CN110809324B - 基于分布式tdma的mac传输方法以及无线自组织网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分布式TDMA的MAC传输方法，面向多业务无线自组网的支持时敏应用多跳传输，包括MAC层时帧，MAC层时帧的单个时帧帧结构包括依次设置的：RTS子帧、CTS子帧、路由信息子帧以及业务信息子帧，所述RTS子帧与CTS子帧之间、CTS子帧与路由信息子帧之间以及业务信息子帧之后设置Blank保护间隔。同时提供了一种基于上述协议实现的无线自组织网络系统。本发明能兼容多种优先级业务在网络中协同传输，资源配置灵活、时隙资源利用率高，并可以尽可能减小高动态无线自组网中隐藏终端出现的概率。该发明对于多跳时敏应用传输任务具有能够快速响应，并在满足时敏应用时延约束的条件下进行快速传输的优点。

Description

基于分布式TDMA的MAC传输方法以及无线自组织网络系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体地，涉及一种基于分布式TDMA的MAC传输方法以及多业务无线自组网络系统。该MAC传输方法用于无线自组网多优先级业务协同传输，并可支持时敏业务的多跳传输。

背景技术

如今无人机群被广泛用于大型建筑物(如桥梁、大厦)的质量检查、灾害评估、抢险救灾。随着作业的复杂化，无人机群对通信的要求与依赖程度也越来越高，从低速率的数据传输发展到现在新提出的进行多跳实时视频的传输。无线自组织网络(Mobile Ad hocNetwork，MANET)因其不需要地面基础设施的支持、用户终端之间可以自行组网的特点被用于缺乏地面设施、移动性较强的无人机群通信场景。

无线自组网在带来低成本、随时随地易组网优点的同时，同样存在着网络动态性导致的链路不可靠、隐藏终端导致的系统容量低的问题。MAC(media access control，介质访问控制)层接入协议对减小无线组织网弊端对通信的影响起着至关重要的作用。分布式无线自组网的MAC协议可以大致分成两类：基于竞争的协议和基于预约的协议。CSMA是典型的基于竞争的MAC协议。在CSMA协议下，各节点无需知道网络其他节点的忙闲状态与网络拓扑信息，只要监听到信道空闲即竞争发送业务。TDMA是典型的基于预约的协议。在TDMA协议下，连续的时间被划分成若干时隙，在发送之前需要进行节点间的协调与时隙预约。在成功预约的时隙内节点才能进行业务的发送。在网络重负载下，基于预约的MAC协议往往比基于竞争的协议具有更高的网络容量与可靠性。

如今无线自组网内通常存在着不同优先级、不同流量模型的业务，例如普通数据业务与视频业务。不同种业务往往对带宽大小、QoS指标等有着不同的要求因而其理想的接入方式也各不相同。从资源角度看，TDMA协议中的时隙预约机制对应着网络资源的分配。无线自组网是一个资源受限网络，应设计一种时隙预约机制使得各类业务都能抢占到其所需的资源；从网络拓扑的动态性来看，应设计一种时隙预约机制减小由节点移动性造成的隐藏终端问题发生的概率；从网络业务的动态性来看，在缺乏中心控制节点的情况下，应设计一种机制使全网的接入适应新业务的加入或退出。

TDMA的传输是以长度固定或可变的帧为一个传输周期的。单个帧一般可分为时隙预约阶段与数据传输节点，因此帧存在着固定的信令开销。实时视频业务是时敏业务，接收端若想看到流畅的画面，视频业务包存在着严格的端到端时延约束。而在TDMA中的开销往往对于视频时延保证是瓶颈般的问题。综上所述，对于普通数据业务和视频业务并存在无线自组网传输场景，需要设计一种新型的MAC协议不但满足不同业务对QoS的指标，而且能够减小由业务及网络动态性引起的隐藏终端问题的影响。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种面向多业务无线自组网的支持时敏应用多跳传输的基于分布式TDMA的MAC传输方法，并基于该MAC传输方法提供了一种无线自组织网络系统。所述基于分布式TDMA的MAC传输方法是在不破坏低优先级业务传输功能下，使网络支持多跳单路时敏业务的传输。其中设计的帧结构可以最大程度上降低隐藏终端的影响、提高时隙资源的利用效率，同时网络对于突发产生的时敏业务可以在尽可能低的时延下进行响应，并进行快速传输。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于分布式TDMA的MAC传输方法，用于多优先级业务协同传输并支持时敏业务的多跳传输，包括MAC层时帧，所述MAC层时帧的单个时帧帧结构包括依次设置的：RTS子帧、CTS子帧、路由信息子帧以及业务信息子帧。为了给硬件的收发切换预留时间，本发明中分别在RTS子帧与CTS子帧之间、CTS子帧与路由信息子帧之间以及业务信息子帧之后设置保护间隔。

其中：

所述RTS子帧和CTS子帧：用于节点间业务发送情况的声明。声明信息作为节点进行时隙预约的依据。

所述路由信息子帧：用于维持全网路由信息的更新，进而适应自组网的动态性。这一部分作为本发明的必备功能而不属于专门设计的部分。

所述业务信息子帧：用于传输多种优先级的业务。

优选地，当自组网中有N个节点时，所述RTS子帧、CTS子帧及路由信息子帧均由长度为t₁的N个时隙组成；所述业务信息子帧由长度为t₂(t₁＜t₂)的N个时隙组成。时隙长度t₁和t₂的选择主要与物理层性能、数据包大小及网络传输带宽有关；网络中第n个节点对应第n个时隙，节点按照节点序号依次向邻居广播信令信息，其中，1≤n≤N。

优选地，所述RTS子帧、CTS子帧和路由信息子帧中每一个节点所分配的时隙是固定的，所述业务信息子帧中每一个节点所分配的时隙通过RTS子帧和CTS子帧的交互实现时隙的空间动态复用。

优选地，所述业务信息子帧中，假设物理层最小的时间颗粒度为t_s，业务信息子帧中的每一个长度为t₂的时隙划分为如下四部分：

-最高优先级指令的专用指令时隙占用t_s；

-发送时间敏感业务信令的时敏应用专用信令时隙占用t_s；

-发送忙音的忙音专用时隙占用t_s；

-多优先级业务共享业务传输阶段占用t₂-3t_s。

优选地，在所述业务信息子帧一个时隙的传输过程中，用于发送最高优先级指令的专用指令时隙不能被竞争，剩下的t₂-t_s部分按照如下规则完成传输任务：

-如果是时敏应用的发送节点，首先节点在长度为t_s的时敏应用专用信令时隙中先发送一串预先设定好可被接收节点能量检测出的忙音信号，接着等待t_s，最后在长度为t₂-3t_s的共享业务传输阶段发送时敏业务数据包。

-如果是时敏应用的接收节点，则节点会在时敏应用专用信令时隙检测到有效忙音信号，因而将占用忙音专用时隙发送忙音信号。该忙音信号用于禁止本节点所有一跳邻居节点在该时隙的任何发包操作，以此来避免隐藏终端问题。

-如果是最低优先级业务的发送节点，则先进行侦听：如果节点在时敏应用专用信令时隙或忙音专用时隙期间检测到了有效的忙音信号，节点在该时隙不进行任何发包操作，节点上业务继续排队等待；如果没有检测到有效的忙音信号，则该节点在共享业务传输阶段根据RTS子帧和CTS子帧的时隙分配结果进行最低优先级业务的发送。

-如果是最低优先级业务的接收节点，则正常接收。

优选地，时敏业务对业务信息子帧内的时隙抢占规则将遵循直接抢占的方式进行，即不受RTS子帧、CTS子帧是否分配时隙的规则制约。待时隙抢占完成后，所述业务信息子帧采用如下方式对时隙进行征用：

-如果发送时敏业务，设时敏业务的最大支持跳数为m跳，则依次占用连续的m个时隙来发送1～m跳时敏业务，即第1个时隙源节点根据路由向第1跳节点数据包，第2个时隙将第一跳的数据包中继向第2跳节点，以此类推。如果已经到达业务子帧的末尾，则自动顺延到下一个时帧的业务信息子帧。对于时敏业务源节点，则在时敏业务产生的下一个时隙的头部开始发送，接着停止发包操作并等待m个时隙后再占用一个时隙发送，不断循环；对于时敏业务转发节点，则在接收到时敏业务的下一个时隙直接进行转发。如果目的节点与源节点之间为k跳且k＜m，仍按上述规则连续占用k个时隙进行发包，但实际只使用m个时隙中的前k个时隙。

-如果发送最低优先级业务，通过RTS子帧和CTS子帧时隙协调分配的结果在共享业务阶段进行业务传输。

根据本发明的另一个方面，提供了一种无线自组织网络系统，包括多个用户终端，其特征在于，所述多个用户终端之间采用上述任一项所述的基于分布式TDMA的MAC传输方法实现网络通信。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、融合了基于时隙预约与时隙竞争两种时隙分配方式，支持多优先级业务在无线自组网中协同传输，对高优先级业务的传输响应迅速；

2、资源管控灵活、时隙资源的利用率高，支持针对不同QoS业务的不同时隙分配模式的切换；

3、在分布式TDMA缺乏中心控制节点的场景下，创新地提出了保证时敏业务多跳传输QoS指标的传输方法；

4、在多跳网络规模下，使用时隙的空间复用来大幅度提高无线自组网的吞吐量并减小平均网络时延。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实例所提供的基于分布式TDMA的MAC传输方法的MAC层时帧结构示意图；

图2为本发明一实例所提供的基于分布式TDMA的MAC传输方法的单个数据时隙划分规则示意图；

图3为本发明一实例所提供的基于分布式TDMA的MAC传输方法的四跳视频时隙分配规则示意图；

图4为本发明一实例所提供的基于分布式TDMA的MAC的单个TDMA时帧的传输流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种基于分布式TDMA的MAC传输方法，包括：MAC层时帧，所述MAC层时帧的单个时帧帧结构包括依次设置的：RTS子帧、CTS子帧、路由信息子帧以及业务信息子帧。在RTS子帧与CTS子帧之间、CTS子帧与路由信息子帧之间以及业务信息子帧之后分别设置Blank保护间隔。

假设网络中存在N＝30个节点，一共存在指令业务、实时视频业务、普通语音数据业务三种业务。视频业务的清晰度为高清摄像头常用的CIF格式，网络传输带宽为4Mbps。假设t₁＝t_s＝0.5ms,t₂＝9ms，0.5ms的时隙长度(即单个专用指令时隙)可以支持单跳指令业务传输，

其中：

所述RTS子帧和CTS子帧：用于节点间业务发送情况的声明。声明信息作为节点进行时隙预约的依据。

所述路由信息子帧：为了适应自组网的动态性，用来维持全网路由信息的更新。这一部分作为本发明的必备功能而不属于专门设计的部分。

所述业务信息子帧：用于传输多种优先级的业务，在该子帧中每一个时隙的长度为9ms。

进一步地，

本发明实施例所提供的MAC层时帧的单个时帧帧结构如图1所示，单个时帧由RTS子帧、CTS子帧、路由信息子帧、业务信息子帧与保护间隔组成，上述每一个子帧均可等分成30个时隙。RTS子帧与CTS子帧之间、CTS子帧与路由信息子帧之间的保护间隔为1.5ms，业务信息子帧之后的保护间隔为2ms。

RTS子帧和CTS子帧：用于节点间业务发送情况的声明。声明信息作为节点进行时隙预约的依据。网络中第n个节点对应第n个时隙，节点按照节点序号依次向邻居广播信令信息，其中，1≤n≤30。

路由信息子帧：为了适应自组网的动态性，用来维持全网路由信息的更新。

业务信息子帧：用于传输最低优先级的普通语音数据业务、次高优先级的时敏实时视频业务和最高优先级的指令业务。

为满足实时视频业务相较于普通语音数据业务对带宽的极高要求，在基于时隙预约协议的业务信息子帧中引入时隙的随机抢占机制。在业务信息子帧中，每一个9ms的时隙将按图2进行划分。

在传输普通语音业务的基础上兼容突发实时视频业务传输的基本思想是：

多种优先级业务对同一时隙资源进行复用，在资源受限的自组网中不为高优先级业务预留专用的时隙资源。RTS、CTS子帧首先为低优先级业务传输预约时隙。网络内若无高优先级业务，业务传输时隙将按照RTS、CTS协调的结果被低优先级业务使用；若存在高优先级业务，业务传输时隙将被高优先级业务直接抢占，时隙最终被哪种业务占用是通过高优先级业务的信令来确定。在业务信息子帧的每一个时隙中会预留出一段固定的时间间隔作为高优先级业务信令的发送时间。高优先级信令的目的是使接收到信令的节点强制停止发包操作(即使经RTS、CTS协商后已分配了时隙)，以此来避免因高优先级业务的出现而产生的隐藏终端问题。为了满足时敏业务传输的数据包时延约束，业务产生节点将采用存储转发的方式进行传输，即在多跳场景下，业务产生节点确保把预先设定好数量的一组业务包传输到目的节点后再进行下一轮的传输。

基于前述方案的传输过程是实现视频与普通数据业务协同传输的核心，主要包括了RTS子帧的声明过程、CTS子帧的应答过程、利用RTS、CTS协调结果来分配时隙的策略过程和业务信息子帧的传输过程。本发明的实现步骤如下：

(a)声明过程

如果某节点需要发送数据，则在声明子帧中的固定分配时隙发送一个RTS分组。在非本节点的分配时隙中该节点均处于侦听状态。由于所有节点都只在自己的固定分配时隙发送RTS分组，因此RTS分组之间不会发生冲突。RTS分组数据包的信息中包括该节点的节点号与节点业务情况，另外，若该节点业务量较大或者业务优先级高，还需将RTS分组数据包中的标志位置“1”。经过声明过程从时隙l到时隙30的第一轮侦听，各节点都可以知道在本节点的一跳范围内有哪些活跃节点以及竞争节点。

(b)应答过程

在应答子帧中，所有在声明阶段收到RTS分组的节点把获得的节点信息综合后封装进一个CTS分组，然后各节点在应答子帧中的固定分配时隙发送CTS分组，节点不发送CTS分组时都处于侦听状态。在对应答子帧的各时隙进行了第二轮侦听之后，各节点综合从RTS和CTS分组获得的信息，就可以得到本节点的两跳节点内所有活跃节点和竞争节点的信息。

(c)策略过程

若某节点是活跃节点，则在应答阶段过后，它首先可以在该帧的主时隙发送数据。对于其中的竞争节点，除了主时隙以外，将设法竞争更多的时隙。在声明阶段和应答阶段接收的信息使它获得了活跃节点和其他竞争节点的信息以及可竞争时隙。网络中每个节点都预先保存一张相同的优先级表，优先级表在当前无线自组织网络里面，根据节点的优先级以及业务的优先级综合得到。竞争过程就是对优先级表的查找过程。对于每个可竞争时隙，节点将自己的优先级与其他竞争节点的优先级相比较，若发现自己的优先级最高，则可占用该时隙。

(d)传输过程

各活跃节点在各自的时隙，占用共享数据业务的7.5ms发送数据，在其他时刻则处于接收状态。

对于传输过程中每一个9ms的时隙，其时隙划分如图2所示。第一个0.5ms专门预留给最高优先级的指令业务，即专用指令时隙。专用指令时隙不能被竞争，按照节点号分配给对应的节点。剩余的8.5ms按照如下规则进行：

1.如果是实时视频业务的发送节点，则在时敏应用专用信令时隙先发送忙音，等待0.5ms后在7.5ms共享业务传输阶段继续发送视频包。

2.如果是实时视频业务的接收节点，则在时敏应用专用信令时隙阶段识别出有效忙音后，在接下来的忙音专用时隙中发送一个忙音信号，用于禁止本节点内除发送节点外的所有一跳节点的发包动作，以避免隐藏终端问题。

3.如果是普通语音数据业务的发送节点，则先进行侦听：如果其在时敏应用专用信令时隙或忙音专用时隙收到了视频业务包，则证明它是实时视频的接收节点或转发节点，或是实时视频业务接收节点或转发节点的一跳邻居，此时该节点在该时隙不发送普通语音数据业务，普通语音数据业务继续排队等待；如果没有收到忙音信号，则证明该节点可以占用该时隙发送普通语音数据业务，因此该节点将占用共享业务传输阶段根据RTS、CTS时隙分配的结果发送数据包。

4.如果是普通语音数据业务的接收节点，节点则正常接收。

以上介绍了业务信息子帧每一个9ms时隙的操作流程。而在整个业务信息子帧，按照如下规则进行时隙征用：

(1)如果发送实时视频业务，为了保障低时延，依次占用连续的4个时隙来发送1～4跳视频业务。如果已经到达业务子帧的末尾，则自动顺延到下一个时帧的业务子帧。由于是1～4跳连续占用时隙，不需要进行任何预约。对于视频业务源节点，则在视频业务产生的下一个时隙的头部开始发送，然后间隔4个时隙后再占用一个时隙发送，不断循环；对于实时视频业务转发节点，则在接收到实时视频业务的下一个时隙直接进行转发。如果目的节点与源节点之间跳数为k

(k＜4)，则实际使用4个时隙中的前k个时隙，剩下的4-k个时隙将被浪费。

视频业务的时隙分配规则如图3所示。

(2)如果发送普通语音数据业务，通过RTS/CTS子帧部分预约分配的时隙进行普通语音数据业务的传输。

综上所述，一个时帧的传输过程如图4所示。

基于本发明上述实施例所提供的基于分布式TDMA的MAC传输方法，本发明实施例还提供了一种无线自组织网络系统，包括多个用户终端，所述多个用户终端之间采用上述任一项所述的基于分布式TDMA的MAC传输方法实现网络通信。

本发明上述实施例所提供的用于多业务无线自组网支持时敏业务多跳传输的基于分布式TDMA的MAC传输方法，主要是针对于分布式TDMA协议支持普通数据业务与视频业务协同传输所进行的协议设计。协议包括：单个时帧由RTS子帧、CTS子帧、路由信息子帧、业务信息子帧四部分构成，业务信息子帧中的单个时隙由各优先级业务的信令信道与共享数据传输两部分组成；在传输视频业务时采用存储转发的方式进行，同时提供了基于忙音的时间敏感应用隐藏终端的解决方法以及基于分布式TDMA的时间敏感应用的业务竞争机制与传输方法。本发明上述实施例同时提供了一种采用上述基于分布式TDMA的MAC传输方法实现网络通信的无线自组织网络系统。本发明能兼容多种优先级业务在网络中协同传输，资源配置灵活、时隙资源利用率高，并可以尽可能减小高动态无线自组网中隐藏终端出现的概率。该发明对于时敏应用传输任务能够快速响应，并在满足时敏应用时延约束的条件下快速传输。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于分布式TDMA的MAC传输方法，其特征在于，用于多优先级业务协同传输且支持时敏业务多跳传输，包括MAC层时帧，所述MAC层时帧的单个时帧帧结构包括依次设置的：RTS子帧、CTS子帧、路由信息子帧以及业务信息子帧，RTS子帧与CTS子帧之间、CTS子帧与路由信息子帧之间以及业务信息子帧之后分别设置Blank保护间隔；

其中：

所述RTS子帧和CTS子帧：用于节点间业务发送情况的声明，声明信息作为节点进行时隙预约的依据；

所述路由信息子帧：用于维持全网路由信息的更新，进而适应自组网的动态性；

所述业务信息子帧：用于传输不同优先级的业务；

其中：

时敏业务对业务信息子帧内的时隙抢占规则将遵循直接抢占的方式进行，即不受RTS子帧和CTS子帧是否分配时隙的规则制约；待时隙抢占完成后，所述业务信息子帧采用如下方式对时隙进行征用：

-如果发送时敏业务，设时敏业务的最大支持跳数为m跳，则依次占用连续的m个时隙来发送1～m跳时敏业务，即第1个时隙源节点根据路由向第1跳节点发送数据包，第2个时隙将第1跳节点的数据包中继向第2跳节点，以此类推；如果已经到达业务信息子帧的末尾，则自动顺延到下一个时帧的业务信息子帧；对于时敏业务源节点，则在时敏业务产生的下一个时隙的头部开始发送，接着停止发包操作并等待m个时隙后再占用一个时隙发送，不断循环；对于时敏业务转发节点，则在接收到时敏业务的下一个时隙直接进行转发；如果目的节点与源节点之间为k跳且k＜m，仍按上述规则连续占用k个时隙进行发包，但实际只使用m个时隙中的前k个时隙；

-如果发送最低优先级业务，通过RTS子帧和CTS子帧时隙协调分配的结果在共享业务阶段进行业务传输。

2.根据权利要求1所述的基于分布式TDMA的MAC传输方法，其特征在于：当自组网中有N个节点时，所述RTS子帧、CTS子帧以及路由信息子帧均由长度为t₁的N个时隙组成；所述业务信息子帧由长度为t₂的N个时隙组成，其中，t₁＜t₂；自组网中第n个节点对应第n个时隙，节点按照节点序号依次向邻居广播信令信息；其中，1≤n≤N。

3.根据权利要求1所述的基于分布式TDMA的MAC传输方法，其特征在于，所述RTS子帧、CTS子帧和路由信息子帧中每一个节点所分配的时隙均是固定的，所述业务信息子帧中每一个节点所分配的时隙通过RTS子帧和CTS子帧的交互实现时隙的空间动态复用。

4.根据权利要求2所述的基于分布式TDMA的MAC传输方法，其特征在于，设物理层最小的时间颗粒度为t_s，业务信息子帧中的每一个长度为t₂的时隙划分为如下四部分：

-最高优先级指令的专用指令时隙占用t_s；

-发送时间敏感业务信令的时敏应用专用信令时隙占用t_s；

-发送忙音的忙音专用时隙占用t_s；

-多优先级业务共享业务传输阶段占用t₂-3t_s。

5.根据权利要求4所述的基于分布式TDMA的MAC传输方法，其特征在于，在所述业务信息子帧一个时隙的传输过程中，用于发送最高优先级指令的专用指令时隙不能被竞争，剩下的t₂-t_s按照如下规则完成传输任务：

-如果是时敏应用的发送节点，首先节点在长度为t_s的时敏应用专用信令时隙中先发送一串预先设定好可被接收节点能量检测出的忙音信号，接着等待t_s，最后在长度为t₂-3t_s的共享业务传输阶段发送时敏业务数据包；

-如果是时敏应用的接收节点，则节点会在时敏应用专用信令时隙检测到有效忙音信号，因而将占用忙音专用时隙发送忙音信号；该忙音信号用于禁止本节点所有一跳邻居节点在该时隙的任何发包操作，进而避免隐藏终端问题；

-如果是最低优先级业务的发送节点，则先进行侦听：如果节点在时敏应用专用信令时隙或忙音专用时隙期间检测到了有效的忙音信号，节点在该时隙不进行任何发包操作，节点中的业务继续排队等待；如果没有检测到有效的忙音信号，则该节点在共享业务传输阶段根据RTS子帧和CTS子帧的时隙分配结果进行最低优先级业务的发送；

-如果是最低优先级业务的接收节点，则进行正常接收。

6.一种无线自组织网络系统，包括多个用户终端，其特征在于，所述多个用户终端之间采用权利要求1至5中任一项所述的基于分布式TDMA的MAC传输方法实现网络通信。