CN106792972A - 一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，该方法包括：一种三跳链路时隙分配算法，在路由建立过程中以三跳链路为单位进行时隙分配，在三跳链路范围内对每一跳链路可用时隙集合的时隙进行干扰程度统计，统计每个时隙在三跳链路范围内出现的次数，在三跳链路范围内分配时隙时，选择可用时隙集合元素最少的链路，在该链路分配干扰程度最小的时隙；一种在路由控制包保存时隙状态信息的轻量级存储方法，通过使用二进制整数记录节点时隙集合，减小路由控制包由于记录时隙信息产生的存储开销；一种在TDMA协议区分路由控制包和实时数据包进行处理的方法，避免数据包队列阻塞引起的时隙资源利用率下降的问题。

Description

一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法

技术领域

本发明涉及基于TDMA的移动自组织网络中无冲突接入信道的时隙分配的技术领域，具体涉及一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法。

背景技术

移动自组织网络是由节点通过无线链路连接组成的自治系统，在无需建立固定基础设施的情况下即可进行无线通信。在通信过程中，节点作为移动终端不仅发送数据，同时充当路由器中继来自其他节点的数据。近年来，在移动自组织网络中不再满足于提供尽最大努力交付方式的数据传输，伴随实时移动多媒体应用在居民生活中的普及程度越来越高，满足用户传输实时多媒体数据的需求变得越来越重要，关于在移动自组织网络中提供QoS保障通信成为研究的重点课题。

信道接入和路由协议对移动自组织网络提供QoS保障起到至关重要的作用。在移动自组织网络中无线信道资源紧缺，如何使网络节点公平且高效地通过信道接入网络，减少分组碰撞而产生冲突是MAC协议的关键任务，MAC协议能否高效运行决定移动自组织网络的整体性能。使用TDMA是一种有效提高网络吞吐量和降低分组时延的信道接入技术，通过将信道资源进行分时使用，网络节点在预约时隙内进行无冲突数据传输，较好地解决竞争类MAC协议高数据冲突的问题，但是需要引入有效的时隙分配算法。

在移动自组织网络中，由于能耗限制使得无线节点的传输范围有限，源节点到目标节点的路由长度会超过一跳距离，分组需要路由中继节点进行转发，使得网络具有多跳路由特性。无线节点以无法预知的方式加入、离开网络，节点之间建立的通信链路可能会断开或进行重新连接。在这样的网络环境下为实时数据提供QoS保障，同样需要有效路由协议提供支持。按需响应式AODV路由协议，使网络节点在进行数据发送或作为路由中继节点前，无需维护相应路由信息进而减少路由控制信息的传输，更有效地提高网络资源的利用率。

实时数据有着最小的带宽需求，若不能满足实时数据的带宽需求，则到达目标节点的实时数据将变为无用。在移动自组织网络中，为满足实时数据的带宽需求，需要建立一条有足够带宽资源的路由。本发明的重点是保证实时数据的带宽需求，在基于TDMA的移动自组织网络中，路由带宽通过路由各链路分配到的时隙个数进行计算，而节点时隙状态信息保存在TDMA协议，为满足实时数据的带宽需求，需要在AODV和TDMA协议之间加入一个有效的时隙分配算法。

目前大多数基于AODV和TDMA协议满足实时数据带宽需求的跨层设计方案采用的时隙分配算法主要分为两类：基于逐跳的时隙分配算法和基于端到端的时隙分配算法。文献[Time Slot Assignment for Maximum Bandwidth in a Mobile Ad Hoc Network]属于端到端的时隙分配算法，在路由建立过程中收集路由所有节点的时隙状态信息，在目标节点对路由各链路可用时隙进行分配，需要记录大量的时隙状态信息会对路由控制包产生较大存储开销，只在目标节点进行时隙分配会对目标节点产生较大处理开销。文献[An On-Demand QoS Routing Protocol with TDMA-basedBandwidth Reservation in Mobile AdHoc Networks]属于逐跳时隙分配算法，在路由建立过程中经过每一个节点采用时隙分配规则分配链路可用时隙，忽略当前链路时隙分配对路由后续两跳链路造成的干扰，降低路由建立的成功率，间接影响时隙资源的空间复用率和网络性能。

基于逐跳的时隙分配方案在路由建立过程中经过每一个节点采用时隙分配规则分配链路可用时隙，由于隐藏终端现象的存在，这种方案忽略当前链路时隙分配对路由后续两跳链路造成的干扰，降低路由建立的成功率，间接影响时隙资源的空间复用率和网络性能。基于端到端的时隙分配方案在路由建立过程中收集路由所有节点的时隙状态信息，在目标节点对路由各链路可用时隙进行分配，需要记录大量的时隙状态信息会对路由控制包产生较大存储开销，只在目标节点进行路由各节点的时隙分配会对目标节点产生较大处理开销。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，该时隙分配方法基于TDMA的移动自组织网络满足实时数据的带宽需求，在路由建立过程中以三跳链路为单位进行时隙分配，在三跳链路范围内对每一跳链路可用时隙集合的时隙进行干扰程度统计，统计每个时隙在三跳链路范围内出现的次数，在三跳链路范围内分配时隙时，选择可用时隙集合元素最少的链路，在该链路分配干扰程度最小的时隙。相对于逐跳时隙分配算法，可以考虑当前链路时隙分配对后续两跳链路造成的干扰，提高时隙的空间复用率。相对于端到端时隙分配算法，可以有效减小路由控制包的存储开销和目标节点进行路由各链路时隙分配产生的处理开销。此外，相对于大部分方案采用数组的方式在路由控制包记录节点集合的时隙状态信息，本发明提出一种轻量级存储方法，通过使用二进制整数记录节点时隙集合，减小路由控制包记录时隙信息的存储开销。同时提出一种在TDMA协议区分路由控制包和实时数据包进行处理的方法，避免数据包队列阻塞引起的时隙资源利用率下降的问题。通过以上三点主要优化和改进，在满足实时数据带宽需求的同时，提升网络的整体性能。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，所述时隙分配方法包括下列步骤：

S1、源节点u通过广播Request包的方式发起路由建立过程，路由的连续三跳链路由四个节点组成，使用所述Request包记录路由信息，在Request包定义字段index表示当前节点在路由最新一段未分配链路中的序号，定义字段N为节点在路由中的序号，令N＝0和index＝0；

S2、在所述Request包中定义数组free记录路由最新一段未分配链路中各节点的可用时隙集合，将源节点u的可用时隙集合记录到free[index＝0]中，将所述Request包广播到源节点的邻居节点w；

S3、邻居节点w接收到所述Request包，判断是否已经接收所述Request包，若已经接收所述Request包，则丢弃不做额外处理，否则执行步骤S4的操作；

S4、更新字段N＝N+1、index＝index+1，将当前邻居节点w的可用时隙集合记录到数组free[index]中；

S5、判断当前邻居节点w是否为路由目标节点，若当前邻居节点w是目标节点，进行路由最后一段链路的时隙分配，执行步骤S6的操作；若当前邻居节点w是到达目标节点的中继节点，通过所述Request包index字段的值判断是否需要执行三跳链路时隙分配算法，若index的值不等于3，继续广播所述Request包到节点w的邻居节点，执行步骤S3的操作；若index的值等于3，在节点w执行步骤S7的操作；

S6、进行路由最后一段未分配链路的时隙分配，根据所述Request包记录的信息，计算当前路由最新一段未分配链路的链路数hops和各链路的可用时隙集合保存在数组link，执行步骤S9的重复时隙去重操作，执行步骤S10的三跳链路时隙分配算法，若最后一段链路时隙分配成功，则建立满足实时数据带宽需求的路由，否则路由建立失败；

S7、进行路由当前一段未分配链路的时隙分配，根据所述Request包记录的信息，计算当前路由最新一段未分配链路的链路数hops和各链路的可用时隙集合保存在数组link，执行步骤S9的重复时隙去重操作，执行步骤S10的三跳链路时隙分配算法，若当前一段链路时隙分配成功，执行步骤S8的操作，否则当前一段链路时隙分配失败，路由建立失败，停止继续广播所述Request包；

S8、当前一段链路的链路数为3，将当前一段链路第二跳和第三跳链路的时隙分配结果保存在所述Request包的assign数组用于下一段未分配链路的重复时隙去重操作，将所述Request包字段index的值重置为0，即index＝0，将当前节点的可用时隙集合记录到free[index＝0]中，将所述Request包广播到当前节点的邻居节点，执行步骤S3的操作；

S9、重复时隙去重操作，在所述Request包定义数组assign记录上一段三跳链路最后两跳链路的时隙分配结果，数组assign的长度为2，当序号为N的节点是路由的目标节点，执行包含目标节点的最后一段未分配链路的重复时隙去重操作，否则序号为N的节点是到达路由目标节点的中继节点，执行当前一段未分配链路的重复时隙去重操作；

S10、进行三跳链路时隙分配，假设路由的带宽需求为r个时隙，定义数组allocate保存最新一段未分配链路各链路分配的时隙集合，针对数组link，对每一跳链路可用时隙集合的时隙进行干扰程度统计，每个时隙的干扰程度factor为该时隙在三跳链路范围内出现的次数，在三跳链路范围内分配时隙，选择可用时隙集合元素最少的链路L，在链路L分配干扰程度factor最小的时隙S，将时隙S保存在allocate[L]对应的时隙集合，为使路由连续三跳链路分配不相交的时隙集合，在链路L分配时隙S后，需要在当前一段链路各链路的可用时隙集合link中将时隙S移除，若能使当前一段链路各链路均分配到r个时隙，则返回当前一段链路时隙分配成功，将当前一段链路各链路的时隙分配结果保存在当前节点，否则返回当前一段链路时隙分配失败。

进一步地，所述执行包含目标节点的最后一段未分配链路的重复时隙去重操作具体为：对于所述Request包字段N的值，当运行三跳链路时隙分配算法的节点序号N的值大于3，表示当前一段需要分配时隙的链路不是路由的第一段链路，执行link[0]＝link[0]-assign[0]-assign[1]，表示当前一段链路的第一跳链路的可用时隙集合不能与上一段链路的第二跳和第三跳链路的分配时隙集合相交；若hops的值大于等于2，表示当前一段链路的链路数多于两跳，对于当前一段链路的第二跳链路，执行link[1]＝link[1]-assign[1]，表示当前一段链路的第二跳链路的可用时隙集合不能与上一段链路第三跳链路的分配时隙集合相交。

进一步地，所述执行当前一段未分配链路的重复时隙去重操作具体为：对于所述Request包字段N的值，当运行三跳链路时隙分配算法的节点序号N的值大于3，表示当前一段需要分配时隙的链路不是路由的第一段链路，并且当前一段链路的链路数为3，当前一段链路的第一跳链路的可用时隙集合不能与上一段链路的第二跳和第三跳链路的分配时隙集合相交，执行link[0]＝link[0]-assign[0]-assign[1]，对于当前一段链路的第二跳链路，执行link[1]＝link[1]-assign[1]，表示当前一段链路的第二跳链路的可用时隙集合不能与上一段链路第三跳链路的分配时隙集合相交。

进一步地，所述步骤S1中使用AODV协议进行路由建立，使用TDMA协议访问无线信道，使用IFQ队列缓存数据包，使用全向天线使得在一个时隙内只能发送或者接收数据。

进一步地，节点的时隙状态信息保存在TDMA协议。

进一步地，节点的时隙分为数据帧时隙和控制帧时隙，在所述控制帧时隙只能发送路由控制包，在所述数据帧时隙只能发送实时数据包，并且所述数据帧时隙只服务于指定的实时数据流。

进一步地，所述TDMA协议加入两个FIFO数据包缓存队列，包括实时数据包缓存队列和路由控制包缓存队列，所述TDMA协议的每个发送时隙均从IFq队列取出一个数据包，根据数据包的类型存入相应缓存队列，当需要进行数据发送时，根据发送时隙的类别从相应缓存队列中取出数据包，在所述控制帧时隙，从所述路由控制包缓存队列中取出一个路由控制包进行发送，在所述数据帧时隙，根据数据帧时隙服务的数据流在所述实时数据包缓存队列中取出相应实时数据包进行发送。

进一步地，所述节点的时隙状态信息在路由控制包保存时采用轻量级存储方法，通过使用二进制整数记录节点时隙集合。

进一步地，所述数组free的长度为4。

进一步地，所述干扰程度factor的取值为1、2或3。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明采用基于三跳链路的时隙分配算法，相对于端到端式时隙分配算法，可以有效减小路由控制包记录时隙状态信息产生的存储开销和目标节点运行算法对路由各节点进行时隙分配产生的处理开销。

(2)本发明采用基于三跳链路的时隙分配算法，相对于逐跳式时隙分配算法，可以考虑当前链路时隙分配对后续两跳链路造成的干扰，保证路由中连续三跳链路分配不相交的时隙集合，提高时隙的空间复用率。

(3)本发明的实现通过以下改进对现有方案进行优化，通过将节点可用时隙集合转化为二进制整形数，减少在路由控制包中使用数组记录时隙状态信息产生的存储开销。在TDMA协议提出区分路由控制包和实时数据包进行处理的方法，避免数据包队列阻塞引起的时隙资源利用率下降的问题，真正发挥多时隙数据传输的优势。

附图说明

图1是本发明公开的一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法的流程图；

图2是具有8个时隙的时隙图；

图3是时隙集合{1,2}转为整形数0x03的过程图；

图4是整形数0x03转化为时隙集合{1,2}的过程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

三跳链路时隙分配算法在路由建立过程中使用，本发明的路由层采用AODV协议，AODV协议可建立无环路由的特性使得路由中每一个节点具有一个唯一递增的序号，根据这个序号可以判断节点距离路由源节点的跳数，三跳链路时隙分配算法根据这个序号在路由建立过程中以三跳链路为单位进行时隙分配。时隙分配的最终目标是使路由中连续三跳链路分配的时隙集合的交集为空集，路由各节点可以在分配的时隙进行数据的无冲突传输。下面结合附图1中本发明公开的一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法的流程图，具体说明本发明的方案，该方案的实现包括以下步骤：

S1、源节点u需要发送实时数据到目标节点v，若源节点u的路由表没有记录到达目标节点v的路由表项。源节点u通过广播Request包的方式发起路由建立过程，路由的连续三跳链路由四个节点组成，使用Request包记录路由信息，在Request包定义字段index表示当前节点在路由最新一段未分配链路中的序号，定义字段N为节点在路由中的序号，令N＝0和index＝0，执行步骤S2的操作。

S2、源节点u的时隙状态信息保存在TDMA协议，在Request包中定义数组free记录路由最新一段未分配链路中各节点的可用时隙集合，数组free的长度为4，将源节点u的可用时隙集合记录到free[index＝0]中。将Request包广播到源节点的邻居节点w，执行步骤S3的操作。

S3、邻居节点w接收到Request包，判断是否已经接收该Request包，若已经接收该Request包，则丢弃不做额外处理。否则在第一次接收该Request包后，执行步骤S4的操作。

S4、更新字段N＝N+1、index＝index+1，将当前邻居节点w的可用时隙集合记录到数组free[index]中，执行步骤S5的操作。

S5、判断当前邻居节点w是否为路由目标节点，若当前邻居节点w是目标节点，进行路由最后一段链路的时隙分配，执行步骤S6的操作。否则当前邻居节点w是到达目标节点的中继节点，通过Request包index字段的值判断是否需要执行三跳链路时隙分配算法，若index的值不等于3，表示当前未分配时隙的链路数不足三跳，继续广播该Request包到节点w的邻居节点，执行步骤S3的操作。否则index的值等于3，需要在节点w执行步骤S7的操作。

S6、进行路由最后一段未分配链路的时隙分配：根据Request包记录的信息，计算当前路由最新一段未分配链路的链路数hops和各链路的可用时隙集合保存在数组link。执行步骤S9的重复时隙去重操作，执行步骤S12的三跳链路时隙分配算法，若最后一段链路时隙分配成功，则建立满足实时数据带宽需求的路由，否则路由建立失败。

S7、进行路由当前一段未分配链路的时隙分配：根据Request包记录的信息，计算当前路由最新一段未分配链路的链路数hops和各链路的可用时隙集合保存在数组link。执行步骤S9的重复时隙去重操作，执行步骤S10的三跳链路时隙分配算法，若当前一段链路时隙分配成功，执行步骤S8的操作，否则当前一段链路时隙分配失败，路由建立失败，停止继续广播该Request包。

S8、当前一段链路的链路数为3，将当前一段链路第二跳和第三跳链路的时隙分配结果保存在Request包的assign数组用于下一段未分配链路的重复时隙去重操作，将Request包字段index的值重置为0，即index＝0。将当前节点的可用时隙集合记录到free[index＝0]中。将Request包广播到当前节点的邻居节点，执行步骤S3的操作。

S9、重复时隙去重操作：三跳链路时隙分配算法需要保证路由连续三跳链路时隙分配结果的集合交集为空集，而且在路由建立过程中三跳链路时隙分配算法需要在目标节点和序号N是3的倍数的节点执行，并且包含目标节点的最后一段链路的链路数不一定为3。对于路由中不是第一段三跳链路需要执行重复时隙去重操作，重复时隙去重操作的具体步骤为：在Request包定义数组assign记录上一段三跳链路最后两跳链路的时隙分配结果，数组assign的长度为2。当序号为N的节点是路由的目标节点，执行包含目标节点的最后一段未分配链路的重复时隙去重操作，否则序号为N的节点是到达路由目标节点的中继节点，执行当前一段未分配链路的重复时隙去重操作。

其中，所述执行包含目标节点的最后一段未分配链路的重复时隙去重操作具体为：对于Request包字段N的值，当运行三跳链路时隙分配算法的节点序号N的值大于3，表示当前一段需要分配时隙的链路不是路由的第一段链路，执行link[0]＝link[0]-assign[0]-assign[1]，表示当前一段链路的第一跳链路的可用时隙集合不能与上一段链路的第二跳和第三跳链路的分配时隙集合相交。若hops的值大于等于2，表示当前一段链路的链路数多于两跳，对于当前一段链路的第二跳链路，执行link[1]＝link[1]-assign[1]，表示当前一段链路的第二跳链路的可用时隙集合不能与上一段链路第三跳链路的分配时隙集合相交。

其中，所述执行当前一段未分配链路的重复时隙去重操作具体为：对于Request包字段N的值，当运行三跳链路时隙分配算法的节点序号N的值大于3，表示当前一段需要分配时隙的链路不是路由的第一段链路，并且当前一段链路的链路数为3，当前一段链路的第一跳链路的可用时隙集合不能与上一段链路的第二跳和第三跳链路的分配时隙集合相交。执行link[0]＝link[0]-assign[0]-assign[1]，对于当前一段链路的第二跳链路，执行link[1]＝link[1]-assign[1]，表示当前一段链路的第二跳链路的可用时隙集合不能与上一段链路第三跳链路的分配时隙集合相交。

S10、三跳链路时隙分配算法：注意hops的取值可能为1、2、3，当hops不等于3也不会影响在三跳范围内进行时隙分配。假设路由的带宽需求为r个时隙，定义数组allocate保存最新一段未分配链路各链路分配的时隙集合。针对数组link，对每一跳链路可用时隙集合的时隙进行干扰程度统计，每个时隙的干扰程度factor为该时隙在三跳链路范围内出现的次数，factor的取值可能为1、2、3。在三跳链路范围内分配时隙，选择可用时隙集合元素最少的链路L，在链路L分配干扰程度factor最小的时隙S，将时隙S保存在allocate[L]对应的时隙集合。为使路由连续三跳链路分配不相交的时隙集合，在链路L分配时隙S后，需要在当前一段链路各链路的可用时隙集合link中将时隙S移除。若能使当前一段链路各链路均分配到r个时隙，则返回当前一段链路时隙分配成功，将当前一段链路各链路的时隙分配结果保存在当前节点，否则返回当前一段链路时隙分配失败。

为了能在NS2中进行本发明的模拟仿真，需要通过表1中参数对移动自组织网络的节点进行配置：

表1.NS2网络模拟参数配置表

参数名	参数值	参数说明
			val(chan)	Channel/WirelessChannel	物理信道类型：无线信道
val(prop)	Propagation/TwoRayGround	无线传输模型：TwoRayGround
			val(netif)	Phy/WirelessPhy	网络接口类型：无线物理层
val(mac)	Mac/Tdma	MAc层：Tdma
			val(ifq)	Queue/DropTail/PriQueue	接口队列类型：IFQ队列
val(II)	LL	逻辑链路层类型：LL层
			val(ant)	Antenna/OmniAntenna	天线模型：全向天线
val(ifqlen)	100	网络接口队列大小：100
			val(rp)	AODV	无线路由协议：AODV
val(nn)	16	节点数目：16
			val(x)	1000	仿真区域长度1000m
val(y)	1000	仿真区域宽度1000m
			val(stop)	100.0	设定模拟时间100s

(1)使用AODV协议进行路由建立，使用TDMA协议访问无线信道，使用IFQ队列缓存数据包，使用全向天线使得在一个时隙内只能发送或者接收数据。

(2)节点的时隙分为两种，数据帧时隙和控制帧时隙。在控制帧时隙只能发送路由控制包，在数据帧时隙只能发送实时数据包，并且数据帧时隙只服务于指定的实时数据流。

(3)在1000m乘1000m的仿真区域内有16个节点，为使网络各节点可以进行路由控制包的无冲突传输，使节点的控制帧时隙个数等于16。

(4)网络模拟中在路由建立过程使用三跳链路时隙分配算法，进行路由各节点的时隙分配，并将时隙分配结果保存在运行算法的节点。

(5)网络模拟中在路由应答的过程，在保存有时隙分配结果的节点，将结果信息记录在应答包，进行该段链路各节点的时隙预留。

(6)在建立一条满足带宽需求的路由后，源节点开始传输实时数据到目标节点。在路由建立失败超时后，源节点重新发起路由建立的请求。本发明提出轻量级的存储方法记录节点时隙的状态信息，利用定义相应二进制整数的方法进行时隙状态信息的记录。首先需要定义时隙表，表中的各项数值定义如下：假设节点共有N个时隙需要记录，则序号为1的时隙在表中的值为0x01，序号为N的时隙在表中的值为0x01左移N位后的数值。

(一)时隙的存储方式

(1)时隙集合转化为整形数：将时隙集合中每项时隙对应时隙表中的数值进行按位或运算，得到的结果即为节点时隙集合对应的整形数。

(2)整形数转化为时隙集合：对时隙表中的各项数值进行一次遍历，当遍历到某一项数值时，将整形数与该数值进行按位与运算，若运算结果等于该数值，将该数值对应的时隙序号加入到集合当中。通过对时隙表进行一次遍历得到整形数对应的时隙集合。

通过图2具有8个时隙的时隙表进行说明，图2为具有8个时隙的时隙图，图3为时隙集合{1,2}转为整形数0x03的过程图，图4为整形数0x03转化为时隙集合{1,2}的过程图。

(二)区分实时数据包和路由控制包进行处理

NS2的TDMA协议在每个发送时隙会从IFQ队列取出一个数据包，然后阻塞IFQ队列，直到成功发送取出的数据包后再从IFQ队列取出下一个待发送的数据包。

当出现以下三种情形将使TDMA协议的部分时隙处于阻塞状态，白白浪费发送时隙对应的无线信道资源。

(1)节点在控制帧时隙取出实时数据包。

(2)节点在数据帧时隙取出路由控制包。

(3)节点在数据帧时隙取出不属于该时隙服务数据流的实时数据包。

为了避免这三种情形对时隙资源的浪费和真正发挥多时隙数据传输的优势，需要对原生的TDMA协议做相应修改，具体做法是在TDMA协议加入两个FIFO数据包缓存队列，包括实时数据包缓存队列和路由控制包缓存队列。

TDMA协议的每个发送时隙均从IFq队列取出一个数据包，根据数据包的类型存入相应缓存队列。当需要进行数据发送时，根据发送时隙的类别从相应缓存队列中取出数据包。

(1)控制帧发送时隙，从路由控制包缓存队列中取出一个路由控制包进行发送。

(2)数据帧发送时隙，根据数据帧时隙服务的数据流在实时数据包缓存队列中取出相应实时数据包进行发送。

综上所述，本实施例针对TDMA网络的时隙分配问题，公开了一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，该方法包括：一种三跳链路时隙分配算法，在路由建立过程中以三跳链路为单位进行时隙分配，在三跳链路范围内对每一跳链路可用时隙集合的时隙进行干扰程度统计，统计每个时隙在三跳链路范围内出现的次数，在三跳链路范围内分配时隙时，选择可用时隙集合元素最少的链路，在该链路分配干扰程度最小的时隙；一种在路由控制包保存时隙状态信息的轻量级存储方法，通过使用二进制整数记录节点时隙集合，减小路由控制包由于记录时隙信息产生的存储开销；一种在TDMA协议区分路由控制包和实时数据包进行处理的方法，避免数据包队列阻塞引起的时隙资源利用率下降的问题。通过本发明提出方案的优化和改进满足实时数据的带宽需求，从而提升网络的整体性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，其特征在于，所述时隙分配方法包括下列步骤：

S1、源节点u通过广播Request包的方式发起路由建立过程，路由的连续三跳链路由四个节点组成，使用所述Request包记录路由信息，在Request包定义字段index表示当前节点在路由最新一段未分配链路中的序号，定义字段N为节点在路由中的序号，令N＝0和index＝0；

S2、在所述Request包中定义数组free记录路由最新一段未分配链路中各节点的可用时隙集合，将源节点u的可用时隙集合记录到free[index＝0]中，将所述Request包广播到源节点的邻居节点w；

S3、邻居节点w接收到所述Request包，判断是否已经接收所述Request包，若已经接收所述Request包，则丢弃不做额外处理，否则执行步骤S4的操作；

S4、更新字段N＝N+1、index＝index+1，将当前邻居节点w的可用时隙集合记录到数组free[index]中；

S5、判断当前邻居节点w是否为路由目标节点，若当前邻居节点w是目标节点，进行路由最后一段链路的时隙分配，执行步骤S6的操作；若当前邻居节点w是到达目标节点的中继节点，通过所述Request包index字段的值判断是否需要执行三跳链路时隙分配算法，若index的值不等于3，继续广播所述Request包到节点w的邻居节点，执行步骤S3的操作；若index的值等于3，在节点w执行步骤S7的操作；

S6、进行路由最后一段未分配链路的时隙分配，根据所述Request包记录的信息，计算当前路由最新一段未分配链路的链路数hops和各链路的可用时隙集合保存在数组link，执行步骤S9的重复时隙去重操作，执行步骤S10的三跳链路时隙分配算法，若最后一段链路时隙分配成功，则建立满足实时数据带宽需求的路由，否则路由建立失败；

S7、进行路由当前一段未分配链路的时隙分配，根据所述Request包记录的信息，计算当前路由最新一段未分配链路的链路数hops和各链路的可用时隙集合保存在数组link，执行步骤S9的重复时隙去重操作，执行步骤S10的三跳链路时隙分配算法，若当前一段链路时隙分配成功，执行步骤S8的操作，否则当前一段链路时隙分配失败，路由建立失败，停止继续广播所述Request包；

S8、当前一段链路的链路数为3，将当前一段链路第二跳和第三跳链路的时隙分配结果保存在所述Request包的assign数组用于下一段未分配链路的重复时隙去重操作，将所述Request包字段index的值重置为0，即index＝0，将当前节点的可用时隙集合记录到free[index＝0]中，将所述Request包广播到当前节点的邻居节点，执行步骤S3的操作；

S9、重复时隙去重操作，在所述Request包定义数组assign记录上一段三跳链路最后两跳链路的时隙分配结果，数组assign的长度为2，当序号为N的节点是路由的目标节点，执行包含目标节点的最后一段未分配链路的重复时隙去重操作，否则序号为N的节点是到达路由目标节点的中继节点，执行当前一段未分配链路的重复时隙去重操作；

S10、进行三跳链路时隙分配，假设路由的带宽需求为r个时隙，定义数组allocate保存最新一段未分配链路各链路分配的时隙集合，针对数组link，对每一跳链路可用时隙集合的时隙进行干扰程度统计，每个时隙的干扰程度factor为该时隙在三跳链路范围内出现的次数，在三跳链路范围内分配时隙，选择可用时隙集合元素最少的链路L，在链路L分配干扰程度factor最小的时隙S，将时隙S保存在allocate[L]对应的时隙集合，为使路由连续三跳链路分配不相交的时隙集合，在链路L分配时隙S后，需要在当前一段链路各链路的可用时隙集合link中将时隙S移除，若能使当前一段链路各链路均分配到r个时隙，则返回当前一段链路时隙分配成功，将当前一段链路各链路的时隙分配结果保存在当前节点，否则返回当前一段链路时隙分配失败。

2.根据权利要求1所述的一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，其特征在于，

所述执行包含目标节点的最后一段未分配链路的重复时隙去重操作具体为：对于所述Request包字段N的值，当运行三跳链路时隙分配算法的节点序号N的值大于3，表示当前一段需要分配时隙的链路不是路由的第一段链路，执行link[0]＝link[0]-assign[0]-assign[1]，表示当前一段链路的第一跳链路的可用时隙集合不能与上一段链路的第二跳和第三跳链路的分配时隙集合相交；若hops的值大于等于2，表示当前一段链路的链路数多于两跳，对于当前一段链路的第二跳链路，执行link[1]＝link[1]-assign[1]，表示当前一段链路的第二跳链路的可用时隙集合不能与上一段链路第三跳链路的分配时隙集合相交。

3.根据权利要求1所述的一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，其特征在于，

所述执行当前一段未分配链路的重复时隙去重操作具体为：对于所述Request包字段N的值，当运行三跳链路时隙分配算法的节点序号N的值大于3，表示当前一段需要分配时隙的链路不是路由的第一段链路，并且当前一段链路的链路数为3，当前一段链路的第一跳链路的可用时隙集合不能与上一段链路的第二跳和第三跳链路的分配时隙集合相交，执行link[0]＝link[0]-assign[0]-assign[1]，对于当前一段链路的第二跳链路，执行link[1]＝link[1]-assign[1]，表示当前一段链路的第二跳链路的可用时隙集合不能与上一段链路第三跳链路的分配时隙集合相交。

4.根据权利要求1所述的一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，其特征在于，所述步骤S1中使用AODV协议进行路由建立，使用TDMA协议访问无线信道，使用IFQ队列缓存数据包，使用全向天线使得在一个时隙内只能发送或者接收数据。

5.根据权利要求4所述的一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，其特征在于，节点的时隙状态信息保存在TDMA协议。

6.根据权利要求4所述的一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，其特征在于，节点的时隙分为数据帧时隙和控制帧时隙，在所述控制帧时隙只能发送路由控制包，在所述数据帧时隙只能发送实时数据包，并且所述数据帧时隙只服务于指定的实时数据流。

7.根据权利要求6所述的一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，其特征在于，

所述TDMA协议加入两个FIFO数据包缓存队列，包括实时数据包缓存队列和路由控制包缓存队列，所述TDMA协议的每个发送时隙均从IFq队列取出一个数据包，根据数据包的类型存入相应缓存队列，当需要进行数据发送时，根据发送时隙的类别从相应缓存队列中取出数据包，在所述控制帧时隙，从所述路由控制包缓存队列中取出一个路由控制包进行发送，在所述数据帧时隙，根据数据帧时隙服务的数据流在所述实时数据包缓存队列中取出相应实时数据包进行发送。

8.根据权利要求4所述的一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，其特征在于，所述节点的时隙状态信息在路由控制包保存时采用轻量级存储方法，通过使用二进制整数记录节点时隙集合。

9.根据权利要求1所述的一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，其特征在于，所述数组free的长度为4。

10.根据权利要求1所述的一种满足实时数据带宽需求的时隙分配方法，其特征在于，所述干扰程度factor的取值为1、2或3。