CN105263143B - 自组织网络中自适应节点密度和负载的时隙分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自组织网络中自适应节点密度和负载的时隙分配方法，主要解决无线自组织网络中节点密度和负载变化的情况下难以保证一定的时延要求的问题。其实现步骤是：1.节点P入网，构建时隙表；2.节点P选择时隙；3.判断节点P当前时间的时隙类型；4.对于时隙类型是广播时隙的情况，则根据节点密度调整占用的固定时隙；5.对于时隙类型是固定时隙的情况，则根据负载进行动态时隙的预约和释放，实现对时隙的分配。本发明提供了基本的数据传输能力，提供了稳定的数据传输，保证了系统时延要求的稳定性，可用于移动自组织网络中TDMA协议。

Description

自组织网络中自适应节点密度和负载的时隙分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种自适应的时隙分配方法，适用于移动自组织网络中TDMA协议，根据节点密度和业务负载，自适应地分配时隙，从而保证稳定的时延要求。

背景技术

无线自组织网络与常用的蜂窝网络和无线局域网不同，它由一组带有无线收发装置的移动节点组成，不需要固定的基站或控制中心，是一种分布式网络结构，可以在任何时候、任何地点快速组建无线网络，因此近年来受到越来越多的关注。

由于无线自组织网络是一种多跳网络，传统的竞争多址方式，如载波侦听多址接入CSMA协议的信道吞吐率低、接入时延不可控。因此，国内外多数将动态时分多址TDMA协议应用到无线自组织网络中。由于无线自组织网络节点的动态变化，上层数据包的到达速率可变，固定时隙分配方法不再适用于无线自组织网络中TDMA协议，时隙分配需要动态实现才能满足一定的时延要求。

北京航空航天大学的专利申请“用于无人飞行器自主编队的数据链信道分配方法”(公开号CN101646258，申请号CN200910092422.5)公开了一种用于无人飞行器自主编队的数据链信道分配方法。该方法依据系统的应用环境和要求，提出了基于固定分配和预约机制的复合式动态TDMA机制信道分配方法，解决系统内各节点对信息更新的不同需求；根据不同的网络节点总数自适应采用不同的信道分配技术，提升了系统在各个阶段的信道吞吐量；引入了节点轮循辅助协议，避免了对时隙同步的高要求，提升了部分节点发送数据帧超时系统的稳定性，使得系统的资源利用得到了最大化。该方法存在的不足是：首先，该方法需要了解全网节点信息来进行相应的操作，这在无线自组织网络中是很难实现的；其次，对于上层数据流没有很好的自适应性，无法保证系统的传输时延。

河南工业大学的专利申请“一种基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法”(公开号CN103096327A，申请号CN201310006110.4)公开了一种基于TDMA的车载自组网络自适应时隙分配方法。该方法将时帧划分为左右两个时隙集，将节点按照其移动方向划分为左、右节点集，左/右节点集里的节点根据当前的地理位置信息按照一定的规则选择左/右时隙集里的竞争时隙。该方法很大程度上减少了节点发生的接入冲突和合并冲突的概率；并根据节点感知到的节点密度变化，动态的调整帧长，以满足节点快速接入信道的需求；该方法虽具有更少的冲突节点数量，更高的信道利用率和良好的可扩展性，但仍存在以下不足：

一是节点在选择时隙前需要收集邻节点的地理位置信息，这对于其他移动自组织网络来说不容易实现；

二是要根据密度变化动态调整帧长，很难快速协调周围节点同时调整，无法保证稳定的时延要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种自组织网络中自适应节点密度和负载的时隙分配方法，以根据节点密度和上层数据包的到达速率变化，判断队列长度的变化范围，动态调整占用时隙，保证时延的稳定性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.技术原理

在无线自组织网络中，当节点周围的节点密度变化时，本发明自适应调整其占用的固定时隙数，保证固定时隙的充分利用，提供基本的数据传输能力。当上层数据包到达率变化时，如果不预约或释放动态时隙，节点的服务速率与数据的到达率不匹配，若服务速率过大，等待发送数据队列可能长时间为空，浪费动态时隙资源，如果服务速率过小，则数据包的平均等待时延过大，不符合时延要求。本发明通过实时检测队列长度并计算平均队列长度、服务速率和到达速率，通过平均队列长度与计算出的预约、释放门限的比较，自适应地预约和释放动态时隙，以保证稳定的时延要求。

二.实现方案：

根据上述原理，本发明的实现步骤包括如下：

(1)将节点P在随机设定的时间点入网，建立本节点的时隙表并侦听信道，接收一跳邻居节点发来的广播包，获得邻居节点占用的广播时隙、固定时隙和动态时隙，更新时隙表；

(2)节点P根据时隙表，随机选择全网还未使用的广播时隙，作为自身的广播时隙；

(3)判断节点P当前时间的时隙类型：如果节点P当前时间的时隙是广播时隙，则执行步骤4，如果节点P当前时间的时隙是固定时隙，则执行步骤5，如果节点P当前时间的时隙是动态时隙，则继续推进时间；

(4)节点P在广播时隙根据节点密度调整其占用的固定时隙：

(4a)节点P判断当前广播时隙是否是自身广播时隙：如果当前广播时隙不是自身广播时隙，则执行步骤(4b)，如果当前广播时隙是自身广播时隙，则执行步骤(4e)；

(4b)节点P在非自身广播时隙等待接收广播包，如果接收到广播包，则执行步骤(4c)，如果没有接收到广播包，则执行步骤(4d)；

(4c)节点P更新时隙表，如果发现有两个一跳邻居节点占用了相同的固定时隙，则在自身冲突表中标记这两个节点和他们所占用的广播时隙；

(4d)节点P在时隙表某一表项生存时间到期需要删除时，判断表项的广播时隙与本节点的广播时隙是否有关，如果该表项的广播时隙与本节点的广播时隙有关，则根据时隙表，调整本节点占用的固定时隙，否则不作处理；

(4e)节点P在自身的广播时隙将冲突表中标记的信息记录在广播包中，并发送广播包，清空自身冲突表；

(4f)冲突表中的一个冲突节点接收到节点P的广播包后，根据自己所占用的广播时隙与另一个冲突节点占用的广播时隙的关系，调整自身占用的固定时隙；

(5)节点P在固定时隙根据负载进行动态时隙的预约和释放：

(5a)节点P在与自身广播时隙对应的固定时隙，检测缓存区中的队列长度q_t，并根据之前四次已经在对应的固定时隙检测的队列长度和计算这五次检测的队列长度的平均值为q_avg，其中t为当前时刻，T_d为连续两次对应固定时隙的间隔时间，其取值为4个复帧的长度；

(5b)节点P根据在间隔时间T_d内所占用的固定时隙数m和动态时隙数4n，计算服务速率μ_t和到达速率λ_t：

μ_t＝(m+4n)/T_d，

λ_t＝μ_t+(q_t-q_t-Td)/T_d；

(5c)定义当前时刻t的累积队长：其中，w为权值，为上一次对应固定时隙计算的累积队长；

(5d)设置动态服务速率改变值：μ_a＝4/T_d，根据到达速率λ_t、服务速率μ_t、动态服务速率改变值μ_a和五次检测的队列长度的平均值q_avg确定(5c)公式中的权值w：如果λ_t＞(μ_t+μ_a)或者q_avg为0，则设置权值w＝0.1；如果λ_t≤(μ_t+μ_a)，则设置权值w＝0.002；根据权值w计算出当前时刻t的累积队长avg_t；

(5e)根据系统的时延要求T_a，计算出预约门限M₂和释放门限M₁：

(5f)根据当前时刻t的累积队长avg_t与预约门限M₂和释放门限M₁的关系，判断是否需要进行动态时隙的预约和释放：

如果avg_t＞M₂，则执行步骤(5g)，如果avg_t＜M₁，则执行步骤(5h)，如果M₁≤avg_t≤M₂，则不作处理；

(5g)根据已占用动态时隙数n的值，判断是否需要进行动态时隙预约：如果n＜S_max，则执行动态时隙预约，如果n＝S_max，则不作处理，其中S_max是规定一个节点最多可占用的动态时隙数目；

(5h)根据已占用动态时隙数n的值，判断是否需要进行动态时隙释放：如果n＞0，则执行动态时隙释放，如果n＝0，则不作处理。

本发明与现有技术相比较具有如下优点：

1.本发明由于根据节点密度变化，自适应调整其占用的固定时隙数，能保证固定时隙的充分利用和提供基本的数据传输能力。

2.本发明由于根据数据到达速率和服务速率的关系判断当前队列长度的范围，当超出该范围时，预约或者释放动态时隙改变服务速率，能够保证时延要求。

3.本发明由于提供的自适应时隙分配方法，在节点密度和数据到达速率明显变化时，也能保证时延曲线的相对平稳，保证了传输系统的稳定性。

4.本发明由于根据系统的时延要求变化，相应地改变预约和释放动态时隙的规则，能够提供稳定的数据传输。

附图说明

图1是本发明的实现总流程图；

图2是本发明中根据节点密度调整固定时隙扩展度的子流程图；

图3是本发明中根据负载进行动态时隙的预约和释放的子流程图；

图4是本发明中动态时隙预约的子流程图；

图5是本发明中动态时隙释放的子流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明内容做详细叙述。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1：节点入网，构建时隙表。

将节点P在随机设定的时间点入网，建立本节点的时隙表并侦听信道；

节点P接收一跳邻居节点发来的广播包，获得邻居节点占用的广播时隙、固定时隙和动态时隙，根据这些时隙对时隙表进行一次更新。

步骤2：节点P选择广播时隙，即节点P根据一次更新后的时隙表，随机选择全网还未使用的广播时隙，作为自身的广播时隙。

步骤3：节点P当前时间的时隙类型，确定后续操作：

如果节点P当前时间的时隙是广播时隙，则执行步骤4；

如果节点P当前时间的时隙是固定时隙，则执行步骤5；

如果节点P当前时间的时隙是动态时隙，则继续推进时间。

步骤4：广播时隙根据节点密度调整其占用的固定时隙

参照图2，本步骤的具体实现如下：

(4a)节点P判断当前广播时隙是否是自身广播时隙：如果当前广播时隙不是自身广播时隙，则执行步骤(4b)，如果当前广播时隙是自身广播时隙，则跳转到步骤(4e)；

(4b)节点P在非自身广播时隙等待接收广播包，如果接收到广播包，则执行步骤(4c)，如果没有接收到广播包，则执行步骤(4d)；

(4c)节点P根据接收到的广播包对时隙表进行二次更新，查看二次更新后的时隙表，如果发现有两个一跳邻居节点占用了相同的固定时隙，则在自身冲突表中标记这两个节点和他们所占用的广播时隙；

(4d)节点P在时隙表某一表项生存时间到期需要删除时，判断该表项的广播时隙与本节点的广播时隙是否有关，如果该表项的广播时隙与本节点的广播时隙有关，则根据时隙表，调整本节点占用的固定时隙，否则不作处理；

本节点与广播时隙的相关性是指：一个超帧中共有4k个不同的广播时隙，广播时隙标号为0～(4k-1)，所有广播时隙分为k组，每组有4个时隙，例如(0,k,2k,3k)为一组，(1,k+1,2k+1,3k+1)为一组。处于同组的两个广播时隙为相关时隙，例如，广播时隙0和广播时隙k有关；

同样，一个超帧中也有4k个不同的固定时隙，固定时隙标号为0～(4k-1)，固定时隙标号与广播时隙标号一一对应，也分为k组。当邻居节点的广播时隙中都与本节点广播时隙无关，则本节点可以占用同组的四个固定时隙；

如果删除表项的广播时隙与本节点的广播时隙有关，则本节点调整占用的固定时隙，即占用该邻居节点原本占用的固定时隙；

上述超帧结构如下表：

表中的每一行是一个复帧，每个复帧包括三部分：同步广播时隙，固定分配时隙和动态分配时隙；

每四个复帧包括一个完整的固定时隙循环，即固定时隙从0到(4k-1)；

TDMA的时间按表中一行接一行地推进，时间推进到超帧的最后一个时隙后，返回第一个时隙BS0继续推进；

(4e)节点P在自身的广播时隙将冲突表中标记的信息记录在广播包中，并发送广播包，清空自身冲突表；

(4f)冲突表中的一个冲突节点接收到节点P的广播包后，根据自己所占用的广播时隙与另一个冲突节点占用的广播时隙的关系，调整自身占用的固定时隙。

冲突的两个节点是属于同组的节点，同组的节点根据广播时隙的关系有不同占用方式，例如：

情况一，如果节点A占用广播时隙0，节点B占用广播时隙k，则节点A占用固定时隙0和2k，节点B占用固定时隙k和3k；

情况二，如果节点A占用广播时隙0，节点B占用广播时隙2k，则节点A占用固定时隙0，节点B占用固定时隙2k。

综上所述，如果节点A和节点B占用广播时隙相差k或者3k，则分别占用两个固定时隙，如果节点A和节点B占用时隙相差2k，则分别占用一个固定时隙。

步骤5：根据负载预约和释放动态时隙

参照图3，本步骤具体实现如下：

(5a)节点P在与自身广播时隙对应的固定时隙，检测缓存区中的队列长度q_t，并根据之前四次已经在对应的固定时隙检测的队列长度和计算这五次检测的队列长度的平均值为q_avg，其中t为当前时刻，T_d为连续两次对应固定时隙的间隔时间，其取值为4个复帧的长度；

(5b)节点P根据在间隔时间T_d内所占用的固定时隙数m和动态时隙数4n，计算服务速率μ_t和到达速率λ_t：

μ_t＝(m+4n)/T_d，

λ_t＝μ_t+(q_t-q_t-Td)/T_d；

在间隔时间T_d内，节点P所占用的固定时隙数m的范围是1～4，已占用动态时隙数n的范围是0～S_max，其中S_max是规定一个节点最多可占用的动态时隙数目；

(5c)定义当前时刻t的累积队长：其中，w为权值，为上一次对应固定时隙计算的累积队长；

(5d)设置动态服务速率改变值：μ_a＝4/T_d，根据到达速率λ_t、服务速率μ_t、动态服务速率改变值μ_a和五次检测的队列长度的平均值q_avg确定(5c)公式中的权值w：如果λ_t＞(μ_t+μ_a)或者q_avg为0，则设置权值w＝0.1；如果λ_t≤(μ_t+μ_a)，则设置权值w＝0.002；根据权值w计算出当前时刻t的累积队长avg_t；

权值w越小，表明当前时刻队列长度的影响越小，权值w越大，表明之前累积队长的影响越小。因为当到达速率突变时，当前时刻队列长度变化很大，需要将这些变化快速反映在累积队长中，所以要增大权值；

(5e)根据系统的时延要求T_a，计算出预约门限M₂和释放门限M₁：

系统的排队模型为M/D/1排队模型，负载为泊松到达，服务时间在一段时间内近似为常量；

利用M/D/1排队模型的平均时延公式和平均队长公式及可推导出两个门限的计算公式如下：

(5f)根据当前时刻t的累积队长avg_t与预约门限M₂和释放门限M₁的关系，判断是否需要进行动态时隙的预约和释放：

当累积队长稳定在两个门限值之间时，即M₁≤avg_t≤M₂，不作处理；

当累积队长大于预约门限时，即avg_t＞M₂，表明当前服务速率无法满足业务流的到达，需要预约新的动态时隙，执行步骤(5g)；

当累积队长小于释放门限时，即avg_t＜M₁，表明当前服务速率在保证传输时延情况下还有很多富余，需要释放动态时隙，将动态时隙资源让给邻居节点，保证资源的公平分配，执行步骤(5h)。

(5g)根据已占用动态时隙数n的值，判断是否需要进行动态时隙预约：如果n＜S_max，则执行动态时隙预约，如果n＝S_max，则不作处理，其中S_max是规定一个节点最多可占用的动态时隙数目；

参照图4，上述步骤(5g)中的动态时隙预约，其具体实现如下：

(5g1)节点P在本节点动态时隙表中选择5个空闲时隙，在对应于自身广播时隙的固定时隙发送预约通知包；

(5g2)节点P的邻居节点接收到预约通知包后，判断其中的5个时隙是否与自身动态时隙表中的已被占用时隙冲突：

如果有时隙冲突，则在冲突包中标记冲突的时隙，并在自身广播时隙对应的固定时隙发送冲突包；

如果没有时隙冲突，则不作处理；

(5g3)节点P接收到冲突包后，将冲突包中标记的冲突时隙从5个待选时隙中删除，并在下一个自身固定时隙时，根据剩余待选时隙的数目，判断能否成功选择动态时隙：

如果剩余待选时隙数目大于零，则在剩余待选时隙中随机选择一个时隙，并在占用通知包中标记该时隙，再发送占用通知包，对已占用动态时隙数n加1；

如果无剩余待选时隙，则选择动态时隙不成功，返回步骤(5g1)；

(5g4)节点P的邻居节点接收到占用通知包，在动态时隙表中标记占用通知包中的时隙；

(5h)根据已占用动态时隙数n的值，判断是否需要进行动态时隙释放：如果n＞0，则执行动态时隙释放，如果n＝0，则不作处理。

参照图5，上述步骤(5h)中的动态时隙释放，其具体实现如下：

(5h1)节点P在本节点已占用的动态时隙中随机选择一个时隙，在释放通知包中标记该时隙，并发送释放通知包，再对已占用动态时隙数n减1；

(5h2)节点P的邻居节点接收到释放通知包，在动态时隙表中去除释放通知包中的时隙的占用标记。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.自组织网络中自适应节点密度和负载的时隙分配方法，包括如下步骤：

(1)将节点P在随机设定的时间点入网，建立本节点的时隙表并侦听信道，接收一跳邻居节点发来的广播包，获得邻居节点占用的广播时隙、固定时隙和动态时隙，更新时隙表；

(2)节点P根据时隙表，随机选择全网还未使用的广播时隙，作为自身的广播时隙；

(3)判断节点P当前时间的时隙类型：如果节点P当前时间的时隙是广播时隙，则执行步骤(4)，如果节点P当前时间的时隙是固定时隙，则执行步骤(5)，如果节点P当前时间的时隙是动态时隙，则继续推进时间；

(4)节点P在广播时隙根据节点密度调整其占用的固定时隙：

(4a)节点P判断当前广播时隙是否是自身广播时隙：如果当前广播时隙不是自身广播时隙，则执行步骤(4b)，如果当前广播时隙是自身广播时隙，则执行步骤(4e)；

(4b)节点P在非自身广播时隙等待接收广播包，如果接收到广播包，则执行步骤(4c)，如果没有接收到广播包，则执行步骤(4d)；

(4c)节点P更新时隙表，如果发现有两个一跳邻居节点占用了相同的固定时隙，则在自身冲突表中标记这两个节点和他们所占用的广播时隙；

(4d)节点P在时隙表某一表项生存时间到期需要删除时，判断表项的广播时隙与本节点的广播时隙是否有关，如果该表项的广播时隙与本节点的广播时隙有关，则根据时隙表，调整本节点占用的固定时隙，否则不作处理；

(4e)节点P在自身的广播时隙将冲突表中标记的信息记录在广播包中，并发送广播包，清空自身冲突表；

(4f)冲突表中的一个冲突节点接收到节点P的广播包后，根据自己所占用的广播时隙与另一个冲突节点占用的广播时隙的关系，调整自身占用的固定时隙；

(5)节点P在固定时隙根据负载进行动态时隙的预约和释放：

(5a)节点P在与自身广播时隙对应的固定时隙，检测缓存区中的队列长度q_t，并根据之前四次已经在对应的固定时隙检测的队列长度和计算这五次检测的队列长度的平均值为q_avg，其中t为当前时刻，T_d为连续两次对应固定时隙的间隔时间，其取值为4个复帧的长度；

(5b)节点P根据在间隔时间T_d内所占用的固定时隙数m和动态时隙数4n，计算服务速率μ_t和到达速率λ_t：

μ_t＝(m+4n)/T_d，

(5c)定义当前时刻t的累积队长：其中，w为权值，为上一次对应固定时隙计算的累积队长；

(5d)设置动态服务速率改变值：μ_a＝4/T_d，根据到达速率λ_t、服务速率μ_t、动态服务速率改变值μ_a和五次检测的队列长度的平均值q_avg确定(5c)公式中的权值w：如果λ_t＞(μ_t+μ_a)或者q_avg为0，则设置权值w＝0.1；如果λ_t≤(μ_t+μ_a)，则设置权值w＝0.002；根据权值w计算出当前时刻t的累积队长avg_t；

(5e)根据系统的时延要求T_a，计算出预约门限M₂和释放门限M₁：

(5f)根据当前时刻t的累积队长avg_t与预约门限M₂和释放门限M₁的关系，判断是否需要进行动态时隙的预约和释放：

如果avg_t＞M₂，则执行步骤(5g)，如果avg_t＜M₁，则执行步骤(5h)，如果M₁≤avg_t≤M₂，则不作处理；

(5g)根据已占用动态时隙数n的值，判断是否需要进行动态时隙预约：如果n＜S_max，则执行动态时隙预约，如果n＝S_max，则不作处理，其中S_max是规定一个节点最多可占用的动态时隙数目；

(5h)根据已占用动态时隙数n的值，判断是否需要进行动态时隙释放：如果n＞0，则执行动态时隙释放，如果n＝0，则不作处理。

2.根据权利要求书1所述的自组织网络中自适应节点密度和负载的时隙分配方法，其中所述步骤(5g)中的动态时隙预约，按如下步骤进行：

(5g1)节点P在本节点动态时隙表中选择5个空闲时隙，在对应于自身广播时隙的固定时隙发送预约通知包；

(5g2)节点P的邻居节点接收到预约通知包后，判断其中的5个时隙是否与自身动态时隙表中的已被占用时隙冲突：

如果有时隙冲突，则在冲突包中标记冲突的时隙，并在自身广播时隙对应的固定时隙发送冲突包，如果没有时隙冲突，则不作处理；

(5g3)节点P接收到冲突包后，将冲突包中标记的冲突时隙从5个待选时隙中删除，并在下一个自身固定时隙时，根据剩余待选时隙的数目，判断能否成功选择动态时隙：

如果剩余待选时隙数目大于零，则在剩余待选时隙中随机选择一个时隙，并在占用通知包中标记该时隙，再发送占用通知包，对已占用动态时隙数n加1；

如果无剩余待选时隙，则选择动态时隙不成功，返回步骤(5g1)；

(5g4)节点P的邻居节点接收到占用通知包，在动态时隙表中标记占用通知包中的时隙。

3.根据权利要求书1所述的自组织网络中自适应节点密度和负载的时隙分配方法，其中所述步骤(5h)中的动态时隙释放，按如下步骤进行：

(5h1)节点P在本节点已占用的动态时隙中随机选择一个时隙，在释放通知包中标记该时隙，并发送释放通知包，再对已占用动态时隙数n减1；

(5h2)节点P的邻居节点接收到释放通知包，在动态时隙表中去除释放通知包中的时隙的占用标记。