一种同步Mesh网络的时隙分配方法
【专利摘要】一种同步Mesh网络的时隙分配方法，包括如下步骤：1）各节点根据自己的业务量大小计算出需要的时隙数量；2）所述节点根据所需的时隙数量生成时隙申请包并发送给其父节点；3）所述父节点收集时隙申请包后，统一为其所有的子节点分配时隙；4）所述父节点生成时隙分配结果包，并发给各子节点。本发明解决了现有技术中基于业务等级的时隙分配方法因频繁的带宽申请导致带宽振荡和大量的空闲时隙造成时隙浪费的技术问题，实现了时隙分配的公平化，减少因频繁的带宽申请而导致的带宽振荡，减少时隙分配过程中产生的空闲时隙数量，最大程度地避免时隙浪费，提高了网络的传输效率和服务质量，特别适用于基于多扇区阵列天线的同步Mesh网络的时隙分配。
【专利说明】—种同步Mesh网络的时隙分配方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种同步网络的时隙分配方法，具体地说是同步无线Mesh网络的时隙分配方法。
【背景技术】
[0002]无线Mesh网络(Wireless Mesh Network)是一种高容量、高带宽的分布式网络,可以看成是无线局域网WLAN和Ad hoc移动自组织网络的融合，且发挥了两者的优势。无线Mesh网络能在一个广阔的区域中实现多跳(Mult1-Hops)的无线通信，其组网快速、布网灵活、抗毁性强、维护容易、稳定度高，成为下一代无线通信系统的关键技术之一。基于多扇区阵列天线的同步Mesh网络不同于一般的无线Mesh网络,它是无线Mesh网络的一种高级形态，组网技术层面采用“空分复用” + “时分复用”相结合的技术体制。采用多扇区阵列天线技术和高速天线扫描技术，使得它具有“空分复用”的特征；采用同步组网技术，使得它又具有“时分复用”的特征。这两大特征的有机结合使得这种无线Mesh网络有别于其它无线Mesh网络技术，它可以控制和协调网络中同时出现的传输，降低网络中的冲突和竞争，并能提高空域和频谱重用率，提供更高的网络吞吐量和可扩展性。基于多扇区阵列天线的同步Mesh网络中，主要有两大类节点:网关节点GN (Gateway Node)和骨干节点BN (BackboneNode)。网关节点GN主要实现全网的系统管理，包括网络的时钟同步与时隙同步、网络拓扑管理、地址分配，同时还可以实现有线接入功能，提供到上级网络的接入能力。骨干节点BN密切配合网关节点GN，协调其上下游节点的时隙分配，但主要是负责延伸网络的覆盖范围，提供用户的有线/无线接入功能。在这种无线Mesh网络中，节点使用时隙的有效分配对于整个网络的服务质量高低而言非常关键，尤其是对语音、视频信息的实时和连贯性传输而言，更需要时隙分配的均匀性。
[0003]现有专利文献CN102196578A中公开了一种用于无线传感器网络的交叉时隙分配方法，该方案中的基于业务等级加权的交叉时隙块分配方法为业务等级高的节点分配较多的时隙，但是节点的业务等级一般反映的是该节点承载的业务类别或者是在网络拓扑结构中所处的位置的重要性大小，却不能反映节点承载的业务量多少。当网络中的某个节点的业务等级不高，但是业务量却很大时，按照该方案的时隙分配原则，该节点将分得较少的时隙，导致该节点的业务很难在分得的连续时隙内完成传输，从而需要频繁地申请带宽，导致带宽的振荡；反之，当网络中的某个节点的业务等级较高，但是业务量却很少时，按照该方案的时隙分配原则，该节点将分得较多的时隙，该节点完成业务传输后仍有大量的空闲时隙，造成时隙的浪费。
【发明内容】
[0004]为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中基于业务等级的时隙分配方法因频繁的带宽申请导致带宽振荡和大量的空闲时隙造成时隙浪费的问题，从而提出一种可以公平地分配时隙，减少带宽振荡和空闲时隙的同步Mesh网络的时隙分配方法。[0005]为解决上述技术问题，本发明提供一种同步Mesh网络的时隙分配方法。
[0006]包括如下步骤:
(1)各节点根据自己的业务量大小计算出需要的时隙数量；
(2)所述节点根据所需的时隙数量生成时隙申请消息并发送给其父节点；
(3)所述父节点收集时隙申请消息后，统一为其所有的子节点分配时隙；
(4)所述父节点生成时隙分配结果包，并发给各子节点。
[0007]所述步骤(I)中，所述业务量大小根据历史业务量和当前数据缓冲区中的业务量计算得出。
[0008]所述计算业务量大小的方法如下:
业务量TNi的计算公式如下:
其中，
TNi为节点i的业务量大小；
入为加权因子，取值范围O?I之间；
Tifsi为节点i所有转发的业务量，历史统计时间t内；
Ti为节点i所有发送失败和丢弃的业务量，历史统计时间t内；
TBi为表示节点i当前业务缓冲区内待发送的业务量；
D为待发送业务量的排队时间限制，或为排队业务量的最长发送时间； δ为用于进行数据传输的时隙使用效率。
[0009]在所述步骤(3)中，统一为子节点分配时隙的方法如下:
当各子节点的时隙需求之和没有超过父节点可以分配的总量时，父节点按照各子节点的实际时隙需求分配时隙；
当各子节点的时隙需求之和超过自己可以分配的总量时，则父节点按照各子节点的时隙需求所占时隙需求之和的比例给各子节点分配相应的时隙。
[0010]在所述步骤(3)中，采用先满足父节点自身的时隙需求再满足其子节点的时隙需求的分配策略。
[0011]在步骤(I)前，新节点在入网阶段，采用初始的时隙分配方案，用于进行链路质量测试和入网认证等协议数据的交互工作。
[0012]在所述步骤(I)之前，还包括初始的时隙分配步骤。所述初始的时隙分配方案为，新节点的父节点根据自己子节点的个数，把所有能用于和子节点通信的时隙数的平均量分配给新入网节点。
[0013]本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
(I)本发明所述的同步Mesh网络的时隙分配方法包括如下步骤:1)各节点根据自己的业务量大小计算出需要的时隙数量；2)所述节点根据所需的时隙数量生成时隙申请消息并发送给其父节点；3)所述父节点收集时隙申请消息后，统一为其所有的子节点分配时隙；4)所述父节点生成时隙分配结果包，并发给各子节点。这样父节点根据各子节点的业务量大小进行合理的时隙分配，给业务量大的节点分配较多的时隙，业务量小的节点分配较少的时隙，实现了时隙分配的公平化，减少因频繁的带宽申请而导致的带宽振荡，减少时隙分配过程中产生的空闲时隙数量，最大程度地避免时隙浪费，有效地提高了网络的传输效率和服务质量(QoS)。
[0014](2)本发明所述的同步Mesh网络的时隙分配方法中的业务量大小根据历史业务量和当前数据缓冲区中的业务量计算得出，业务量大小TNi的计算公式为=TNi = λ (Tifsi+ Ti#i)/t + (1-λ ) X TBi/ (DX δ )，其中λ为加权因子，取值范围O?I之间，技术人员可以根据具体需要进行设置，这样可以综合考虑历史业务量和当前业务量对节点传输的影响，提高了业务量计算的准确性，避免了带宽振荡。
[0015](3)本发明所述的同步Mesh网络的时隙分配方法采用先满足父节点再满足子节点的时隙分配策略。在无线Mesh网络中，除了根节点GN和叶节点外，每个骨干节点BN具有父节点和子节点的双重身份，本节点为自己的子节点分配时隙时必须遵循自己父节点的时隙分配意愿，这样为子节点分配的时隙不影响父节点为自己分配的时隙，避免频繁的带宽申请导致带宽震荡。
[0016](4)本发明所述的同步Mesh网络的时隙分配方法在新节点的入网阶段，采用初始的时隙分配方案，用于进行链路质量测试和入网认证等协议数据的交互工作。所述初始的时隙分配方案为，新节点的父节点根据自己子节点的个数，把所有能用于和子节点通信的时隙数的平均量分配给新入网节点，这样既能保证新节点的快速入网，又能维持其它兄弟节点通信带宽的稳定性和持续性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是基于多扇区阵列天线的同步Mesh网络的时隙分配示意图；
图2是同步Mesh网络帧结构的示意图；
图3是新入网节点时隙分 配流程的示意图；
图4是已入网节点时隙分配流程的示意图。
【具体实施方式】
[0018]实施例1
本实施例提供一种基于多扇区阵列天线的同步Mesh网络的时隙分配方法。基于多扇区阵列天线的同步Mesh网络中包括有两大类节点，其中一类节点为网关节点GN，另外一类节点为骨干节点ΒΝ，如图1所示，GN是网关节点，即根节点，BNl，ΒΝ2…ΒΝ5是骨干节点。本实施例中骨干节点的个数是5个，作为其它可以变换的实施方式，骨干节点的个数可以根据实际需要设置任意有限个数。每个节点的天线均采用多扇区阵列天线，扇区天线的数量为N(N—般等于3、4、6、8、10、12、15、18…)，本实施例中N等于12，作为其它可以变换的实施方式，所述N可以根据需要设置，如选择设置为8或10。N个扇区天线实现360°的全向覆盖。
[0019]同步Mesh网络的帧结构如图2所示，主要由I秒帧、分帧、子帧、时隙和时间片(或称微时隙)组成。
[0020]I秒帧:由k个分帧(编号:0?k-Ι)组成，每个分帧的时长为1000/k毫秒。
[0021]分帧:由j个子帧(编号:0?j-Ι)组成，每个子帧的时长为10毫秒，因此，kX j=100，本实施例中取k=10，j=10。作为其它可以变换的实施方式，所述k、j在满足kXj =100的条件下，可以根据需要设置，如选择设置为k=20，j=5。
[0022]子帧:由10个时隙(编号:0-9)组成，每个时隙的时长为I毫秒。
[0023]时隙:1个时隙进而可以等分成10个微时隙，每个微时隙为100微秒。时隙的类型有3种，分别是=Hello时隙、竞争时隙、非竞争时隙。
[0024]Hello时隙:用于处理Hello问候包,供新节点入网；
竞争时隙:平均分配给各扇区的阵列天线，用于父节点接收子节点的时隙请求包，供子节点获得发送数据的机会；
非竞争时隙:用于父子节点间的数据业务传输和通信链路维护。
[0025]图2中，子帧O的第I个时隙(时隙O)为Hello时隙，后面的9个时隙为非竞争时隙； 其余子帧(编号I-j-Ι)的第I个时隙(时隙O)为竞争时隙，后面的9个时隙为非竞
争时隙；
每个子帧内的9个非竞争时隙中:前2个时隙(时隙1、时隙2)为不可分配时隙，用于无线Mesh网络的各层级节点监听其父节点；后7个时隙(时隙3-时隙9)为可分配时隙。
[0026]对于上述可分配的时隙资源，采用本发明所述的同步Mesh网络的时隙分配方法，此处为基于多扇区阵列天线的同步Mesh网络的时隙分配方法，包括如下步骤:
(1)各节点根据自己的业务量大小计算出需要的时隙数量，图1中GN是根节点，BNl,BN2，BN3是GN的子节点，BN4, BN5是BN3的子节点；
(2)子节点BN1，BN2...BN5根据所需的时隙数量生成时隙申请消息，并在竞争时隙内发送给其父节点；
(3)父节点GN，BN3在竞争时隙内收集子节点的时隙申请消息，并根据其可分配时隙的总数量统一为其所有的子节点分配时隙；
(4)父节点GN，BN3生成时隙分配结果包，并发给各子节点。
[0027]实施例2
本实施例提供一种同步Mesh网络的时隙分配方法，包括如下步骤:
(I)新节点在入网阶段的时隙分配流程如图3所示，通过侦听Hello广播包确定父节点，其父节点采用初始的时隙分配方案为该新节点分配时隙，用于进行链路质量测试和入网认证等协议数据的交互工作。所述初始的时隙分配方案为，新节点的父节点根据自己子节点的个数，把所有能用于和子节点通信的时隙数的平均量分配给新入网节点。
[0028](2)入网后的节点采用图4所示的已入网节点的时隙分配方案，各节点根据自己的业务量大小计算出需要的时隙数量，所述业务量大小根据历史业务量和当前数据缓冲区中的业务量计算得出。
[0029]业务量具体的计算公式如下:
TNi = λ (Tii + T丢弃 J/t + (l-λ ) X TBi/ (DX δ )(I)
式(I)中，
TNi为节点i的业务量；
λ为加权因子，取值范围O-I之间，本实施例中λ取0.5，作为其它可以变换的实施方式，可以根据需要灵活设置；
Tifsi为节点i所有.转发的I务量:，历史统i十时间t内，所述历史统i十时间t为当前时刻之前的一段固定时长，本领域的技术人员可以根据需要进行设置；
T丢失i为节点i所有发送失败和丢弃的业务量，历史统计时间t内，所述历史统计时间t为当前时刻之前的一段固定时长，本领域的技术人员可以根据需要进行设置；
TBi为表示节点i当前业务缓冲区内待发送的业务量；
D为待发送业务量的排队时间限制，或为排队业务量的最长发送时间； δ为用于进行数据传输的时隙使用效率。
[0030]每I秒帧内，I个数据传输时隙(Ims)中的数据传输速率为:
V= V调制 X δ/N(2)
式(2)中:
V调制表示无线Mesh物理层的调制速率； δ为用于进行数据传输的时隙使用效率；
N表示一个I秒帧周期中包含的全部可分配的时隙个数。
[0031]于是，节点i所需要的时隙个数为:
Ni = TNi / V(3)
如果父节点拥有k个子节点，则需要分别计算出NuN2,...Nk。
[0032](3)所述子节点根据所需的时隙数量Ni (1=1,2,…k)生成时隙申请包并发送给其父节点。
[0033](4)所述父节点收集时隙申请包后，回复时隙申请确认包，并统一为其所有的子节点分配时隙。
[0034]当各子节点的时隙需求之和没有超过父节点可以分配的总量时，即N1 + N2 +...+Nk＞ N，父节点按照各子节点的实际时隙需求分配时隙；
当各子节点的时隙需求之和超过自己可以分配的总量时，即N1 + N2 +…+ Nk > N，则父节点按照各子节点的时隙需求所占时隙需求之和的比例进行分配，于是，子节点i分得的时隙数为:
N' = NXNi / (N1 + N2+…+ Nk)(4)
式⑷中:
N为一个I秒帧周期中包含的全部可分配的时隙个数。
[0035]采用先满足父节点再满足子节点的时隙分配策略，本节点为自己的子节点分配时隙时必须遵循自己父节点的时隙分配意愿，这样为子节点分配的时隙不影响父节点为自己分配的时隙，也就是子节点优先考虑与其父节点的时隙需求，在此前提下再考虑子节点与其孙节点的时隙需求。
[0036](5)所述父节点生成时隙分配结果包，并逐一发给各子节点，各子节点回复时隙分配更新确认包进行确认。
[0037]作为其他可以变换的实施方式，上述施例中的时隙也可以是带宽，同步Mesh网络可以依据上述实施例中的时隙分配方法进行带宽分配。
[0038]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【权利要求】
1.一种同步Mesh网络的时隙分配方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)各节点根据自己的业务量大小计算出需要的时隙数量； (2)所述节点根据所需的时隙数量生成时隙申请消息并发送给其父节点； (3)所述父节点收集时隙申请消息后，统一为其所有的子节点分配时隙； (4)所述父节点生成时隙分配结果包，并发给各子节点。
2.根据权利要求1所述的同步Mesh网络的时隙分配方法，其特征在于，所述步骤(I)中，所述业务量大小根据历史业务量和当前数据缓冲区中的业务量计算得出。
3.根据权利要求1或2所述的同步Mesh网络的时隙分配方法，其特征在于，所述计算业务量大小的方法如下: 业务量TNi的计算公式如下: 其中， TNi为节点i的业务量大小； 入为加权因子，取值范围O?I之间； Tifsi为节点i所有转发的业务量，历史统计时间t内； T i为节点i所有发送失败和丢弃的业务量，历史统计时间t内； TBi为表示节点i当前业务缓冲区内待发送的业务量； D为待发送业务量的排队时间限制，或为排队业务量的最长发送时间； δ为用于进行数据传输的时隙使用效率。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的同步Mesh网络的时隙分配方法，其特征在于:在所述步骤(3)中，统一为子节点分配时隙的方法如下: 当各子节点的时隙需求之和没有超过父节点可以分配的总量时，父节点按照各子节点的实际时隙需求分配时隙； 当各子节点的时隙需求之和超过自己可以分配的总量时，则父节点按照各子节点的时隙需求所占时隙需求之和的比例给各子节点分配相应的时隙。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的同步Mesh网络的时隙分配方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，采用先满足父节点自身的时隙需求再满足其子节点的时隙需求的分配策略。
6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的同步Mesh网络的时隙分配方法，其特征在于，在步骤(I)前，新节点在入网阶段，采用初始的时隙分配方案，用于进行链路质量测试和入网认证协议数据的交互工作。
7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的同步Mesh网络的时隙分配方法，其特征在于，在所述步骤(I)之前，还包括初始的时隙分配步骤，所述初始的时隙分配方案为，新节点的父节点根据自己子节点的个数，把所有能用于和子节点通信的时隙数的平均量分配给新入网节点。
【文档编号】H04W72/04GK103442440SQ201310324272
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年7月30日 优先权日:2013年7月30日
【发明者】鄢春娥, 白羽 申请人:白羽, 鄢春娥