CN107949062B

CN107949062B - 基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法

Info

Publication number: CN107949062B
Application number: CN201711248355.2A
Authority: CN
Inventors: 黄勤飞; 魏急波; 辜方林; 侯茂斌; 黄利雄
Original assignee: National University of Defense Technology; Hunan Leading Wisdom Telecommunication and Technology Co Ltd
Current assignee: National University of Defense Technology; Hunan Leading Wisdom Telecommunication and Technology Co Ltd
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2037-12-01
Also published as: CN107949062A

Abstract

本发明属于通信领域的自组网技术领域，公开了一种基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法，包括：A1、构建以主节点为中心的TDMA星型网络；A2、主节点构建三级帧结构，并向子节点发送广播信息；A3、子节点接收广播信息后，子节点进入静默接收状态，直到子节点有业务等待发送；A4、子节点向主节点发送时隙请求帧；A5、主节点接收子节点发送的时隙请求帧，利用在线时隙分配机制，为子节点的新请求分配时隙；A6、主节点在下一个超帧中广播时隙分配方案；A7、子节点接收并解析时隙分配方案。本发明方法具有全网资源利用率高、在线运算复杂度低的特点，特别适用于对QoS要求高的宽带自组网应用。

Description

基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法

技术领域

本发明属于移动通信的宽带自组网技术领域，具体涉及一种基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法。

背景技术

充足的时隙资源是保证时分复用网络各类业务有效传输的基本要求。随着视频、图像等多媒体业务在所有无线业务中比重日渐提升，多个终端竞争共享有限的资源成为常态。缺乏有效的资源调度手段，网络将逐步走向拥堵，在有限资源下确保服务质量(QoS)成为宽带网络中的一大挑战。

当前3G、4G等移动通信网络中的资源调度方法得到了充分的验证，可以在较短时间内完成大量时隙、信道等资源的调度工作。然而基于基站的模式存在其难以克服的瓶颈，对基站的处理能力要求较高，该类资源调度算法无法直接应用到宽带自组网系统中。传统基于预置方案的时隙分配方式，通过离线的网络规划，在主节点内置多种分配预案，由主节点根据不同场景进行切换。该时隙分配方式可以在一定程度上克服静态资源分配带来的资源浪费，当同样存在较大的缺陷，即该分配方式无在线判断机制，无法及时响应瞬息万变的网络需求。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对现有技术的不足，提供基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法，以较低的复杂度实现网络整体资源利用率的大幅提升。具体技术方案如下：

一种基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法，包括以下步骤：

A1、网络节点开机，构建以主节点为中心的TDMA星型网络，主节点将所有业务时隙标记为未分配状态，并初始化时隙分配表；

A2、主节点构建三级帧结构，所述三级帧结构分别为时隙、时帧和超帧；主节点向子节点发送广播信息；

A3、子节点接收广播信息后，若子节点无业务等待发送，则子节点进入静默接收状态，直到子节点有业务等待发送，则执行步骤A4；

A4、子节点在网络控制时帧上行时隙内向主节点发送时隙请求帧；

A5、主节点在网络控制时帧上行时隙内接收子节点发送的时隙请求帧，根据现有时隙分配表内未分配使用的时隙和QoS约束条件，利用在线时隙分配机制，为子节点的新请求分配时隙，生成时隙分配方案；

A6、主节点在下一个超帧的网络控制时帧下行广播时隙中广播时隙分配方案；

A7、子节点接收并解析时隙分配方案，如有该子节点时隙分配信息，则子节点在所分配的时隙上进行业务通信，子节点在完成所有业务发送后，在网络控制时帧上行时隙内向主节点发送时隙释放帧，并跳转至步骤A3，如无子节点时隙分配信息，则跳转至步骤A4；

主节点在接收到子节点发送的时隙释放帧后回收子节点占用的时隙，用于满足下一次时隙请求。

进一步地，所述步骤A2中时隙、时帧和超帧之间的关系为：1个时隙时长为3毫秒，每32个时隙组成1个时帧，每8个时帧组成1个超帧。

进一步地，所述的步骤A4中的网络控制时帧位于超帧的第1个时帧，所述超帧中的其余时帧为业务时帧；网络控制时帧的第1个时隙分配给主节点使用，为下行广播时隙；所述下行广播时隙用于广播帧，广播帧的长度为256字节，其中第1字节固定为帧标识0xFF，其余字节用于填充时隙分配信息；网络控制时帧的第2至第32个时隙为上行时隙，分配给子节点使用。子节点采用分配方式为固定分配方式，固定分配方式是指网络控制时帧上行时隙的分配与子节点恒对应。

进一步地，所述的步骤A4中的时隙请求帧的长度为4个字节，具体内容为：第1字节为帧标识，设定为0x01，第2字节为节点编号，第3字节为业务类型，第4字节为子节点优先级。

进一步地，所述步骤A5中的QoS约束条件与业务类型相对应，所述业务类型的种类包括语音、短消息、缩略视频、数据、标清视频、720P视频、1080P；每种业务类型对应具体的节点优先级、最少时隙数目、最大时隙间隔。

进一步地，所述步骤A5中的在线分配机制包括具体包括步骤为：

B1、主节点统计在网络控制时帧内接收到的子节点时隙请求，令N表示总时隙数，M表示未被使用的时隙数，MS表示空闲的时隙位置集合，Scheme#n表示第n次分配方案，初始化n值取1；

B2、主节点对所有发送时隙请求的子节点按照子节点优先级大小进行排序，得到时隙分配队列；

B3、主节点根据各业务类型查找每个子节点所需对应的最小时隙数目NT_i，初始化当前未被使用的时隙CAN＝M，当前空闲的时隙位置集合为CAS＝MS；CAN表示当前未被使用的时隙数，CAS表示当前空闲的时隙位置集合。

B4、取时隙分配队列中优先级最高的子节点，如果CAN小于NT_i，即当前剩余可分配时隙不能满足所需时隙数目，则将该节点从时隙分配队列中移除，如CAN大于NT_i，依据QoS约束条件中的最大时隙间隔，从CAS中随机选择满足要求的时隙，如CAS中无满足要求的时隙，则将该子节点从时隙分配队列中移除，如CAS中有满足要求的时隙组合，则将时隙组合分配给当前子节点，更新CAN＝M-NT_i,从CAS中剔除当前分配的时隙组合，并从时隙分配队列中将该子节点移除；

B5、重复步骤B4直到时隙分配队列为空，将当前的分配方案记为Scheme#n；

B6、n值自增1，若n小于等于5，依次重复B3、B4、B5三个步骤，并且在所述B4步骤中从CAS中随机选择满足要求的时隙时，若选择的时隙出现重复，则退出该步骤，转入执行步骤B7；若n大于5，直接转入执行步骤B7；

B7、从生成的分配方案中选取满足最多子节点时隙需求的方案，如果子节点数目相同则随机选择其中一个方案，退出在线分配机制。

进一步地，所述时隙释放帧的长度为2字节，具体格式为：第1字节为帧标识，固定值为0x02，第2字节为节点编号。

采用本发明获得的有益效果：本发明利用多级帧结构中的下行广播帧、上行时隙请求帧、上行时隙释放帧等帧类型，由主节点在超帧间隔周期内对子节点的时隙请求进行分配。在满足带优先级的QoS约束条件前提下，实现时隙的动态申请和收回，以较低的复杂度实现资源的高效复用。

附图说明

图1所示为本发明的实施步骤示意图；

图2所示为本发明实施例的应用场景示意图；

图3所示为本发明实施例的帧结构示意图；

图4所示为本发明实施例的三种帧格式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示为本发明实施步骤示意图。本发明提出了一种基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法，主节点在每个超帧间隔内在线计算并响应子节点的时隙请求，从而确保网络资源被高效利用。本发明具体步骤包括：

A1、节点开机，按初始网络规划入网，构成以主节点为中心的TDMA星型网络，主节点将所有业务时隙标记为未分配状态，完成时隙分配表初始化；

A2、主节点构建三级帧结构，由小到大分别为时隙、时帧和超帧，时隙资源分配以时隙为单位进行；每个时隙时长为3毫秒(ms)，每32个时隙组成1个时帧，即每个时帧长度为96ms，每8个时帧组成1个超帧，即超帧长度为768ms；

A3、子节点接收广播信息后，利用现有技术中的常规手段完成时钟同步、时间校准工作后，如无业务等待发送，则进入静默接收状态，直到有业务等待发送，则执行步骤A4；

A4、子节点在网络控制时帧上行时隙内向主节点发送时隙请求帧，所述子节点所分配的网络控制时帧上行时隙为离线确定的固定分配形式，入网后不再进行调整，每个节点所分配的网络控制时帧上行时隙互不冲突；具体为网络控制时帧位于超帧的第1个时帧，其余时帧为业务时帧。网络控制时帧的第1个时隙为固定主节点使用，为下行广播时隙，广播帧长度为256字节，其中第1字节固定为帧标识0xFF，其余字节填充为时隙分配信息；网络控制时帧的第2至第32个时隙为上行时隙，分配给子节点使用，子节点使用分配方式为固定分配方式；时隙请求帧长度为4字节，第1字节为帧标识，固定为0x01，第2字节为节点编号，第3字节为业务类型，第4字节为节点优先级；

A5、主节点在网络控制时帧上行时隙内接收子节点发送的时隙请求帧，根据现有时隙分配表内未分配使用的时隙和QoS约束条件，利用在线分配机制为子节点的新请求分配时隙，生成时隙分配方案；具体包括步骤为：

B3、主节点根据各业务类型查找每个子节点所需对应的最小时隙数目NT_i，初始化当前未被使用的时隙CAN＝M，当前空闲的时隙位置集合为CAS＝MS；所述最小时隙数目由通信系统的传输速率、业务的类型等确定，属于QoS约束条件。

B4、取时隙分配队列中优先级最高的子节点，如果CAN小于NT_i，即当前剩余可分配时隙不能满足所需时隙数目，则将该子节点标记为N/A，将该节点从时隙分配队列中移除，如CAN大于NT_i，依据QoS约束条件中的最大时隙间隔，从CAS中随机选择满足要求的时隙，如CAS中无满足要求的时隙，则将该子节点标记为N/A，将该子节点从时隙分配队列中移除，如CAS中有满足要求的时隙组合，则将时隙组合分配给当前子节点，更新CAN＝M-NT_i,从CAS中剔除当前分配的时隙组合，并从时隙分配队列中将该子节点移除；

B6、n值自增1，若n小于等于5，依次重复B3、B4、B5三个步骤，若在所述B4步骤中从CAS中随机选择满足要求的时隙时，出现被选时隙重复的情况，则退出该步骤，转入执行步骤B7；若n大于5，直接转入执行步骤B7；

B7、从生成的分配方案中选取满足最多子节点时隙需求的方案，如子节点数目相同则随机选择其中一个方案，作为时隙分配方案，退出在线时隙分配机制。

A6、主节点在下一个超帧的网络控制时帧下行广播时隙广播最新的时隙分配方案；

同时，主节点在接收到子节点发送的时隙释放帧后回收子节点占用的时隙，用于满足下一次时隙请求。所述时隙释放帧长度为2字节，第1字节为帧标识，固定为0x02，第2字节为节点编号；

图2给出了本发明的一个实施例，包含8个节点的宽带自组网网络，编号分别为#No1至#No8，其中节点#No1为网络中的控制节点，即主节点。图中虚线为主节点与子节点之间的控制链路，实线为各节点之间的业务链路。图中表明了在设置的宽带自组网中实现了控制平面与业务平面之间的分离，即在业务上各节点之间完全对等。图3给出了实施例的帧结构示意图，每个时隙占用3个ms，每32个时隙构成1个时帧，每8个时帧构成1个超帧。每个超帧的第1个时帧为网络控制时帧，其余时帧为业务时帧。每个网络控制时帧的第1个时隙为下行广播时隙，第2至第32个时隙为上行时隙。每个业务时帧包含32个业务时隙。

本发明在网络控制时帧上行时隙上采用离线固定分配形式进行，固定分配方式是指网络控制时帧上行时隙的分配方式为与子节点恒对应；离线固定分配可以是随机、或者按节点编号从小到大或从大到小等形式。本实施例具体分配过程为：在网络控制时帧上行时隙中，节点#No2使用第31个上行时隙，节点#No3使用第30个上行时隙，节点#No4使用第29个上行时隙，节点#No5使用第28个上行时隙，节点#No6使用第27个上行时隙，节点#No7使用第26个上行时隙，节点#No8使用第25个上行时隙。

以下按照超帧周期对本发明方法在实施例中的运用进行详细说明。

第一个超帧周期：初始化阶段，主节点#No1初始化时隙分配表，实施例中资源分配以业务时帧的时隙进行。初始化时隙分配表情况如下表所示：

时隙	1	2	3	4	5	6	7	8
									节点	-	-	-	-	-	-	-	-
时隙	9	10	11	12	13	14	15	16
									节点	-	-	-	-	-	-	-	-
时隙	17	18	19	20	21	22	23	24
									节点	-	-	-	-	-	-	-	-
时隙	25	26	27	28	29	30	31	32
									节点	-	-	-	-	-	-	-	-

宽带自组网中业务类型分类及对应QoS约束条件如下表所示：

业务类型标识	业务类型	优先级划分	最少时隙数目	最大时隙间隔
					0x01	话音	1	1	32
0x02	短消息	3至4	1	32
					0x03	缩略视频	2至3	2	20
0x04	数据	4至8	2	32
					0x05	标清视频	3至8	3	20
0x06	720P视频	4至8	4	20
					0x07	1080P	5至8	8	20

在本超帧的下行广播时隙主节点发送广播信息，广播信息(即广播帧)内容为0xFF加255个0x00，即全部时隙未分配。在网络控制帧的第27个上行时隙上，节点#No6发送时隙请求帧，帧信息为0x01060203，即节点#No6有短消息发送，其优先级为3。在第31个上行时隙上，节点#No2发送时隙请求帧，帧信息为0x01020101，即节点#No2有话音发送，其优先级为1。

主节点在网络控制帧上行时隙内接受子节点的时隙请求，节点#No6和#No2的请求分别被主节点接收并加入待分配队列，主节点根据优先级大小对待分配队列进行排序，排序之后的时隙分配队列为：

顺序	节点	优先级	申请时隙	最大时隙间隔	分配时隙
						1	2	1	1	32
2	6	3	1	32

此时主节点进行在线时隙分配，各参数初始化如下：N＝32，M＝32，MS＝{0，1，2，3，……，30，31}，NT_2＝1，NT_6＝1，执行在线时隙分配机制过程，分别得到5种分配策略：Scheme#1，Scheme#2，Scheme#3，Scheme#4，Scheme#5，具体内容如下。

Scheme#1

顺序	节点	优先级	申请时隙	最大时隙间隔	分配时隙
						1	2	1	1	32	0
2	6	3	1	32	5

Scheme#2

顺序	节点	优先级	申请时隙	最大时隙间隔	分配时隙
						1	2	1	1	32	2
2	6	3	1	32	17

Scheme#3

顺序	节点	优先级	申请时隙	最大时隙间隔	分配时隙
						1	2	1	1	32	11
2	6	3	1	32	26

Scheme#4

顺序	节点	优先级	申请时隙	最大时隙间隔	分配时隙
						1	2	1	1	32	19
2	6	3	1	32	3

Scheme#5

顺序	节点	优先级	申请时隙	最大时隙间隔	分配时隙
						1	2	1	1	32	29
2	6	3	1	32	11

由于所有方案均能满足节点需求，因此主节点随机从5个方案中选择了方案3(Scheme#3)作为最终的时隙分配输出。更新M＝30，MS＝{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，27，28，29，30，31}。

第二个超帧周期：如图4所示，广播帧的组成结构示意，其中第1个字节为固定的0xFF，表示广播帧，第2、第3字节组合表示时隙分配方式，第2个字节为时隙编号，第3个字节为时隙所分配给节点地址，以此类推。所有的分配组合按时隙顺序按从小到大进行。主节点在广播时隙广播信息0xFF 0B02 1A06，表示第11和第26时隙被分别分配给了节点#No2和#No6。

在第25个上行时隙，节点#No8发送时隙请求0x01080706，即请求1080P视频通信，优先级为6；在第26个上行时隙，节点#No7发送时隙请求0x01070707，即请求1080P视频通信，优先级为7；在第28个上行时隙，节点#No5发送时隙请求0x01050708，即请求1080P视频通信，优先级为5；在第29个上行时隙，节点#No4发送时隙请求0x01040605，即请求720P视频通信，优先级为5；在第30个上行时隙，节点#No3发送时隙请求0x01030604，即请求720P视频通信，优先级为4。

主节点在网络控制帧上行时隙内接受子节点的时隙请求，节点#No3、#No4、#No5、#No7、#No8的请求分别被主节点接收并加入待分配队列，主节点对队列根据优先级进行排序，排序之后队列为：

顺序	节点	优先级	申请时隙	最大时隙间隔	分配时隙
						1	3	4	4	20
2	4	5	4	20
						3	5	5	8	20
4	8	6	8	20
						5	7	7	8	20

此时主节点进行在线时隙分配，各参数初始化如下：

N＝32，M＝30，MS＝{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，27，28，29，30，31}，NT_3＝4，NT_4＝4，NT_5＝8，NT_8＝8，NT_7＝8，执行在线时隙分配过程中，分别得到以下5种分配策略。

Scheme#1

Scheme#2

Scheme#3

Scheme#4

Scheme#5

由于所有方案均能只能满足4个节点需求，因此主节点随机从5个方案中选择了方案4作为最终的时隙分配输出。更新未被使用的时隙数M和空闲的时隙位置集合MS：M＝6，MS＝{17、19、21、25、28、29}。

本方案采用的在线分配算法在ARM Cortex-A9内核、667MHz主频的芯片上运行的时间小于10ms，而采用传统的穷举算法遍历未分配的30个时隙则需要运算量约C(30,24)×C(24,4)×C(20,4)×C(16,8)×C(8,8)＝4×10^17，其中C表示数学中的组合运算。在同等条件下执行穷举算法运算约耗时6×10^8s，本在线时隙分配方法大大的降低了时隙分配的复杂度。

第三个超帧周期：主节点在广播时隙广播信息0xFF 0008 0105 0203 0305 04040508 0605 0708 0804 0908 0A05 0B02 0C08 0D08 0E05 0F03 1005 1204 1408 16031705 1804 1A06 1B08 1E03 1F05。

在第26个上行时隙，节点#No7发送时隙请求0x01070707，即请求1080P视频通信，优先级为7；第27个上行时隙上，节点#No6发送时隙释放帧，帧信息为0x0206，在第31个上行时隙上，节点#No2发送时隙释放帧，帧信息为0x0202。

主节点在网络控制帧上行时隙内接受子节点的时隙请求，节点#No7请求被主节点接收并加入待分配队列，主节点对队列根据优先级进行排序，排序之后队列为：

顺序	节点	优先级	申请时隙	最大时隙间隔	分配时隙
						1	7	7	8	20

此时主节点进行在线时隙分配，由于节点#No2、#No6的时隙被释放，因此时隙11和26重新加入可分配时隙中，各参数初始化如下：

N＝32，M＝8，MS＝{11、17、19、21、25、26、28、29}，NT_7＝8，执行在线时隙分配过程中，由于申请时隙与未被分配时隙相等，随机选择满足要求的时隙时均会出现重复的情况，因此只生成一种时隙分配方案，如下所示。

Scheme#1

主节点更新M＝0，MS＝{}。

本发明利用分级的帧结构和简单的在线时隙分配机制，可以快速响应网络需求的变化，确保网络中时隙资源最大利用率和节点QoS需求的最大满足度，有效克服了预置式和穷举式方法的不足。

以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。

Claims

1.一种基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

A5、主节点在网络控制时帧上行时隙内接收子节点发送的时隙请求帧，根据时隙分配表内未分配使用的时隙和QoS约束条件，利用在线时隙分配机制，为子节点的新请求分配时隙，生成时隙分配方案；

A7、子节点接收并解析时隙分配方案，如果有该子节点时隙分配信息，则子节点在所分配的时隙上进行业务通信，子节点在完成所有业务发送后，在网络控制时帧上行时隙内向主节点发送时隙释放帧，并跳转至步骤A3，如无子节点时隙分配信息，则跳转至步骤A4；

所述步骤A5中的在线时隙分配机制具体包括步骤为：

B3、主节点根据各业务类型查找每个子节点所需对应的最小时隙数目NT_i，初始化当前未被使用的时隙CAN＝M，当前空闲的时隙位置集合为CAS＝MS；

B4、取时隙分配队列中优先级最高的子节点，如果CAN小于NT_i，即当前剩余未分配时隙不能满足所需时隙数目，将该节点从时隙分配队列中移除，如CAN大于NT_i，依据QoS约束条件中的最大时隙间隔，从CAS中随机选择满足要求的时隙，如CAS中无满足要求的时隙，将该子节点从时隙分配队列中移除，如CAS中有满足要求的时隙组合，则将时隙组合分配给当前子节点，更新CAN＝M-NT_i，从CAS中剔除当前分配的时隙组合，并从时隙分配队列中将该子节点移除；

B7、从生成的分配方案中选取满足最多子节点时隙需求的方案，如子节点数目相同则随机选择其中一个方案，作为时隙分配方案。

2.根据权利要求1所述的基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法，其特征在于，所述步骤A2中时隙、时帧和超帧之间的关系为：1个时隙时长为3毫秒，每32个时隙组成1个时帧，每8个时帧组成1个超帧。

3.根据权利要求1所述的基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法，其特征在于：所述的步骤A4中的网络控制时帧位于超帧的第1个时帧，所述超帧中的其余时帧为业务时帧；网络控制时帧的第1个时隙分配给主节点使用，为下行广播时隙；网络控制时帧的第2至第32个时隙为上行时隙，分配给子节点使用。

4.根据权利要求1所述的基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法，其特征在于：所述的步骤A4中的时隙请求帧的长度为4个字节，具体内容为：第1字节为帧标识，设定为0x01，第2 字节为节点编号，第3字节为业务类型，第4字节为子节点优先级。

5.根据权利要求1所述的基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法，其特征在于：所述步骤A5中的QoS约束条件与业务类型相对应，所述业务类型的种类包括语音、短消息、缩略视频、数据、标清视频、720P视频、1080P；每种业务类型对应具体的节点优先级、最少时隙数目、最大时隙间隔。

6.根据权利要求1所述的基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法，其特征在于所述时隙释放帧的长度为2字节，具体格式为：第1字节为帧标识，固定值为0x02，第2字节为节点编号。

7.根据权利要求5所述的基于多级帧结构的宽带自组网时隙资源动态分配方法，其特征在于所述QoS约束条件与业务类型对应关系如下表：

业务类型标识业务类型优先级划分最少时隙数目最大时隙间隔 0x01 话音 1 1 32 0x02 短消息 3至4 1 32 0x03 缩略视频 2至3 2 20 0x04 数据 4至8 2 32 0x05 标清视频 3至8 3 20 0x06 720P视频 4至8 4 20 0x07 1080P 5至8 8 20

。