CN103945386A - Ad Hoc网络中空时频三维资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定向天线的Ad Hoc网络中空时频三维资源分配方法，包括第一步，空时频资源规划和第二步，空时频资源分配；空时频资源规划将空域、时域、频域资源根据网络的需求划分成一定颗粒度的资源子块，进而为资源分配打下基础；空时频资源分配则实现了各节点之间分布式、自适应的通信资源分配。本发明实现了在无线Ad Hoc网络中的空时频资源分配与复用，使整个网络的性能得到提升，同时也有助于满足不同节点的QoS需求。

Description

Ad Hoc网络中空时频三维资源分配方法

技术领域：

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种在Ad Hoc网络（自组织对等多跳移动通信网络）中进行空域、时域和频域三维资源分配和复用的方法。

背景技术：

Ad Hoc网络是一种新型的网络组织形式，其特征主要有：自组织、对等、多跳等。自组织的含义是Ad Hoc网络由各个节点之间的动态连接形成，节点可以随意的加入或者离开网络，整个网络不具有固定的拓扑结构；对等指的是在Ad Hoc网络中没有所谓的“中心节点”，各个节点之间的关系是相互平等的；多跳则表明在Ad Hoc网络中，节点之间的通信经常需要通过其他节点的中继，也就是说每个节点都具备路由的功能。尽管Ad Hoc网络没有限制接入网类型，但显而易见，以上特性决定了其在无线网络中的应用更有前景，例如无线传感网、物联网等。

在无线网络中，资源分配是非常重要的一环。典型的资源包括时域、频域和空域等，对应的复用方式分别为时分复用、频分复用和空分复用。时分复用是通过为不同节点之间的通信分配不同的时隙来实现复用的。频分复用是通过让不同节点使用不同的频率来实现复用。空分复用则是通过定向天线来实现的。定向天线是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强，而在其他的方向上发射及接收电磁波则为零或极小的一种天线。与全向天线相比，使用定向天线不仅可以在发送端增加发射功率，在接收端提高抗干扰性，还可以通过集中波束实现空分复用。以上三类资源各自占有独立的维度，因此通过在三维的资源域中进行联合资源分配与调度，就可以极大的提高网络的容量和吞吐量。

在一些已经发展成熟的无线网络系统中，空时频三维资源的分配已经存在一些解决方案。例如在2G/3G蜂窝网中，通过将小区分为不同方向的扇区来实现空间复用，通过为相邻的小区分配不同的频率实现频分复用。对资源调度而言，也已经存在一些经典的算法，包括轮询调度、比例公平调度、最大吞吐量调度以及相应的改进算法等。然而，在Ad Hoc网络中不存在像蜂窝网中的基站那样的中心节点，因此不能实现集中式的资源分配，同时，每个节点也不具备整个网络的信息，这就为资源分配带来了新的挑战，即要求网络资源分配具有分布式和自适应的特点，并且同时能在一定程度上保障服务质量（QoS）需求。在论文“ResourceManagement for Ad Hoc Wireless Networks with Cluster Organization”中，作者提出了一种在Ad Hoc网络中为不同QoS需求的应用分配资源的方法，但是只讨论了普遍意义上的资源而没有突出空时频资源的特性，并且在分配资源时需要通过簇头调度，即为集中式分配。

发明内容：

本发明针对无线Ad Hoc网络的特点，提供了一种基于定向天线的空时频三维资源分配的方法，可以在同步Ad Hoc网络中进行空时频三维资源的分配。同步指的是网络中的节点按照时帧为单位进行资源分配。在每个时帧中包含若干个时隙，时隙即是发送数据包的基本时间单位。在每个时帧中，节点在完成业务通信的同时，还为下一个时帧进行资源分配。资源分配的结果与节点当前的通信需求和历史通信状态有关。因此，该方法具有分布式和自适应的特点，并且能够在一定程度上满足QoS需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种在基于定向天线的无线Ad Hoc网络中进行空时频三维资源分配和复用的方法，包括两个部分：空时频资源规划和空时频资源分配。空时频资源规划将空域、时域、频域资源根据网络的需求划分成一定颗粒度的资源子块，进而为资源分配打下基础；空时频资源分配则实现了各节点之间分布式、自适应的通信资源分配。具体包括如下步骤：

第一步，空时频资源规划，具体如下：

根据定向天线的波束张角以及网络节点的空间分布情况，在每个节点处将空间分成特定数量的方向，每个方向就是一个单位的空间资源；

根据总的频带宽度限制以及传输速率要求，将整个频带划分成特定数量的带宽相等的子信道，每个子信道就是一个单位的频率资源；

根据网络对延时的敏感性，将时间分成时帧和时隙，每个时帧中包含相同数目的时隙，每个时隙就是一个单位的时间资源；

第二步，空时频资源分配，具体如下：

（i）节点频率分配：为每条相邻节点之间的通信链路分配不同的频率，

在不相邻节点之间进行频率复用；

(ii)节点获取邻居节点信息；

（iii）节点进行第N个时帧的时隙预约，具体如下：

当N=1时，每个节点根据自己的邻居数目，将时帧等分成相同数目的时隙块；

一对邻居节点之间的时隙预约过程占两个时隙：

在第一个时隙，预约节点向被预约节点发送当前空闲的时隙块，被预约节点会检查自己当前空闲的时隙块，然后同预约节点的当前空闲的时隙块做运算，得出共同的空闲时隙块；

在第二个时隙，被预约节点将结果返回预约节点，时隙预约完成后，N=N+1，在完成该时帧的通信业务后，返回步骤(iii)；

当N>1时，每个节点在时隙预约过程中，根据历史情况，调整时隙块的相对大小，时隙预约完成后，N=N+1，在完成该时帧的通信业务后，返回步骤(iii)。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于以下几点：

1.本发明实现了在无线Ad Hoc网络中的空时频资源分配与复用。由于资源占据三个维度，因此当某类资源相对较少时，整个网络的容量也可以通过复用得到保证；当资源较充足时，则网络的抗干扰性得到更大的提升。

2.本发明在资源分配的过程中，无需中心节点进行统一调度，而是采用分布式的分配，即通过邻居节点之间的协商完成。这种分配方式更符合实际Ad Hoc网络的特点。

3.本发明在资源分配的过程中，具有根据历史情况，自适应调节资源分配结果的功能，这样会使整个网络的性能得到提升，同时也有助于满足不同节点的QoS需求。

附图说明：

图1.空时频资源示意图。

图2.空时频三维资源分配方法的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例包括以下步骤：

第一步，空时频资源规划，具体如下：在本实施例中，使用天线张角为45°的定向天线，则在每个节点处将空间分成8个方向，每个方向就是一个单位的空间资源；总的可使用频段带宽为120MHz，则可分为20个子信道，每个信道带宽为6MHz，作为一个单位的频率资源；一个时帧长度为1000ms，则可取一个基本时隙长度为1ms，作为一个单位的时域资源。划分后的空时频资源如图1所示。整个空时频三维资源分配的流程图如图2所示。

第二步，空时频资源分配，具体如下：（1）进行频率分配，具体如下：由于节点采用定向天线进行发射和接收，因此为每条相邻节点之间的通信链路分配不同的频率，在不相邻节点之间进行频率复用。（2）节点获取邻居节点信息；（3）在每个节点都获取其邻居节点信息后（包括时间同步信息、位置信息和使用频率信息等），进行第N个时帧的时隙预约，具体如下：

当N=1时，若第i个节点有ik个邻居，则将时帧等分成ik个时隙块。一对邻居节点之间的时隙预约过程占两个时隙。在第一个时隙，预约节点向被预约节点发送当前空闲的时隙块。被预约节点会检查自己当前空闲的时隙块，然后同预约节点的时隙块做与（AND）运算，得出共同的空闲时隙块，并在第二个时隙将结果返回预约节点，时隙预约完成后，N=N+1，返回（3）。

当N>1时，则节点在时隙预约过程中，会根据历史情况，调整时隙块的相对大小。具体说来，若在之前几个时帧中某个时隙块空闲，即没有数据通信，则在下一次时隙预约时该时隙块会相对变小，反之，则时隙块会相对变大。在本实施例中，按照比例公平原则重新分配时隙块的比例。举例说明，若第i个节点有x，y，z三个邻居，其在第m个时帧中所实际使用的时隙数分别为Xm，Ym，Zm，则在下一时帧中时隙块的长度为：其中σ=X,Y,Z，L为约束长度。时隙预约完成后，N=N+1，返回（3）。

Claims (4)

1.一种基于定向天线的Ad Hoc网络中空时频三维资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，空时频资源规划，具体如下：

根据定向天线的波束张角以及网络节点的空间分布情况，在每个节点处将空间分成特定数量的方向，每个方向就是一个单位的空间资源；

根据总的频带宽度限制以及传输速率要求，将整个频带划分成特定数量的带宽相等的子信道，每个子信道就是一个单位的频率资源；

根据网络对延时的敏感性，将时间分成时帧和时隙，每个时帧中包含相同数目的时隙，每个时隙就是一个单位的时间资源；

第二步，空时频资源分配，具体如下：

（i）节点频率分配：为每条相邻节点之间的通信链路分配不同的频率，在不相邻节点之间进行频率复用；

(ii)节点获取邻居节点信息；

（iii）节点进行第N个时帧的时隙预约，具体如下：

当N=1时，每个节点根据自己的邻居数目，将时帧等分成相同数目的时隙块；

一对邻居节点之间的时隙预约过程占两个时隙：

在第一个时隙，预约节点向被预约节点发送当前空闲的时隙块，被预约节点会检查自己当前空闲的时隙块，然后同预约节点的当前空闲的时隙块做运算，得出共同的空闲时隙块；

在第二个时隙，被预约节点将结果返回预约节点，时隙预约完成后，N=N+1，在完成该时帧的通信业务后，返回步骤(iii)；

当N>1时，每个节点在时隙预约过程中，根据历史情况，调整时隙块的相对大小，时隙预约完成后，N=N+1，在完成该时帧的通信业务后，返回步骤(iii)。

2.根据权利要求1所述的基于定向天线的Ad Hoc网络中空时频三维资源分配方法，其特征在于，所述的步骤（ii）中预约节点是指在时隙预约过程中主动发起时隙预约请求的节点，被预约节点是指在时隙预约过程中被动接受时隙预约请求的节点。

3.根据权利要求1所述的基于定向天线的Ad Hoc网络中空时频三维资源分配方法，其特征在于，所述的步骤（iii）被预约节点与预约节点的当前空闲的时隙块做运算，具体如下：

用二元向量表示在当前时帧中预约节点和被预约节点的时隙被占用情况，0表示已经被占用，即非空闲，1表示未被占用，即空闲；将预约节点和被预约节点的向量做与AND运算，进而得出共同的空闲时隙。

4.根据权利要求1所述的基于定向天线的Ad Hoc网络中空时频三维资源分配方法，其特征在于，所述的步骤（iii）中根据历史情况，调整时隙块的相对大小，具体是：

若在之前几个时帧中某个时隙块空闲，即没有数据通信，则在下一次时隙预约时，该时隙块会相对变小，反之，则该时隙块会相对变大。