CN113766601B - 基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法 - Google Patents

基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法 Download PDF

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CN113766601B CN202111111482.4A CN202111111482A CN113766601B CN 113766601 B CN113766601 B CN 113766601B CN 202111111482 A CN202111111482 A CN 202111111482A CN 113766601 B CN113766601 B CN 113766601B
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Abstract

本发明公开了一种基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，该方法包括以下步骤：申请阶段：有业务数据流传输需求的节点即请求节点向网络中的调度规划节点P提出申请，发送请求消息RTS；调度规划阶段：调度规划节点P收到来自请求节点的请求消息RTS之后，进行协同中继传输的调度规划操作；通告阶段：调度规划节点P为请求节点进行了协同中继传输的调度规划操作后，发送响应消息CTS，将相关结果反馈给请求节点；传输阶段：收到响应消息CTS之后，请求节点根据通告的信息内容，决定如何进行协同中继传输。本发明为数据传输建立了协同中继传输路径，并为路径工作规划了所需的TDMA信道传输时隙，优化了信道资源的利用。

Description

基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法
技术领域
本发明涉及无线自组织网络通信技术领域，尤其涉及一种基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法。
背景技术
无线自组织网络是一种可快速部署、灵活组建的网络，其网络拓扑受节点位置移动变化、通信环境影响等可能会不断有所改变，并且节点与节点之间的通信关系呈多跳网状连接关系。应用于恶劣电磁环境下，自组织网络的无线链路往往表现出传输速率低，丢包严重，链路不可靠等突出问题，而协同中继传输是一种改善链路传输性能，使高稳定性的数据传递和增大网络容量成为可能的重要技术。协同中继传输将虚拟多天线技术和中继技术联合运用，是一种利用无线网络中多个中继节点相互协作形成虚拟多天线的方式来获得空间分集增益的技术，能有效抵抗信道衰落效应，提升传输速率和可靠性。
协同中继传输应用于多跳网状拓扑结构的无线自组织网络中，需要解决从数据发送源节点到目的接收节点之间的中继协作传输路径构建的问题。一条协作传输路径由一个数据发送的源节点、多个中继节点以及一个数据接收的目的节点构成。现有协同中继传输技术应用多针对源节点和目的节点之间一跳可达的场景设计，而对于源节点和目的节点之间需要多跳传输的自组织网络而言，多个通信节点对之间呈现竞争关系，因此控制通信节点对之间协同中继传输行为的冲突干扰是影响系统有效工作的重要因素。多跳无线自组织网络中，多个源-目的节点之间协同中继传输路径的选择和信道资源规划问题给系统的应用设计带来了更大的挑战。
无线自组织网络中，协同中继传输技术的应用需要保证能够同时调度相关节点进行联合协作，服务于网络中多个源-目的节点对之间的业务通信，并满足源-目的节点之间业务通信的传输速率要求。因每个节点在网络中所处的通信位置和连接关系不同，各个源-目的节点对之间通信所需依赖于参与协同中继转发的节点也因此各不相同，设计需要构建从源节点通向目的节点的特定协作路径，使得协作路径上的节点逐跳依次进行协同中继转发，从而将数据可靠传递至目的节点。
发明内容
本发明针对协同中继传输技术在无线自组织网络中的应用，提出了一种基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，该方法针对源节点向目的节点的数据传输需求，通过调度规划操作方法设计，为数据传输建立由网络中多个节点共同参与的协同中继传输路径，并以全网高效调度多条路径并行无冲突工作为目标，为路径工作规划了所需的TDMA信道传输时隙，优化信道资源的利用，使得网络可支持更多的协作路径通信。
为了在多跳无线自组织网络中实现高效的节点协同中继传输，本发明采用的技术方案如下：
一种基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，包括以下步骤：
步骤S1.申请阶段：有业务数据流传输需求的节点即请求节点向网络中的调度规划节点P提出申请，发送请求消息RTS；
步骤S2.调度规划阶段：调度规划节点P收到来自请求节点的请求消息RTS之后，进行协同中继传输的调度规划操作，即检查判断不同路径之间是否存在冲突干扰，并为路径上不发生相互冲突干扰的多个协作路径共享分配相同的信道时隙，调度其在网络中同时进行数据的协同中继传输；
步骤S3.通告阶段：调度规划节点P为请求节点进行了协同中继传输的调度规划操作后，发送响应消息CTS，将相关结果反馈给请求节点；
步骤S4.传输阶段：收到响应消息CTS之后，请求节点根据通告的信息内容，决定如何进行协同中继传输；如果调度规划结果指示未成功，表明当前网络中没有足够的信道资源可分配给请求节点传输使用，请求节点暂无法开启业务数据流的传输；如果调度规划结果指示成功，则请求节点开始利用通告的调度规划传输时隙进行协同中继传输。
进一步地，步骤S2中，调度规划节点P执行的调度规划操作包括以下步骤：
步骤S210：以无向图G＝(V,E)和邻接矩阵H＝[hpq]表示网络中节点之间拓扑连接关系，其中V为网络中节点集合，E为网络中节点之间连接集合，1≤p≤|V|，1≤q≤|V|，hpq＝1或0，hpq＝1表示节点p和q之间存在连接e(p,q)∈E，否则表示没有邻接关系；基于邻接矩阵H计算源节点Sx和目的节点Dx之间的最短跳数距离d(Sx→Dx)；
步骤S220：根据源节点Sx的请求消息RTS中通告的数据发送速率Cx，计算协作路径Pathx(Sx→Dx)传输所需要的信道时隙数J；
步骤S230：初始化参数i＝1、j＝0；
步骤S240：从TDMA信道时帧第i时隙开始计算，检查第i时隙是否可用于协作路径Pathx(Sx→Dx)；如果第i时隙能够用于新路径Pathx(Sx→Dx)，则更新参数j＝j+1，这里j用于记录当前已为协作路径Pathx(Sx→Dx)分配的时隙数；第i时隙检查完后，更新参数i＝i+1；
步骤S250：重复步骤S240，直至j≥J或i＞I时，执行结束，其中I为时帧中可作分配使用的时隙数量；如果j≥J，则表明协作路径Pathx(Sx→Dx)传输所需的时隙全部已进行分配；如果j＜J，则通告源节点Sx无法完成时隙分配。
进一步地，步骤S220中，若TDMA信道的时帧长度为T，节点在单位TDMA时隙内可发送的数据量为Q，则所需要的信道时隙数J为：
Figure BDA0003274034170000041
上式中，
Figure BDA0003274034170000042
运算符表示向上取整，σ表示时隙复用因子。
进一步地，当d(Sx→Dx)+W≥3时，σ＝3；否则，σ＝d(Sx→Dx)+W；其中W为协同中继传输路径构建的宽度控制参数，当网络节点密度较大时，选取较小的W，避免参与协同中继的节点数过多；当网络节点较稀疏时，选取较大的W，使得在更大范围内选取路径上的节点，让更多的节点参与到协同中继传输中来。
进一步地，假设网络中已启动的M条协同中继传输路径{Pathm(m＝1,2,3,…,M)}中，分配占用了第i时隙的有路径集合为{Path-ik(k＝1,2,3,…,Mi)}，步骤S240中，检查第i时隙是否可用于协作路径Pathx(Sx→Dx)包括以下步骤：
步骤S241：将图G中所有节点采用白色进行着色，然后将集合{Path-ik(k＝1,2,3,…,Mi)}中路径相关的节点着色为黑色；以Bw表示图G中的白色节点集，Bb表示图G中的黑色节点集；
步骤S242：判定源节点Sx和目的节点Dx是否均为白色节点；如果是，则继续执行下一步骤；否则，检查过程结束，时隙i不可以用于新路径Pathx(Sx→Dx)；
步骤S243：创建一个空队列Queue，并将源节点Sx加入到队列Queue中去，同时把节点Sx着色为灰色；
步骤S244：以Q表示队列Queue中节点的集合，R表示图G中的灰色节点集合；以FIFO先入先出的顺序取出队列Queue中队首的节点u，依次访问其所有的一跳邻居节点v∈N(u)且
Figure BDA0003274034170000051
并计算最短跳数距离d(Sx→v)和d(v→Dx)，判定条件d(Sx→v)+d(v→Dx)≤d(Sx→Dx)+W是否满足；如果节点v满足该条件，且节点v是白色节点，则将节点v着色为灰色，并将节点v加入队列Queue；如果节点v满足条件，但节点v是黑色节点，则表明无法构建和路径{Path-ik(k＝1,2,3,…,Mi)}共存的新路径Pathx(Sx→Dx)，检查过程结束，时隙i不可用；
步骤S245：重复步骤S244，直至目的节点Dx着色为灰色且队列Queue为空时，新路径Pathx(Sx→Dx)构建结束，并记录Pathx(Sx→Dx)；检查过程结束，时隙i能够用于新路径Pathx(Sx→Dx)；图G中灰色节点构成了从源节点Sx到目的节点Dx的协同中继传输路径Pathx(Sx→Dx)，且Pathx(Sx→Dx)与{Path-ik(k＝1,2,3,…,Mi)}能够同时启动工作。
进一步地，步骤S241中，将集合{Path-ik(k＝1,2,3,…,Mi)}中路径相关的节点着色为黑色包括以下步骤：
步骤S241a：初始化参数k＝1；
步骤S241b：着色路径Path-ik(Sik→Dik)相关的节点，创建一个空队列Queuek，并将源节点Sik加入到队列Queuek中去，同时把源节点Sik着色为黑色；
步骤S241c：以Qk表示队列Queuek中节点的集合，Rk表示黑色节点集合；以FIFO先入先出的顺序取出队列Queuek中队首的节点u，依次访问其所有的一跳邻居节点v∈N(u)且
Figure BDA0003274034170000061
并计算最短跳数距离d(Sik→v)和d(v→Dik)，判定条件d(Sik→v)+d(v→Dik)≤d(Sx→Dx)+W是否满足；如果节点v满足该条件，则将节点v着色为黑色，并将节点v加入队列Queuek；
步骤S241d：重复步骤S241c，直至目的节点Dik着色为黑色且队列Queuek为空时，路径Path-ik(Sik→Dik)相关节点的着色结束，更新参数k＝k+1；当k＞Mi时，执行下一步骤，着色路径保护间隔内的节点；否则，转入步骤S241b执行；
步骤S241e：创建一个空队列Queuei，并将Rk中节点加入到队列Queuei中去；
步骤S241f：以Qi表示队列Queuei中节点的集合，依次遍历队列Queuei中的所有节点，当保护间隔控制参数Safeguard＝1时，依次访问其中每一个节点u∈Qi的所有一跳邻居节点v∈N(u)，如果节点v是白色节点，则将节点v着色为黑色；当保护间隔控制参数Safeguard＝2时，依次访问其中每一个节点u∈Qi的所有两跳邻居节点v∈N2(u)，如果节点v是白色节点，则将节点v着色为黑色；其中，保护间隔控制参数Safeguard表示协作路径之间相互不发生中继传输干扰的保护间隔距离。
进一步地，步骤S4中，假设源节点收到响应消息CTS通告的调度规划传输时隙分别为每TDMA时帧中的第a1/a2/a3/…/al时隙，共计l个时隙；源节点从第F时帧开始传输，源节点在F帧的a1时隙中发送第一个数据A1，距离源节点一跳的节点在a2时隙中执行A1数据的协同中继转发，距离源节点二跳的节点则在a3时隙中继续进行协同中继转发；依次类推，距离源节点第n跳的节点在第an+1时隙中对A1数据进行协同中继转发，最大跳数n满足条件n+1≤d(Sx→Dx)+W；当n+1＞l时，第n跳的节点需要在下一时帧中的第ax时隙对A1数据进行协同中继转发，其中x＝(n+1)mod l；距离源节点三跳的节点中继转发时与源节点互不发生干扰，因此源节点能够在第a4时隙中发送第二个数据A2，收到A2数据的一跳节点将在a5时隙中执行协同中继转发，如此继续，形成从源节点到目的节点数据传输的流水式操作。
进一步地，调度规划节点P为网络中预先指定的一个节点，或网络中动态选择的一个节点。
进一步地，请求消息RTS以广播洪泛或点对点单播的方式向调度规划节点P进行传输。
进一步地，请求消息RTS包括源节点ID、目的节点ID、数据发送速率和序列号，响应消息CTS包括源节点ID、目的节点ID、数据发送速率、序列号、调度规划结果指示和调度规划传输时隙。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采取由调度规划节点进行协作传输路径的构建和相应信道资源的调度规划设计，利用网络拓扑信息，通过调度规划节点为网络中多个源节点与目的节点之间的传输请求分别规划路径和资源，确保不同协作路径之间不发生冲突干扰，保证了网络中多条数据流传输的有效进行。
(2)本发明在构建协作路径和分配TDMA信道资源的过程中，通过处理分析，检查判断不同路径之间是否存在冲突干扰，并为路径上不发生相互冲突干扰的多个协作路径共享分配相同的信道时隙，调度其在网络中同时进行数据的协同中继传输，提高了信道资源利用率，有利于增加网络传输容量。
附图说明
图1本发明实施例1的基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法的流程图。
图2一种无线自组织网络拓扑连接图示。
图3本发明实施例2的路径Path1(2→16)构建图示。
图4本发明实施例2的路径Path2(20→17)构建图示。
图5本发明实施例2的路径Path3(4→8)构建图示。
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。
实施例1
本实施例假设网络中节点通过拓扑学习，获得了网络中各个节点之间完整的拓扑连接关系。为了描述方便，本实施例以无向图G＝(V,E)来表示网络的拓扑连接关系，其中V为网络中节点集合，E为网络中节点之间连接集合。对于网络中存在一跳连接的两个节点u和v，e(u,v)表示节点u、v之间的连接，有e(u,v)∈E。以N(u)表示节点u的一跳邻居节点集合，N2(u)表示节点u的两跳邻居节点集合，|A|表示集合A中元素的个数。本实施例以邻接矩阵H＝[hpq]表示网络中节点之间拓扑连接关系，其中1≤p≤|V|，1≤q≤|V|，hpq＝1或0，hpq＝1表示节点p和q之间存在连接e(p,q)∈E，否则表示没有邻接关系。网络采用TDMA时分多址接入方式，网络中各个节点进行数据传输需要在所分配的TDMA信道时隙中进行发送，节点以TDMA时帧为单位周期性地获得在分配的时隙中进行发送的机会，每时帧中共计I个时隙可作分配使用。
针对网络中多个节点S1，S2，…，Sn分别需要向多个对应目的节点D1，D2，…，Dn进行业务数据流传输的应用情形，为了在网络中构建多个利用节点协同中继传输的路径，本实施例提供了一种基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，包括四个步骤：申请阶段、调度规划阶段、通告阶段以及传输阶段，如图1所示。
(1)申请阶段
有业务数据流传输需求的节点即请求节点向网络中的调度规划节点P(P∈V)提出申请，发送请求消息RTS(Request To Send)。
优选地，调度规划节点P可以是网络中预先指定的一个节点，也可以是网络中动态选择的一个节点，例如根据节点标识编号即节点ID(identification)选举确定的全网节点中最小ID或是最大ID的节点。请求消息RTS中至少包含表1所示的信息内容。
表1-请求消息RTS包含的信息内容
Figure BDA0003274034170000091
Figure BDA0003274034170000101
请求消息RTS由源节点发出，优选地，可以以广播洪泛或是点对点单播的方式向调度规划节点P进行传输，其中广播洪泛的优点是在多跳自组织网络中不需要依赖于路由信息。
(2)调度规划阶段
调度规划节点P收到来自请求节点的请求消息RTS之后，进行协同中继传输的调度规划操作。
假设调度规划节点P在收到来自源节点Sx申请向目的节点Dx传输的请求消息RTS时，网络中已启动有M条用于不同源节点向相应目的节点协同中继传输的协作路径，第m条路径表示为Pathm(Sm→Dm)，其中Sm表示协作路径m传输的源节点，Dm表示协作路径m传输的目的节点。同一时刻网络中的一个节点只能参与到一条协作路径上进行中继传输，否则将造成多路径之间的冲突干扰，不同路径上中继转发的数据出错。不仅如此，无线传输在一定范围会形成电磁波信号辐射，这将导致协作路径之间在距离有限的条件下可能相互干扰对方的中继传输。设定协作路径{Pathi(i＝1,2,3,…,k)}之间相互不发生中继传输干扰的保护间隔距离由保护间隔控制参数(Safeguard)来定义，通常Safeguard参数可以设定为1跳或是2跳距离。
具体地，调度规划节点P执行的调度规划操作包括以下步骤：
步骤S210：基于邻接矩阵H计算源节点Sx和目的节点Dx之间的最短跳数距离d(Sx→Dx)；
步骤S220：根据源节点Sx的请求消息RTS中通告的数据发送速率Cx，计算协作路径Pathx(Sx→Dx)传输所需要的信道时隙数J；
步骤S230：初始化参数i＝1、j＝0；
步骤S240：从TDMA信道时帧第i时隙开始计算，检查第i时隙是否可用于协作路径Pathx(Sx→Dx)；如果第i时隙能够用于新路径Pathx(Sx→Dx)，则更新参数j＝j+1，这里j用于记录当前已为协作路径Pathx(Sx→Dx)分配的时隙数；第i时隙检查完后，更新参数i＝i+1；
步骤S250：重复步骤S240，直至j≥J或i＞I时，执行结束，其中I为时帧中可作分配使用的时隙数量；如果j≥J，则表明协作路径Pathx(Sx→Dx)传输所需的时隙全部已进行分配；如果j＜J，则通告源节点Sx无法完成时隙分配。
优选地，步骤S220中，若TDMA信道的时帧长度为T，节点在单位TDMA时隙内可发送的数据量为Q，则所需要的信道时隙数J为：
Figure BDA0003274034170000111
上式中，
Figure BDA0003274034170000112
运算符表示向上取整，σ表示时隙复用因子。更为优选地，当d(Sx→Dx)+W≥3时，σ＝3；否则，σ＝d(Sx→Dx)+W；其中W为协同中继传输路径构建的宽度控制参数，通常可以取值W＝0，1或2。当网络节点密度较大时，选取较小的W，避免参与协同中继的节点数过多；当网络节点较稀疏时，选取较大的W，使得在更大范围内选取路径上的节点，让更多的节点参与到协同中继传输中来。
优选地，假设网络中已启动的M条协同中继传输路径{Pathm(m＝1,2,3,…,M)}中，分配占用了第i时隙的有路径集合为{Path-ik(k＝1,2,3,…,Mi)}，步骤S240中，检查第i时隙是否可用于协作路径Pathx(Sx→Dx)包括以下步骤：
步骤S241：将图G中所有节点采用白色进行着色，然后将集合{Path-ik(k＝1,2,3,…,Mi)}中路径相关的节点着色为黑色；以Bw表示图G中的白色节点集，Bb表示图G中的黑色节点集；
步骤S242：判定源节点Sx和目的节点Dx是否均为白色节点；如果是，则继续执行下一步骤；否则，检查过程结束，时隙i不可以用于新路径Pathx(Sx→Dx)；
步骤S243：创建一个空队列Queue，并将源节点Sx加入到队列Queue中去，同时把节点Sx着色为灰色；
步骤S244：以Q表示队列Queue中节点的集合，R表示图G中的灰色节点集合；以FIFO先入先出的顺序取出队列Queue中队首的节点u，依次访问其所有的一跳邻居节点v∈N(u)且
Figure BDA0003274034170000121
并计算最短跳数距离d(Sx→v)和d(v→Dx)，判定条件d(Sx→v)+d(v→Dx)≤d(Sx→Dx)+W是否满足；如果节点v满足该条件，且节点v是白色节点，则将节点v着色为灰色，并将节点v加入队列Queue；如果节点v满足条件，但节点v是黑色节点，则表明无法构建和路径{Path-ik(k＝1,2,3,…,Mi)}共存的新路径Pathx(Sx→Dx)，检查过程结束，时隙i不可用；
步骤S245：重复步骤S244，直至目的节点Dx着色为灰色且队列Queue为空时，新路径Pathx(Sx→Dx)构建结束，并记录Pathx(Sx→Dx)；检查过程结束，时隙i能够用于新路径Pathx(Sx→Dx)；图G中灰色节点构成了从源节点Sx到目的节点Dx的协同中继传输路径Pathx(Sx→Dx)，且Pathx(Sx→Dx)与{Path-ik(k＝1,2,3,…,Mi)}能够同时启动工作。
通过上述步骤，调度规划节点P将为新的协同中继传输路径Pathx(Sx→Dx)找到能够与其同时工作而互不冲突干扰的已有协作路径。同时工作的协作路径可以分配相同的TDMA时隙进行传输，实现信道时隙空间复用，从而提高时隙的利用率，在有限的信道资源上支持更多的协作路径传输，增强网络的传输能力。
优选地，步骤S241中，将集合{Path-ik(k＝1,2,3,…,Mi)}中路径相关的节点着色为黑色包括以下步骤：
步骤S241a：初始化参数k＝1；
步骤S241b：着色路径Path-ik(Sik→Dik)相关的节点，创建一个空队列Queuek，并将源节点Sik加入到队列Queuek中去，同时把源节点Sik着色为黑色；
步骤S241c：以Qk表示队列Queuek中节点的集合，Rk表示黑色节点集合；以FIFO先入先出的顺序取出队列Queuek中队首的节点u，依次访问其所有的一跳邻居节点v∈N(u)且
Figure BDA0003274034170000131
并计算最短跳数距离d(Sik→v)和d(v→Dik)，判定条件d(Sik→v)+d(v→Dik)≤d(Sx→Dx)+W是否满足；如果节点v满足该条件，则将节点v着色为黑色，并将节点v加入队列Queuek；
步骤S241d：重复步骤S241c，直至目的节点Dik着色为黑色且队列Queuek为空时，路径Path-ik(Sik→Dik)相关节点的着色结束，更新参数k＝k+1；当k＞Mi时，执行下一步骤，着色路径保护间隔内的节点；否则，转入步骤S241b执行；
步骤S241e：创建一个空队列Queuei，并将Rk中节点加入到队列Queuei中去；
步骤S241f：以Qi表示队列Queuei中节点的集合，依次遍历队列Queuei中的所有节点，当保护间隔控制参数Safeguard＝1时，依次访问其中每一个节点u∈Qi的所有一跳邻居节点v∈N(u)，如果节点v是白色节点，则将节点v着色为黑色；当保护间隔控制参数Safeguard＝2时，依次访问其中每一个节点u∈Qi的所有两跳邻居节点v∈N2(u)，如果节点v是白色节点，则将节点v着色为黑色；其中，保护间隔控制参数Safeguard表示协作路径之间相互不发生中继传输干扰的保护间隔距离。
(3)通告阶段
调度规划节点P为请求节点进行了协同中继传输的调度规划操作后，发送响应消息CTS(Clear To Send)，将相关结果反馈给请求节点。响应消息CTS中至少包含表2所示的信息内容。
表2-响应消息CTS包含的信息内容
Figure BDA0003274034170000141
(4)传输阶段
收到响应消息CTS之后，请求节点根据通告的信息内容，决定如何进行协同中继传输；如果调度规划结果指示未成功，表明当前网络中没有足够的信道资源可分配给请求节点传输使用，请求节点暂无法开启业务数据流的传输；如果调度规划结果指示成功，则请求节点开始利用通告的调度规划传输时隙进行协同中继传输。
优选地，假设源节点收到响应消息CTS通告的调度规划传输时隙分别为每TDMA时帧中的第a1/a2/a3/…/al时隙，共计l个时隙；源节点从第F时帧开始传输，源节点在F帧的a1时隙中发送第一个数据A1，距离源节点一跳的节点在a2时隙中执行A1数据的协同中继转发，距离源节点二跳的节点则在a3时隙中继续进行协同中继转发；依次类推，距离源节点第n跳的节点在第an+1时隙中对A1数据进行协同中继转发，最大跳数n满足条件n+1≤d(Sx→Dx)+W；当n+1＞l时，第n跳的节点需要在下一时帧中的第ax时隙对A1数据进行协同中继转发，其中x＝(n+1)mod l；距离源节点三跳的节点中继转发时与源节点互不发生干扰，因此源节点能够在第a4时隙中发送第二个数据A2，收到A2数据的一跳节点将在a5时隙中执行协同中继转发，如此继续，形成从源节点到目的节点数据传输的流水式操作。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上：
如图2所示是一种无线自组织网络拓扑连接图示，其中链接虚线表示节点一跳发送可以到达的邻居节点，数字表示节点的ID。示例中共20个节点形成了一个多跳网状连接的网络，以此网络拓扑图示为例，具体说明本实施例的基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，但本实施例的方法并不局限于在此网络拓扑下使用。
在本实施例中，设定工作参数如表3所示。
表3-网络示例工作参数设定
Figure BDA0003274034170000151
Figure BDA0003274034170000161
在本实施例中，网络需要依次建立3条从不同源节点向相应目的节点传输的协同中继传输路径，分别如表4所示。
表4-协同中继传输路径
序号 传输路径 路径说明
1 Path1(2→16) 源节点2，目的节点16
2 Path2(20→17) 源节点20，目的节点17
3 Path3(4→8) 源节点4，目的节点8
选择节点1作为网络的调度规划节点，各条路径的构建过程如下：
(1)路径Path1(2→16)构建
当节点2需要向目的节点16发起业务数据流传输时，节点2首先向节点1发送RTS请求。节点1收到RTS请求后，对节点2向节点16的协同中继传输路径Path1(2→16)进行调度规划，执行步骤S210～S250。根据节点2的数据发送速率需求，计算所需的时隙数J。假设在步骤S220中，获得的计算结果为J＝5。在步骤S240中，检查TDMA时帧的第1个时隙是否可用于协作路径Path1(2→16)。由于当前网络中尚不存在已启动的协作路径，因此时隙1可用于新路径Path1(2→16)的传输。同样地，重复步骤S240，将以此为请求节点2分配全部所需的5个时隙，分别为TDMA时帧的时隙1、时隙2、时隙3、时隙4、时隙5。路径Path1(2→16)构建结果如图3所示。完成调度规划后，节点1将调度规划结果通过响应消息CTS通告给节点2。
节点2收到节点1通告的结果后，节点2开始在启动路径传输的第1个时帧中的时隙1发送首个数据A1，一跳节点1/12/13在时隙2中对A1进行协同中继转发，二跳节点11/15在时隙3中对A1进行协同中继转发。在时隙4中，节点2将发送第二个数据A2，一跳节点1/12/13在时隙5中对A2进行协同中继转发，而二跳节点11/15则在下一个时帧中的时隙1中对A2进行协同中继转发。如此不断地，节点2通过所构建路径的协同中继传输将数据向目的节点16持续传递。
(2)路径Path2(20→17)构建
传输路径Path1(2→16)启动工作后，当节点20需要向目的节点17发起业务数据流传输时，节点20向节点1发送RTS请求。节点1收到RTS请求后，对节点20向节点17的协同中继传输路径Path2(20→17)进行调度规划，执行步骤S210～S250。根据节点20的数据发送速率需求，计算所需的时隙数J。假设在步骤S220中，获得的计算结果为J＝3。在步骤S240中，检查TDMA时帧的第1个时隙是否可用于协作路径Path2(20→17)。由于当前网络中时隙1已被规划用于协作路径Path1(2→16)，在步骤S242的判定中，源节点20和目的节点17均非白色节点，因此时隙1不可用于新路径Path2(20→17)的传输。同样地，重复步骤S240，将检查出时隙2、时隙3、时隙4、时隙5均不可用于新路径Path2(20→17)的传输，直到发现时隙6、时隙7、时隙8可以用于新路径Path2(20→17)的传输。最终，为请求节点20分配了全部所需的3个时隙，分别为TDMA时帧的时隙6、时隙7、时隙8。路径Path2(20→17)构建结果如图4所示。完成调度规划后，节点1将调度规划结果通过响应消息CTS通告给节点20。
节点20收到节点1通告的结果后，节点20开始在启动路径传输的第1个时帧中的时隙6发送首个数据A1，一跳节点11/19在时隙7中对A1进行协同中继转发，二跳节点12/16/18在时隙8中对A1进行协同中继转发，三跳节点15则在下一个时帧中的时隙6中对A1进行协同中继转发。在第2个时帧的时隙6中，节点20将发送第二个数据A2，一跳节点11/19在第2个时帧的时隙7中对A2进行协同中继转发，而二跳节点12/16/18则在第2个时帧中的时隙8中对A2进行协同中继转发。如此不断地，节点20通过所构建路径的协同中继传输将数据向目的节点17持续传递。
(3)路径Path3(4→8)构建
传输路径Path1(2→16)和Path2(20→17)启动工作后，当节点4需要向目的节点8发起业务数据流传输时，节点4向节点1发送RTS请求。节点1收到RTS请求后，对节点4向节点8的协同中继传输路径Path3(4→8)进行调度规划，执行步骤S210～S250。根据节点4的数据发送速率需求，计算所需的时隙数J。假设在步骤S220中，获得的计算结果为J＝4。在步骤S240中，检查TDMA时帧的第1个时隙是否可用于协作路径Path3(4→8)。由于当前网络中时隙1已被规划用于协作路径Path1(2→16)，在执行步骤S240时，将发现Path3(4→8)路径上的节点是黑色节点，因此检查结果表明时隙1不可用于新路径Path3(4→8)的传输。
重复步骤S240，依次检查时隙2/3/4/5，分别经过步骤S241～S245的执行，结果表明均不可用于新路径Path3(4→8)。继续检查时隙6，时隙6已被规划用于协作路径Path2(20→17)，经过步骤S241～S245的执行，获得新路径Path3(4→8)，并且新路径可以和Path2(20→17)共存而互不冲突干扰，因此时隙6可以用于新路径Path3(4→8)的传输。图5给出了步骤S241～S245执行过程中节点着色的结果和路径Path3(4→8)构建的结果。同样地，重复步骤S240，完成对时隙7和时隙8的检查，结果均表明可用于新路径Path3(4→8)。
继续执行步骤S240，将在检查时隙9时发现该时隙可用于新路径Path3(4→8)。这样，最终为请求节点4分配了全部所需的4个时隙，分别为TDMA时帧的时隙6、时隙7、时隙8、时隙9。完成调度规划后，节点1将调度规划结果通过响应消息CTS通告给节点4。
节点4收到节点1通告的结果后，节点4开始在启动路径传输的第1个时帧中的时隙6发送首个数据A1，一跳节点3/9在时隙7中对A1进行协同中继转发，二跳节点5在时隙8中对A1进行协同中继转发。在时隙9中，节点4将发送第二个数据A2，一跳节点3/9在下一个时帧中的时隙6对A2进行协同中继转发，而二跳节点5则在下一个时帧的时隙7中对A2进行协同中继转发。如此不断地，节点4通过所构建路径的协同中继传输将数据向目的节点8持续传递。
需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

Claims (9)

1.一种基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1. 申请阶段：有业务数据流传输需求的节点即请求节点向网络中的调度规划节点P提出申请，发送请求消息RTS；
步骤S2. 调度规划阶段：调度规划节点P收到来自请求节点的请求消息RTS之后，进行协同中继传输的调度规划操作，即检查判断不同路径之间是否存在冲突干扰，并为路径上不发生相互冲突干扰的多个协作路径共享分配相同的信道时隙，调度其在网络中同时进行数据的协同中继传输；
步骤S3. 通告阶段：调度规划节点P为请求节点进行了协同中继传输的调度规划操作后，发送响应消息CTS，将相关结果反馈给请求节点；
步骤S4. 传输阶段：收到响应消息CTS之后，请求节点根据通告的信息内容，决定如何进行协同中继传输；如果调度规划结果指示未成功，表明当前网络中没有足够的信道资源可分配给请求节点传输使用，请求节点暂无法开启业务数据流的传输；如果调度规划结果指示成功，则请求节点开始利用通告的调度规划传输时隙进行协同中继传输；
步骤S2中，调度规划节点P执行的调度规划操作包括以下步骤：
步骤S210：以无向图G = (V, E)和邻接矩阵H=[h pq]表示网络中节点之间拓扑连接关系，其中V为网络中节点集合，E为网络中节点之间连接集合，1≤p≤|V|，1≤q≤|V|，h pq=1或0，h pq=1表示节点p和q之间存在连接e(p, q)∈E，否则表示没有邻接关系；基于邻接矩阵H计算源节点S x和目的节点D x之间的最短跳数距离d(S x→D x)；
步骤S220：根据源节点S x的请求消息RTS中通告的数据发送速率C x，计算协作路径Pathx(S x→D x)传输所需要的信道时隙数J；
步骤S230：初始化参数i=1、j=0；
步骤S240：从TDMA信道时帧第i时隙开始计算，检查第i时隙是否可用于协作路径Pathx(S x→D x)；如果第i时隙能够用于新路径Pathx(S x→D x)，则更新参数j=j+1，这里j用于记录当前已为协作路径Pathx(S x→D x)分配的时隙数；第i时隙检查完后，更新参数i=i+1；
步骤S250：重复步骤S240，直至j≥J或i＞I时，执行结束，其中I为时帧中可作分配使用的时隙数量；如果j≥J，则表明协作路径Pathx(S x→D x)传输所需的时隙全部已进行分配；如果j＜J，则通告源节点S x无法完成时隙分配。
2.根据权利要求1所述的基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，其特征在于，步骤S220中，若TDMA信道的时帧长度为T，节点在单位TDMA时隙内可发送的数据量为Q，则所需要的信道时隙数J为：
Figure QLYQS_1
上式中，
Figure QLYQS_2
运算符表示向上取整，σ表示时隙复用因子。
3.根据权利要求2所述的基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，其特征在于，当d(S x→D x)+W≥3时，σ=3；否则，σ=d(S x→D x)+W；其中W为协同中继传输路径构建的宽度控制参数。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，其特征在于，假设网络中已启动的M条协同中继传输路径{Pathm（m=1,2,3,…,M）}中，分配占用了第i时隙的有路径集合为{Path-i k（k=1,2,3,…,M i）}，步骤S240中，检查第i时隙是否可用于协作路径Pathx(S x→D x)包括以下步骤：
步骤S241：将图G中所有节点采用白色进行着色，然后将集合{Path-i k（k=1,2,3,…,M i）}中路径相关的节点着色为黑色；以B w表示图G中的白色节点集，B b表示图G中的黑色节点集；
步骤S242：判定源节点S x和目的节点D x是否均为白色节点；如果是，则继续执行下一步骤；否则，检查过程结束，时隙i不可以用于新路径Pathx(S x→D x)；
步骤S243：创建一个空队列Queue，并将源节点S x加入到队列Queue中去，同时把节点S x着色为灰色；
步骤S244：以Q表示队列Queue中节点的集合，R表示图G中的灰色节点集合；以FIFO先入先出的顺序取出队列Queue中队首的节点u，依次访问其所有的一跳邻居节点v∈N(u)且v∉R，并计算最短跳数距离d(S x→v)和d(v→D x)，判定条件d(S x→v)+d(v→D x)≤d(S x→D x)+W是否满足；如果节点v满足该条件，且节点v是白色节点，则将节点v着色为灰色，并将节点v加入队列Queue；如果节点v满足条件，但节点v是黑色节点，则表明无法构建和路径{Path-i k（k=1,2,3,…,M i）}共存的新路径Pathx(S x→D x)，检查过程结束，时隙i不可用；
步骤S245：重复步骤S244，直至目的节点D x着色为灰色且队列Queue为空时，新路径Pathx(S x→D x)构建结束，并记录Pathx(S x→D x)；检查过程结束，时隙i能够用于新路径Pathx(S x→D x)；图G中灰色节点构成了从源节点S x到目的节点D x的协同中继传输路径Pathx(S x→D x)，且Pathx(S x→D x)与{Path-i k（k=1,2,3,…,M i）}能够同时启动工作。
5.根据权利要求4所述的基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，其特征在于，步骤S241中，将集合{Path-i k（k=1,2,3,…,M i）}中路径相关的节点着色为黑色包括以下步骤：
步骤S241a：初始化参数k=1；
步骤S241b：着色路径Path-i k(S ik→D ik)相关的节点，创建一个空队列Queuek，并将源节点S ik加入到队列Queuek中去，同时把源节点S ik着色为黑色；
步骤S241c：以Q k表示队列Queuek中节点的集合，R k表示黑色节点集合；以FIFO先入先出的顺序取出队列Queuek中队首的节点u，依次访问其所有的一跳邻居节点v∈N(u)且v∉R k，并计算最短跳数距离d(S ik→v)和d(v→D ik)，判定条件d(S ik→v)+ d(v→D ik)≤d(S x→D x)+W是否满足；如果节点v满足该条件，则将节点v着色为黑色，并将节点v加入队列Queuek；
步骤S241d：重复步骤S241c，直至目的节点D ik着色为黑色且队列Queuek为空时，路径Path-i k(S ik→D ik)相关节点的着色结束，更新参数k=k+1；当k＞M i时，执行下一步骤，着色路径保护间隔内的节点；否则，转入步骤S241b执行；
步骤S241e：创建一个空队列Queuei，并将R k中节点加入到队列Queuei中去；
步骤S241f：以Q i表示队列Queuei中节点的集合，依次遍历队列Queuei中的所有节点，当保护间隔控制参数Safeguard=1时，依次访问其中每一个节点u∈Q i的所有一跳邻居节点v∈N(u)，如果节点v是白色节点，则将节点v着色为黑色；当保护间隔控制参数Safeguard=2时，依次访问其中每一个节点u∈Q i的所有两跳邻居节点v∈N 2(u)，如果节点v是白色节点，则将节点v着色为黑色；其中，保护间隔控制参数Safeguard表示协作路径之间相互不发生中继传输干扰的保护间隔距离。
6.根据权利要求1-3任一项所述的基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，其特征在于，步骤S4中，假设源节点收到响应消息CTS通告的调度规划传输时隙分别为每TDMA时帧中的第a 1/a 2/a 3/…/a l时隙，共计l个时隙；源节点从第F时帧开始传输，源节点在F帧的a 1时隙中发送第一个数据A 1，距离源节点一跳的节点在a 2时隙中执行A 1数据的协同中继转发，距离源节点二跳的节点则在a 3时隙中继续进行协同中继转发；依次类推，距离源节点第n跳的节点在第a n+1时隙中对A 1数据进行协同中继转发，最大跳数n满足条件n+1≤d(S x→D x)+W；当n+1＞l时，第n跳的节点需要在下一时帧中的第a x时隙对A 1数据进行协同中继转发，其中x = (n+1) mod l；距离源节点三跳的节点中继转发时与源节点互不发生干扰，因此源节点能够在第a 4时隙中发送第二个数据A 2，收到A 2数据的一跳节点将在a 5时隙中执行协同中继转发，如此继续，形成从源节点到目的节点数据传输的流水式操作。
7.根据权利要求1-3任一项所述的基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，其特征在于，调度规划节点P为网络中预先指定的一个节点，或网络中动态选择的一个节点。
8.根据权利要求1-3任一项所述的基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，其特征在于，请求消息RTS以广播洪泛或点对点单播的方式向调度规划节点P进行传输。
9.根据权利要求1-3任一项所述的基于协同中继传输的自组织网络协作传输路径构建方法，其特征在于，请求消息RTS包括源节点ID、目的节点ID、数据发送速率和序列号，响应消息CTS包括源节点ID、目的节点ID、数据发送速率、序列号、调度规划结果指示和调度规划传输时隙。
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