CN111818652B - 一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线移动自组织网络领域，本发明公开了一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法，基于TDMA的分布式信道资源进行动态分配调度，对信道资源采用面向节点和面向链路两者相结合的混合分配机制，面向节点的资源分配和传输用于广播应用，面向链路的资源分配和传输用于支持大数据量的点对点单播业务流；不限制无线Ad Hoc网络中节点具有相同的收发信机配置以支持异构节点组网，节点收发信机数和工作信道数弹性可变，且能够降至单收发信机及单信道条件。本发明对信道资源采用面向节点和面向链路两者相结合的混合分配机制，在广播和单播数据传输的资源使用上更有针对性，提高了信道资源的利用效率。

Description

一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线移动自组织网络技术领域，尤其涉及一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法。

背景技术

无线Ad Hoc网络具备无中心、自组织的特点，无需架设固定的基础设施，可以快速铺开，自行完成网络的组建，具备较强的机动性、灵活性和抗毁性，可以广泛应用于战场通信、应急救灾通信等场景。由于无线Ad Hoc网络的特点，其通常需要设计有别于固定网络和有中心网络的专用MAC协议。

根据节点工作信道数的不同，无线Ad Hoc网络可以分为单信道Ad Hoc网络和多信道Ad Hoc网络，分别对应单信道MAC协议和多信道MAC协议。随着无线Ad Hoc网络用户容量、信息吞吐量等需求的不断提升，采用单信道越来越难以满足无线Ad Hoc网络大规模、多样化业务互联的应用需求，采用多信道是解决以上需求与性能之间矛盾的重要手段之一。但多信道的使用将带来更高的频谱占用开销，不适用于无线频谱资源稀缺的场景。

在多信道Ad Hoc网络中，按节点配置收发信机数目的不同，可以分为单收发信机多信道网络和多收发信机多信道网络。采用多收发信机多信道技术，可以使得相邻节点选用不同的信道，从两个方面提高网络的理论吞吐量：一方面多收发信机多信道可以使一个节点同时进行收发工作，而不是时分复用，这样可以加倍节点的吞吐量；另一方面利用多收发信机多信道，可以通过给相邻节点分配不同的发送或接收信道，避免相邻节点的共信道干扰，消除隐藏节点和暴露节点问题，进而提高网络的吞吐量。多收发信机的使用虽然能提高信道资源利用率，但也会对硬件带来的更高的要求，成本较高。

根据网络中节点收发信机数量，多信道MAC协议可以分为单收发信机多信道MAC协议、多收发信机多信道MAC协议。单收发信机多信道MAC协议有基于跳频的多信道MAC协议SSCH(Slotted Seeded Channel Hopping)协议和基于时隙划分的MAC协议MMAC(Multi-channel Mac)协议等。单收发信机多信道MAC协议收发节点双方通过控制信息协商在相同时刻切换到某个信道上进行数据收发，网络中其他节点可以同时切换到另外的信道上进行数据收发，这样相比单信道的MAC协议系统容量将得到提升。但单收发信机多信道MAC协议若划分专门的控制时段进行控制信息交互，则将加大控制开销；若无专门的控制时段，则切换到其他信道执行数据收发的节点将无法听到其余节点的协商控制信息，带来隐蔽终端的问题。通过采用多个收发信机能够避免单收发信机多信道MAC协议的缺点，如DCA(DynamicChannel Assignment)协议就属于多收发信机多信道的MAC协议，此外还有PCAM(PrimaryChannel Assignment based MAC)协议等。

信道资源调度控制是MAC层设计的主要功能之一，其主要目的是为了确定网络中某一个节点的信道资源分配问题。信道资源调度就是通过合理安排有传输需求的通信链路占用相应的信道资源，目标是获得节点之间无冲突的信道传输，并努力达到更高的信道利用率。

目前，信道资源调度技术主要分为两类：一类是基于竞争的信道调度，例如典型的CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance)；另一类是基于分配的信道调度，例如TDMA(Time Division Multiple Access)时分复用多址接入。基于竞争的信道调度实现简单、可靠性高、扩展性好、便于分布式实现，但是基于CSMA/CA的调度存在隐藏终端和暴露终端的问题，在多跳Ad Hoc网络应用中因为其保守的设计而降低了网络吞吐量。基于TDMA的信道调度在理想实现的条件下不会发生MAC层冲突，因为每个节点所分配的时隙都不会和它的干扰节点冲突。在业务流稳定的网络中，TDMA调度能够获得更高的网络通信容量。此外，TDMA方式所采用的时分结构适合于有时延限制的传输，相关的接入公平性、流量控制及预留带宽等QoS目标也更容易实现。TDMA作为一种有效的多址方式，广泛应用于无线Ad Hoc网络中。

尽管如此，TDMA调度算法设计却面临着诸多挑战，尤其对多收发信机多信道的无线Ad Hoc网络，尚无统一的协议标准。此外，针对有效频谱资源可能根据使用场景变化，以及网络中可能存在异构节点装配不同数量收发信机，节点收发信机数多样化的无线Ad Hoc网络，尚无适应信道数和节点收发信机数弹性变化的信道资源分配算法，因此需要设计新颖、高效的适合无线Ad Hoc网络高动态、多场景自组网需求，支持异构网络节点的基于TDMA且收发信机和信道数弹性可变的多收发信机多信道网络信道资源分配算法。

使用多收发信机多信道组网设计的无线Ad Hoc网络能提供更大的网络容量，但同时这也将给资源分配带来新的问题和挑战，尤其是如何在多收发信机多信道条件下，有效的利用时间/空间/频率等多维资源，尽可能的提高信道传输资源的利用率，成为亟需重点突破的关键问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法，适用于无线Ad Hoc网络无中心、拓扑动态变化的特点。同时，通过对信道资源采用面向节点和面向链路两者相结合的混合分配机制，在广播和单播数据传输的资源使用上更有针对性，提高资源的效率，以适应无线Ad Hoc网络日益增大的网络规模及吞吐量需求。此外，本发明并不需限制网络中节点具有相同的收发信机配置，以支持无线Ad Hoc网络的异构节点组网需求。同时支持网络工作信道数弹性可变，以适应无线Ad Hoc网络多样化场景应用。特别的，本发明支持网络中所有节点收发信机数退化为一的单收发信机条件，以及网络工作信道数退化为一的单信道条件。

本发明的一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法，基于TDMA的分布式信道资源进行动态分配调度，对信道资源采用面向节点和面向链路两者相结合的混合分配机制，面向节点的资源分配和传输用于广播应用，面向链路的资源分配和传输用于支持大数据量的点对点单播业务流；不限制无线Ad Hoc网络中节点具有相同的收发信机配置以支持异构节点组网，节点收发信机数和工作信道数弹性可变，且能够降至单收发信机及单信道条件。

进一步的，所述信道资源分配方法的网络模型包括：

网络中节点配置半双工收发信机数量不少于1个，允许网络中不同节点的收发信机数量配置不一致；信道传输提供不少于1个正交的可用信道，不同正交信道上的收发活动互不干扰，通信的网络节点能够选择提供的正交信道中的任何一个或者多个信道进行通信；同一时刻，节点同一收发信机不能正确接收多于一个邻居节点的信息发送；全网节点时钟精确同步，每个节点有唯一的标识ID，即节点ID；网络具有多跳结构，发送节点在一跳范围内广播或单播发送信息，其数据信息将被一跳范围内的邻居节点接收后执行中继转发，直到到达目的节点。

进一步的，所述信道资源分配方法的TDMA信道访问结构包括：

网络中的节点工作在信道集上，所述信道集为一组正交的信道，即由一组两两正交的频率划分；将时间按相等的帧长划分为一个个的信道帧，每个信道帧又划分为若干个时隙，每个时隙根据信道的不同划分为多个时频资源，包括用作控制交互的Beacon时隙和用作数据传输的Data时隙；

网络中的节点唯一无冲突的预分配一个Beacon时隙，用于节点发送Beacon分组；节点通过Beacon分组监听所有邻居和时隙的分配情况，分配Data时隙进行数据发送，以及Data时隙使用结束后的释放；

Data时隙通过Beacon时隙发送的Beacon分组协商申请动态分配，并可在两跳外对同一时隙进行复用；Data时隙分配支持面向节点和面向链路的分配使用方式，用于节点通信有效载荷的发送，并在使用结束后被释放。

进一步的，所述信道资源分配方法的分配策略包括：

一个节点能够采用两种方式向其邻居节点传输数据分组，第一种方式为面向节点分配资源，采用一个发射机向其所有的邻居广播传输一次，而不是向每个邻居逐个进行传输；第二种方式为面向链路分配资源，传输节点只可向一个特定的邻居进行通信；采用上述两种方式共存的混合分配策略，以分布式按需分配来支持无线Ad Hoc网络应用中共存的广播和单播这两类业务。

进一步的，所述信道资源分配方法的分配原则包括：

节点不能选择本节点或目的节点收发信机已使用的Data时隙；节点需要有空闲的收发信机调度工作在相应分配的Data时隙上进行发送或是接收；对特定Data时隙，节点不能选择目的节点和自己正在该Data时隙使用的信道集里的信道，不能选择所有一跳邻居节点正在该Data时隙接收使用的信道集，不能选择目的节点的所有一跳邻居节点正在该Data时隙发送使用的信道集；

冲突避免原则：对于不同的分配策略，遵循面向节点的时隙分配优先级高于面向链路的时隙分配的原则；相同分配策略的Data时隙冲突采用hash函数协调分配资源，以帧号、时隙号、频率号和节点ID作为输入参数进行hash计算，以hash值最大或最小者取得竞争获胜，使每帧的Data时隙分配产生变化，提高Data时隙使用的公平性。

进一步的，所述信道资源分配方法的分配流程包括：

Data时隙根据节点数据传输的需要进行按需动态分配，分配策略采取面向节点的分配和面向链路的分配两者相结合的混合分配策略；节点在申请到Data时隙后将对其进行持续占用，直至不再需要而将其释放或是因信道冲突导致结束对Data时隙的占用；在没有资源可供申请时，节点能够根据公平原则，释放部分自己当前占用来用于其它传输目的的资源，或是申请让周围邻居节点释放部分资源。

进一步的，所述信道资源分配方法中，节点本地需要维护的信息包括：

SS表，所述SS表包括本节点的时频和收发信机资源的占用状态；

ENS表，所述ENS表包括邻居节点的资源占用状态，即每个一跳邻居节点对时频、收发信机资源的占用状态，以及可通过该一跳邻居节点中继到达的所有两跳邻居节点对时频资源的占用状态；

ANS表，所述ANS表包括邻居节点时频资源占用状态，即所有一跳邻居节点对时频资源的发送的占用状态；

SRM表，所述SRM表包括剩余可用时频和收发信机资源状态，即本节点到各一跳邻居节点及广播的剩余可用时频和收发信机资源状态。

进一步的，所述信道资源分配方法的资源申请流程包括：

步骤S101：时隙估计，根据本节点到各个目的节点的业务速率和队列堆积情况估计需要的Data时隙数，广播业务作为一种到达特殊目的节点的业务按相同的方法估计需要的Data时隙数；

步骤S102：本节点根据本地维护信息表选择本节点和目的节点中均有空闲的Data时隙，其中本地维护信息表包括所述SS表、所述ENS表、所述ANS表和所述SRM表；广播发送节点选择本节点和所有一跳邻居节点中均有空闲的Data时隙；

步骤S103：在N时帧通过Beacon分组通告申请的空闲Data时隙；

步骤S104：一跳邻居节点收齐N时帧Beacon通告后，进行冲突处理并更新其本地维护信息表；

步骤S105：一跳邻居节点根据冲突处理的处理结果在N+1时帧Beacon分组中通告对申请的应答；

步骤S106：本节点收齐N+1时帧Beacon通告后确认本节点对Data时隙的占用或退避情况，并更新本地维护信息表；

步骤S107：节点在N+2时帧开始按照新的资源分配情况占用相应Data时隙。

进一步的，所述信道资源分配方法的冲突调解方法包括：

步骤S201：创建PR表、NT1表和NT2表，其中PR表为处理结果表，包括信道号及对应的本节点处理结果和本节点收状态标志；NT1表和NT2表分别为邻节点发送且目的节点为本节点、非本节点的申请记录表，包括信道号及对应的申请邻居总数和节点ID；初始化时隙号i＝0；

步骤S202：若i<M，其中M为一个信道帧中的时隙数，则执行步骤S203，否则冲突调解结束；

步骤S203：初始化信道号j＝0；

步骤S204：若j<C，其中C为Data时隙的信道数，则执行步骤S205，否则i＝i+1，并重新执行步骤S202；

步骤S205：若本节点在时隙i收发信机有剩余，则执行步骤S206，否则PR表中信道j至信道C-1对应的本节点收状态标志不置起，本节点处理结果置0，i＝i+1，并重新执行步骤S202；

步骤S206：若本节点在时隙i、信道j申请发送，执行步骤S207,否则执行步骤S208；

步骤S207：将本节点记录入时隙i的NT1表中信道j对应表项，同时申请邻居总数相应加1；

步骤S208：若时隙i的NT1表中信道j对应申请邻居总数大于0，则执行步骤S209，否则PR表信道j对应本节点收状态标志不置起，本节点处理结果置0，j＝j+1，并重新执行步骤S204；

步骤S209：对NT1和NT2表中记录的所有邻节点的节点ID计算hash值，对计算的hash值进行排序，将hash值最大的节点ID记录到PR表的本节点处理结果；

步骤S210：若hash值最大的节点为NT1表中记录的节点且不为本节点，则执行步骤S211，否则PR表信道j对应本节点收状态标志不置起，j＝j+1，并重新执行步骤S204；

步骤S211：PR表信道j对应本节点收状态标志置起，本节点时隙i收发信机剩余数减1，j＝j+1，并重新执行步骤S204。

进一步的，所述信道资源分配方法的资源释放流程包括主动释放和被动释放；

所述主动释放包括：

本节点空闲Data时隙释放：当本节点业务量下降达到设定门限时，节点启动资源释放流程；发起方为本节点，主动释放本节点占用的Data时隙，邻节点收到释放通告后，也将其对Data时隙的占用记录清除；

邻居丢失Data时隙释放：邻节点从本节点的邻居表中删除后，本节点初始化本节点维护的该邻节点的资源占用记录，完成相应资源的释放；发起方为本节点，主动释放丢失邻居占用的Data时隙；

本节点Data时隙内部协调：根据节点当前已占用Data时隙情况，释放部分用于向其他目的节点传输占用的资源，释放后的这些资源能够用于节点向目的节点发送业务；发起方为本节点，主动将资源占用较多的目的节点的资源释放，并协调给占用资源较少的目的节点使用；

所述被动释放包括：

所述被动释放发生在节点需要申请新的Data时隙进行业务发送，但节点到该业务的目的节点的Data时隙或收发信机资源已耗尽时，若节点占用的Data时隙数低于两跳邻域内节点的平均Data时隙数，则节点能够发起Data时隙释放申请，收到释放申请的节点被动的释放相应Data时隙；发起方为本节点，邻节点收到释放通告后，被动释放占用的相应Data时隙。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明对信道资源采用面向节点和面向链路两者相结合的混合分配机制，在广播和单播数据传输的资源使用上更有针对性，提高了信道资源的利用效率；

(2)可扩展性强：本发明的信道资源分配方法支持网络节点收发信机数及信道数弹性可变，支持单信道及单收发信机条件，支持网络节点异构，适用于无线Ad Hoc网络灵活多样的组网场景需求；

(3)本发明的信道资源分配方法为分布式算法，无需中心节点控制，节点所需的信道资源仅需通过与一跳邻居的交互获得，在降低控制开销的同时，可以更快响应节点业务的信道资源需求。

附图说明

图1 TDMA信道时帧结构；

图2面向节点的分配和传输；

图3面向链路的分配和传输；

图4 Data时隙分配流程；

图5冲突调解流程；

图6冲突处理算法。

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，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法，基于TDMA的分布式信道资源进行动态分配调度，对信道资源采用面向节点和面向链路两者相结合的混合分配机制，面向节点的资源分配和传输用于广播应用，面向链路的资源分配和传输用于支持大数据量的点对点单播业务流，从而在广播和单播数据传输的资源使用上更有针对性，能提高资源的效率，以适应无线Ad Hoc网络日益增大的网络规模及吞吐量需求。此外，该信道资源分配方法不限制无线Ad Hoc网络中节点具有相同的收发信机配置以支持异构节点组网；节点收发信机数和工作信道数弹性可变，且能够降至单收发信机及单信道条件，以适应无线Ad Hoc网络多样化场景应用。

本实施例提供的一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法具体如下：

(1)网络模型

网络中节点配置半双工收发信机数量不少于1个，允许网络中不同节点的收发信机数量配置不一致。信道传输提供不少于1个正交的信道可用，不同正交信道上的收发活动互不干扰，通信的网络节点可以选择提供的正交信道中的任何一个或者多个信道进行通信。同一时刻，节点同一收发信机不能正确接收多于一个邻居节点的信息发送。全网节点时钟精确同步，每个节点有唯一的标识ID，称为节点ID。网络具有多跳结构，发送节点在一跳范围内广播或单播发送信息，其数据信息将被一跳范围内的邻居节点接收后执行中继转发，直到到达目的节点。

(2)TDMA信道访问结构

如图1所示，网络中的节点工作在一组正交的信道C₀～C_N上，这里的信道由一组两两正交的频率划分，将这组正交的信道称之为信道集。将时间按相等的帧长划分为一个个的信道帧，每个信道帧又划分为M个时隙，每个时隙根据信道C₀～C_N的不同划分为多个时频资源。后面在不引起歧义的情况下，也将时频资源称之为时隙。

每个信道帧中划分部分时频资源用作控制交互，称之为Beacon时隙，其余时频资源用作数据传输，称之为Data时隙。

网络中的节点唯一无冲突的预分配一个Beacon时隙，用于节点发送Beacon分组。节点通过Beacon分组监听所有邻居和时隙的分配情况，分配Data时隙进行数据发送，以及Data时隙使用结束后的释放等。

Data时隙通过Beacon时隙发送的Beacon分组协商申请动态分配，并可在两跳外对同一时隙进行复用。Data时隙分配支持面向节点和面向链路的分配使用方式，用于节点通信有效载荷的发送，并在使用结束后被释放。

(3)信道资源动态分配机制

1)分配策略

在多跳无线Ad Hoc网络环境中，以最佳方案分配信道资源是一个很难解决的技术问题。在目前出现的协议设计中，一般主要是针对具体应用设计采用试探分配法的MAC协议，即选择分配给每个相邻节点若干个时隙，并且协调它们的(传输)激活行为。无论采用何种分配方法，其目的都是期望尽可能多地在相邻节点之间容纳更多的传输动作，提高信道资源的利用效率和节点之间传输的吞吐量。

一个节点可以采用两种方式向其邻居节点传输数据分组。第一种方式为面向节点分配资源，并采用一个发射机向其所有的邻居广播传输一次，而不是向每个邻居逐个进行传输，如图2所示。第二种方式为面向链路分配资源，传输节点只可向一个特定的邻居进行通信，其他节点可能无法保证其正确接收数据，如图3所示。在一个邻域内，前一种方式只允许有一个激活的无线发射机，而后一种方式则可以激活多个发射机。在图2中，当节点2发送时，其邻居节点都需要做好接收准备，因此不允许有邻居节点进行发送；但在图3中，当节点2发送时，其接收节点是节点1，与其它邻居节点无关，因此在满足一定条件的前提下，节点3和节点5可以在同一时间内向别的节点进行发送。

可见，面向节点的资源分配和传输特别适合于广播应用，如地址解析和群组通告信息传输之类的应用。而另一方面，面向链路的资源分配和传输则更有助于支持大数据量的点对点单播业务流的传输。本发明采用上述两种方式共存的一种混合分配策略，以分布式按需分配算法来支持无线Ad Hoc网络应用中共存的广播和单播这两类业务。

2)分配原则

MAC层信道资源管理区分统计节点广播以及到不同目的节点的单播业务量，节点根据统计的业务量大小或是QoS业务流显示指定的带宽需求，对Data时隙进行动态分配。资源动态分配遵循以下原则：

①节点不能选择本节点或目的节点收发信机已使用的时隙；

②节点需要有空闲的收发信机调度工作在相应分配的时隙上进行发送或是接收；

③对特定时隙，节点不能选择目的节点和自己正在该时隙使用的信道集里的信道；

④对特定时隙，节点不能选择所有一跳邻居节点正在该时隙接收使用的信道集；

⑤对特定时隙，节点不能选择目的节点的所有一跳邻居节点正在该时隙发送使用的信道集；

⑥冲突避免原则如下：对于不同的分配策略，遵循面向节点的时隙分配优先级高于面向链路的时隙分配的原则；相同分配策略的时隙冲突采用hash函数协调分配资源，以帧号/时隙号/频率号/节点ID作为输入参数进行hash计算，以hash值最大/最小者取得竞争获胜，使每帧的时隙分配产生变化，提高时隙使用的公平性；

针对单播方式的业务传输，算法为其分配面向链路的资源，目的节点为特定的接收节点；对于广播方式的业务传输，则为其分配面向节点的资源，目的节点为其所有的一跳邻居节点。无论是面向链路还是面向节点的资源分配策略，算法设计都只需要遵从上述动态分配原则，即可同时实现两者混合的分配策略，只是两者对原则①、③、⑤中的目的节点定义不同而已。

3)分配流程

Data时隙根据节点数据传输的需要进行按需动态分配，分配策略采取面向节点的分配+面向链路的分配两者相结合的混合分配策略。Data时隙分配流程如图4所示。节点在Data时隙申请到后将对其进行持续占用，直至不再需要而将其释放或是因信道冲突导致结束对时隙的占用；在没有资源可供申请时，节点可以根据公平原则，释放部分自己当前占用来用于其它传输目的的资源，或是申请让周围邻居节点释放部分资源。

4)本地维护信息表及更新

为确保资源动态分配算法实施，节点本地应对以下信息进行维护：

①本节点对时频、收发信机资源的占用状态表(SS表)

SS(self-state)表对每个时隙应至少包含：

a.本节点剩余收发信机数；

b.本节点使用的信道集；

c.信道集中各信道对应的本节点收发状态；

d.信道集中各信道对应的本节点发状态下的目的节点，或收状态下的源节点。

SS表的组织形式可以参考表1所示。

表1本节点时频、收发信机资源的占用状态表(SS表)

SS表更新规则如下：

a.SS表剩余收发信机数初始化为本节点配置的收发信机数；使用的信道集为空；

b.本节点占用某时频资源收或发，则该时频资源对应时隙的本节点剩余收发信机数减1；本节点释放某时频资源，则该时频资源对应时隙的本节点剩余收发信机数加1；

c.本节点占用某时频资源收或发，则将该时频资源对应信道放入本节点使用的信道集，并更新相应收发状态、目的节点或源节点。

②邻居节点资源占用状态表(ENS表)

ENS(each-neighbor-state)表对每个一跳邻居节点，维护该一跳邻居节点对时频、收发信机资源的占用状态，以及可通过该一跳邻居节点中继到达的所有两跳邻居节点对时频资源的占用状态，表中应至少包含：

a.超时计数

对每个时隙：

b.该一跳邻居节点剩余收发信机数；

c.该一跳邻居节点使用的信道集；

d.信道集中各信道对应的该一跳邻居节点收发状态；

e.可通过该一跳邻居节点中继到达的所有两跳邻居节点在各时隙发送使用的信道集。

ENS表的组织形式可以参考表2所示。

表2邻居节点资源占用状态表(ENS表)

ENS表更新规则如下：

a.超时计数初始化为0；收到一跳邻居节点的Beacon分组时该一跳邻居超时计数置为TIME_OUT_ENS；每TDMA信道帧减1，减为0时初始化表项；

b.解析收到的Beacon分组并更新该Beacon分组对应的一跳邻居节点的剩余收发信机数、使用的信道集、收发状态、可通过该一跳邻居节点中继到达的所有两跳邻居节点在各时隙发送使用的信道集；

③邻居节点时频资源占用状态表(ANS表)

ANS(all-neighbor-state)表维护所有一跳邻居节点对时频资源的“发”占用状态，对每个时隙应至少包含：

a.所有一跳邻居节点发送使用的信道集。

ANS表更新规则如下：

a.根据本地维护的ENS表中各一跳邻居节点使用的信道集及收发状态更新。

④剩余可用时频、收发信机资源状态表(SRM表)

SRM(self-remain)表维护本节点到各一跳邻居节点及广播的剩余可用时频、收发信机资源状态，应至少包含：

对各时隙：

a.本节点剩余收发信机数；

b.广播资源可用标记；

c.本节点收发、所有一跳邻居节点收发、所有两跳邻居节点发送均未占用的信道集，即广播发送两跳邻居未使用的信道集；

对各一跳邻居节点、各时隙：

d.资源可用标记；

e.该一跳邻居节点剩余收发信机数；

f.本节点收发、该一跳邻居节点收发、可通过该一跳邻居节点中继到达的所有两跳邻居节点发送均未占用的信道集，即单播发送两跳邻居未使用的信道集。

SRM表的组织形式可以参考表3所示。

表3节点剩余可用资源状态表(SRM表)

SRM表更新规则如下：

a.本节点剩余收发信机数根据SS表进行更新；

b.各个时隙本节点广播资源可用标记根据SS表及所有一跳邻居节点对应的ENS表进行更新；

c.广播发送两跳邻居未使用的信道集根据SS表及所有一跳邻居节点对应的ENS表进行更新。

d.各个时隙本节点对各个一跳邻居节点是否有资源可用的标记根据SS表及该一跳邻居节点对应的ENS表进行更新；

e.各一跳邻居节点剩余收发信机数根据该一跳邻居节点对应的ENS表进行更新；

f.单播发送两跳邻居未使用的信道集根据SS表及各一跳邻居节点对应的ENS表进行更新。

5)资源申请流程

步骤S101：时隙估计，根据本节点到各个目的节点的业务速率和队列堆积情况估计需要的Data时隙数，广播业务作为一种到达特殊目的节点的业务按相同的算法估计需要的时隙数。

步骤S102：本节点根据本地维护信息表(SS表、ENS表、ANS表、SRM表)选择本节点、目的节点均有空闲的时隙，空闲定义等同于资源动态分配原则中原则①～⑤；广播发送节点需选择本节点、所有一跳邻居节点均有空闲的时隙。

步骤S103：在N时帧通过Beacon分组通告申请的空闲时隙。

步骤S104：一跳邻居节点收齐N时帧Beacon通告后进行冲突处理并更新其本地维护信息表(SS表、ENS表、ANS表、SRM表)。冲突处理详见后文描述。

步骤S105：一跳邻居节点根据处理结果在N+1时帧Beacon分组中通告对申请的应答。

步骤S106：本节点收齐N+1时帧Beacon通告后确认本节点对时隙的占用/退避情况，并更新本地维护信息表(SS表、ENS表、ANS表、SRM表)。

步骤S107：节点在N+2时帧开始按照新的资源分配情况占用相应时隙。

6)冲突调解

通过Beacon分组对Data时隙进行申请时，因为Data时隙采用“申请—应答—占用/退避”的过程进行分配，故这类冲突可通过应答阶段解决。冲突可以分为两种情况，一是时隙冲突，二是收发信机冲突，可以通过Beacon分组的设计和一定的冲突调解算法进行完全的调解。

图5所示冲突调解流程中，核心在第二步冲突处理，下面对冲突处理算法进行详细说明。

节点每帧发起或收到网络中其他节点发起的资源申请，节点每帧对每个时隙均动态的记录以下四个表项信息：

(1)本节点发送申请记录表-ST(self-transmit)表

ST表的组织形式可以参考表4所示。

表4本节点发送申请记录表(ST表)

信道号	本节点发送申请标志
		0
1
		┋
f

若本节点在某时隙、某信道发起申请，则该时隙、信道对应的表项标志置起。

(2)邻节点发送(目的节点为本节点)申请记录表-NT1(neighbor-transmit-1)表

NT1表的组织形式可以参考表5所示。

表5邻节点发送申请记录表(NT1表)

本节点收到邻节点Beacon分组中，若邻节点发起资源申请，且目的节点为本节点，则将该邻节点的节点ID记录入其申请占用的时隙、信道对应的NT1表项中，同时该时隙、信道对应的NT1表项的“申请邻居总数”加1。

(3)邻节点发送(目的节点不为本节点)申请记录表-NT2(neighbor-transmit-2)表

NT2表的组织形式可以参考表6所示。

表6邻节点发送申请记录表(NT2表)

信道号	申请邻居总数	节点ID1	节点ID2	┅	节点IDn
						0
1
						┋
f

本节点收到邻节点Beacon分组中，若邻节点发起资源申请，且目的节点不为本节点，则将该邻节点的节点ID记录入其申请占用的时隙、信道对应的NT2表项中，同时该时隙、信道对应的NT2表项的“申请邻居总数”加1。

(4)处理结果表-PR(process-result)表

PR表的组织形式可以参考表7所示。

表7处理结果表(PR表)

本节点完成冲突处理后，若本节点在某时隙、信道收，则该时隙、信道对应的PR表项的“本节点收状态标志”置起，同时在“本节点处理结果”记录源节点ID。若本节点在某时隙、信道不收，“本节点收状态标志”不置起，“本节点处理结果”置0。

节点根据表4～7记录的信息进行冲突处理，图6为冲突处理的算法设计。根据图6，算法描述如下：

步骤S201：创建PR表、NT1表和NT2表，其中PR表为处理结果表，包括信道号及对应的本节点处理结果和本节点收状态标志；NT1表和NT2表分别为邻节点发送且目的节点为本节点、非本节点的申请记录表，包括信道号及对应的申请邻居总数和节点ID；初始化时隙号i＝0；

步骤S202：若i<M，其中M为一个信道帧中的时隙数，则执行步骤S203，否则冲突调解结束；

步骤S203：初始化信道号j＝0；

步骤S204：若j<C，其中C为Data时隙的信道数，则执行步骤S205，否则i＝i+1，并重新执行步骤S202；

步骤S205：若本节点在时隙i收发信机有剩余，则执行步骤S206，否则PR表中信道j至信道C-1对应的本节点收状态标志不置起，本节点处理结果置0，i＝i+1，并重新执行步骤S202；

步骤S206：若本节点在时隙i、信道j申请发送，执行步骤S207,否则执行步骤S208；

步骤S207：将本节点记录入时隙i的NT1表中信道j对应表项，同时申请邻居总数相应加1；

步骤S208：若时隙i的NT1表中信道j对应申请邻居总数大于0，则执行步骤S209，否则PR表信道j对应本节点收状态标志不置起，本节点处理结果置0，j＝j+1，并重新执行步骤S204；

步骤S209：对NT1和NT2表中记录的所有邻节点的节点ID计算hash值，对计算的hash值进行排序，将hash值最大的节点ID记录到PR表的本节点处理结果；

步骤S210：若hash值最大的节点为NT1表中记录的节点且不为本节点，则执行步骤S211，否则PR表信道j对应本节点收状态标志不置起，j＝j+1，并重新执行步骤S204；

步骤S211：PR表信道j对应本节点收状态标志置起，本节点时隙i收发信机剩余数减1，j＝j+1，并重新执行步骤S204。

7)资源释放流程

Data时隙资源的释放分为主动释放和被动释放。

①主动释放

主动释放分为三种情形：

情形一：本节点空闲时隙释放，发生在本节点业务量下降，需要的Data时隙数低于当前占用的时隙数时，此时节点需释放超出需求的时隙，但节点业务量可能总处于变化中，为防止节点频繁的释放和申请时隙，业务量下降设定一组门限，当业务量下降达到这些门限时，节点才启动资源释放流程。本节点空闲时隙释放发起方为本节点，主动释放本节点占用的时隙，邻节点收到释放通告后，也将其对时隙的占用记录清除。步骤如下：

首先，时间进入(N-1)时帧：

步骤S301：时隙估计，即资源申请流程中的时隙估计。

步骤S302：判决门限，若需释放时隙，进入步骤S303，否则退出。

步骤S303：选择将释放的时隙，更新本地维护信息表SS表、SRM表。

接着，时间进入N时帧：

步骤S304：将选择释放的时隙封装入Beacon分组的时隙释放域，发Beacon分组。

步骤S305：邻节点收Beacon通告，解析Beacon分组的时隙释放域，更新本地维护的信息表SS表、ENS表、ANS表、SRM表。

情形二：邻居丢失时隙释放，节点标记某个邻节点占用了某些时隙，但该邻节点可能因为各种原因从本节点的邻居表中删除，此时本节点需要初始化本节点维护的该邻节点的资源占用记录，完成相应资源的释放。邻居丢失时隙释放发起方为本节点，主动释放丢失邻居占用的时隙，步骤如下：

首先，时间进入N时帧：

步骤S401：发现邻居丢失。

比较N时帧与(N-1)时帧的邻居表，若发现某邻居丢失，设置等待超时时间为L个时帧。

接着，时间进入(N+1)～(N+L)时帧：

步骤S402：等待L个时帧，若该邻居未恢复，进入步骤S403，否则退出。

接下来，时间进入(N+L)时帧：

步骤S403：释放标记邻节点占用的时隙，更新本地维护的信息表SS表、ENS表、ANS表、SRM表。

情形三：本节点时隙内部协调，发生在节点需要申请新的时隙进行业务发送，但节点到该业务的目的节点A的可用时隙或收发信机资源已耗尽，而节点已占用的时隙数又高于两跳邻域内节点的平均时隙数时，根据节点当前已占用时隙情况，可释放部分用于向其他目的节点传输占用的资源，释放后的这些资源可用于节点向目的节点A发送业务。本节点时隙内部协调发起方为本节点，主动将资源占用较多的目的节点的资源释放并协调给占用资源较少的目的节点使用，步骤如下：

首先，时间进入(N-1)时帧：

步骤S501：选择要协调目的节点的时隙。

接着，时间进入N时帧：

步骤S502：将选择协调时隙的相关信息封装入Beacon分组时隙申请域，发送Beacon通告。

步骤S503：邻节点收到Beacon通告，解析Beacon分组的时隙申请域，进行资源释放或冲突处理。

若邻节点为该时隙原目的节点，标记本节点不再接收，并更新相应的资源占用记录。其余邻节点处理流程即为收到时隙申请通告的处理流程，若检测出了冲突，进入步骤S504，否则退出。

步骤S504：如邻节点在步骤S503发现了冲突，将冲突信息封装入Beacon分组中的时隙申请应答域，发送Beacon通告。

接下来，时间进入(N+1)时帧：

步骤S505：两跳邻节点收Beacon通告，解析时隙申请应答域中通告的冲突信息，如有需要则进行退避。

②被动释放

被动释放发生在节点需要申请新的时隙进行业务发送，但节点到该业务的目的节点的时隙或收发信机资源已耗尽时，若节点占用的时隙数低于两跳邻域内节点的平均时隙数，则节点可以发起时隙释放申请，收到释放申请的节点被动的释放相应时隙。被动释放流程，发起方为本节点，邻节点收到释放通告后，被动释放占用的相应时隙。步骤如下

步骤S601：选择要申请释放的时隙。

当节点发起释放申请时，选择申请释放的时隙应遵循影响最小化原则。

步骤S602：将选择申请释放的时隙相关信息封装入Beacon分组的时隙释放申请域，发送Beacon通告。

节点在发出释放申请的同时，也相当于发起了占用这些时隙的通告，下面将之称为时隙释放/占用。

步骤S603：邻节点收到Beacon通告，解析Beacon分组中的时隙释放申请域，一方面要进行资源释放相关的操作，另一方面也要进行时隙冲突检查和调解。

步骤S604：如果邻节点在步骤S603发现了冲突，将冲突信息封装入Beacon分组中的时隙申请应答域，发Beacon通告。

步骤S605：两跳邻节点收Beacon通告，解析时隙申请应答域中通告的冲突信息，如有需要则进行退避。

8)可扩展性分析

本发明针对多收发信机多信道无线Ad Hoc网络设计了一种信道资源分配方法，但该方法并不仅适用于多收发信机多信道条件下，本发明可扩展性主要体现在以下几个方面。

①收发信机数弹性可变

本发明设计的方法原理及各项处理流程未限制网络中节点配置的收发信机数，支持网络节点配置收发信机数弹性可变。

②单收发信机支持

当网络所有节点均配置单收发信机时，本发明设计的方法退化为单收发信机无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法。

③信道数弹性可变

本发明设计的方法原理及各项处理流程未限制网络工作信道数，支持网络工作信道数弹性可变。

④单信道支持

当网络工作信道数为1时，本发明设计的方法退化为单信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法。

⑤异构节点网络组网支持

本发明设计的方法原理及各项处理流程无需网络中节点配置相同数目的收发信机数，支持节点收发信机数异构的无线Ad Hoc网络的信道资源分配。

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 (6)

1.一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法，其特征在于，基于TDMA的分布式信道资源进行动态分配调度，对信道资源采用面向节点和面向链路两者相结合的混合分配机制，面向节点的资源分配和传输用于广播应用，面向链路的资源分配和传输用于支持大数据量的点对点单播业务流；不限制无线Ad Hoc网络中节点具有相同的收发信机配置以支持异构节点组网，节点收发信机数和工作信道数弹性可变，且能够降至单收发信机及单信道条件；

所述信道资源分配方法的TDMA信道访问结构包括：网络中的节点工作在信道集上，所述信道集为一组正交的信道，即由一组两两正交的频率划分；将时间按相等的帧长划分为一个个的信道帧，每个信道帧又划分为若干个时隙，每个时隙根据信道的不同划分为多个时频资源，包括用作控制交互的Beacon时隙和用作数据传输的Data时隙；网络中的节点唯一无冲突的预分配一个Beacon时隙，用于节点发送Beacon分组；节点通过Beacon分组监听所有邻居和时隙的分配情况，分配Data时隙进行数据发送，以及Data时隙使用结束后的释放；Data时隙通过Beacon时隙发送的Beacon分组协商申请动态分配，并可在两跳外对同一时隙进行复用；Data时隙分配支持面向节点和面向链路的分配使用方式，用于节点通信有效载荷的发送，并在使用结束后被释放；

所述信道资源分配方法的分配流程包括：Data时隙根据节点数据传输的需要进行按需动态分配，分配策略采取面向节点的分配和面向链路的分配两者相结合的混合分配策略；节点在申请到Data时隙后将对其进行持续占用，直至不再需要而将其释放或是因信道冲突导致结束对Data时隙的占用；在没有资源可供申请时，节点能够根据公平原则，释放部分自己当前占用来用于其它传输目的的资源，或是申请让周围邻居节点释放部分资源；

所述信道资源分配方法中，节点本地需要维护的信息包括：SS表，所述SS表包括本节点的时频和收发信机资源的占用状态；ENS表，所述ENS表包括邻居节点的资源占用状态，即每个一跳邻居节点对时频、收发信机资源的占用状态，以及可通过该一跳邻居节点中继到达的所有两跳邻居节点对时频资源的占用状态；ANS表，所述ANS表包括邻居节点时频资源占用状态，即所有一跳邻居节点对时频资源的发送的占用状态；SRM表，所述SRM表包括剩余可用时频和收发信机资源状态，即本节点到各一跳邻居节点及广播的剩余可用时频和收发信机资源状态；

所述信道资源分配方法的资源申请流程包括：

步骤S101：时隙估计，根据本节点到各个目的节点的业务速率和队列堆积情况估计需要的Data时隙数，广播业务作为一种到达特殊目的节点的业务按相同的方法估计需要的Data时隙数；

步骤S102：本节点根据本地维护信息表选择本节点和目的节点中均有空闲的Data时隙，其中本地维护信息表包括SS表、ENS表、ANS表和SRM表；广播发送节点选择本节点和所有一跳邻居节点中均有空闲的Data时隙；

步骤S103：在N时帧通过Beacon分组通告申请的空闲Data时隙；

步骤S104：一跳邻居节点收齐N时帧Beacon通告后，进行冲突处理并更新其本地维护信息表；

步骤S105：一跳邻居节点根据冲突处理的处理结果在N+1时帧Beacon分组中通告对申请的应答；

步骤S106：本节点收齐N+1时帧Beacon通告后确认本节点对Data时隙的占用或退避情况，并更新本地维护信息表；

步骤S107：节点在N+2时帧开始按照新的资源分配情况占用相应Data时隙。

2.根据权利要求1所述的一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法，其特征在于，所述信道资源分配方法的网络模型包括：

网络中节点配置半双工收发信机数量不少于1个，允许网络中不同节点的收发信机数量配置不一致；信道传输提供不少于1个正交的可用信道，不同正交信道上的收发活动互不干扰，通信的网络节点能够选择提供的正交信道中的任何一个或者多个信道进行通信；同一时刻，节点同一收发信机不能正确接收多于一个邻居节点的信息发送；全网节点时钟精确同步，每个节点有唯一的标识ID，即节点ID；网络具有多跳结构，发送节点在一跳范围内广播或单播发送信息，其数据信息将被一跳范围内的邻居节点接收后执行中继转发，直到到达目的节点。

3.根据权利要求1所述的一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法，其特征在于，所述信道资源分配方法的分配策略包括：

一个节点能够采用两种方式向其邻居节点传输数据分组，第一种方式为面向节点分配资源，采用一个发射机向其所有的邻居广播传输一次，而不是向每个邻居逐个进行传输；第二种方式为面向链路分配资源，传输节点只可向一个特定的邻居进行通信；采用上述两种方式共存的混合分配策略，以分布式按需分配来支持无线Ad Hoc网络应用中共存的广播和单播这两类业务。

4.根据权利要求3所述的一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法，其特征在于，所述信道资源分配方法的分配原则包括：

节点不能选择本节点或目的节点收发信机已使用的Data时隙；节点需要有空闲的收发信机调度工作在相应分配的Data时隙上进行发送或是接收；对特定Data时隙，节点不能选择目的节点和自己正在该Data时隙使用的信道集里的信道，不能选择所有一跳邻居节点正在该Data时隙接收使用的信道集，不能选择目的节点的所有一跳邻居节点正在该Data时隙发送使用的信道集；

冲突避免原则：对于不同的分配策略，遵循面向节点的时隙分配优先级高于面向链路的时隙分配的原则；相同分配策略的Data时隙冲突采用hash函数协调分配资源，以帧号、时隙号、频率号和节点ID作为输入参数进行hash计算，以hash值最大或最小者取得竞争获胜，使每帧的Data时隙分配产生变化，提高Data时隙使用的公平性。

5.根据权利要求1所述的一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法，其特征在于，所述信道资源分配方法的冲突调解方法包括：

步骤S201：创建PR表、NT1表和NT2表，其中PR表为处理结果表，包括信道号及对应的本节点处理结果和本节点收状态标志；NT1表和NT2表分别为邻节点发送且目的节点为本节点、非本节点的申请记录表，包括信道号及对应的申请邻居总数和节点ID；初始化时隙号i＝0；

步骤S202：若i<M，其中M为一个信道帧中的时隙数，则执行步骤S203，否则冲突调解结束；

步骤S203：初始化信道号j＝0；

步骤S204：若j<C，其中C为Data时隙的信道数，则执行步骤S205，否则i＝i+1，并重新执行步骤S202；

步骤S205：若本节点在时隙i收发信机有剩余，则执行步骤S206，否则PR表中信道j至信道C-1对应的本节点收状态标志不置起，本节点处理结果置0，i＝i+1，并重新执行步骤S202；

步骤S206：若本节点在时隙i、信道j申请发送，执行步骤S207,否则执行步骤S208；

步骤S207：将本节点记录入时隙i的NT1表中信道j对应表项，同时申请邻居总数相应加1；

步骤S208：若时隙i的NT1表中信道j对应申请邻居总数大于0，则执行步骤S209，否则PR表信道j对应本节点收状态标志不置起，本节点处理结果置0，j＝j+1，并重新执行步骤S204；

步骤S209：对NT1和NT2表中记录的所有邻节点的节点ID计算hash值，对计算的hash值进行排序，将hash值最大的节点ID记录到PR表的本节点处理结果；

步骤S210：若hash值最大的节点为NT1表中记录的节点且不为本节点，则执行步骤S211，否则PR表信道j对应本节点收状态标志不置起，j＝j+1，并重新执行步骤S204；

步骤S211：PR表信道j对应本节点收状态标志置起，本节点时隙i收发信机剩余数减1，j＝j+1，并重新执行步骤S204。

6.根据权利要求1所述的一种多收发信机多信道无线Ad Hoc网络的信道资源分配方法，其特征在于，所述信道资源分配方法的资源释放流程包括主动释放和被动释放；

所述主动释放包括：

本节点空闲Data时隙释放：当本节点业务量下降达到设定门限时，节点启动资源释放流程；发起方为本节点，主动释放本节点占用的Data时隙，邻节点收到释放通告后，也将其对Data时隙的占用记录清除；

邻居丢失Data时隙释放：邻节点从本节点的邻居表中删除后，本节点初始化本节点维护的该邻节点的资源占用记录，完成相应资源的释放；发起方为本节点，主动释放丢失邻居占用的Data时隙；

本节点Data时隙内部协调：根据节点当前已占用Data时隙情况，释放部分用于向其他目的节点传输占用的资源，释放后的这些资源能够用于节点向目的节点发送业务；发起方为本节点，主动将资源占用较多的目的节点的资源释放，并协调给占用资源较少的目的节点使用；

所述被动释放包括：

所述被动释放发生在节点需要申请新的Data时隙进行业务发送，但节点到该业务的目的节点的Data时隙或收发信机资源已耗尽时，若节点占用的Data时隙数低于两跳邻域内节点的平均Data时隙数，则节点能够发起Data时隙释放申请，收到释放申请的节点被动的释放相应Data时隙；发起方为本节点，邻节点收到释放通告后，被动释放占用的相应Data时隙。

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