CN108990157A - 自组织tdma网络基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自组织TDMA网络基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法，包括如下步骤：第一步，各节点对节点三跳范围内的时隙占用情况进行统计；第二步，各节点生成“链路可选时隙集”；第三步，各节点从“链路可选时隙集”中选取满足数据业务传输需求的时隙数量，发起时隙申请；第四步，若多条链路同时申请相同时隙且不满足链路时隙选择原则时，则启动冲突避免处理流程。本发明通过将时隙关系划分为“冲突区”、“缓冲区”、“高安全区”三个区间，为处于“缓冲区”的时隙进行预冲突解算处理，避免了实际冲突发生，保证了业务传输的连续性，克服了现有时隙分配方法难以同时满足高信道利用率和业务连续传输这两方面需求的难题。

Description

自组织TDMA网络基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法

技术领域

本发明涉及一种自组织TDMA网络基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法。

背景技术

TDMA(Time Division Multiple Access)是移动自组织网络一种常用的信道接入协议，在动态多跳环境下，通过时隙的空间复用可有效提高信道利用率。自组织TDMA网络时隙分配方法主要包括三种：

一是“独占式”分配方法。时隙被某节点唯一占用，不存在多个节点占用同一时隙的情况，优点是不存在发生时隙冲突的可能，实现简单易维护，缺点是信道利用率低。

二是“两跳外复用”分配方法。相距两跳以上的节点允许使用相同时隙，但这属于面向节点的分配方法，没有从链路干扰的角度分析时隙冲突，若用于链路时隙分配，网络拓扑稳定时易造成信道资源浪费，网络拓扑频繁变化时易造成时隙冲突。

三是“最佳信道复用”分配方法。根据无线电波传播原理，不允许链路选择源节点正在使用的收发时隙、源节点一跳邻居节点的收时隙、目的节点的收发时隙、目的节点一跳邻居节点的发时隙；该分配方法从链路干扰的角度最大限度的考虑了空间复用，能实现理论上的最大信道利用率；缺点是网络拓扑频繁变化时易造成时隙冲突，而冲突后的解算过程将引起业务传输中断，不利于连续数据传输。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种自组织TDMA网络基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法，旨在解决现有自组织TDMA网络时隙分配方法难以兼顾信道利用率和业务连续传输的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自组织TDMA网络基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法，包括如下步骤：

第一步，各节点根据本节点时隙占用状态和邻居节点广播的“时隙占用状态信息”，对节点三跳范围内的时隙占用情况进行统计；

第二步，各节点根据其它节点发送的“时隙申请信息”，更新“临时占用时隙集”，并结合第一步的时隙占用状态统计结果，生成“链路可选时隙集”；

第三步，各节点从“链路可选时隙集”中选取满足数据业务传输需求的时隙数量，发起时隙申请；

第四步，若多条链路同时申请相同时隙且不满足链路时隙选择原则时，则启动冲突避免处理流程，通过冲突避免算法决定哪条链路需重新发起时隙申请、哪条链路成功获得时隙使用权。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明通过将时隙关系划分为“冲突区”、“缓冲区”、“高安全区”三个区间，为处于“缓冲区”的时隙进行预冲突解算处理，避免了实际冲突发生，保证了业务传输的连续性；本发明依据时隙冲突干扰原理制定的“链路时隙选择原则”，为信道高效复用提供了理论支撑。总体来说，本发明的基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法，克服了现有时隙分配方法难以同时满足高信道利用率和业务连续传输这两方面需求的难题。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为自组织TDMA网络时帧结构示意图；

图2为面向链路时隙分配方法对比图；

图3为“最佳信道复用”分配方法时隙冲突干扰原理图；

图4为基于冲突缓冲区分配方法的时隙冲突干扰原理图；

图5为基于冲突缓冲区分配方法的时隙分配流程；

图6为链路申请时隙发生冲突示意图；

图7为预冲突解算处理流程。

具体实施方式

1.时帧结构

自组织TDMA网络时帧结构如图1所示，每时帧包含M个控制时隙用于交互控制信息，包含N个数据时隙用于业务信息传输，其中控制时隙采取固定分配方式，入网节点获得某个控制时隙的唯一使用权，并通过控制信息的交互，分布式协商数据时隙的动态分配。本发明提出的时隙分配方法只针对数据时隙。

2.时隙分配原理

自组织TDMA网络面向链路的两种经典时隙分配方法及本发明时隙分配方法的区别如图2所示，其中黑色实心圆点表示当前链路占用的时隙，“安全区”表示与当前链路不会发生冲突的所有时隙；“冲突区”表示与当前链路发生冲突的所有时隙；“缓冲区”属于“安全区”的一部分，表示与当前链路暂时不发生冲突但随着节点移动短时间内很有可能发生冲突的时隙；“高安全区”也属于“安全区”的一部分，表示与当前链路暂时不发生冲突且随着节点移动短时间内也不会发生冲突的时隙。

“最佳信道复用”分配方法的时隙冲突干扰原理如图3所示。当前链路的源节点和目的节点分别用S₀、D₀表示，源节点、目的节点的i跳邻居节点分别用S_i、D_i表示，S_i/D_j表示该节点既是源节点的i跳邻居节点又是目的节点的j跳邻居节点；图中以节点为圆心的圆形阴影表示该节点信号的覆盖范围，以节点为圆心的虚线圆周表示能够干扰本节点接收信号的其它节点最远边界。

从图3可以看出，第一，源节点S₀的信号覆盖一跳邻居节点，因此，当前链路时隙不能与源节点一跳邻居节点S₁的接收时隙相同；第二，目的节点的一跳邻居节点D₁的信号覆盖D₀，因此，当前链路时隙不能与目的节点一跳邻居节点D₁的发送时隙相同。也就是说，对链路“S₀→D₀”进行时隙分配时，只能在节点S₀可用时隙和节点D₀可用时隙的交集中，选择与S₀一跳邻居节点的接收时隙不相交、与D₀一跳邻居节点的发送时隙不相交的时隙，这些时隙即图2(b)中的“安全区”，其余时隙均为“冲突区”。

在“最佳信道复用”分配方法中，链路“S₀→D₀”允许使用源节点一跳邻居节点S₁的发送时隙，因为节点S₁的信号不会干扰节点D₀接收S₀的信号；但随着节点S₁向D₀方向移动，S₁可能成为D₀的一跳邻居节点，从而干扰节点D₀接收S₀的信号，导致链路“S₀→D₀”的业务传输被迫中断，待重新申请时隙建立链路后才能恢复通信。

针对“最佳信道复用”分配方法因节点移动导致业务传输被迫中断的问题，本发明提出基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法，其时隙冲突干扰原理如图4所示。以节点为圆心的内圈圆形阴影表示该节点信号的覆盖范围，从内圈圆形阴影圆周到外圈圆形阴影圆周的区域表示“缓冲区”，即节点一跳最远通信距离到两跳最远通信距离区域，外圈圆形阴影圆周为“缓冲区”与“高安全区”的边界；以节点为圆心的内圈虚线圆周表示能够干扰本节点接收信号的其它节点最远边界，从内圈虚线圆周到外圈虚线圆周的区域表示“缓冲区”，即距离本节点两跳的区域，外圈虚线圆周为“缓冲区”与“高安全区”的边界。

从图3、图4可以看出，与“最佳信道复用”时隙分配方法不同，在基于冲突缓冲区的时隙分配方法中，节点可以检测到进入“缓冲区”范围的时隙并启动冲突解算过程，也就避免了时隙冲突发生及由此引起的业务中断。

3.链路时隙选择

从图4可以看出，在基于冲突缓冲区的时隙分配方法中，第一，源节点S₀的“冲突区”覆盖一跳邻居节点S₁、“缓冲区”覆盖两跳邻居节点S₂，因此，当前链路时隙不能与源节点一跳和两跳邻居节点S₁、S₂的接收时隙相同；第二，目的节点D₀的一跳邻居节点D₁位于“冲突区”范围、两跳邻居节点D₂位于“缓冲区”范围，因此，当前链路时隙不能与目的节点一跳和两跳邻居节点D₁、D₂的发送时隙相同。也就是说，当前链路进行时隙选择时应遵循“链路时隙选择原则”，具体包括：

(1)从源节点可用时隙和目的节点可用时隙交集中进行选择；

(2)不选择源节点一跳邻居节点的接收时隙；

(3)不选择源节点两跳邻居节点的接收时隙；

(4)不选择目的节点一跳邻居节点的发送时隙；

(5)不选择目的节点两跳邻居节点的发送时隙。

4.时隙分配流程

基于冲突缓冲区分配方法的时隙分配流程如图5所示，第一步，各节点根据本节点时隙占用状态和邻居节点广播的“时隙占用状态信息”，对节点三跳范围内的时隙占用情况进行统计；第二步，各节点根据其它节点发送的“时隙申请”信息，更新“临时占用时隙集”，并结合时隙占用情况统计结果，生成链路可选时隙集；第三步，各节点从链路可选时隙集中选取满足数据传输需求的时隙数量，发起申请时隙；第四步，若多条链路同时申请相同时隙且不满足“链路时隙选择原则”时，启动冲突避免处理过程，并通过冲突避免算法决定哪条链路需重新申请时隙，哪条链路成功获得时隙使用权。

链路时隙分配过程所涉及主要环节如下：

(1)“时隙占用状态信息”交互

各节点通过控制时隙周期性广播数据时隙占用状态信息，主要包括：本节点时隙占用情况(发状态占用/收状态占用/未占用)、一跳邻居节点时隙占用情况、两跳邻居节点时隙占用情况。

(2)“时隙占用情况统计表”生成

各节点根据自身时隙占用情况生成本节点时隙占用状态表LST(Local SlotTable)，包含两个参数：时隙序号(1～N)、时隙状态(发状态占用/收状态占用/未占用)。

各节点根据邻居节点广播的“时隙占用状态信息”生成一跳邻居节点时隙占用状态表NST(Neighbor node Slot Table)、两跳邻居节点时隙占用状态表N2ST(Neighbors’Neighbor node Slot Table)、三跳邻居节点时隙占用状态表N3ST，其中NST包含三个参数：一跳邻居节点ID、时隙序号、时隙状态，N2ST包含四个参数：一跳邻居节点ID、一跳邻居节点的一跳邻居节点ID、时隙序号、时隙状态；N3ST包含四个参数：一跳邻居节点ID、一跳邻居节点的两跳邻居节点ID、时隙序号、时隙状态。

(3)“链路可选时隙集”生成

以LST_n表示本节点未占用的时隙集，即LST表中“时隙状态”为“未占用”的所有“时隙序号”集合；NST_n(D₀)表示目的节点D₀未占用的时隙集，即NST表中“一跳邻居节点ID”为“D₀”、“时隙状态”为“未占用”的所有“时隙序号”集合；NST_r、N2ST_r分别表示一跳、两跳邻居节点以收状态占用的时隙集；N2ST_t(D₀)、N3ST_t(D₀)分别表示目的节点D₀的一跳、两跳邻居节点以发状态占用的时隙集。

依据“链路时隙选择原则”，源节点S₀为链路“S₀→D₀”选择的时隙应属于的子集。

另外，除了上述正在使用的时隙，还要除去其它节点正在预约的、且未在本节点“高安全区”的时隙，即临时占用时隙表TOST(Temporary Occupied Slot Table)，临时占用时隙的有效生存时间为2时帧。

综合考虑节点正在使用的和正在申请的时隙，当前链路可选时隙集为

(4)时隙申请信息交互

采用“申请——应答——确认”方式进行时隙申请：首先，源节点从“链路可选时隙集”中选择满足业务传输需求的时隙数量，并广播“时隙申请消息”；其次，所有邻居节点对“时隙申请消息”进行应答，若没有检测到时隙冲突，则应答“同意”，否则应答“不同意”；最后，源节点收齐所有邻居节点的应答消息，若均为“同意”则确认占用该时隙，否则重新申请时隙。

(5)冲突避免处理

当多条链路同时申请相同时隙时，若不满足“链路时隙选择原则”，则启动冲突避免处理流程，具体情形如图6所示。

如图6所示，链路时隙申请共包括五种冲突情形，第一种是图6(a)所示的链路申请时隙(link 1时隙)与源节点一跳邻居S₁收时隙(link 2时隙)发生冲突，由于S₁需要对两条链路的时隙申请进行应答，可由其决定谁占用、谁放弃；第二种是图6(b)所示的链路申请时隙与源节点两跳邻居S₂收时隙发生冲突，S₁、S₂分别需要对链路link 1、link 2的时隙申请进行应答，由于S₁、S₂位于一跳范围内，能够接收到彼此发送的应答消息，按照时间先后顺序，若S₁先收到S₂发送的“同意link 2时隙申请”应答消息，则S₁给节点S₀发送“不同意link1时隙申请”应答消息，反之亦然；第三种是图6(c)所示的链路申请时隙与目的节点收时隙发生冲突，第四种是图6(d)所示的链路申请时隙与目的节点一跳邻居节点发时隙发生冲突，由于这两种时隙冲突都需要D₀对两条链路的时隙申请进行应答，可由其决定谁占有、谁放弃；第五种是图6(e)所示的链路申请时隙与目的节点两跳邻居节点发时隙发生冲突，D₀、D₁分别需要对链路link 1、link 2的时隙申请进行应答，由于D₀、D₁位于一跳范围内，能够接收到彼此发送的应答消息，按照时间先后顺序，若D₀先收到D₁发送的“同意link 2时隙申请”应答消息，则D₀给节点S₀发送“不同意link 1时隙申请”应答消息，反之亦然。

5.预冲突解算

在自组织TDMA网络中，由于节点移动导致原来位于“高安全区”的时隙进入“缓冲区”，出现冲突隐患，此类冲突尚未发生，又称为预冲突。为防止“缓冲区”时隙进入“冲突区”导致实际冲突发生，需要对“缓冲区”范围内的时隙进行预冲突解算，具体处理流程如图7所示。预冲突解算可分为四个阶段，一是“时隙预冲突检测”阶段，各节点在收到邻居节点广播的“时隙占用状态信息”后，更新时隙占用状态表NST、N2ST和N3ST，再将LST中以发状态占用的时隙与NST、N2ST和N3ST进行比较，如果有违背“链路时隙选择原则”的时隙，则判断该时隙需要进行预冲突解算处理；二是“释放时隙链路选择”阶段，发生时隙冲突的两条链路，它们的源节点同时通过哈希算法(以源节点地址、目的节点地址、时隙序号作为哈希算法的输入参数)确定继续占用和放弃当前时隙的链路；三是“时隙释放通告”阶段，放弃链路时隙的源节点更新时隙占用状态表LST和NST，并依托“时隙占用状态信息”的广播进行时隙释放通告；四是“重新申请时隙”阶段，按照业务传输需求重新启动时隙申请进程。

Claims (6)

1.一种自组织TDMA网络基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，各节点根据本节点时隙占用状态和邻居节点广播的“时隙占用状态信息”，对节点三跳范围内的时隙占用情况进行统计；

第二步，各节点根据其它节点发送的“时隙申请信息”，更新“临时占用时隙集”，并结合第一步的时隙占用状态统计结果，生成“链路可选时隙集”；

第三步，各节点从“链路可选时隙集”中选取满足数据业务传输需求的时隙数量，发起时隙申请；

第四步，若多条链路同时申请相同时隙且不满足链路时隙选择原则时，则启动冲突避免处理流程，通过冲突避免算法决定哪条链路需重新发起时隙申请、哪条链路成功获得时隙使用权。

2.根据权利要求1所述的自组织TDMA网络基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法，其特征在于：所述时隙申请的信息交互方式为：首先，源节点从“链路可选时隙集”中选择满足业务传输需求的时隙数量，并广播“时隙申请消息”；其次，所有邻居节点对“时隙申请消息”进行应答：若没有检测到时隙冲突，则应答“同意”，否则应答“不同意”；最后，源节点收齐所有邻居节点的应答消息，若均为“同意”则确认占用该时隙，否则重新申请时隙。

3.根据权利要求1所述的自组织TDMA网络基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法，其特征在于：所述链路时隙选择原则包括：

(1)从源节点可用时隙和目的节点可用时隙交集中进行选择；

(2)不选择源节点一跳邻居节点的接收时隙；

(3)不选择源节点两跳邻居节点的接收时隙；

(4)不选择目的节点一跳邻居节点的发送时隙；

(5)不选择目的节点两跳邻居节点的发送时隙。

4.根据权利要求1所述的自组织TDMA网络基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法，其特征在于：所述冲突避免处理流程包括以下情形：

(1)当链路申请时隙与源节点一跳邻居S₁收时隙发生冲突时，由S₁决定谁占用、谁放弃；

(2)当链路申请时隙与源节点两跳邻居S₂收时隙发生冲突时，则按照时间先后顺序，若S₁先收到S₂发送的“同意link 2时隙申请”应答消息，则S₁给节点S₀发送“不同意link 1时隙申请”应答消息，反之亦然；

(3)当链路申请时隙与目的节点收时隙发生冲突或链路申请时隙与目的节点一跳邻居节点发时隙发生冲突时，由D₀决定谁占有、谁放弃；

(4)当链路申请时隙与目的节点两跳邻居节点发时隙发生冲突时，则按照时间先后顺序，若D₀先收到D₁发送的“同意link 2时隙申请”应答消息，则D₀给节点S₀发送“不同意link1时隙申请”应答消息，反之亦然。

5.根据权利要求1所述的自组织TDMA网络基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法，其特征在于：各节点在收到邻居节点广播的“时隙占用状态信息”后，更新时隙占用状态表NST、N2ST和N3ST，再将LST中以发状态占用的时隙与NST、N2ST和N3ST进行比较，如果有违背“链路时隙选择原则”的时隙，则对该时隙进行预冲突解算处理。

6.根据权利要求5所述的自组织TDMA网络基于冲突缓冲区的链路时隙分配方法，其特征在于：对违背“链路时隙选择原则”的时隙，进行预冲突解算处理的方法为：

(1)“释放时隙链路选择”阶段：对发生时隙冲突的两条链路的源节点同时通过哈希算法确定继续占用和放弃当前时隙的链路；

(2)“时隙释放通告”阶段：放弃链路时隙的源节点更新时隙占用状态表LST和NST，并依托“时隙占用状态信息”的广播进行时隙释放通告；

(3)“重新申请时隙”阶段：按照业务传输需求重新启动时隙申请进程。