CN109561513B - 一种分布式无冲突自组网多址接入协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式无冲突自组网多址接入协议,以无线自组织网络为基本架构，采用时分复用和载波侦听多路访问/冲突避免相结合的混合接入机制，同时利用网络节点分布式离散化的冲突管理方法，其组网流程为：1)节点入网前，首先监听和接收网络中时间主控节点发送的时间信息和时隙信息，根据接收到的信息完成时间同步，按节点ID和坐标数据对节点序号进行动态排序；2)节点入网后，节点根据业务量大小和当前网络其它节点占用时隙的情况进行统计，并对需要申请的时隙进行离散化处理，经过计算后得出可用时隙列表。本发明不需要预先规划网络的信道资源，可运用于无线自组织网络中的多节点接入信道，可实现网络节点的快速入网、低时延信道接入。

Description

一种分布式无冲突自组网多址接入协议

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种分布式无冲突自组网多址接入协议。

背景技术

无线网络通常以多路复用信道作为通信的基础，与采用点到点连接的通信系统相比，存在一个关键的技术问题：即当信道的使用发生竞争时，如何分配信道的使用。多址接入协议就是为了实现多个节点在共享网络资源的过程中，对网络信道资源进行调度管理，控制网络中各个节点适时接入无线信道。

多址接入协议的性能对无线网络的吞吐量、时延等性能起着决定性的作用，设计适当的接入协议算法，能够根据网络业务特性有效地配置信道资源，提升无线资源的使用效率，提高系统的容量和传输质量一直是无线自组网的重要研究内容。

无线自组织网络具有快速展开、抗毁、容错等独特优势，特别适合于在恶劣应用环境下进行多个节点组网及信息传输，得到了越来越广泛的应用。但是，由于网络中的各节点可能存在着高机动性、自组织、信息收发突发、信息传输时延要求高的特点，对组网及信息传输过程中的信道接入控制与利用提出了很高的要求，必须采用高效的多址接入协议算法，以解决多个节点进行无线自组织网络组网过程中的信道使用冲突问题。

传统的多址接入方式，主要是从信道的时间资源、频率资源来进行分配和管理，网络中各节点获得信道的方式可以分为固定分配、随机竞争和预约3类：

(1)固定分配多址接入协议是对信道的时间资源和频率资源预先固定好，各节点按照预先分配的时间和频率接入信道。其优点是公平性好，当网络节点数目及业务负载较大时，能够保证平均的传输时延，但是存在网络可拓展性和业务实时性较差，依赖有限固定资源等缺点。

(2)基于随机竞争的协议中，节点的信息发送更具有自主性，网络拓扑相对灵活，能较好地满足实时性突发性比较强的业务，但协议性能随着网络节点数目和业务量的增加急剧恶化；

(3)基于预约分配的多址接入协议，需要一个专用的控制信道供所有用户以固定分配方式或竞争方式提出申请，因而信道利用率会下降，在无线自组织网络中，采用预约分配时还需要有一个主节点来执行信道资源分配，会导致相互之间的信息交互量大，从而出现网络负载过高、时延较大的问题。

针对无线自组织网络中各个节点之间在逻辑上相互平等、各节点移动造成网络拓扑动态变化的条件下，传统单纯采用固定分配、基于冲突检测或基于预约分配的多址接入协议方法，存在着信道利用率低、网络时延较高，难以满足无线自组网高速低时延数据传输要求的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种分布式无冲突自组网多址接入协议，以无线自组织网络为基本架构，采用时分复用和载波侦听多路访问/冲突避免相结合的混合接入机制，同时利用网络节点分布式离散化的冲突管理方法，其组网流程如下：

S1.节点入网前，首先监听和接收网络中时间主控节点发送的时间信息和时隙信息，根据接收到的信息完成时间同步，按节点ID和坐标数据对节点序号进行动态排序；

S2.节点入网后，节点根据业务量大小和当前网络其它节点占用时隙的情况进行统计，并对需要申请的时隙进行离散化处理，经过计算后得出可用时隙列表。

进一步的，所述多址接入协议将信道的时间资源进行划分，以时隙为最小单位，通过对时隙的分配和管理来完成信道接入，并将每一秒钟划分为若干时帧，每个时帧包括保护时隙、控制时隙和数据时隙。所述控制时隙包括用于节点初始同步、互同步与网络搜索的导频时隙，用于网络融合时交互不同网络间信息的网络融合时隙，以及用于发送各个节点组网控制信息的组网控制时隙。所述数据时隙包括M个时隙，其中N个时隙固定分配给N个节点，且M>N，另外M-N个时隙用于动态分配。

进一步的，所述导频时隙中除发送TOD信息外，还需要发送当前超帧中所有时隙的使用情况表以及网络编号信息，所述导频时隙由时间主节点进行维护。所述组网控制时隙包括N个时隙，且分别对应网络中的N个节点，所述组网控制时隙还可传输短数据报文。

进一步的，采用时分多址对无线信道进行划分，设其周期为T，时隙长度为t_slot，时隙个数为K，网络节点个数为N，则K＝T/t_slot，且K>2*N+3；若控制时隙和数据时隙长度不同，则时隙划分应该满足下式要求：

T＝K₁*t₁+M*t₂；

式中：K₁为组网控制时隙个数，且K₁>N+3，t₁为组网控制时隙长度，M为数据时隙的时隙个数，t₂为数据时隙长度。

进一步的，所述动态排序通过对获取到的节点的ID和位置信息，按其唯一性进行排序，包括以下步骤：

S11.设任务区域有N个节点，每个节点的ID号和位置信息不同，分别为a₁,a₂,a₃,...,a_N，此N个数据形成一个序列A，满足以下条件：

A＝{a_i},1≤i≤N且a_k≠a_j(k∈i,j∈i,k≠j)；

S21.对序列A依从小到大或从大到小进行排序，其相应的关键字序列设为：

A'＝{K_i},1≤i≤N且K_m≠K_j(m∈i,j∈i,m≠j)，

使得K_i满足：K₁≤K₂≤K₃≤......≤K_N。

进一步的，所述离散化处理是在排序算法将各个节点排序之后，依顺序将各个节点的控制时隙和数据时隙进行映射，包括以下步骤：

S21.若数据时隙包括K-N个时隙，有N个节点需要分配，则每个节点平均可以分配得到a个时隙，其中a＝[(K-N)/N]，式中a向下取整；

S22.以a为周期，按节点顺序依次排列，节点根据所需要的时隙数N，以及总的时隙数K-N，获得周期a＝[(k-N)/N]，且本节点的数据时隙按此周期均匀分布。

进一步的，对于单个节点而言，在计划入网时，需要先侦听周围空域是否已经有网络可以加入，如果有，则尝试加入；如果没有，则自己组建起单节点的网络，然后允许其它节点加入，最终形成任务所需要的网络。

进一步的，对于多节点而言，如果计划同时组网，则会导致冲突出现，一种冲突是尝试加入同样的已有的网络，这种冲突在入网时通过接入协议的动态排序和节点离散化算法解决；另一种冲突是多个节点尝试建立起自己的网络，为避免这种冲突发生，要求各节点在动态排序的基础上，采用离散化算法，将各个节点的组网发起时刻进行分散，使其不集中在同一点。

进一步的，网络节点根据业务需要，对时隙进行调整，此时的调整通过发送时隙请求和接收时隙响应消息来完成，包括以下步骤：

S31.节点根据上层应用提供的流量，对所需要的带宽进行评估；

S32.如果需要对带宽进行调整，则计算出需要添加/删除多少个时隙；

S33.检查导频时隙中发布的时隙分配表，以及本节点所占用的时隙，决定添加/删除的时隙的起始号及其个数；

S34.构建相应的申请报文；

S35.在本节点控制时隙到来后，发送上述申请报文。

进一步的，其它节点在接收到所述申请报文以后，可以同意，也可以拒绝此申请，如果网络中其它所有节点都同意，则申请成功；否则，需要检查返回的错误代码查找问题，在问题解决后重新申请。

进一步的，当业务量持续减少到低于所分配带宽时，节点可以发起时隙分配申请，对多于带宽的时隙进行删除操作，以释放占用但末使用的时隙给需要的节点。

本发明主要解决以下几类问题：

1)解决了无线自组网中各节点逻辑平等条件下，传统接入方法需要预先指定某个节点或专用信道对网络资源进行分配的问题，而采用分布式多节点自治的网络资源接入与管理控制方法，提升了信道利用率；

2)解决了网络多节点采用全向天线同频收发时可能存在的信道冲突的问题，通过采用时隙动态分配与信道占用检测相结合的方法，保证了无线自组织网络中多个节点在信道接入过程中的高效性与灵活性；

3)解决了无线自组织网络条件下，多个节点相互之间的信息低时延传输，通过本发明的多址接入协议的实施，可实现32个网络节点相互之间数据传输的时延小于0.5毫秒的指标要求。

本发明的有益效果在于：不需要预先规划网络的信道资源，可运用于无线自组织网络中的多节点接入信道，可以实现网络节点的快速入网、低时延信道接入及信息传输的能力，通过灵活的时隙分配与分布式的网络时隙管理机制，可支持32个节点的初始网络入网时间小于0.5秒，网络间任意节点间的传输时延小于0.5秒的网络组网及数据传输能力，特别适合于移动节点的编队组网及信息传输，支持多网络节点编队协同任务。

附图说明

图1是多址接入协议时帧结构图；

图2是离散化多址接入协议组网流程。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1

一种分布式无冲突自组网多址接入协议，以无线自组织网络(Mobile Ad HocNetwork)为基本架构，采用时分复用(TDM)和载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)相结合的混合接入机制，同时利用网络节点分布式离散化的冲突管理方法，其组网流程如下：

S1.节点入网前，首先监听和接收网络中时间主控节点发送的时间信息和时隙信息，根据接收到的信息完成时间同步，按节点ID和坐标数据对节点序号进行动态排序；

S2.节点入网后，节点根据业务量大小和当前网络其它节点占用时隙的情况进行统计，并对需要申请的时隙进行离散化处理，经过计算后得出可用时隙列表。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上：

多址接入协议将信道的时间资源进行划分，以时隙为最小单位，通过对时隙的分配和管理来完成信道接入，具体的，将每一秒钟划分为若干时帧，如图1所示，每个时帧包括保护时隙、控制时隙(CTS)和数据时隙(DTS)。其中，控制时隙包括用于节点初始同步、互同步与网络搜索的导频时隙(COM)，用于网络融合时交互不同网络间信息的网络融合时隙(NIN₀和NIN₁)，以及用于发送各个节点组网控制信息的组网控制时隙(CTS₀～CTS_N-1)。此外，数据时隙包括M个时隙，其中N个时隙固定分配给N个节点，且M>N，另外M-N个时隙用于动态分配。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上：

导频时隙中除发送TOD信息外，还需要发送当前超帧中所有时隙的使用情况表以及网络编号信息，导频时隙由时间主节点进行维护。组网控制时隙包括N个时隙，且分别对应网络中的N个节点，组网控制时隙还可传输短数据报文。

实施例4

本实施例在实施例3的基础上：

采用时分多址对无线信道进行划分，设其周期为T，时隙长度为t_slot，时隙个数为K，网络节点个数为N，则K＝T/t_slot，且K>2*N+3；若控制时隙和数据时隙长度不同，则时隙划分应该满足下式要求：

T＝K₁*t₁+M*t₂；

式中：K₁为组网控制时隙个数，且K₁>N+3，t₁为组网控制时隙长度，M为数据时隙的时隙个数，t₂为数据时隙长度。

实施例5

本实施例在实施例1的基础上：

动态排序主要用于解决时隙分配与占用时的冲突问题，排序算法通过对获取到的节点的ID和位置信息，按其唯一性进行排序，包括以下步骤：

S11.设任务区域有N个节点，每个节点的ID号和位置信息不同，分别为a₁,a₂,a₃,...,a_N，此N个数据形成一个序列A，满足以下条件：

A＝{a_i},1≤i≤N且a_k≠a_j(k∈i,j∈i,k≠j)；

S21.对序列A依从小到大或从大到小进行排序，其相应的关键字序列设为：

A'＝{K_i},1≤i≤N且K_m≠K_j(m∈i,j∈i,m≠j)，

使得K_i满足：K₁≤K₂≤K₃≤......≤K_N。

实施例6

本实施例在实施例1的基础上：

离散化处理的目的是在排序算法和统计算法的基础上，对需要申请的时隙进行离散化处理，从而有效避免冲突的发生，其主要思想是：在排序算法将各个节点排序之后，依顺序将各个节点的控制时隙和数据时隙进行映射，包括以下步骤：

S21.若数据时隙包括K-N个时隙，有N个节点需要分配，则每个节点平均可以分配得到a个时隙，其中a＝[(K-N)/N]，式中a向下取整；

S22.以a为周期，按节点顺序依次排列，节点根据所需要的时隙数N，以及总的时隙数K-N，获得周期a＝[(k-N)/N]，且本节点的数据时隙按此周期均匀分布。

实施例7

本实施例在实施例1的基础上：

本实施例提出一种基于离散化的分布式无冲突多址接入协议的组网实现过程：

各个节点在初始化或启动组网程序前，应处于侦听状态，需入网节点侦听附近时间主节点发布的同步信息，获取当前网络的节点个数及各个节点的基本情况，如节点ID号、业务量大小以及当前网络各节点占用的基本窗口情况，经过统计计算从而推断出可用时隙列表。如果本节点在规定时间内未获取到相关数据，则由本节点作为时间主节点创建一个网络，并周期性地对外发送同步信息，用于其它节点入网；如果在规定时间内获取到同步信息，则启动入网。

对于单个节点而言，在计划入网时，需要先侦听周围空域是否已经有网络可以加入，如果有，则尝试加入；如果没有，则自己组建起单节点的网络，然后允许其它节点加入，最终形成任务所需要的网络；

对于多节点而言，如果计划同时组网，则会导致冲突出现，一种冲突是尝试加入同样的已有的网络，这种冲突在入网时通过接入协议的动态排序和节点离散化算法解决；另一种冲突是多个节点尝试建立起自己的网络，为避免这种冲突发生，要求各节点在动态排序的基础上，采用离散化算法，将各个节点的组网发起时刻进行分散，使其不集中在同一点。

实施例8

本实施例在实施例1的基础上：

网络节点根据业务需要，对时隙进行调整，此时的调整通过发送时隙请求和接收时隙响应消息来完成，包括以下步骤：

S31.节点根据上层应用提供的流量，对所需要的带宽进行评估；

S32.如果需要对带宽进行调整，则计算出需要添加/删除多少个时隙；

S33.检查导频时隙中发布的时隙分配表，以及本节点所占用的时隙，决定添加/删除的时隙的起始号及其个数；

S34.构建相应的申请报文；

S35.在本节点控制时隙到来后，发送上述申请报文。

实施例9

本实施例在实施例8的基础上：

其它节点在接收到申请报文以后，可以同意，也可以拒绝此申请，如果网络中其它所有节点都同意，则申请成功；否则，需要检查返回的错误代码查找问题，在问题解决后重新申请。

实施例10

本实施例在实施例9的基础上：

当业务量持续减少到低于所分配带宽时，节点可以发起时隙分配申请，对多于带宽的时隙进行删除操作，以释放占用但末使用的时隙给需要的节点。

实施例11

本实施例在实施例7的基础上：

如图2所示，本实施例提出一种离散化多址接入协议组网方法，包括以下步骤：

S41.网络初始化，且入网节点开启侦听；

S42.判断是否存在网络，若是，则执行步骤S43；若否，则执行步骤S45；

S43.获取节点ID、TOD信息、控制时隙(CTS)个数以及数据时隙(DTS)个数，并对在网节点ID及已知节点ID进行动态排序；

S44.按排序结果进行控制时隙与数据时隙的虚拟分配，按虚拟时隙进行入网申请，避免冲突，最后执行步骤S49；

S45.判断是否有其它节点，若是，则执行步骤S46；若否，则执行步骤S47；

S46.获取节点ID、TOD信息、控制时隙(CTS)个数以及数据时隙(DTS)个数，按结果获取前N个节点，并对N个节点进行离散化处理，各节点按排序形成N个虚拟时隙，并确定本节点时隙，最后执行步骤S48；

S47.按本节点TOD信息选择适当的发送时刻；

S48.在发送时刻到来时进行载波检测，若检测到载波，则执行步骤S42；否则，发送网络通信数据，续建起单节点网络；

S49.完成入网过程。

实施例12

本实施例在实施例2的基础上：

本实施例提出一种网络节点分布式动态管理方法，本实施例中所采用的多址接入协议适用于扁平式无线自组织网络结构，支持任意网络拓扑，接入和路由采用分布式控制方式，网络具备自发现、自动配置、自组织、自愈等能力，整个网络具备组网灵活性、高可靠性、高抗毁性。

网络中每个节点均具备完整的网络管理功能，网络中无中心节点，各个节点地位平等，成为单独的自治系统，网络的管理功能分布到各个节点上，因此是一种分布式的网络管理架构。

节点间的网络管理功能包括同步信息交互、同步协议处理、入网、退网、时间主控节点维护、中心节点更新、时隙分配管理，数据分发、拓扑更新以及路由维护等，节点内部还包括优先级管理、能量管理、速率自适应、自动功率控制和队列管理。

节点间的网络功能都有发起-响应-执行的过程，整个过程在网络中所有节点上协同完成。比如一个节点发起入网申请，申请报文将广播到网络中所有一跳范围内的节点，接收到申请的其它节点将对申请进行审核，判断入网节点的合法性以决定是否允许其加入网络，并将结果通过响应报文的方式回送给申请节点。申请节点将接收到其它全部节点的响应。如果有节点拒绝，则申请节点不能入网。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种分布式无冲突自组网多址接入协议，其特征在于，以无线自组织网络为基本架构，采用时分复用和载波侦听多路访问/冲突避免相结合的混合接入机制，同时利用网络节点分布式离散化的冲突管理方法，其组网流程如下：

S1.节点入网前，首先监听和接收网络中时间主控节点发送的时间信息和时隙信息，根据接收到的信息完成时间同步，按节点ID和坐标数据对节点序号进行动态排序；所述动态排序通过对获取到的节点的ID和位置信息，按其唯一性进行排序；

S2.节点入网后，节点根据业务量大小和当前网络其它节点占用时隙的情况进行统计，并对需要申请的时隙进行离散化处理，经过计算后得出可用时隙列表；所述离散化处理是在排序算法将各个节点排序之后，依顺序将各个节点的控制时隙和数据时隙进行映射，包括以下步骤：

S21.若数据时隙包括K-N个时隙，有N个节点需要分配，则每个节点平均可以分配得到a个时隙，其中a＝[(K-N)/N]，式中a向下取整；

S22.以a为周期，按节点顺序依次排列，节点根据所需要的时隙数N，以及总的时隙数K-N，获得周期a＝[(k-N)/N]，且本节点的数据时隙按此周期均匀分布。

2.根据权利要求1所述的一种分布式无冲突自组网多址接入协议，其特征在于，所述多址接入协议将信道的时间资源进行划分，以时隙为最小单位，通过对时隙的分配和管理来完成信道接入，并将每一秒钟划分为若干时帧，每个时帧包括保护时隙、控制时隙和数据时隙；

所述控制时隙包括用于节点初始同步、互同步与网络搜索的导频时隙，用于网络融合时交互不同网络间信息的网络融合时隙，以及用于发送各个节点组网控制信息的组网控制时隙；

所述数据时隙包括M个时隙，其中N个时隙固定分配给N个节点，且M>N，另外M-N个时隙用于动态分配。

3.根据权利要求2所述的一种分布式无冲突自组网多址接入协议，其特征在于，所述导频时隙中除发送TOD信息外，还需要发送当前超帧中所有时隙的使用情况表以及网络编号信息，所述导频时隙由时间主节点进行维护；所述组网控制时隙包括N个时隙，且分别对应网络中的N个节点，所述组网控制时隙还可传输短数据报文。

4.根据权利要求3所述的一种分布式无冲突自组网多址接入协议，其特征在于，采用时分多址对无线信道进行划分，设其周期为T，时隙长度为t_slot，时隙个数为K，网络节点个数为N，则K＝T/t_slot，且K>2*N+3；若控制时隙和数据时隙长度不同，则时隙划分应该满足下式要求：

T＝K₁*t₁+M*t₂；

式中：K₁为组网控制时隙个数，且K₁>N+3，t₁为组网控制时隙长度，M为数据时隙的时隙个数，t₂为数据时隙长度。

5.根据权利要求1所述的一种分布式无冲突自组网多址接入协议，其特征在于，所述动态排序通过对获取到的节点的ID和位置信息，按其唯一性进行排序，包括以下步骤：

S11.设任务区域有N个节点，每个节点的ID号和位置信息不同，分别为a₁,a₂,a₃,...,a_N，此N个数据形成一个序列A，满足以下条件：

A＝{a_i},1≤i≤N且a_k≠a_j(k∈i,j∈i,k≠j)；

S21.对序列A依从小到大或从大到小进行排序，其相应的关键字序列设为：

A'＝{K_i},1≤i≤N且K_m≠K_j(m∈i,j∈i,m≠j)，

使得K_i满足：K₁≤K₂≤K₃≤......≤K_N。

6.根据权利要求1所述的一种分布式无冲突自组网多址接入协议，其特征在于：

对于单个节点而言，在计划入网时，需要先侦听周围空域是否已经有网络可以加入，如果有，则尝试加入；如果没有，则自己组建起单节点的网络，然后允许其它节点加入，最终形成任务所需要的网络；

对于多节点而言，如果计划同时组网，则会导致冲突出现，一种冲突是尝试加入同样的已有的网络，这种冲突在入网时通过接入协议的动态排序和节点离散化算法解决；另一种冲突是多个节点尝试建立起自己的网络，为避免这种冲突发生，要求各节点在动态排序的基础上，采用离散化算法，将各个节点的组网发起时刻进行分散，使其不集中在同一点。

7.根据权利要求1所述的一种分布式无冲突自组网多址接入协议，其特征在于，网络节点根据业务需要，对时隙进行调整，此时的调整通过发送时隙请求和接收时隙响应消息来完成，包括以下步骤：

S31.节点根据上层应用提供的流量，对所需要的带宽进行评估；

S32.如果需要对带宽进行调整，则计算出需要添加/删除多少个时隙；

S33.检查导频时隙中发布的时隙分配表，以及本节点所占用的时隙，决定添加/删除的时隙的起始号及其个数；

S34.构建相应的申请报文；

S35.在本节点控制时隙到来后，发送上述申请报文。

8.根据权利要求7所述的一种分布式无冲突自组网多址接入协议，其特征在于，其它节点在接收到所述申请报文以后，可以同意，也可以拒绝此申请，如果网络中其它所有节点都同意，则申请成功；否则，需要检查返回的错误代码查找问题，在问题解决后重新申请。

9.根据权利要求8所述的一种分布式无冲突自组网多址接入协议，其特征在于，当业务量持续减少到低于所分配带宽时，节点可以发起时隙分配申请，对多于带宽的时隙进行删除操作，以释放占用但末使用的时隙给需要的节点。

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