专利名称：对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留系统及方法
对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留系统及方法技术领域
本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留系统及方法。
背景技术：
无线网状网(又称为无线Mesh网络)是融合了移动Ad hoc网络和有基础设施网络结构的以无线多跳中继为特征的网络。无线网状网在网络拓扑上与移动Ad hoc网络相似，但网络大多数节点处于静止或弱移动状态，拓扑变化较小；业务模式的差异是无线网状网和移动Ad hoc网络的最大区别，移动Ad hoc网络承载的是任意一对节点之间的业务流， 而无线网状网主要承载来往于hternet网关的业务，少量承载任意一对节点之间的业务流。无线网状网在宽带接入、提高网络覆盖、低成本构建等方面具有独特的优势，被认为是下一代因特网的无线版本，也被认为是构建B3G/4G的潜在技术之一。
资源预留是有效保障网络QoS的关键技术。由于无线传播的开放性带来不可消除的无线干扰，同时互不交迭信道数量有限，普遍认为以无线多跳为特征的网络难以承受传统资源预留协议(RSVP)对其有限信道资源的消耗，信道资源预留一直是包括无线网状网在内的无线多跳网络的研究难题。
信道资源预留通常看成是在节点射频接口对信道的使用时间进行预留。无线网状网和移动ad hoc网络中相关研究不多，目前主要有以下三种实现方法。
①MACAA3R中采用的是实时接续的预留方法。首先采用RTS/CTS为第一个数据分组沿其通过的路径做出预留，然后每个发送的数据分组中都包含下一个数据分组发送时间以便告知相关节点更新预留。MACA/ra中预留机制要求最小同步，网络中每个节点建立一个预留表且需要频繁的预留表交互，预留的灵活性较小且容易降低局部网络的通信效率。
②INSIGNIA带内信令系统先对路径中的每一跳分别进行时隙预留，然后采用具有自适应功能的软状态资源管理方法快速响应形成端到端的时隙预留。虽然，INSIGNIA中自适应服务能够在网络资源变成有效可用时从最小带宽保障变成最大，预留的灵活性好， 但是需要复杂的自适应计算和频繁的带内信令交互。
③Carlson等人为无线网状网提出的分布式端到端时隙预留(DARE，Distributed end-to-end Allocation of time slots for Real-time traffic)协议先用预留请求消息 (RTR,Request-to-Reserve)通知沿途节点预留时间片段和时隙周期，然后相应节点周期性地使用预留的时间片段。DARE的缺点是要求严格的网络同步，而且基于冲突的DCF机制与 DARE混合使用难以达到预期效果。
传统资源预留方法难以用于无线多跳网络的主要原因是为了防止预留路径中数据传输受到周围节点的干扰破坏而对邻近节点的数据传输进行抑制，从而造成网络效率低下。近年来提出的资源预留方法通常要求严格的网络同步，这对于较大规模的无线多跳网络是难以实现的。现有资源预留研究普遍存在两个不足，一个是在仿真验证环境中对信道干扰的考虑还不够充分，另一个是没有充分利用多个信道资源的优势。
严军荣等人根据无线网状网流量呈现树状拓扑汇聚的特点在数据链路层提出无线链路干扰分析模型，把全方向的无线干扰转化为有特定方向的无线链路干扰。如图1示意，在典型的无线网状网骨干网拓扑中节点S是与hternet相连的根节点，网络业务流向节点S汇聚。为便于表示，假设相邻两个节点间虚线长度恰好为单跳最大数据传输距离Rt。 在相同信道下，假设其中任意节点对G和L通信，即链路GL占用信道，此时周围的链路受到干扰而不能再占用信道。但是干扰对不同链路造成的后果却是不一样的，由此可以把干扰分类为纵向干扰和横向干扰。纵向干扰是指链路GL占用信道时，对其上一跳链路(CG、DG、 DH、HE等)和下一跳链路(KP、KQ、LQ、LR等)造成的干扰，又可称为多跳干扰。横向干扰是指链路GL占用信道时，对与其平行链路(Π(、GK、HL、HM等)造成的干扰，又可称为单跳干扰。纵向(多跳)干扰可看作是同一业务流内干扰，横向(单跳)干扰则是不同业务流间平行干扰。采用OPNET仿真可验证纵向干扰比横向干扰对网络性能影响的要大得多，纵向干扰是无线网状网中最严重的干扰。
在此基础上，以多跳链路中的单跳作为最小分割单位对无线网络状网的拓扑进行分割，如图2示意。于是，无线网状网中需要资源预留的路径是沿着其纵向干扰方向逐跳穿越拓扑子图的曲线段。由此，可以把信道资源预留问题转化为如何为这条曲线段临时分配信道的问题。发明内容
本发明所要解决的技术问题是在无线链路干扰模型和网络拓扑分割策略的基础上提供一种对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留系统及方法。
本发明采取以下技术方案对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留系统， 其包括生成及发送模块、预留转发模块、预留接收模块。
生成及发送模块用于控制源节点在公共信道中向目的节点路径方向的下一跳节点发送预留请求RTR ；预留请求的消息包括可预留的信道、估计占用预留信道的持续时间、 本次RTR消息的NAV值、目的节点的地址。
预留转发模块要预留路径的中间节点收到上一跳节点的RTR消息后，分两种情形处理一种是可以应答预留请求，则该节点在其预留表中增加一个记录，并把该记录状态设为“初步”，接着在公共信道向发送RTR消息的节点返回ACK确认消息，同时把预留射频接口切换到预留信道，然后再转发RTR消息至下一跳节点，直至目的节点；另一种是不能应答预留请求，则该节点不再转发RTR消息，而是在公共信道向发送RTR消息的节点返回NAK否认消息，收到NAK的节点利用已预留的信道向其上一跳节点(反向)发送否定预留NTR信息，该NTR信息返回源节点，同时删除沿途节点预留表中的记录。
预留接收模块目的节点收到RTR后，在其预留表中增加一个记录并把该记录状态设为“准备”；把预留射频接口切换到预留信道，同时产生一个准许预留CTR消息，并沿着反向预留路径传递CTR ；沿途的中间节点收到并转发CTR消息，把记录状态由“初步”改为 “准备”；最后，源节点收到CTR消息，此时建立预留的工作完成。
本发明对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留方法，其按如下步骤
①源节点在公共信道中向目的节点路径方向的下一跳节点发送预留请求；RTR消息中包括可预留的信道、估计占用预留信道的持续时间、本次RTR消息的NAV值以及目的节点的地址等信息；
②中间节点收到上一跳节点的RTR后，判断能否预留。如果能建立预留，则在公共信道向上一跳节点返回ACK，同时预留射频切换到预留信道，然后再在公共信道向下一跳节点转发RTR，再判断是否是目的节点，若是，则进入第③步，若否，则返回第②步。如果不能建立预留，则向上一跳节点返回NAK，上一跳节点收到NAK后向源节点发送NTR消除已预留信道的节点，预留失败。
③在公共信道向上一跳节点返回ACK，预留射频切换到预留信道，通过预留信道向源点方向(反向)发送CTR;沿途的中间节点收到并转发CTR消息，最后源节点收到CTR消息，此时建立预留的工作完成。
为了消除信道资源预留对周围节点的干扰，最简单的方法就是给这条路径分配与所穿越拓扑子图中不同的信道。为了节约信道，需要资源预留的路径中首尾相连的链路可以仅分配一个信道。也就是说，通过给预留路径中所有链路分配一个与周围节点不交迭的信道来实现资源预留。
资源预留系统中最重要的是建立资源预留的方法。本发明采用的方法是相关节点在公共信道上竞争预留信道使用权，然后相应的射频接口切换到预留信道上实现无干扰的数据传输。此方法可以有效地解决现有资源预留方法中存在的局部严重降低网络传输效率或者要求严格的网络时间同步等问题。
因此，相对于现有的无线网状网资源预留实现方法，本发明提出的信道资源预留方法具有三大优点
(1)采用公共信道竞争预留信道和预留信道无干扰传输数据相结合，资源预留的灵活性大。
(2)不需要严格的网络同步，易于实现。
(3)公共信道与预留信道在频率上无交迭，资源预留节点与相邻节点互相不干扰， 不会造成网络性能降低。
图1是无线网状网链路干扰模型(纵向干扰和横向干扰)图。
图2是无线网状网拓扑分割后需信道预留的路径示意图。
图3是成功建立预留示意图。
图4是未成功建立预留示意图。
图5是无线网状网信道资源预留流程图。
图6是无线网状网信道资源预留系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施例作详细描述。
如图2所示，为了保证网络的连通，每个节点至少有2个射频接口，分别属于相邻的两个拓扑子图，相邻拓扑子图分配不同的信道。一个拓扑子图中所有射频接口所处的信道称为公共信道。为了保证在实现信道资源预留时不会影响网络的连通性，需要增加一个射频接口，用于建立预留后的数据传输。
下面详细叙述对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留的建立过程。
建立预留是对源节点和目的节点之间路径的中间节点预留信道的时间资源，通常由源节点发起。建立预留的原理是在公共信道上竞争预留信道使用权，然后相应的射频接口切换到预留信道上进行数据传输，如图3示意。
具体执行步骤如下
①源节点首先在公共信道发起资源预留请求。源节点向目的节点路径方向发送一个预留请求(RTR，Request-to-Reserve)消息，其中RTR消息中包括可预留的信道、估计占用预留信道的持续时间、本次RTR消息的NAV值以及目的节点的地址等信息。于是RTR消息沿着要建立预留的路径逐个节点传递。为简明示意，图3中仅画出3个中间节点(A、B、 C)。
②要预留路径的中间节点收到上一跳节点的RTR消息后，分两种情形处理。一种是可以应答预留请求，如图3所示，则该节点在其预留表中增加一个记录，并把该记录状态设为“初步”，接着在公共信道向发送RTR消息的节点返回ACK确认消息，同时把预留射频接口切换到预留信道，然后再转发RTR消息至下一跳节点，直至目的节点；另一种是不能应答预留请求，如图4所示，则该节点不再转发RTR消息，而是在公共信道向发送RTR消息的节点返回NAK否认消息，收到NAK的节点利用已预留的信道向其上一跳节点(反向)发送否定预留(NTR，Negative Reservation)信息，该NTR信息返回源节点，同时删除沿途节点预留表中的记录。
③目的节点收到RTR后，在其预留表中增加一个记录并把该记录状态设为“准备”。把预留射频接口切换到预留信道，同时产生一个准许预留(CTR，Clear-to-Reserve) 消息，其中包含协商好的预留信道信息，并沿着反向预留路径传递CTR。沿途的中间节点收到并转发CTR消息，把记录状态由“初步”改为“准备”。最后，源节点收到CTR消息，此时建立预留的工作完成。
以上实施方法可用流程图(图5)来示意。
一旦建立预留，源节点的预留射频接口在切换到预留信道后可以立即向目的节点传输实时数据。很明显，整个预留路径中相应节点的射频接口都切换到预留信道，预留信道与所有拓扑子图的多个公共信道都无频率交迭，因此在预留信道上传输数据不会干扰公共信道，也不会受到公共信道的干扰。为了节省预留信道，预留路径中相应节点的射频接口都切换到同一个预留信道，从而可以设计一种单信道串行多跳路径中数据快速传输方法。
本发明还公开了一种对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留系统，包括生成及发送模块、预留转发模块、预留接收模块，参见图6。
生成及发送模块用于控制源节点在公共信道中向目的节点路径方向的下一跳节点发送预留请求RTR ；
预留转发模块对于要预留路径的中间节点收到上一跳节点的RTR消息后，分两种情形处理。一种是可以应答预留请求，则该节点在其预留表中增加一个记录，并把该记录状态设为“初步”，接着在公共信道向发送RTR消息的节点返回ACK确认消息，同时把预留射频接口切换到预留信道，然后再转发RTR消息至下一跳节点，直至目的节点；另一种是不能应答预留请求，则该节点不再转发RTR消息，而是在公共信道向发送RTR消息的节点返回节点利用已预留的信道向其上一跳节点(反向)发送否定预留 NTR信息，该NTR信息返回源节点，同时删除沿途节点预留表中的记录。
预留接收模块目的节点收到RTR后，在其预留表中增加一个记录并把该记录状态设为“准备”。把预留射频接口切换到预留信道，同时产生一个准许预留CTR消息，并沿着反向预留路径传递CTR。沿途的中间节点收到并转发CTR消息，把记录状态由“初步”改为 “准备”。最后，源节点收到CTR消息，此时建立预留的工作完成。
当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。
权利要求
1.对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留系统，其特征是包括生成及发送模块、预留转发模块、预留接收模块；生成及发送模块用于控制源节点在公共信道向目的节点路径方向的下一跳节点发送预留请求RTR消息；预留转发模块对于要预留路径的中间节点收到上一跳节点的RTR消息后，分两种情形处理一种是可以应答预留请求，则该节点在其预留表中增加一个记录，并把该记录状态设为“初步”，接着在公共信道向发送RTR消息的节点返回确认消息，同时把预留射频接口切换到预留信道，然后再转发RTR消息至下一跳节点，直至目的节点；另一种是不能应答预留请求，则该节点不再转发RTR消息，而是在公共信道向发送RTR消息的节点返回NAK否认消息，收到NAK消息的节点利用已预留的信道向其上一跳节点发送否定预留NTR信息，该 NTR信息返回源节点，同时删除沿途节点预留表中的记录；预留接收模块目的节点收到RTR消息后，在其预留表中增加一个记录并把该记录状态设为“准备”；把预留射频接口切换到预留信道，同时产生一个准许预留CTR消息，并沿着预留路径反向传递CTR消息；沿途的中间节点收到并转发CTR消息，把记录状态由“初步” 改为“准备”；最后，源节点收到CTR消息，此时建立预留的工作完成。
2.如权利要求1所述的对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留系统，其特征是预留请求的消息包括可预留的信道、估计占用预留信道的持续时间、本次RTR消息的 NAV值、目的节点的地址。
3.一种对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留方法，其特征是按如下步骤①源节点在公共信道中向目的节点路径方向的下一跳节点发送预留请求RTR消息；②中间节点收到上一跳节点的RTR消息后，判断能否预留；如果能建立预留，则在公共信道向上一跳节点返回确认ACK消息，同时预留射频切换到预留信道，然后再判断是否是目的节点，若是，则进入第③步，若否，则在公共信道向下一跳节点转发RTR消息，返回第② 步；如果不能建立预留，则向上一跳节点返回否认NAK消息，上一跳节点收到NAK消息后向源节点方向发送否定预留NTR通知，逐跳释放已预留的信道，预留失败；③目的节点通过预留信道向源点方向发送准许预留CTR消息；沿途的中间节点收到并转发CTR消息，最终源节点收到CTR消息，此时在预留信道上实现了预留。
4.如权利要求3所述的对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留方法，其特征是第①步，所述的RTR消息中包括可预留的信道、估计占用预留信道的持续时间、本次RTR 消息的NAV值以及目的节点的地址等信息。
全文摘要
本发明涉及对周围节点无干扰的无线网状网信道资源预留系统及方法，其方法①源节点在公共信道中向目的节点路径方向发送RTR；②中间节点收到上一跳节点的RTR后，判断能否预留；如果能建立预留，则在公共信道向上一跳节点返回ACK，同时预留射频切换到预留信道，然后再判断是否是目的节点，若是，则进入第③步，若否，则在公共信道向下一跳节点转发RTR，返回第②步；如果不能建立预留，则向上一跳节点返回NAK，上一跳节点收到NAK后向源节点方向发送NTR，逐跳释放已预留的信道，预留失败；③目的节点通过预留信道向源点方向发送CTR；沿途的中间节点收到并转发CTR，最终源节点收到CTR，此时建立预留的工作完成。
文档编号H04W28/26GK102547876SQ201110384318
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者严军荣 申请人:杭州电子科技大学