CN101977385A - 一种支持QoS的规模可扩展单跳ad hoc网络动态时隙分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种支持QoS的规模可扩展单跳ad hoc网络动态时隙分配方法。该方法在建网初始化过程中要求全网节点竞争广播信标帧，并采用分布式的方式判断网络中的每一个节点是否均已成功收到了其余节点广播的信标帧，从而获取依次排序的唯一身份标识符，并获知建网初始时刻网络节点的总数量。在网络运行过程中，该方法将全网节点的时间轴同步划分为一系列连续、不定长的网络时帧，节点在每一个网络时帧内发起数据传输，传输过程包括节点同步、时隙请求、时隙分配和数据发送四个阶段。同时，本方法可以有效支持新节点入网络和节点退网，从而满足网络规模动态扩展的需求。无线网络仿真环境QualNet中的仿真实验数据证明了该方法的有效性。
Description
技术领域
本发明属于无线网络领域，特别涉及支持QoS的规模可扩展单跳ad hoc网络动态时隙分配方法。
背景技术
Ad hoc网络是一种新型的无线网络。它由一系列地位完全平等的移动节点组成，无需任何固定或预设的网络设施。网络中的每个节点在信道访问控制(Medium Access Control，MAC)协议的控制下接入无线信道，从而实现信息和服务的共享。由于具有组网快速灵活、可靠性高的特点，ad hoc网络已被广泛应用于无法提供固定通信基础设施的环境中，比如野战通信、抢险救灾、野外科考、临时会议等。
MAC协议是ad hoc网络协议栈研究的重点内容。该协议决定共享无线信道的使用方式，负责为节点分配无线通信资源并控制节点物理层，因而直接影响着网络整体性能。现有的无线ad hoc网络典型MAC协议大致可以分为异步共享接入和同步时隙分配接入两种类型。异步共享接入协议不需要网络节点保持时间同步，通常又可以划分为受控接入和随机接入两种类型。其中，受控接入协议采用令牌环技术。在该类协议中，令牌是一种特殊的控制帧，它在各个节点中依照一定的顺序进行传递。节点对信道的使用权通过令牌实现分配，在某一时刻，只允许拥有令牌的节点接入无线信道。令牌环技术使得节点能按照一定的优先级接入无线信道，但是在拓扑动态变化的无线ad hoc网络环境中，令牌的传递和维护是非常复杂的。随机接入协议通过载波检测机制避免发送节点之间的冲突，并采用RTS/CTS控制帧握手的方法部分的解决了隐终端问题，因而便于多跳ad hoc网络环境下的应用。同时，该类协议提供的分布式接入方式较为灵活，在网络业务数据量较小的情况下，采用该类MAC协议可以获得较好的网络性能。但是，随着网络业务数据量的增加，随机接入协议将导致发送节点之间的冲突加剧，从而引起网络性能的严重下降。
同步时隙分配接入协议要求网络节点保持时间同步，然后将各节点统一的时间轴划分为一系列连续的时隙，并采用某种时隙分配方法将时隙分配给指定的收/发节点对，从而允许各个节点以时分多址(TDMA)的方式接入无线信道。由于每个时隙为一对特定的收/发节点提供了独立的无冲突数据传输通道，因而同步MAC协议具有较高的数据传输效率及可靠的传输时延保障，在对网络数据业务具有较高的服务质量保证需求(Quality of Service，QoS)的应用环境下，该类MAC协议得到了广泛的应用。本发明涉及的即为单跳ad hoc网络环境下同步MAC协议的时隙分配方法。
目前，同步时隙分配接入协议中最常见的时隙分配方法包括两种类型。第一种类型是时隙固定分配与随机竞争相结合的方法，该类方法将网络时间轴划分为一系列连续、长度相同的时帧，每个时帧由一定数量的固定分配时隙和随机竞争时隙组成，然后依据一定的准则将每个时帧中的固定分配时隙分配给网络节点。在相应的固定分配时隙内，节点即可发起数据传输。同时，在每一个时帧的随机竞争时隙中，网络节点还可以依据一定的优先级准则竞争发送数据业务，从而提高时隙分配的灵活性。固定分配与随机竞争相结合的时隙分配法虽然实现简单、可以有效控制数据分组延迟，但是在存在突发数据业务的情况下，采用该类方法对时隙进行分配则无法适应网络规模和数据业务的动态变化。同时，当网络负载较重时，采用随机竞争的方法分配时隙会导致网络节点发生严重的冲突，从而降低随机竞争时隙的有效利用率。第二种类型的时隙分配方法是基于邻居控制报文交互的时隙分配法。该类方法要求网络中的每个节点与邻居节点大量交互控制信息报文，从而获知网络中所有邻居节点对时隙的占用情况，并以此为依据为节点自身选择无冲突的数据发送时隙。由于采用上述分布式的工作方式，因而基于邻居控制报文交互的时隙分配法能较好的支持网络规模的动态变化。但是，由于节点之间大量交互控制信息将对网络信道带宽产生巨大的浪费，因此该类方法所获得的网络信道利用率非常低。同时，该类方法也无法为不同类型的数据业务提供相应的服务质量保证。
发明内容
本发明的目的是针对单跳ad hoc网络环境，提出一种能为多种优先级数据业务提供QoS保证，并支持网络规模扩展的动态时隙分配方法。为了实现该目的，本发明所采用的步骤是：
步骤1：建网初始化过程，全网节点竞争广播信标帧，并采用分布式的方式判断网络中的每一个节点是否均已成功收到了其余节点广播的信标帧，从而获取依次排序的唯一身份标识符，并获知建网初始时刻网络节点的总数量。具体实现方法为：
(1)全网节点在内存中维护一个身份标识符变量和一个网络节点数变量，变量的初始值均设置为零，在建网初始化过程中，本发明将网络时间轴划分为一系列连续的定长时隙，同时，本发明将时间轴上连续的12个时隙定义为控制帧发送竞争退避窗口CCW，节点在广播信标帧之前，首先在CCW长度的时间范围内随机选择一段以定长时隙为单位的信标帧发送前退避时间，并在退避时间内持续监听信道，若信道保持空闲，则退避时间结束后，节点即可向网络中的其余节点广播信标帧；
(2)如果节点成功接收了网络中某个节点广播的信标帧，则该节点在信标帧接收结束后CCW加1个时隙长度的时间内持续监听信道，如果信道保持空闲，则节点判定本次信标帧广播成功，节点将内存中网络节点数变量的值加1，而如果信道变忙则判定本次信标帧广播失败，并尝试接收新的信标帧；
(3)如果节点接收信标帧失败，且该节点尚未成功向网络中的其他节点广播信标帧，则信道恢复空闲后，节点依照前述方法退避并广播自身的信标帧，如果节点接收信标帧失败，且该节点已成功广播了自身的信标帧，则该节点在CCW长度的时间内持续监听信道，若信道保持空闲，则节点在信道监听时间结束后的第一个时隙内广播忙音信号，告知网络中的其他节点本次信标帧接收失败；
(4)发送节点广播信标帧结束后，在CCW加1个时隙的时间范围内持续监听信道，若信道保持空闲，则发送节点判定信标帧广播成功，节点首先将内存中维护的网络节点数变量的值加1，然后将本节点的身份标识符设置为网络节点数变量的当前值，并将该值存入身份标识符变量中，而若信道变忙，则发送节点判定本次信标帧广播失败，节点按照前述方法重新竞争发送信标帧，直至信标帧发送成功；
(5)节点成功广播信标帧后，在CCW长度的时间内持续监听信道，若信道保持空闲，则该节点在信道监听时间结束后的第一个时隙内广播忙音信号，忙音信号广播结束后，该节点在后续CCW长度的时间内继续监听信道，若信道依旧保持空闲，则节点判定建网初始化过程结束，节点内存中维护的网络节点数变量的值即为当前时刻网络节点的总数量。
步骤2：网络运行过程，全网节点的时间轴同步划分为一系列连续、不定长的网络时帧，网络时帧由时间上连续的同步时隙、请求时隙、分配时隙和数据时隙组成，节点在网络时帧内发起数据传输，传输过程包括分别在上述四个时隙内分别完成的节点同步阶段、时隙请求阶段、时隙分配阶段和数据发送阶段，在节点同步阶段，全网节点采用竞争广播同步帧的方法获取同步，并选举当前网络时帧内的管理节点，同步结束后，网络节点在时隙请求阶段向管理节点发送数据传输请求，管理节点根据全网节点的数据传输请求，在时隙分配阶段依照待发送数据分组的优先级次序将数据时隙分配给网络节点，节点在数据时隙内发起数据传输，当前网络时帧结束，全网节点进入下一个网络时帧的节点同步阶段，如此循环，直至网络运行过程终止。
不定长网络时帧结构定义的具体方法为：每个网络时帧由时间上连续的同步时隙、请求时隙、分配时隙和数据时隙组成，同步时隙和分配时隙的长度分别取决于同步帧和数据时隙分配帧广播成功的概率；请求时隙和数据时隙由一系列连续的子时隙组成，请求子时隙的长度固定，假定网络节点总数量为N，则请求子时隙的数量为N+1，其中第1个和第N+1个请求子时隙用于新节点入网，其余N-1个请求子时隙分别用于N-1个节点按照身份标识符的排序依次向管理节点发送数据时隙请求帧；数据子时隙的最大数量为12，节点在每一个数据子时隙内完成一个数据分组的传输，数据子时隙的实际数量和长度取决于当前网络时帧内节点请求传输的数据业务。
节点向管理节点发送数据传输请求的具体方法为：节点通过查询网络层各优先级发送队列中等待发送的数据分组数量，获知当前网络时帧内需要向管理节点请求发送的数据分组信息，并将该信息放入数据时隙请求帧中，在时隙请求阶段与本节点身份标识符相对应的请求子时隙中，节点即可向管理节点发送数据时隙请求帧；管理节点在内存中维护一个用于存储全网节点请求发送数据分组信息的线性链表，时隙请求阶段结束后，管理节点通过遍历该链表，即可获知当前网络时帧内全网节点待发送的数据分组信息。
管理节点分配当前网络时帧的数据子时隙的具体方法为：管理节点将全网节点待发送数据分组的总数量与本发明定义的数据子时隙数量最大值进行比较，将当前网络时帧内数据子时隙的实际数量设置为两者中的较小值，然后按照数据分组发送优先级从高到低的顺序对数据子时隙进行分配，即管理节点首先将数据子时隙随机分配给等待发送最高优先级数据分组的节点，在保证所有最高优先级数据分组均已获得数据子时隙的条件下，如果还有空余数据子时隙，则管理节点依照上述方法为等待发送下一级优先级的数据分组的节点分配数据子时隙，直至所有数据子时隙分配完毕，并向全网节点广播数据时隙分配帧。
节点在数据时隙发起数据传输的具体方法为：全网节点在数据时隙内严格按照优先级从高到低的顺序发送数据分组，且每个数据子时隙只能用于一个数据分组的传输，因此，节点通过接收管理节点广播的数据时隙分配帧，获知各优先级待发送数据分组的数量及本节点发送数据分组的数据子时隙编号后，即可由上述信息确定该节点发送数据分组的每一个数据子时隙的起始时刻，以及在每一个数据子时隙中发送的数据分组的优先级，在这些指定的数据子时隙起始时刻，节点即可从相应的网络层优先级发送队列中依次取出一个数据分组，并在当前数据子时隙内完成该数据分组的传输。
步骤3：新节点入网与节点退网过程，新入网节点和退网节点可在任一网络时帧的时隙请求阶段向管理节点发起入网或退网请求，管理节点应答入网或退网请求后，将新入网节点或退网节点的相关信息告知全网节点，节点获知新节点入网或部分节点退网后全网节点的总数量，并对自身的身份标识符进行更新。
新节点入网的具体方法为：本发明要求新入网节点至少在一个网络时帧内持续监听信道，从而保证节点能通过侦听同步帧和数据时隙分配帧获知时间同步信息和网络节点的总数量N，成功侦听上述信息后，新入网节点在下一个网络时帧的第1个请求子时隙向管理节点发送入网请求帧，同时，本发明采用发送前随机退避的方法避免由于多个新节点同时发送入网请求帧而导致的冲突，管理节点成功收到入网请求帧后，即向新节点发送入网应答帧，若新节点正确收到了入网应答帧，则表明本节点入网成功，入网成功的新节点将自身的NI D设置为N+1，并使用请求时隙的第N+1个子时隙向管理节点发送数据时隙请求帧，数据时隙请求帧发送成功后，管理节点即可为该节点分配数据子时隙，并通过广播数据时隙分配帧，将更新后的网络节点总数量告知全网节点。
节点退网的具体方法为：需要主动退网的节点从当前时刻起不再参与同步帧的竞争广播，同时，在与该节点身份标识符相对应的时隙请求子时隙内，该节点向管理节点发送退网请求帧，管理节点成功收到退网请求帧后，即向该节点发送退网应答帧，若等待退网的节点正确收到了退网应答帧，则表明本节点退网成功，本发明允许多个节点在同一个网络时帧的时隙请求阶段向管理节点发起退网请求，时隙请求阶段结束后，管理节点将当前网络时帧内成功退网节点的身份标识符及退网后网络节点的总数量分别写入数据时隙分配帧的相应字段中，数据时隙分配帧广播成功后，网络中的其余节点即可根据帧中的相应字段获知部分节点退网后全网节点的总数量，并对全网节点依次排序的身份标识符进行更新。
本发明提出的动态时隙分配方法的性能已经在QualNet网络仿真环境中得到了验证。在单跳ad hoc网络中随机分布20个节点，并在这20个节点中随机建立10个发端和收端均不相同的CBR流，发送节点从1s开始每隔一段时间同时向接收节点发送数据包，直至仿真结束。仿真时间为500s，数据包的大小为2000字节，数据传输速率为2Mbps。附图7给出了在不同的数据包到达速率条件下，本发明的仿真结果与静态TDMA协议仿真结果的对比。由附图7所示的仿真结果可以看出，本发明提出的动态时隙分配方法可以获得较高的网络饱和吞吐量和较低的数据包发送延迟。
附图说明
图1是本发明建网初始化过程的流程图；
图2是本发明采用不定长网络时帧划分网络时间轴的示意图；
图3是本发明采用的不定长网络时帧结构示意图；
图4是本发明定义的同步帧格式示意图；
图5是本发明定义的数据时隙请求帧格式示意图；
图6是本发明定义的数据时隙分配帧格式示意图；
图7是本发明的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
在后面的叙述中，本说明书将本发明提出的支持QoS的规模可扩展单跳adhoc网络动态时隙分配方法简记为DSAM(Dynamic Slot-time Allocation Method)。DSAM首先设定了以下网络运行条件：
1、网络节点工作在半双工状态，即在同一时刻，节点只能发送或者接收信号，但不能同时进行发送和接收，数据传输速率为2Mbps，节点传输半径为250m；
2、网络中所有节点在单跳传输范围之内，在同一时刻只允许一对收/发节点进行数据传输，否则将导致数据发送冲突；
3、网络中存在三种优先级业务，最高优先级业务数据分组的大小为500字节，中等优先级业务数据分组的大小为1000字节，最低优先级业务数据分组的大小为2000字节。
以上述条件为基础，本发明提出的DSAM已经在无线网络仿真环境QualNet中获得了实现，并通过QualNet环境中的仿真结果证明了该方法的有效性。DSAM的具体实施步骤为：
步骤1：建网初始化过程，网络中的每个节点采用分布式的方式获取依次排序的唯一身份标识符，并获知当前时刻网络节点的总数量。
为了记录节点的身份标识符和当前时刻网络节点的总数量，DSAM要求节点在内存中维护一个身份标识符变量(NID)和一个网络节点数变量(NNC)，变量的初始值均设置为零。在建网初始化过程中，节点采用竞争广播信标帧的方法获取依次排序的唯一身份标识符，并获知建网初始时刻网络节点的总数量。为了实现信标帧的竞争广播，在建网初始化过程中，DSAM将网络时间轴划分为一系列连续的定长时隙，每个时隙长度为20μs。同时，DSAM将时间轴上连续的12个时隙定义为控制帧发送竞争退避窗口(CCW)。节点在广播信标帧之前，首先在CCW长度的时间范围内随机选择一段以20μs定长时隙为单位的信标帧发送前退避时间，并在退避时间内持续监听信道。若信道保持空闲，则退避时间结束后，节点即可向网络中的其余节点广播信标帧。
由网络运行条件1和2可知，如果网络中有两个及以上的节点选择退避相同的时间后广播信标帧，则多个信标帧在接收节点处将发生冲突，导致信标帧接收失败，而广播信标帧的节点却无法获知该冲突。同时，网络背景噪声的变化也可能导致信标帧接收失败。DSAM采用分布式的方式判断网络中的每一个节点是否均已成功收到了其余节点广播的信标帧，并获知网络节点的总数量。具体实现方法为：
1、如果节点成功接收了网络中某个节点广播的信标帧，则该节点在信标帧接收结束后CCW加1个时隙长度的时间内持续监听信道。如果信道保持空闲，则节点判定本次信标帧广播成功，节点将内存中NNC变量的值加1；而如果信道变忙则判定本次信标帧广播失败，并尝试接收新的信标帧。
2、如果节点接收信标帧失败，且该节点尚未成功向网络中的其他节点广播信标帧，则信道恢复空闲后，节点依照前述方法退避并广播自身的信标帧。如果节点接收信标帧失败，且该节点已成功广播了自身的信标帧，则该节点在CCW长度的时间内持续监听信道。若信道保持空闲，则节点在信道监听时间结束后的第一个时隙内广播忙音信号，告知网络中的其他节点本次信标帧接收失败。
3、发送节点广播信标帧结束后，在CCW加1个时隙的时间范围内持续监听信道。若信道保持空闲，则发送节点判定信标帧广播成功，节点首先将内存中维护的NNC变量的值加1，然后将本节点的身份标识符设置为NNC变量的当前值，并将该值存入NID变量中；而若信道变忙，则发送节点判定本次信标帧广播失败，节点按照前述方法重新竞争发送信标帧，直至信标帧发送成功。
4、节点成功广播信标帧后，在CCW长度的时间内持续监听信道。若信道保持空闲，则该节点在信道监听时间结束后的第一个时隙内广播忙音信号。忙音信号广播结束后，该节点在后续CCW长度的时间内继续监听信道。若信道依旧保持空闲，则节点判定建网初始化过程结束。节点内存中维护的NNC变量的值即为当前时刻网络节点的总数量。
建网初始化过程的详细流程如附图1所示。
步骤2：网络运行过程，全网节点的时间轴同步划分为一系列连续、不定长的网络时帧。节点在依次在每一个网络时帧内发起数据传输，传输过程包括节点同步、时隙请求、时隙分配和数据发送四个工作阶段。
1、不定长网络时帧结构的定义。
如附图2所示，在网络运行过程中，DSAM将网络时间轴划分为一系列连续的网络时帧。每个网络时帧由时间上连续的同步时隙、请求时隙、分配时隙和数据时隙组成，附图3给出了网络时帧结构定义的示意图。同步时隙和分配时隙的长度分别取决于同步帧和数据时隙分配帧广播成功的概率。请求时隙和数据时隙则由一系列连续的子时隙组成，其中请求子时隙的长度固定，其数量由当前网络节点的总数量决定；数据子时隙的最大数量为12，节点在每一个数据子时隙内完成一个数据分组的传输，数据子时隙的实际数量和长度取决于当前网络时帧内节点请求传输的数据业务。表1给出了本实施例设定的请求子时隙和各类数据子时隙的长度。因此，综合上述网络时帧结构的定义可知，DSAM提出的网络时帧长度是不固定的。
表1本实施例设定的各类子时隙长度
2、节点同步阶段。
节点同步阶段在网络时帧的同步时隙内完成。在该阶段内，网络中的节点采用竞争广播同步帧的方法，实现网络中节点间的时间同步，并产生当前网络时帧的管理节点，用于完成帧内数据子时隙的分配。同步帧格式的定义如附图4所示。节点在广播同步帧之前，首先在CCW长度的时间范围内随机选择一段以20μs定长时隙为单位的同步帧发送前退避时间，并在退避时间内持续监听信道。若信道保持空闲，则退避时间结束后，节点即可向网络中的其余节点广播同步帧。同时，DSAM采用以下分布式的方法判断同步帧广播是否成功：
(1)发送节点广播同步帧后，在CCW长度的时间内持续监听信道，如果信道保持空闲，则判定本次同步帧广播成功，本节点当选为当前网络时帧的管理节点，负责完成全网节点数据时隙的分配，节点同步阶段结束；如果在CCW长度的时间内信道变忙，则节点判定本次同步帧广播失败，并尝试接收其他节点广播的同步帧。
(2)如果节点成功接收了网络中某个节点广播的同步帧，则该节点在同步帧接收结束后CCW长度的时间内持续监听信道，如果信道保持空闲，则节点判定同步帧广播成功，该同步帧的广播节点即为当前网络时帧的管理节点，并采用同步帧中携带的同步时间信息对自身的时钟进行校准；如果信道在CCW长度的时间内变忙，则节点判定同步帧广播失败，并尝试重新接收新的同步帧。
(3)如果节点接收同步帧失败，则节点等待信道恢复空闲后，在CCW窗口范围内随机选择退避时间并监听信道，如果在退避时间内信道保持空闲，则退避过程结束后，该节点向网络中的其他节点广播同步帧。
3、时隙请求阶段。
时隙请求阶段在网络时帧的请求时隙内完成。如附图3所示，DSAM将请求时隙划分为N+1个请求子时隙，N为当前网络中的节点数。其中，第1个和第N+1个请求子时隙用于新入网节点，其余N-1个请求子时隙用于网络中除管理节点外的N-1个节点，它们在这些时隙中将各自待发送数据分组的详细信息告知管理节点。
在时隙请求阶段，节点通过查询网络层各优先级发送队列中等待发送的数据分组数量，获知当前网络时帧内需要向管理节点请求发送的数据分组信息，并将该信息放入数据时隙请求帧中。数据时隙请求帧的格式如附图5所示。在时隙请求阶段与本节点NID相对应的请求子时隙中，节点即可向管理节点发送数据时隙请求帧。
管理节点在内存中维护一个用于存储各节点请求发送数据分组信息的线性链表(RDL)。RDL中的每个结点由存储后继结点位置信息的指针域和存放数据元素信息的数据域组成。其中，头结点指针域中的指针给出了头结点的存放地址，尾结点指针域中的指针为“空”(NULL)，而其余结点指针域中的指针则指向RDL的下一个结点的存放地址。结点数据域包含以下信息：(1)节点NID；(2)该节点各优先级队列中待发送数据分组的数量。
管理节点首先将自身的数据分组信息存入RDL的头结点，然后在时隙请求阶段的各个请求子时隙中接收其余节点发送的数据时隙请求帧。每收到一个数据时隙请求帧后，管理节点在RDL的尾部插入一个新结点，并将数据时隙请求帧中的相关信息存入结点的数据域。时隙请求阶段结束后，管理节点通过遍历RDL，即可获知当前网络时帧内全网节点待发送的数据分组信息。
4、时隙分配阶段。
时隙分配阶段在网络时帧的分配时隙内完成。在该阶段内，管理节点根据RDL中存储的全网节点待发送数据分组信息，对本网络时帧数据发送阶段的数据子时隙进行分配，并通过广播数据时隙分配帧，将数据子时隙的分配情况告知网络中的各个节点。数据时隙分配帧格式的定义如附图6所示。
管理节点将全网节点待发送数据分组的总数量与DSAM定义的数据子时隙数量最大值进行比较，将当前网络时帧内数据子时隙的实际数量设置为两者中的较小值，然后按照数据分组发送优先级从高到低的顺序对数据子时隙进行分配。具体分配方法为：管理节点首先将数据子时隙随机分配给等待发送最高优先级数据分组的节点，在保证所有最高优先级数据分组均已获得数据子时隙的条件下，如果还有空余数据子时隙，则管理节点依照上述方法为等待发送下一级优先级的数据分组的节点分配数据子时隙，直至所有数据子时隙分配完毕。
数据子时隙分配完毕后，管理节点将当前时刻网络节点总数量、本时帧内发送的各优先级数据分组数量、各节点分配的数据子时隙号等信息分别写入数据时隙分配帧的相应字段中。同时，数据时隙分配帧中的退网节点NID字段用于节点退网过程，在当前网络时帧内没有节点成功退网的情况下，该字段的值设置为NULL。为了保证节点均能正确接收管理节点广播的数据时隙分配帧，DSAM要求节点在内存中维护一个等待数据时隙分配帧超时的定时器(WAT)，该定时器的初值设置为数据时隙分配帧的传输时延加传播时延的最大值。在本实施例中，定时器的初值为220μs，时隙请求阶段结束后，全网节点即开启该定时器。数据时隙分配帧广播的具体方法为：
(1)管理节点在时隙分配阶段完成数据子时隙分配后，即向网络中的其余节点广播数据时隙分配帧。广播结束后，管理节点在WAT定时器超时后20μs长度的时间内持续监听信道。如果信道变忙，则判定本次数据时隙分配帧广播失败，管理节点在监听过程结束后重新开启WAT定时器，并重新广播数据时隙分配帧；如果信道保持空闲，则判定数据时隙分配帧广播成功，管理节点在监听过程结束后即进入数据发送阶段。
(2)如果节点等待WAT定时器超时后仍未成功接收管理节点广播的数据时隙分配帧，则节点判定本次数据时隙分配帧广播失败。该节点在WAT定时器超时后20μs长度的时间内广播忙音信号，广播完毕后即重新开启WAT定时器，并等待接收新的数据时隙分配帧。
(3)如果节点在WAT定时器超时之前成功接收了管理节点广播的数据时隙分配帧，则该节点在WAT定时器超时前保持空闲，并在WAT定时器超时后的20μs长度的时间内持续监听信道。如果信道变忙，则判定本次数据时隙分配帧广播失败，节点在监听过程结束后重新开启WAT定时器，并等待重新接收数据时隙分配帧；如果信道保持空闲，则判定本次数据时隙分配帧广播成功，节点在监听过程结束后即进入数据发送阶段。
5、数据发送阶段。
数据发送阶段在数据时隙内完成。由上述数据子时隙分配方法可知，全网节点在数据时隙内严格按照优先级从高到低的顺序发送数据分组，且每个数据子时隙只能用于一个数据分组的传输。因此，节点通过接收管理节点广播的数据时隙分配帧，获知各优先级待发送数据分组的数量及本节点发送数据分组的数据子时隙编号后，即可由上述信息确定该节点发送数据分组的每一个数据子时隙的起始时刻，以及在每一个数据子时隙中发送的数据分组的优先级。在这些指定的数据子时隙起始时刻，节点即可从相应的网络层优先级发送队列中依次取出一个数据分组，并在当前数据子时隙内完成该数据分组的传输。
各个数据子时隙内的数据分组传输完成后，当前网络时帧结束。全网节点进入下一个网络时帧的节点同步阶段。
步骤3：新节点入网与节点退网过程，更新网络节点身份标识符的排序及全网节点总数量。
1、新节点入网过程。
当有新节点加入网络时，DSAM要求节点至少在一个网络时帧内持续监听信道，从而保证节点能通过侦听同步帧和数据时隙分配帧获知时间同步信息和网络节点的总数量(假定为N)。成功侦听上述信息后，新入网节点在下一个网络时帧的第1个请求子时隙向管理节点发送入网请求帧。同时，在第1个请求子时隙内，为了避免由于多个新节点同时发送入网请求帧而导致冲突，DSAM要求节点在发送入网请求帧之前，首先在CCW长度的时间范围内随机选择一段以20μs定长时隙为单位的入网退避时间，并在退避时间内持续监听信道。若信道保持空闲，新节点退避结束后即可向管理节点发送入网请求帧；而若信道变忙，新节点则等待在下一个网络时帧内重新竞争发送入网请求帧。管理节点成功收到入网请求帧后，即向新节点发送入网应答帧。若新节点正确收到了入网应答帧，则表明本节点入网成功。入网请求帧和入网应答帧的传输时间之和小于请求子时隙的长度。
入网成功后，新节点将自身的NID设置为N+1，并使用请求时隙的第N+1个子时隙向管理节点发送数据时隙请求帧。数据时隙请求帧发送成功后，管理节点即可为该节点分配数据子时隙，并通过广播数据时隙分配帧，将更新后的网络节点总数量告知全网节点。
2、节点退网过程。
如果某节点需要主动退出网络，则该节点从当前时刻起不再参与同步帧的竞争广播。同时，在与该节点NID相对应的时隙请求子时隙内，该节点向管理节点发送退网请求帧，管理节点成功收到退网请求帧后，即向该节点发送退网应答帧。若等待退网的节点正确收到了退网应答帧，则表明本节点退网成功。退网请求帧和退网应答帧的传输时间之和小于请求子时隙的长度。
DSAM允许多个节点在同一个网络时帧的时隙请求阶段向管理节点发起退网请求。时隙请求阶段结束后，管理节点将当前网络时帧内成功退网节点的NID及退网后网络节点的总数量分别写入数据时隙分配帧的相应字段中。数据时隙分配帧广播成功后，网络中的其余节点即可根据帧中的相应字段更新自身内存中维护的NNC变量和NID变量。其中NID变量的更新方法为：节点将自身NID依次与退网节点NID进行比较，若节点自身NID大于退网节点NID，则节点将自身NID变量的值减1；反之，节点保持自身NID不变。
本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种支持QoS的规模可扩展单跳ad hoc网络动态时隙分配方法，所采用的步骤是：
步骤1：建网初始化过程，全网节点竞争广播信标帧，并采用分布式的方式判断网络中的每一个节点是否均已成功收到了其余节点广播的信标帧，从而获取依次排序的唯一身份标识符，并获知建网初始时刻网络节点的总数量；
步骤2：网络运行过程，全网节点的时间轴同步划分为一系列连续、不定长的网络时帧，网络时帧由时间上连续的同步时隙、请求时隙、分配时隙和数据时隙组成，节点在网络时帧内发起数据传输，传输过程包括在上述四个时隙内分别完成的节点同步阶段、时隙请求阶段、时隙分配阶段和数据发送阶段，在节点同步阶段，全网节点采用竞争广播同步帧的方法获取同步，并选举当前网络时帧内的管理节点，同步结束后，网络节点在时隙请求阶段向管理节点发送数据传输请求，管理节点根据全网节点的数据传输请求，在时隙分配阶段依照待发送数据分组的优先级次序将数据时隙分配给网络节点，节点在数据时隙内完成数据传输后，当前网络时帧结束，全网节点进入下一个网络时帧的节点同步阶段，如此循环，直至网络运行过程终止；
步骤3：新节点入网与节点退网过程，新入网节点和退网节点可在任一网络时帧的时隙请求阶段向管理节点发起入网或退网请求，管理节点应答入网或退网请求后，将新入网节点或退网节点的相关信息告知全网节点，节点获知新节点入网或部分节点退网后全网节点的总数量，并对自身的身份标识符进行更新。
2.根据权利要求1所述的一种支持QoS的规模可扩展单跳ad hoc网络动态时隙分配方法，其特征在于全网节点采用分布式的方式获取依次排序的唯一身份标识符，并获知网络节点总数量的具体方法为：
(1)全网节点在内存中维护一个身份标识符变量和一个网络节点数变量，变量的初始值均设置为零，在建网初始化过程中，本发明将网络时间轴划分为一系列连续的定长时隙，同时，本发明将时间轴上连续的12个时隙定义为控制帧发送竞争退避窗口CCW，节点在广播信标帧之前，首先在CCW长度的时间范围内随机选择一段以定长时隙为单位的信标帧发送前退避时间，并在退避时间内持续监听信道，若信道保持空闲，则退避时间结束后，节点即可向网络中的其余节点广播信标帧；
(2)如果节点成功接收了网络中某个节点广播的信标帧，则该节点在信标帧接收结束后CCW加1个时隙长度的时间内持续监听信道，如果信道保持空闲，则节点判定本次信标帧广播成功，节点将内存中网络节点数变量的值加1，而如果信道变忙则判定本次信标帧广播失败，并尝试接收新的信标帧；
(3)如果节点接收信标帧失败，且该节点尚未成功向网络中的其他节点广播信标帧，则信道恢复空闲后，节点依照前述方法退避并广播自身的信标帧，如果节点接收信标帧失败，且该节点已成功广播了自身的信标帧，则该节点在CCW长度的时间内持续监听信道，若信道保持空闲，则节点在信道监听时间结束后的第一个时隙内广播忙音信号，告知网络中的其他节点本次信标帧接收失败；
(4)发送节点广播信标帧结束后，在CCW加1个时隙的时间范围内持续监听信道，若信道保持空闲，则发送节点判定信标帧广播成功，节点首先将内存中维护的网络节点数变量的值加1，然后将本节点的身份标识符设置为网络节点数变量的当前值，并将该值存入身份标识符变量中，而若信道变忙，则发送节点判定本次信标帧广播失败，节点按照前述方法重新竞争发送信标帧，直至信标帧发送成功；
(5)节点成功广播信标帧后，在CCW长度的时间内持续监听信道，若信道保持空闲，则该节点在信道监听时间结束后的第一个时隙内广播忙音信号，忙音信号广播结束后，该节点在后续CCW长度的时间内继续监听信道，若信道依旧保持空闲，则节点判定建网初始化过程结束，节点内存中维护的网络节点数变量的值即为当前时刻网络节点的总数量。
3.根据权利要求1所述的一种支持QoS的规模可扩展单跳ad hoc网络动态时隙分配方法，其特征在于不定长网络时帧结构定义的具体方法为：每个网络时帧由时间上连续的同步时隙、请求时隙、分配时隙和数据时隙组成，同步时隙和分配时隙的长度分别取决于同步帧和数据时隙分配帧广播成功的概率；请求时隙和数据时隙由一系列连续的子时隙组成，请求子时隙的长度固定，假定网络节点总数量为N，则请求子时隙的数量为N+1，其中第1个和第N+1个请求子时隙用于新节点入网，其余N-1个请求子时隙分别用于N-1个节点按照身份标识符的排序依次向管理节点发送数据时隙请求帧；数据子时隙的最大数量为12，节点在每一个数据子时隙内完成一个数据分组的传输，数据子时隙的实际数量和长度取决于当前网络时帧内节点请求传输的数据业务。
4.根据权利要求1或3所述的一种支持QoS的规模可扩展单跳ad hoc网络动态时隙分配方法，其特征在于节点向管理节点发送数据传输请求的具体方法为：节点通过查询网络层各优先级发送队列中等待发送的数据分组数量，获知当前网络时帧内需要向管理节点请求发送的数据分组信息，并将该信息放入数据时隙请求帧中，在时隙请求阶段与本节点身份标识符相对应的请求子时隙中，节点即可向管理节点发送数据时隙请求帧；管理节点在内存中维护一个用于存储全网节点请求发送数据分组信息的线性链表，时隙请求阶段结束后，管理节点通过遍历该链表，即可获知当前网络时帧内全网节点待发送的数据分组信息。
5.根据权利要求1或3所述的一种支持QoS的规模可扩展单跳ad hoc网络动态时隙分配方法，其特征在于管理节点分配当前网络时帧的数据子时隙的具体方法为：管理节点将全网节点待发送数据分组的总数量与本发明定义的数据子时隙数量最大值进行比较，将当前网络时帧内数据子时隙的实际数量设置为两者中的较小值，然后按照数据分组发送优先级从高到低的顺序对数据子时隙进行分配，即管理节点首先将数据子时隙随机分配给等待发送最高优先级数据分组的节点，在保证所有最高优先级数据分组均已获得数据子时隙的条件下，如果还有空余数据子时隙，则管理节点依照上述方法为等待发送下一级优先级的数据分组的节点分配数据子时隙，直至所有数据子时隙分配完毕，并向全网节点广播数据时隙分配帧。
6.根据权利要求1或3所述的一种支持QoS的规模可扩展单跳ad hoc网络动态时隙分配方法，其特征在于节点在数据时隙发起数据传输的具体方法为：全网节点在数据时隙内严格按照优先级从高到低的顺序发送数据分组，且每个数据子时隙只能用于一个数据分组的传输，因此，节点通过接收管理节点广播的数据时隙分配帧，获知各优先级待发送数据分组的数量及本节点发送数据分组的数据子时隙编号后，即可由上述信息确定该节点发送数据分组的每一个数据子时隙的起始时刻，以及在每一个数据子时隙中发送的数据分组的优先级，在这些指定的数据子时隙起始时刻，节点即可从相应的网络层优先级发送队列中依次取出一个数据分组，并在当前数据子时隙内完成该数据分组的传输。
7.根据权利要求1或3所述的一种支持QoS的规模可扩展单跳ad hoc网络动态时隙分配方法，其特征在于新节点入网的具体方法为：本发明要求新入网节点至少在一个网络时帧内持续监听信道，从而保证节点能通过侦听同步帧和数据时隙分配帧获知时间同步信息和网络节点的总数量N，成功侦听上述信息后，新入网节点在下一个网络时帧的第1个请求子时隙向管理节点发送入网请求帧，同时，本发明采用发送前随机退避的方法避免由于多个新节点同时发送入网请求帧而导致的冲突，管理节点成功收到入网请求帧后，即向新节点发送入网应答帧，若新节点正确收到了入网应答帧，则表明本节点入网成功，入网成功的新节点将自身的NID设置为N+1，并使用请求时隙的第N+1个子时隙向管理节点发送数据时隙请求帧，数据时隙请求帧发送成功后，管理节点即可为该节点分配数据子时隙，并通过广播数据时隙分配帧，将更新后的网络节点总数量告知全网节点。
8.根据权利要求1或3所述的一种支持QoS的规模可扩展单跳ad hoc网络动态时隙分配方法，其特征在于节点退网的具体方法为：需要主动退网的节点从当前时刻起不再参与同步帧的竞争广播，同时，在与该节点身份标识符相对应的时隙请求子时隙内，该节点向管理节点发送退网请求帧，管理节点成功收到退网请求帧后，即向该节点发送退网应答帧，若等待退网的节点正确收到了退网应答帧，则表明本节点退网成功，本发明允许多个节点在同一个网络时帧的时隙请求阶段向管理节点发起退网请求，时隙请求阶段结束后，管理节点将当前网络时帧内成功退网节点的身份标识符及退网后网络节点的总数量分别写入数据时隙分配帧的相应字段中，数据时隙分配帧广播成功后，网络中的其余节点即可根据帧中的相应字段获知部分节点退网后全网节点的总数量，并对全网节点依次排序的身份标识符进行更新。
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