CN101145999A - 无线网格网络中实现公用信道框架机制的方法、节点设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线网格网络中实现公用信道框架机制的方法，当节点需要使用公用信道框架机制进行业务交互时，当节点需要使用公用信道框架机制进行业务交互时，源节点和目标节点根据自身节点的时隙占用情况以及可用的专用信道进行信道切换过程；源节点和目标节点在切换到的专用信道上进行报文交互。本发明还公开了一种无线网格网络节点设备，包括：消息收发单元，决策单元。利用本发明，可以保证在实现公用信道框架机制的同时不会对现有的网络的确定性接入机制和节电管理机制产生影响。

Description

无线网格网络中实现公用信道框架机制的方法、节点设备

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种无线网格网络中实现公用信道框架机制的方法、节点设备。

背景技术

无线网络技术的发展日新月异，各种802.11x标准不断被更新，新的无线网络架构和技术也不断被提出，如WLAN Mesh(无线网格网络)，其核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号，无线Mesh网络也称为多跳网络。在传统的WLAN中，每个客户端均通过一条与AP(接入点)相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的AP，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。在Mesh网络中，一个节点不仅能传送和接收信息，还能充当路由器对其附近节点转发信息。

WLAN Mesh网络中的节点工作在两种模式下：Active(激活)和PS(节电)模式。处在PS模式下的Mesh节点在没有数据发送和接收的情况下通常处于睡眠状态来节省能源。在现有标准中规定了一个周期的公共窗口ATIM(宣告业务指示消息)，在该窗口时间内，所有处于PS模式的节点都醒来在该窗口下交互信息，以确定处于PS模式的节点是否需要在ATIM窗口后保持唤醒状态进行业务交互。

WLAN Mesh网络中的单收发信机的节点可以分时的工作在多信道上，为此，802.11s草案定义了一种CCF(公用信道框架)功能。WLAN Mesh网络中的所有Mesh节点在一个公用信道上实现通信。在这个公用信道上，一对或一簇Mesh节点可协商选择一个不同于公用信道的目的信道用于数据传输；协商成功后，这些Mesh节点切换到专用信道上完成数据传输，在传输完成后再返回公用信道。该协商通过RTX(请求切换)、CTX(清除切换)帧来实现。

为了避免Mesh节点在接入信道时产生竞争，现有技术中采用MDA(Mesh的确定性接入)的接入方式。该接入方式中，Mesh节点在和邻居节点协商一个用于两个Mesh节点间业务传输的周期性MDAOP(采用MDA方式选定的时隙)时间。该MDAOP时间不应和邻居节点以及第二跳节点已知的被占用时间产生冲突，而在协商成功的MDAOP时间内，这两个Mesh节点的邻居节点和第二跳节点也应避免在这段时间内传输数据，以防止对这两个Mesh节点的业务交互产生干扰。

目前，MDA接入方式、CCF功能、PS模式的节点的工作机制是相互独立的。

PS操作中，ATIM窗口是一个公用窗口，在这个窗口下，原则上需要相邻节点应能交互ATIM帧，所以ATIM窗口内不会允许存在CCF机制的信道协商过程。

在MDA接入方式中，预留出来的MDAOP时间是专门用于两个节点间的业务传输，而CCF机制中需要协商一个不受干扰的专用信道进行业务传输。

在CCF机制中，所有Mesh节点在CCW(信道协调窗口)的起始时间都操作在公用信道上，需要在专用信道上传输数据的Mesh节点首先检测可用的专用信道；在选择了合适的专用信道之后，向其目标Mesh节点发送带有专用信道信息的请求消息；目标Mesh节点接收到此请求消息之后，检测此专用信道是否可用。若可用，则返回成功的应答消息并转换到目的信道，等待接收数据帧；若不可用，则返回失败的应答消息。发送Mesh节点接收到成功的应答消息后，转换到专用信道发送数据帧。发送Mesh节点与目标Mesh节点完成数据传输之后，返回到公用信道上，可再次协商，协商后切换到专用信道上。在后续的专用信道传输的时间可能会跨越MDA接入方式预留出来的MDAOP时间，也可能会跨越ATIM窗口时间。

可见，在现有这种独立工作方式下，会存在以下问题：

(1)CCF机制和MDA机制共存的情况下，两个Mesh节点间通过CCF机制协商切换信道，这些Mesh节点在专用信道上的传输时间可能和本节点与其他节点采用MDA方式所分配的MDAOP时间重叠，这样会导致MDA机制失效。

(2)CCF机制和PS机制共存的情况下，由于CCF切换信道，可能需要在专用信道传输时间占用ATIM窗口，从而导致处于专用信道通信的节点无法在ATIM窗口及时和处于公用信道的节点相互指示各自的业务，业务交互的Mesh节点间的业务被延时。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种无线网格网络中实现公用信道框架机制的方法，以避免现有CCF(公用信道框架)机制对Mesh节点的MDA(Mesh的确定性接入)方式和节电管理机制中的ATIM(宣告业务指示消息)窗口产生的影响，使CCF机制和MDA机制或节电管理机制，或者这三种机制可以共存而不会对其产生影响。

本发明的另一个目的是提供一种无线网格网络节点设备，以保证实现公用信道框架机制的同时不会对现有的MDA机制和节电管理机制产生影响。

为此，本发明提供如下的技术方案：

一种无线网格网络中实现公用信道框架机制的方法，包括以下步骤：

A、当节点需要使用公用信道框架机制进行业务交互时，源节点和目标节点根据自身节点的时隙占用情况以及可用的专用信道进行信道切换过程；

B、源节点和目标节点在切换到的专用信道上进行报文交互。

优选地，所述方法进一步包括：

无线网格网络中各节点分别记录本节点的至少一种时隙占用情况，所述时隙占用情况包括采用网格的确定性接入MDA方式选定的MDAOP时隙占用情况、宣告业务指示消息ATIM窗口的时隙占用情况、节点周期性广播的消息的发送时隙占用情况。

所述步骤A包括：

A1、源节点根据本节点记录的时隙占用情况信息以及是否有可用信道确定当前能否发起信道切换请求；

A2、如果可以发起信道切换请求，则向目标节点发送信道切换请求消息，并在该消息中携带请求切换到的专用信道信息；

A3、目标节点接收到所述信道切换请求消息后，根据本节点记录的时隙占用情况信息以及请求切换到的专用信道的可用状态确定是否接受该信道切换请求；

A4、如果接受，则向源节点发送成功的应答消息。

所述步骤A1包括：

源节点判断当前是否处于占用时隙内；

如果处于占用时隙内，则不能发起信道切换请求；

如果不是处于占用时隙内，则源节点计算下一个占用时隙的起始时间距离当前时间的时间间隔；

估计源节点执行此次公用信道框架机制操作的过程时长；

如果所述时间间隔与所述过程时长的差值大于预设的第一时间冗余门限值并且有可用信道，则可以发起信道切换请求；

否则，不能发起信道切换请求。

所述源节点执行此次公用信道框架机制操作的过程时长包括：

源节点信道切换所需的开销时长和在专用信道上发送报文的时长以及交互信道切换请求以及应答消息的时长。

所述信道切换请求消息中携带所述源节点在专用信道上发送报文的时长信息。

所述步骤A3包括：

目标节点计算下一个占用时隙的起始时间距离当前时间的时间间隔；

估计目标节点执行此次公用信道框架机制操作的过程时长；

如果所述时间间隔与所述过程时长的差值大于预设的第二时间冗余门限值并且源节点请求的专用信道可用，则可以接受该信道切换请求；

否则，不接受该信道切换请求。

所述估计目标节点执行此次公用信道框架机制操作的过程时长的步骤包括：

估计目标节点信道切换所需的开销时长；

确定源节点在专用信道上发送报文的时长以及发送信道切换应答消息的时长。

所述确定源节点在专用信道上发送报文的时长的步骤具体为：

如果所述信道切换请求消息中携带了所述源节点在专用信道上发送报文的时长信息，则将该时长作为目标节点计算所需的源节点在专用信道上发送报文的时长；否则，

将预先设定的允许发送报文的最大时长作为目标节点计算所需的源节点在专用信道上发送报文的时长。

所述记录的时隙占用情况信息至少包括：时隙的起始时间点，该起始时间点为绝对时间值或者是参考时间零点的一个时间偏置值。

所述记录的时隙占用情况信息还包括：每个时隙分布的周期值、每个时隙持续的时长。

所述步骤A进一步包括：

A5、如果目标节点不接受所述信道切换请求，则向源节点发送失败的应答消息，并在该应答消息中携带失败原因和/或建议的协商信道切换的信息。

所述信道切换请求消息为请求切换消息RTX；

所述应答消息为清除切换消息CTX。

一种无线网格网络节点设备，包括：消息收发单元，用于与网络内其他节点进行消息交互，还包括：

决策单元，用于在需要使用公用信道框架机制进行业务交互时，根据本节点的时隙占用情况确定当前能否向网络中的其他节点发起信道切换请求或者在接收到网络中其他节点发来的信道切换请求消息后，根据所述时隙占用情况确定是否接受该信道切换请求，并将决策结果通知消息收发单元。

所述节点设备还包括：

时隙占用情况记录单元，用于记录本节点的至少一种时隙占用情况，所述时隙占用情况包括采用网格的确定性接入MDA方式选定的MDAOP时隙占用情况、宣告业务指示消息ATIM窗口的时隙占用情况。

所述节点设备还包括：

门限值设定单元，与所述决策单元相连，用于设定时间冗余门限值。

所述决策单元包括：

时隙间隔计算单元，用于根据所述时隙占用情况信息计算下一个占用时隙的起始时间距离当前时间的时间间隔；

估计单元，用于估计节点执行本次共用信道框架机制操作的过程时长；

差值计算单元，用于计算所述时间间隔与所述过程时长的差值；

判决单元，用于根据所述本节点的时隙占用情况信息、差值计算单元的计算结果及所述时间冗余门限值确定当前能否向网络中的其他节点发起信道切换请求或者是否接受网络中其他节点发来的信道切换请求，如果本节点当前未处于占用时隙内，并且所述差值大于所述时间冗余门限值并且有可用信道，则通知消息收发单元向目标节点发送信道切换请求消息；如果本节点当前未处于占用时隙内，并且所述差值大于所述时间冗余门限值并且请求切换到的专用信道可用，则通知消息收发单元向源节点发送成功的应答消息。

由以上本发明提供的技术方案可以看出，本发明对于无线网格网络需要使用公用信道框架机制进行业务交互的节点，由源节点和目标节点根据自身节点的时隙占用情况以及可以使用的专用信道，然后利用确定的专用信道进行报文交互。只有在源节点和目标节点当前都不处于占用时隙(ATIM时隙和/或MDAOP时隙)，并且在到达下一个占用时间前有足够的冗余时间完成公用信道框架机制操作过程的情况下，才允许发出或接受信道切换的协商请求，从而保证了实现CCF机制时不会占用MDA机制的MDAOP时间以及节电管理机制的ATIM窗口，避免了对MDA机制和节电管理机制的影响，使无线网格网络可以同时实现CCF机制和MDA机制或节电管理机制，进而可以提高网络性能。

附图说明

图1是本发明方法的一个优选实施例的实现流程图；

图2是WLAN Mesh网络拓扑图；

图3是图2所示WLAN Mesh网络中节点A、节点B的ATIM窗口分布时隙和MDAOP分布时隙示意图；

图4是本发明无线网格网络节点设备的一个优选实施例的原理框图。

具体实施方式

本发明的核心在于在无线网格网络中当节点需要使用公用信道框架机制进行业务交互时，源节点和目标节点根据自身节点的时隙占用情况以及可以使用的专用信道进行信道切换过程，然后源节点和目标节点在切换后的专用信道上进行报文交互。在具体实现时，可以由各节点分别记录本节点的时隙占用情况，源节点根据本节点记录的时隙占用情况信息以及是否有可用信道确定当前能否发起信道切换请求；如果可以发起信道切换请求，则向目标节点发送信道切换请求消息，并在该消息中携带请求切换到的专用信道信息；同样，目标节点在接收到所述信道切换请求消息后，根据本节点记录的时隙占用情况信息以及请求切换到的专用信道的可用状态确定是否接受该信道切换请求；如果接受，则向源节点发送成功的应答消息，以向源节点表明可以切换到请求的专用信道上。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，图1是本发明方法的一个优选实施例的实现流程。

步骤101：无线网格网络中各节点分别记录本节点的时隙占用情况，所述时隙占用情况包括采用MDA(网格的确定性接入)方式选定的MDAOP时隙占用情况，和/或节电模式下ATIM(宣告业务指示消息)窗口的时隙占用情况。除此之外，还需要记录本节点周期性广播的消息的发送时隙占用情况，以避免影响本节点周期性广播消息的发送。记录的时隙占用情况信息至少包括：时隙的起始时间点，该起始时间点为绝对时间值或者是参考时间零点的一个时间偏置值。记录的时隙占用情况信息还可以包括：每个时隙分布的周期值、每个时隙持续的时长。

步骤102：源节点根据本节点记录的时隙占用情况信息以及是否有可用信道判断当前能否发起信道切换请求。如果可以发起信道切换请求，则进到步骤103；否则，进到步骤108。

首先，源节点判断当前是否处于占用时隙内，如果处于占用时隙内，则不能发起信道切换请求；如果不是处于占用时隙内，则计算或估计以下各值：

(1)下一个占用时隙的起始时间距离当前时间的时间间隔Interval，该值可以根据本节点记录的时隙占用情况信息来计算得到；

(2)源节点执行此次公用信道框架机制操作的过程时长，具体包括：源节点信道切换所需的开销时长Switch_Overhead和在专用信道上发送报文的时长Duration以及节点间交互信道切换请求和应答消息的时长Negotiation_Overhead。其中，源节点信道切换所需的开销时长Switch_Overhead与节点设备的硬件性能有关，可以根据设备提供的性能参数得到，通常是一个固定值；在专用信道上发送报文的时长Duration和节点的传输速率以及要传输数据的大小相关，节点间交互信道切换请求和应答消息的时长Negotiation_Overhead与节点的传输速率相关，帧大小是固定的，可以估计得到。

得到这些参数值后，可以计算得到时间间隔Interval与节点执行此次公用信道框架机制操作的过程时长(Switch_Overhead+Duration+Negotiation_Overhead)的差值：

Gap＝Interval-(Switch_Overhead+Duration+Negotiation_Overhead)。

考虑到上述计算或估计值存在一定的误差，因此为了可靠地保证实现CCF机制时在专用信道上的传输时间不占用MDA机制所分配的MDAOP时间和/或节电管理机制的ATIM窗口，可以预先设定一个冗余量(第一时间冗余门限值)，如果上述计算得到的差值Gap大于该第一时间冗余门限值并且有可用信道，则源节点可以发起信道切换请求；否则，不能发起信道切换请求。

步骤103：向目标节点发送信道切换请求消息，并在该消息中携带请求切换到的专用信道信息。除此之外，还可以携带源节点在专用信道上发送报文的时长信息。比如，向目标节点发送RTX(请求切换)消息(通过修改RTX的结构来包含该信息)。

步骤104：目标节点接收到所述信道切换请求消息后，根据本节点记录的时隙占用情况信息以及请求切换到的专用信道的可用状态判断是否接受该信道切换请求。如果接受，则进到步骤105；否则，进到步骤107。

同样，目标节点需要首先判断当前是否处于占用时隙内，如果处于占用时隙内，则不能接受该信道切换请求；如果不是处于占用时隙内，则计算或估计以下各值：

(1)下一个占用时隙的起始时间距离当前时间的时间间隔Interval，该值可以根据本节点记录的时隙占用情况信息来计算得到；

(2)目标节点执行此次公用信道框架机制操作的过程时长，具体包括：目标节点信道切换所需的开销时长Switch_Overhead和源节点在专用信道上发送报文的时长Duration以及节点发送应答消息的时长Negotiation_Overhead。其中，目标节点信道切换所需的开销时长Switch_Overhead与节点设备的硬件性能有关，可以根据设备提供的性能参数得到，通常是一个固定值；源节点在专用信道上发送报文的时长Duration，如果源节点发送的信道切换请求消息中携带了源节点在专用信道上发送报文的时长，则使用该时长作为目标节点的在专用信道上发送报文的时长Duration的估计值；否则，可以使用预先设定的允许发送报文的最大时长值。节点发送应答消息的时长Negotiation_Overhead和节点的传输速率有关，帧大小固定，可以估算出。

得到这些参数值后，可以计算得到时间间隔Interval与节点执行公用信道框架操作的过程时长(Switch_Overhead+Duration+Negotiation_Overhead)的差值：

Gap＝Interval-(Switch_Overhead+Duration+Negotiation_Overhead)。

考虑到上述计算或估计值存在一定的误差，因此为了可靠地保证实现CCF机制时在专用信道上的传输时间不占用MDA机制所分配的MDAOP时间和/或节电管理机制的ATIM窗口，可以预先设定一个冗余量(第二时间冗余门限值)，如果上述计算得到的差值Gap大于该第二时间冗余门限值并且源节点请求的专用信道可用，则目标节点可以接受该信道切换请求；否则，不能接受该信道切换请求。

上述第二时间冗余门限值可以和第一时间冗余门限值相等，也可以取不同的值。

步骤105：向源节点发送成功的应答消息。

比如，向源节点发送CTX(清除切换)消息。

步骤106：源节点和目标节点切换到专用信道上进行报文交互。

步骤107：向源节点发送失败的应答消息，可以在该应答消息中携带失败原因和/或建议的协商信道切换的信息。比如，向目标节点发送CTX(清除切换)消息(通过修改CTX的结构来包含该信息)。

步骤108：结束本次流程。

在该实施例中，由无线网格网络中各节点分别记录本节点的时隙占用情况以及可以使用的专用信道情况，源节点和目标节点根据自己记录的信息确定是否可以进行信道切换操作。当然，也可以采用其他方式获取这些信息，比如，通过节点自己扫描信道来确定可用信道情况。

下面参照图2所示本发明中WLAN Mesh网络拓扑图进一步举例描述本发明。

参照图2，在该WLAN Mesh网络中有五个节点，分别为：节点A、节点B、节点C、节点D、节点E。

假设节点A、节点B的ATIM窗口分布时隙和采用MDA方式选定的MDAOP分布时隙如图3所示，图中每个时隙长度为4ms，带有底纹的时隙表示节点自身的MDAOP时隙。

各节点记录的占用时隙分布情况以三维数组(offset，duration，periodicity)表示，并以ms为单位。其中，offset表示该时隙距离现在的时间偏置值，duration表示时隙持续时间，periodicity表示时隙反复出现的周期。

节点A在T0时刻记录的占用时隙分布规律：

MDAOP：(24，4，40)，(32，8，60)，(80，4，120)；ATIM：(0，12,120)；

节点B在T₀时刻记录的占用时隙分布规律：

MDAOP：(32，8，60)，(112，4，120)；ATIM：(0，12,120)。

例1：节点A在T₀+44ms的时刻意图与节点B协商在专用信道上发送报文，处理过程如下：

1.节点A进行根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)节点A根据ATIM窗口的时隙分布规律以及本节点的MDAOP的时隙分布规律，获悉下一个占用时隙距离当前的时间间隔Interval＝12ms；

(2)节点A根据要发送的报文长度估算发送报文需要的时间Duration＝8ms，计算额外的时间开销Overhead＝1ms(包括从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及节点间交互信道切换请求和应答消息的时间)；

(3)节点A计算冗余时长Gap＝Interval-Duration-Overhead＝3ms，该冗余时长大于节点A预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况不影响该节点发起信道协商操作。

2.节点A选择一个可用信道，发送信道切换的协商请求消息，该消息中携带要切换到的专用信道标识以及预估发送报文的时长信息Duration。

3.节点B在T₀+44ms的时刻接收到信道协商请求消息(从源节点发送协商请求消息到目标节点接收到协商请求消息的时间间隔以μs计，此处可以忽略该间隔)。

4.节点B根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)根据自身的MDAOP时隙分布以及ATIM窗口时隙分布信息获悉下一个占用时隙的时间距离当前的时隙间隔Interval＝48ms。

(2)节点B从协商请求消息中获知预估在专用信道上发送报文的时长为8ms。计算节点额外的时间开销Overhead＝1ms(从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及发送信道切换应答消息的时间)。

(3)节点B计算冗余时长Gap＝Interval-Duration-Overhead＝39ms，该冗余时长大于节点B预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况不影响该节点接纳信道协商请求的操作。

5.节点B从协商请求消息中获悉专用信道，判断该协商的专用信道可用，向节点A发送成功的应答消息。

6.节点A和节点B切换到专用信道进行报文交互。

例2：节点A在T₀+108ms的时刻意图与节点B发起CCF机制来发送报文，处理过程如下：

1.节点A进行根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)节点A根据ATIM窗口的时隙分布规律以及本节点的MDAOP的时隙分布规律，获悉下一个占用时隙距离当前的时间间隔Interval＝20ms。

(2)节点A根据要发送的报文长度估算发送报文需要的时间Duration＝8ms，计算额外的时间开销Overhead＝1ms(包括从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及交互信道请求和应答消息的时间)。

(3)节点A计算冗余时长Gap＝Interval-duration-Overhead＝11ms，该冗余时长大于节点A预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况不影响该节点发起信道协商操作。

(4)节点A选择一个可用信道，发送信道切换的协商请求消息，该消息中携带要切换到的专用信道标识。

2.节点B在T₀+108ms的时刻接收到信道协商请求消息(从源节点发送协商请求消息到目标节点接收到协商请求消息的时间间隔以μs计，此处可以忽略该间隔)。

3.节点B根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)根据自身的MDAOP的时隙分布以及ATIM窗口时隙分布信息获悉下一个占用时隙的时间距离当前的时隙间隔Interval＝4ms。

(2)节点B没有能力预估节点A要发送报文的时长信息，所以采用最大允许发送的报文时长Duration为10ms。计算额外的时间开销Overhead＝1ms(从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及节点发送信道切换应答消息的时间)。

(3)节点B计算冗余时长Gap＝Interval-Duration-Overhead＝-7ms，该冗余时长小于节点B预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况影响该节点接纳信道协商请求的操作。

4.节点B向节点A发送失败的应答消息，消息中携带reason code＝1表示时隙占用导致协商失败，offset＝24表示建议的协商时间为距离发送失败应答消息的偏置值，以ms作单位。

5.节点A接收到失败的应答消息，等到建议的时间重新发起信道切换协商。

例3：节点A已知的Beacon(信标)的TBTT(目标Beacon发送的的期望时间点)时刻T₀，Beacon Interval＝40ms；节点B已知的Beacon的TBTT时刻T₀+1ms，Beacon Interval＝40ms。其中，Beacon为节点周期性广播的消息，节点通过该消息来通知其邻居节点本节点的一些参数信息和能力信息。节点A在T₀+108ms的时刻意图与节点B发起CCF机制来发送报文，处理过程如下：

1.节点A进行根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)节点A根据ATIM窗口的时隙分布规律，本节点的MDAOP的时隙分布规律以及已知的TBTT时间，获悉下一个占用时隙距离当前的时间间隔Interval＝12ms。

(2)节点A根据要发送的报文长度估算发送报文需要的时间Duration＝8ms，计算额外的时间开销Overhead＝1ms(包括从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及节点间交互信道切换请求和应答消息的时间)。

(3)节点A计算冗余时长Gap＝Interval-Duration-Overhead＝3ms，该冗余时长大于节点A预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况不影响该节点发起信道协商操作。

2.节点A选择一个可用信道，发送信道切换的协商请求消息，该消息中携带要切换到的专用信道标识。

3.节点B在T₀+108ms的时刻接收到信道协商请求消息(从源节点发送协商请求消息到目标节点接收到协商请求消息的时间间隔以μs计，此处可以忽略该间隔)。

4.节点B根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)根据自身的MDAOP的时隙分布以及ATIM窗口时隙分布信息获悉下一个占用时隙的时间距离当前的时隙间隔Interval＝4ms。

(2)节点B没有能力预估节点A要发送报文的时长信息，所以采用最大允许发送的报文时长Duration＝10ms，计算额外的时间开销Overhead＝1ms(从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及节点发送信道切换应答消息的时间)。

(3)节点B计算冗余时长Gap＝Interval-Duration-Overhead＝-7ms，该冗余时长小于节点A预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况影响该节点接纳信道协商请求的操作。

5.节点B向节点A发送失败的应答消息，消息中携带reason code＝1表示时隙占用导致协商失败，offset＝24表示建议的协商时间为距离发送失败应答消息的偏置值，以ms作单位。

6.节点A接收到失败的应答消息，等到建议的时间重新发起信道切换协商。

例4：节点A在T₀+108ms的时刻意图与节点B发起CCF机制来发送报文，处理过程如下：

1.节点A进行根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)节点A根据ATIM窗口的时隙分布规律以及本节点的MDAOP的时隙分布规律，获悉下一个占用时隙距离当前的时间间隔为20ms。

(2)节点A根据要发送的报文长度估算发送报文需要的时间Duration＝8ms，计算额外的时间开销Overhead＝1ms(包括从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及节点间交互信道切换请求和应答消息的时间)。

(3)节点A计算冗余时长Gap＝Interval-Duration-Overhead＝11ms，该冗余时长大于节点A预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况不影响该节点发起信道协商操作。

2.节点A选择一个可用信道，发送信道切换的协商请求消息，该消息中携带要切换到的专用信道标识。

3.节点B在T₀+108ms的时刻接收到信道协商请求消息(从源节点发送协商请求消息到目标节点接收到协商请求消息的时间间隔以μs计，此处可以忽略该间隔)。

4.节点B根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)根据自身的MDAOP的时隙分布以及ATIM窗口时隙分布信息获悉下一个占用时隙的时间距离当前的时隙间隔Interval＝4ms。

(2)节点B没有能力预估节点A要发送报文的时长信息，所以采用最大允许发送的报文时长Duration＝10ms，计算额外的时间开销Overhead＝1ms(从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及节点发送信道切换应答消息的时间)。

(3)节点B计算冗余时长Gap＝Interval-Duration-Overhead＝-7ms，该冗余时长小于节点A预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况影响该节点接纳信道协商请求的操作。

5.节点B向节点A发送失败的应答消息。

6.节点A接收到失败的应答消息，中止信道切换协商。

例5：节点A在T₀+16ms的时刻意图与节点B协商在专用信道上发送报文，处理过程如下：

1.节点A进行根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)节点A根据ATIM窗口的时隙分布规律以及本节点的MDAOP时隙分布规律，获悉下一个占用时隙距离当前的时间间隔Interval＝8ms。

(2)节点A根据要发送的报文长度估算发送报文需要的时间Duration＝8ms，计算额外的时间开销Overhead为1ms(包括从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及节点间交互信道切换请求和应答消息的时间)。

(3)节点A计算冗余时长Gap＝Interval-Duration-Overhead＝-1ms，该冗余时长小于节点A预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况影响该节点发起信道协商操作。

2.节点A根据占用时隙的分布规律，等到T₀+40ms的时刻重新启动信道切换协商。

例6：节点A在T₀+44ms的时刻意图与节点B协商在专用信道上发送报文，处理过程如下：

1.节点A进行根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)节点A根据MDAOP时隙分布规律以及ATIM窗口的时隙分布规律，获悉下一个占用时隙距离当前的时间间隔Interval＝12ms。

(2)节点A根据要发送的报文长度估算发送报文需要的时间Duration＝8ms，计算额外的时间开销Overhead＝1ms(包括从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及节点间交互信道切换请求和应答消息的时间)。

(3)节点A计算冗余时长Gap＝Interval-Duration-Overhead＝3ms，该冗余时长大于节点A预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况不影响该节点发起信道协商操作。

2.节点A选择一个可用信道，发送信道切换的协商请求消息，该消息中携带要切换到的专用信道标识。

3.节点B在T₀+44ms的时刻接收到信道协商请求消息(从源节点发送协商请求消息到目标节点接收到协商请求消息的时间间隔以μs计，此处可以忽略该间隔)。

4.节点B根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)根据自身的MDAOP时隙分布以及ATIM窗口时隙分布信息获悉下一个占用时隙的时间距离当前的时隙间隔Interval＝48ms。

(2)节点B没有能力预估节点A要发送报文的时长信息，所以采用最大允许发送的报文时长Duration＝10ms。计算额外的时间开销Overhead＝1ms(从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及节点发送信道切换应答消息的时间)。

(3)节点B计算冗余时长Gap＝Interval-Duration-Overhead＝37ms，该冗余时长大于节点B预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况不影响该节点接纳信道协商请求的操作。

5.节点B从协商消息中获取到信道信息，判断该信道不可用，节点B向节点A发送失败的应答消息，消息中携带reason code＝2表示信道不可用导致协商失败，channel＝5表示建议协商切换到第5个信道上。

6.节点A接收到失败的应答消息，发现建议的信道可用，把第5个信道作为专用信道进行信道切换协商。

例7：节点A在T₀+44ms的时刻意图与节点B协商在新的信道上发送报文，处理过程如下：

1.节点A进行根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)节点A根据MDAOp时隙分布规律以及ATIM窗口的时隙分布规律，获悉下一个占用时隙距离当前的时间间隔Interval＝12ms。

(2)节点A根据要发送的报文长度估算发送报文需要的时间Duration＝8ms，计算额外的时间开销Overhead＝1ms(包括从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及节点间交互信道切换请求和应答消息的时间)。

(3)节点A计算冗余时长Gap＝Interval-Duration-Overhead＝3ms，该冗余时长大于节点A预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况不影响该节点发起信道协商操作。

2.节点A选择一个可用信道为第3个信道，发送RTX请求，消息格式如下：

Frame control

Duration

RA

TA

Destinationchannelinformation

TransmissionDuration

FCS

其中，各字段的含义如下：

Frame control：MAC(媒体接入控制)帧格式中的帧控制域，该信息包括了MAC帧的一些基本信息和节点的PS模式；

Duration：时长信息，用于更新；NAV(网络分配矢量)值，邻居节点根据该信息获悉当前信道将被占用的时间长度，并避免在这段时间内接入信道；

RA：接收节点的地址信息；

TA：发送节点的地址信息；

Destination channelinformation：目标专用信道信息；

Transmission Duration：在专用信道上发送报文的时长信息，是在现有格式中增加的字段；

FCS：帧检验序列号。

3.节点B在T₀+44ms的时刻接收到信道协商请求消息(从源节点发送协商请求消息到目标节点接收到协商请求消息的时间间隔以μs计，此处可以忽略该间隔)。

4.节点B根据本节点记录的信息进行以下计算或估计：

(1)根据自身的MDAOP时隙分布以及ATIM窗口时隙分布信息获悉下一个占用时隙的时间距离当前的时隙间隔Interval＝48ms。

(2)节点B从节点A发送的RTX消息获悉要在目标信道上交互报文的时长时长Duration＝8ms。计算节点额外的时间开销Overhead＝1ms(从公用信道切换到专用信道再切换回来的时间以及节点发送信道切换应答消息的时间)。

(3)节点B计算冗余时长Gap＝Interval-Duration-Overhead＝39ms，该冗余时长大于节点B预设的最小时间冗余门限值Min_Gap＝1ms，从而判断当前时隙占用情况不影响该节点接纳信道协商请求的操作。

5.节点B从协商消息中获取到信道信息为第3个信道，判断该信道不可用，节点B向节点A发送CTX消息，消息中携带Reason Code＝2表示信道不可用导致协商失败，Suggested Information＝5表示建议协商切换到第5个信道上。

可以定义CTX的结构如下：

Frame Control

Duration

RA

Reason Code

Suggested Information

FCS

其中，各字段的含义如下：

Frame control：MAC帧格式中的帧控制域，该信息包括了MAC帧的一些基本信息和节点的PS模式；

Duration：时长信息，用于更新NAV值，NAV(网络分配矢量)，邻居节点根据该信息获悉当前信道将被占用的时间长度，并避免在这段时间内接入信道；

RA：接收节点的地址信息；

Reason Code：目标节点应答RTX请求的原因码，0代表成功，其他代表的是对应的失败原因码，是在现有格式中增加的字段；

Suggested Information：对应Reason Code的失败原因给出应答的建议信息，是在现有格式中增加的字段；

FCS：帧检验序列号。

6.节点A接收到CTX消息，根据失败的reason code值解析出SuggestedInformation对应的信息为可用信道信息，根据Suggested Information＝5解析出建议的可用信道为第5个信道。据此，节点A重新选择第5个信道作为专用信道发起CCF。

由上述各实例可以看出，利用本发明，可以有效地避免现有CCF机制对Mesh节点的MDA方式和节电管理机制中的ATIM窗口产生的影响，使CCF机制和MDA机制或节电管理机制，或者这三种机制共存而不会对其产生影响。

为了实现本发明，需要Mesh网络节点设备能够在需要使用CCF机制进行业务交互时，根据其自身时隙占用情况来进行决策，是否可以发起信道切换请求或接受对方节点的信道切换请求。为此，本发明还提供了一种无线网格网络节点设备。

参照图4，图4是本发明无线网格网络节点设备的一个优选实施例的原理框图：

该节点设备包括：依次通过信号相连的时隙占用情况记录单元S1、决策单元S2、消息收发单元S3。其中，

时隙占用情况记录单元S1用于记录本节点的时隙占用情况，所述时隙占用情况包括采用网格的确定性接入MDA方式选定的MDAOP时隙占用情况、宣告业务指示消息ATIM窗口的时隙占用情况。除此之外，还需要记录本节点周期性广播的消息的发送时隙占用情况，以避免影响本节点周期性广播消息的发送。记录的时隙占用情况信息至少包括：时隙的起始时间点，该起始时间点为绝对时间值或者是参考时间零点的一个时间偏置值。还可以包括：每个时隙持续的时长；如果所述时隙占用情况是周期性的，则记录的时隙占用情况信息还可以包括：每个时隙分布的周期值。

决策单元S2用于在需要使用公用信道框架机制进行业务交互时，根据所述时隙占用情况信息确定当前能否向网络中的其他节点发起信道切换请求或者在接收到网络中其他节点发来的信道切换请求消息后，根据所述时隙占用情况信息确定是否接受该信道切换请求，并将决策结果通知消息收发单元；消息收发单元S3用于与网络内其他节点进行消息交互。

决策单元S2包括：时隙间隔计算单元S21、估计单元S22、差值计算单元S23、判决单元S24。其中，

时隙间隔计算单元S21用于根据所述时隙占用情况信息计算下一个占用时隙的起始时间距离当前时间的时间间隔。

估计单元S22用于估计节点执行公用信道框架操作的过程时长。对于源节点，具体包括：源节点信道切换所需的开销时长Switch_Overhead和在专用信道上发送报文的时长Duration以及节点间交互信道切换请求和应答消息的时长Negotiation_Overhead；对于目标节点，具体包括：目标节点信道切换所需的开销时长Switch_Overhead和源节点在专用信道上发送报文的时长Duration以及节点发送应答消息的时长Negotiation_Overhead。

差值计算单元S23用于计算所述时间间隔与所述执行公用信道框架操作的过程时长的差值。

判决单元S24用于根据所述本节点的时隙占用情况信息、差值计算单元的计算结果及所述时间冗余门限值确定当前能否向网络中的其他节点发起信道切换请求或者是否接受网络中其他节点发来的信道切换请求，如果本节点当前未处于占用时隙内，并且所述差值大于一个设定的时间冗余门限值并且有可用信道，则通知消息收发单元向目标节点发送信道切换请求消息；如果本节点当前未处于占用时隙内，并且所述差值大于一个设定的时间冗余门限值并且请求切换到的专用信道可用，则通知消息收发单元向源节点发送成功的应答消息。

为了方便设备对设定的时间冗余门限值的调整，还可以在该节点设备中设置一个门限值设定单元S4，用于设定时间冗余门限值。

当该节点设备作为源节点意图向网络中的其他节点发起CCF机制来进行业务交互时，由决策单元根据时隙占用情况记录单元记录的本节点的时隙占用情况信息以及是否有可用信道判断当前能否发起信道切换请求。决策单元中各单元进行计算、估计、判决的过程与前面对本发明方法的描述类似，在此不再赘述。如果可以，则通知消息收发单元向目标节点发送信道切换请求消息，并在该消息中携带请求切换到的专用信道信息。除此之外，还可以携带本节点在专用信道上发送报文的时长信息。

当该节点设备作为目标节点，消息收发单元接收到网络中其他节点发来的信道切换请求消息后，由决策单元根据时隙占用情况记录单元记录的本节点的时隙占用情况信息以及请求切换到的专用信道的可用状态判断是否接受该信道切换请求。决策单元中各单元进行计算、估计、判决的过程与前面对本发明方法的描述类似，在此不再赘述。如果可以，则通知消息收发单元向源节点发送成功的应答消息；否则，通知消息收发单元向源节点发送失败的应答消息，并可以在该应答消息中携带失败原因和/或建议的协商信道切换的信息。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (17)

1.一种无线网格网络中实现公用信道框架机制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、当节点需要使用公用信道框架机制进行业务交互时，源节点和目标节点根据自身节点的时隙占用情况以及可用的专用信道进行信道切换过程；

B、源节点和目标节点在切换到的专用信道上进行报文交互。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

无线网格网络中各节点分别记录本节点的至少一种时隙占用情况，所述时隙占用情况包括采用网格的确定性接入MDA方式选定的MDAOP时隙占用情况、宣告业务指示消息ATIM窗口的时隙占用情况。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括：

A1、源节点根据本节点记录的时隙占用情况信息以及是否有可用信道确定当前能否发起信道切换请求；

A2、如果可以发起信道切换请求，则向目标节点发送信道切换请求消息，并在该消息中携带请求切换到的专用信道信息；

A3、目标节点接收到所述信道切换请求消息后，根据本节点记录的时隙占用情况信息以及请求切换到的专用信道的可用状态确定是否接受该信道切换请求；

A4、如果接受，则向源节点发送成功的应答消息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤A1包括：

源节点判断当前是否处于占用时隙内；

如果处于占用时隙内，则不能发起信道切换请求；

如果不是处于占用时隙内，则源节点计算下一个占用时隙的起始时间距离当前时间的时间间隔；

估计源节点执行此次公用信道框架机制操作的过程时长；

如果所述时间间隔与所述过程时长的差值大于预设的第一时间冗余门限值并且有可用信道，则可以发起信道切换请求；

否则，不能发起信道切换请求。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述源节点执行此次公用信道框架机制操作的过程时长包括：

源节点信道切换所需的开销时长和在专用信道上发送报文的时长以及交互信道切换请求以及应答消息的时长。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述信道切换请求消息中携带所述源节点在专用信道上发送报文的时长信息。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤A3包括：

目标节点计算下一个占用时隙的起始时间距离当前时间的时间间隔；

估计目标节点执行此次公用信道框架机制操作的过程时长；

如果所述时间间隔与所述过程时长的差值大于预设的第二时间冗余门限值并且源节点请求的专用信道可用，则可以接受该信道切换请求；

否则，不接受该信道切换请求。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述估计目标节点执行此次公用信道框架机制操作的过程时长的步骤包括：

估计目标节点信道切换所需的开销时长；

确定源节点在专用信道上发送报文的时长以及发送信道切换应答消息的时长。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述确定源节点在专用信道上发送报文的时长的步骤具体为：

如果所述信道切换请求消息中携带了所述源节点在专用信道上发送报文的时长信息，则将该时长作为目标节点计算所需的源节点在专用信道上发送报文的时长；否则，

将预先设定的允许发送报文的最大时长作为目标节点计算所需的源节点在专用信道上发送报文的时长。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述记录的时隙占用情况信息至少包括：时隙的起始时间点，该起始时间点为绝对时间值或者是参考时间零点的一个时间偏置值。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述记录的时隙占用情况信息还包括：每个时隙分布的周期值、每个时隙持续的时长。

12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤A进一步包括：

A5、如果目标节点不接受所述信道切换请求，则向源节点发送失败的应答消息，并在该应答消息中携带失败原因和/或建议的协商信道切换的信息。

13.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述信道切换请求消息为请求切换消息RTX；

所述应答消息为清除切换消息CTX。

14.一种无线网格网络节点设备，包括：消息收发单元，用于与网络内其他节点进行消息交互，其特征在于，还包括：

决策单元，用于在需要使用公用信道框架机制进行业务交互时，根据本节点的时隙占用情况确定当前能否向网络中的其他节点发起信道切换请求或者在接收到网络中其他节点发来的信道切换请求消息后，根据所述时隙占用情况确定是否接受该信道切换请求，并将决策结果通知消息收发单元。

15.根据权利要求14所述的无线网格网络节点设备，其特征在于，所述节点设备还包括：

时隙占用情况记录单元，用于记录本节点的至少一种时隙占用情况，所述时隙占用情况包括采用网格的确定性接入MDA方式选定的MDAOP时隙占用情况、宣告业务指示消息ATIM窗口的时隙占用情况。

16.根据权利要求14所述的无线网格网络节点设备，其特征在于，所述节点设备还包括：

门限值设定单元，与所述决策单元相连，用于设定时间冗余门限值。

17.根据权利要求16所述的无线网格网络节点设备，其特征在于，所述决策单元包括：

时隙间隔计算单元，用于根据所述时隙占用情况信息计算下一个占用时隙的起始时间距离当前时间的时间间隔；

估计单元，用于估计节点执行本次共用信道框架机制操作的过程时长；

差值计算单元，用于计算所述时间间隔与所述过程时长的差值；

判决单元，用于根据所述本节点的时隙占用情况信息、差值计算单元的计算结果及所述时间冗余门限值确定当前能否向网络中的其他节点发起信道切换请求或者是否接受网络中其他节点发来的信道切换请求，如果本节点当前未处于占用时隙内，并且所述差值大于所述时间冗余门限值并且有可用信道，则通知消息收发单元向目标节点发送信道切换请求消息；如果本节点当前未处于占用时隙内，并且所述差值大于所述时间冗余门限值并且请求切换到的专用信道可用，则通知消息收发单元向源节点发送成功的应答消息。

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