CN110198569A - 在多跳自组织网络中基于无线令牌环的资源预约方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多跳自组织网中基于无线令牌环的资源预约方法，主要解决现有令牌环技术在多跳网络中节点端到端时延高和无法满足节点对高优先级业务服务质量需求的问题，其方案为：将网络时隙资源划分为超帧，每个超帧划分为四段子帧，在每段子帧中运行各自的令牌环；网络中的新节点确定在网络中的位置并加入相应的令牌环；新节点在加入过程中若发生冲突，执行CSMA退避；令牌环中的节点建立时隙优化模型，求解该模型得出各段子帧的时隙数目；持有令牌的节点根据业务优先级选择下一个令牌获得者，得到令牌的节点即可发送数据分组。本发明降低了节点的端到端时延，保证具有高优先级业务的节点优先调度，可用于在多跳自组织网络中进行数据传输。

Description

在多跳自组织网络中基于无线令牌环的资源预约方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种资源预约方法，可用于在多跳自组织网络中进行数据传输。
背景技术
自组织网络Ad hoc以其方便、灵活的组网方式，以及良好的健壮性和抗毁坏性，无论在军事领域和商用领域都具有极大的应用前景。它是固定基站移动通信网络、移动Internet的强有力补充和扩展，可广泛应用在没有现有网络基础设施支持的环境中或固定网络不能满足移动性、机动性等要求的情况下，提供动态的、可以快速部署的无线网络服务。
虽然Ad hoc网络有着良好的应用前景，对它的研究还面临许多困难。在无线Adhoc网络中，无线介质由多节点共享，控制节点对介质的访问是MAC需要解决的问题。与有线网络相比，无线信道的带宽资源相对贫乏，高效率的MAC机制不仅能使无线信道资源得到充分利用，同时MAC还会影响上层协议的性能如TCP的性能、路由协议的性能等，也是无线Adhoc网络支持QOS的关键。因此，研究无线Ad hoc的MAC机制具有重要的意义。无线Ad hoc网络无中心的特点要求MAC机制不能依赖于某固定节点，因此，集中式的MAC机制不适合无线Ad hoc网络，无线Ad hoc网络的MAC机制必须分布实施。然而，无线Ad hoc网络中共享信道、隐藏/暴露终端问题、信道带宽具有空间再用性等特点使得设计高效的MAC机制具有很强的挑战性，尤其是既能充分利用无线信道的带宽资源同时又能使竞争无线信道的节点公平共享无线信道，以及可以适应多种业务负载的需求。
针对MAC层资源预约方法，研究者进行了大量研究工作并提出了一些解决方案。其中包括基于时分多址协议TDMA的DTSA方案和基于无线令牌环协议的WDTP方案。
DTSA方案适用于多跳网络，数据包携带发送节点的帧长，分配的时隙，最大帧长，其邻居节点和数据。新节点通过向邻居节点发送请求包询问两跳范围内所有节点的帧长和时隙分配信息。竞争区内节点在其时隙发送信息包回复新节点。新节点根据得到的信息发送声明包表示其占用的时隙。其邻居节点回复应答包。至此新节点获得时隙资源。但在多跳网络模型下，DTSA方案中节点的端到端时延较高。
WDTP方案所提出的无线动态令牌环协议，令牌等概率的在节点中传递，但当节点具有高优先级的业务时，WDTP方案无法满足节点对于服务质量的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种在多跳自组织网中基于无线令牌环的资源预约方法，以减少节点在网络中的端到端时延，满足节点对于高优先级业务的服务质量需求。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
(1)划分多跳网络中的区域和时隙；
(1a)在多跳网络中，先将网络划分为不同的6个区域，分别为AB、BCD、DE、A、C、E，区域中的节点在各自区域形成不同的令牌环，对应为令牌环Rab、Rbcd、Rde、Ra、Rc和Re；
(1b)将时隙资源划分为一个超帧Tf，然后将超帧Tf划分为T1、T2、T3和T4四段子帧，在每段子帧内运行各自令牌环，当令牌环中的节点持有令牌时，节点可以发送数据分组，并设节点持有令牌的时间为Ts；
(2)新节点开机后，确定其在网络中所处的位置；
(3)持有令牌的节点在Ts时间内发送完数据分组后，便进入邀请状态，发送“邀请帧”邀请新节点加入网络；
(4)新节点收到“邀请帧”后，以竞争的方式发送“入网帧”申请加入令牌环，令牌环中其他节点收到新节点的“入网帧”后，将新节点加入到对应的令牌环中，如果新节点在加入过程中发生冲突，则执行非坚持载波侦听型多址协议CSMA退避过程，否则，新节点成功加入令牌环，令牌环中的节点执行时隙数目优化算法更新各个子帧的时隙数目；
(5)持有令牌的节点在邀请状态结束后，根据业务优先级在本轮令牌环未获得过令牌的节点中选择一个节点作为下一个时隙的令牌获得者，并广播指定的节点编号，令牌环中的其他节点收到广播包后，将广播包中的节点编号与本节点编号进行比较：若两者编号相同，则该节点作为下一个令牌持有节点，执行(6),否则，继续监听网络；
(6)指定令牌获得者在下一个时隙内发送分组，如果指定的令牌获得者并没有发送分组，即节点出现故障或者由于移动脱离令牌环，则执行(7)，否则，返回(3)；
(7)前一个持有令牌的节点广播退网的节点编号，并重新选取下一时隙的令牌获得者，令牌环中的节点执行时隙数目优化算法更新各个子帧的时隙数目,返回(6)。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明以端到端时延最小为目标函数建立优化模型，获得在不同节点数目下最佳的超帧时隙总数、各个子帧时隙数目，各个令牌环轮询圈数等***参数，可以获得较小的端到端时延。
2.本发明针对时延要求高，吞吐量不大的业务，通过基于业务优先级的令牌传递规则选择下一个时隙的令牌获得者，即当持有令牌的节点在收到目的节点的应答帧时，若目的节点拥有高优先级的业务并且目的节点在本轮令牌环中未获得过令牌，则增加目的节点在本轮令牌环中获得令牌的概率，以保证具有高优先级业务的节点在下一时隙优先获得令牌，满足节点对于高优先级业务的服务质量需求。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明中的超帧结构示意图；
图3是本发明中的多跳网络示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
参照图1，本发明包括如下步骤：
步骤1：划分多跳网络中的区域和时隙。
(1a)参照图3，在多跳网络中，先将网络划分为不同的6个区域，分别为AB、BCD、DE、A、C、E，区域中的节点在各自区域形成不同的令牌环，对应为令牌环Rab、Rbcd、Rde、Ra、Rc和Re，网络中的业务根据优先级分为两种类型，高优先级业务和普通业务；
(1b)先将时隙资源划分为一个超帧Tf，如图2所示，再将超帧Tf划分为T1、T2、T3和T4四段子帧，超帧Tf的时隙数目为M，每段子帧的时隙数目为M1、M2、M3和M4，M＝M1+M2+M3+M4；
(1c)在每段子帧内运行各自令牌环，具体为：
在第一段T1子帧中，运行令牌环Rab和Re，允许在网络AB区域和网络E区域中的节点发送数据；
在第二段T2子帧中，运行令牌环Rbcd，允许在网络BCD区域中的节点发送数据；
在第三段T3子帧中，运行令牌环Rde和Ra，允许在网络DE区域和网络A区域中的节点发送数据；
在第四段T4子帧中，运行令牌环Ra、Rc和Re，允许在网络A区域、网络C区域和网络E区域中的节点发送数据；
当令牌环中的节点持有令牌时，节点发送数据分组，并设节点持有令牌的时间为Ts。
步骤2：新节点确定网络位置。
新节点开机后，监听一个超帧Tf；
如果新节点既在第一段T1子帧中监听到令牌环Rab运行，又在第三段T3和第四段T4子帧中监听到令牌环Ra运行，则此节点位于网络的A区域中；
如果新节点既在第一段T1子帧监听到令牌环Rab运行，又在第二段T2子帧监听到令牌环Rbcd运行，则此节点位于网络的B区域中；
如果新节点既在第二段T2子帧监听到令牌环Rbcd运行，又在第四段T4子帧监听到令牌环Rc运行，且在超帧Tf监听不到令牌环Ra和令牌环Re运行，则此节点位于网络的C区域中；
如果新节点既在第二段T2子帧监听到令牌环Rbcd运行，又在第三段T3子帧监听到令牌环Rde运行，则此节点位于网络的D区域中；
如果新节点既在第三段T3子帧监听到令牌环Rde运行，又在第四段T4子帧监听到令牌环Re运行,则此节点位于网络的E区域中。
步骤3：持有令牌的节点邀请新节点加入网络。
(3a)持有令牌的节点在Ts时间内发送完数据分组后，便进入邀请状态，发送“邀请帧”邀请新节点加入网络；
(3b)新节点收到“邀请帧”后，以竞争的方式发送“入网帧”申请加入令牌环，令牌环中其他节点收到新节点的“入网帧”后，将新节点加入到对应的令牌环中；
(3c)对于新节点在加入过程中发生冲突的情况，则执行如下非坚持载波侦听型多址协议CSMA退避过程：
(3c1)节点检测信道状态；
如果节点检测到信道空闲，节点立即发送分组,执行(3d)；
如果节点检测到信道忙，节点在[0,w-1]之间生成随机数m，并退避m个时间单位,其中w为设定的初始竞争窗口,w的最大值为CWmax，CWmax为设定的最大竞争窗口；
(3c2)当节点退避m个时间单位后，增大竞争窗口，w扩大2倍，返回(3c1)；
(3d)对于新节点成功加入令牌环的情况，则令牌环中的节点执行时隙数目优化算法更新各个子帧的时隙数目：
(3d1)将每段子帧的长度用令牌环轮数和令牌环中节点数表示，即：
T1＝kab*Lab*Ts，
T2＝kbcd*Lbcd*Ts，
T3＝kde*Lde*Ts，
T4＝ka*La*Ts＝kc*Lc*Ts＝ke*Le*Ts，
其中，kj为各区域令牌环循环的轮数，Lj表示各区域令牌环的节点数目，j＝ab、bcd、de、a、c、e,*表示点乘；
(3d2)设Dae为数据包从网络的A区域发送到网络的E区域所需的时延，各个区域中节点的数据到达率服从参数为λj数据包/时隙的泊松过程，μj为各区域节点的分组平均传输速率，ρj为各区域节点的缓存队列利用率，Wj为各区域的平均等待时间，Dth为初始设定的本地传输时延的最大值；
(3d3)推导出网络中各区域的端到端时延函数Dj
(3d3.1)将节点看做M/G/1排队模型，根据P-K公式，应用Little定理，得到平均时延D的计算公式为：
其中ρ为节点的缓存队列利用率， 为平均服务时间，W为平均等待时间，为平均服务时间的二阶矩，λ为节点的数据到达率，服务时间定义为数据包在缓存队列头的时刻到数据包成功发送的时刻；
(3d3.2)引入变量Hj，以表示节点在第kj轮令牌环发送数据的概率及各区域的平均服务时间
当Hj＝0时表示节点在第kj轮令牌环发送数据，其概率表示为
当Hj＝1时表示节点在第kj轮令牌环不发送数据，其概率表示为
当Hj＝1时，各区域服务时间Xj的数学期望表示为：E[Xj|Hj＝1]＝Lj；
当Hj＝0时，各区域服务时间Xj的数学期望表示为：
E[Xj|Hj＝0]＝M-(kj-1)Lj；
根据上述的各区域服务时间的数学期望Xj，计算各区域平均服务时间
根据各区域的平均服务时间利用平均时延的计算公式，可得各区域的平均时延Dj：
(3d4)以端到端时延最小为目标,建立如下两个优化模型P1和P2：
(3d5)求解优化两个模型P1和P2：
首先，给定网络的AB区域节点数目Lab、网络的BCD区域节点数目Lbcd、网络的DE区域节点数目Lde、网络的A区域节点数目La、网络的C区域节点数目Lc和网络的E区域节点数目Le、各个区域中节点的数据到达率λj和初始设定的本地传输时延的最大值Dth，得到当前总时隙数：
M＝Lac+Lbcd+Lde+max(La,Lc,Le)；
接着，求解第一个优化模型P1，得到在当前总时隙数M下，网络的A区域端到端时延Da最大时对应的网络A区域令牌循环轮数ka，网络的C区域令牌循环轮数kc，网络的E区域令牌循环轮数ke；
然后，求解第二个优化模型P2，得到在当前总时隙数M下，网络的AB区域令牌循环轮数kab，网络的BCD区域令牌循环轮数kbcd，网络的DE区域令牌循环轮数kde以及端到端时延Dae；
最后,将得到的端到端时延Dae与初始设定的本地传输时延的最大值Dth进行比较，若Dae>Dth,则M＝M+1,重新求解第一个优化模型P1和第二个优化模型P2,否则，得出使得端到端时延最小的各区域中令牌环循环轮数k'j，以及最小端到端时延D'ae，更新各个子帧的时隙数目。
步骤4：持有令牌的节点根据业务优先级传递令牌到下一个节点。
(4a)由持有令牌的节点先发送单播分组到目的节点，目的节点在收到分组后，返回一个“应答帧”，并在“应答帧”中添加目的节点缓存队列头的数据包优先级；
(4b)持有令牌的节点在收到应答帧后，判断应答帧中携带的目的节点业务优先级高低；
若目的节点的业务属于高优先级业务，则增加目的节点在本轮令牌环中获得令牌的概率，否则，目的节点获得令牌的概率不变；
(4c)持有令牌的节点选择概率最高的节点作为下一个时隙的令牌获得者。
步骤5：持有令牌的节点发送分组。
指定令牌获得者在下一个时隙内发送分组，如果指定的令牌获得者并没有发送分组，即节点出现故障或者由于移动脱离令牌环，则执行(6)，否则，返回(3)。
步骤6：前一个持有令牌的节点重新选择令牌的持有节点。
前一个持有令牌的节点广播退网的节点编号，并重新选取下一时隙的令牌获得者，令牌环中的节点删除退网节点编号，执行时隙数目优化算法对各个子帧的时隙数目进行更新，返回(5)。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未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，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，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 (6)

1.一种在多跳自组织网中基于无线令牌环的资源预约方法，其特征在于，包括如下：
(1)划分多跳网络中的区域和时隙；
(1a)在多跳网络中，先将网络划分为不同的6个区域，分别为AB、BCD、DE、A、C、E，区域中的节点在各自区域形成不同的令牌环，对应为令牌环Rab、Rbcd、Rde、Ra、Rc和Re；
(1b)将时隙资源划分为一个超帧Tf，然后将超帧Tf划分为T1、T2、T3和T4四段子帧，在每段子帧内运行各自令牌环，当令牌环中的节点持有令牌时，节点可以发送数据分组，并设节点持有令牌的时间为Ts；
(2)新节点开机后，确定其在网络中所处的位置；
(3)持有令牌的节点在Ts时间内发送完数据分组后，便进入邀请状态，发送“邀请帧”邀请新节点加入网络；
(4)新节点收到“邀请帧”后，以竞争的方式发送“入网帧”申请加入令牌环，令牌环中其他节点收到新节点的“入网帧”后，将新节点加入到对应的令牌环中，如果新节点在加入过程中发生冲突，则执行非坚持载波侦听型多址协议CSMA退避过程，否则，新节点成功加入令牌环，令牌环中的节点执行时隙数目优化算法更新各个子帧的时隙数目；
(5)持有令牌的节点在邀请状态结束后，根据业务优先级在本轮令牌环未获得过令牌的节点中选择一个节点作为下一个时隙的令牌获得者，并广播指定的节点编号，令牌环中的其他节点收到广播包后，将广播包中的节点编号与本节点编号进行比较：若两者编号相同，则该节点作为下一个令牌持有节点，执行(6),否则，继续监听网络；
(6)指定令牌获得者在下一个时隙内发送分组，如果指定的令牌获得者并没有发送分组，即节点出现故障或者由于移动脱离令牌环，则执行(7)，否则，返回(3)；
(7)前一个持有令牌的节点广播退网的节点编号，并重新选取下一时隙的令牌获得者，令牌环中的节点执行时隙数目优化算法更新各个子帧的时隙数目,返回(6)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(5)中根据业务优先级在本轮令牌环未获得过令牌的节点中选择一个节点作为下一个时隙的令牌获得者，其实现如下：
(5a)由持有令牌的节点先发送单播分组到目的节点，目的节点在收到分组后，返回一个“应答帧”，并在“应答帧”中添加目的节点缓存队列头的数据包优先级；
(5b)持有令牌的节点在收到应答帧后，判断应答帧中携带的目的节点业务优先级高低；
若目的节点的业务优先级较高，则增加目的节点在本轮令牌环中获得令牌的概率，否则，目的节点获得令牌的概率不变；
(5c)持有令牌的节点选择概率最高的节点作为下一个时隙的令牌获得者。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中在每段子帧内运行各自令牌环，其实现如下：
在第一段T1子帧中，运行令牌环Rab和Re，允许在网络AB区域和网络E区域中的节点发送数据；
在第二段T2子帧中，运行令牌环Rbcd，允许在网络BCD区域中的节点发送数据；
在第三段T3子帧中，运行令牌环Rde和Ra，允许在网络DE区域和网络A区域中的节点发送数据；
在第四段T4子帧中，运行令牌环Ra、Rc和Re，允许在网络A区域、网络C区域和网络E区域中的节点发送数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中新节点开机后，确定其在网络中所处的位置，其实现如下：
新节点开机后，监听一个超帧Tf；
如果新节点既在第一段T1子帧中监听到令牌环Rab运行，又在第三段T3和第四段T4子帧中监听到令牌环Ra运行，则此节点位于网络的A区域中；
如果新节点既在第一段T1子帧监听到令牌环Rab运行，又在第二段T2子帧监听到令牌环Rbcd运行，则此节点位于网络的B区域中；
如果新节点既在第二段T2子帧监听到令牌环Rbcd运行，又在第四段T4子帧监听到令牌环Rc运行，且在超帧Tf监听不到令牌环Ra和令牌环Re运行，则此节点位于网络的C区域中；
如果新节点既在第二段T2子帧监听到令牌环Rbcd运行，又在第三段T3子帧监听到令牌环Rde运行，则此节点位于网络的D区域中；
如果新节点既在第三段T3子帧监听到令牌环Rde运行，又在第四段T4子帧监听到令牌环Re运行,则此节点位于网络的E区域中。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4)中发生冲突的节点执行非坚持载波侦听型多址协议CSMA退避过程，其实现如下：
(4a)节点检测信道状态；
如果节点检测到信道空闲，节点立即发送分组,执行(4c)；
如果节点检测到信道忙，节点在[0,w-1]之间生成随机数m，并退避m个时间单位,其中w为设定的初始竞争窗口,w的最大值为CWmax，CWmax为设定的最大竞争窗口；
(4b)当节点退避m个时间单位后，增大竞争窗口，w扩大2倍，返回(4a)；
(4c)新节点成功加入令牌环，则令牌环中的节点执行时隙数目优化算法更新各个子帧的时隙数目。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4)中令牌环中的节点执行时隙数目优化算法更新各个子帧的时隙数目，其实现如下：
(4a)将每个子帧的长度用令牌环轮数和令牌环中节点数表示，即：
T1＝kab*Lab*Ts，
T2＝kbcd*Lbcd*Ts，
T3＝kde*Lde*Ts，
T4＝ka*La*Ts＝kc*Lc*Ts＝ke*Le*Ts，
其中，kj为各区域令牌环循环的轮数，Lj表示各区域令牌环的节点数目，j＝ab、bcd、de、a、c、e；
(4b)设Dae为数据包从网络的A区域发送到网络的E区域所需的时延，各个区域中节点的数据到达率服从参数为λj数据包/时隙的泊松过程，μj为各区域节点的分组平均传输速率，ρj为各区域节点的缓存队列利用率，Dth为初始设定的本地传输时延的最大值，M为超帧总时隙数，以端到端时延最小为目标函数Dj，建立优化模型P1和P2：
(4c)给定网络的AB区域、网络的BCD区域、网络的DE区域、网络的A区域、网络的C区域和网络的E区域中节点数目，求解得出使得端到端时延最小的各区域中令牌环循环轮数k'j，j＝ab、bcd、a、c、e，以及最小端到端时延D'ae。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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