CN102904614B - 一种迭代时隙分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种迭代时隙分配方法，应用于一PLC网络中，包括如下步骤：头节点获取所在小型网络单元的拓扑信息，包括用户终端设备、转发节点的位置和链路带宽；头节点为各用户终端设备节点分配最低时隙数；对转发节点配套相应时隙以为用户终端设备转发数据；头节点根据网络拓扑，使用空间时隙复用的原则，对各节点所分配的时隙进行时隙空间复用；对该网络单元中的各节点逐个按一定步长逐渐增加分配时隙数；以及判断是否满足循环跳出条件，如未满足，则跳至步骤三进行循环，否则跳出循环结束，本发明可以在保证各CPE时隙分配公平性的同时，提高时隙分配的效率，提高网络的性能。

Description

一种迭代时隙分配方法

技术领域

本发明涉及一种迭代时隙分配方法，特别是涉及电力线载波通信中的一种迭代时隙分配方法。

背景技术

电力线通信(powerlinecommunication，PLC)网络技术由于可用现成的电力线网络，可与现有因特网联合灵活组网，正成为下一代网络的重要组成部分。IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电气和电子工程师协会)制定了有关PLC通信的标准P1901。考虑到为用户提供具有QoS(Qualityof Service，服务质量)保证的高速率数据传输服务，时分复用(Time-DivisionMultiplexing，TDM)是PLC通信的基本复用技术。因此设计一个合适的时隙分配方法，使得各用户达到较好的时隙分配公平性的同时，也达到高效的时隙利用，这是一个很重要的课题。

针对网络时隙分配的公平性，在基于比例公平原则的基础上，目前主要通过计算各用户在网络中的代价函数，即计算各用户在网络中获得相同网络性能(如相同的数据传输量)时，需多少归一化的传输时间。然后再根据该代价函数，按比例分配各用户的可用时隙数，使得各用户最终达到时隙分配的公平性。

针对网络时隙分配的高效性，目前主要通过时隙空间复用的方法实现。针对网络拓扑是否已知，可分为基于着色理论的复用方法和基于干扰的复用方法。前者又可分为基于顶点着色的复用方法、基于边着色的复用方法、基于顶点和边联合着色的复用方法。基于图论中的着色理论的复用方法主要是对网络中空间不冲突的各顶点和边分配同一时隙以达到提高网络性能的目的。而基于干扰的复用方法主要是控制节点的信号功率，在信号不相互干扰的节点之间进行时隙复用以提高网络性能。前者主要考虑网络的拓扑而后者主要考虑网络的信号传输特性。

然而，在现有时隙分配方法中，针对公平性的时隙分配方法往往不考虑时隙的复用，而针对高效性的时隙分配方法往往无法达到各用户的公平性，甚至会因此损害各用户的公平性。特别是在PLC网络中，由于网络往往是树形拓扑结构，由于各用户节点距离网络头节点的距离差别较大，使得各用户到达头节点的代价也差别较大，若要保证各用户的公平性，则势必因为照顾其中的一部分用户的利益而牺牲另一部分用户的利益。当然，这也是因为效率和公平本来就是一对矛盾。但对于用户来说，还是希望一个网络，能在保证一定资源分配公平性的同时，尽量提高能获得的性能。因此，亟待设计一种时隙分配方法，使得时隙分配在保证公平性的同时，提高时隙分配的高效性。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种基于迭代时隙分配方法，其可以针对PLC网络的特殊拓扑结构，对网络中各用户的时隙分配的效率和公平问题，考虑各用户时隙分配的效率和公平的综合效果，以优化整个网络的时隙复用性能。

为达上述及其它目的，本发明一种迭代时隙分配方法，应用于一PLC网络中，包括如下步骤：

步骤一，头节点获取所在小型网络单元的拓扑信息，包括用户终端设备、转发节点的位置和链路带宽；

步骤二，头节点为各用户终端设备节点分配最低时隙数；

步骤三，对转发节点配套相应时隙以为用户终端设备转发数据；

步骤四，头节点根据网络拓扑，使用空间时隙复用的原则，对各节点所分配的时隙进行时隙空间复用；

步骤五，对该网络单元中的各节点逐个按一定步长逐渐增加分配时隙数；以及

步骤六，判断是否满足循环跳出条件，如未满足，则跳至步骤三进行循环，否则跳出循环结束。

进一步地，该循环跳出条件为公平性指数和时隙复用度同时分别达到一定阈值及该网络单元时隙数达到一定阈值。

进一步地，该公平性指数为各用户终端设备节点公平速率和平方与平方和的比值，该时隙复用度为该网络单元各用户终端设备最终分配时隙数与独立分配时隙数的比值。

进一步地，该公平速率为用户到头节点的数据平均传输速率。

进一步地，于步骤六之后，协商决定各网络单元之间的时隙复用分配。

进一步地，各网络单元的头节点之间需要进行信息交互。

进一步地，各网络单元的头节点之间进行信息交互步骤包括如下步骤：

第一网络单元完成内部时隙分配后，该单元的头节点广播自己的时隙分配信息；

该第一网络单元的邻居收到该时隙分配信息后，发送自己的时隙分配信息；以及

该第一网络单元收到邻居的时隙分配信息后，将与邻居有冲突且已分配的自己时隙删除。

进一步地，该方法适用于多接入单元的大型PLC网络。

与现有技术相比，本发明一种迭代时隙分配方法针对PLC网络中时隙分配的公平性和高效性是一对矛盾的问题，通过使用迭代的方法，首先对各用户分配最低公平时隙，根据用户的拓扑位置进行时隙复用后，再按一定步长逐步分配剩余时隙并继续时隙复用，如此循环，直到时隙分配公平性和复用度达到要求，实现了在保证时隙分配公平性的同时，提高时隙分配效率，提高网络的性能的目的。

附图说明

图1为本发明所应用的一个典型的PLC网络的网络架构示意图；

图2为本发明一种迭代时隙分配方法的步骤流程图；

图3为本发明较佳实施例中3网络单元之间的时隙分配示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明所应用的一个典型的PLC网络的网络架构示意图。如图1所示，一个典型的PLC网络主要由各小型网络单元(BS)组成，每个BS中有一个头节点(HE)、少量转发节点(RP)和一些用户终端设备(CPE)。头节点HE负责管理该BS，用户终端设备CPE为用户提供网络接入服务，转发节点RP为无法与头节点HE直接通信的用户终端设备CPE提供中继转发服务。BS内部一般具有树形拓扑结构。由于头节点HE对BS的网络拓扑和节点状态有充分了解，因此BS内部的时隙复用分配一般由头节点HE采用集中式分配复用方法，有助于获得更好的性能。

图2为本发明一种迭代时隙分配方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种迭代时隙分配方法，应用于PLC网络，包括如下步骤：

步骤201，头节点HE获取所在小型网络单元BS的拓扑信息，包括用户终端设备节点CPE、转发节点RP的位置和链路带宽等。

步骤202，头节点HE为各用户终端设备CPE节点分配最低时隙数，保证各CPE节点时隙分配的公平性。

步骤203，为保证各用户终端设备CPE的数据能传输至头节点HE，各用户终端设备CPE节点分配时隙后，需对转发节点RP配套相应时隙以为用户终端设备CPE转发数据。在本发明较佳实施例中，为更好地专注于时隙分配算法，简单起见，这里只考虑上行数据传输，双向数据传输可对本实施例拓展得到。

步骤204，头节点HE根据网络拓扑，使用空间时隙复用的原则，对各节点所分配的时隙进行时隙空间复用。

步骤205，对网络单元BS中的各节点(包括用户终端设备节点CPE和转发节点RP)逐个按一定步长逐渐增加分配时隙数。由于时隙复用后，各CPE的时隙分配会产生不公平性。此时对BS中的各节点(包括CPE和RP)逐个节点按一定步长逐渐增加分配时隙数。然后跳转至以上的步骤203进行循环，循环跳出条件由步骤206规定。

步骤206，判断是否满足循环跳出条件，如未满足，则跳至步骤203进行循环，否则跳出循环结束。这里循环跳出条件包含以下二种情况：(1)公平性指数和时隙复用度同时分别达到一定阈值；(2)网络单元BS时隙数达到一定阈值。这里的公平性指数根据Jain的定义，定义为各CPE公平速率和平方与平方和的比值。如公式(1)所示，这里假设有I个CPE，为第i个CPE的公平速率，这里的公平速率定义为端到端速率，即从用户到HE的数据平均传输速率。时隙复用度定义为该BS各CPE最终分配时隙数与独立分配时隙数的比值，如公式(2)所示。

$f=\frac{{\left(\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i^f\right)}^2}{I\·\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\left(s_i^f\right)}^2}---\left(1\right)$

$r=\frac{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i}{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i}---\left(2\right)$

当网络单元BS内部各节点获得合理的时隙分配后，需在各网络单元BS之间进行合理协调。由于与每个网络单元BS中有一个头节点HE负责管理的情况不同的是，各网络单元BS之间由于没有管理节点，因此网络单元BS之间的时隙复用分配需要协商决定，各BS的头节点HE之间需要进行信息交互。具体过程分为三个阶段，如图3所示：

1.某个网络单元BS-A完成内部时隙分配后，该单元的头节点HE-A广播自己的时隙分配信息MSG_A。

2.BS-A的邻居BS-B收到MSG_A后，发送自己的时隙分配信息MSG_B。

3.BS-A收到MSG_B后，将与BS-B有冲突且已分配的自己时隙中，删除。这样使得与BS-B的时隙不冲突，完成时隙分配过程。

可见，本发明一种迭代时隙分配方法针对PLC网络中时隙分配的公平性和高效性是一对矛盾的问题，通过使用迭代的方法，首先对各用户分配最低公平时隙，根据用户的拓扑位置进行时隙复用后，再按一定步长逐步分配剩余时隙并继续时隙复用，如此循环，直到时隙分配公平性和复用度达到要求，实现了在保证时隙分配公平性的同时，提高时隙分配效率，提高网络的性能的目的，本发明可适用于多接入单元的大型PLC网络

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (7)

1.一种迭代时隙分配方法，应用于一PLC网络中，包括如下步骤：

步骤一，头节点获取所在小型网络单元的拓扑信息，包括用户终端设备、转发节点的位置和链路带宽；

步骤二，头节点为各用户终端设备节点分配最低时隙数；

步骤三，对转发节点配套相应时隙，在所述相应时隙为用户终端设备转发数据；

步骤四，头节点根据网络拓扑，使用空间时隙复用的原则，对各节点所分配的时隙进行时隙空间复用；

步骤五，对该网络单元中的各节点逐个按一定步长逐渐增加分配时隙数；以及

步骤六，判断是否满足循环跳出条件，该循环跳出条件为公平性指数和时隙复用度同时分别达到一定阈值及该网络单元时隙数达到一定阈值，如未满足，则跳至步骤三进行循环，否则跳出循环结束。

2.如权利要求1所述的一种迭代时隙分配方法，其特征在于：该公平性指数为各用户终端设备节点公平速率和平方与平方和的比值，该时隙复用度为该网络单元各用户终端设备最终分配时隙数与独立分配时隙数的比值。

3.如权利要求2所述的一种迭代时隙分配方法，其特征在于：该公平速率为用户到头节点的数据平均传输速率。

4.如权利要求1所述的一种迭代时隙分配方法，其特征在于：于步骤六之后，协商决定各网络单元之间的时隙复用分配。

5.如权利要求4所述的一种迭代时隙分配方法，其特征在于：各网络单元的头节点之间需要进行信息交互。

6.如权利要求5所述的一种迭代时隙分配方法，其特征在于，各网络单元的头节点之间进行信息交互步骤包括如下步骤：

第一网络单元完成内部时隙分配后，该单元的头节点广播自己的时隙分配信息；

该第一网络单元的邻居收到该时隙分配信息后，发送自己的时隙分配信息；以及

该第一网络单元收到邻居的时隙分配信息后，将与邻居有冲突且已分配的自己时隙删除。

7.如权利要求1所述的一种迭代时隙分配方法，其特征在于：该方法适用于多接入单元的大型PLC网络。