无线Mesh网络(Wireless Mesh Network)中的多媒体通信。本发明通过网络节点发送特定的R-RTS/A-RTS/AR-RTS帧来进行信道的预约通告以及无竞争传输顺序的通告。其中R-RTS是竞争周期内的预约帧，A-RTS和AR-RTS帧是预约无竞争周期内的指派帧和指派预约帧。每个节点会维护一个预约等待列表，保存预约节点的地址。在预约无竞争周期内各节点根据这个列表来以及A-RTS/AR-RTS指派帧的通告消息来维持顺序的无竞争传输。

说明书

技术领域

本发明公开了一种在网络中根据业务需要引入无竞争传输周期的处理方法，适用于基于IEEE 802.11e协议的多跳网络(Ad hoc网络)尤其是无线Mesh网络(Wireless Mesh Network)中的多媒体通信。

背景技术

无线Mesh网络是一种新型的宽带无线多跳网络结构，即一种高容量、高速率的分布式网络，不需要网络基础设施，每个用户节点都是骨干网络的一部分，可以转发其他用户的信息。它与MANET和WSN的设计初衷不同，WMN所希望提供的是高质量的Internet接入服务，因此需要能够承载Internet上所提供的各种业务。它可以看成是无线局域网和移动Ad hoc网络的融合，发挥了两者的优势，具有可靠性、自组织、自愈合的特点。WMN可以支持多种类型的网络接入，可以兼容现存的无线网络。WMN可以看成是因特网的无线版本，和传统的无线网络相比，有很大的优势。

WMN的应用领域十分广泛，可用于构建数字化家庭，互联家庭通信设备，实现家庭Internet接入，在家中任意地方都可自由上网，为城市地铁、轻轨等通勤车辆提供移动Wi-Fi接入，使旅客在行程中仍可享受上网乐趣。应用于临时集群通信系统，为警察、消防、通信基础设施遭到破坏的突发事件现场提供应急通信服务。扩大校园网的覆盖范围至校外，向身处校外的教师和学生提供无处不在的接入等。

无线Mesh网络是一种新型的无线宽带接入方式，目前所达到的传输性能还远远不能满足宽带Internet通信的需求，而且随着多媒体技术的发展，实时多媒体数据流在Internet通信中所占的比重也在迅速增加，因此对于WMN网络，尤其是作为骨干回程网络时，在网络吞吐量以及传输质量保障方面的要求还不能得到满足。因此，本论文的研究工作将致力于通过MAC协议的分析和改进提高WMN中多媒体通信的QoS保障。

作为Internet接入网，WMN所承载的业务具有多样性，不同的业务对带宽、延迟等传输质量有着不同的需求。视频会议业务流要求较低的延迟，视频点播则需要较高的带宽，而文件传输则希望保证数据的准确性。这些不同类型的数据流在网络传输中应该区别对待，以满足其各自对传输质量的需求。此外WMN中由于多条链路共享无线传输信道，容易造成网络局部拥塞的状况，称为多跳业务流共享中间链路问题。

因此需要设计一种MAC协议来进一步提供多媒体通信需要的QoS保证，改善IEEE 802.11MAC机制的竞争特性带来的通信容量的降低。同时缓解高负荷网络段的拥塞问题。

发明内容

技术问题：本发明旨在提供一种在网络中引入无竞争传输周期的分布式处理方法，为多媒体通信提供较IEEE 802.11e机制更好QoS保证，改善802.11MAC机制的竞争特性带来的通信容量的降低。同时缓解无线Mesh多跳网络高负荷网络段的拥塞问题。

技术方案：本发明的在网络中引入无竞争传输周期的分布式处理方法，节点在请求发送/允许发送协议握手机制中加入信道预约信息以及顺序传输的信息，该方法处理流程包括以下步骤：

步骤1，网络节点通过发送预约帧进行信道的预约，当这个节点获得信道便成为预约节点，对已完成信道预约的节点，认为该节点进入预约周期；

步骤2，在预约周期内，若高等级业务没有更多的包发送，通过下述步骤实现一个周期的多媒体数据发送：

第2.1步，如果节点维护的预约等待列表为空，发请求发送帧进行多媒体数据传输，完成后回到竞争周期；

第2.2步，如果节点维护的预约等待列表非空，发指派请求发送帧进行握手；并将预约等待列表中的第一个地址放入指派请求发送帧中的下一个传输地址域；

第2.3步，在预约周期内邻居节点收到指派请求发送帧后与下一传输地址域的值进行比较，如果下一个传输地址域是本节点自己，则等待作为下一个预约传输节点进行传输；

第2.4步，邻居节点收到指派请求发送帧后与下一传输地址域的值进行比较，如果下一个传输地址域不是本节点自己，则继续检测下一个传输地址域中是否在本节点预约的等待列表中，如果在本节点的预约列表中，该节点依然处于预约周期，冻结退避计数器，继续等待，并且在预约周期内的下一传输节点会向邻居节点发送带外忙音；否则本节点进入竞争周期，开始监测信道，

第2.5步，下一传输节点循环上述步骤，直到退出预约周期；

步骤3，在预约周期内，若高等级业务还有更多的包发送，通过下述步骤实现一个周期的多媒体数据发送：

第3.1步，如果节点维护的预约等待列表为空，发请求发送帧进行多媒体数据传输，完成后回到竞争周期；

第3.2步，如果节点维护的预约等待列表非空，发指派预约请求发送帧帧进行握手；并将预约等待列表中的第一个地址放入指派预约请求发送帧中的下一个传输地址域；

第3.3步，在预约周期内邻居节点收到指派预约请求发送帧后与下一传输地址域的值进行比较，如果下一个传输地址域是本节点自己，则等待作为下一个预约传输节点进行传输；

第3.4步，邻居节点收到指派预约请求发送帧后与下一传输地址域的值进行比较，如果下一个传输地址域不是本节点自己，则继续检测下一个传输地址域中是否在本节点预约的等待列表中，如果在本节点的预约列表中，该节点依然处于预约周期，冻结退避计数器，继续等待，并且在预约周期内的下一传输节点会向邻居节点发送带外忙音；否则本节点进入竞争周期，开始监测信道。

第3.5步，下一传输节点循环上述步骤，直到退出预约周期。

对已完成信道预约的节点其竞争窗口设置为[0，CW_res-1]，其中CW_res＝CW_min×等待链表的长度，每次检测到信道忙时窗口重置为CW_res。

节点维护的预约等待列表是一个先入先出的双端队列。

在预约周期内邻居节点收到指派请求发送帧或者在预约周期内邻居节点收到指派预约请求发送帧帧后的处理包括如下步骤：

第1步，将发送该消息帧的节点地址从等待列表中删除，

第2步，如果发送的是指派预约请求发送帧(A-R-RTS)帧，则将发送该消息帧的节点地址放入各自的预约等待列表术尾，

第3步，检查从下一个传输地址(NTA)域中获得的下一个预约传输节点的地址，如果下一传输地址就是节点自己，则等待作为下一个预约传输节点进行传输，否则转至第4步，

第4步，继续检查下一个传输地址(NTA)是否在本节点的预约等待列表中，如果在，则该节点依然处于预约周期，冻结退避计数器，继续等待；并且在预约周期内的下一传输节点会向邻居节点发送带外忙音，以减轻下一传输节点在预约周期内进行发送时引起暴露终端问题；如果不在，则表示下一传输节点不在本节点的通信范围内，那么在当前传输完成后，本节点进入竞争周期，开始监测信道。

有益效果：进一步突出对高等级业务的保护，降低高等级包的传输时延。同时降低了高等级业务对低等级业务的竞争冲击，提高网络整体性能。

附图说明

图1是竞争周期内的节点行为基本流程图，

图2是预约周期内的节点行为基本流程图，

图3是两次连续传输的比较示意图，

图4是分布式MAC协议实施实例的网络节点示意图。

具体实施方式

802.11e协议接入类别标号为0(Access background)、1(Access Best-effort)、2(Access Video)、3(Access Voice)共4种业务类别中只有较高等级的2和3(语音和视频)两种业务可以进行信道预约。每个节点需要维护一个“先入先出”的预约等待列表来记录其传送范围内传输节点的预约情况。当一个节点发出预约RTS(请求发送：Request to Send)帧或R-RTS(Reserve RTS)帧或A-R-RTS(Assign andReserve RTS)帧时，周围节点需要将源节点的地址放入这个预约等待列表。在预约周期内根据预约等待列表中的预约顺序进行信道的预约。因此，节点在请求发送/允许发送协议握手机制中加入信道预约信息以及顺序传输的信息，该方法处理流程包括以下步骤：

步骤1，网络节点通过发送预约帧进行信道的预约，当这个节点获得信道便成为预约节点，对已完成信道预约的节点，认为该节点进入预约周期；

步骤2，在预约周期内，若高等级业务没有更多的包发送，通过下述步骤实现一个周期的多媒体数据发送：

第2.1步，如果节点维护的预约等待列表为空，发请求发送帧(RTS)进行多媒体数据传输，完成后回到竞争周期；

第2.2步，如果节点维护的预约等待列表非空，发指派请求发送帧(A-RTS)进行握手；并将预约等待列表中的第一个地址放入指派请求发送帧(A-RTS)中的下一个传输地址域(NTA)；

第2.3步，在预约周期内邻居节点收到指派请求发送帧(A-RTS)后与下一传输地址域(NTA)的值进行比较，如果下一个传输地址(NTA)域是本节点自己，则等待作为下一个预约传输节点进行传输；

第2.4步，邻居节点收到指派请求发送帧(A-RTS)后与下一传输地址(NTA)域的值进行比较，如果下一个传输地址(NTA)域不是本节点自己，则继续检测下一个传输地址域中是否在本节点预约的等待列表中，如果在本节点的预约列表中，该节点依然处于预约周期，冻结退避计数器，继续等待，并且在预约周期内的下一传输节点会向邻居节点发送带外忙音；否则本节点进入竞争周期，开始监测信道。

第2.5步，下一传输节点循环上述步骤，直到退出预约周期。

步骤3，在预约周期内，若高等级业务还有更多的包发送，通过下述步骤实现一个周期的多媒体数据发送：

第3.1步，如果节点维护的预约等待列表为空，发请求发送帧(RTS)进行多媒体数据传输，完成后回到竞争周期；

第3.2步，如果节点维护的预约等待列表非空，发指派预约请求发送帧(A-R-RTS)帧进行握手；并将预约等待列表中的第一个地址放入指派预约请求发送帧(A-R-RTS)中的下一个传输地址域(NTA)；

第3.3步，在预约周期内邻居节点收到指派预约请求发送帧(A-R-RTS)后与下一传输地址(NTA)域的值进行比较，如果下一个传输地址(NTA)域是本节点自己，则等待作为下一个预约传输节点进行传输；

第3.4步，邻居节点收到指派预约请求发送帧(A-R-RTS)后与下一传输地址(NTA)域的值进行比较，如果下一个传输地址(NTA)域不是本节点自己，则继续检测下一个传输地址域中是否在本节点预约的等待列表中，如果在本节点的预约列表中，该节点依然处于预约周期，冻结退避计数器，继续等待，并且在预约周期内的下一传输节点会向邻居节点发送带外忙音；否则本节点进入竞争周期，开始监测信道。

第3.5步，下一传输节点循环上述步骤，直到退出预约周期。

对已完成信道预约的节点，其竞争窗口设置为[0，CW_res-1]，其中CW_res＝CW_min×等待链表的长度，每次检测到信道忙时窗口重置为CW_res。

节点维护的预约等待列表是一个先入先出的双端队列。

在预约周期内邻居节点收到指派请求发送帧(A-RTS)或者在预约周期内邻居节点收到指派预约请求发送帧(A-R-RTS)帧后的处理包括如下步骤：

B收到A发送的A/(A-R)-RTS帧

先将B的等待列表中的A的地址删除

if(发送的是A-R-RTS)

    {将A的地址放入预约等待列表}

读取NTA

if(NTA！＝B的地址){

    if(NTA不在B的等待列表中)

        A当前传输完成后B进入竞争周期

    else

        B继续处于预约周期，冻结退避计数器

}else{

   B作为下一个预约节点等待传输，并发送带外忙音

}

基本假设如下：

1)网络规模较小(通常小于100个网络节点)；

2)网络中所有节点是平面结构；

3)网络中所有链路均为双向链路。

核心思路：一种分布式的方法，通过预约消息在公共无线信道上的通告，进行信道的预约，实现无竞争传输的预约周期。可以将需要解决的问题描述如下：

1)为多媒体通信的语音和视频等高级业务提供更好的QoS保证；

2)改善多跳网络业务流积聚问题；

为了满足上述需求，做如下规定：

1)IEEE 802.11e的4种业务类别中只有较高等级的语音和视频两种业务进行信道预约；

2)在预约周期内一个节点可以进行不超过3次的无竞争传输；

本发明所执行方法，包括以下步骤：

步骤1，在竞争周期内，网络节点通过发送R-RTS帧进行信道的预约，当这个节点再次获得信道后进入预约周期；

步骤2，在预约周期内，若高等级业务没有更多的包发送，通过下述步骤实现一个周期的多媒体数据发送：

步骤3，在预约周期内，若高等级业务还有更多的包发送，通过下述步骤实现一个周期的多媒体数据发送：

所述步骤1具体包括以下步骤：

1.1)获得信道，判断是否预约节点，若是则进入预约周期，否则进入第二步；

1.2)检查较高等级两个业务类别的等待队列是否有更多的包需要发送；

1.3)若有更多包需要发送，则发送R-RTS帧进行信道预约通告，该节点成为预约节点；

1.4)若没有更多包需要发送，则发送RTS完成一次普通的握手及传输；

所述步骤2具体包括以下步骤：

2.1)第1步，确认预约等待列表非空，否则发送RTS进行传输，完成后回到竞争周期；

2.2)从预约等待列表顶端取出地址放入A-RTS帧的下一传输地址(NTA)域，并发送A-RTS帧进行握手；

2.3)邻居节点收到A-RTS帧后根据NTA域的值判断是作为下一传输节点准备传输还是继续退避。而目的节点则回发CTS帧完成握手及数据传输；

2.4)下一传输节点循环上述步骤，直到退出预约周期。

所述步骤3具体包括以下步骤：

3.1)确认预约等待列表非空，否则发送RTS进行传输，完成后回到竞争周期；

3.2)从预约等待列表顶端取出地址放入AR-RTS帧的下一传输地址(NTA)域，并发送AR-RTS帧进行握手；

3.3)邻居节点收到AR-RTS帧后根据NTA域的值判断是作为下一传输节点准备传输还是继续退避，同时还要将该节点的地址放入预约等待列表。而目的节点则回发CTS帧完成握手及数据传输；

3.4)下一传输节点循环上述步骤，直到退出预约周期。

下面结合附图4对本发明算法做进一步的实施说明。

由于DCF信道竞争机制中，载波侦听范围要远大于传输范围，典型值可为2倍关系。图4是一个两跳干扰拓扑模型，也就是说在图中，例如C节点，他一跳邻居节点，如图中B节点和D节点，是在它的传输范围内。而两跳范围内的邻居节点，如图中的A和E，则在C节点的干扰范围内。

1)B，C节点分别在竞争周期内进行了信道预约，称为预约节点。而且B再次获得了信道，因此B进入预约周期。

2)B为当前传输节点，通过发送A-RTS帧且指定C为预约周期内下一传输节点。邻居节点A，C进入预约周期。

3)下一传输节点C是A节点的两跳范围节点，因此C节点的预约不会在A节点的预约等待列表中，因此A会在B的当前传输结束后离开预约周期，进入竞争周期并开始侦听信道，但是由于C在等待SIFS空间时间后直接发起下一次传输，因此A始终会处于延迟接入状态。

4)C节点作为预约周期内的下一传输节点，会向周围邻居节点发送带外忙音，这样做是避免C的某些两跳邻居节点，如图4中的E节点，发生暴露发送终端问题，也就是E节点可能在B节点传输期间就开始一次传输，而C节点则会在B节点的传输结束后等待SIFS空闲时间就直接发起传输，这样两个传输之间就会产生冲突。另一方面，这种带外忙音只会在预约周期内由下一指定传输节点发出，因此对于E节点来说，仍然可以接收数据，也就是说这种情况下并不会引起E点的暴露接收终端问题。

5)B的当前传输结束后，C作为下一节点，在等待SIFS后直接发起传输。其行为约束于预约周期内节点行为。

6)各节点无竞争顺序传输，循环直到离开预约周期。

以上特定实施实例阐述了本发明的方法，但本发明的上述方法不限于所例举的实施实例。