专利名称：一种分布式非协作网格网络中数据发送方法、系统及节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种分布式非协作网格网络中数据发送方法、系统及节点。
背景技术：
IEEE 802.16标准是针对带宽无线接入城域网(BWA-MAN，BroadbandWireless Access Metropolitan Area Network)的空中接口协议。它对点到多点宽带无线接入系统的媒体接入控制层和物理层进行了规范，提供了传输数据、视频和语音服务的能力。标准规定物理层采用正交频分复用(OFDM)或是单载波(SC)机制，可以支持28MHz信道上134Mbit/s数据传输速率。
802.16媒体接入控制(MAC)层支持两种网络模式点到多点(PMP，Point to Multi Point)模式和多点到多点(Mesh，multipoint-to-multipoint)模式。在PMP模式中，节点的组织类似于蜂窝网络结构，包括一个基站(BS)和用户节点(SS)。SS之间不能直接传输数据，必须通过BS转发。在Mesh模式中，所有节点是同等的，SS之间可以直接多跳传输数据，每个SS不但可以收发数据包，还可以作为中继传输邻居SS的数据包。Mesh网络以移动Ad hoc对等网络的形式出现，满足军事通信中对于宽带数据传输、支持端到端IP、支持语音和视频信息、支持不采用全球定位系统(GPS，Global PositioningSystems)但同样可达相应精确度的定位要求。
在Mesh模式中，没有明确的区分上行连接和下行连接，每个SS可以和其他SS创建直接的通信连接。IEEE 802.16规定了两种数据包传输调度机制集中调度和分布式调度。集中调度机制中，有一个类似簇头的BS，管理SS如何在不同时隙中共享信道。它的功能类似于PMP模式中的BS，主要的不同点是在Mesh模式中，所有的SS可以和其他的SS建立直接的连接，需要建立SS和BS之间的直接连接。连接上的所有通信由BS来集中管理。
分布式调度机制中，没有类似于BS的集中调度控制，每个SS发送自己的调度信息给邻居节点，并通过自身两跳范围内节点的调度信息来选择带宽接入信道，实现数据无碰撞地传输。分布式调度又分为协作方式和非协作方式。协作方式中，节点通过使用每个帧中一段或全部控制部分，有规则、无竞争地传输自己的调度信息。非协作方式中，节点需要通过竞争方式来发送调度信息，从而实现数据的无碰撞传输。
IEEE 802.16网络的结构分类如图1所示。
IEEE 802.16分布式非协作Mesh网络的MAC层采用的是时分多址(TDMA)方式，时分双工(TDD)模式，所有控制信令和数据包的发送都按时隙发送。这种多址方式能保证传输时延，支持面向连接的服务，也是系统提供服务质量(QoS)和差异化服务、带宽的动态分配的基础。
IEEE 802.16分布式非协作Mesh网络中标准的调度方法中，控制消息和数据包的发送分配在不同的时隙段进行，数据包发送时隙的分配必须通过控制消息的交换来确定，这样可以避免数据包的碰撞。
Mesh帧结构分成控制子帧和数据子帧两部分，帧结构如图2所示。控制子帧分网络控制子帧和调度控制子帧两种。前者负责创建和维持不同系统之间的结合，后者负责协作数据传输的调度。数据子帧紧跟在控制子帧后面，并分成许多个时隙带宽。标准将调度消息定义为MSH-DSCH，所有的调度命令以及邻居节点的带宽分配情况都在MSH-DSCH消息中发送。
在分布式非协作Mesh网络中，由于缺少BS的中心控制，所以每个要发送数据包的SS必须先通过竞争来发送控制消息，从而来获得数据包的具体发送时隙。如果某个SS竞争获胜，就可在当前的时隙广播其控制消息；如果失败，则必须等到下一个传输时隙继续参与竞争。该方案采用了“请求/授权/确认”三次握手过程来完成连接的建立，握手协议如图3所示。
请求节点A发送“请求”消息给接收节点B，B收到消息后，返回一个“授权”消息，该消息包括节点B可以提供的全部或者部分空余的带宽时隙，由于消息是以广播形式发送，节点B的邻居节点都能收到该请求，并认为B的这些带宽时隙已经被占用。节点A收到“授权”消息后，即获得了数据发送的具体带宽时隙，然后还要广播一个“确认”消息，该消息中包含了一个“授权”消息的副本，告知所有A的邻居节点不可占用A已经分配了的带宽时隙。通过这种方式，所有A和B的邻居节点都能及时更新数据子帧的分配信息，避免重复利用，也就避免了数据包发送的冲突，实现数据包无碰撞地发送和接收。
上述方案中，所有的请求、授权和确认消息都包含在MSH-DSCH消息中发送。因此每个SS需要通过竞争来发送MSH-DSCH包，然后通过三次握手协议，与目的节点达成数据包发送的具体时隙带宽，并告知邻居节点不得占用已分配的时隙带宽，实现无碰撞地发送接收。
上述方案中，对于带宽请求，当SS竞争到时隙发送MSH-DSCH消息时，并没有判断网络的负荷情况，而不管网络是空闲还是繁忙，通常都试图请求实际的也就是最大的带宽时隙来发送数据包，这样，当信道比较繁忙时，获得带宽的SS会容易“长期”霸占信道，这样就有可能造成节点获得带宽的公平性很差。
发明内容
本发明提供一种分布式非协作网格网络中数据发送方法、系统及节点，用以解决现有技术中存在的在节点数据发送中，数据发送带宽固定，造成系统资源浪费的问题。
本发明方法包括一种分布式非协作网格网络中数据发送方法，包括A、第一节点发送带宽请求，获取数据发送权；B、根据与阈值比较结果确定当前网络资源使用状况，并根据所述网络资源使用状况确认本次数据发送使用带宽；C、第一节点按照所述带宽，将数据发送至第二节点。
所述步骤B，进一步包括将本次第一节点获取数据发送权所用请求次数与第一节点获取数据发送权所用平均次数作比较，如果两者比值小于第一阈值，则为所述第一节点分配第一带宽，如果两者比值大于第二阈值，则为所述第一节点分配第二带宽。
所述步骤B，进一步包括所述第一阈值为50％，所述第一带宽为可分配带宽的最大值；所述第二阈值为150％，所述第二带宽为可分配带宽的最小值。
所述步骤B，采用如下公式为第一节点分配带宽B=Bmaxn/n′≤0.5(Bmax+Bmin)/20.5<n/n′<1.5Bminn/n′≥1.5]]>其中，B是本次为所述第一节点分配的带宽，Bmax为可分配带宽的最大值，Bmin为可分配带宽的最小值，n为本次第一节点获取数据发送权所用请求次数，n’为第一节点获取数据发送权所用平均次数。
所述步骤B，采用如下公式为第一节点分配带宽B=Bmaxn/n′≤0.5Bmin+(Bmax-Bmin)(1.5-n/n′)0.5<n/n′<1.5Bminn/n′≥1.5]]>其中，B是本次为所述第一节点分配的带宽，Bmax为可分配带宽的最大值，Bmin为可分配带宽的最小值，n为本次第一节点获取数据发送权所用请求次数，n’为第一节点获取数据发送权所用平均次数。
本发明系统包括一种分布式非协作网格网络中数据发送系统，包括第一节点和第二节点，所述第一节点向第二节点发送数据，还包括带宽请求发送单元，位于所述第一节点，用于发送带宽请求；
网络资源使用状况确认单元，位于所述第一节点，根据与阈值比较结果确定当前网络资源使用状况；使用带宽确认单元，位于所述第一节点，用于根据所述网络资源使用状况确认单元的确认结果，确认本次数据发送使用带宽；数据发送单元，位于所述第一节点，用于根据所述使用带宽确认单元的确认的本次数据发送使用带宽，将数据发送至第二节点。
所述的系统，还包括比较单元，位于所述网络资源使用状况确认单元，用于将本次第一节点获取数据发送权所用请求次数与第一节点获取数据发送权所用平均次数作比较，确认当前网络资源使用状况；如果两者比值小于第一阈值，所述使用带宽确认单元为所述第一节点分配第一带宽，如果两者比值大于第二阈值，则所述使用带宽确认单元为所述第一节点分配第二带宽。
本发明节点包括一种分布式非协作网格网络中数据发送节点，包括带宽请求发送单元，用于发送带宽请求；网络资源使用状况确认单元，根据与阈值比较结果确定当前网络资源使用状况；使用带宽确认单元，用于根据所述网络资源使用状况确认单元的确认结果，确认本次数据发送使用带宽；数据发送单元，用于根据所述使用带宽确认单元的确认的本次数据发送使用带宽，将数据发送至其他节点。
所述的节点，还包括比较单元，位于所述网络资源使用状况确认单元，用于将本次节点获取数据发送权所用请求次数与节点获取数据发送权所用平均次数作比较，确认当前网络资源使用状况；
如果两者比值小于第一阈值，所述使用带宽确认单元为所述节点分配第一带宽，如果两者比值大于第二阈值，则所述使用带宽确认单元为所述节点分配第二带宽。
本发明有益效果如下本发明通过在节点申请数据发送权后，对当前网络资源使用状况进行判断，根据判断的结果可以灵活设置节点发送数据时使用的带宽，合理利用系统资源，防止有些节点霸占信道导致其他节点无法及时获得带宽而增大延迟，增加节点接入信道的公平性。
图1为现有技术中IEEE 802.16网络的结构分类图；图2为现有技术中Mesh网络使用的帧结构示意图；图3为现有技术中节点发送数据的三次握手协议示意图；图4为本发明的流程示意图；图5为本发明带宽分配的流程示意图；图6为本发明实施例的网络拓扑图；图7为本发明实施例节点A向节点D发送数据的示意图；图8为本发明实施例节点A、B同时向节点D发送数据的示意图；图9为本发明实施例节点A、B、C同时向节点D发送数据的示意图；图10为本发明分布式非协作网格网络中数据发送系统结构示意图。
具体实施例方式
下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式
。
本发明针对分布式非协作Mesh网络，基于竞争请求模式，提出了新的数据发送方法，防止有些节点霸占信道导致其他节点无法及时获得带宽而增大延迟，增加节点接入信道的公平性。
如图4所示，是本发明的流程示意图，从图中可见，主要包括以下步骤S401、第一节点发送带宽请求，获取数据发送权；当第一节点想要向第二节点发送数据时，第一节点需要向系统发送带宽请求以获取数据发送权。由于存在竞争机制，可能同时有多个节点竞争该数据发送权，因此，第一节点获取数据发送权可能不是发送一次带宽请求就可以成功的，有可能发送多次带宽请求才获得该数据发送权。
S402、根据与阈值比较结果确定当前网络资源使用状况，并根据所述网络资源使用状况确认本次数据发送使用带宽；该步骤中首先确认当前网络资源使用状况，然后根据该使用状况为第一节点分配相应的发送数据使用带宽。
考虑到一个节点发送带宽请求的失败次数，在一定程度上反映了信道的繁忙状况，即网络的负荷情况。为了对节点获得带宽时隙状况进行估计，本发明方案可以采用对节点竞争失败次数进行计数的方法。通过对节点请求带宽失败次数的统计，来确定网络的繁忙情况，从而动态调整请求时隙带宽的大小。
在第一节点请求带宽时，对其请求带宽失败次数进行统计，从发起带宽请求到获取数据发送权，总共发起的带宽请求次数记为该次带宽请求的次数。通过该次带宽请求次数与平均带宽请求次数比较，来估计网络当时的繁忙情况，如果该次请求次数与平均请求次数比高于某个阈值，则认为网络繁忙；如果该次请求次数与平均请求次数比低于某个阈值，则认为网络空闲。
当信道比较空闲时，节点可以一次请求较多的带宽时隙；当信道竞争比较激烈时，节点可以一次请求较少的带宽时隙。
将一个节点在历次竞争周期中的带宽请求消息平均数记为n’，本次竞争周期中的带宽请求消息数记为n，一次分配的带宽最大值记为Bmax，最小值记为Bmin，n’初值取1，可以给出计算历次竞争失败平均带宽请求次数统计式n′←(n′+n)/2 (1)分析n’、n对信道做出估计，当n/n’＞1.5时，当前周期带宽请求消息失败次数比历次竞争周期中的带宽请求消息平均数高出50％，可以认为信道转入繁忙；当n/n’＜0.5，当前周期带宽请求消息失败次数比历次竞争周期中的带宽请求消息平均数降低50％，可以认为信道转入空闲。
根据当前信道繁忙状态，动态分配节点单次发送数据的时隙带宽，可以使用如下公式B=Bmaxn/n′≤0.5(Bmax+Bmin)/20.5<n/n′<1.5Bminn/n′≥1.5---(2)]]>公式(2)表述了在一次成功获得分配带宽的机会后，如果信道转为空闲，则分配给最大的带宽；如果信道转为繁忙，则带宽分配选择最小值，即1个时隙单位；否则，选择一个中间值。
还可以使用如下公式B=Bmaxn/n′≤0.5Bmin+(Bmax+Bmin)(1.5-n/n′)0.5<n/n′<1.5Bminn/n′≥1.5---(3)]]>公式(3)表述了在成功获得分配带宽的机会后，根据当前信道繁忙状态，动态调整分配的带宽。即在一个成功的竞争周期内，信道空闲时，一次分配较大的带宽，信道繁忙时，一次分配较少的带宽，这样有利于其他节点公平占用信道。
上述公式(2)和公式(3)中，所使用的各个阈值，不一定局限于所给出的50％和150％，可以根据系统的具体情况而定，比如可以是40％和160％等，可以灵活设定。
S403、第一节点使用所述带宽，将数据发送至第二节点。
第一节点根据步骤S402中确认的本次发送数据使用带宽，进行数据发送。
通过上述方案，可以灵活设置节点发送数据时使用的带宽，合理利用系统资源，防止有些节点霸占信道导致其他节点无法及时获得带宽而增大延迟，增加节点接入信道的公平性。
如图5所示，是一个带宽分配的流程示意图。从图中可见，该流程中通过统计节点带宽请求失败次数，判断出网络当前资源使用状况，并根据网络当前资源使用状况，为该节点分配相应的带宽，以合理使用系统资源，减轻系统负担。
下面看一个具体实施例，在基于802.16分布式非协作Mesh网络中，为便于分析，我们对网络作如下简化(1)假定有网络拓扑如图6所示的4个节点A、B、C、D，每个节点都在其他节点的传输范围内，即同一时刻4个节点中只能有一个节点发送数据。4个节点彼此发送数据，需要通过竞争来获得发送控制信息的时隙。
(2)每帧有1个控制时隙，4个数据时隙。
(3)每个节点最大申请8个时隙带宽，即Bmax＝8；最小申请1个时隙带宽，即Bmin＝1。
(4)4个节点互相平等，竞争机会均等。
在节点发送数据时，分为如下情况(1)节点A向节点D发送数据如图7所示，当只有节点A向节点D请求发送数据时，A在t1时刻发起请求，由于只有一个节点竞争请求，因此竞争成功，即nA＝0，nA’＝(0+1)/2＝0.5，nA/nA’＝0＜0.5，根据步骤S402中给出的方案，请求最大带宽BA＝Bmax＝8，A与D进行三次握手过程后在t3时刻发送数据，此后继续竞争请求。
(2)节点A、B同时向节点D发送数据如图8所示，当节点A、B同时向D发送数据时，A和B在t1时刻竞争请求，通过竞争，A获胜，发起带宽请求，nA＝0，nA’＝(0+1)/2＝0.5，nA/nA’＝0＜0.5，根据该方法，请求最大带宽BA＝Bmax＝8。由于B竞争失败，nB＝1。通过三次握手过程，A在t3时刻发送数据。
在t4时刻，节点B竞争到控制时隙，发起带宽请求，nB＝1，nB’＝(1+1)/2＝1，0.5＜nB/nB’＝1＜1.5，根据上面步骤S402中给出的方案，请求带宽BB＝(Bmax+Bmin)/2＝4.5，取BB＝4。通过三次握手过程，节点B在t6时刻发送数据。
在t7时刻，节点A和B同时又发起竞争请求，继续数据发送。
(3)节点A、B、C同时向节点D发送数据如图9所示，节点A、B和C同时向D发送数据时，A、B和C在t1时刻竞争请求，通过竞争，A获胜，发起带宽请求，nA＝0，nA’＝(0+1)/2＝0.5，nA/nA’＝0＜0.5，根据该方法，请求最大带宽BA＝Bmax＝8。B和C竞争失败，nB＝nC＝1。通过三次握手过程，A在t3时刻发送数据。
在t4时刻，节点B和C继续竞争控制时隙，节点B竞争获胜，发起带宽请求，nB＝1，nB’＝(1+1)/2＝1，0.5＜nB/nB’＝1＜1.5，根据该方法，请求带宽BB＝Bmax/2＝4。通过三次握手过程，节点B在t6时刻发送数据。节点C竞争失败，nC＝2。
在t6时刻，节点A和B发送完数据，继续和C竞争控制时隙，通过竞争，节点B获胜，发起带宽请求，nB＝0，nB’＝(0+1)/2＝0.5，nB/nB’＝0＜0.5，根据该方法，请求带宽BB＝Bmax＝8。通过三次握手过程，节点B在t9时刻发送数据。节点A和C竞争失败，nA＝1，nC＝3。
在t10时刻，节点A和C竞争控制时隙，节点C竞争获胜，发起带宽请求，nC＝3，nB’＝(3+1)/2＝2，nC/nC’＝1.5≥1.5，根据该方法，请求最小的带宽BB＝Bmin＝1。通过三次握手过程，节点C在t12时刻发送数据。节点A竞争失败，nA＝2，此后继续往复进行。
如图10所示，是本发明一种分布式非协作网格网络中数据发送系统的结构示意图，从图中可见，该系统包括第一节点110和第二节点120，所述第一节点110向第二节点120发送数据，该系统还包括带宽请求发送单元111，位于所述第一节点110，用于发送带宽请求；网络资源使用状况确认单元112，位于所述第一节点110，根据与阈值比较结果确定当前网络资源使用状况；使用带宽确认单元113，位于所述第一节点110，用于根据所述网络资源使用状况确认单元的确认结果，确认本次数据发送使用带宽；数据发送单元114，位于所述第一节点110，用于根据所述使用带宽确认单元的确认的本次数据发送使用带宽，将数据发送至第二节点120。
上述系统的网络资源使用状况确认单元还包括比较单元1121，位于所述网络资源使用状况确认单元112，用于将本次第一节点110获取数据发送权所用请求次数与第一节点110获取数据发送权所用平均次数作比较，确认当前网络资源使用状况；如果两者比值小于第一阈值，所述使用带宽确认单元113为所述第一节点110分配第一带宽，如果两者比值大于第二阈值，则所述使用带宽确认单元113为所述第一节点110分配第二带宽。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种分布式非协作网格网络中数据发送方法，其特征在于，包括A、第一节点发送带宽请求，获取数据发送权；B、根据与阈值比较结果确定当前网络资源使用状况，并根据所述网络资源使用状况确认本次数据发送使用带宽；C、第一节点按照所述带宽，将数据发送至第二节点。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B，进一步包括将本次第一节点获取数据发送权所用请求次数与第一节点获取数据发送权所用平均次数作比较，如果两者比值小于第一阈值，则为所述第一节点分配第一带宽，如果两者比值大于第二阈值，则为所述第一节点分配第二带宽。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤B，进一步包括所述第一阈值为50％，所述第一带宽为可分配带宽的最大值；所述第二阈值为150％，所述第二带宽为可分配带宽的最小值。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤B，采用如下公式为第一节点分配带宽B=Bmaxn/n′≤0.5(Bmax+Bmin)/20.5<n/n′<1.5Bminn/n′≥1.5]]>其中，B是本次为所述第一节点分配的带宽，Bmax为可分配带宽的最大值，Bmin为可分配带宽的最小值，n为本次第一节点获取数据发送权所用请求次数，n’为第一节点获取数据发送权所用平均次数。
5.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤B，采用如下公式为第一节点分配带宽B=Bmaxn/n′≤0.5Bmin+(Bmax-Bmin)(1.5-n/n′)0.5<n/n′<1.5Bminn/n′≥1.5]]>其中，B是本次为所述第一节点分配的带宽，Bmax为可分配带宽的最大值，Bmin为可分配带宽的最小值，n为本次第一节点获取数据发送权所用请求次数，n’为第一节点获取数据发送权所用平均次数。
6.一种分布式非协作网格网络中数据发送系统，包括第一节点和第二节点，所述第一节点向第二节点发送数据，其特征在于，还包括带宽请求发送单元，位于所述第一节点，用于发送带宽请求；网络资源使用状况确认单元，位于所述第一节点，根据与阈值比较结果确定当前网络资源使用状况；使用带宽确认单元，位于所述第一节点，用于根据所述网络资源使用状况确认单元的确认结果，确认本次数据发送使用带宽；数据发送单元，位于所述第一节点，用于根据所述使用带宽确认单元的确认的本次数据发送使用带宽，将数据发送至第二节点。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括比较单元，位于所述网络资源使用状况确认单元，用于将本次第一节点获取数据发送权所用请求次数与第一节点获取数据发送权所用平均次数作比较，确认当前网络资源使用状况；如果两者比值小于第一阈值，所述使用带宽确认单元为所述第一节点分配第一带宽，如果两者比值大于第二阈值，则所述使用带宽确认单元为所述第一节点分配第二带宽。
8.一种分布式非协作网格网络中数据发送节点，其特征在于，包括带宽请求发送单元，用于发送带宽请求；网络资源使用状况确认单元，根据与阈值比较结果确定当前网络资源使用状况；使用带宽确认单元，用于根据所述网络资源使用状况确认单元的确认结果，确认本次数据发送使用带宽；数据发送单元，用于根据所述使用带宽确认单元的确认的本次数据发送使用带宽，将数据发送至其他节点。
9.如权利要求8所述的节点，其特征在于，还包括比较单元，位于所述网络资源使用状况确认单元，用于将本次节点获取数据发送权所用请求次数与节点获取数据发送权所用平均次数作比较，确认当前网络资源使用状况；如果两者比值小于第一阈值，所述使用带宽确认单元为所述节点分配第一带宽，如果两者比值大于第二阈值，则所述使用带宽确认单元为所述节点分配第二带宽。
全文摘要
本发明公开了一种分布式非协作网格网络中数据发送方法、系统及节点。该方法包括A.第一节点发送带宽请求，获取数据发送权；B.根据与阈值比较结果确定当前网络资源使用状况，并根据所述网络资源使用状况确认本次数据发送使用带宽；C.第一节点按照所述带宽，将数据发送至第二节点。本发明通过在节点申请数据发送权后，对当前网络资源使用状况进行判断，根据判断的结果可以灵活设置节点发送数据时使用的带宽，合理利用系统资源，防止有些节点霸占信道导致其他节点无法及时获得带宽而增大延迟，增加节点接入信道的公平性。
文档编号H04Q7/38GK101064640SQ20061007902
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月30日 优先权日2006年4月30日
发明者冯军焕, 虞凯, 范平志, 魏岳军 申请人:华为技术有限公司, 西南交通大学