CN109769251B - 一种基于链路距离感知的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于链路距离感知的资源分配方法，按照分环的半径，从远至近分别为每个圆环中的节点分配基本时隙，依次寻找可用的数据传输时隙，将其中的可用于数据传输的基本时隙分配给节点，当所有节点的需求都被满足，或所有的基本时隙都已经分配完，算法结束。本发明通过根据无线链路的距离，将所有的链路划分为K类，简化了协议设计与实现；每个链路的数据收发总时间，为某个基本时隙的整数倍；采用基本时隙的重分配方法，原本空闲不可用的基本时隙可被重分配给其他链路，提高了网络吞吐量，提升了协议效率。

Description

一种基于链路距离感知的资源分配方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种进行时隙资源分配的方法。

背景技术

在基于时间同步的无线网络多址接入协议中，收发节点进行数据收发(简称为DATA-ACK)总时间中，主要包括两部分：数据包(DATA)和应答控制包(ACK)的传输时间、无线信号传播的往返时间。当二者的时间相近(同一个数量级)时，无线信号传播的往返时间不可被忽略，使得DATA-ACK的总时间被拉长、而有效数据(DATA)传输的时间比例减小，从而降低了多址接入协议的效率，该问题被称为无线网络中的通信时延扩展问题。

无线网络中的通信时延扩展问题，广泛存在于多个无线网络中，包括超远距的定向无线网络、超高速的无线网络等。比如，在超远距的定向无线网络中，由于定向天线将无线信号能量汇聚到某个特定方向上，因此增大了无线链路的传输距离；当无线链路的距离达到150km以上时，无线信号的往返传播时延将达到1ms以上，与数据传输时间处于同一个量级，从而不能被忽略。再比如，在超高速无线网络中，尽管无线链路距离很短、但是由于数据传输速率很高，从而减小了数据的传输时间，使得无线信号的往返传播时延所占的比例增大，以至于无线信号的往返传播时间不能被忽略；当无线数据传输速率达到30Gbps时，传输一个3Kbits的数据包所需要的时间为1us，相当于无线信号传播150米的往返时间，因此无线信号的传播时间不可被忽略。

针对无线通信时延扩展问题，现有研究工作大致可被分为两类：(1)增大所传输的数据量、从而增大数据传输的时间，使之达到无线信号传播时延的数百倍以上，从而减小无线信号传播时间所占的比例，进而可以忽略无线信号的传播时间；(2)根据无线链路的长度，设计相应的DATA-ACK数据传输的总时间，从而达到长距离链路使用较大的DATA-ACK总时间、短距离链路使用较小的DATA-ACK总时间的目的，最终减小节点使用的平均数据收发(DATA-ACK)的总时间。

然而，上述现有研究方法存在下述问题：(1)单纯的增大数据量的方法，首先需要数据收发节点具有存储、处理大数据量的能力，其次，数据源端节点必须要缓存总够多的数据，最后，为了避免由于数据量的增大导致大的误包率，将需要引入更多的数据包控制域开销(包括数据段分隔、纠错码、检错码等)。(2)如果根据每个链路的长度均设计一个数据收发的总时间，将增大协议实现的复杂度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于链路距离感知的资源分配方法。在给定M、δ、R、K、d_k、m_k、t_k和e_k的具体数值情况下，本技术方案的基本思想：(1)按照分环的半径，从远至近分别为每个圆环中的节点分配基本时隙；(2)依次寻找可用的数据传输时隙，将其中的可用于数据传输的基本时隙分配给节点；(3)当所有节点的需求都被满足，或所有的基本时隙都已经分配完，算法结束。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的详细实施步骤如下：

步骤1：整个时间轴被划分为若干个时帧，每个时帧中有M个基本时隙，每个基本时隙的长度为δ，其中M、δ的具体数值根据整体网络的性能要求设定为常数或变量，数据收发总时间Δ为基本时隙长度δ的整数倍；

数据源节点S的通信覆盖区域为一个半径为R的圆，将圆划分为K个圆环区域和一个圆盘区域，图2给出了当K＝3时，数据源节点S的通信覆盖区域被划分的示意图，其中，d_k表示第k个圆环或圆盘的半径，且d₁≤d₂≤……≤d_K≤R，其中1≤k≤K+1，且R、K、d_k的具体数值根据整体网络的性能要求设定为常数或变量；

假设数据源节点S有N个邻节点，N>0，令N个邻节点的标识为{n₁,n₂,…,n_i,…n_N}，其中n_i>0，1≤i≤N，当数据源节点S的通信覆盖区域被分为K个环和一个圆盘之后，则N个邻节点被划分为K+1个子集{N₁_,N₂_,L,N_K+1}，且处于同一个分环或圆盘区域内的节点属于同一个节点子集，且处于同一个节点子集N_k中的节点将使用相同的数据收发总时间Δ_k，令节点S发送给节点n_i的数据需求为r_i个基本时隙；

每个数据收发总时间Δ_k被划分为三部分：DATA数据传输的时间t_kδ、无线信号传播的往返时间e_kδ和ACK应答数据包的传输时间δ，以ACK应答数据包的传输时间δ作为基本时隙的时间长度，t_k和e_k的具体数值，根据整体网络的性能要求设定为常数或变量；

根据数据源节点S的通信覆盖区域分环情况，将数据源节点S的N个邻节点划分为K+1个节点子集；初始化当前所处的圆环数k＝K+1，时隙分配结果表s(M)的每个元素均初始化为0；转步骤2为数据源节点S的邻节点分配基本时隙；

所述的时隙分配结果表s[M]表示每个时帧中M个基本时隙的分配结果，其中s(j)表示第j个基本时隙(1≤j≤M)的分配结果，若第j个基本时隙(1≤j≤M)被分配为：数据源节点S向节点n_i发送DATA数据，则令s(j)＝n_i；若第j个基本时隙(1≤j≤M)被分配为：数据源节点S接收节点n_i发送的ACK数据，则令s(j)＝-n_i；若第j个基本时隙未被分配，则令s(j)＝0；

步骤2：如果k>0，则转步骤3为子集N_k中的节点分配基本时隙，否则资源分配方法结束；

步骤3：如果子集N_k非空，则从子集N_k中随机选择一个节点n_i，转步骤4为节点n_i分配基本时隙；否则k减1，转步骤2；

步骤4：如果节点n_i的数据需求r_i>0，则转步骤5为节点n_i分配基本时隙；否则，转步骤3；

步骤5：初始化变量j＝0，按照步骤5.1-5.6为节点n_i分配基本时隙；

步骤5.1：令j加1；如果j+m_k-1>M，则转步骤5.6，否则转步骤5.2；

步骤5.2：如果s(j)＝0且s(j+m_k-1)＝0，则说明找到了一个可用的数据传输时隙Δ_k，设置s(j)＝n_i，s(j+m_k-1)＝-n_i，令r_i减1，转5.3否则转步骤5.1；

步骤5.3：如果r_i>0则，初始化p＝1，转步骤5.4，为节点n_i分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙，否则，转步骤5.6；

步骤5.4：令p加1；如果p>t_k-1则该数据传输时隙已无基本时隙可用，转步骤5.1继续寻找下一个可用的数据传输时隙，否则转步骤5.5，继续为节点n_i分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.5：如果s(j+p)≠0则转步骤5.4，否则，设置s(j+p)＝n_i，令r_i减1；如果r_i>0则转步骤5.4继续为节点n_i分配，否则转步骤5.6；

步骤5.6：如果r_i＝0则将节点n_i从子集N_k中移除，转步骤3；否则k减1，转步骤2。

本发明的有益效果在于通过根据无线链路的距离，将所有的链路划分为K类，简化了协议设计与实现；每个链路的数据收发总时间，为某个基本时隙的整数倍；采用基本时隙的重分配方法，原本空闲不可用的基本时隙可被重分配给其他链路，提高了网络吞吐量，提升了协议效率。

附图说明

图1是本发明所提方法的时帧结构图，其中δ为每个基本时隙的长度，M为每个时帧中的基本时隙个数，Δ为数据收发总时间，为基本时隙长度δ的整数倍。

图2为当K＝3时S的通信覆盖区域分环的示意图，其中节点S为数据源节点，R为节点S的通信半径，d1，d2，d3分别为圆盘和两个圆环的半径。

图3为数据收发总时间Δ_k的组成部分示意图，其中tkδ为DATA数据传输的时间，ekδ为无线信号传播的往返时间，δ为ACK应答数据包的传输时间。

图4为本发明实施用例1的节点分布图。

图5为本发明实施用例2的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

针对背景技术中各自存在的弊端，本发明提出了一种基于链路距离感知的资源分配方法。该方法解决了通信时延扩展问题，并兼备以下几个特点：(1)无线网络中的所有链路，根据链路距离被划分为有限的几类；(2)在每一类链路中，其数据收发总时间均为某个固定时间长度的基本时隙的整数倍；(3)所提出的时隙资源分配方法，使得原本空闲的不能用于数据收发的无线信号传播往返时间，可被重分配给其他的收发节点进行数据传输。

步骤1：图1给出了所提方法的时帧结构图，整个时间轴被划分为若干个时帧，每个时帧中有M个基本时隙，每个基本时隙的长度为δ，其中M、δ的具体数值根据整体网络的性能要求设定为常数或变量，数据收发总时间Δ为基本时隙长度δ的整数倍；

数据源节点S的通信覆盖区域为一个半径为R的圆，将圆划分为K个圆环区域和一个圆盘区域，图2给出了当K＝3时，数据源节点S的通信覆盖区域被划分的示意图，其中，d_k表示第k个圆环或圆盘的半径，且d₁≤d₂≤……≤d_K≤R，其中1≤k≤K+1，且R、K、d_k的具体数值根据整体网络的性能要求设定为常数或变量；

假设数据源节点S有N个邻节点，N>0，令N个邻节点的标识为{n₁,n₂,…,n_i,…n_N}，其中n_i>0，1≤i≤N，当数据源节点S的通信覆盖区域被分为K个环和一个圆盘之后，则N个邻节点被划分为K+1个子集{N₁_,N₂_,L,N_K+1}，且处于同一个分环(某个节点与数据源节点S的距离x满足，d_k-1≤x≤d_k那么该节点位于第k个圆环)或圆盘区域内的节点属于同一个节点子集，且处于同一个节点子集N_k中的节点将使用相同的数据收发总时间Δ_k，令节点S发送给节点n_i的数据需求为r_i个基本时隙；

每个数据收发总时间Δ_k被划分为三部分：DATA数据传输的时间t_kδ、无线信号传播的往返时间e_kδ和ACK应答数据包的传输时间δ，以ACK应答数据包的传输时间δ作为基本时隙的时间长度，t_k和e_k的具体数值，根据整体网络的性能要求设定为常数或变量；

根据数据源节点S的通信覆盖区域分环情况，将数据源节点S的N个邻节点划分为K+1个节点子集；初始化当前所处的圆环数k＝K+1，时隙分配结果表s(M)的每个元素均初始化为0；转步骤2为数据源节点S的邻节点分配基本时隙；

所述的时隙分配结果表s[M]表示每个时帧中M个基本时隙的分配结果，其中s(j)表示第j个基本时隙(1≤j≤M)的分配结果，若第j个基本时隙(1≤j≤M)被分配为：数据源节点S向节点n_i发送DATA数据，则令s(j)＝n_i；若第j个基本时隙(1≤j≤M)被分配为：数据源节点S接收节点n_i发送的ACK数据，则令s(j)＝-n_i；若第j个基本时隙未被分配，则令s(j)＝0；

步骤2：如果k>0，则转步骤3为子集N_k中的节点分配基本时隙，否则资源分配方法结束；

步骤3：如果子集N_k非空，则从子集N_k中随机选择一个节点n_i，转步骤4为节点n_i分配基本时隙；否则k减1，转步骤2；

步骤4：如果节点n_i的数据需求r_i>0，则转步骤5为节点n_i分配基本时隙；否则，转步骤3；

步骤5：初始化变量j＝0，按照步骤5.1-5.6为节点n_i分配基本时隙；

步骤5.1：令j加1；如果j+m_k-1>M，则转步骤5.6，否则转步骤5.2；

步骤5.2：如果s(j)＝0且s(j+m_k-1)＝0，则说明找到了一个可用的数据传输时隙Δ_k，设置s(j)＝n_i，s(j+m_k-1)＝-n_i，令r_i减1，转5.3否则转步骤5.1；

步骤5.3：如果r_i>0则，初始化p＝1，转步骤5.4，为节点n_i分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙，否则，转步骤5.6；

步骤5.4：令p加1；如果p>t_k-1则该数据传输时隙已无基本时隙可用，转步骤5.1继续寻找下一个可用的数据传输时隙，否则转步骤5.5，继续为节点n_i分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.5：如果s(j+p)≠0则转步骤5.4，否则，设置s(j+p)＝n_i，令r_i减1；如果r_i>0则转步骤5.4继续为节点n_i分配，否则转步骤5.6；

步骤5.6：如果r_i＝0则将节点n_i从子集N_k中移除，转步骤3；否则k减1，转步骤2。

实施例1：本实施例侧重于描述按照分环的半径，从远至近分别为每个圆环中的节点分配基本时隙的方法；

考虑节点S的通信覆盖区域分环情况，将节点S的4个邻节点划分为3个节点子集，假定从远到近各个节点子集的节点个数为N₃＝1，N₂＝2，N₁＝1，为了方便说明给区域中的节点从远到近编号1到4，以图4为例。每个节点的需求都为2，所用时帧为m_k＝t_k+e_k+1，假定数据传输的时间t_k均为2，那么根据单位时隙以及分环距离得到，从远到近三个时帧长度分别为m₃＝27，m₂＝23，m₁＝17，假定总时隙M＝80，下面以节点1的时隙分配为例，说明步骤的具体执行情况：

步骤1：初始化k＝3，时隙空闲情况表s(80)每个元素初始化为0；

步骤2：若k>0则转步骤3为子集N₃中的节点分配时隙；

步骤3：从子集N₃中随机选择一个节点编号1，并为它分配时隙；

步骤4：因为节点1的数据需求为2，r₁>0，则转步骤5为节点1分配基本时隙；

步骤5：初始化变量j＝0，按照下述步骤5.1-5.6为节点1分配基本时隙，

步骤5.1：j＝j+1；如果j+m_k-1＝1+27-1<M＝80则表明所用时隙没有超过所给定的总时隙M，转步骤5.2；

步骤5.2：因为s(1)＝0且s(27)＝0，则说明找到了一个可用的数据传输时隙Δ_k，设置s(1)＝1，s(27)＝-1，r₁＝1，转5.3；

步骤5.3：因为r_i>0则初始化变量p＝0，转步骤5.4为节点n₁分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.4：p＝p+1＝1；因为p<＝t₃-1＝1转步骤5.5，继续为节点n_i分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.5：因为s(2)＝0说明该时隙空闲，设置s(2)＝1，r_i＝0；转步骤5.6；

步骤5.6：因为r₁＝0则返回值设为TRUE；转步骤5为其它节点分配时隙，由于返回值为true，因此把该节点从N₃中移除，转步骤3，N₃为空集，那么k＝k-1＝2，就为N₂中的节点分配时隙，方法同节点1。

实施例2：本实施例侧重于描述按照分环的半径、链路优先级，依次按照链路集合的优先级，分别为每个圆环中的节点分配基本时隙的方法；

考虑节点S的通信覆盖区域内与各个节点链路优先级情况，将节点S的5个邻节点划分为3个节点子集，假定距离从高到低各个节点子集的节点个数为N₃＝2，N₂＝2，N₁＝1，每个节点的需求都为2，所用时帧为m_k＝t_k+e_k+1，假定数据传输的时间t_k均为2，那么根据单位时隙以及分环距离得到，从远到近三个时帧长度分别为m₃＝27，m₂＝23，m₁＝17。假定总时隙M＝80，每个环中的节点按链路优先级排列，并编号，比如N₃中两个节点链路优先级高的编号1，优先级低的编号2，N₂中同理，编号为3和4。节点分体如图5所示。下面以节点1的时隙分配为例，说明步骤的具体执行情况：

步骤1：初始化k＝3，时隙空闲情况表s(80)每个元素初始化为0；

步骤2：若k>0则转步骤3为子集N₃中的节点分配时隙；

步骤3：从子集N₃中选择链路优先级高的编号1的节点，并为它分配时隙；

步骤4：因为节点1的数据需求为2，r₁>0，则转步骤5为节点1分配基本时隙；

步骤5：初始化变量j＝0，按照下述步骤5.1-5.6为节点1分配基本时隙，

步骤5.1：j＝j+1；如果j+m_k-1＝1+27-1<M＝80则表明所用时隙没有超过所给定的总时隙M，转步骤5.2；

步骤5.2：因为s(1)＝0且s(27)＝0，则说明找到了一个可用的数据传输时隙Δ_k，设置s(1)＝1，s(27)＝-1，r₁＝1，转5.3；

步骤5.3：因为r_i>0则初始化变量p＝0，转步骤5.4为节点n₁分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.4：p＝p+1＝1；因为p<＝t₃-1＝1转步骤5.5，继续为节点n_i分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.5：因为s(2)＝0说明该时隙空闲，设置s(2)＝1，r_i＝0；转步骤5.6；

步骤5.6：因为r₁＝0则返回值设为TRUE；转步骤5为其它节点分配时隙，由于返回值为true，因此把该节点从N₃中移除，转步骤3，N₃为非空集，就为N₃中编号为2的节点分配时隙，方法同节点1。

Claims (1)

1.一种基于链路距离感知的资源分配方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：整个时间轴被划分为若干个时帧，每个时帧中有M个基本时隙，每个基本时隙的长度为δ，其中M、δ的具体数值根据整体网络的性能要求设定为常数或变量，数据收发总时间Δ为基本时隙长度δ的整数倍；

数据源节点S的通信覆盖区域为一个半径为R的圆，将圆划分为K个圆环区域和一个圆盘区域，其中，d_k表示第k个圆环或圆盘的半径，且d₁≤d₂≤……≤d_K≤R，其中1≤k≤K+1，且R、K、d_k的具体数值根据整体网络的性能要求设定为常数或变量；

假设数据源节点S有N个邻节点，N>0，令N个邻节点的标识为{n₁,n₂,…,n_i,…n_N}，其中n_i>0，1≤i≤N，当数据源节点S的通信覆盖区域被分为K个环和一个圆盘之后，则N个邻节点被划分为K+1个子集

且处于同一个分环或圆盘区域内的节点属于同一个节点子集，且处于同一个节点子集N_k中的节点将使用相同的数据收发总时间△_k，令节点S发送给节点n_i的数据需求为r_i个基本时隙；

每个数据收发总时间△_k被划分为三部分：DATA数据传输的时间t_kδ、无线信号传播的往返时间e_kδ和ACK应答数据包的传输时间δ，以ACK应答数据包的传输时间δ作为基本时隙的时间长度，t_k和e_k的具体数值，根据整体网络的性能要求设定为常数或变量；

根据数据源节点S的通信覆盖区域分环情况，将数据源节点S的N个邻节点划分为K+1个节点子集；初始化当前所处的圆环数k＝K+1，时隙分配结果表s(M)的每个元素均初始化为0；转步骤2为数据源节点S的邻节点分配基本时隙；

所述的时隙分配结果表s[M]表示每个时帧中M个基本时隙的分配结果，其中s(j)表示第j个基本时隙(1≤j≤M)的分配结果，若第j个基本时隙(1≤j≤M)被分配为：数据源节点S向节点n_i发送DATA数据，则令s(j)＝n_i；若第j个基本时隙(1≤j≤M)被分配为：数据源节点S接收节点n_i发送的ACK数据，则令s(j)＝-n_i；若第j个基本时隙未被分配，则令s(j)＝0；

步骤2：如果k>0，则转步骤3为子集N_k中的节点分配基本时隙，否则资源分配方法结束；

步骤3：如果子集N_k非空，则从子集N_k中随机选择一个节点n_i，并将节点n_i从子集N_k中移出，之后转步骤4为节点n_i分配基本时隙；否则k减1，转步骤2；

步骤4：如果节点n_i的数据需求r_i>0，则转步骤5为节点n_i分配基本时隙；否则，转步骤3；

步骤5：初始化变量j＝0，按照步骤5.1-5.6为节点n_i分配基本时隙；

步骤5.1：令j加1；如果j+m_k-1>M，则转步骤5.6，否则转步骤5.2；

步骤5.2：如果s(j)＝0且s(j+m_k-1)＝0，则说明找到了一个可用的数据传输时隙△_k，设置s(j)＝n_i，s(j+m_k-1)＝-n_i，令r_i减1，转5.3，否则转步骤5.1；

步骤5.3：如果r_i>0则，初始化p＝1，转步骤5.4，为节点n_i分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙，否则，转步骤5.6；

步骤5.4：令p加1；如果p>t_k-1则该数据传输时隙已无基本时隙可用，转步骤5.1继续寻找下一个可用的数据传输时隙，否则转步骤5.5，继续为节点n_i分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.5：如果s(j+p)≠0则转步骤5.4，否则，设置s(j+p)＝n_i，令r_i减1；如果r_i>0则转步骤5.4继续为节点n_i分配，否则转步骤5.6；

步骤5.6：如果r_i＝0则将节点n_i从子集N_k中移除，转步骤3；否则k减1，转步骤2。

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