基于动态时隙分配的无线Mesh网络低时延优化方法技术

本发明专利技术提供一种基于动态时隙分配的无线Mesh网络低时延优化方法，在Mac算法架构设计中控制帧中通过改变节点的广播顺序，使得节点能够根据数据流的路径信息及时更新自己的时隙需求，保证转发节点在时隙分配时获得相应的时隙；在时隙竞争阶段通过调整网络中时隙申请的顺序，为相关数据流添加路径信息，完成了网络节点时隙竞争阶段的时隙需求实时更新，提高了针对数据流的时隙分配的实时性。通过广播时段对网络拓扑信息变化的及时更新，使得节点对网络拓扑变化能够及时感知并进行更新，通过对关键拓扑数据的处理使得控制协议的开销得到了降低，提高了整个网络的数据传输效率。

【技术实现步骤摘要】
基于动态时隙分配的无线Mesh网络低时延优化方法
本专利技术涉及无线网状Mesh网络
，特别涉及一种基于动态时隙分配的无线Mesh网络低时延优化方法。
技术介绍
无线Mesh网络一般采用载波侦听多路访问CSMA随机资源调度架构或时分多址TDMA资源调度架构。其中CSMA架构虽然网络可扩展性较强，但无法解决隐藏终端问题，而且碰撞概率随着网络节点数目增加而变大，无法提供端到端时延上的保证。TDMA资源调度架构将信道资源按照时间分成多个时隙来进行资源调度，协议设计上较为清晰，通过控制协议的交互并能够解决隐藏终端问题，但传统的TDMA资源调度架构中Mac和路由算法没有考虑到Mesh网络中多跳数据流与时隙分配的实时性问题，在时隙分配效率和路由效率上都存在改进的空间。对于分布式调度架构的无线Mesh网络，采用基于时分的周期循环接入调度机制在保证数据端到端时延上有着随机接入调度和伪随机接入调度机制不具备的优势。为了提高信道资源，即时隙的复用率，针对无线Mesh网络的低时延调度架构的设计一般都采用基于TDMA的资源调度架构。传统的TDMA资源调度架构Mac层分为采用固定时隙分配和动态时隙分配两种信道资源分配方法，固定时隙分配为Mesh网络中每个节点分配一个或多个固定的时隙，在工程实现上简单清晰，但没有考虑到不同的节点时隙需求不一的情况，存在时隙利用率不高，端到端时延无法保证问题。动态时隙分配不为节点指定固定时隙的数量和位置，而是根据时隙需求、业务类型等来动态分配时隙的数量、位置，一种时隙优先级的设计可以用来解决时隙位置时的冲突问题，该设计根据每个节点对时隙的不同优先级可以确定在需要多个时隙分配时除了优先级最高主的时隙外还可以分到其它不同优先级的时隙，针对Mesh网络数据流的特点，在不同时帧采用不同时隙优先级设计可以对端到端时延进行性能上的优化。传统的动态时隙分配通过所有节点先申请后动态分配的方法在一定程度上提高了时隙利用率，但在分配时没有考虑到数据流中转发节点的时隙需求问题，因此无法保证数据流中本时帧内转发节点时隙分配的实时性，往往无法保证需多跳转发的数据的端到端时延。申请号为201310108812.3的专利公开了一种基于时分复用的信道资源分配方法。通过将每个时隙分为控制部分和数据部分，控制部分通过对时隙竞争信息两跳范围的广播和数据优先级来进行信道的无碰撞时隙分配，该时隙分配方法中未考虑数据流转发节点的时隙需求，因此不能够充分利用时隙资源，在端到端时延、网络吞吐量等性能上有改善的空间。申请号为201510906203.1的专利公开了一种基于TDMA的无线MESH网络分布式资源分配的方法。具体地，节点在数据发送之前先按固定的顺序进行时隙需求两跳邻居内的广播，然后根据节点的时隙需求和负载来进行时隙资源的动态分配，该专利技术在数据发送时隙根据不同数据流路径来选择发送时隙，在一定程度上对数据流的发送时延性能进行了提升，但在时隙分配时也没有考虑到数据流转发节点的时隙需求，并不一定能够保证转发数据流的时隙需求。无线Mesh网络路由算法选路的重要依据是网络拓扑，对于节点快速移动、网络拓扑高动态变化的无线Mesh网络，拓扑更新必须相应的加快，但完整、详细的网络拓扑的获取往往建立在越来越大的控制协议开销上，传统的分布式无中心Mesh网络往往采用对所有拓扑进行洪泛广播的方式来进行拓扑更新，占用了大量宝贵的带宽，而且因为拓扑中链路不同的建立时间往往没有被考虑在内，不能保证拓扑更新的有效性，从而对路由算法的正确执行造成了不利影响。无线Mesh网络路由算法按照选路时机分为启发式路由和先验式路由。传统的先验式路由算法只考虑网络链路拓扑，按照路径的跳数距离选择最短路径，并没有结合TDMA中Mac层为节点所分配的时隙先后顺序来计算路由判据，所选择的跳数最短路由并不一定能保证是最优路由，造成数据传输时间极大的增加。传统的启发式路由只考虑到选路时拓扑的信道分配状态，没有针对动态时隙分配节点即将所获得的时隙计算路由判据，因此也不能保证获得最优路由。申请号为201310108812.3的专利公开了一种多射频多信道无线Mesh网络路由选择方法在设计选路判据时考虑了路径中转发节点的负载和路径的期望传输时间ETT，但在ETT的设计时只是根据链路的数据递交率来进行计算，并没有考虑到基于TDMA的无线Mesh网络在传输时延上的时隙分配依赖性质，因此并不适合基于时隙分配的无线Mesh网络路由判据设计。传统的无线Mesh网络在架构设计时往往将网络层路由算法与Mac层分开设计，以减轻架构设计的复杂度，但没有考虑到基于动态时隙分配的信道调度架构具有对路由的依赖性这个特点，往往会造成路由算法对Mac层的支持度不够，因此在针对低时延的无线mesh网络架构设计上还有优化的空间。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种基于动态时隙分配的特点对无线Mesh网络的媒质接入控制MAC进行优化的方法，另外基于MAC的优化，之后还提供了一种路由优化方法。本专利技术所要解决的技术问题是，基于动态时隙分配的无线Mesh网络低时延优化方法，其特征在于，无线网状Mesh网络内各节点以时帧为周期完成时隙分配；所述时帧包括广播1时段、广播2时段与数据帧时段；广播1时段包括N个广播1时隙，广播2时段包括N个广播2时隙，数据帧时段包括大于等于N个的数据帧时隙，N为无线Mesh网络中最大节点数；各节点在数据帧时段对应有一个数据帧时隙为该节点的主时隙；各节点在不同时帧中由节点时隙优先级表所指定的主时隙顺序不同；各节点在广播1时段与广播2时段按照其在当前时帧的主时隙顺序被对应分配一个广播1时隙与一个广播2时隙；各节点在每一时帧中按照当前的主时隙顺序广播本节点与邻居节点的时隙需求与拓扑变化来进行时隙的动态分配：1)广播1时段，广播时隙需求：各节点生成第1广播控制帧，并在对应的广播1时隙中广播本节点的第1广播控制帧，第1广播控制帧包括节点ID、待发送数据的总大小和待发送的各数据流信息，数据流信息包括数据流的数据大小和各数据流发送优先级以及各数据流剩余路径信息，待发送数据的总大小为本地广播数据缓存中待发送的各数据流的数据大小之和；本地广播数据缓存中包含有当前节点作为源节点所要发送的数据流信息与当前节点作为中间节点所要转发的数据流信息；当出现待发送的数据流信息过多使得节点的第1广播控制帧的长度超过广播1时隙发送数据的最大数据长度时，该节点则按数据流发送优先级从大到小的顺序将最大数据长度内的数据流信息放入第1广播控制帧；数据流发送优先级w的计算方法为：w＝α·stream_Length+β·ETT+(1-α-β)·prior其中，ETT为路径预期发送时间，prior为数据流的业务优先级，stream_Length为该数据流的数据大小，α、β∈[0,1]且α+β≤1，分别代表数据流的数据大小和路径预期发送时间的权重系数；各节点收到其他节点发送的第1广播控制帧后，根据接收到的第1广播控制帧进行本地拓扑信息表的更新，根据第1广播控制帧中的节点ID将该节点加入到本地维护的一跳邻居信息表中，同时根据接收到的第1广播控制帧中数据流剩余路径信息查看本节点是否为该数据流的下一个转发节点，若是，则将该数据流的数据流的数据大本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于动态时隙分配的无线Mesh网络低时延优化方法，其特征在于，无线网状Mesh网络内各节点以时帧为周期进行时隙分配；所述时帧包括广播1时段、广播2时段与数据帧时段；广播1时段包括N个广播1时隙，广播2时段包括N个广播2时隙，数据帧时段包括大于等于N个的数据帧时隙，N为无线Mesh网络中最大节点数；各节点在数据帧时段对应有一个数据帧时隙为该节点的主时隙；各节点在不同时帧中由节点时隙优先级表所指定的主时隙顺序不同；各节点在广播1时段与广播2时段按照其在当前时帧的主时隙顺序被对应分配一个广播1时隙与一个广播2时隙；各节点在每一时帧中按照当前的主时隙顺序广播本节点与邻居节点的时隙需求与拓扑变化来进行时隙的动态分配和拓扑维护：1)广播1时段，广播时隙需求：各节点生成第1广播控制帧，并在对应的广播1时隙中广播本节点的第1广播控制帧，第1广播控制帧包括节点ID、待发送数据的总大小和待发送的各数据流信息，数据流信息包括数据流的数据大小和各数据流发送优先级以及各数据流剩余路径信息，待发送数据的总大小为本地广播数据缓存中待发送的各数据流的数据大小之和；本地广播数据缓存中包含有当前节点作为源节点所要发送的数据流信息与当前节点作为中间节点所要转发的数据流信息；当出现待发送的数据流信息过多使得节点的第1广播控制帧的长度超过广播1时隙发送数据的最大数据长度时，该节点则按数据流发送优先级从大到小的顺序将最大数据长度内的数据流信息放入第1广播控制帧；数据流发送优先级w的计算方法为：w＝α·stream_Length+β·ETT+(1‑α‑β)·prior其中，ETT为路径预期发送时间，prior为数据流的业务优先级，stream_Length为该数据流的数据大小，α、β∈[0,1]且α+β≤1，分别代表数据流的数据大小和路径预期发送时间的权重系数；各节点收到其他节点发送的第1广播控制帧后，根据接收到的第1广播控制帧进行本地拓扑信息表的更新，根据第1广播控制帧中的节点ID将该节点加入到本地维护的一跳邻居信息表中，同时根据接收到的第1广播控制帧中数据流剩余路径信息查看本节点是否为该数据流的下一个转发节点，若是，则将该数据流的数据流的数据大小和各数据流发送优先级以及各数据流剩余路径信息加入到本地广播数据缓存中，若否，则将该条数据流信息丢弃；2)广播2时段，广播邻居节点时隙需求和拓扑变化：各节点生成第2广播控制帧，并在对应的广播2时隙中广播本节点的第2广播控制帧，第2广播控制帧包括节点ID、邻居节点ID、待发送数据的总大小、网络拓扑数据与网络拓扑变化数据；当出现网络拓扑数据过大使得第2广播控制帧的总长度超过了节点在广播2时隙发送的最大数据长度时，该节点则对根据本地拓扑信息表对网络拓扑数据进行关键拓扑选择，在广播2时隙发送的最大数据长度内选择关键拓扑加入到第2广播控制帧中；各节点在收到其他节点发送的第2广播控制帧后，根据接收到的第2广播控制帧中的节点ID更新到本地两跳范围内邻居列表中，并根据第2广播控制帧进行本地拓扑信息表的更新；3)数据帧时段，动态时隙分配：根据本地两跳范围内邻居列表中的邻居节点所对应的待发送数据的总大小得到本节点在当前数据帧时段需要的数据帧时隙数量：若节点在本时帧没有数据要发送和转发，则不分配数据时隙给该节点，将该节点对应的主数据帧时隙作为空闲时隙；若节点只需要1个数据帧时隙，则将本节点在本时帧周期所属的主数据帧时隙分给本节点；若本节点需要2个以上的数据帧时隙，则根据节点时隙优先级表进行空闲时隙竞争；若节点被分配到2个以上的数据帧时隙，在进行数据发送时，节点优先发送能够在本时帧被转发的数据流；节点在1个数据帧时隙内按照数据流发送优先级从大到小的顺序发送数据流。...

【技术特征摘要】
1.基于动态时隙分配的无线Mesh网络低时延优化方法，其特征在于，无线网状Mesh网络内各节点以时帧为周期进行时隙分配；所述时帧包括广播1时段、广播2时段与数据帧时段；广播1时段包括N个广播1时隙，广播2时段包括N个广播2时隙，数据帧时段包括大于等于N个的数据帧时隙，N为无线Mesh网络中最大节点数；各节点在数据帧时段对应有一个数据帧时隙为该节点的主时隙；各节点在不同时帧中由节点时隙优先级表所指定的主时隙顺序不同；各节点在广播1时段与广播2时段按照其在当前时帧的主时隙顺序被对应分配一个广播1时隙与一个广播2时隙；各节点在每一时帧中按照当前的主时隙顺序广播本节点与邻居节点的时隙需求与拓扑变化来进行时隙的动态分配和拓扑维护：1)广播1时段，广播时隙需求：各节点生成第1广播控制帧，并在对应的广播1时隙中广播本节点的第1广播控制帧，第1广播控制帧包括节点ID、待发送数据的总大小和待发送的各数据流信息，数据流信息包括数据流的数据大小和各数据流发送优先级以及各数据流剩余路径信息，待发送数据的总大小为本地广播数据缓存中待发送的各数据流的数据大小之和；本地广播数据缓存中包含有当前节点作为源节点所要发送的数据流信息与当前节点作为中间节点所要转发的数据流信息；当出现待发送的数据流信息过多使得节点的第1广播控制帧的长度超过广播1时隙发送数据的最大数据长度时，该节点则按数据流发送优先级从大到小的顺序将最大数据长度内的数据流信息放入第1广播控制帧；数据流发送优先级w的计算方法为：w＝α·stream_Length+β·ETT+(1-α-β)·prior其中，ETT为路径预期发送时间，prior为数据流的业务优先级，stream_Length为该数据流的数据大小，α、β∈[0,1]且α+β≤1，分别代表数据流的数据大小和路径预期发送时间的权重系数；各节点收到其他节点发送的第1广播控制帧后，根据接收到的第1广播控制帧进行本地拓扑信息表的更新，根据第1广播控制帧中的节点ID将该节点加入到本地维护的一跳邻居信息表中，同时根据接收到的第1广播控制帧中数据流剩余路径信息查看本节点是否为该数据流的下一个转发节点，若是，则将该数据流的数据流的数据大小和各数据流发送优先级以及各数据流剩余路径信息加入到本地广播数据缓存中，若否，则将该条数据流信息丢弃；2)广播2时段，广播邻居节点时隙需求和拓扑变化：各节点生成第2广播控制帧，并在对应的广播2时隙中广播本节点的第2广播控制帧，第2广播控制帧包括节点ID、邻居节点ID、待发送数据的总大小、网络拓扑数据与网络拓扑变化数据；当出现网络拓扑数据过大使得第2广播控制帧的总长度超过了节点在广播2时隙发送的最大数据长度时，该节点则对根据本地拓扑信息表对网络拓扑数据进行关键拓扑选择，在广播2时隙发送的最大数据长度内选择关键拓扑加入到第2广播控制帧中；各节点在收到其他节点发送的第2广播控制帧后，根据接收到的第2广播控制帧中的节点ID更新到本地两跳范围内邻居列表中，并根据第2广播控制帧进行本地拓扑信息表的更新；3)数据帧时段，动态时隙分配：根据本地两跳范围内邻居列表中的邻居节点所对应的待发送数据的总大小得到本节点在当前数据帧时段需要的数据帧时隙数量：若节点在本时帧没有数据要发送和转发，则不分配数据时隙给该节点，将该节点对应的主数据帧时隙作为空闲时隙；若节点只需要1个数据帧时隙，则将本节点在本时帧周期所属的主数据帧时隙分给本节点；若本节点需要2个以上的数据帧时隙，则根据节...

【专利技术属性】
技术研发人员：林水生，杜奔放，宋志群，杨海芬，赵玉超，阎波，郑植，周亮，
申请(专利权)人：电子科技大学，中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51