CN112737726A - 一种静态与动态相融合的tdma时隙分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静态与动态相融合的TDMA时隙分配方法，属于通信组网技术领域。本发明首先设计出满足时隙动静态分配的时帧结构，然后按照每个节点需要传输的必要信息数据量，运用二叉树块内均分法进行静态时隙；接着，当用户有突发性、长报文发送需求时，按照预约请求的方式，向主节点申请动态时隙，主节点按照优先级进行排队处理；主节点在给从节点分配时隙的过程中，运用遗传算法实现主节点对时隙的智能分配。本发明不但保证了每个节点对于必要信息的绝对传输，而且满足节点突发性、长报文发送的需求，并且在时隙分配的时候充分考虑了时隙均匀性。

Description

一种静态与动态相融合的TDMA时隙分配方法

技术领域

本发明涉及通信组网技术领域，特别是指一种静态与动态相融合的TDMA(TimeDivision Multiple Access，时分多址)时隙分配方法。

背景技术

目前，通信组网领域对数据链通信的时延、通信效率、组网能力以及可靠性都提出了更高的要求。基于时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)的数据链系统，以时隙作为基本传输单位，从体系框架上就满足了系统对于组网的需求。而为了降低时延，就要求分配给每个节点的时隙在一个时帧内尽可能均匀。为了提高通信效率，就要保证时帧中的每个时隙尽可能的处于发送状态。而现有的时隙分配方法主要包括下面三种：

固定时隙分配：根据通信系统的设计，预先评估各个节点发送数据量的大小，然后人为的为各个节点分配一个或者多个固定的时隙来进行通信。这样设计的好处是保证了各个节点的通信质量，可以实现无冲突的信息传输，主要适用于系统负载较为明确的情况。但是节点在运行过程中，报文的产生具有不确定性和突发性。因此，既有可能产生时隙分配不够或者整个系统时隙资源利用过低。

竞争时隙分配：各个节点根据自身的发送报文数据量的需求，依据事先设定的规则，进行时隙资源的竞争。这样设计的好处是在满足自身个性化需求的同时，提高了时隙的利用率，其主要适用于节点通信需求事先较难估计并变化比较频繁的情况。但是，竞争时隙分配本质上属于静态分配，随着系统节点数的增加，彼此之间的竞争更加激烈，可能导致整个通信系统性能的恶化。

动态时隙分配：动态时隙分配是在节点有数据需要发送时，才分配给其所需的时隙，在数据发送完毕后，节点取消其对时隙的占用。这样设计的好处提高了时隙资源的利用率，时隙分配更加是合理。但是一旦发送冲突，难以保证各个节点都能顺利获得时隙，从而无法保证各个节点的正常通信。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种静态与动态相融合的TDMA时隙分配方法，该方法可保证每个节点对于必要信息的绝对传输，同时满足节点突发性、长报文发送的需求。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种静态与动态相融合的TDMA时隙分配方法，包括以下步骤：

(1)将整个时帧划分为交替分布的静态时隙和动态时隙，其中，所有静态时隙组成静态时隙池，所有动态时隙组成动态时隙池；

(2)对于静态时隙池采用二叉树块内均法进行时隙分配；其中，采用时隙组、起始索引号、重复率值三个变量来定义时隙块，每一时隙块由一个或多个同类型时隙组成，并采用非根节点到根节点的唯一路径上的反序二进制串对二叉树的每一个非根节点进行编码；所述时隙组用于指定时隙块所属的时隙池，起始索引号是时隙块在时隙池中的起始位置，重复率值是时隙块占用时隙个数的以2为底的对数；

(3)当一个数据链节点需求的时隙需要多个时隙块共同提供时，则最终所选的多个时隙块，其两两之间的间隔BI的总和取最大值；其中，若两个时隙块位于二叉树的同一级中，则这两个时隙块的间隔BI为：

BI＝|2^N-1-|2^N-1-|Value(Code1)-Value(Code2)|||

式中，N为两个时隙块的所在级别，Code1和Code2分别代表两个时隙块的编码，Value()表示将二进制转化为十进制；

若两个时隙块位于二叉树的不同级中，则这两个时隙块的间隔为，低等级时隙块的与高等级时隙块同级别的祖先，与高等级时隙块之间的间隔；

(4)在通过二叉树块内均法将静态时隙按需分配给各个数据链节点之后，若静态时隙池中仍有剩余的残留时隙，则将残留时隙赋予与动态时隙相同的权利，归入动态时隙池中；

(5)当用户有突发性、长报文发送需求时，数据链的从节点在其所占的静态时隙向数据链主节点发送时隙预约请求帧，时隙预约请求帧包括从节点MAC地址、帧类型、占用时隙数；当有多个从节点的预约请求帧同时到达主节点时，主节点根据预先设置的帧类型优先级进行时隙分配；如果低优先级的请求正在被处理，则此时高优先级到达时，等低优先级请求被处理完成之后再处理；

(5)当数据链从节点接收到数据链主节点发送的新的时隙分配帧之后，在所分配的时隙发送数据；发送完成之后，将动态时隙释放，并广播给所有数据链节点，然后开启下一轮预约发送；如果数据链从节点没有收到数据链主节点的预约应答，则在下一个预约周期重新发送预约请求。

进一步的，在进行动态时隙分配时，采用遗传算法对其进行优化，选择出在当前动态时隙池中最优的分配方案；具体方式为：

1)建立用于求解分配给数据链节点的相邻时隙的间隔V₁,V₂,V₃,……,V_(P+M)的最优化问题数学模型，其中：

优化目标为使时隙抖动变量

取最小值，i＝1,2,3,……,(P+M)；

其中，一个时帧包含L个时隙，分别为S₁,S₂,S₃,……,S_L，动态时隙池中有N个空闲时隙，N<L；I为理想情况下，从N个空闲时隙中选择M个时隙与节点原有的P个静态时隙组成均匀性最优的组合分配给数据链从节点时相邻时隙的间隔，M≤N；Q₁,Q₂,Q₃,……,Q_(P+M)为实际分配的所有时隙位置序列，Q_i为分配给数据链某节点的第i个时隙在整个时帧中的位置，i≤(P+M)，Q_i≤L，其中包含静态时隙位置序列A₁,A₂,A₃,……,A_P，A_j为分配给数据链某节点的第j个静态时隙在整个时帧中的位置，j≤P，A_j≤L；当i＝(P+M)时，V_i＝Q₁+L-Q_(P+M)表示本时帧选取的的最后一个时隙与下一时帧选取的第一个时隙之间的间隔；

2)基于遗传算法进行动态时隙分配；其中，采用实数编码方式对动态时隙进行编码，每个基因表示时隙在时帧中的实际位置；采用随机数生成法设定初始种群；采用最佳个体保留法进行选择运算；通过均匀交叉产生新的个体；采用均匀变异增加种群的多样性；当适应度小于截止值或迭代达到最大遗传代数时终止遗传；

适应度函数通过对时隙抖动变量Var应用指数变化法得到：

本发明的有益效果在于：

1、本发明为一种静态与动态相融合的TDMA时隙分配方法，其中，在静态时隙分配过程中，采用二叉树块内均分法，保证了每个节点对于必要信息的绝对传输；在动态时隙分配过程中，采用遗传算法，满足了节点突发性、长报文发送的需求。

2、本发明在动态分配的时隙池中包括了因二叉树块内均分法对时隙块多次划分和分配而出现的小的时隙碎块，提高了时隙资源的利用率。

3、本发明可提高系统的通信效率，满足时隙分配的均匀性要求。

附图说明

图1是本发明实施例中的时帧结构图。

图2是本发明实施例中二叉树块内均法时隙块的组织形式图。

图3是本发明实施例中动态时隙分配的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

一种静态与动态相融合的TDMA时隙分配方法，该方法主要包括以下内容：

一、时帧设计

如图1所示，在本方法中，将整个时帧划分为交替分布的静态时隙A和动态时隙B，其中，所有静态时隙A组成静态时隙池，所有动态时隙B组成动态时隙池。

这种时帧结构设计在基本框架上保证了智能时隙分配算法的可行性。

二、静态时隙分配

为了保证通信系统的每个数据链节点在任何情况下，对于必要信息的绝对传输，根据节点传输数据量的需要，对其分配静态时隙。在这里静态分配方法选择二叉树块内均法，其有效的保证了时隙分配的均匀性，降低了节点接入的时延。

二叉树块内均法是在二叉树分配方法的基础上，充分考虑时隙块与块之间的均匀性发展而来的一种分配方法。二叉树块内均法时隙块的组织形式如图2所示，图2中的每个方框表示一个时隙块，箭头线上的0、1表示二进制编码。时隙块可由三个变量来定义：时隙组(Set)、起始索引号(Initial Slot Number，简称INS)、重复率值(Recurrence RateNumber，简称RRN)。时隙组是用于指定时隙在时帧中所属的时隙池。起始索引号是时隙块在时隙池中的起始位置。重复率值是时隙块占用时隙个数的以2为底的对数。通过这三个参数就可以确定时隙块在时隙池中的唯一位置以及占用时隙的数量。例如，A-0-2中的A、0、2分别表示时隙组、起始索引号和重复率值。另外，还需要对二叉树的每一个非根节点进行编码，编码方式为每一个非根节点到根节点的唯一路径上的反序二进制串组成。如图2中时隙块A-2-2的编码为10，时隙块A-3-0的编码为1111。当一个节点需求的时隙的数量需要多个时隙块组成时，这时候就会有多种排列组合方式可供选择。考虑到时隙选择的均匀性，在选择时隙块进行组合时，还需满足以下准则：

1)在同一级中，时隙块间隔BI越大越好。

时隙块间隔BI的定义为：两个不属于同一时隙块的相邻时隙间隔的最小值。同一N级的时隙块，块间间隔BI的公式表达形式

BI＝|2^N-1-|2^N-1-|Value(Code1)-Value(Code2)|||

其中，Code1和Code2分别代表两个时隙块的编码，Value(Code)表示将二进制转化为十进制。

2)在不同级别中，低级别时隙块的与高级别时隙块同属一级的祖先，与高级别时隙块的块间间隔BI越大越好。

三、动态时隙分配

在通过二叉树块内均法将静态时隙按需分配给各个节点之后，静态时隙组A中，还会剩余一部分残留的时隙，称其为机动时隙，并赋予其与动态时隙相同的权利，将其作为动态时隙池的一部分。

如图3所示，当用户有突发性、长报文发送需求时，从节点在其所占的静态时隙向主节点发送时隙预约请求帧(包括从节点MAC地址、帧类型、占用时隙数等)。当有多个从节点的预约请求帧同时到达主节点时，主节点会根据预先设置的帧类型优先级进行时隙分配。但是如果低优先级的请求正在被处理，当高的优先级到达时，必须等低优先级请求被处理完成之后再处理。

如果动态时隙资源不能够同时满足所有从节点的时隙资源申请，则优先级低的在申请超时之后，会在下一个预约周期重新发送预约请求。当发送预约申请帧的从节点接收到主节点发送的时隙分配帧，并在其中发现自身地址占有的动态时隙时，就会在所分配的时隙发送数据。发送完成之后，就会将动态时隙释放，并广播给所有节点，然后开启下一轮预约发送。这种预约请求、主节点分配、回收再分配的方式，提高了系统时隙的利用率，并保证了节点对于重要帧类型数据的实时传输。

另外，为了保证新分配的动态时隙和原有静态时隙的均匀性，在进行动态时隙分配时，采用遗传算法对其进行优化，选择出在当前动态时隙池中最优的分配方案。

具体来说，动态时隙分配的方式如下：

1)建立动态时隙分配数学模型

假设一个时帧包含有L个时隙，分别为S₁,S₂,S₃,……,S_L，其中动态时隙池(包括动态时隙和机动时隙)中，有N(N<L)个空闲时隙。现在要从这N个空闲时隙选择M(M≤N)个时隙与节点原有的P个静态时隙组成均匀性最优的组合分配给从节点。那么最理想的相邻时隙的间隔为I＝L/(P+M)。如果实际分配的所有时隙位置序列为Q₁,Q₂,Q₃,……,Q_(P+M)(Q_i为分配给某节点的第i个时隙在整个时帧中的位置，i≤(P+M),Q_i≤L)，其中包含静态时隙位置序列A₁,A₂,A₃,……,A_P(A_j为分配给某节点的第j个静态时隙在整个时帧中的位置，j≤P,P_j≤L)。分配给节点的相邻时隙的间隔分别为V₁,V₂,V₃,……,V_(P+M)，则有：

其中，当i＝(P+M)时，V_i＝Q₁+L-Q_(P+M)表示本时帧选取的的最后一个时隙与下一时帧选取的第一个时隙之间的间隔。

但是，在实际的时隙分配过程中，由于各方面的条件约束，不一定达到理想的均分效果，所以，为了衡量时隙分配的均匀性，在这里引入一个变量时隙抖动

其中i＝1,2,3,……,(P+M)。时隙抖动Var的值越小，说明其时隙分配的均匀性越好。因此，时隙分配最优方案的选择就可以转化为一个带约束条件的最优解问题，优化目标为使使时隙抖动变量Var取最小值；

2)基于遗传算法进行动态时隙分配

遗传算法是一种借鉴生物进化和遗传变异演化而来的自适应全局搜索算法。其实现过程为对问题的可行解进行编码，选择初始种群，经过选择、交叉和变异操作，产生新一代种群。如此循环反复，不断进化，最后收敛到一群适应度最好的个体，解码后就为问题的最优解。

下面详细介绍应用遗传算法进行动态时隙分配的步骤：

第一步，染色体编码：编码是遗传算法的首要步骤，不同的编码方式不但决定了个体染色体排列方式，还影响了以后的交叉、变异等操作。在这里我们选择实数编码。实数编码不但表示精度高，便于处理多变量优化，并且每个基因还可以表示了时隙在时帧中的实际位置。

第二步，初始种群设定：初始种群的选择要在有限数量的基础上尽可能的表征所有个体的信息。在这里我们使用随机数生成法，尽量保证每一个基因被选择到的机会是相等的。

第三步，适应度计算：在遗传算法中，适应度的大小决定了解的优劣程度，因此评价函数的设定至关重要。在时隙分配过程中，我们的目标就是让后面动态分配的时隙与前面静态时隙尽可能分布均匀，即时隙抖动尽可能的小。在这里我们对时隙抖动变量Var应用指数变化法得到适应度函数：

观察函数的变化关系，可以看出时隙抖动量越大，适应值越小，被淘汰的概率越大。

第四步，选择运算：选择运算可以让适应度大的个体有更高的概率遗传给后代，适应度小的个体今早淘汰。在这里为加快收敛速度，采用最佳个体保留法，即适应度最高的个体不进行交叉变异，直接进入下一代，同时还用最优个体替换当前最差个体，充分发挥最优解的作用。

第五步，交叉运算：两个个体以一定的概率相互交换部分染色体，来产生新的个体。主要过程为随机配对、随机生成交叉点和交换配对染色体部分基因。在这里我们选择均匀交叉，即两个配对染色体的每一位基因都以0.5的概率进行互换，从而得到两个后代个体。

第六步，变异运算：变异操作是指以变异概率随机指定染色体中的一位或几位基因来用其等位基因进行替换。在这里我们采用均匀变异，从而增加群里的多样性。

第七步，遗传终止条件：适应度值小于我们设定的截止值，或者达到最大遗传代数。

这种改进的遗传算法，全盘考虑了节点的静态时隙与动态时隙的分布均匀性问题，解决了时隙实时智能分配的问题。

总之，本发明首先设计出满足时隙动静态分配的时帧结构，即划分出静态时隙组和动态时隙组；在时帧设计完成的基础上，按照每个节点需要传输的必要信息数据量，运用二叉树块内均分法进行静态时隙。接着，当用户有突发性、长报文发送需求时，按照预约请求的方式，向主节点申请动态时隙，主节点按照优先级进行排队处理；主节点在给从节点分配时隙的过程中，要全面考虑从节点时隙分配的均匀性，包括静态时隙与动态时隙；为了达到时隙分配均匀性，在这里运用智能优化算法——遗传算法，实现主节点对时隙的智能分配。本发明不但保证了每个节点对于必要信息的绝对传输，而且满足节点突发性、长报文发送的需求，并且在时隙分配的时候充分考虑了时隙均匀性。

Claims (2)

1.一种静态与动态相融合的TDMA时隙分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将整个时帧划分为交替分布的静态时隙和动态时隙，其中，所有静态时隙组成静态时隙池，所有动态时隙组成动态时隙池；

(2)对于静态时隙池采用二叉树块内均法进行时隙分配；其中，采用时隙组、起始索引号、重复率值三个变量来定义时隙块，每一时隙块由一个或多个同类型时隙组成，并采用非根节点到根节点的唯一路径上的反序二进制串对二叉树的每一个非根节点进行编码；所述时隙组用于指定时隙块所属的时隙池，起始索引号是时隙块在时隙池中的起始位置，重复率值是时隙块占用时隙个数的以2为底的对数；

(3)当一个数据链节点需求的时隙需要多个时隙块共同提供时，则最终所选的多个时隙块，其两两之间的间隔BI的总和取最大值；其中，若两个时隙块位于二叉树的同一级中，则这两个时隙块的间隔BI为：

BI＝|2^N-1-|2^N-1-|Value(Code1)-Value(Code2)|||

式中，N为两个时隙块的所在级别，Code1和Code2分别代表两个时隙块的编码，Value()表示将二进制转化为十进制；

若两个时隙块位于二叉树的不同级中，则这两个时隙块的间隔为，低等级时隙块的与高等级时隙块同级别的祖先，与高等级时隙块之间的间隔；

(4)在通过二叉树块内均法将静态时隙按需分配给各个数据链节点之后，若静态时隙池中仍有剩余的残留时隙，则将残留时隙赋予与动态时隙相同的权利，归入动态时隙池中；

(5)当用户有突发性、长报文发送需求时，数据链的从节点在其所占的静态时隙向数据链主节点发送时隙预约请求帧，时隙预约请求帧包括从节点MAC地址、帧类型、占用时隙数；当有多个从节点的预约请求帧同时到达主节点时，主节点根据预先设置的帧类型优先级进行时隙分配；如果低优先级的请求正在被处理，则此时高优先级到达时，等低优先级请求被处理完成之后再处理；

(5)当数据链从节点接收到数据链主节点发送的新的时隙分配帧之后，在所分配的时隙发送数据；发送完成之后，将动态时隙释放，并广播给所有数据链节点，然后开启下一轮预约发送；如果数据链从节点没有收到数据链主节点的预约应答，则在下一个预约周期重新发送预约请求。

2.根据权利要求1所述的一种静态与动态相融合的TDMA时隙分配方法，其特征在于，在进行动态时隙分配时，采用遗传算法对其进行优化，选择出在当前动态时隙池中最优的分配方案；具体方式为：

1)建立用于求解分配给数据链节点的相邻时隙的间隔V₁,V₂,V₃,……,V_(P+M)的最优化问题数学模型，其中：

优化目标为使时隙抖动变量

取最小值，i＝1,2,3,……,(P+M)；

其中，一个时帧包含L个时隙，分别为S₁,S₂,S₃,……,S_L，动态时隙池中有N个空闲时隙，N<L；I为理想情况下，从N个空闲时隙中选择M个时隙与节点原有的P个静态时隙组成均匀性最优的组合分配给数据链从节点时相邻时隙的间隔，M≤N；Q₁,Q₂,Q₃,……,Q_(P+M)为实际分配的所有时隙位置序列，Q_i为分配给数据链某节点的第i个时隙在整个时帧中的位置，i≤(P+M)，Q_i≤L，其中包含静态时隙位置序列A₁,A₂,A₃,……,A_P，A_j为分配给数据链某节点的第j个静态时隙在整个时帧中的位置，j≤P，A_j≤L；当i＝(P+M)时，V_i＝Q₁+L-Q_(P+M)表示本时帧选取的的最后一个时隙与下一时帧选取的第一个时隙之间的间隔；

2)基于遗传算法进行动态时隙分配；其中，采用实数编码方式对动态时隙进行编码，每个基因表示时隙在时帧中的实际位置；采用随机数生成法设定初始种群；采用最佳个体保留法进行选择运算；通过均匀交叉产生新的个体；采用均匀变异增加种群的多样性；当适应度小于截止值或迭代达到最大遗传代数时终止遗传；

适应度函数通过对时隙抖动变量Var应用指数变化法得到：

Images