CN105050117A - 基于业务类型竞争协调时分多址接入的自组网通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于业务类型竞争协调时分多址接入的自组网通信方法,充分考虑到不同业务的差异化需求，合理地采用相应的接入方案，既能满足特定用户、特定业务需求，又能够实现网络整体资源分布优化，避免了传统方案中不同业务流不加区分地使用相同接入策略，导致网络拥塞或资源闲置的问题；可以适用于分布式大尺度网络场景，通过灵活地配置不同业务的使用方式可适应网络负载高低的不同需求。对于拓扑变化频繁的移动网络，能够避免竞争接入等接入方式的分组冲突大、不稳定等缺点，避免固定分配接入方式中对网络节点数目的限制，不受网络规模和网络类型的限定，同时能够满足不同业务需求的服务质量。

Description

基于业务类型竞争协调时分多址接入的自组网通信方法

技术领域

本发明涉及分布式自组织网络技术领域，尤其涉及一种基于业务类型竞争协调时分多址接入技术的自组网通信方法。

背景技术

分布式自组织网络的宽带传输趋势需要提供一个全IP的，具有QoS保证能力的传输通道，可以承载任何经典的IP业务，支持多种不同的业务类型，如可进行点对点及点对多点的语音、短消息、图片、实时视频传输，可进行点对多点的视频分享、文件分享等。如何有效地设计网络节点共享无线信道的方式，在无线网络环境下满足多用户、多业务间分享资源的需求，就需要对传输信道进行规划，设计无线信道的多址接入方式，为每个用户申请、分配、抢占资源的机制。

现有的无线信道接入技术主要可以分为基于竞争(contention-based)和冲突避免(collision-free)两大类。

基于竞争类信道接入技术主要采用载波侦听、退避等待以及错误重传等技术，代表有ALOHA、时隙ALOHA、CSMA等。采用竞争类的信道接入技术在无线电覆盖范围内完全由需要接入信道的节点来竞争通信信道，竞争成功者得到信道的使用权，而其他节点则通过退避等待推迟接入信道。运行机制简单，部署也比较灵活多变，并且引入了冲突回避、重传等辅助机制，使其成为拓扑动态快速变化与高移动性的网络信道接入的一种很好的选择。

冲突避免类接入技术根据不同的信道分配方式又可以分为按需分配类和固定分配类两种。按需分配类信道接入技术通常采用预约和轮询的方式，代表有MACA、MACAW、CSMA/CA、DCF等，在应用实施过程中会带来很多控制开销，一般适用于建立通信链路后较长时间保持稳定传输状态的通信业务。固定分配类接入技术是将时隙、频率、空间等信道资源，按照一定的方式分配给通倍网络中的每个用户，使得网络节点间的通信互不干扰，面向信道，可以为网络节点提供可靠的服务。主耍有频分多地(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)三种技术。

ALOHA、CSMA等基于竞争类信道接入技术并不适用于分布尺度和规模较大的场景，当网络高负载、节点密度增加时，由于竞争类信道接入机制固有的缺点，会造成接入性能的严重下降，在同一时间多个节点同时发送数据的可能性增大，竞争将会明显加剧，造成冲突的概率增大，从而造成丢包、网络延迟等网络问题，导致网络性能急剧下降，所以单一的基于竞争类的信道接入技术难以适用于规模较大的移动网络。

CSMA/CA、DCF等按需分配类信道接入技术基于RTS/CTS握手机制，传输时延较大，制约了网络通信性能，对于网络节点密度大数目多，拓扑结构频繁快速变化，不能保证通信链路稳定性，对于业务应用丰富的无线网络，按需分配类信道接入技术难以满足要求。

固定分配类接入协议中的TDMA协议是经典数据链的多址技术，但随着网络规模变大，节点数量增多时，网络接入时延会增大，同时在业务密度低时将产生很大的资源浪费。其它固定分配接入协议也存在类似问题，或不易于网络规模的扩展，或会造成网络资源的浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于业务类型竞争协调时分多址接入的自组网通信方法，解决了分布式自组织网络中多个用户间，采用多种业务时如何高效的共享一个物理链路的问题，不仅避免了业务分组的冲突碰撞，还能够在保证高优先级业务的实时性基础上，兼顾高业务密度下的有效性和公平性及低业务密度下的资源利用率。

本发明的一种基于业务类型竞争协调时分多址接入的自组网通信方法，包括如下步骤：

步骤1、待入网节点开机后从簇首节点发送的系统广播信息中获得网络同步位置和入网位置；

步骤2、待入网节点通过随机信道在步骤1解析到的系统时帧的网络同步位置向簇首节点发起网络同步请求，得到簇首节点的响应后，完成网络同步过程；

步骤3、待入网节点通过随机信道在步骤1解析到的入网位置向簇首节点发起入网请求，得到簇首节点的响应后，完成入网过程；

步骤4、完成入网过程的普通节点通过广播信道接收簇首节点发送的携带有专用信道分配结果的辅广播信息；

步骤5、根据之前从邻居节点经专用信道接收的Hello包信息，判断本节点当前的网络拓扑结构是否需要更新：

如果是，当系统时帧中为本节点分配的专用信道的起始时刻到达时，通过该专用信道广播发送拓扑维护信息；如果否，可通过该专用信道发送低速率非实时业务；

步骤6、判断是否有高速率实时性业务需要传输：

1)如果没有，再判断是否有随机突发性小数据业务：如果有，使用所述随机信道发送该随机突发性小数据业务；

2)如果有，通过随机信道向簇首节点发送资源申请请求；得到簇首节点的响应后，本节点使用簇首节点为其分配的共享信道传输该高速率实时性业务。

进一步的，所述步骤1具体包括如下步骤：

S11、节点开机后，先读取网络系统的配置信息，以此获得主广播时隙资源位置；

S12、根据所述配置信息，获得本节点在网络中的角色：

如果是簇首节点，在主广播时隙资源位置上周期性地进行系统信息广播；

如果是非簇首的普通节点，接收簇首节点发送的系统广播信息并解析；

S13、然后判断是否成功解析系统广播信息：

如果是，执行S14；

如果否，等待下一帧的主广播时隙，到达后，按照本步骤的方法，接收并继续解析系统广播信息，直到解析成功，执行S14；

S14、根据解析得到的系统广播信息，获取网络同步位置和入网位置，则完成主广播信息接收过程。

进一步的，所述步骤2具体包括如下步骤：

S21、普通节点通过随机信道向簇首节点发起包括自身节点ID的网络同步请求；

S22、普通节点接收簇首节点回复的同步响应；

S23、解析同步响应中的节点ID，并判断得到的节点ID是否为自身的ID：如果否，表示未完成网络同步过程，等待下一个系统时帧到达后，再执行S21；如果是，节点根据同步响应调整时间，完成网络同步。

进一步的，所述步骤3具体包括如下步骤：

S31、普通节点通过随机信道向簇首节点发起包括自身节点ID的入网请求；

S32、普通节点接收簇首节点回复的入网响应；

S33、解析入网响应中的节点ID，并判断得到的节点ID是否为自身的节点ID：如果否，表示未完成入网过程，等待下一个系统时帧到达后，再执行S31；如果是，本节点在解析得到的入网位置，完成入网过程。

较佳的，所述步骤6中，簇首节点对普通节点分配的共享信道的使用期限进行限制：当使用期限到达，判断业务是否已发送完毕：如果是，释放共享信道，可再分配给其它节点使用；如果否，本节点在业务传输过程中通过为其分配的业务共享信道向簇首节点发送资源申请请求，利用簇首节点为其分配的新的共享信道继续发送所述业务。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明充分考虑到不同业务的差异化需求，合理地采用相应的接入方案，既能满足特定用户、特定业务需求，又能够实现网络整体资源分布优化，避免了传统方案中不同业务流不加区分地使用相同接入策略，导致网络拥塞或资源闲置的问题。

(2)可以适用于分布式大尺度网络场景，通过灵活地配置不同业务的使用方式可适应网络负载高低的不同需求。对于拓扑变化频繁的移动网络，能够避免竞争接入等接入方式的分组冲突大、不稳定等缺点，避免固定分配接入方式中对网络节点数目的限制，不受网络规模和网络类型的限定，同时能够满足不同业务需求的服务质量。根据业务类型在资源管理节点执行竞争协调的时分多址接入技术灵活多变，可根据网络规模、节点类型、业务密度等因素提前进行资源规划，扩展性强。

(3)随着网络体系架构将承载和业务相分离，本发明的方案给网络协议也带来了很大的变革，使网络协议设计开发更加模块化、降低耦合性、节约时间减少成本，又使网络可以方便灵活的为多种业务提供服务，不需要因为业务的变更而对网络节点或业务终端本身带来任何影响。而越来越丰富的业务类型又促使网络接入技术必须相应地改变以适应宽带网络的整体发展，在保证业务接入有效性和用户公平性的基础上提高网络利用率，提升用户体验。

附图说明

图1为本发明中时帧结构划分示意图；

图2为本发明的通信方法流程图；

图3为本发明的广播信道上的主广播过程图；

图4为本发明的网络同步过程；

图5为本发明的同步随机接入过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

基于业务类型的竞争协调时分接入技术方案，前提应保证网络内各节点访问无线信道采用时隙对齐的时分方式(即保证全网节点同步)，避免信号冲突，便于资源协调。在网络中设定资源管理角色(我们称之为簇首，簇首按照一定的规则选举产生或指定由特定节点充当，所有节点都有可能充当簇首的角色，随着时间的推移会交由其它节点充当，另外考虑到网络的健壮性可设置备用簇首)，资源管理节点通过统计全网业务类型以及网络节点容量等因素对信道进行划分，并根据实际业务需求对时隙资源进行整体规划。

本发明的基于业务类型竞争协调时分多址接入的通信方法，资源统筹和信道划分是本发明首先要做的工作。簇首根据网络中可能出现的所有业务类型进行归类，便于进行资源统筹分配。首先为有固定、长期的周期性交互需求的，诸如广播等信令业务分配长期周期性资源；其次设计一定比例的竞争时隙资源，网内所有节点共同使用，用于网络同步、节点入网、发起随机接入业务或进行资源申请等；划分一定的共享时隙资源用于网内节点采用动态资源申请方式获取；每一帧都设定固定位置的专用资源，用于网内节点进行拓扑更新或发送周期性非实时业务等；最后考虑到自组织网络的特有需求，必须预留一定的资源给特定用户使用。根据以上规则设计如图1所示时帧结构，将时帧划分为如下五种传输信道，使用的接入方式如下所述：

广播信道(BCH)——固定周期接入方式，不回收，所有节点共用，但仅由特定角色节点发送，其余节点接收，无冲突；

随机信道(RACH)——随机竞争接入方式，供网内所有节点共同使用，可能发生冲突，需退避一个随机时间再次发送；

共享信道(SCH)——通过动态申请分配方式获取使用权，有一定的使用期限，循环共用；

专用信道(DCH)——固定周期专用接入方式，在节点成功入网后为其分配的专用时隙资源，节点退网后此资源回收；

预留信道(RECH)——固定分配接入方式，无需竞争，无需申请，预留给高优先级用户使用，若高优先级用户暂不使用，保留而不允许其它用户抢占。

各个传输信道接入策略如下所述：

广播信道：

广播信令业务使用广播信道进行传输，其中广播信道的时隙资源位置在设备初始上电后通过系统配置得到，此广播时隙资源由网内所有节点共同使用。

在实际使用过程中，广播信道仅由那些具有特定角色的节点(此处我们称之为资源管理节点或簇首)周期性地发布系统广播信息，广播信息包括主广播信息和辅广播信息，其中主广播信息携带了网络同步和初始接入等信息所使用的时隙资源位置。网内其它普通节点在广播时隙位置接收并解析此主广播信息，(此广播信息周期性发布，若普通节点此次未能成功接收并解析，可等待下一个广播时隙再次接收解析)。节点只有在成功接收并解析完主广播信息后，才能在主广播信息中指示的时隙资源位置上采用随机竞争接入的方式完成网络同步，并与特定角色节点进行鉴权完成初始入网过程。

系统广播信息周期性发送，在相对长的时期内不会改变，但也具备一定的时效性，系统广播信息也会根据实际情况改变其广播内容，普通节点接收并解析其内容，根据其内容指示结合普通节点当前状态进行下一步的动作。

专用信道：

在完成初始入网过程以后，网络管理节点会在事先划分好的时隙资源位置上为新入网成功的节点分配其专用时隙资源，并通过辅广播发送给网内节点此分配结果，各自节点仅使用携带其节点信息的资源。

在为其分配的专用时隙资源上，节点用来发送拓扑位置信息，如果某段时间节点无需按照以前的周期频率频繁发送拓扑更新信息，就可以使用此专用时隙资源传输一些速率较低的非实时业务。

对于移动性较强的自组织网络，设计好此专用时隙资源的周期间隔非常重要，资源管理节点需要根据网络最大容量提前规划专用周期性资源的分布间隔。如果发送周期过于短暂，会浪费宝贵的空口资源，如果发送周期过长，会导致节点的移动带来的网络拓扑变化不能及时被全网感知，会对后续寻路等造成影响，从而影响业务正常传输。

网内节点通过在各自的专用时隙资源上进行周期性交互位置等个人信息，进而获取整个网络的拓扑结构，可以得知节点的分布情况及存活状态，便于进行路由选取，最终实现业务的有效传输。

节点主动退网时此资源自动回收，节点因破坏没电等原因被动退网时，资源管理节点会在一段时间后获取不到此节点的此类信息，便可判断此节点已退网，回收之前为其分配的专用资源。

随机信道：

随机信道主要是采用基于竞争的同步随机接入策略，此处的随机信道主要用于普通节点向资源管理节点发起资源申请请求，以及资源管理节点在经过动态资源分配算法计算后对申请节点进行响应；同样地，此随机信道还可以供普通节点发起诸如短消息等具有随机突发特性且数据量较小的业务。

节点用户在完成网络同步及入网认证之后，节点已经与网络建立了连接，且已经处于同步状态，此时若要发起业务就需要向簇首发起随机接入过程，动态申请资源的过程采用的是基于竞争的随机接入方式，会有冲突发生。

基于竞争的同步随机接入过程如图5所示：

a)节点A发送随机接入请求消息进行资源调度请求，调度请求消息中携带业务类型、业务优先级、节点自身优先级、节点身份ID(此时采用RA-RNTI)、业务资源大致需求、目的节点ID等信息元素；

b)簇首进行资源分配后做出响应，回复随机接入响应，包括节点身份标识、业务授权信息等；

c)节点A在分配的时间和信道资源上进行业务发送。

考虑到业务发起的随机性，有可能出现在同一时刻有不同节点同时向簇首申请资源的情形，此时簇首会根据节点优先级和业务优先级进行调度。在随机接入请求消息中携带节点的自身身份标识，簇首识别出同时发送接入请求的各节点，经调度处理后，回复给所有发起接入请求的节点一个随机接入响应，此响应中会携带接入成功的节点身份标识，节点收到后解出是自身标识则接入成功，若不是自身标识则表示接入请求失败，会在下一个随机接入时隙重新发起申请，在随机接入响应中会分配一个C-RNTI给接入成功的节点，代替RA-RNTI进行随后的业务发起过程。

随即接入信道由网内所有节点竞争接入使用，还可以用于传输不太大的实时性突发业务分组，此类资源不需要事先进行RTS/CTS信令交互，减少控制开销，能够实现快速业务接入，但不可避免会出现较低概率的分组冲突。

业务共享信道：

业务共享信道主要用于传输高速率实时性业务，数据量较大需要进行资源申请获得时隙资源。该业务共享信道供网内所有节点共同使用，但必须通过随机接入信道进行资源申请，在节点成功获取时隙资源使用权之后才能使用。

此种类型的资源在申请成功后的一定时期内供特定节点使用(有使用期限)，用完自动回收，簇首可将其分配其它有需求的节点。

如果在业务发送过程中节点发现簇首为其分配的业务共享信道时隙资源不够当前业务数据需求量，则可以在业务传输过程中发起随路信令用来向簇首再次申请业务发送时隙，此时资源申请请求和响应不会发生冲突碰撞现象，相当于专用信道资源的使用。很好地利用了业务传输间隔进行后续业务资源申请，提高信道利用率，提升效率。

需要注意的是，共享信道资源在使用过程中有可能被其它高优先级用户抢占，当抢占方业务完成之后，原使用方继续业务传输。

预留信道：

预留信道使用事先在特定的时隙位置保留的一定比例的未分配资源，用来保证高优先级用户指令等业务的及时执行，不能被抢占，属于固定分配接入。

基于上述划分的五种传输信道类型的接入策略，如图2所示，本发明的分布式自组网通信方法如下：

步骤1、待入网节点开机后从簇首节点发送的系统广播信息中获得网络同步位置和入网位置，此为主广播过程，具体过程如图3所示，包括如下具体步骤：

S11、节点开机后，先读取网络系统的配置信息，以此获得主广播时隙资源位置；

S12、根据所述配置信息，获得本节点在网络中的角色：

如果是簇首节点，在主广播时隙资源位置上周期性地进行系统信息广播；

如果是非簇首的普通节点，接收簇首节点发送的系统广播信息并解析；

S13、然后判断是否成功解析系统广播信息：

如果是，执行S14；

如果否，等待下一帧的主广播时隙，到达后，按照本步骤的方法，接收并继续解析系统广播信息，直到解析成功，执行S14；

S14、根据解析得到的系统广播信息，获取网络同步位置和入网位置，则完成主广播信息接收过程。

步骤2、普通节点通过随机信道向上述簇首节点发起网络同步请求，得到簇首节点的响应后，在步骤1解析到的系统时帧的网络同步位置与网络实现同步，如图4所示，具体过程为：

S21、普通节点通过随机信道向簇首节点发起包括自身节点ID的网络同步请求；

S22、普通节点接收簇首节点回复的同步响应；

S23、解析同步响应中的节点ID，并判断得到的节点ID是否为自身的ID：如果否，表示未完成网络同步过程，等待下一个系统时帧到达后，再执行S21；如果是，节点根据同步响应调整时间，完成网络同步。

步骤3、普通节点通过随机信道向所述簇首节点发起入网请求，得到簇首节点的响应后，在步骤1解析到的入网位置发起入网过程，具体过程与网络同步过程类似，即为：

S31、普通节点通过随机信道向簇首节点发起包括自身节点ID的入网请求；

S32、普通节点接收簇首节点回复的入网响应；

S33、解析入网响应中的节点ID，并判断得到的节点ID是否为自身的节点ID：如果否，表示未完成入网过程，等待下一个系统时帧到达后，再执行S31；如果是，本节点在解析得到的入网位置，完成入网过程。

步骤4、完成入网过程的普通节点通过广播信道接收簇首节点发送的携带有专用信道分配结果的辅广播信息；

步骤5、根据之前从邻居节点接收的Hello包信息判断本节点当前的网络拓扑结构是否需要更新：

如果是，当系统时帧中为本节点分配的专用信道的起始时刻到达时，通过该专用信道广播发送拓扑维护信息；如果否，根据当前需要，通过该专用信道发送相应的低速率非实时业务；

步骤6、判断是否有高速率实时性业务需要传输：

1)如果没有，再判断是否有随机突发性小数据业务：如果有，使用所述随机信道发送该随机突发性小数据业务；

2)如果有，如图5所示，通过随机信道向簇首节点发送资源申请请求；得到簇首节点的响应后，本节点使用簇首节点为其分配的共享信道传输该业务。

其中，高速率实时性业务指的是语音和视频等需要高速传输的业务，低速率非实时性业务一般指邮件和短消息之类的实时性要求不高，且数据量较小的业务。

簇首节点对普通节点分配的共享信道的使用期限进行限制：当使用期限到达，判断业务是否已发送完毕：如果是，释放共享信道，可再分配给其它节点使用；如果否，本节点在业务传输过程中通过为其分配的业务共享信道向簇首节点发送资源申请请求，利用簇首节点为其分配的新的共享信道继续发送所述业务。

基于业务类型的竞争协调时分接入技术方案以时分系统为基础，前提保证整个网络处于同步状态。采用资源预先规划、长期共用固定接入、一定时期专用固定接入、超时回收、资源动态申请临时专用接入、随机竞争接入冲突消解的方法，避免传统方案中不对业务流进行区分而全都使用相同的接入策略，导致网络容量受限或资源浪费等问题。

对于每个网内普通节点，在资源管理节点给其分配的可用资源上根据其自身业务优先级对各数据发送队列进行调度，充分利用节点得到的时隙资源，提高网络吞吐量。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于业务类型竞争协调时分多址接入的自组网通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、待入网节点开机后从簇首节点发送的系统广播信息中获得网络同步位置和入网位置；

步骤2、待入网节点通过随机信道在步骤1解析到的系统时帧的网络同步位置向簇首节点发起网络同步请求，得到簇首节点的响应后，完成网络同步过程；

步骤3、待入网节点通过随机信道在步骤1解析到的入网位置向簇首节点发起入网请求，得到簇首节点的响应后，完成入网过程；

步骤4、完成入网过程的普通节点通过广播信道接收簇首节点发送的携带有专用信道分配结果的辅广播信息；

步骤5、根据之前从邻居节点经专用信道接收的Hello包信息，判断本节点当前的网络拓扑结构是否需要更新：

如果是，当系统时帧中为本节点分配的专用信道的起始时刻到达时，通过该专用信道广播发送拓扑维护信息；如果否，可通过该专用信道发送低速率非实时业务；

步骤6、判断是否有高速率实时性业务需要传输：

1)如果没有，再判断是否有随机突发性小数据业务：如果有，使用所述随机信道发送该随机突发性小数据业务；

2)如果有，通过随机信道向簇首节点发送资源申请请求；得到簇首节点的响应后，本节点使用簇首节点为其分配的共享信道传输该高速率实时性业务。

2.如权利要求1所述的一种基于业务类型竞争协调时分多址接入的自组网通信方法，其特征在于，所述步骤1具体包括如下步骤：

S11、节点开机后，先读取网络系统的配置信息，以此获得主广播时隙资源位置；

S12、根据所述配置信息，获得本节点在网络中的角色：

如果是簇首节点，在主广播时隙资源位置上周期性地进行系统信息广播；

如果是非簇首的普通节点，接收簇首节点发送的系统广播信息并解析；

S13、然后判断是否成功解析系统广播信息：

如果是，执行S14；

如果否，等待下一帧的主广播时隙，到达后，按照本步骤的方法，接收并继续解析系统广播信息，直到解析成功，执行S14；

S14、根据解析得到的系统广播信息，获取网络同步位置和入网位置，则完成主广播信息接收过程。

3.如权利要求1所述的一种基于业务类型竞争协调时分多址接入的自组网通信方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤：

S21、普通节点通过随机信道向簇首节点发起包括自身节点ID的网络同步请求；

S22、普通节点接收簇首节点回复的同步响应；

S23、解析同步响应中的节点ID，并判断得到的节点ID是否为自身的ID：如果否，表示未完成网络同步过程，等待下一个系统时帧到达后，再执行S21；如果是，节点根据同步响应调整时间，完成网络同步。

4.如权利要求1所述的一种基于业务类型竞争协调时分多址接入的自组网通信方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：

S31、普通节点通过随机信道向簇首节点发起包括自身节点ID的入网请求；

S32、普通节点接收簇首节点回复的入网响应；

S33、解析入网响应中的节点ID，并判断得到的节点ID是否为自身的节点ID：如果否，表示未完成入网过程，等待下一个系统时帧到达后，再执行S31；如果是，本节点在解析得到的入网位置，完成入网过程。

5.如权利要求1所述的一种基于业务类型竞争协调时分多址接入的自组网通信方法，其特征在于，所述步骤6中，簇首节点对普通节点分配的共享信道的使用期限进行限制：当使用期限到达，判断业务是否已发送完毕：如果是，释放共享信道，可再分配给其它节点使用；如果否，本节点在业务传输过程中通过为其分配的业务共享信道向簇首节点发送资源申请请求，利用簇首节点为其分配的新的共享信道继续发送所述业务。