CN110225593A - 一种分布式tdma协议中的随机数闲置时隙竞争方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式TDMA协议中的随机数闲置时隙竞争方法，涉及通信技术领域，解决自组网中分布式TDMA协议信道利用率较低的问题,该方法以分布式TDMA为基础，通过分布式方法让每个节点固定占用一个时隙，以满足基本业务需求。对于有多个数据包需要传输的节点，产生一个随机数并与其他节点交互，获得一个节点排名，当有节点不使用其占用的时隙时，这些节点将根据节点排名按顺序使用该闲置时隙。本发明以较少的开销减少了TDMA网络中的时隙浪费，提高了信道利用率，通过引入随机数竞争机制，进一步提高了信道利用率。

Description

一种分布式TDMA协议中的随机数闲置时隙竞争方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种分布式TDMA协议中的随机数闲置时隙竞争方法。

背景技术

移动自组网是一种动态的、无中心的通信网络。移动自组网部署简单，不存在单点失败问题，适合应用于战场、应急通信等场景，近年来受到越来越多的关注。

介质访问控制（Medium Access Control，MAC）协议负责信道资源的分配，控制节点对信道的使用，对移动自组网的网络性能起着重要作用。一般将MAC协议分为预留类与竞争类两种。预留类协议从时间、空间、频率等资源将信道划分为多个相互正交的子信道，并按照一定的规则将这些子信道分配给用户使用。竞争类协议无需资源的划分，用户按照一定的规则争用信道。对于车联网、航空自组网等移动自组网的具体应用场景而言，节点间需实时交互位置、速度等信息，避免碰撞，这需要MAC层能提供较低的传输时延。竞争类协议存在接入时延不可控的问题，因此一般采用TDMA来保证时延。

移动自组网中的TDMA一般采用分布式的方式进行时隙分配。节点间通过相互协商的方式进行时隙分配，无需中心节点的参与。节点将一直使用所分配到的时隙直到发生冲突或离开网络，典型的协议代表有ADHOC MAC，VeMAC等。此类协议存在着信道利用率低的问题，当节点没有数据要传输时，分配给它的时隙将被闲置，无法被有传输需求的节点使用，这无疑是对通信资源的浪费。为了提高信道利用率，可以在TDMA基础之上引入竞争机制，当节点不使用分配给它的时隙时，其他节点通过竞争的方式来争用该时隙，典型的代表有Z-MAC，LA-MAC等。这些协议在TDMA的基础上引入了CSMA机制，每个时隙开始时，想要竞争闲置时隙的节点首先监听信道一段时间，若发现信道空闲，则表明时隙所属节点不使用该时隙。竞争节点随后以随机退避的方式对信道进行竞争。上述方法在一定程度上提高了信道利用率，但是仍存在着不足。首先，这些方法需要在每个时隙引入额外的时间开销进行随机退避以竞争信道。此外，CSMA仍存在着多个节点同时使用信道的可能，这会使得节点间的信号因冲突而无法被正确接收，使得时隙仍被浪费。这些问题限制了信道利用率的进一步提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所解决的问题是自组网中分布式TDMA协议信道利用率较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种分布式TDMA协议中的随机数闲置时隙竞争方法，包括如下步骤：

(1)新节点接收已入网节点发送的控制消息，获知网络时隙占用情况，建立时隙状态表，并随机选择一个空闲时隙作为候选时隙,具体过程如下：

已入网节点在所占用的主时隙到来时，发送一个控制消息，消息中携带自己的时隙状态表，该表记录了自身及邻居节点的时隙占用情况，新节点通过接收邻居节点发送的控制消息，获得邻居节点的时隙状态表，从而得到网络内节点对时隙的占用情况，随机选择一个未被其他节点占用的空闲时隙作为候选时隙。

(2)候选时隙首次到来时，新节点发送占用申请，等待邻居节点的确定,具体过程如下：

候选时隙首次到来时，新节点发送一个控制消息向邻居节点申请占用该时隙；若只有一个新节点发出占用申请，邻居节点可以正确接收控制消息并更新自身的时隙状态表，加入新节点的信息；若同时有多个新节点发出占用申请，将会产生冲突，邻居节点无法正确接收控制消息，不能将新节点加入时隙状态表；新节点根据随后接收到的邻居节点的时隙状态表中，是否有自己的信息，获知邻居节点是否确认此申请。

(3)候选时隙再次到来时，若全部邻居节点均已确认该申请，则节点把备选时隙标记为主时隙；否则重新随机选择一个空闲时隙作为候选时隙，回到步骤（2）,具体过程如下：

候选时隙再次到来时，若所有邻居节点均确认申请，表明该时隙没有被其他新节点申请，节点使用该时隙不会产生冲突，把该时隙标记为主时隙；否则重新随机选择一个时隙作为候选时隙，回到步骤（2）。

(4)主时隙到来时，队列中如果有多个数据包等待发送，节点把控制消息的随机数字段设为 [0，MAX]之间的一个随机整数并发送；否则将控制消息的随机数字段设为-1并发送,具体过程如下：

节点主时隙到来时，首先检测数据包队列，若有不少于2个的数据包等待发送，节点将参与竞争，生成一个范围在[0，MAX]之间的随机整数加入到控制消息的随机数字段发送；若节点有1个数据包待发送，在主时隙的数据段发送即可；当数据包队列长度小于2时，节点无需参与竞争，把随机数字段设为-1。

(5)在新一帧开始时，参与竞争的节点将所有参与竞争节点的随机数进行排序，得到自身的排名,具体过程如下：

在新一帧开始时，参与竞争的节点对所有参与竞争节点的随机数按照从小到大的顺序进行排序即若有多个节点的随机数相同，按照ID从小到大排序，获得自身的排名，并将当前帧的闲置时隙计数置零。

(6)每个时隙开始时，若占用该时隙的节点将本时隙声明为闲置时隙，则参与竞争的节点判断当前时隙是第几个闲置时隙，并由相应排名的节点使用,具体过程如下：

每个时隙开始时，占用该时隙的节点数据包队列如果为空，则在发送的控制消息中把当前时隙声明为闲置时隙，允许其他节点使用时隙的数据段；其他节点收到将当前时隙声明为闲置时隙的控制消息后，将闲置时隙计数加1，并由对应排名的节点在该时隙的数据段中发送数据。

与现有技术相比，本发明以较少的开销减少了TDMA网络中的时隙浪费，提高了信道利用率，通过引入随机数竞争机制，进一步提高了信道利用率。

附图说明

图1为本发明中的TDMA帧结构；

图2为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

本发明是一种预留与竞争相结合的自组网接入控制方式，在分布式TDMA的基础上引入随机数竞争机制，进一步提高信道利用率。

图1示出了本发明的帧结构。一帧被划分为N个等长时隙，每个时隙分为控制段和数据段两部分。当节点所占用的时隙到来时，无论是否有数据包要传输，均要在控制段发送一个控制消息。控制消息包含源ID，目的ID，时隙状态表，随机数四个部分。

本发明是对分布式TDMA的改进，在分布式TDMA中，相邻节点通过控制消息的交互，对时隙进行占用。新节点首先监听信道一帧长的时间，接收已入网节点发送的控制消息。节点根据控制消息中的时隙状态表来更新本地时隙状态表。时隙状态表中记录了每个时隙的状态，已被其他节点占用的时隙标记为被占用，剩余的时隙标记为空闲。新节点在监听一帧长的时间后，接收到所有已入网邻居节点的控制消息，完成时隙状态表的构建。接下来，新节点随机选择一个空闲时隙作为候选时隙。候选时隙到来时，节点发送控制消息，向邻居节点申请占用该时隙。若没有另外的新节点同时声明占用，就不会有信号的冲突，其他节点可以成功接收到新节点的控制消息，并在自身的时隙状态表中加入新节点的信息。随后新节点将继续接收邻居节点的控制消息，如果邻居节点的时隙状态表中有新节点的信息，则表明邻居节点确认了该申请。候选时隙再次到来时，若所有邻居节点均确认了主时隙申请，则新节点将候选时隙标记为主时隙，结束占用申请；否则需要重新随机选择一个新的候选时隙，再次进行占用申请。

图2示出了本发明的流程。主时隙到来时，节点检测数据包队列，若有两个及以上的数据包要发送，则参与闲置时隙竞争，将控制消息的随机数字段设为[0,MAX]之间的一个随机数；有一个数据包要发送，直接在当前时隙的数据段发送即可，无需竞争闲置时隙，因此待发送数据包数小于两个时，无需竞争闲置时隙，将随机数字段设为-1。在设置好随机数后发送控制消息。节点在接收其他节点的控制消息后，读取控制消息的随机数字段，若不为-1则把该数字及源节点ID存入本地的随机数列表中。在新一帧开始时，将闲置时隙计数置零。同时，参与闲置时隙竞争的节点对随机数列表中的数字从小到大排序（对相同的随机数按照ID从小到大排序），并获得自己的排名，并在本帧中按照该顺序来使用闲置时隙。

每个时隙到来时，占有该时隙的节点首先在控制段发送一个控制消息。若节点要使用数据段传输数据包，将在数据包目的节点的ID填入控制消息的目的ID字段。没有数据包传输则把将该字段设为-1。参与竞争的节点收到控制消息后，根据目的ID字段的值判断当前时隙是否是闲置时隙，是闲置时隙则将闲置时隙计数加1，并由对应排名的节点使用。

与现有技术相比，本发明以较少的开销减少了TDMA网络中的时隙浪费，提高了信道利用率，通过引入随机数竞争机制，进一步提高了信道利用率。

以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种分布式TDMA协议中的随机数闲置时隙竞争方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)新节点接收已入网节点发送的控制消息，获知网络时隙占用情况，建立时隙状态表，并随机选择一个空闲时隙作为候选时隙；

(2)候选时隙首次到来时，新节点发送占用申请，等待邻居节点的确定；

(3)候选时隙再次到来时，若全部邻居节点均已确认该申请，则节点把备选时隙标记为主时隙；否则重新随机选择一个空闲时隙作为候选时隙，回到步骤（2）；

(4)主时隙到来时，队列中如果有多个数据包等待发送，节点把控制消息的随机数字段设为 [0，MAX]之间的一个随机整数并发送；否则将控制消息的随机数字段设为-1并发送；

(5)在新一帧开始时，参与竞争的节点将所有参与竞争节点的随机数进行排序，得到自身的排名；

(6)每个时隙开始时，若占用该时隙的节点将本时隙声明为闲置时隙，则参与竞争的节点判断当前时隙是第几个闲置时隙，并由相应排名的节点使用。

2.根据权利要求1所述的分布式TDMA协议中的随机数闲置时隙竞争方法，其特征在于，步骤（1）具体过程如下：

已入网节点在所占用的主时隙到来时，发送一个控制消息，消息中携带自己的时隙状态表，该表记录了自身及邻居节点的时隙占用情况，新节点通过接收邻居节点发送的控制消息，获得邻居节点的时隙状态表，从而得到网络内节点对时隙的占用情况，随机选择一个未被其他节点占用的空闲时隙作为候选时隙。

3.根据权利要求1所述的分布式TDMA协议中的随机数闲置时隙竞争方法，其特征在于，步骤（2）具体过程如下：

候选时隙首次到来时，新节点发送一个控制消息向邻居节点申请占用该时隙；若只有一个新节点发出占用申请，邻居节点可以正确接收控制消息并更新自身的时隙状态表，加入新节点的信息；若同时有多个新节点发出占用申请，将会产生冲突，邻居节点无法正确接收控制消息，不能将新节点加入时隙状态表；新节点根据随后接收到的邻居节点的时隙状态表中，是否有自己的信息，获知邻居节点是否确认此申请。

4.根据权利要求1所述的分布式TDMA协议中的随机数闲置时隙竞争方法，其特征在于，步骤（3）具体过程如下：

候选时隙再次到来时，若所有邻居节点均确认申请，表明该时隙没有被其他新节点申请，节点使用该时隙不会产生冲突，把该时隙标记为主时隙；否则重新随机选择一个时隙作为候选时隙，回到步骤（2）。

5.根据权利要求1所述的分布式TDMA协议中的随机数闲置时隙竞争方法，其特征在于，步骤（4）具体过程如下：

节点主时隙到来时，首先检测数据包队列，若有不少于2个的数据包等待发送，节点将参与竞争，生成一个范围在[0，MAX]之间的随机整数加入到控制消息的随机数字段发送；若节点有1个数据包待发送，在主时隙的数据段发送即可；当数据包队列长度小于2时，节点无需参与竞争，把随机数字段设为-1。

6.根据权利要求1所述的分布式TDMA协议中的随机数闲置时隙竞争方法，其特征在于，步骤（5）具体过程如下：

在新一帧开始时，参与竞争的节点对所有参与竞争节点的随机数按照从小到大的顺序进行排序即若有多个节点的随机数相同，按照ID从小到大排序，获得自身的排名，并将当前帧的闲置时隙计数置零。

7.根据权利要求1所述的分布式TDMA协议中的随机数闲置时隙竞争方法，其特征在于，步骤（6）具体过程如下：

每个时隙开始时，占用该时隙的节点数据包队列如果为空，则在发送的控制消息中把当前时隙声明为闲置时隙，允许其他节点使用时隙的数据段；其他节点收到将当前时隙声明为闲置时隙的控制消息后，将闲置时隙计数加1，并由对应排名的节点在该时隙的数据段中发送数据。