CN109962760A - 一种适于无线tdma自组网的业务调度方法 - Google Patents

一种适于无线tdma自组网的业务调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线TDMA自组网中的业务调度方法，包括如下步骤：自组网中每个节点MAC层内部维护多个业务队列，按报文优先级从高到低排列分配；在节点运行过程中，对于MAC层接收或产生的数据或控制信息，按业务类型进行分类，再按优先级加入到对应的业务队列中；在节点属于自己的发送时隙到来时，则按预设的调度规则从上述业务队列中选取数据进行调度发送；对剩余待发送的初传数据业务队列中报文重新计算优先级并进行排序，删除达到最大重传次数仍然失败的业务。本发明方法把业务类型分类并按重要性实时性优先级排序，然后在数据业务调度中综合考虑多个方面的影响因素，使得MAC层数据发送具有较低的时延和较好的吞吐量保证。

Description

一种适于无线TDMA自组网的业务调度方法
技术领域
本发明属于无线通信中的业务控制与调度领域，具体涉及一种适于无线TDMA自组网的业务调度方法。
背景技术
无线自组网(Ad Hoc网络)是一种由多个无线通信设备(简称“节点”)组成的分布式网络，具有无中心、动态拓扑变化、能自我组织、多跳路由等特点，其建网灵活便捷，抗毁性强。网络中每个节点能和其他节点进行通信，节点间通信的内容除了视频、语音等数据业务外，还包括一些交互必要的控制信令业务。受限于无线宽带资源的限制，节点在每个属于自己的发送时刻，传输发送数据长度也有限，因此在MAC层(Media Access Control，介质访问控制)协议设计中，实现能保证系统高吞吐量、低时延和公平性的数据调度方法是无线自组网通信的核心问题之一。
当前无线网络中比较常用的调度算法主要有最大载干比(Max C/I，MaximumCarrier to Interference)调度、轮询(RR，Round Robin)调度和比例公平(PF，Proportional fairness)调度。假如节点中有需要发往不同节点、不同业务类型的多条业务报文，那么Max C/I算法下在每个发送时刻能调度当前信道质量最优的业务，此算法可以最大化系统吞吐量，对于信道质量好的业务能及时发送出去，但是不能保证各业务的公平性，对于信道质量差的业务将可能永远得不到调度而出现“饿死”现象；RR调度算法能保证这些业务按照某种确定的顺序循环占用无线资源来进行发送，在一个指定的周期内每条业务的调度次数相同，充分保证了公平性，但是没有考虑到无线信道的具体情况，不能最大化系统的吞吐量；PF调度算法则往往同时考虑业务的调度公平性和优先级等信息，是Max C/I和RR调度算法的折中，结合前述两者考虑的因素通过一定的计算方式得出每个业务的优先级因子，再从高到低进行调度，但是仍没有考虑业务的QoS(Quality of Service，服务质量)信息，无法保证用户的业务感受。由此本发明提供一种适于无线TDMA自组网中MAC层的业务调度方法，以保证节点通信过程中业务资源公平，保证不同类型业务的QoS，提高网络吞吐性能，减小调度时延。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适于无线TDMA自组网中的业务调度方法。
本发明的目的是这样实现的，包括如下步骤：
自组网中每个节点的MAC层内部维护多个业务队列，用于存储不同类型的业务报文，每个业务队列内部按报文优先级从高到低分配排列；
在节点运行过程中，对于MAC层接收或产生的数据或控制信息报文，按业务类型进行分类，再按预设的插入规则加入到对应的业务队列中；
在节点属于自己的发送时隙到来时，则按预设的调度规则从上述业务队列中选取报文进行调度发送；
对剩余待发送的初传数据业务队列中报文重新计算报文优先级，并进行排序，对调度发送成功的报文和达到最大重传次数仍然失败的报文，则从相应队列中删除。
所述的预设的调度规则是根据业务队列的队列优先级进行调度，队列优先级的分配标准是：实时控制信息类的队列比周期性控制信息类的队列优先级高，控制或反馈信息类的队列比流媒体数据类的队列优先级高，流媒体数据类的队列比后台文件传输类的队列优先级更高。
所述的业务队列包括实时控制面信息队列、周期控制面信息队列、ARQ反馈信息队列、重传数据业务队列和初传数据业务队列，队列优先级依次降低。
进一步的，所述的预设的插入规则，步骤如下：
如果是需要实时交互而发送的信息报文，则存储到实时控制面信息队列尾部；
如果是周期性发送的信息报文，则按周期超时由短到长存储到周期控制面信息队列；
如果是对接收数据处理之后需要反馈的ARQ信息报文，则按ARQ结果产生的时间顺序存储到ARQ反馈信息队列尾部；
如果是发送失败后的初传数据报文，则进入到重传数据业务队列，保存到队列尾部；如果是重传仍失败的重传数据报文，则按重传次数高到低依次排列于重传数据业务队列；
如果是待发送初传数据报文，则根据对应数据报文相关节点的信道质量、当前缓存的剩余数据量大小、报文内容类型对应的QoS级别、对应数据业务报文已等待调度的时延来计算每个初传数据报文的报文优先级Pri，然后按报文优先级大小插入到初传数据业务队列中。
进一步的，对于ARQ反馈信息的增加，做以下处理：
如果有新增待加入的ARQ反馈信息，在加入ARQ反馈信息队列之前先搜索该队列，查找队列中是否有发往相同节点的ARQ反馈信息，有则直接进行合并，没有则再存储到ARQ反馈信息队列尾部。
进一步的，通过以下处理获取计算数据业务优先级Pri所需要的各参数：
获取对应数据报文相关节点的信道质量：
本节点跟其他节点进行信息交互时，其他节点接收报文并检测其接收信噪比SNR，进行平滑处理：
SNRnow＝SNRpre×α+SNRrecv×β；
其中SNRpre为前一次计算的SNR值，SNRrecv为本次接收到的SNR值，SNRnow为加权平滑后的SNR值，α和β为加权因子，α+β＝1且α，β>0，如果为第一次接收报文，则SNRnow＝SNRrecv；
节点通过周期性的控制信息报文，相互交换彼此的下行SNR。本节点通过接收其他节点发送过来的周期性控制信息，了解本节点发送给其他节点报文时的下行SNR，然后做归一化处理：
SNRnormal＝(SNR-SNRmin)/(SNRmax-SNRmin)；
如果SNR<SNRmin，则SNR＝SNRmin；
如果SNR>SNRmax，则SNR＝SNRmax；
SNRnormal为归一化后的结果，SNRmin为实际SNR的最小值，SNRmax为实际SNR的最大值。
获取相关节点缓存的剩余数据量：
节点MAC层内部针对发送给不同节点的数据量进行缓存并分别进行记录维护，如果有新加入的发送给某个节点的数据，则对该节点的数据量数值进行累计，如果有发送出去某个节点的数据，则对该节点的数据量数值进行相减。该相关节点缓存的剩余数据量值记为f(BS)；
获取报文内容类型对应的QoS级别：
不同类型的报文内容，实时性及时延要求不同，对应的QoS不同，从而优先级权值γQoS也不同，所述报文内容类型的种类包括勤务话内容报文、VoIP内容报文、缩略视频内容报文、实时短报文内容报文、普通IP数据内容报文、高清视频内容报文和大容量传输数据内容报文，实时性越高及时延越低的报文内容业务，优先级权值γQoS越高，以确保最终的调度优先级也尽可能高。
对应数据业务报文已等待调度的时延长度：
节点MAC层内部针对每一数据报文，均带有一个时间戳，记录其进入MAC层待调度的时间，从该时间点开始到调度排序计算优先级时的时间段确定为“已等待调度的时延长度”，该时间段越长，表明时延f(delay)越大。
在这基础之上，综合计算每一初传数据报文的报文优先级Pri，计算公式为：
Pri＝f(BS)×(1-(1-SNRnormal)3)×γQoS×f(delay)。
进一步的，在节点发送时隙到来时，所述的预设的调度规则是通过以下步骤进行业务选择调度：
按实时控制面信息队列、周期控制面信息队列、ARQ反馈信息队列、重传数据业务队列、初传数据业务队列依次轮询查找其中业务，如果有则从队列中提取业务进行发送，如果没有则跳到下一个队列中进行选取，如果所有队列轮询完毕都没有则本次时隙不发送数据，其中轮询到周期控制面信息时，如果发送周期没有到达，则本次时隙不选择该业务发送，跳到下一个队列进行选取。
进一步的，在发送完一次数据之后，对于初传数据业务队列中报文，按照最新的f(BS)、SNRnormal和f(delay)重新计算优先级并排序。
相比于现有技术，本发明通过在MAC层把不同业务类型的报文存储于不同的业务队列中，在队列中在按报文优先级排序，在调度数据业务时既考虑队列优先级，又考虑报文优先级，同时报文优先级的计算中又综合考虑对应数据报文相关节点的信道质量及其缓存的剩余数据量大小、报文内容类型对应的QoS级别、对应数据业务报文已等待调度的时延长度，这样计算每个初传数据报文的报文优先级，并在每次发送后重新计算，动态调度数据业务。在保证高优先级的控制类信息及时调度出去的同时，也能保证重要性高、时延要求低、业务量大的数据业务优先得到发送，同时低优先级的数据随着时延增大后优先级也会提升，进而为其公平性提供保证；在等待调度的过程中，对发给同一节点的ARQ信息进行合并，进一步减少ARQ的反馈时延，节约无线资源。
附图说明
图1是本发明中业务调度方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中的报文插入队列的流程图；
图3是本发明实施例中的业务队列报文调度优先级示意图；
图4是本发明实施例中针对节点的数据业务结构示意图。
图中：S1～S4-业务调度方法的流程步骤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何方式对本发明加以限制，显然，所描述的实施例为本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的适于无线TDMA自组网的业务调度方法包括如下四个步骤。
S1：自组网中每个节点的MAC层内部维护多个业务队列，用于存储不同类型的业务报文，每个业务队列内部按报文优先级从高到低分配排列。业务报文包括有如下五种：实时控制面信息、周期控制面信息、ARQ反馈信息、重传数据业务、初传数据业务，所述的业务队列包括实时控制面信息队列、周期控制面信息队列、ARQ反馈信息队列、重传数据业务队列和初传数据业务队列，队列优先级依次降低。
在某些实施例中，业务类型不一定仅限于所述的五种，可以根据系统中存在的报文类型进行具体划分，队列优先级总体原则是实时控制信息通常比周期性控制信息优先级高，控制/反馈信息比流媒体数据优先级高，而流媒体数据又比后台文件传输优先级更高。
S2：在节点运行过程中，对于MAC层接收或产生的数据或控制信息，按业务类型进行分类，按优先级插入到对应的业务队列中，流程如图2所示，具体包括步骤为：
如果是需要实时交互而发送的信息报文，则存储到实时控制面信息队列尾部。实时交互的信息报文如时隙资源申请或应答、节点身份验证信息等。
如果是周期性发送的信息报文，则按周期超时由短到长存储到周期控制面信息队列。周期性发送的信息报文如广播信息、路由信息、SNR反馈信息等。
如果是对接收数据处理之后需要反馈的ARQ信息，在加入ARQ反馈信息队列之前先搜索该队列，查找队列中是否有发往相同节点的ARQ反馈信息，有则直接进行合并，没有则按ARQ结果产生的时间顺序存储到ARQ反馈信息队列尾部；
如果是发送失败后的初传数据报文，则进入到重传数据业务队列，保存到队列尾部；如果是重传仍失败的重传数据报文，则按重传次数高到低依次排列；
如果是待发送初传数据业务报文，则根据对应数据报文相关节点的信道质量SNR、当前缓存的剩余数据量大小f(BS)、报文内容类型对应的QoS级别和优先级权值γQoS、对应数据业务报文已等待调度的时延长度f(delay)来计算每个初传数据报文的业务优先级Pri，然后按优先级大小插入到原初传数据业务队列中。对于该类数据的管理结构，内容如图4所示。
对于相关节点的信道质量SNR获取，步骤如下：
本节点跟其他节点进行信息交互时，其他节点接收报文并检测报文的信噪比SNR，并进行平滑处理：
SNRnow＝SNRpre×α+SNRrecv×β；
其中SNRpre为前一次计算的SNR值，SNRrecv为本次接收到的SNR值，SNRnow为加权平滑后的SNR值，α和β为加权因子，α+β＝1且α，β>0，如果为第一次接收报文，则SNRnow＝SNRrecv。本实施例中，所述的α和β分别为0.75和0.25。
节点通过周期性的控制信息报文，相互交换彼此的下行SNR。例如本节点通过接收其他节点发送过来的周期性SNR反馈信息，获取本节点发送给其他节点报文时的下行SNR并更新到对应节点数据管理结构对应SNR位置，在计算Pri之前做归一化处理：
SNRnormal＝(SNR-SNRmin)/(SNRmax-SNRmin)；
如果SNR<SNRmin，则SNR＝SNRmin；
如果SNR>SNRmax，则SNR＝SNRmax；
SNRnormal为归一化后的结果，SNRmin为实际SNR的最小值，SNRmax为实际SNR的最大值，本实施例中SNRmin和SNRmax分别为-16和32。
对于相关节点当前缓存的剩余数据量大小f(BS)获取，步骤如下：节点MAC层内部针对发送给不同节点的数据量进行缓存并分别进行记录维护，如果有新加入的发送给某个节点的数据，则对该节点的数据量数值进行长度累计，如果有发送出去某个节点的数据，则对该节点的数据量数值进行长度相减。该相关节点缓存的剩余数据量值记为f(BS)；
不同类型的报文内容，实时性及时延要求不同，对应的QoS不同，从而优先级权值γQoS也不同，本实施例中所述报文内容类型的种类包括勤务话内容报文、VoIP内容报文、缩略视频内容报文、实时短报文内容报文、普通IP数据内容报文、高清视频内容报文和大容量传输数据内容报文，实时性高及时延低的内容报文，优先级权值γQoS越高，以确保最终的调度优先级也尽可能高。本实施例中对于业务类型对应的QoS级别如下表所示：
在某些实施例中，业务QoS级别划分不一定仅限于上面所描述的种，可以根据系统中存在的内容报文类型进行具体划分。
对于数据业务报文已等待调度的时延，节点MAC层内部针对每一数据报文，均带有一个时间戳，记录其进入MAC层待调度的时间，从该时间点开始到调度排序计算优先级时的时间段确定为“已等待调度的时延长度”，该时间段越长，表明等待时延f(delay)越大。
根据上述参数，计算每一个数据的优先级Pri：
Pri＝f(BS)×(1-(1-SNRnormal)3)×γQoS×f(delay)；
再根据优先级加入到初传数据业务队列。
S3：在节点属于自己的发送时隙到来时，则按预设的调度规则从上述业务队列中选取数据进行调度发送；
本实施例中，如图3所示，所述的预设的调度规则是通过以下步骤进行业务选择调度：按实时控制面信息队列、周期控制面信息队列、ARQ反馈信息队列、重传数据业务队列、初传数据业务队列依次轮询查找其中报文，如果有则从队列中提取报文进行发送，如果没有则跳到下一个队列中进行选取，如果所有队列轮询完毕都没有则本次时隙不发送数据；
轮询到周期控制面信息时，如果发送周期没有到达，则本次时隙不选择该业务发送，跳到下一个队列进行选取。
如果系统设计的控制信息不多，总能保证发送完之后还有机会发送ARQ反馈信息和数据业务，则采用先发送控制信息，再发送ARQ反馈信息和数据业务，以保证系统稳定优先。
S4：对剩余待发送的初传数据业务队列中报文，使用最新的参数信息重新计算优先级Pri，并进行排序；对调度发送成功的业务及达到最大重传次数仍失败的业务，则从相关的业务队列中删除。
综上，本发明提供了一种无线TDMA自组网中的业务调度方法，该业务调度方法综合考虑了不同业务类型的重要性和时延要求，在数据业务的调度中综合考虑了业务相关节点的信道质量、缓存的剩余数据量、报文内容类型对应的QoS级别、对应数据业务已等待调度的时延，来进行动态调度业务，实现具有较高吞吐效率和低时延性的数据发送，保障数据的高质量传播。同时在调度发送之前，对于发送给同一个节点的ARQ进行合并，可以节约无线资源，降低ARQ时延。

Claims (9)

1.一种适于无线TDMA自组网中的业务调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
自组网中每个节点的MAC层内部维护多个业务队列，用于存储不同类型的业务报文，每个业务队列内部按报文优先级从高到低分配排列；
在节点运行过程中，对于MAC层接收或产生的数据或控制信息报文，按业务类型进行分类，再按预设的插入规则加入到对应的业务队列中；
在节点属于自己的发送时隙到来时，则按预设的调度规则从上述业务队列中选取报文进行调度发送；
对剩余待发送的初传数据业务队列中报文重新计算报文优先级，并进行排序，对调度发送成功的报文和达到最大重传次数仍然失败的报文，则从相应队列中删除；
所述的预设的调度规则是根据业务队列的队列优先级进行调度，队列优先级的分配标准是：实时控制信息类的队列比周期性控制信息类的队列优先级高，控制或反馈信息类的队列比流媒体数据类的队列优先级高，流媒体数据类的队列比后台文件传输类的队列优先级更高。
2.根据权利要求1所述的业务调度方法，其特征在于，所述的业务队列包括实时控制面信息队列、周期控制面信息队列、ARQ反馈信息队列、重传数据业务队列和初传数据业务队列，队列优先级依次降低；
所述的预设的插入规则为：
如果是需要实时交互而发送的信息报文，则存储到实时控制面信息队列尾部；
如果是周期性发送的信息报文，则按周期超时由短到长存储到周期控制面信息队列；
如果是对接收数据处理之后需要反馈的ARQ信息报文，则按ARQ结果产生的时间顺序存储到ARQ反馈信息队列尾部；
如果是发送失败后的初传数据报文，则进入到重传数据业务队列，保存到队列尾部；如果是重传仍失败的重传数据报文，则按重传次数高到低依次排列于重传数据业务队列；
如果是待发送初传数据报文，则根据对应数据报文相关节点的信道质量、当前缓存的剩余数据量大小、报文内容类型对应的QoS级别、对应数据业务报文已等待调度的时延来计算每个初传数据报文的报文优先级Pri，然后按报文优先级大小插入到初传数据业务队列中。
3.根据权利要求2所述的业务调度方法，其特征在于，所述的预设的调度规则是通过以下步骤进行业务选择调度：按实时控制面信息队列、周期控制面信息队列、ARQ反馈信息队列、重传数据业务队列、初传数据业务队列依次轮询查找其中报文，如果有则从队列中提取报文进行发送，如果没有则跳到下一个队列中进行选取，如果所有队列轮询完毕都没有则本次时隙不发送数据；
轮询到周期控制面信息时，如果发送周期没有到达，则本次时隙不选择该业务发送，跳到下一个队列进行选取。
4.根据权利要求3所述的业务调度方法，其特征在于，如果是对接收数据处理之后需要反馈的ARQ信息，在加入ARQ反馈信息队列之前先搜索该队列，查找队列中是否有发往相同节点的ARQ反馈信息，有则直接进行合并，没有则再存储到ARQ反馈信息队列尾部。
5.根据权利要求3或4所述的业务调度方法，其特征在于，所述的计算每个初传数据报文的报文优先级Pri包括如下步骤：
获取对应数据报文相关节点的信道质量数据，计算通信信噪比SNRnormal；
获取相关节点缓存的剩余数据量f(BS)；
根据报文内容类型对应的QoS级别，获得优先级权值γQoS：
获取对应数据业务报文已等待调度的时延长度f(delay)；
计算每一初传数据报文的报文优先级Pri，计算公式为：
Pri＝f(BS)×(1-(1-SNRnormal)3)×γQoS×f(delay)。
6.根据权利要求5所述的业务调度方法，其特征在于，所述的通信信噪比SNRnormal的计算包括，先对获取的SNR进行加权平滑，再对平滑后的SNR进行归一化处理，从而获得SNRnormal；
加权平滑的公式为：
SNRnow＝SNRpre×α+SNRrecv×β；
其中SNRpre为前一次计算的SNR值，SNRrecv为本次接收到的SNR值，SNRnow为加权平滑后的SNR值，α和β为加权因子，α+β＝1且α，β>0，如果为第一次接收报文，则SNRnow＝SNRrecv；
对平滑后的SNR进行归一化处理的公式为：
SNRnormal＝(SNR-SNRmin)/(SNRmax-SNRmin)；
如果SNR<SNRmin，则SNR＝SNRmin；
如果SNR>SNRmax，则SNR＝SNRmax；
SNRnormal为归一化后的结果，SNRmin为实际SNR的最小值，SNRmax为实际SNR的最大值。
7.根据权利要求6所述的业务调度方法，其特征在于：在初传数据报文的报文优先级Pri的计算中，MAC层内部对发送给不同节点的缓存数据量大小f(BS)分别进行实时更新统计，如果有新加入的发送给某个节点的数据，则对该节点的数据量数值进行累计，如果有发送出去某个节点的数据，则对该节点的数据量数值进行相减。
8.根据权利要求7所述的业务调度方法，其特征在于：所述报文内容类型的种类包括勤务话内容报文、VoIP内容报文、缩略视频内容报文、实时短报文内容报文、普通IP数据内容报文、高清视频内容报文和大容量传输数据内容报文，其中，报文内容类型和QoS级别、优先级权值γQoS的对应关系为，勤务话内容报文的QoS级别为1，优先级权值γQoS为7，VoIP内容报文的QoS级别为2，优先级权值γQoS为6，缩略视频内容报文的QoS级别为3，优先级权值γQoS为5，实时短报文内容报文的QoS级别为4，优先级权值γQoS为4，普通IP数据内容报文的QoS级别为5，优先级权值γQoS为3，高清视频内容报文的QoS级别为6，优先级权值γQoS为2，大容量传输数据内容报文的QoS级别为7，优先级权值γQoS为1。
9.根据权利要求5或8所述的业务调度方法，其特征在于：所述的获得对应数据业务报文已等待调度的时延长度f(delay)的步骤为：节点MAC层内部针对所述的数据业务报文，均带有一个时间戳，记录其进入MAC层待调度的时间，从该时间点开始到调度排序计算报文优先级时的时间段，用以确定已等待调度的时延长度。
CN201910278654.3A 2019-04-09 2019-04-09 一种适于无线tdma自组网的业务调度方法 Active CN109962760B (zh)

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