CN102802266B

CN102802266B - 一种高动态自组织网络高效tdma协议的实现方法

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Publication number: CN102802266B
Application number: CN201210334498.6A
Authority: CN
Inventors: 张可; 张伟; 曾庆瑾; 王泽阳; 唐道平
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: CN102802266A

Abstract

本发明公开了一种高动态自组织网络高效TDMA协议的实现方法，将时帧分为前导时隙、分配时隙和中断时隙。在前导时隙，源节点根据待发数据流的优先级申请专用虚拟链路或公用虚拟链路，专用链路只用于经由该路径的数据传输，公用链路由低优先级的数据共用传输，降低了高优先级数据的传输时延，也进一步提高了信道利用率。在分配时隙，各节点在各自所属链路分配时隙发送数据，避免了节点竞争信道产生的冲突。本协议还设计了中断时隙，节点可在中断时隙竞争信道，以便处理突发状况。本发明降低了通信时延，提高了信道利用率和吞吐量，具有较高的可靠性，适用于高动态自组织网络。

Description

一种高动态自组织网络高效TDMA协议的实现方法

技术领域

本发明属于属于无线自组织网络技术领域，尤其涉及一种高动态自组织网络高效TDMA协议的实现方法。

背景技术

高动态自组织网络，是一种由高速运动的通信节点组成的自组织网络，包括车载移动节点、无人机节点等。高动态自组织网络具有传输距离远、移动速度快、拓扑变化频繁、断链率高等特点。

无线自组织网络的MAC协议中使用最广泛的是CSMA/CA，CSMA/CA通过监听信道和随机回退机制实现信道复用，并通过RTS-CTS信号缓解隐藏终端的问题，网络开销小，但CSMA/CA无法保证数据传输的时间确定性和实时性，也不能提供业务区分，并且其吞吐量在网络负载大的情况下迅速下降，其隐藏终端的问题也没有完全解决。

TDMA是一种按时间片来划分每个成员信息发送时机的接入控制方式，它将时间轴划分成一定长度的、周而复始的时帧。TDMA消除了信道竞争产生的碰撞，隐藏终端问题，在时延、能耗、网络规模方面有优势，特别是解决了时间确定性问题，能够提供实时通信，典型的有SMAC协议。

高动态自组织网络是一种有突出特点的无线自组织网络。网络节点移动速度特别快，对无线通信的延时性和可靠性很严，因而，CSMA/CA无法满足其通信需求。再者，在高动态自组织网络里，有的紧急数据需要及时传输，而有些传感器数据可以推迟传输，这就需要通信协议提供有质量保证的差异服务。此外，由于无线通信的信道带宽是有限的，提高信道利用率和吞吐量有重要意义。还有，由于移动迅速和拓扑变化频繁，高动态自组织网络容易导致节点失效。TDMA固定地将时隙分配给各节点，信道利用率、吞吐量和QoS都无法满足高动态自组网的需求。

而目前的TDMA改进协议在动态调整时隙分配时，普遍按节点分配时隙。由于每轮中节点占据的时隙顺序都是随机的，节点占用时隙的顺序与数据包在各节点的传输顺序不一致，往往造成数据传输需要更多的时隙。另外，不管集中式还是分布式改进型TDMA，其开销都偏大。因此，设计一种满足高动态自组织网络通信需求的高效TDMA协议具有重要意义。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，提供了一种高动态自组织网络高效TDMA协议的实现方法，采用分布式协同调度的方法来动态调整时隙分配，提高信道利用率和吞吐量；并为各类型业务设置优先级，按链路分配时隙，为高优先级的链路提供更好的时延保障和质量保证。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高动态自组织网络高效TDMA协议的实现方法，将时帧分为前导时隙和数据时隙，所述数据时隙包括分配时隙和中断时隙；其中，前导时隙进行分布式调度，源节点根据待发数据流的优先级申请专用虚拟链路或公用虚拟链路；在数据时隙，高优先级节点在各自所属专用虚拟链路发送数据，低优先级节点共用公用虚拟链路发送数据；在中断时隙各节点可自由竞争信道。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

（1）与广泛应用的CSMA/CA相比，本协议采用调度的方式进行信道接入，既避免了随机接入信道带来的冲突，也为各数据传输提供了延时保障，实现了时间确定性。

（2）与TDMA相比，本协议动态调整时隙分配，充分利用信道，提高了信道利用率和吞吐量。

（3）与其他改进型TDMA协议相比，本协议采用公用链路和专用链路的方式分配时隙，实现了高优先级数据的传输顺序与节点占据时隙顺序的一致性，提高了高优先级数据的实时性，为高优先级提供更好的质量服务，也提高了信道利用率和吞吐量。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是时帧结构示意图；

图2是节点流程图；

图3是普通改进型TDMA中节点在时帧中的数据传输示意图；

图4是本发明的协议中链路、节点在时帧的次序以及数据传输情况。

具体实施方式

本发明方法将时帧分为前导时隙、分配时隙和中断时隙。每一时帧的前导时隙都可分布式动态调整时隙分配，提高了信道利用率和吞吐量。在前导时隙，源节点根据待发数据流的优先级申请专用虚拟链路或公用虚拟链路，专用链路只用于经由该路径的数据传输，公用链路由低优先级的数据共用传输，降低了高优先级数据的传输时延，也进一步提高了信道利用率。在分配时隙，各节点在各自所属链路分配时隙发送数据，避免了节点竞争信道产生的冲突。本协议还设计了中断时隙，节点可在中断时隙竞争信道，以便处理突发状况。本发明降低了通信时延，提高了信道利用率和吞吐量，具有较高的可靠性，适用于高动态自组织网络。

下面结合附图和实例对本发明做如下详述：

本发明适用于高动态自组织网络，网络规模大时，采用Mesh网络架构将节点划分为若干单元。并将节点分为骨干节点、普通节点和少量接口节点。骨干节点随机选择，用于单元内数据收集和骨干节点间的数据传输。普通节点只能在单元内通信，不同单元的节点数据传输需经过骨干节点。接口节点可连接其他网络，比如以太网、无线局域网等。

本协议的一个循环包括一个初始化和若干时帧frame，初始化广播NCFG消息进行网络配置和节点增删，设置默认的节点时隙slot数目、顺序和优先级。每时帧包含前导时隙、大量分配时隙和若干中断时隙，每个时隙0.006秒。前导时隙用于协同分布式时隙调整。分配时隙大于节点数，分配给各节点。在数据时隙，节点不可抢占别的节点的分配时隙。中断时隙用于突发事件或其他中断处理。时帧结构图如图1所示。

前导时隙包含若干分布式调度时隙，用于协同分布式时隙调整。分布式时隙调整会发送调度消息DSCH，DSCH消息包括以下列表：尚未分配链路L_rsrv，已分配链路L_assg，前一轮分配给某源节点但是该轮被另一源节点剥夺的链路L_dpr。每个链路列表包含源节点N_source和链路号ID_Li。

一、进行分布式调度：

(1)想要发送数据的源节点采用随机退避的方式发送分布式调度消息DSCH申请一条链路L发送数据。DSCH消息包括以下列表：尚未分配链路L_rsrv，已分配链路L_assg，前一轮分配给某源节点但是该轮被另一源节点剥夺的链路L_dpr。每个链路列表包含源节点N_source和链路号ID_Li。当节点与其他请求节点发生冲突时，节点随机退避back-off时间再次发送；

(2)节点事先根据默认优先级和LLC缓冲队列的待发数据量调整本数据流的优先级p_i，并计算好链路因子w_i和临界优先级P_crit。

假设每一帧的数据时隙总数为N，一时帧传输的跳数为h，待发数据流i的优先级为p_i，数据流总数为n，则链路因子w_i为：

w_{i} = \frac{N}{h \times Σ_{i = 1}^{n} p_{i}}

优先级为p_x的数据流的分配链路L_assg数目为：临界优先级P_crit为等于1的p_x。源节点i获取信道接入权限后，如果本数据流的优先级P_i达到申请专用链路的临界优先级P_crit，则申请与优先级P_i对应数目的专用链路L_priv；否则，加入公用链路L_pub。

用N表示网络中源节点数。假设表示高优先级节点，H表示高优先级源节点数；表示低优先级节点，L表示低优先级源节点数。

用M×N维的矩阵X＝x_mi来表示时隙分配，其中

由于每个高优先级源节点至少分配一条专用链路，则时隙分配需满足以下条件：

高优先级源节点分配的链路与优先级或者链路因子是成正比的：

所有低优先级节点分配到同一条公用链路，链路数和为1：

(3)如果被剥夺链路L_dpr列表中有自己所拥有的已分配链路L_assg，则取消自己对该L_assg的拥有资格，并考虑是否要剥夺其他源节点的已分配链路L_assg：如果该数据处于极高优先级，且有优先级低于自己却拥有更多分配链路的源节点，则剥夺其他源节点的已分配链路L_assg；

(4)最后各源节点将收到的DSCH消息更新，并发送给其他节点，直到所有链路发生变动的节点都获得最新DSCH消息。

二、进入数据时隙

前导时隙完成调度后，进入数据时隙，数据时隙包括分配时隙和中断时隙。

分配时隙中，节点在分配时隙进行正常收发，用ID_Li表示链路L_i的ID号，源节点为数据包的MAC头部增加链路号ID_Li。N_L表示该时帧的链路总数，用%表示取余，如果当前时隙的时隙号slot_i满足slot_i%N_L＝ID_Li，则该时隙属于链路L_i，链路L_i上刚刚收到数据包的节点占有该时隙，并将数据发送给下一节点。对于每一个时隙，节点会进行判断时隙类型，并进行相应工作，节点的工作流程图如图2所示。

中断时隙用于意外情况下传输紧急数据或将新的节点加入网络，各节点皆可自由申请。

由于每时帧的前导时隙都可以调整时隙分配，E-TDMA的时隙分配是动态的，其信道利用率大大提高。用u_i来表示节点i的信道利用率，则

u_{i} = \frac{Σ_{m = 1}^{M} x_{mi}}{M} .

一个网络单元的信道利用率u_u可表示为

u_{u} = \frac{1}{N} Σ_{i = 1}^{N} u_{i} = \frac{1}{MN} Σ_{m = 1}^{M} Σ_{i = 1}^{N} x_{mi} .

假设有x个节点需要发送p时隙的数据包，且x＜p<M，则N-x个节点空闲。在传统固定TDMA中，一个节点占用一个时隙，而E-TDMA通过剥夺空闲节点的时隙，并配置相应时隙给数据发送节点，信道利用优于TDMA。网络单元的信道利用率分别为

u_{u} = \{\begin{matrix} x / M & TDMA \\ p / M & E - TDMA \end{matrix}

对于整个高动态自组织网络，当采用Mesh网络架构将节点划分为若干单元时，由于各单元互不干扰，信道利用率进一步提高，整个网络Net的信道利用率u为

u = \underset{u_{u} &Element; Net}{\cup} u_{u} .

下面结合实例对本发明进行说明：

图3显示了普通改进型TDMA中节点的数据传输，图中假设节点在时帧中顺序是按节点号排列的，其中数字表示该节点号的节点占有该处时隙。在第一个时隙，1号节点将数据包发送给节点3；第二个时隙，由于数据包尚未传输到节点2，节点2空闲；第三个时隙，节点3将收到的数据发送给节点2；到第二时帧的第二个时隙，节点2才得以将收到的数据包发送给下一跳节点；依此类推。由于时隙拥有顺序与数据传输顺序不一致，虽然每个节点都在一时帧里拥有时隙，但是经过了三时帧的时间才传输到目的节点。

图4显示了本协议的链路、节点在时帧的次序以及数据传输情况。如图所示，两个高优先级的数据流申请了两条专用链路，另有一条公用链路。链路a用于传输数据流a，链路b用于传输数据流b。收到数据包的中间节点将数据包所在链路L_i的ID_Li与当前时隙号slot_i比较，若满足slot_i%N_L＝ID_Li，则占有该时隙，并将数据发送出去。因此，本协议中：在专用链路里，数据传递的节点顺序与节点在时帧中的时隙顺序是一致的；在公用链路里，各节点占有的时隙在前导时隙即已分配，其顺序与数据传输顺序无关。

具体实施效果：（1）解决了信道竞争带来的冲突问题；（2）为数据传输提供了延时保障；（3）时隙动态分配，提高了信道利用率和吞吐量；（4）信道接入顺序与数据传输顺序一致，提高了信道利用效率；（5）为数据传输进行了业务区分，提供了差异服务。

Claims

1.一种高动态自组织网络高效TDMA协议的实现方法，其特征在于：在前导时隙进行分布式调度，源节点根据待发数据流的优先级申请专用虚拟链路或公用虚拟链路；在数据时隙，高优先级节点在各自所属专用虚拟链路发送数据，低优先级节点共用公用虚拟链路发送数据；

所述前导时隙进行分布式调度的步骤为：

(1)要发送数据的源节点采用随机退避的方式发送分布式调度消息DSCH，申请一条链路L发送数据；当节点与其他请求节点发生冲突时，节点随机退避时间再次发送；

(2)节点事先根据默认优先级和LLC缓冲队列的待发数据量调整本数据流的优先级，并计算好链路因子和临界优先级；源节点获取信道接入权限后，如果本数据流的优先级达到申请专用链路的临界优先级，则申请与优先级对应数目的专用链路；否则，加入公用链路；

(3)如果被剥夺链路列表中有自己所拥有的已分配链路，则取消自己对该链路的拥有资格，并选择是否要剥夺其他源节点的已分配链路；

(4)各源节点将收到的DSCH消息更新，并发送给其他节点，直到所有链路发生变动的节点都获得最新DSCH消息。