CN112671517A - 一种移动自组织网通信中基于时隙确认的数据重传方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动自组织网通信中基于时隙确认的数据重传方法，该方法适用于基于TDMA的移动自组织网通信系统。采用一种能及时回复ACK消息的ARQ机制，即将ACK信息嵌入到控制信道中的方法，使得当前帧的数据包发送情况能在下一帧的控制时隙返回ACK信息，省去了等待业务时隙分配的过程，大大减小重传的时延。只需要1个比特位表征时隙是否错误，是否需要重传，ACK回复的信息少，节约了信道资源；同时ACK回复的信息是嵌入到控制信道，不必随业务信道参与竞争，回复时间按照固定周期，重传时间相对固定，响应速度也更加快，在含有多节点的移动自组网中，能最大程度上降低工程实现的复杂度。实现了在不占用业务信道资源情况下，以极少网络开销实现数据的自动重传，提高数据重传响应速度的目的。

Description

一种移动自组织网通信中基于时隙确认的数据重传方法

技术领域

本发明涉及移动自组织网通信技术领域，具体涉及一种基于时隙确认的数据重传处理方法。

背景技术

移动自组网(Mobile AdHoc Network，MANET)是由一组带有无线收发装置的移动结点组成的一个无线移动通信网络。它不依赖于预设的基础设施临时组建，网络的移动结点利用自身的无线收发设备交换信息，当相互之间不在通信范围之内时，可以借助其他节点来实现通信。中间节点帮助其他节点中继时，先接收前一个节点发送的分组，然后再向下一个节点转发以实现中继，所以也称分组无线网或多跳网。

当自组织网络中的两个节点传输数据的时候，就存在由于信道条件差导致的丢包或数据错误现象，数据重传方法是常用的处理信道带来的差错的方法，通俗地讲是在一个数据包发送出去之后，只有收到对方的回复，发送方才认为该数据包被正确接收，并根据回复信息判断是否重传数据，这种方法通常叫做ACK确认重传机制，该机制是为了保证数据传输的可靠性，是现代通信必不可少的一部分，重传机制一般有三种形式：停止等待ARQ(Stop-and-Wait，SW)，后退N步算法(GO-Back-N，GBN)和选择重传ARQ(Selective-Repeat，SR)。

现在的5G技术通过HARQ和ARQ来保证数传输的可靠性，ARQ所使用的方法是停止等待ARQ方法，以减少信令的开销，通过H-ARQ来保证可靠传输，H-ARQ是在ARQ的基础上引入了纠错编码，即对发送数据包增加循环冗余校验(CRC)比特并进行FEC编码。收端对接收的数据进行FEC译码和CRC校验，如果有错则放弃错误分组的数据，并向发送端反馈NACK信息请求重传与上一帧相同的数据包。但这种数据重传处理方法不适用于时分双工的移动自组织通信网，一是错误数据包的检测具有反馈时间；二是ACK消息通过数据信道发送会存在时隙申请、确认和使用的处理过程，通常基于时分双工的移动自组网中，协议处理过程基于时隙或时帧为单位，重传时延中包括误包检测、时隙申请、时隙回复和时隙占用等处理时间，一次重传需要经历4个时帧左右时间。由于移动自组织网中时帧较长，若使用该方法，数据重传时延将很长，所以需要设计新的重传方法以减少重传时延。

现有的自组织网络有端到端和逐跳重传方式，端到端的重传一旦有一跳出现错误，不能及时重传，所以该方法不适合无线信道条件不好的情况。逐跳方式的重传技术有静态HARQ和动态HARQ之分，静态HARQ传输数据后会保留资源块直到数据传输正确，但是资源块空闲，导致信道的利用率不高，动态HARQ与5G的重传原理相似，都需要重新分配资源。

现考虑一种能及时回复ACK消息的重传机制，即将ACK信息嵌入到控制信道中的方法，使得当前帧的数据包发送情况能在下一帧的控制时隙返回ACK信息，省去了等待业务时隙分配的过程，大大减小重传的时延。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在基于TDMA的移动自组织网通信系统中，如何在不占用业务信道资源情况下，以极少网络开销实现数据的自动重传，并提高数据重传响应速度。

本发明所采取的技术方案为：

一种移动自组织网通信中基于时隙确认的数据重传方法，所述方法是在在基于TDMA的移动自组织网通信系统中完成，具体包括以下步骤：

(1)将所有时隙分为控制时隙与业务时隙，控制时隙在各节点入网后分配给各个节点，业务时隙则根据节点各自业务优先级和带宽需求进行动态分配；

(2)节点根据网络拓扑结构发送数据；转发路径上的接收节点连续侦听一个时帧，记录每个业务时隙的数据接收状态，并生成一个接收状态矢量V_ACK；其中，矢量位置信息代表接收时隙编号，0表示没有接收到该业务时隙发送的信息，1表示接收到该业务时隙发送的信息；

(3)转发路径上的接收节点在下个时帧固定分配到的控制时隙发送上个时帧生成的接收状态矢量V_ACK；

(4)转发路径上的发送节点在对应的控制时隙接收接收节点发送的接收状态矢量V_ACK(Nbits)，并存储在矩阵中；

(5)将每一段直接路由上发送节点的发送状态矢量V_TRAN与接收节点发送的接收状态矢量信息V_ACK按位相与得到V_ACK2，再将发送节点的发送状态矢量V_TRAN与所得V_ACK2相异或，得到V_ERR，结果为1的bit位表征对应的时隙传输错误，需要重传；

(6)存在传输错误时，节点根据V_ERR查询存储的发送信息表得到需要重传的数据包编号，将对应数据包标记为待发送状态，在该节点的下一个有效的业务时隙重新发送待发送的数据包，同时重传次数加一，直到数据正确传输到接收节点或重传次数达到设定值；其中，发送信息表中存储有每个时隙对应的数据包编号。

其中，所述步骤(1)中每个节点都存储着2个m*m大小的矩阵，其具体为：

m为TDMA时帧每帧包含的时隙数，行序号i代表节点编号，列序号j代表时隙编号，一个是发送信息矩阵，值为0和1，i行j列的值表示是否在j时隙向i节点发送了数据；另一个是数据包编号矩阵，i行j列的值为在j时隙向i节点发送的数据包编号，i＝1,2,…,m,j＝1,2,…,m。

附图说明

图1为第一个实施案例的局部网络拓扑结构。

图2为第一个实施案例的节点2到节点7路径。

图3为第一个实施案例的节点3到节点6路径。

图4为第一个实施案例的节点2到节点4路径。

图5为第二个实施案例的节点3到节点2的一次重传演示。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

本实施例的移动自组织网络是在时分双工的通信模式下进行的，系统按时帧为单位交互，时帧由时隙组成，时隙划分为两部分：控制时隙和业务时隙

控制时隙负责进行网络时钟同步维护、冲突检测、新节点的加入、网络拓扑维护、链路状态维护、时隙申请与分配、数据传输的ACK确认等功能，并能接受路由层控制，为路由层提供控制类数据通道。

业务时隙用于业务数据的传输，其中数据接收状态(ACK信息)通过控制信道传输。

第一个实施案例的场景是一个64节点的移动自组网，局部网络拓扑图如图1所示。时帧结构，如表格1所示。

表格1

控制信道的时隙数为64个，等于节点数，每个节点独占一个时隙，数据信道的业务时隙也为64，与用户节点数相同，保证每个用户至少可以分配一个时隙，所以可以保证节点在一个时帧内可以完成对一跳范围内所有节点的通信。

(1)假设存在一个2号节点发送3号节点接收的场景，在一个时帧内，节点2要在业务时隙发送数据给节点7和节点4；节点3要发送数据给节点6。

首先各节点控制时隙入网后相对固定，节点2占用的第2个控制时隙，节点3占用第3个控制时隙；业务时隙则根据各自业务优先级和带宽需求采取动态预分配方式进行分配，假设节点2分配到第2个业务时隙，节点2要在这个时隙发送数据包11给4号节点，发送数据包12给7号节点；节点3分配到第64个业务时隙，节点3要在这个时隙发送数据包13给6号节点。在移动自组网中，每个节点都存储着2个64*64大小的矩阵，行序号代表节点编号，列序号代表时隙编号，一个是发送信息矩阵，值为0和1，代表是否在时隙j向i节点发送了数据；另一个是数据包编号矩阵，值为数据包编号在时隙j向节点i发送的数据包编号，i＝1,2,…,64,j＝1,2,…,64。

在上述场景下，节点2的发送信息矩阵和数据包矩阵如表格2、表格3所示。

表格2

表格3

节点3的发送信息矩阵和数据包编号矩阵如表格4、表格5所示。

表格4

表格5

将上述节点2和节点3的信息映射表征如表格6、表格7所示。

表格6

表格7

(2)根据网络拓扑结构，节点2的数据直接发给节点4；节点2的数据到达节点7需要经过节点5和节点6中继，节点3发给节点6的数据需经过节点5中继转发，如图2-4所示。

所以接收节点4会收到节点2的数据，接收节点5会收到节点2和节点3的数据。接收节点会连续侦听一个时帧，记录每个业务时隙的数据接收状态，并生成一个接收状态矢量V_ACK(Nbits)，该场景下，接收节点4和接收节点5的接收状态矢量信息分别在丢包和未丢包的情况下如表格8-12所示。

表格8

表格9

表格10

表格11

表格12

其中矢量位置信息代表接收时隙编号，0表示没有接收到，1表示接收到该业务时隙发送的信息，因此采用一维Nbits矢量可以表征全部时隙的接收状态；

(3)节点5和节点4获得接收状态矢量信息后，由于ACK确认消息在控制时隙中，因此ACK回复不必依赖业务时隙竞争，节点5在下个时帧的第5个控制时隙就可发送上个时帧生成的接收状态矢量信息V_ACK(Nbits)，节点4在下个时帧的第4个控制时隙就可发送上个时帧生成的接收状态矢量信息V_ACK(Nbits)；

(4)发送节点会在对应的控制时隙收到所有邻居的V_ACK，V_ACK存储在64*64的矩阵中，该场景下发送节点是节点2和节点3；

(5)然后发送节点2和发送节点3分别按照目的节点计算传输成功与否的结果信息V_ERR，结果为1的bit位表征对应的时隙传输错误，需要重传；

(6)发送节点中存储了发送信息表，每个时隙对应有对应的数据包编号，根据V_ERR查询到需要重传的数据包编号，在数据发送管理模块将对应数据包标记为待发送状态，在该节点的下一个有效的业务时隙重新发送待重传的数据，同时重传次数+1。

(7)对于图2和图3的路由路径，相邻节点之间通过重传保证数据的正确传输，直到数据正确传输到最终的目的节点，或重传次数达到设定值。

其中，对于步骤(4)中，不同发射节点接收的邻居V_ACK，有丢包和不丢包的情况，不同节点由于邻接矩阵不同，所收到的V_ACK是不同的，但是在相同的情况下V_ACK矩阵中节点5的V_ACK是相同的，因为节点5是发送节点路由的公共路径，具体情况如下：

(4.1)对于图2和图4对应的路由路径，发送节点2在第2个控制时隙收到所有邻居(节点3、节点4、节点5)的V_ACK，V_ACK存储在矩阵中，如表格13所示。

表格13

对应表格9，当节点4未接收到节点2的数据包时，所返回V_ACK表格14所示。

表格14

对应表格11当节点5未接收到节点2的数据包时，所返回的V_ACK矩阵如表格15所示。

表格15

对应表格12，当节点5未接收到节点3的数据包时，所返回的V_ACK矩阵如表格16所示。

表格16

(4.2)对于图3对应的路由路径，发送节点3在第3个控制时隙接收到所有邻居(节点2、节点4、节点5)的V_ACK；V_ACK存储在矩阵中，如表格17所示。

表格17

对应表格11当节点5未接收到节点2的数据包时，所返回的V_ACK矩阵表格18所示。

表格18

对应表格12，当节点5未接收到节点3的数据包时，所返回的V_ACK矩阵如表格19所示。

表格19

其中，步骤(5)的计算传输成功与否的计算步骤有2步，节点2和节点3是否需要重传有以下几种情况：

1)数据包均未丢失，这种情况下不用重传；

2)节点2需要重传的情况就是发给节点4或者节点5的其中一个数据包丢失，或者两个数据包均丢失，若只有其中一个数据包丢失，则只重传该数据包；

3)节点3需要重传的情况就是发送给节点5的数据包丢失；

将上述情况分节点进行讨论如下：

(5.1)对于发送节点2，由于节点2在第2个业务时隙分别发送了数据包给节点4和节点5，该节点是否需要重传与节点3的数据包是否丢失无关，所以需要将节点2的发送状态矢量(对应目的节点)与目的节点对应V_ACK按位相与得到V_ACK2，再将节点2的发送状态矢量与所得V_ACK2相异或，得到V_ERR。

1)在发给节点4和节点5的数据均未丢包情况下，所得V_ACK2矩阵和V_ERR矩阵表格20、表格21所示。

表格20

表格21

由于表格21中每个时隙的V_ERR都是0，所以不需要重传数据。

2)在节点2发送给节点4的数据包丢失的情况下，所得V_ACK2矩阵和V_ERR矩阵如表格22、表格23所示。

表格22

表格23

由表格23中，节点4在2时隙收到原节点2的数状态为1，即V_ERR(2)为1，其他都是0，可查找表得到需要重传给目的节点4的数据包，包编号是11，所以下个业务时隙只需要重传数据包编号为11的数据给节点4即可。

3)在节点2发送给节点5的数据包丢失的情况下，所得V_ACK2矩阵和V_ERR矩阵表格24、表格25所示。

表格24

表格25

由表格25中，节点5在2时隙收到原节点2的数状态为1，即V_ERR(2)为1，其他都是0，可查找表得到需要重传给节点5的数据包编号是12，所以下个业务时隙只需要重传数据包编号为12的数据给节点5。

(5.2)对于发送节点3，先将节点3的发送状态矢量与目的节点5对应V_ACK按位相与，得到V_ACK2；再将节点3的发送状态矢量与所得V_ACK2相异或，得到V_ERR。

(1)在未丢包情况下，所得V_ACK2矩阵和V_ERR矩阵如表格26、表格27所示。由于表格27中每个时隙的V_ERR都是0，所以不需要重传数据。

表格26

表格27

(2)在节点2的数据包丢失的情况下，所得V_ACK2矩阵和V_ERR矩阵如表格28、表格29所示。表格29中每个时隙的V_ERR都是0，所以节点3不要重传数据包。

表格28

表格29

(3)在节点3的数据包丢失的情况下，所得V_ACK2矩阵和V_ERR矩阵如表格30、表格31所示。由表格31中，只有64时隙的V_ERR为1，所以需要重传节点3在第64个业务时隙发送过，编号为13的数据包。

表格30

表格31

步骤(6)的生命周期计数器和重传次数计数器解释如下：

(6.1)生命周期是数据包有效的时间长度，以时帧为单位，本系统业务数据包生命周期n可设置，只有在生命周期以内的数据包允许发送，超过生命周期的数据包直接丢弃，每个数据包设有1个计数器，以时帧为单位独立计数；

(6.2)重传次数是每个数据包设置的1个独立的发送次数计数器，初始值为0，每发送1次加1，当发送次数达到最大允许次数3时，数据包失效丢弃，不再进行重传。

第二个实施案例在单跳节点计算重传的响应时间，场景与上一个实施案例相同，给出具体的时帧长度和时隙长度，时帧结构如表格32所示。

如表格32所示，时帧长度是30.72ms，帧结构中包括控制信道(CCH)和数据信道(PDCH)，控制信道时长11.52ms，共分为64个时隙，每个时隙长度为0.18ms；数据信道时长19.2ms，共分为64个时隙，每个时隙时长0.3ms。

表格32

假设节点3要发送数据给节点2，如果采用本发明的重传方法，则一次重传时间是30.72ms，如图5所示。节点3要发送数据给节点2，分为以下步骤：

(1)首先在第1个时帧内，通过预分配算法，节点3申请在第1个业务时隙发送数据；

(2)在下个时帧每个节点会在控制时隙返回自己的接收状态矢量信息给自己的邻居节点，其中节点2在第2个控制时隙返回的接收状态矢量信息中，时隙1的矢量值为0，表示节点3发送的数据包未到达节点2；

(3)发生数据丢失，则节点3会在业务时隙发送需要重传的数据，上图假设重传数据在第1个业务时隙发送，所以可得一次重传的响应时间是30.72ms。

(4)如果重传的数据没有收到，则会发生二次重传，回到步骤S2，进行到S3，这样计算二次重传耗时是30.72*2＝61.44ms；

(5)如果二次重传的数据依然丢失，则会发生三次重传，同样回到步骤S2，进行到S3，这样计算三次重传耗时是30.72*3＝92.16ms

考虑使用HARQ的重传方法，ACK信息是在业务时隙分配的，若当前节点3的数据发生错误，接收节点返回的ACK信息需要等待分配业务时隙，查阅文献得，平均分配时延在2个时帧的长度，所以返回的ACK信息在第三个时帧，重传的数据至少在3个时帧之后，一次重传的典型时延是92.16ms，可见现有的重传方法不能直接移植于该移动自组织网的场景下，而本发明恰恰达到了在极少网络开销实现数据重传确认，提高数据重传响应速度的目的。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种移动自组织网通信中基于时隙确认的数据重传方法，其特征在于，所述方法是在在基于TDMA的移动自组织网通信系统中完成，具体包括以下步骤：

(1)将所有时隙分为控制时隙与业务时隙，控制时隙在各节点入网后分配给各个节点，业务时隙根据节点各自业务优先级和带宽需求进行动态分配；

(2)节点根据网络拓扑结构发送数据；转发路径上的接收节点连续侦听一个时帧，记录每个业务时隙的数据接收状态，并生成一个接收状态矢量V_ACK；其中，矢量位置信息代表接收时隙编号，0表示没有接收到该业务时隙发送的信息，1表示接收到该业务时隙发送的信息；

(3)转发路径上的接收节点在下个时帧固定分配到的控制时隙发送上个时帧生成的接收状态矢量V_ACK；

(4)转发路径上的发送节点在对应的控制时隙接收接收节点发送的接收状态矢量V_ACK，并存储在矩阵中；

(5)将每一段直接路由上发送节点的发送状态矢量V_TRAN与接收节点发送的接收状态矢量信息V_ACK按位相与得到V_ACK2，再将发送节点的发送状态矢量V_TRAN与所得V_ACK2相异或，得到V_ERR，结果为1的bit位表征对应的时隙传输错误，需要重传；

(6)存在传输错误时，节点根据V_ERR查询存储的发送信息表得到需要重传的数据包编号，将对应数据包标记为待发送状态，在该节点的下一个有效的业务时隙重新发送待发送的数据包，同时重传次数加一，直到数据正确传输到接收节点或重传次数达到设定值；其中，发送信息表中存储有每个时隙对应的数据包编号。

2.根据权利要求1所述的移动自组织网通信中基于时隙确认的数据重传方法，其特征在于，所述步骤(1)中每个节点都存储着2个m*m大小的矩阵，其具体为：

m为TDMA时帧每帧包含的时隙数，行序号i代表节点编号，列序号j代表时隙编号，一个是发送信息矩阵，值为0和1，i行j列的值表示是否在j时隙向i节点发送了数据；另一个是数据包编号矩阵，i行j列的值为在j时隙向i节点发送的数据包编号，i＝1,2,…,m,j＝1,2,…,m。

Images