CN103916215B - 基于令牌传送机制的实时移动Ad‑hoc网络的实现方法 - Google Patents

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本发明公开了一种基于令牌传送机制的实时移动Ad‑hoc网络的实现方法，其包括以下步骤：步骤一：优先权仲裁阶段，所有节点将统计出它们中谁持有最高优先级消息；令牌在网络中传输，并且将到达所有节点，令牌持有网络中最高优先级消息；步骤二：授权传输阶段，在优先权仲裁阶段的最后一个节点通过链路质量矩阵计算到达持有最高优先级消息节点的最短路径，并通过此路径发送授权给它；步骤三：消息传递阶段，消息传递阶段根据授权传输阶段，持有最高优先级消息的节点接收到了授权，其知道了自己持有最高优先级消息，初始化该阶段的帧，并把消息发送给目的节点。本发明保证了数据实时地到达目的节点，从而提供了较好的数据传输实时性能力。

Description

基于令牌传送机制的实时移动Ad-hoc网络的实现方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，特别是涉及一种基于令牌传送机制的实时移动Ad-hoc网络的实现方法。
背景技术
移动Ad-hoc网络（无线自组织网络，简称自主网）可以在任何时刻、任何地点不需要基础网络设施的支持，快速构建一个移动通信网络。因为Ad-Hoc网络协议有高的饱和吞吐量和低的接入延时，广泛的应用在需要QoS保证的领域。然而，需要协同控制的应用领域，要求网络数据传输具有实时性，例如合作机器人组合作探索某一区域或进入人类如法接近的危险区域，机器人之间的数据传输需要满足实时性。然而，目前典型的Ad-Hoc网络协议主要定焦于最大吞吐量、最小时间延迟等问题上，而且大多数商用网络协议（如IEEE802.11、IEEE802.15.4等）没有考虑数据包传输的实时性。怎样保证无线通信的实时性，文献报道的相对较少。Lee等在IEEE Aerospace Conference Proceedings（美国电气和电子工程师协会航空会议论文集）上发表的《A Wireless Token Ring Protocol For Ad-Hoc Networks》（Ad-hoc网络的无线令牌环协议）文中基于802.4的令牌环总线机制设计了WTRP协议，当网络中的某节点接收到了令牌，在一定时间内它可以发送数据，并把令牌发送给它的前驱。然而，该协议不支持多跳通信，节点只能跟他的前驱或者后驱通信。Donatiello和Furini在17th International Symposium on Parallel and Distributed Processing（第17界关于并行和分布式处理的会议）上发表的文章《Ad Hoc Networks:A Protocol forSupporting QoS Applications》（Ad Hoc网络：支持QoS应用的协议）中提出了另一种令牌传递机制，节点组成一个环，谁持有令牌谁有权发送数据，如果一定时间内，发送失败，它把令牌传给下个节点，但是令牌只能朝着一个方向传递，需要网络环一直保持连接，这限制了节点的移动性。从以上文献可知，他们所设计的Ad-hoc网络协议虽然满足了实时性，但是要么不支持多跳通信要么不能处理节点移动的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于令牌传送机制的实时移动Ad-hoc网络的实现方法，其解决数据传输实时性等问题。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于令牌传送机制的实时移动Ad-hoc网络的实现方法，其特征在于，所述基于令牌传送机制的实时移动Ad-hoc网络的实现方法包括以下步骤：步骤一：优先权仲裁阶段，所有节点将统计出它们中谁持有最高优先级消息；令牌在网络中传输，并且将到达所有节点，令牌持有网络中最高优先级消息；一个节点初始化该优先权仲裁阶段，并选择它的最高优先级消息的优先级设置令牌，然后它发送令牌给另一个节点；接收节点核对它队列中具有最高优先级消息的优先级，如果它发现比令牌中的消息的优先级高，那么它调整令牌中数据，继续发送令牌给另一个节点，依次令牌将到达所有的节点，因此最后的节点知道哪个节点持有最高优先级消息；步骤二：授权传输阶段，在优先权仲裁阶段的最后一个节点通过链路质量矩阵计算到达持有最高优先级消息节点的最短路径，并通过此路径发送授权给它；步骤三：消息传递阶段，消息传递阶段根据授权传输阶段，持有最高优先级消息的节点接收到了授权，持有最高优先级消息的节点知道了自己持有最高优先级消息，初始化该阶段的帧，并通过链路质量矩阵计算到目的节点路径并发送消息给它。上述Ad-hoc网络实现方法的每一阶段持续的时间有界且已知，因此保证了数据传输的实时性。
优选地，所述步骤一的一个节点初始化该优先权仲裁阶段时，该节点创建了一个新的令牌帧。
优选地，所述基于令牌传送机制的实时移动Ad-hoc网络的实现方法定义了一个网络连接图描述网络拓扑结构。
本发明的积极进步效果在于：本发明保证了数据实时地到达目的节点，从而提供了较好的数据传输实时性能力。节点根据LQM（链路质量矩阵）了解频繁移动的网络拓扑结构，并通过LQM计算消息传递的路径，从而该协议支持多跳通信，能处理节点移动的情况。
附图说明
图1(a)至图1(d)分别为本发明帧头、令牌帧、授权帧、消息帧的结构示意图。
图2为本发明四个节点组成的网络图相应的LQM的示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
在所设计的实时移动Ad-hoc网络协议中，每个节点都有一个发送消息队列和一个接收消息队列。消息队列应用程序可将消息优先级设置成0-127之间的任何值，其中127是最高优先级。具有同一优先级的消息根据先入先出规则放置在队列中。当节点想把消息发送给另一个节点时，它把消息压进发送队，协议根据需要处理从发送队列中弹出的消息，并通过网络把它发送到目的节点。接收节点把消息压进接收消息队列，根据应用所需弹出队列中的消息。为了描述网络拓扑结构，定义了一个网络连接图。网络连接图中边的值是两个节点之间无线射频信号质量的函数，即两节点间的链路质量。那些值被表示成矩阵的格式即LQM，矩阵中的元素lqmij∈[0,max_lq]描述了节点Pi和节点Pj之间的链路质量，其中max_lq为网络中节点数。LQM的每一列LQMk表示了节点和它邻居链路质量。节点利用LQM选择哪个节点传输令牌，而且可以利用LQM决定源节点到目的节点的路径。所有节点的lqmij都是LQM一个局部复制，当帧到达时，每个节点负责更新相应的列，并告知其它节点局部拓扑的改变。协议中帧的结构如图1所示，各种类型的帧有同样的帧头。本发明定义了一个网络连接图描述网络拓扑结构。具体的所设计的协议包括如下步骤：优先权仲裁阶段，授权传输阶段，消息传输阶段。协议中每个阶段传输的时间已知且有界，保证了数据实时地到达目的节点，从而提供了较好的数据传输实时性能力。节点根据LQM了解频繁移动的网络拓扑结构，并通过LQM计算消息传递的路径，从而该协议支持多跳通信，能处理节点移动的情况。
本发明基于令牌传送机制的实时移动Ad-hoc网络的实现方法包括如下步骤：
步骤一：优先权仲裁阶段，当一个节点Pk初始化了“优先权仲裁阶段”，它创建了一个新的令牌帧，填充它的局部LQM到令牌帧的相关域，设“节点状态域”为已到达。这就意味着在当前的“优先权仲裁阶段”，令牌只到达了节点Pk还没有到达其他的节点。节点Pk核对它发送队列里具有最高优先级消息的优先级，然后用此优先级的值和它的地址分别设置“最高优先级数”域和“最高优先级消息持有者ID”域。用这种方式节点Pk声明它是最高优先级消息（MPM，Most Priority Message）的持有者。节点Pk通过分析LQM，它知道哪个邻居节点Pbl有最好的链路质量并发送令牌给它。当节点Pbl收到此令牌，它设置设“节点状态”域为已到达，然后用它局部的LQM更新令牌的LQM域，并保存它。然后它查找令牌的“最高优先级数”域并与它发送消息队列的最高优先级比较，如果它有更高的优先级消息，则调整“最高优先级数”域和“最高优先级消息持有者ID”域。然后，它选择一个具有最好链路质量且令牌没有到达的节点，发送令牌给此节点。如果它只监听到了前驱（发送令牌给它的节点），它归还令牌给它的前驱。这意味着在同一个“优先权仲裁阶段”，节点可能接收到令牌数次。这个过程一直被重复直到令牌到达过所有节点。令牌到达的最后一个节点，其知道谁是MPM的持有者，并且负责发送“授权”帧给MPM持有者。所有节点将统计出它们中谁持有最高优先级消息；令牌在网络中传输，并且将到达所有节点，令牌持有网络中最高优先级消息；一个节点初始化该优先权仲裁阶段，并选择它的最高优先级消息的优先级设置令牌，然后它发送令牌给另一个节点；接收节点核对它队列中具有最高优先级消息的优先级，如果它发现比令牌中的消息的优先级高，那么它调整令牌中数据，继续发送令牌给另一个节点，依次令牌将到达所有的节点，因此最后的节点知道哪个节点持有最高优先级消息。
步骤二：授权传输阶段，令牌到达的最后一个节点开始“授权传输阶段”，并计算到目的节点的路径。为了计算到目的节点的路径，节点根据LQM计算出一条最短路径，即P={Ppl…Ppm}，然后创建“授权”帧，并用自己的地址和MPM持有者的地址填充“授权消息持有者的源地址域”和“授权消息持有者的目的地址域”。然后发送“授权”帧给路径中的第一个节点Ppl。当节点Ppl接收到了“授权”帧，它核对“授权消息持有者域”是不是自己的地址，如果是它结束“授权传输阶段”并且初始化“消息传递阶段”。否则，它计算路径P'={P'p1...P'p(m-1)}，P'pk=Pp(k+1),k<m。节点重复这个过程，直到“授权”帧到达目的节点。在优先权仲裁阶段的最后一个节点通过链路质量矩阵计算到达持有最高优先级消息节点的最短路径，并通过此路径发送授权给它。
步骤三：消息传递阶段，消息传递阶段根据授权传输阶段，持有最高优先级消息的节点接收到了授权，持有最高优先级消息的节点知道了自己持有最高优先级消息，初始化该阶段的帧，并通过链路质量矩阵计算到目的节点路径并发送消息给它。当MPM的持有者接收到了“授权”帧，然后它从消息队列中取出最高优先级的消息并创建“消息”帧，设置“数据”域并填充“消息源地址域”和“消息目的地址域”。然后发送消息给这路径的第一个节点。当第一个节点接收到这个消息，它核对“消息目的地址域”。，如果是自己则停止“消息传递阶段”，并开始“优先权仲裁阶段”。否则，它把消息发送给路径中它的下一个节点，重复这个过程，直到消息到达目的节点。
本发明使用令牌传送机制即拥有最高级消息的持有者先发送消息设计了移动Ad-hoc网络协议，在设计的协议中每一阶段持续的时间有界且已知，保证了数据实时地到达目的节点，从而提供了较好的数据传输实时性能力。节点根据LQM了解频繁移动的网络拓扑结构，并通过LQM计算消息传递的路径，从而该协议支持多跳通信，能处理节点移动的情况。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
结合附图对本发明的实施作详细说明，假设网络中供给有四个节点，假设四个节点的网络是连通的，四个节点的LQM矩阵如图2所示。
步骤一：优先权仲裁阶段，当节点P1初始化了“优先权仲裁阶段”，它创建了一个新的令牌帧，填充它的局部LQM到令牌帧的相关域，设“节点状态域”为已到达。这就意味着在当前的“优先权仲裁阶段”，令牌只到达了节点P1还没有到达其他的节点。节点P1核对它发送队列里具有最高优先级消息的优先级，然后用此优先级的值和它的地址分别设置“最高优先级数”域和“最高优先级消息持有者ID”域。用这种方式节点P1声明它是MPM的持有者。节点P1通过分析LQM，它知道哪个邻居节点P3有最好的链路质量并发送令牌给它。当节点P3收到此令牌，它设置设“节点状态”域为已到达，然后用它局部的LQM更新令牌的LQM域，并保存它。然后它查找令牌的“最高优先级数”域并与它发送消息队列的最高优先级比较，结果P3有更高的优先级消息，则P3调整“最高优先级数”域和“最高优先级消息持有者ID”域。然后，它选择一个具有最好链路质量且令牌没有到达的节点P4，发送令牌给此P4。这个过程一直被重复直到令牌到达过所有节点。令牌到达的最后一个节点P2，其知道P3是MPM的持有者，并且负责发送“授权”帧给P3。
步骤二：授权传输阶段，P2开始“授权传输阶段”，并计算到目的节点的路径。为了计算到目的节点的路径，节点根据LQM计算出一条最短路径，即P={P2 P1 P3}，然后创建“授权”帧，并用自己的地址和MPM持有者的地址填充“授权消息持有者的源地址域”和“授权消息持有者的目的地址域”。然后发送“授权”帧给路径中的第一个节点P2。当节点P2接收到了“授权”帧，它核对“授权消息持有者域”不是自己的地址，它继续路由“授权”帧，重复这个过程，直到“授权”帧到达目的节点P3。
步骤三：消息传递阶段，当MPM的持有者P3接收到了“授权”帧，然后它从消息队列中取出最高优先级的消息并创建“消息”帧，设置“数据”域并填充“消息源地址域”和“消息目的地址域”。然后发送消息给这路径的第一个节点。当第一个节点接收到这个消息，它核对“消息目的地址域”。，如果是自己则停止“消息传递阶段”，并开始“优先权仲裁阶段”。否则，它把消息发送给路径中它的下一个节点，重复这个过程，直到消息到达目的节点。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种基于令牌传送机制的实时移动Ad-hoc网络的实现方法，其特征在于，所述基于令牌传送机制的实时移动Ad-hoc网络的实现方法包括以下步骤：
步骤一：优先权仲裁阶段，所有节点将统计出它们中谁持有最高优先级消息；令牌在网络中传输，并且将到达所有节点，令牌持有网络中最高优先级消息；一个节点初始化该优先权仲裁阶段，并选择它的最高优先级消息的优先级设置令牌，然后它发送令牌给另一个节点；接收节点核对它队列中具有最高优先级消息的优先级，如果它发现比令牌中的消息的优先级高，那么它调整令牌中数据，继续发送令牌给另一个节点，依次令牌将到达所有的节点，因此最后的节点知道哪个节点持有最高优先级消息；
步骤二：授权传输阶段，在优先权仲裁阶段的最后一个节点通过链路质量矩阵计算到达持有最高优先级消息节点的最短路径，并通过此路径发送授权给它；
步骤三：消息传递阶段，消息传递阶段根据授权传输阶段，持有最高优先级消息的节点接收到了授权，持有最高优先级消息的节点知道了自己持有最高优先级消息，初始化该阶段的帧，并通过链路质量矩阵计算到目的节点路径并发送消息给它；
所述步骤一的一个节点初始化该优先权仲裁阶段时，该节点创建了一个新的令牌帧。
2.如权利要求1所述的基于令牌传送机制的实时移动Ad-hoc网络的实现方法，其特征在于，所述基于令牌传送机制的实时移动Ad-hoc网络的实现方法定义了一个网络连接图描述网络拓扑结构。
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