CN106658731B - 无线mesh网络的资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线MESH网络的资源调度方法，主要解决现有技术中节点不能快速稳定占用时隙的问题。其技术方案为：1)对IEEE802.16Mesh网络MAC层的基本帧结构进行改动得到新的帧结构，并从新帧结构中的时隙编号得到所有节点的地址编号；2)入网节点随机为自己分配一个地址编号，并选择初始支撑节点入网获得自己的地址编号；3)入网节点在分配的地址编号的基础上对网络配置时隙和用户设备时隙进行调度，以避免与其他节点的冲突；4)入网节点根据自身的业务数据量对地址编号调度进行优化，以实现对无主用户设备时隙UE的占用。本发明能快速稳定的占用时隙，可用于无线MESH网络的数据传送。

Description

无线MESH网络的资源调度方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种资源调度方法，可用于无线MESH网络，保证大量的业务数据传送。

背景技术

Mesh拓扑网络是一种采用多点到多点拓扑结构的网络，IEEE802.16协议定义了Mesh拓扑网络的两种调度方式：集中式调度和分布式调度。

集中式调度因其过于依赖Mesh网络BS根节点，在基站出现故障后，整个网络就会陷入瘫痪的状态，所以使用较少。

分布式调度又可以分为协同分布式调度和非协同分布式调度。非协同分布式调度的调度消息只是用于在需要发送数据的节点之间建立请求和应答，不用与别的节点协商，一般用于对时间要求比较严格的快速调度中。而协同分布式调度的调度消息需要向邻近节点广播，且要与全网协商，获得发送时机，以保证与别的节点之间不会发送碰撞。该协同分布式调度虽然可以实现对发送时隙的动态预约，有效避免由于竞争产生的冲突。但是针对海平面通信环境，在节点的数量不会太多，通信信道相对稳定的情况下，MAC层主要的任务是传输大量的业务数据，需要快速稳定的占用时隙资源，假如使用IEEE802.16Mesh网络MAC层的协同分布式调度算法，帧结构中就需要有固定的调度控制子帧的时隙，调度控制子帧中广播的消息中就需要包括对调度控制消息的下一次传输时隙的调度信息和占用数据子帧时隙的调度信息，同时还有调度算法所带来的运算量的影响，整体来说，不能实现节点快速稳定的占用时隙资源，节点的管理消息和业务数据的传输得不到保障。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种无线MESH网络的资源调度方法，以实现节点快速稳定的占用时隙资源，保障节点的管理消息和业务数据的正常传输。

本发明的技术思路是，通过对基本的帧结构进行改进，使节点对时隙的占用直接基于节点分配得到的地址编号。其实现方案包括如下：

(1)对IEEE802.16Mesh帧结构进行优化：

对IEEE802.16标准的Mesh网络帧结构中时隙出现的频率和位置进行改动，并去掉控制子帧的调度子帧部分，使得改动后帧结构中的一个帧仅包括一个网络控制子帧Cn和M1个数据子帧D，其中，网络控制子帧Cn中含有一个网络接入时隙NENT和M2个网络配置时隙NCFG，数据子帧D中含有M2个用户设备时隙UE，其中1<M1，1<M2<255；

(2)入网节点按如下两种情况分别选择初始支撑节点获得地址编号Node ID：

对于网络中有预先设定的初始支撑节点情况，入网节点在开机后一直等待和搜索初始支撑节点发出的网络配置消息，向其发出入网请求并获得地址编号Node ID；

对于网络中没有预先设定的初始支撑节点情况，根据比较入网节点与邻节点地址编号的大小得到初始支撑节点，入网节点向其发出入网请求并获得地址编号Node ID；

(3)入网节点采用基于地址编号Node ID的调度：

(3a)对于网络接入时隙NENT，所有企图加入MESH网络的新节点在此时隙内发送消息，并通过竞争方式对该时隙进行占用；

(3b)对于M2个网络配置时隙NCFG，入网节点根据其地址编号Node ID的值进行占用，并在与该节点地址编号Node ID的值对应的网络配置时隙NCFG到来时发送自己的网络配置消息；

(3c)对于M1个数据子帧，每个数据子帧都有M2个用户设备时隙UE，入网节点根据其地址编号Node ID的值进行占用，并在与该节点地址编号Node ID的值对应的用户设备时隙UE到来时发送自己的数据；

(4)对数据子帧时隙调度进行优化：

(4a1)将网络中存在的节点所占用的用户设备时隙UE定义为有主用户设备时隙UE；将未被分配给节点的地址编号Node ID所对应的用户设备时隙UE定义为无主用户设备时隙UE；

(4a2)对无主用户设备时隙UE进行占用：入网节点先根据自身的业务数据流量，以及对Mesh网络中所有无主用户设备时隙UE的认知，发起对无主用户设备时隙UE的占用声明；再由入网节点的所有一跳邻节点向该入网节点发送消息，以响应占用声明；最后由入网节点发送确认消息。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明对IEEE802.16Mesh帧结构进行改动，使得更多的时隙用于传输业务数据，减少了节点间的管理消息的交互，避免了复杂的调度算法运算量。

第二，由于本发明采用基于地址编号Node ID的调度方法，克服了现有技术中用户对资源竞争情况的问题，使得本发明具有降低节点时延的优点。

第三，由于本发明对基于地址编号Node ID调度进行了优化，使得本发明具有根据不同业务量需求动态分配资源，实现了快速稳定占用时隙的效果。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中的帧结构图；

图3是本发明中的控制子帧结构图；

图4是本发明中的数据子帧结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，对IEEE802.16Mesh网络MAC层帧结构进行改进。

在IEEE802.16Mesh拓扑网络中，MAC层帧结构采用TDD模式。在时域中，一帧分为控制子帧和数据子帧两部分。控制子帧又分为网络控制子帧和调度控制子帧，其中网络控制子帧又包括网络接入时隙和网络配置时隙。使用IEEE802.16Mesh网络MAC层的基本调度算法，帧结构中就需要有固定的调度控制子帧的时隙，同时网络控制子帧中广播的消息就需要包括对网络控制消息的下一次传输时隙的调度信息，调度控制子帧中广播的消息中就需要包括对调度控制消息的下一次传输时隙的调度信息和占用数据子帧时隙的调度信息，同时还有调度算法所带来的运算量对***的影响，不能实现每个节点快速稳定的占用时隙资源，节点的管理消息和业务数据的传输时隙得不到保障，因此需要对该帧结构进行改进并提出相应的调度。

本发明对IEEE802.16标准的Mesh网络帧结构改进是对其中时隙出现的频率和位置进行改动，并去掉调度控制子帧，当节点需要发送资源调度控制消息时，把资源调度控制消息放在数据子帧中的基本速率子分组上进行发送。

参照图2，本发明改动后的一个帧结构仅包括一个控制子帧和M1个数据子帧其中1<M1。

参照图3，帧结构中的一个控制子帧，即Cn子帧，去掉了原来控制子帧中的调度控制子帧，只保留了网络控制子帧。该网络控制子帧包括两种类型的时隙，分别为网络接入时隙NENT和M2个网络配置时隙NCFG，1<M2<255，其中：

所述网络接入时隙NENT，是指所有企图加入Mesh网络的新节点发送消息的时隙；

所述M2个网络配置时隙NCFG，是指邻近节点之间进行信息交互传输的时隙；

参照附图4，本发明帧结构的每个数据子帧包含M2个用户设备时隙UE，用户设备时隙UE包括数据突发前导序列，数据突发载荷和数据传输保护三部分，其中：

数据突发载荷，包括基本速率子分组和可变速率子分组两种，该基本速率子分组又包括两部分：第一部分用来指示用户设备时隙UE中的可变速率子分组的编码和调制方式，第二部分是基本速率子分组的载荷，其中基本速率子分组的载荷部分用来承载调度信息和短的数据报文，本实例用业务数据的ACK消息作为短的数据报文；该可变速率子分组主要是用来承载节点上层要发送的业务数据。

步骤2，选择初始支撑节点入网获得地址编号Node ID。

2a)开机后入网节点为自己随机分配一个地址编号Node ID，并在与该地址编号Node ID对应的网络配置时隙NCFG内发送网络配置消息，在其他时间都持续监听来自其他节点的网络配置消息，其中地址编号Node ID，是指对控制子帧的M2个网络配置时隙NCFG以及数据子帧的M2个用户设备时隙UE从1到M2的编号，对于新入网的每个节点会分配得到自己唯一的地址编号Node ID，相当于因特网的IP地址；

2b)当入网节点监听到有多个节点出现在相同的邻节点域，则从多个节点中选择一个节点作为初始支撑节点，其他节点向该节点发起入网请求，其选择分为以下两种情况：

第一种是：对于网络中有预先设定的初始支撑节点的情况，入网节点在开机后一直等待和搜索初始支撑节点发出的网络配置消息，当收到该消息后向其入网并获得地址编号Node ID；

第二种是：对于网络中没有预先设定的初始支撑节点的情况，当入网节点接收到其他节点的网络配置消息后，入网节点首先判断对方节点是否是一个在网的节点：

如是，则向对方发起入网申请；

如非，则比较自身与对方的地址编号Node ID，选择地址编号Node ID小的节点作为初始支撑节点，其他节点向该初始支撑节点发起入网申请并获得地址编号Node ID，如果双方地址编号Node ID相同，则等到下一帧周期改变自身地址编号Node ID后再次比较。

所述初始支撑节点，是指作为建立无线MESH网络根节点的一个节点。

步骤3，入网节点采用基于地址编号Node ID的调度。

基于本发明的帧结构和节点入网后分配得到的地址编号Node ID，按照以下方式对消息和数据进行调度：

3a)对于网络接入时隙NENT，所有企图加入Mesh网络的新节点在此时隙内发送网络接入消息，对该时隙的占用是竞争式的，即指当网络接入时隙NENT到来时有多个入网节点同时申请入网，则所有入网节点随机避让若干帧周期，而重新申请入网，直到网络接入时隙NENT到来时只有一个入网节点申请入网，就将网络接入时隙NENT分配给该入网节点；

3b)对于网络配置时隙NCFG，采用基于地址编号Node ID的调度方式，在网节点占用获得的地址编号Node ID对应的传输时隙发送网络配置消息，此网络配置时隙NCFG被在网节点唯一占用，对于已经分配的网络配置时隙NCFG的其他节点无法占用，以保证网络中节点不会发生冲突；

3c)对于数据子帧的用户设备时隙UE，入网节点根据其地址编号Node ID的值进行占用，并在与该节点地址编号Node ID的值对应的用户设备时隙UE到来时发送自己的数据，由于一个节点占用一个时隙，不会与别的节点发生冲突，降低了节点时延。

参照图2，假设网络中有21个节点，即M2为21，网络中的这21个节点对应数据子帧中的21个用户设备时隙UE，每一个节点占用一个时隙，占用时隙的编号和每一个节点分配到的地址编号Node ID对应，例如当编号为2的用户设备时隙UE到来时地址编号Node ID值为2的节点就可以发送业务数据，如表1所示。

表1基于地址编号Node ID调度的用户设备时隙UE占用

表1中，地址编号Node ID为2的节点每个帧周期发送8帧的数据小于等于可变速率子分组，链队帧数链队帧数始终为8即说明节点无需占用其他用户设备时隙UE，则节点在编号为2的帧内占用编号为10、11、12、13的数据子帧的编号为2的用户设备时隙UE，而节点在编号为3的帧内占用编号为1、2、3、4的数据子帧的编号为2的用户设备时隙UE，显示了节点在没有大量数据发送的情况下按照地址编号Node ID对应的用户设备时隙UE发送数据。

步骤4，对数据子帧时隙调度进行优化。

上述步骤3的调度仅适合网络节点较少和在网节点不需要发送大量业务数据的情况，当节点需要发送大量的业务数据，且在网节点占用的用户设备时隙UE无法完成数据传输时，可以申请节点没有占用的用户设备时隙UE，如果申请成功就可以在该用户设备时隙UE发送自己的业务数据，即对数据子帧时隙调度进行如下优化：

(4a)对有主用户设备时隙UE和无主用户设备时隙UE进行定义：

将网络中存在的节点所占用的用户设备时隙UE定义为有主用户设备时隙UE；

将未被分配给节点的地址编号Node ID所对应的用户设备时隙UE定义为无主用户设备时隙UE；

(4b)对无主用户设备时隙UE进行占用声明：

第一步：入网节点根据自身的业务数据流量，以及之前对Mesh网络中所有无主用户设备时隙UE的认知，发起对无主无主用户设备时隙UE的占用声明，该声明采用调度控制消息来承载；

第二步：入网节点的所有一跳邻节点向该入网节点响应占用声明，也就是说，对某个无主用户设备时隙UE的占用声明是否被接受是由其一跳邻节点来决定的，而一跳邻节点接受或拒绝是根据其所收到的所有一跳邻节点的占用声明来综合决定的：

对于相互冲突的占用声明，该邻节点根据声明节点的优先级来仲裁，即地址编号Node ID小的声明节点具有更高的优先级，优先得到响应；

对于优先级相同的占用声明，则采用随机函数来响应；

第三步：入网节点发送调度控制确认消息。

上述步骤4的优化可通过表2进一步说明：

表2基于地址编号Node ID优化调度用户设备时隙UE占用

表2中，地址编号Node ID为2的节点每个帧周期发送16帧的数据大于可变速率子分组，链队帧数链队帧数一直在增加即说明节点在分配的用户设备时隙UE内无法完成数据的发送需占用其他无主用户设备时隙UE，则节点在编号为2的帧内占用编号为10、11、12、13的数据子帧的编号为2的用户设备时隙UE并申请对编号为20的无主用户设备时隙UE的占用，而节点在编号为3的帧内占用编号为1、2、3、4的数据子帧的编号为2和20的用户设备时隙UE，显示了在大量数据发送的情况下节点对无主用户设备时隙UE的占用。

以上描述仅是本发明的一个具体实例不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无线MESH网络的资源调度方法，包括如下步骤：

(1)对IEEE802.16 Mesh帧结构进行优化：

对IEEE802.16标准的Mesh网络帧结构中时隙出现的频率和位置进行改动，并去掉控制子帧的调度子帧部分，使得改动后帧结构中的一个超帧仅包括一个网络控制子帧Cn和M1个数据子帧D，其中，网络控制子帧Cn中含有一个网络接入时隙NENT和M2个网络配置时隙NCFG，数据子帧D中含有M2个用户设备时隙UE，其中1<M1，1<M2<255；

(2)入网节点按如下两种情况分别选择初始支撑节点获得地址编号Node ID，其中初始支撑节点，是指作为建立无线MESH网络根节点的一个节点：

对于网络中有预先设定的初始支撑节点情况，入网节点在开机后一直等待和搜索初始支撑节点发出的网络配置消息，向其发出入网请求并获得地址编号Node ID；

对于网络中没有预先设定的初始支撑节点情况，根据比较入网节点与邻节点地址编号的大小得到初始支撑节点，入网节点向其发出入网请求并获得地址编号Node ID；当入网节点接收到其他节点的网络配置消息后，入网节点首先判断对方节点是否是一个在网的节点：

如是，则向对方发起入网申请；

如非，则比较自身与对方的地址编号Node ID，选择地址编号Node ID小的节点作为初始支撑节点，其他节点向该初始支撑节点发起入网申请并获得地址编号Node ID，如果双方地址编号Node ID相同，则等到下一帧周期改变自身地址编号Node ID后再次比较；

(3)入网节点采用基于地址编号Node ID的调度：

(3a)对于网络接入时隙NENT，所有企图加入MESH网络的新节点在此时隙内发送消息，并通过竞争方式对该时隙进行占用；

(3b)对于M2个网络配置时隙NCFG，入网节点根据其地址编号Node ID的值进行占用，并在与该节点地址编号Node ID的值对应的网络配置时隙NCFG到来时发送自己的网络配置消息；

(3c)对于M1个数据子帧，每个数据子帧都有M2个用户设备时隙UE，入网节点根据其地址编号Node ID的值进行占用，并在与该节点地址编号Node ID的值对应的用户设备时隙UE到来时发送自己的数据；

(4)对数据子帧时隙调度进行优化：

(4a)将网络中存在的节点所占用的用户设备时隙UE定义为有主用户设备时隙UE；将未被分配给节点的地址编号Node ID所对应的用户设备时隙UE定义为无主用户设备时隙UE；

(4b)对无主用户设备时隙UE进行占用：入网节点先根据自身的业务数据流量，以及对Mesh网络中所有无主用户设备时隙UE的认知，发起对无主用户设备时隙UE的占用声明；再由入网节点的所有一跳邻节点向该入网节点发送消息，以响应占用声明；最后由入网节点发送确认消息。

2.据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中的地址编号Node ID，是指对控制子帧的M2个网络配置时隙NCFG以及数据子帧的M2个用户设备时隙UE从1到M2的编号，对于新入网的每个节点会分配得到自己唯一的地址编号Node ID。

3.据权利要求1所述的方法，其中步骤(3a)中通过竞争方式对网络接入时隙NENT进行占用，是指当网络接入时隙NENT到来时有多个入网节点同时申请入网，则所有入网节点随机避让若干帧周期，而重新申请入网，直到网络接入时隙NENT到来时只有一个入网节点申请入网，就将网络接入时隙NENT分配给该入网节点。

4.据权利要求1所述的方法，其中步骤(3b)中的入网节点根据其地址编号Node ID的值进行占用，是指每一个入网节点占用一个网络配置时隙NCFG，且占用时隙的编号和节点分配得到的地址编号Node ID值相同。

5.据权利要求1所述的方法，其中步骤(3c)中的入网节点根据其地址编号Node ID的值进行占用，是指每一个节点占用一个用户设备时隙UE，且占用时隙的编号和该节点分配到的地址编号Node ID值相同。