CN107018551A - 基于定向多波束天线的tdma帧结构的时隙预约方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法，其包括下列步骤：步骤一，设置定向多波束天线形式的网络节点，定向多波束天线同时生成多个发送波束和多个接收波束，定向多波束天线的双工工作模式为全双工模式；步骤二，将TDMA帧结构的时帧分为邻居节点发现段、时隙预约段、数据传输段三段。本发明基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法将定向多波束天线引入到Ad Hoc网络中，简化了邻居节点发现过程，并利用接入优先级机制、队列优先级机制以及RTS/CTS/CONF三步握手实现了对数据时隙的高效无冲突的预约，显著提高了网络容量，降低了冲突，提供更好的服务质量保障。

Description

基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法

技术领域

本发明涉及一种时隙预约方法，特别是涉及一种基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法。

背景技术

随着用户需求的提升和天线技术的发展，越来越多的研究将定向天线应用到无线Ad hoc网络中。Ad Hoc网络是由一组具备无线收发能力的移动节点组成的临时自治系统，具有无中心、自组织、自愈性、网络拓扑多跳且动态变化等特点，在军事作战、紧急救援、数据采集等领域有着广泛的应用。传统的Ad Hoc网络使用的全向天线严重限制了网络的性能，因此，将定向天线引入到Ad Hoc网络中成为研究的热点。将定向天线技术应用到无线AdHoc网络中，可以减少干扰，提高空间复用，增加覆盖范围，降低功耗，并且具有良好的保密性和隐蔽性。

MAC协议控制着对物理层的访问，其设计应该与物理层尤其是天线的工作模式相适应，同时也对物理层的性能起到至关重要的作用。基于TDMA的MAC协议，利用时间同步，可以降低冲突，是无线自组网通信领域不可缺少的一部分。现有的定向TDMAMAC协议，假定定向天线的工作形式是单发单收，半双工工作。在这样的天线工作形式，邻居节点算法极为复杂，且难以处理冲突问题，资源利用率低。

例如，DTRA协议(参考文献：Zhang Z.Pure directional transmission andreception algorithms in wireless ad hoc networks with directional antennas[C]//IEEE International Conference on Communications.2005:3386-3390Vol.5.)就是一种典型的基于定向天线的TDMA MAC协议。DTRA协议的天线工作模式为：定向发送定向接收，半双工工作。DTRA协议通过时帧分段的方式实现了邻居节点发现、时隙预约和数据传输的功能，实现了纯定向通信条件下邻居节点发现和链路维护的功能。针对DTRA协议没有冲突处理能力的问题，SDVCS协议(参考文献：Tu Y,Zhang Y,Zhang H.A novel MACprotocol for wireless Ad hoc networks with directional antennas[C]//IEEEInternational Conference on Communication Technology.IEEE,2013:494-499.)，通过交换控制信息，阻止会引起冲突的业务数据发送，提高了吞吐量。然而，这种冲突处理方法过程复杂，冲突处理具有滞后性，且难以保障业务的服务质量需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法，其将定向多波束天线引入到Ad Hoc网络中，简化了邻居节点发现过程，并利用接入优先级机制、队列优先级机制以及RTS/CTS/CONF三步握手实现了对数据时隙的高效无冲突的预约，显著提高了网络容量，降低了冲突，提供更好的服务质量保障。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法，其包括下列步骤：

步骤一，设置定向多波束天线形式的网络节点，定向多波束天线同时生成多个发送波束和多个接收波束，定向多波束天线的双工工作模式为全双工模式；

步骤二，将TDMA帧结构的时帧分为邻居节点发现段、时隙预约段、数据传输段三段；

步骤三，对网络中每个节点均维护建立两张表，两张表包括邻居节点表和资源状态表，分别记录邻居节点的方向和每个波束在每个时隙资源上的发送状态、接收状态和功率。

优选地，所述TDMA帧结构采用时间同步的方式，将时间划分为连续的超帧，每个超帧由多个时帧构成，每个时帧包括邻居节点发现段、时隙预约段和数据段三部分，邻居节点发现段由多个邻居节点发现时隙组成，时隙预约段由多个预约时隙组成，每个预约时隙分为RTS/CTS/CONF三个子时隙，数据段由多个数据时隙组成，每个数据时隙分为DATA/ACK两个子时隙。

优选地，所述发送节点在DATA子时隙根据资源状态表，为各个业务进行功率分配，然后以对应的功率发送DATA分组，接收节点成功接收到DATA分组后，会在ACK子时隙发送ACK分组进行确认。

优选地，所述邻居节点各自占据一个邻居节点发现时隙，并在自己的邻居节点发现时隙向各个方向依次发送邻居节点发送分组，其他节点接收到邻居节点发现分组后更新邻居节点表。

优选地，所述时隙预约段根据节点自身的通信需求，节点选择是否接入预约时隙并选择待预约的业务，节点选择预约时隙的策略为支持接入优先级机制的p坚持策略，选择待预约业务的策略为队列优先级机制，时隙预约过程为RTS/CTS/CONF三步握手。

优选地，所述选择预约时隙的策略将时隙预约段的时隙进行划分，只有优先级高于一定级别的业务被允许以一定的概率接入。

优选地，所述待预约业务的策略包括下列步骤：

步骤四，为每一个业务定义一个计数器W，为每个优先级定义一个增量d；

步骤五，增量d的大小与优先级有关，优先级越高，增量d越大；

步骤六，可预约业务为资源状态表中有可用资源且符合接入优先级机制的业务，每次预约，选择计数器值最大的可预约业务预约；

步骤七，预约时隙结束时，当前尝试预约的业务的W＝0，其余业务的W＝W+d。

优选地，所述时隙预约过程包括下列步骤：

步骤八，预约请求阶段，节点为查看邻居节点表和资源状态表，检查待预约业务是否有可预约资源，如果有，则以最大功率Pmax发送预约请求分组，分组携带自身节点信息、待预约业务的信息、发送功率和可用时隙列表；

步骤九，预约应答阶段，当节点接收到预约请求分组之后，首先判断自己是不是目的节点，如果是，则计算自身应该使用的发送功率，然后对比预约请求分组中的可用时隙列表和自身的资源状态表，如果有可用资源，则以此功率发送预约应答分组确认，并更新资源状态表，预约应答分组携带自身节点信息、待预约业务的信息、发送功率和已预约时隙列表；如果自己不是目的节点，且预约请求分组中可用时隙会造成冲突，则发送预约应答分组否认，阻止预约；

步骤十，预约确认阶段，当节点接收到预约应答分组，如果自己是目的节点，则计算自身应该使用的发送功率，然后以此功率发送预约确认分组，并更新资源状态表，预约确认分组携带自身节点信息、待预约业务的信息、发送功率和确认预约时隙列表；如果自己不是目的节点，保持静默，并更新资源状态表；当节点接收到预约应答分组否认，如果自己是目的节点，修正资源状态表。

本发明的积极进步效果在于：本发明基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法将定向多波束天线引入到Ad Hoc网络中，简化了邻居节点发现过程，并利用接入优先级机制、队列优先级机制以及RTS/CTS/CONF三步握手实现了对数据时隙的高效无冲突的预约，显著提高了网络容量，降低了冲突，提供更好的服务质量保障。

附图说明

图1为本发明基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法的时帧结构说明图。

图2为本发明基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法的时隙结构说明图。

图3为本发明基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法的邻居节点表结构说明图。

图4为本发明基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法的资源状态表结构说明图。

图5为本发明基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法的预约时隙按照优先级分段结构示意图。

图6为本发明实施例一每个节点只有一个业务时，网络吞吐量随业务量变化的仿真曲线图，图中4条曲线分别为MAC-RSV协议，DTRA协议，SDVCS协议和DMB-MAC协议。

图7为实施例一每个节点只有一个业务时，平均时延随业务量变化的仿真曲线图，图中4条曲线分别为DTRA协议，SDVCS协议和DMB-MAC协议。

图8为实施例二节点数为50时，DMA-MAC协议的网络吞吐量对比图，图中三条曲线分别为节点能同时发送的波束个数为1，2，3。

图9为实施例二节点数为100时，DMA-MAC协议的网络吞吐量对比图，图中三条曲线分别为节点能同时发送的波数个数为1，2，3。

图10为实施例二节点数为200时，DMA-MAC协议的网络吞吐量对比图，图中三条曲线分别为节点能同时发送的波数个数为1，2，3。

图11为实施例三仅使用接入优先级机制时，DMA-MAC协议三种优先级业务的平均时延对比图。

图12为实施例三同时使用接入优先级机制和队列优先级机制时，DMA-MAC协议三种优先级业务的平均时延对比图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1至图12所示，本发明基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法包括下列步骤：

步骤一，设置定向多波束天线形式的网络节点，定向多波束天线同时生成多个发送波束和多个接收波束，定向多波束天线的双工工作模式为全双工模式；

步骤二，将TDMA帧结构的时帧分为邻居节点发现段、时隙预约段、数据传输段三段；

步骤三，对网络中每个节点均维护建立两张表，两张表包括邻居节点表(NT)和资源状态表(RST)，分别记录邻居节点的方向和每个波束在每个时隙资源上的发送状态、接收状态和功率。

TDMA帧结构采用时间同步的方式，将时间划分为连续的超帧，每个超帧由多个时帧构成，每个时帧包括邻居节点发现段、时隙预约段和数据段三部分，邻居节点发现段由多个邻居节点发现时隙组成，时隙预约段由多个预约时隙组成，每个预约时隙分为RTS/(N)CTS/CONF三个子时隙，数据段由多个数据时隙组成，每个数据时隙分为DATA/ACK两个子时隙。

发送节点在DATA子时隙根据资源状态表，为各个业务进行功率分配，然后以对应的功率发送DATA分组，接收节点成功接收到DATA分组后，会在ACK子时隙发送ACK分组进行确认。

邻居节点各自占据一个邻居节点发现时隙，并在自己的邻居节点发现时隙向各个方向依次发送邻居节点发送分组，其他节点接收到邻居节点发现分组后更新邻居节点表。

时隙预约段根据节点自身的通信需求，节点选择是否接入预约时隙并选择待预约的业务，节点选择预约时隙的策略为支持接入优先级机制的p坚持策略，选择待预约业务的策略为队列优先级机制，时隙预约过程为RTS/(N)CTS/CONF三步握手。

选择预约时隙的策略将时隙预约段的时隙进行划分，只有优先级高于一定级别的业务被允许以一定的概率接入。

待预约业务的策略包括下列步骤：

步骤四，为每一个业务定义一个计数器W，为每个优先级定义一个增量d；

步骤五，增量d的大小与优先级有关，优先级越高，d越大；

步骤六，可预约业务为资源状态表中有可用资源且符合接入优先级机制的业务，每次预约，选择计数器值最大的可预约业务预约；

步骤七，预约时隙结束时，当前尝试预约的业务的W＝0，其余业务的W＝W+d。

时隙预约过程包括下列步骤：

步骤八，预约请求阶段(RTS)，节点为查看邻居节点表和资源状态表，检查待预约业务是否有可预约资源，如果有，则以最大功率Pmax发送预约请求分组，分组携带自身节点信息、待预约业务的信息、发送功率和可用时隙列表；

步骤九，预约应答阶段((N)CTS)，当节点接收到预约请求分组之后，首先判断自己是不是目的节点，如果是，则计算自身应该使用的发送功率，然后对比预约请求分组中的可用时隙列表和自身的资源状态表，如果有可用资源，则以此功率发送预约应答分组确认，并更新资源状态表，预约应答分组携带自身节点信息、待预约业务的信息、发送功率和已预约时隙列表；如果自己不是目的节点，且预约请求分组中可用时隙会造成冲突，则发送预约应答分组否认，阻止预约。

步骤十，预约确认阶段(CONF)，当节点接收到预约应答分组，如果自己是目的节点，则计算自身应该使用的发送功率，然后以此功率发送预约确认分组，并更新资源状态表，预约确认分组携带自身节点信息、待预约业务的信息、发送功率和确认预约时隙列表；如果自己不是目的节点，保持静默，并更新资源状态表。当节点接收到预约应答分组否认，如果自己是目的节点，修正资源状态表。

图1为本发明DMB-MAC协议的时帧结构说明图。DMB-MAC协议将时间划分为连续的超帧。每个超帧由K个时帧构成，每个时帧包括邻居节点发现段、时隙预约段和数据段三部分。邻居节点发现段由N个邻居节点发现时隙组成，节点在邻居节点发现时隙中广播自身信息，时隙结构如图2所示。时隙预约段由R个预约时隙组成，每个预约时隙分为RTS/(N)CTS/CONF三个子时隙，用于为各种通信业务预约时隙。数据段由M个数据时隙组成，用于节点发送数据，每个数据时隙分为DATA/ACK两个子时隙。

网络中每个节点均维护两张表，即邻居节点表(NT)和资源状态表(RST)，分别记录邻居节点的方向和每个波束在每个时隙资源上的发送状态、接收状态和功率，表结构分别如图3和图4所示。

如图5所示，在时隙预约段，将时隙进行划分，只有优先级高于一定级别的业务被允许以一定的概率接入。图5中，优先级标记为i的业务只有优先级不低于i的业务才可以使用。

在实施例一中，假设网络中100个节点随机分布在20km×20km区域内，节点的最大通信距离为30km。天线分为4个扇区，每个扇区覆盖90°范围，每个扇区可以独立工作，可以看成一个独立节点。每个扇区分为8个波束，每个波束宽度为11.25°。每个扇区只有一个业务，每个业务的数据分组按泊松分布以相同的速率产生。超帧中时帧数K为10。每个时帧中邻节点发现时隙数N为10，预约时隙数R为8，数据时隙数M为16。节点的接入概率为0.4。

选择的对比协议为基于定向单波束天线的DTRA协议和SDVCS协议和基于全向天线的MAC-RSV协议。各自天线形式和帧格式参数为：

DTRA和SDVCS协议：采用纯定向天线。天线波束形式为4扇区8波束，覆盖范围与Rotman透镜天线相同。工作模式为单发单收，且半双工工作。每个时帧包含1个扫描周期，100个预约时隙和16个数据时隙。

MAC-RSV协议：采用全向天线，覆盖范围Rotman透镜天线相同。一个时帧包含8个预约时隙和16个数据时隙。

图6为四种协议在不同负载条件下的吞吐量比较。DMB-MAC协议的吞吐量远远高于其他三个协议，这是因为协议使用的天线具有更强的发送和接收能力。在负载较低时，DMB-MAC协议、DTRA协议和SDVCS都能保持比较好的吞吐量，而MAC-RSV协议则远远低于其他协议。这是由于MAC-RSV协议采用的全向天线的空间复用能力远远低于定向天线。随着负载的增加，DTRA协议的吞吐量反而下降。这是由于DTRA协议不具备避免冲突的能力，影响了吞吐量的性能。SDVCS改进了DTRA，能够通过虚拟侦听避免冲突，吞吐量不会随着负载增加而下降。MAC-RSV和DMB-MAC协议都通过直接侦听控制信息的方式避免了冲突，在高负载情况下也都能保持稳定的吞吐量。在负载较高时，DMB-MAC协议的吞吐量是SDVCS的6倍左右，是MAC-RSV协议的191倍。

图7为SM-RMAC协议、SDVCS和DTRA协议的平均时延性能比较。需要说明的是MAC-RSV协议的时延在5s以上，远远大于其他三种协议，为了方便比较其他三种协议的性能，没有纳入到图7中。在负载较低时，三种协议的平均时延都约等于时帧长度，其中，SDVCS和DTRA协议需要更多的控制时隙，导致帧长大于SM-RMAC协议。随着负载的提高，SM-RMAC协议的时延也随之提高，并逐渐趋于稳定，而SDVCS协议和DTRA协议基本不变。这是因为，高负载下，SDVCS协议和DTRA协议都只有部分业务能够正常通信，以阻止另一部分业务通信为代价换得较低的时延。

在实施例二中，每个扇区的业务数量改为3个，预约时隙数量R改为16，接入概率为0.33。

图8，图9，图10分别为实施例二网络规模是50,100，200时，网络吞吐量在不同发送能力下的对比，图中三条曲线分别表示节点能同时发送的波束个数为1，2，3。可以看出，随着节点发送能力的增强，网络容量也在提高。

另外，在网络规模比较小的时候，增加节点的发送能力能够更加显著的提升网络的吞吐量；在网络规模比较大时，增加节点的发送能力对网络吞吐量的提升作用不大。在网络规模比较小时，节点间的冲突并不激烈，因此，新的发送波束可以使用的空闲时隙资源更多，反之，即使一个扇区可以生成更多的发送波束，也没有可供使用的空闲时隙资源。

在实施例三中，假定业务优先级数为3，优先级为0(高)、1(中)、2(低)的业务占比为1:2:7，预约时隙分段为：r0＝2，r1＝4。

图11只使用了接入优先级机制，可以认为d0＝d1＝d2＝1。当负载较低时，三种优先级业务的平均时延接近。随着负载的增加，高优先级的业务可以有更多的接入机会，因此平均时延只是缓慢增加。而低优先级业务只有在没有高优先级业务竞争或者高优先级业务预约失败的情况下，才能成功预约时隙，因此，平均时延迅速增加，且优先级越低，时延越大。

图12同时使用了接入优先级机制和队列优先级机制，各个优先级的计数器增量为：d0＝3，d1＝2，d2＝1。图12中优先级越高，接入的机会越多。因此，图11的高优先级和中优先级的平均时延低于图12。

可见，两种优先级机制都能够实现对不同优先级业务的差异化服务，两者可以配合使用。在实际应用中，可以根据情况选择参数。

综上所述，本发明基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法将定向多波束天线引入到Ad Hoc网络中，简化了邻居节点发现过程，并利用接入优先级机制、队列优先级机制以及RTS/(N)CTS/CONF三步握手实现了对数据时隙的高效无冲突的预约，显著提高了网络容量，降低了冲突，提供更好的服务质量保障。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法，其特征在于，其包括下列步骤：

步骤一，设置定向多波束天线形式的网络节点，定向多波束天线同时生成多个发送波束和多个接收波束，定向多波束天线的双工工作模式为全双工模式；

步骤二，将TDMA帧结构的时帧分为邻居节点发现段、时隙预约段、数据传输段三段；

步骤三，对网络中每个节点均维护建立两张表，两张表包括邻居节点表和资源状态表，分别记录邻居节点的方向和每个波束在每个时隙资源上的发送状态、接收状态和功率。

2.如权利要求1所述的基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法，其特征在于，所述TDMA帧结构采用时间同步的方式，将时间划分为连续的超帧，每个超帧由多个时帧构成，每个时帧包括邻居节点发现段、时隙预约段和数据段三部分，邻居节点发现段由多个邻居节点发现时隙组成，时隙预约段由多个预约时隙组成，每个预约时隙分为RTS/CTS/CONF三个子时隙，数据段由多个数据时隙组成，每个数据时隙分为DATA/ACK两个子时隙。

3.如权利要求2所述的基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法，其特征在于，所述发送节点在DATA子时隙根据资源状态表，为各个业务进行功率分配，然后以对应的功率发送DATA分组，接收节点成功接收到DATA分组后，会在ACK子时隙发送ACK分组进行确认。

4.如权利要求2所述的基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法，其特征在于，所述邻居节点各自占据一个邻居节点发现时隙，并在自己的邻居节点发现时隙向各个方向依次发送邻居节点发送分组，其他节点接收到邻居节点发现分组后更新邻居节点表。

5.如权利要求2所述的基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法，其特征在于，所述时隙预约段根据节点自身的通信需求，节点选择是否接入预约时隙并选择待预约的业务，节点选择预约时隙的策略为支持接入优先级机制的p坚持策略，选择待预约业务的策略为队列优先级机制，时隙预约过程为RTS/CTS/CONF三步握手。

6.如权利要求5所述的基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法，其特征在于，所述选择预约时隙的策略将时隙预约段的时隙进行划分，只有优先级高于一定级别的业务被允许以一定的概率接入。

7.如权利要求5所述的基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法，其特征在于，所述待预约业务的策略包括下列步骤：

步骤四，为每一个业务定义一个计数器W，为每个优先级定义一个增量d；

步骤五，增量d的大小与优先级有关，优先级越高，增量d越大；

步骤六，可预约业务为资源状态表中有可用资源且符合接入优先级机制的业务，每次预约，选择计数器值最大的可预约业务预约；

步骤七，预约时隙结束时，当前尝试预约的业务的W＝0，其余业务的W＝W+d。

8.如权利要求5所述的基于定向多波束天线的TDMA帧结构的时隙预约方法，其特征在于，所述时隙预约过程包括下列步骤：

步骤八，预约请求阶段，节点为查看邻居节点表和资源状态表，检查待预约业务是否有可预约资源，如果有，则以最大功率P_max发送预约请求分组，分组携带自身节点信息、待预约业务的信息、发送功率和可用时隙列表；

步骤九，预约应答阶段，当节点接收到预约请求分组之后，首先判断自己是不是目的节点，如果是，则计算自身应该使用的发送功率，然后对比预约请求分组中的可用时隙列表和自身的资源状态表，如果有可用资源，则以此功率发送预约应答分组确认，并更新资源状态表，预约应答分组携带自身节点信息、待预约业务的信息、发送功率和已预约时隙列表；如果自己不是目的节点，且预约请求分组中可用时隙会造成冲突，则发送预约应答分组否认，阻止预约；

步骤十，预约确认阶段，当节点接收到预约应答分组，如果自己是目的节点，则计算自身应该使用的发送功率，然后以此功率发送预约确认分组，并更新资源状态表，预约确认分组携带自身节点信息、待预约业务的信息、发送功率和确认预约时隙列表；如果自己不是目的节点，保持静默，并更新资源状态表；当节点接收到预约应答分组否认，如果自己是目的节点，修正资源状态表。