专利名称：网状无线个域网中共路由设备的信道时间分配和使用方法
技术领域：
本发明涉及一种网状无线个域网中共路由设备的信道时间分配和使用方法，尤其是支持具有高速率物理层的网状无线个域网在网络计算机、无线呼叫中心和家庭网络等应用中的共路由设备的信道时间分配和使用方法，属于数字通信技术领域。
背景技术：
无线个人区域网络(Wireless personal area network，WPAN)是以无线方式连接个人无线设备的网络。其覆盖范围相对于无线局域网和无线城域网来讲较小，一般只为了满足个人设备之间的互联。
为了支持无线个域网设备的互可操作性，美国电气和电子工程师协会(IEEE)802.15工作组先后成立五个任务组来制定短距离无线网络标准即WPAN标准。其中IEEE802.15.1标准即蓝牙标准；IEEE 802.15.3标准为高速率无线个域网标准；IEEE 802.15.4标准为低速率无线个域网标准；IEEE 802.15.5标准尚在讨论中，其设计目标为扩展现有无线个域网标准使其支持网状网络，从而达到降低部分设备功耗、扩展网络覆盖、提高网络可靠性等目的。IEEE 802.15.5定义了全网状个域网和部分网状个域网两种拓扑结构。在全网状个域网中，所有的通信设备间都存在直接无线链接；在部分网状网中，只有部分设备能够与所有其它设备直接通信。在无线网络中，路由是指应用数据帧从数据源设备传送到目的设备所经过的路径；共路由设备是指组成一个路由的所有设备，包括数据源设备、目的设备以及各个转发设备。
不支持网状拓扑的无线个域网由于覆盖范围有限，主要应用为替代个人计算机、个人数字助理、移动硬盘、移动电话等个人设备间的通信连接线。其中高速率无线个域网的核心应用领域为大宗数据传输和实时多媒体传输，例如在电视机和家庭多媒体网关之间传送高分辨率视频、替代通用串行总线2.0的电缆等。
然而，在另外一些应用场合如无线网络计算机和无线呼叫中心，十几到上百个密集排列的终端同时通过无线方式连接到一台核心服务器上。此时，必须通过无线网状个域网以多跳转发的方式将终端上的数据传送到核心服务器以及将核心服务器的数据传送给终端。
为了保证实时业务的服务质量并降低竞争带来的功耗及带宽浪费，IEEE 802.15.3标准采用时分多址(TDMA)信道接入方案，由协调器分配信道时间给网络中的每一个设备。在已有信道时间分配方案中，每一个时隙被分配给一个准同步或者异步数据流。一个单播准同步或者异步数据流只拥有一个数据源设备和一个目的设备，每一个数据流用一个流索引标识。一个流的数据源设备在分配给该流的信道时间内发送数据帧。由于不同业务的特征不同，应针对不同业务的特征设计不同的信道时间分配方案。中国专利200410034654.2公开了一种高速无线个域网的信道时间分配方法，该方法根据MPEG-2视频流中不同视频帧类型动态的调整分配给每一个流的信道时间，从而提高了网络的信道利用率。日本专利JP2005198305-A公开的信道时间分配方法的特点是分配一段共享的信道时间给准同步和异步数据流。准同步根据实际需要占用共享的信道时间，从而达到了提高准同步数据流的服务质量的目的。
基于已有信道时间分配和使用方法，在支持网状无线个域网架构时，协调器将一个经过多跳转发的数据流视为多个串行的单跳数据流，并为其中每一跳分配信道时间，这些信道时间彼此用保护间隔分开。这种方法的缺点是不仅需要很大的包括保护间隔在内的额外开销，而且分配给各个单跳数据流的信道时间不能够互相共享，造成了分配给每一跳的信道时间的结尾浪费，尤其是对于无线网络计算机和无线呼叫中心这种通信设备密集的应用场合。
发明内容
本发明的目的是提出一种网状无线个域网中共路由设备的信道时间分配和使用方法，减少了已有方法的保护间隔时间开销和每一跳信道时间结尾的时间浪费，从而提高了信道的利用率，使其更适合无线网络计算机和无线呼叫中心通信设备密集的网状无线个域网。
本发明提出的网状无线个域网中共路由设备的信道时间分配和使用方法，包括以下步骤(1)网状无线个域网中的协调器根据来自数据源设备的信道时间请求命令，计算从数据源设备到目的设备的应用数据流的路由；(2)协调器根据上述路由生成信道时间响应命令，包含上述路由的共路由设备信息和各跳链路传输速率信息；(3)协调器向数据源设备发送信道时间响应命令并由数据源设备将信道时间响应命令转发给其它共路由设备，或由协调器向共路由的所有设备广播信道时间响应命令；(4)协调器在每一个定时周期的起始时刻计算分配给上述路由的总信道时间的起始时刻和持续长度信息，并将该信息向全网广播；(5)网状无线个域网中的共路由设备在上述分配给路由的总信道时间内发送应用数据帧。
上述方法中，共路由设备在分配给路由的总信道时间内发送应用数据帧的方法，包括如下步骤(1)数据源或者转发设备在发送一个应用数据帧前，若满足I≥2且Ts(I)+Σi=1IΣp=1PT(i,p)<Trst,]]>则在发送当前应用数据帧后继续发送应用数据帧，若不满足，则发送当前应用数据帧，并附带“发送结束”信息，其中I为当前待发送的应用数据帧的编号，Ts(I)数据源设备当前待发送的应用数据帧所需时间，P为转发设备总数，T(i，p)为第p个转发设备在转发数据源设备当前定时周期发送的第i个应用数据帧时所需时间，Trst为当前定时周期内分配给该路由的总信道时间的剩余时间；
(2)在上述分配给从数据源设备到目的设备的应用数据流路由的总信道时间的起始时段，数据源设备发送应用数据帧；(3)第M个转发设备在接收来自上一设备的应用数据帧时，若满足2Tsifs+Tack+2Σp=MPTavg(p)+Σj=1JΣp=MPT′(j,p)+Σi=1IΣp=MPT(i,p)>Trst,]]>则在发送给上一转发设备的应答帧中附带“提前结束”信息，其中M为当前转发设备编号，P为转发设备总个数，I为转发设备在当前定时周期的上述分配给从数据源设备到目的设备的应用数据流路由的总信道时间内接收到的应用数据帧的个数，J为在当前定时周期前未转发给下一设备的剩余应用数据帧的个数，T′(j，p)为第p个转发设备转发第j个剩余应用数据帧所需时间，Tavg(p)为第p个转发设备在转发平均长度的应用数据帧时所需的时间，Tack为第M个转发设备发送应答帧给上一设备所需时间，Tsifs为IEEE802.15.3标准定义的短帧间隔；(4)正在发送或者转发应用数据帧的设备在接收到“提前结束”信息后，再发送一个应用数据帧并附带“发送结束”信息；(5)转发设备在接收到来自上一设备发送的附带了“发送结束”信息的应用数据帧后，发送应答帧，并开始转发缓存的第一个应用数据帧；(6)数据源设备在上述分配给从数据源设备到目的设备的应用数据流路由的总信道时间开始时刻无应用数据时，向路由的下一设备发送一个空数据帧，并附带“发送结束”信息；(7)转发设备在接收到附带“发送结束”信息的空数据帧后，发送应答帧，并转发空数据帧；(8)数据源设备或者转发设备在上述分配给从数据源设备到目的设备的应用数据流路由的总信道时间内发送附带有“发送结束”信息的应用数据帧或者空数据帧后，若没有接收到应答帧并检测到信道空闲，则重新发送最后一个应用数据帧或者空数据帧，直至接收到应答帧或用完总信道时间。
本发明提出的网状无线个域网中共路由设备的信道时间分配和使用方法，其优点是减少了已有方法的由保护间隔引起的时间开销和每一个信道时间分配结尾的带宽浪费，从而明显提高了信道利用率，尤其是对于无线网络计算机和无线呼叫中心等通信设备密集的网状无线个域网应用场合。
图1是网状个域网的结构示意图。
图2是已有的信道时间响应命令的结构示意图。
图3是根据本发明的信道时间分配和使用方法的消息序列图。
图4是根据本发明方法附加到已有的信道时间响应命令中的字段图。
图5是共路由设备根据已有信道时间分配和使用方法传送应用数据帧的过程示意图。
图6是共路由设备根据本发明方法传送应用数据帧的过程示意图。
具体实施例方式
本发明提出的网状无线个域网中共路由设备的信道时间分配和使用方法，首先网状无线个域网中的协调器根据来自数据源设备的信道时间请求命令，计算从数据源设备到目的设备的应用数据流的路由；协调器根据上述路由生成信道时间响应命令，包含上述路由的共路由设备信息和路由各跳链路传输速率信息；协调器向数据源设备发送信道时间响应命令并由数据源设备将信道时间响应命令转发给其它共路由设备，或由协调器向共路由的所有设备广播信道时间响应命令；协调器在每一个定时周期的起始时刻计算分配给上述路由的总信道时间的起始时刻和持续长度信息，并将该信息向全网广播；网状无线个域网中的共路由设备在上述分配给路由的总信道时间内发送应用数据帧。
上述方法中，共路由设备在分配给路由的总信道时间内发送应用数据帧的方法，包括如下步骤(1)数据源或者转发设备在发送一个应用数据帧前，若满足I≥2且Ts(I)+Σi=1IΣp=1PT(i,p)<Trst,]]>则在发送当前应用数据帧后继续发送应用数据帧，若不满足，则发送当前应用数据帧，并附带“发送结束”信息，其中I为当前待发送的应用数据帧的编号，即当前待发送的应用数据帧为当前定时周期发送的第I个应用数据帧，Ts(I)数据源设备当前待发送的应用数据帧所需时间，P为转发设备总数，T(i，p)为第p个转发设备在转发数据源设备当前定时周期发送的第i个应用数据帧时所需时间，Trst为当前定时周期内分配给该路由的总信道时间的剩余时间；(2)在上述分配给从数据源设备到目的设备的应用数据流路由的总信道时间的起始时段，数据源设备发送应用数据帧；(3)第M个转发设备在接收来自上一设备的应用数据帧时，若满足2Tsifs+Tack+2Σp=MPTavg(p)+Σj=1JΣp=MPT′(j,p)+Σi=1IΣp=MPT(i,p)>Trst,]]>则在发送给上一转发设备的应答帧中附带“提前结束”信息，其中M为当前转发设备编号，即当前转发设备为第M个转发设备，P为转发设备总个数，I为转发设备在当前定时周期的上述分配给从数据源设备到目的设备的应用数据流路由的总信道时间内接收到的应用数据帧的个数，J为在当前定时周期前未转发给下一设备的剩余应用数据帧的个数，T′(j，p)为第p个转发设备转发第j个剩余应用数据帧所需时间，Tavg(p)为第p个转发设备在转发平均长度的应用数据帧时所需的时间，Tack为第M个转发设备发送应答帧给上一设备所需时间，Tsifs为IEEE 802.15.3标准定义的短帧间隔；(4)正在发送或者转发应用数据帧的设备在接收到“提前结束”信息后，再发送一个应用数据帧并附带“发送结束”信息；(5)转发设备在接收到来自上一设备发送的附带了“发送结束”信息的应用数据帧后，发送应答帧，并开始转发缓存的第一个应用数据帧；(6)数据源设备在上述分配给从数据源设备到目的设备的应用数据流路由的总信道时间开始时刻无应用数据时，向路由的下一设备发送一个空数据帧，并附带“发送结束”信息；(7)转发设备在接收到附带“发送结束”信息的空数据帧后，发送应答帧，并转发空数据帧；(8)数据源设备或者转发设备在上述分配给从数据源设备到目的设备的应用数据流路由的总信道时间内发送附带有“发送结束”信息的应用数据帧或者空数据帧后，若没有接收到应答帧并检测到信道空闲，则重新发送最后一个应用数据帧或者空数据帧，直至接收到应答帧或用完总信道时间。
以下结合附图，详细介绍本发明的内容图1是网状个域网的结构图。如图1所示，在网状无线个域网环境中，多个设备和一个协调器构成一个网状网络。协调器周期定时的向其它设备广播信道时间分配信息和同步信息。在该图中，数据源设备通过路由1与目的设备通信。路由1是由数据源设备、转发设备1、转发设备2、目的设备组成的3跳路由，其中转发设备1为第一个转发设备，即编号为1，转发设备2为第二个转发设备，即编号为2。因数据源设备、转发设备1、转发设备2、目的设备共同组成一个路由，它们被称为共路由设备。
图2是根据本发明方法的信道时间请求和路由建立过程的消息序列图。如图2所示，数据源设备向协调器发送信道时间请求命令。如果当前带宽资源足够，协调器将计算路由并将信道时间响应命令(如图3所示)发送给数据源设备，数据源设备进一步将信道时间响应命令转发给路由上的其它设备包括转发设备1、转发设备2和目的设备。从协调器发送给数据源设备的信道时间响应命令是根据IEEE 802.15.3x标准的信道时间响应命令，其中将路由信息附加到信道时间响应命令的末端。也就是说，将如图4所示的字段附加到现有信道时间响应命令的末端。协调器以一定时周期广播分配给路由1的信道时间分配信息。路由1的共路由设备在分配给路由1的信道时间内将应用数据帧从数据源设备传送到目的设备。
图5是共路由设备根据已有信道时间分配和使用方法传送应用数据帧的过程示意图。如图5所示，协调器为路由上的每一跳分配了一份信道时间，相邻的信道时间之间用保护间隔隔开，以避免相邻的信道时间分配内的帧发送冲突。在分配给第一跳的信道时间内，数据源设备发送了2个应用数据帧给转发设备1，其后数据源设备检测到剩余信道时间不足，停止发送数据并等待下一个定时周期内的信道时间分配。转发设备1在分配给第二跳的信道时间内将接收到的两个应用数据帧转发给转发设备2，转发设备2再在分配给第三跳的信道内将这两个应用数据帧转发给目的设备。由于分配给相邻跳的信道时间不能共享，造成了分配给每一跳的信道时间都存在结尾浪费。同时，相邻跳之间插入保护间隔也造成了信道时间的浪费。
图6(a)(b)(c)是共路由设备根据本发明方法传送应用数据帧的过程示意图。如图6(a)所示，在定时周期#M中，数据源设备首先发送数据。在发送第3个应用数据帧时，数据源设备发现不能发送更多数据，于是在第3个应用数据帧中附带“发送结束”信息。转发设备1在接收到“发送结束”信息后开始转发应用数据帧。转发设备2接收到来自转发设备1的第二个应用数据帧后发现剩余信道时间不足，于是在应答帧中附带“提前结束”信息，于是转发设备1发送最后一个数据帧并附带“发送结束”信息。接收到附带“发送结束”信息的应用数据帧后，转发设备2开始向目的设备转发数据帧。当转发设备2转发完数据两个应用数据帧后发现信道时间不足，于是停止继续发送数据。在定时周期#M+1(如图6(b))中的路由1的信道时间内，由于转发设备2在定时周期#M内剩下一个应用数据帧没有发送，于是在转发设备1发送了一个应用数据帧后，转发设备2就发现信道时间不足并发送了附带“提前结束”信息的应答帧，于是转发设备2在定时周期#M+1中得以转发3个应用数据帧给目的设备。在定时周期#M+2中(如图6(c))，由于转发设备1在定时周期#M+1有一个应用数据帧没有及时转发，在接收了来自数据源设备的两个应用数据帧后，发现信道时间不足，于是发送了附带“提前结束”信息的应答帧。当定时周期#M+1结束后，转发设备1和转发设备2各剩余一个应用数据帧没有及时转发。可以想象在某一个定时周期，如果转发设备1在上一定时周期剩余一个应用数据帧没有及时转发，则数据源设备将只能发送2个应用数据帧给转发设备1，于是转发设备1和转发设备2都有更多机会转发应用数据帧以减少各自缓存的应用数据帧的个数。在这种动态调整的机制下，无论无线信道的状态如何变化，每一个共路由设备都有足够的应用数据帧可以发送，从而避免了信道时间的浪费。
数据源设备在接收到“提前结束”信息后，发送最后一个数据帧即图6(b)中数据帧5并附带“发送结束”信息。于是在图6(b)中转发设备2获得了更多的信道时间，它转发了3个数据帧给目的设备。
比较图6(a)(b)(c)和图5，可以看出在本例中，已有方法在一个定时周期内分配给路由1的总信道时间内只能发送6次数据帧，而本发明的共路由设备信道时间分配和使用方法能够发送8次数据帧。因此，在图5和图6(a)(b)(c)的示例中本发明的的方法比已有方法提高吞吐量1/3。
如前所述，根据本发明，协调器将向一个流分配所在的路由分配一个总信道时间，所分配的信道时间被共路由的所有设备动态共享使用，结果是有效提高了信道利用率。
此外，本发明方法可以应用到包括无线个域网和其它形式的多跳无线网络。
本发明方法中的无线网状个域网，遵循IEEE 802.15.3x标准信道接入方式，并扩展了IEEE 802.15.5网状网功能。
权利要求
1.一种网状无线个域网中共路由设备的信道时间分配和使用方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)网状无线个域网中的协调器根据来自数据源设备的信道时间请求命令，计算从数据源设备到目的设备的应用数据流的路由；(2)协调器根据上述路由生成信道时间响应命令，包含上述路由的共路由设备信息和各跳链路传输速率信息；(3)协调器向数据源设备发送信道时间响应命令并由数据源设备将信道时间响应命令转发给其它共路由设备，或由协调器向共路由的所有设备广播信道时间响应命令；(4)协调器在每一个定时周期的起始时刻计算分配给上述路由的总信道时间的起始时刻和持续长度信息，并将该信息向全网广播；(5)网状无线个域网中的共路由设备在上述分配给路由的总信道时间内发送应用数据帧。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于共路由设备在分配给路由的总信道时间内发送应用数据帧的方法，包括如下步骤(1)数据源或者转发设备在发送一个应用数据帧前，若满足I≥2且Ts(I)+Σi=1IΣp=1PT(i,p)<Trst,]]>则在发送当前应用数据帧后继续发送应用数据帧，若不满足，则发送当前应用数据帧，并附带“发送结束”信息，其中I为当前待发送的应用数据帧的编号，Ts(I)数据源设备当前待发送的应用数据帧所需时间，P为转发设备总数，T(i，p)为第p个转发设备在转发数据源设备当前定时周期发送的第i个应用数据帧时所需时间，Trst为当前定时周期内分配给该路由的总信道时间的剩余时间；(2)在上述分配给从数据源设备到目的设备的应用数据流路由的总信道时间的起始时段，数据源设备发送应用数据帧；(3)第M个转发设备在接收来自上一设备的应用数据帧时，若满足2Tsifs+Tack+2Σp=MPTavg(p)+Σj=1JΣp=MPT′(j,p)+Σi=1IΣp=MPT(i,p)>Trst,]]>则在发送给上一转发设备的应答帧中附带“提前结束”信息，其中M为当前转发设备编号，P为转发设备总个数，I为转发设备在当前定时周期的上述分配给从数据源设备到目的设备的应用数据流路由的总信道时间内接收到的应用数据帧的个数，J为在当前定时周期前未转发给下一设备的剩余应用数据帧的个数，T′(j，p)为第p个转发设备转发第j个剩余应用数据帧所需时间，Tavg(p)为第p个转发设备在转发平均长度的应用数据帧时所需的时间，Tack为第M个转发设备发送应答帧给上一设备所需时间，Tsifs为IEEE802.15.3标准定义的短帧间隔；(4)正在发送或者转发应用数据帧的设备在接收到“提前结束”信息后，再发送一个应用数据帧并附带“发送结束”信息；(5)转发设备在接收到来自上一设备发送的附带了“发送结束”信息的应用数据帧后，发送应答帧，并开始转发缓存的第一个应用数据帧；(6)数据源设备在上述分配给从数据源设备到目的设备的应用数据流路由的总信道时间开始时刻无应用数据时，向路由的下一设备发送一个空数据帧，并附带“发送结束”信息；(7)转发设备在接收到附带“发送结束”信息的空数据帧后，发送应答帧，并转发空数据帧；(8)数据源设备或者转发设备在上述分配给从数据源设备到目的设备的应用数据流路由的总信道时间内发送附带有“发送结束”信息的应用数据帧或者空数据帧后，若没有接收到应答帧并检测到信道空闲，则重新发送最后一个应用数据帧或者空数据帧，直至接收到应答帧或用完总信道时间。
全文摘要
本发明涉及一种网状无线个域网中共路由设备的信道时间分配和使用方法，属于数字通信技术领域。本发明方法为协调器根据来自数据源设备的信道时间请求命令，计算应用数据流的路由，并根据上述路由生成信道时间响应命令，其中包含上述路由的共路由设备信息和各跳链路速率信息；协调器向数据源设备发送信道时间响应命令并由数据源设备将其转发给其它共路由设备，或由协调器向共路由的所有设备广播信道时间响应命令；协调器在每一个定时周期的起始时刻计算分配给上述路由的总信道时间的起始时刻和持续长度信息，并将该信息向全网广播；共路由设备在上述分配给路由的总信道时间内发送应用数据帧。本发明方法较已有方法明显提高了信道的利用率。
文档编号H04L12/56GK1747373SQ20051009834
公开日2006年3月15日 申请日期2005年9月9日 优先权日2005年9月9日
发明者陆建华, 陈曦 申请人:清华大学