CN108430111A - 分布式tdma协议中的混合型时隙预约方法 - Google Patents

分布式tdma协议中的混合型时隙预约方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式TDMA协议中的混合型时隙预约方法，主要解决无线自组织网络中在业务负载变化情况下难以保证时延要求的问题。其方案是：为节点分配固定时隙，以满足基本业务需求；如果负载较高，固定时隙不够使用，则进行动态时隙的预约；因为动态时隙预约过程需要较多时间，不利于突发业务传输，所以当有高负载突发业务，节点采用竞争方式占用空闲时隙，同时引入优先竞争和预约协商机制减少竞争冲突。本发明将固定时隙划分、动态时隙预约、非预约的突发传输结合在一起，提供了自适应负载变化的数据传输能力，保证了系统时延的稳定性，提高了时隙利用率，可用于移动自组织网络的TDMA协议中。

Description

分布式TDMA协议中的混合型时隙预约方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种混合型时隙预约方法，适用于移动自组织网络中TDMA协议，根据业务负载变化，自适应地分配时隙，保证稳定的时延要求。
背景技术
无线自组织网络是一种无需固定基础设施，采用分布式管理的无线通信网络。由于自组织网络具有部署简单，能够适应网络拓扑动态变化的特点，非常适合战场、应急救援等场景，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中，节点的数据包到达速率可变，固定时隙分配方法不再适用，时隙分配需要动态实现才能满足一定的时延要求。
河南工业大学的专利申请，申请号CN201310006110.4，公开号CN103096327A，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。
电子科技大学的专利申请“一种高动态自组织网络高效TDMA协议的实现方法”(公开号CN102802266A，申请号CN201210334498.6)，提出将时帧分为前导时隙、分配时隙和中断时隙。在前导时隙，源节点根据待发送数据流的优先级申请专用虚拟链路或公用虚拟链路，以降低高优先级数据的传输时延。在分配时隙，各节点在各自所属链路分配时隙发送数据。另外节点可在中断时隙竞争信道，以便处理突发状况。该方法存在的不足是：首先，该方法主要采用竞争接入加随机退避的方式申请链路，当节点数较多，
业务量大时，网络的吞吐量较低；其次，对于业务负载没有很好的自适应性，无法保证系统的传输时延。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种分布式TDMA协议中的混合型时隙预约方法，以提高网络的吞吐量，保证各种负载下的时延要求。
本发明的技术方案是这样实现的：
一.技术原理
在TDMA自组织网络中，当数据包的到达率变化时，如果采用固定时隙分配，节点的服务速率与数据的到达率就不匹配。如果服务速率较大，浪费时隙资源，如果服务速率较小，则数据包的发送时延较大。此外时隙的动态预约需要时间，不适合一些突发性的数据传输。本发明通过在动态分配时隙的基础上，根据数据包的到达速率变化动态预约占用时隙，引入竞争方式占用空闲时隙提高时隙利用率，从而满足各种业务的时延要求。
二.实现方案
根据上述原理，本发明的实现步骤包括如下：
(1)统计两跳范围内各个节点占用的时隙，建立时隙表：
网络中的节点通过固定时隙分配和动态时隙预约占用一个或多个时隙，它们定期广播发送勤务帧，该勤务帧中携带自己和一跳邻居节点的时隙占用情况，每个节点根据接收到的勤务帧获知两跳范围内邻居节点的时隙占用情况，建立时隙表；
(2)节点P根据时隙表判断当前时隙是否是空闲时隙，若是，执行步骤(3)，否则，执行步骤(5)；
(3)检测当前队列是否有数据要发送，若有，则执行步骤(4)，否则，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)；
(4)计算空闲时隙可用概率ρ，并用该概率ρ判断占用当前空闲时隙是否成功：
若ρ大于0.5，则占用成功，尝试发送数据，如果发送数据失败，启动二进制指数退避算法退避n个空闲时隙，如果发送数据成功，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)；
若ρ小于等于0.5，则占用失败，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)；
(5)判断当前时隙是否被自己占用，若是，则执行步骤(6)，否则，节点处于数据接收状态，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)；
(6)判断当前队列是否有数据会发送超时，若有，则执行步骤(7)，否则，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)；
(7)根据时隙表，判断在下一个自己发送时隙之前是否有空闲时隙，若没有，则只执行正常的数据发送，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)，否则，执行步骤(8)；
(8)判断是否收到其他节点预约广播占用下一个空闲时隙的信息，若有则只在当前时隙进行正常的数据发送，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)，否则，执行步骤(9)；
(9)判断是否收到其他节点预约单播占用下一个空闲时隙的信息，若没有，则执行步骤(10)，否则，执行步骤(11)；
(10)判断下一个空闲时隙发送的数据是否是广播数据，若是，则在发送数据的同时携带广播占用下一个空闲时隙的信息，否则，携带单播占用下一个空闲时隙的信息，并等待下一个时隙到来，返回步骤(2)；
(11)判断其它节点的单播预约是否与自己预约冲突，若是，则放弃预约占用下一个空闲时隙，否则，在发送数据的同时携带单播占用下一个空闲时隙的信息，并等待下一个时隙到来，返回步骤(2)。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明由于根据业务情况决定是否在空闲时隙做竞争接入，能够保证各种业务负载下的时延要求。
2.本发明由于对节点的竞争接入做概率的计算，使得在当前空闲时隙各个节点会有不同的接入概率，可以很好的避免接入冲突。
3.本发明由于将空闲时隙预约分为了广播预约和单播预约，提高了时隙利用率。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明中时隙表结构图；
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步的详细描述。
参照图1，对本发明实施步骤如下。
步骤1.统计两跳范围内各个节点占用的时隙，建立时隙表。
网络中的节点通过固定时隙分配提供基本的信道接入能力，同时随着节点业务需求进行时隙的动态预约和释放，它们定期广播发送勤务帧，该勤务帧中携带自己和一跳邻居节点的时隙占用情况，每个节点通过接收邻居节点的勤务帧获知两跳范围内邻居节点的具体占用的时隙，建立时隙表，如图2所示；
如图2中，Z表示此时隙被自己占用，O表示此时隙被一跳邻居节点占用，T表示此时隙被两跳邻居节点占用，F表示此时隙是空闲时隙，时隙表以一个复帧为周期，复帧是指S个连续时隙的集合，S的大小随着协议设计的不同各有差别。
步骤2.节点P根据时隙表判断当前时隙是否是空闲时隙，若是，执行步骤3，否则，执行步骤5。
步骤3.检测当前队列是否有数据要发送，若有，执行步骤4，否则，等待下一个时隙到来，返回步骤2。
步骤4.根据空闲时隙可用概率ρ，判断占用当前空闲时隙是否成功。
(4a)计算空闲时隙可用概率ρ：
空闲时隙可用概率ρ与两跳范围内节点数量和一个复帧内节点占用的时隙数成反比，与距离节点下一个发送时隙的间隔时隙数成正比，同时在节点自己的优先占用时隙内ρ较大，所以概率ρ的计算按照如下步骤进行：
(4a1)从时隙表中获取一个复帧内总的时隙数N、一个复帧内节点占用的时隙数m、距离节点下一个发送时隙的间隔时隙数k及两跳范围内的节点数量n；
(4a2)假设节点占用的广播时隙的编号为i，当前空闲时隙的编号为j，确定优先竞争值v：若0≤j-(i-1)q＜q，则v＝1，否则v＝0，其中q＝N/n；
(4a3)根据是否发生预约冲突和优先竞争值确定加权因子的值：
如果其它节点已经预约当前空闲时隙，且预约发送的数据与本节点要发送的数据产生冲突，则
如果没有发生预约冲突，则进一步判断本节点的优先竞争值是否等于1，若是，则否则，
(4a4)计算空闲时隙可用概率：
(4b)根据空闲时隙可用概率ρ判断占用当前空闲时隙是否成功：
若ρ大于0.5，则占用成功，尝试发送数据，如果发送数据失败，启动二进制指数退避算法退避n个空闲时隙，如果发送数据成功，则等待下一个时隙到来，返回步骤2；
若ρ小于等于0.5，则占用失败，等待下一个时隙到来，返回步骤2；
步骤5.确定当前时隙使用情况。
查询时隙表，如果当前时隙是被自己占用，则执行步骤6，否则，节点处于数据接收状态，等待下一个时隙到来，返回步骤2。
步骤6.判断当前队列是否有数据会发送超时。
(6a)记录队列中每个数据入队的时刻ti；
(6b)根据时隙表，确定队列中每个数据在后续T-(t-ti)时间内所占用的时隙数mi，其中T是系统对数据包的最大时延要求，t是当前时刻；
(6c)设数据的排队长度为Li，并将Li与mi进行比较，若Li大于mi，则队列中会有数据发送超时，执行步骤7，否则，不会有数据发送超时，则等待下一个时隙到来，返回步骤2。
步骤7.判断在下一个自己发送时隙之前是否有空闲时隙。
查询时隙表，如果在下一个自己发送时隙之前没有空闲时隙，则在当前时隙只执行正常的数据发送，然后等待下一个时隙到来，返回步骤2，否则，执行步骤8。
步骤8.尝试在当前时隙预约下一个空闲时隙。
判断是否收到其他节点预约广播占用空闲时隙的信息，若有说明下一个空闲时隙已被其它节点提前预约占用，则只在当前时隙进行正常的数据发送，等待下一个时隙到来，返回步骤2，否则，执行步骤9。
步骤9.判断是否收到其他节点预约单播占用下一个空闲时隙的信息，若没有，则执行步骤10，否则，执行步骤11。
步骤10.广播或单播预约下一个空闲时隙。
判断下一个空闲时隙发送的数据是否是广播数据：若是，则在发送数据的同时携带广播占用下一个空闲时隙的信息，否则，携带单播占用下一个空闲时隙的信息；
然后，等待下一个时隙到来，返回步骤2。
步骤11.判断其它节点的单播预约是否与自己预约发生冲突。
本节点根据数据类型和数据接收节点判断其它节点的单播预约是否与自己预约发生冲突：
若在下一个空闲时隙，本节点要发送的数据是单播数据，数据的接收节点与其它节点是两跳邻居节点，同时其它节点发送的单播数据的接收节点与本节点也为两跳邻居节点，则不会发生预约冲突，开始发送数据，并在发送的同时携带单播占用下一个空闲时隙的信息，等待下一个时隙到来，返回步骤2；
否则，会发生预约冲突，放弃预约占用下一个空闲时隙，等待下一个时隙到来，返回步骤2。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，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改和改变，但是这些基于本发明思想的修改和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.分布式TDMA协议中的混合型时隙预约方法，包括：
(1)统计两跳范围内各个节点占用的时隙，建立时隙表：
网络中的节点通过固定时隙分配和动态时隙预约占用一个或多个时隙，它们定期广播发送勤务帧，该勤务帧中携带自己和一跳邻居节点的时隙占用情况，每个节点根据接收到的勤务帧获知两跳范围内邻居节点的时隙占用情况，建立时隙表；
(2)节点P根据时隙表判断当前时隙是否是空闲时隙，若是，执行步骤(3)，否则，执行步骤(5)；
(3)检测当前队列是否有数据要发送，若有，则执行步骤(4)，否则，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)；
(4)计算空闲时隙可用概率ρ，并用该概率ρ判断占用当前空闲时隙是否成功：
若ρ大于0.5，则占用成功，尝试发送数据，如果发送数据失败，启动二进制指数退避算法退避n个空闲时隙，如果发送数据成功，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)；
若ρ小于等于0.5，则占用失败，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)；
(5)判断当前时隙是否被自己占用，若是，则执行步骤(6)，否则，节点处于数据接收状态，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)；
(6)判断当前队列是否有数据会发送超时，若有，则执行步骤(7)，否则，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)；
(7)根据时隙表，判断在下一个自己发送时隙之前是否有空闲时隙，若没有，则只执行正常的数据发送，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)，否则，执行步骤(8)；
(8)判断是否收到其他节点预约广播占用下一个空闲时隙的信息，若有则只在当前时隙进行正常的数据发送，等待下一个时隙到来，返回步骤(2)，否则，执行步骤(9)；
(9)判断是否收到其他节点预约单播占用下一个空闲时隙的信息，若没有，则执行步骤(10)，否则，执行步骤(11)；
(10)判断下一个空闲时隙发送的数据是否是广播数据，若是，则在发送数据的同时携带广播占用下一个空闲时隙的信息，否则，携带单播占用下一个空闲时隙的信息，并等待下一个时隙到来，返回步骤(2)；
(11)判断其它节点的单播预约是否与自己预约冲突，若是，则放弃预约占用下一个空闲时隙，否则，在发送数据的同时携带单播占用下一个空闲时隙的信息，并等待下一个时隙到来，返回步骤(2)。
2.根据权利要求书1所述的方法，其中步骤(4)中的空闲时隙可用概率ρ，按如下步骤计算：
(4a)从时隙表中获取一个复帧内总的时隙数N、复帧内节点占用的时隙数m、距离节点下一个发送时隙的间隔时隙数k及两跳范围内的节点数量n；
(4b)假设节点占用的广播时隙的编号为i，当前空闲时隙的编号为j，确定优先竞争值v：若0≤j-(i-1)q＜q，则v＝1，否则v＝0，其中q＝N/n；
(4c)确定加权因子的值：
如果其它节点已经预约当前空闲时隙，且预约发送的数据与本节点要发送的数据产生冲突，则
如果没有发生预约冲突，则进一步判断节点的优先竞争值是否等于1，若是，则否则
(4d)计算空闲时隙可用概率：
3.根据权利要求书1所述的方法，其中所述步骤(6)中判断当前队列是否有数据会发送超时,按如下步骤进行：
(6a)记录队列中每个数据入队的时刻ti；
(6b)根据时隙表，确定队列中每个数据在后续T-(t-ti)时间内所占用的时隙数mi，其中T是系统对数据包的最大时延要求，t是当前时刻；
(6c)若数据的排队长度Li大于mi，则队列中会有数据发送超时，否则，没有。
4.根据权利要求书1所述的方法，其中所述步骤(11)中判断其它节点的单播预约是否与自己预约冲突，按如下步骤进行：
(11a)若在下一个空闲时隙，本节点要发送的数据是广播数据，则会发生预约冲突，否则，执行(11b)；
(11b)若在下一个空闲时隙，其它节点发送的单播数据的接收节点与本节点为两跳邻居节点，同时本节点发送的单播数据的接收节点与其它节点也是两跳邻居节点，则不会发生预约冲突，否则，发生预约冲突。
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