CN102386991A - 一种无线移动自组织网络时分多址接入系统的时隙交换操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线移动自组织网络技术领域，具体涉及一种在无线移动自组织网络中实现时分多址接入系统的时隙交换方法。本发明包括时隙申请节点发送“申请时隙消息”，申请所需数量的微时隙；网内其它节点评估自身网络负荷，满足要求的节点发送“释放时隙消息”；时隙申请节点选择最优时隙，发送“时隙接受消息”予以确认；时隙释放节点释放微时隙，时隙申请节点使用该微时隙。该方法合理分配网络中空闲时隙资源，提高了网络资源的利用率，增强了高优先级报文发送的实时性，提高了系统的抗毁性。

Description

一种无线移动自组织网络时分多址接入系统的时隙交换操作方法

技术领域

本发明属于无线移动自组织网络(Ad Hoc网络)技术领域，具体涉及一种在Ad Hoc网络中实现时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)系统的时隙交换方法。 

背景技术

无线移动自组织网络(Ad Hoc网络)是一种特殊的无线移动通信网络。它由不需任何固定基础设施的、分布式的一组具有动态入网能力的网络节点(带有多个终端的路由器、移动通讯设备等)组成，是一个多跳的、临时的自治系统，具有自组织性、自形成性，并能随应用快速组建。由于Ad Hoc网络的这些特点弥补了传统蜂窝系统与有线网络的不足，在许多特殊情况下有着不可替代的作用，因此广泛应用于国防战备、灾难营救、偏远地区等现有无线传输设施覆盖不到且无法获得有线网络支持，或者某些临时需要通信但建立有线通信代价太大的环境。Ad Hoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对于有线信道要低得多，因此高效而公平的共享有限的无线带宽资源对Ad Hoc网络的性能起着至关重要的作用。 

目前基于TDMA的Ad Hoc网络技术研究发展迅速。有的方案通过平均分配的固定时隙使得网络节点分时共享无线信道。该方案时延抖动小，适合语音等实时性较强的业务，但是它不能及时适应节点移动带来的影响，所以不适合突发性较强的业务，并且也不能灵活的根据节点业务量的大小来分配时隙，在网络资源利用率上存在极大浪费；有的研究基于网络节点向主控站发送时隙申请，并由主控站动态分配时隙给网内节点的方式实现网络资源的有效使用，但是这种方法由于过分依赖主控站，使系统抗毁性能下降；有的研究根据网络节点数目动态调整网络循环周期的长度，从而控制冗余时隙的过量增长。这种方法在网络规模不变，由于网络拓扑结构变化引起节点业务量不均衡时，不能实现当前网络循环周期内时隙的合理分配，从而降低网络资源的利用率；还有的研究是为Ad Hoc网络中的节点提供足够多的时隙以保证分配时隙的冗余性，但巨大的预留时隙使得网络资源利用率很低。众所周知，可用的网络资源对于无线通信来说非常重要，要提高网络资源的利用率，合理的利用有限的网络资源，需要Ad Hoc网络中的节点能够自主的，并且快速的针对业务需求的变化实现节点间的时隙交换。以上众多研究中，还没有看到Ad Hoc网络节点在网络运行中自主实现TDMA时隙交换的先例。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种可适用节点移动影响、抗摧毁、高资源利用率、安全、简单、 可靠的Ad Hoc网络时分多址接入系统的时隙交换方法。 

为了实现上述目的，本发明实现时隙交换方法步骤如下： 

(1)无线移动自组织网络按照最大网络规模预期设定网络循环周期长度，在初始化阶段将全部业务时隙平均分配给所有网内节点，网络运行过程中，当网络任务需要或者拓扑结构发生变化使网络节点的报文数据量较大或者报文的优先级较高时，需要申请时隙的网络节点即时隙申请节点在其最近的业务时隙发送“申请时隙消息”，申请所需数量的微时隙； 

(2)网内其它节点收到“申请时隙消息”后，根据该节点网络运行时间中前十个网络循环周期统计的报文发送数量及占有的微时隙数量，评估自身网络负荷，若具备满足“申请时隙消息”要求的富余时隙，则在该节点最近的业务时隙发送“释放时隙消息”响应“申请时隙消息”；若不具备满足“申请时隙消息”要求的富余时隙，则在该节点最近的业务时隙转发该“申请时隙消息”； 

(3)时隙申请节点收到“释放时隙消息”后，根据该“释放时隙消息”中的起始微时隙的位置和微时隙的数量判断是否为满足自身业务需求的最优时隙：若为最优时隙，时隙申请节点在其最近的业务时隙发送“时隙接受消息”予以确认；若不是最优时隙，则记录该消息，在最大接收时间过后仍未接收到满足要求的最优时隙，则在所有接收到的“释放时隙消息”中选择一个次最优时隙，时隙申请节点在其最近的业务时隙发送“时隙接受消息”予以确认； 

(4)“时隙接受消息”中确认释放时隙的网络节点即时隙释放节点释放该“时隙接受消息”中记录的微时隙，并在最近的业务时隙发送“时隙确认消息”予以确认，时隙申请节点收到“时隙确认消息”后，使用该“时隙确认消息”中记录的微时隙，完成时隙交换过程。 

该发明最优时隙、次最优时隙的判断方法如下： 

(1)若发送报文的数据量较大，最优时隙为该时隙最后微时隙位置与时隙申请节点业务时隙的起始微时隙位置在网络循环周期中时间间隔为0的相邻时隙；次最优时隙是与时隙申请节点业务时隙间隔最近的时隙，即次最优时隙的最后微时隙位置或起始微时隙位置与时隙申请节点业务时隙之间的时间间隔最短的时隙，若在业务时隙前后的两个时隙条件相同，则选择前一个时隙； 

(2)若发送报文的优先级较高，最优时隙为与时隙申请节点业务时隙不相邻，且起始微时隙位置的间隔不大于高优先级报文最大发送时延的时隙；次最优时隙为与时隙申请节点业务时隙起始微时隙位置间隔大于高优先级报文最大发送时延，且间隔最短的时隙。 

如果网络运行时间小于十个网络循环周期，则根据网络运行时间统计的报文发送数量及占有的微时隙数量，评估自身网络负荷，判断是否发送“释放时隙消息”。 

本发明的有益效果在于： 

该方法合理分配网络中空闲时隙资源，提高了网络资源的利用率，增强了高优先级报文发送的实时性；时隙交换过程无需中心节点干预，网络运行相互独立，提高了系统的抗毁性。 

附图说明

图1为本发明中“申请时隙消息”的数据格式； 

图2为本发明中时隙释放过程工作流程图； 

图3为本发明中“释放时隙消息”的数据格式； 

图4为本发明中时隙接受过程工作流程图； 

图5为本发明中“时隙接受消息”的数据格式； 

图6为本发明中时隙释放确认过程工作流程图； 

图7为本发明中“时隙确认消息”的数据格式； 

图8为本发明中“时隙确认消息”接收过程工作流程图。 

具体实施方式

本发明中Ad Hoc网络按照最大网络规模预期设定网络循环周期长度，微时隙是网络循环周期中的基本单元，即每个时隙由若干个微时隙组成。网络循环周期中的时隙分为业务时隙和竞争时隙两种，其中竞争时隙用于紧急情况下发送高优先级报文使用。在初始化阶段将全部业务时隙平均分配给所有网内现有节点。在网络具体运行过程中，由于网络任务需要或者拓扑结构发生变化使得部分网络节点的报文数据量较大或者报文的优先级较高时，可以通过本发明提出的时隙交换方法获得更多更适合自身业务需求的时隙。 

下面以最大网络规模预期为40个节点，网络循环周期长度为200个微时隙为例，结合附图对本发明做进一步的详细描述。 

在网络运行过程中，当某个网络节点因报文数据量较大或者报文优先级较高，业务时隙不能满足需求时，在该节点最近的业务时隙发送“申请时隙消息”。图1为本发明中“申请时隙消息”的数据格式，其中消息源IP地址字段指示的是时隙申请节点的网络地址，占用32位；消息ID字段指示的是该“申请时隙消息”的序列号，占用24位；申请微时隙数量字段指示的是时隙申请节点申请的微时隙数量，占用8位；消息类型字段指示的是该类消息为“申请时隙消息”，占用4位。 

图2为本发明中时隙释放过程工作流程图，网络节点收到“申请时隙消息”时，首先读取“申请时隙消息”的消息源IP地址，如果该地址与自身地址相同，删除该消息(步骤201)。 反之，读取该“申请时隙消息”的消息ID，判断该消息是否为新消息，如果是旧消息，删除该消息(步骤201)，如果为新消息，则根据自身前十个网络循环周期(如果网络运行时间小于十个网络循环周期，则以当前网络运行时间为准)中统计的报文发送数量及其占有的微时隙数量，评估自身网络负荷，若有富余微时隙，且能满足“申请时隙消息”中申请的微时隙数量，则在自己最近的业务时隙按先后顺序完成发送“释放时隙消息”及转发该“申请时隙消息”工作(步骤202)，反之则只在自己最近的业务时隙转发该“申请时隙消息”(步骤203)。 

图3为本发明中“释放时隙消息”的数据格式，其中消息源IP地址字段指示的是发送该“释放时隙消息”的节点网络地址(即时隙释放节点的网络地址)，占用32位；时隙申请节点IP地址字段指示的是提出时隙申请的节点网络地址，占用32位；消息ID字段指示的是该“释放时隙消息”的序列号，占用24位；起始微时隙位置字段指示的是释放的起始微时隙位置，占用8位；微时隙数字段指示的是释放的微时隙数量，占用8位；消息类型字段指示的是该类消息为“释放时隙消息”，占用4位。 

图4为本发明中时隙接受过程工作流程图，网络节点收到“释放时隙消息”时，首先读取“释放时隙消息”的消息源IP地址，如果该地址与自身地址相同，删除该消息(步骤401)。反之读取该“申请时隙消息”的消息ID，判断该消息是否为新消息，如果是旧消息，删除该消息(步骤401)，如果为新消息，则判断“释放时隙消息”中的时隙申请节点IP地址与自身地址是否一致。如果不一致，在自己最近的业务时隙转发该“释放时隙消息”(步骤402)，如果一致，则根据“释放时隙消息”中的起始微时隙位置以及微时隙数判断是否是满足自身业务需求的最优时隙，如果是，在自己最近的业务时隙发送“时隙接受消息”(步骤403)，如果不是，则记录该“释放时隙消息”信息(步骤404)，并继续接收其它网络节点发送的“释放时隙消息”，且接收“释放时隙消息”的最大时间为自发送“申请时隙消息”后的3个网络循环周期。如果自发送“申请时隙消息”后持续接收3个网络循环周期的所有“释放时隙消息”中没有满足自身业务需求的最优时隙，则选择次最优时隙并在自己最近的业务时隙发送“时隙接受消息”(步骤405)。 

其中，根据“释放时隙消息”中的起始微时隙位置以及微时隙数判断是否是满足自身业务需求的最优时隙的原则如下： 

a)如果发送报文的数据量较大，要选择的最优时隙是其最后微时隙位置与自己业务时隙的起始微时隙位置在网络循环周期中相邻的时隙，这样只需将自己业务时隙的起始微时隙位置调整为最优时隙的起始微时隙位置，就可以使最优时隙与自己业务时隙合并，从而提高报文的发送数据量；次最优时隙是与自己业务时隙间隔最近的时隙，即次最优时隙的最后微时 隙位置与自己业务时隙的起始微时隙位置或者次最优时隙的起始微时隙位置与自己业务时隙的最后微时隙位置之间的间隔最小的时隙，这样可以保证将数据量大的报文尽快地由多个业务时隙发送出去，从而降低此类报文的发送时延。 

b)如果发送报文的优先级较高，由于要求其发送时延较小，要选择的最优时隙是与自己业务时隙不相邻，并且它们起始微时隙位置的间隔不大于高优先级报文最大发送时延的时隙；次最优时隙为其起始微时隙位置与自己业务时隙起始微时隙位置间隔大于高优先级报文最大发送时延，且间隔最短的时隙。 

图5为本发明中“时隙接受消息”的数据格式，其中消息源IP地址字段指示的是发送该“时隙接受消息”的节点网络地址(即时隙申请节点的网络地址)，占用32位；时隙释放节点IP地址字段指示的是所选时隙原属节点的网络地址，占用32位；消息ID字段指示的是该“时隙接受消息”的序列号，占用24位；起始微时隙位置字段指示的是所选的起始微时隙位置，占用8位；微时隙数字段指示的是所选的微时隙数量，占用8位；消息类型字段指示的是该类消息为“时隙接受消息”，占用4位。 

图6为本发明中时隙释放确认过程工作流程图，网络节点收到“时隙接受消息”后，首先读取“时隙接受消息”的消息源IP地址，如果该地址与自身地址相同，删除该消息(步骤601)。反之，读取该“时隙接受消息”的消息ID，判断该消息是否为新消息，如果是旧消息，删除该消息(步骤601)，如果为新消息，将“时隙接受消息”中的时隙释放节点IP地址与自身地址进行比较，判断自己是否为时隙释放节点。若该节点是时隙释放节点，则释放该“时隙接受消息”中相应的微时隙并在自己最近的业务时隙发送“时隙确认消息”(步骤602)，若不是，则在自己最近的业务时隙转发该“时隙接受消息”(步骤603)。 

图7为本发明中“时隙确认消息”的数据格式，其中消息源IP地址字段指示的是发送该“时隙确认消息”的节点网络地址(即时隙释放节点的网络地址)，占用32位；接受时隙节点IP地址字段指示的是接受该时隙的节点网络地址(即时隙申请节点的网络地址)，占用32位；消息ID字段指示的是该“时隙确认消息”的序列号，占用24位；起始微时隙位置字段指示的是时隙释放节点释放的起始微时隙位置，占用8位；微时隙数字段指示的是时隙释放节点释放的微时隙数量，占用8位；消息类型字段指示的是该类消息为“时隙确认消息”，占用4位。 

图8为本发明中“时隙确认消息”接收过程工作流程图，网络节点收到“时隙确认消息”后，首先读取“时隙确认消息”的消息源IP地址，如果该地址与自身地址相同，删除该消息(步骤801)。反之，读取该“时隙确认消息”的消息ID，判断该消息是否为新消息，如果是 旧消息，删除该消息(步骤801)，如果为新消息，再将“时隙确认消息”中接受时隙节点IP地址与自身地址进行比较，判断其是否为时隙申请节点，若该节点是时隙申请节点，接受该“时隙确认消息”中相应的微时隙，删除该“时隙确认消息”(步骤802)；否则，在自己最近的业务时隙转发该“时隙确认消息”(步骤803)。 

Claims (3)

1.一种无线移动自组织网络时分多址接入系统的时隙交换操作方法，其特征是，包括下列步骤：

(1)无线移动自组织网络按照最大网络规模预期设定网络循环周期长度，在初始化阶段将全部业务时隙平均分配给所有网内节点，网络运行过程中，当网络任务需要或者拓扑结构发生变化使网络节点的报文数据量较大或者报文的优先级较高时，需要申请时隙的网络节点即时隙申请节点在其最近的业务时隙发送“申请时隙消息”，申请所需数量的微时隙；

(2)网内其它节点收到“申请时隙消息”后，根据该节点网络运行时间中前十个网络循环周期统计的报文发送数量及占有的微时隙数量，评估自身网络负荷，若具备满足“申请时隙消息”要求的富余时隙，则在该节点最近的业务时隙发送“释放时隙消息”响应“申请时隙消息”；若不具备满足“申请时隙消息”要求的富余时隙，则在该节点最近的业务时隙转发该“申请时隙消息”；

(3)时隙申请节点收到“释放时隙消息”后，根据该“释放时隙消息”中的起始微时隙的位置和微时隙的数量判断是否为满足自身业务需求的最优时隙：若为最优时隙，时隙申请节点在其最近的业务时隙发送“时隙接受消息”予以确认；若不是最优时隙，则记录该消息，在最大接收时间过后仍未接收到满足要求的最优时隙，则在所有接收到的“释放时隙消息”中选择一个次最优时隙，时隙申请节点在其最近的业务时隙发送“时隙接受消息”予以确认；

(4)“时隙接受消息”中确认释放时隙的网络节点即时隙释放节点释放该“时隙接受消息”中记录的微时隙，并在最近的业务时隙发送“时隙确认消息”予以确认，时隙申请节点收到“时隙确认消息”后，使用该“时隙确认消息”中记录的微时隙，完成时隙交换过程。

2.根据权利要求1所述的一种无线移动自组织网络时分多址接入系统的时隙交换操作方法，其特征是，最优时隙、次最优时隙的判断方法如下：

(1)若发送报文的数据量较大，最优时隙为该时隙最后微时隙位置与时隙申请节点业务时隙的起始微时隙位置在网络循环周期中时间间隔为0的相邻时隙；次最优时隙是与时隙申请节点业务时隙间隔最近的时隙，即次最优时隙的最后微时隙位置或起始微时隙位置与时隙申请节点业务时隙之间的时间间隔最短的时隙，若在业务时隙前后的两个时隙条件相同，则选择前一个时隙；

(2)若发送报文的优先级较高，最优时隙为与时隙申请节点业务时隙不相邻，且起始微时隙位置的间隔不大于高优先级报文最大发送时延的时隙；次最优时隙为与时隙申请节点业务时隙起始微时隙位置间隔大于高优先级报文最大发送时延，且间隔最短的时隙。

3.根据权利要求1或2所述的一种无线移动自组织网络时分多址接入系统的时隙交换操作方法，其特征是，如果网络运行时间小于十个网络循环周期，则根据网络运行时间统计的报文发送数量及占有的微时隙数量，评估自身网络负荷，判断是否发送“释放时隙消息”。

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