CN115348673B - 一种基于时隙序列资源池的定向自组网时隙动态分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时隙序列资源池的定向自组网时隙动态分配方法，构造全网的时隙序列资源池，时隙序列为二进制序列，时隙序列每一位的“0”和“1”分别代表接收时隙和发送时隙，在某个时隙，两节点之间的序列对应位分别为“0”、“1”时，则可以配对通信；新节点加入网络时，与其建立连接的在网节点根据新入网节点类型以及其与该新入网节点的通信需求，从时隙序列资源池中选择一个时隙序列分配给新入网节点，该新入网节点的天线波束按照分配的时隙序列确定其业务子帧的时隙收发状态，网络中的不同节点可使用相同的时隙序列，从而使得新入网节点分配到的时隙序列与其业务类型有较高的匹配度。

Description

一种基于时隙序列资源池的定向自组网时隙动态分配方法
技术领域
本发明属于无线自组织网络通信领域，涉及一种基于时隙序列资源池的定向自组网时隙动态分配方法。
背景技术
无线自组织网络是一种无中心的自组织网络，不需要物理基站，而是各主机相互连通，主机即可充当服务器，具有高移动、高便捷、容易构建等优势。在物联网、无线城市、智能家居、机器人通讯、紧急救援时快速构建通讯网络等应用场景都有着极大的发展前景。
毫米波高增益的多波束相控阵天线用于无线自组织网络时，天线的多波束能力可以使得每个节点同时与周围多个节点建立连接，且各个波束指向不同，实现空分复用，提升网络容量。同时，通过提高波束增益可提升节点对间的通信速率，并且定向窄波束也有利于提升网络的抗干扰、抗截获性能。
毫米波多波束相控阵天线用于时分体制组网时，多个波束由于共用天线，同一天线上的多个波束在同一时刻只能处于同收或者同发状态。当网络节点较多时，需要对每个节点的收发时隙进行协同设计，才能达到网络容量的最大化。
过往研究中，有将网络中的节点分为奇节点、偶节点两类，在同一时刻只能奇、偶节点对之间进行通信，当奇节点间、偶节点间需要通信时，则需要通过转发。该方法从一定程度上解决了时隙分配问题，实现了网络节点的相互通信，但难以适应不同节点类型、不同业务时延的需求，并且网络通信容量也无法达到最优化。因此，基于多波束相控阵天线的无线自组网在时分通信体制下，各个节点对之间的时隙动态分配尚存在较大的优化空间。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种基于时隙序列资源池的定向自组网时隙动态分配方法网络节点采用多波束相控阵天线，天线同时形成的多个高增益波束与不同节点建立高速链路，定向自组网采用时分通信体制，同一天线的多个波束同时处于发送状态或同时处于接收状态。
节点间的通信帧格式包含1个信令子帧和N个业务子帧，每个信令子帧包含P个时隙，每个业务子帧包含Q个时隙；
构造全网的时隙序列资源池，时隙序列为二进制序列，序列长度等于业务子帧的时隙数量Q，时隙序列资源池中序列最大数量为M=2Q个；时隙序列每一位的“0”和“1”分别代表接收时隙和发送时隙，在某个时隙，两节点之间的序列对应位分别为“0”、“1”时，则可以配对通信；
新节点加入网络时，与其建立连接的在网节点根据新入网节点类型以及其与该新入网节点的通信需求，从时隙序列资源池中选择一个时隙序列分配给新入网节点，该新入网节点的天线波束按照分配的时隙序列确定其业务子帧的时隙收发状态，网络中的不同节点可使用相同的时隙序列；
节点类型包括三类，类型甲为节点收发信息容量相对均衡状态，节点的收发时隙数量接近相等；类型乙为节点以接收周围节点信息为主，节点的时隙分配以接收时隙为主；类型丙为节点以向外输出信息为主，节点的时隙分配以发射时隙为主。
进一步的，每个在网节点分配特定时隙序列后，将时隙序列资源池中的剩余时序系列按照与其配对通信的概率分为超高概率序列、高概率序列、中概率序列和低概率序列四大类，当在网节点为新入网节点分配时隙序列时，根据其与该新入网节点的通信需求在该四大类序列的某一类中进行选择。
进一步的，在网节点发现在网节点时，判断两者之间现有的可通信时隙数量是否满足通信需求，若满足则无需调整时隙序列，若不满足则对网络中各个节点时隙序列进行一次全局优化。
进一步的，系统设置网络优化程序，满足以下两个条件之一即可触发：条件一，两个在网节点的时隙序列无法满足二者之间的通信需求，条件二，网络优化定时器计数达到设定值；网络优化程序触发后，按照设定的代价函数，对全网各个节点的时隙序列进行一次全局优化，并根据优化结果重新分配时隙序列。
进一步的，代价函数包括网络通信容量最大化、网络平均业务通信时延最小化、需变更时隙序列的节点数量最小化。
本发明有益效果：
1、将网络节点分为甲、乙、丙三种类型，在节点新入网时，在网节点根据新入网节点类型初步确定其通信收发时隙需求；同时构造全网的时隙序列资源池，在网节点根据新入网节点类型，从时隙序列资源池中选择与其节点类型相匹配的时隙序列分配给新入网节点，从而使得新入网节点分配到的时隙序列与其业务类型有较高的匹配度；
2、每个在网节点分配特定时隙序列后，将时隙序列资源池中的剩余时序系列按照与其配对通信的概率分为超高概率序列、高概率序列、中概率序列和低概率序列，当其为新入网节点分配时隙序列时，可以根据其与该新入网节点的通信需求分配相匹配的时隙序列给新入网节点，从而达到优化时隙分配的目的；
3、满足条件时进行网络全局优化，对网络中各个节点的时隙序列进行重新优化分配，既可以提升网络总体通信容量，又能适应不同的节点通信需求，满足低时延业务通信需要。
附图说明
图1 为时隙序列长度为8的节点对间的通信帧格式示意图；
图2 为实施例1例举的各个节点时隙序列分配过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
定向自组网的网络节点采用多波束相控阵天线，天线同时形成的多个高增益波束与不同节点建立高速链路，定向自组网采用时分通信体制，同一天线的多个波束同时处于发送状态或同时处于接收状态。
节点间的通信帧格式包含1个信令子帧和N个业务子帧，每个信令子帧包含P个时隙，每个业务子帧包含Q个时隙。本实施例中，Q取值8，其通信帧格式如图1所示。
此时，时隙序列资源池中共有28=256个时隙序列，可以组成32640对节点对。根据节点对间的可通信时隙数量，将时隙序列资源池中的时隙序列分为不同概率对，如表1所示。
表1
序号 定义 可通信时隙数量 节点对数量
1 超高概率节点对 8 128
2 高概率节点对 6、7 4608
3 中概率节点对 3、4、5 23296
4 低概率节点对 1、2 4608
下面结合具体示例对本发明公开的时隙序列动态分配过程进行阐述，参照图2。
1、设初始节点A为类型甲，即其收发时隙数量均衡，节点A初始化分配自己的时隙序列为“01010101”。
2、节点A发现新入网节点B后，当节点B为类型甲节点时，为使得节点A和节点B之间的通信概率最大化，为节点B分配时隙序列“10101010”，即节点A和节点B之间所有时隙均可通信，且收发时隙均为4个。
3、节点A发现新入网节点C后，当节点C为类型乙节点时，为其分配时隙序列“00001010”，即节点A和节点C之间有6个时隙可以进行通信，其中4个时隙为节点A向节点C发送信息，2个时隙为节点C向节点A发送信息。
4、节点A发现新入网节点D后，当节点D为类型乙节点且节点A与其通信需求量较低时，为其分配时隙序列“00000110”，即节点A和节点D之间有4个时隙可以进行通信，其中3个时隙为节点A向节点D发送信息，1个时隙为节点D向节点A发送信息。
5、节点B发现新入网节点E后，当节点E为类型丙节点时，为其分配时隙序列“11110101”，即节点B和节点E之间有6个时隙可以通信，其中4个时隙为节点E向节点B发送信息，2个时隙为节点B向节点E发送信息。
6、节点C发现节点E后，此时节点E已为在网节点，则节点E将其时隙序列发送给节点C，节点C判断出两节点间有8个时隙可以通信，其中6个时隙为节点E向节点C发送信息，2个时隙为节点C向节点E发送信息，既符合节点E的节点类型，又满足两节点间通信需求量高的要求，无需调整其时隙序列。
7、节点D发现新入网节点F后，当节点F为类型甲且节点D与其通信需求量较高时，为其分配时隙序列“10110001”，即节点D和节点F之间有6个时隙可以通信，其中2个时隙为节点D向节点F发送信息，4个时隙为节点F向节点D发送信息。
8、节点E发现节点F后，此时节点F已为在网节点且与节点D建立链路，节点F向节点E发送其时隙序列，节点E分析其与节点F之间的现有可时隙通信数量为2，无法节点E和节点F之间高业务量的通信需求，则触发网络优化程序。
9、网络优化程序触发后，对网络中各个节点时隙序列进行一次全局优化，优化原则主要考虑与节点类型相匹配以适应业务流向，满足节点间的通信量需求以，满足节点间业务传输时延的要求以适应低时延业务，从而使得网络容量最大化。
即便步骤8中的条件不具备，当网络优化定时器计数达到设定值时，也会触发网络优化程序，从而实现网络定时优化。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于时隙序列资源池的定向自组网时隙动态分配方法，网络节点采用多波束相控阵天线，天线同时形成的多个高增益波束与不同节点建立高速链路，定向自组网采用时分通信体制，同一天线的多个波束同时处于发送状态或同时处于接收状态，其特征在于，
节点间的通信帧格式包含1个信令子帧和N个业务子帧，每个信令子帧包含P个时隙，每个业务子帧包含Q个时隙；
构造全网的时隙序列资源池，时隙序列为二进制序列，序列长度等于业务子帧的时隙数量Q，时隙序列资源池中序列最大数量为M=2Q个；时隙序列每一位的“0”和“1”分别代表接收时隙和发送时隙，在某个时隙，两节点之间的序列对应位分别为“0”、“1”时，则可以配对通信；
新节点加入网络时，与其建立连接的在网节点根据新入网节点类型以及其与该新入网节点的通信需求，从时隙序列资源池中选择一个时隙序列分配给新入网节点，该新入网节点的天线波束按照分配的时隙序列确定其业务子帧的时隙收发状态，网络中的不同节点可使用相同的时隙序列；
节点类型包括三类，类型甲为节点收发信息容量相对均衡状态，节点的收发时隙数量接近相等；类型乙为节点以接收周围节点信息为主，节点的时隙分配以接收时隙为主；类型丙为节点以向外输出信息为主，节点的时隙分配以发射时隙为主。
2.根据权利要求1所述的基于时隙序列资源池的定向自组网时隙动态分配方法，其特征在于，每个在网节点分配特定时隙序列后，将时隙序列资源池中的剩余时序系列按照与其配对通信的概率分为超高概率序列、高概率序列、中概率序列和低概率序列四大类，当在网节点为新入网节点分配时隙序列时，根据其与该新入网节点的通信需求在该四大类序列的某一类中进行选择。
3.根据权利要求1或2所述的基于时隙序列资源池的定向自组网时隙动态分配方法，其特征在于，在网节点发现在网节点时，判断两者之间现有的可通信时隙数量是否满足通信需求，若满足则无需调整时隙序列，若不满足则对网络中各个节点时隙序列进行一次全局优化。
4.根据权利要求3所述的基于时隙序列资源池的定向自组网时隙动态分配方法，其特征在于，系统设置网络优化程序，满足以下两个条件之一即可触发：条件一，两个在网节点的时隙序列无法满足二者之间的通信需求，条件二，网络优化定时器计数达到设定值；
网络优化程序触发后，按照设定的代价函数，对全网各个节点的时隙序列进行一次全局优化，并根据优化结果重新分配时隙序列。
5.根据权利要求4所述的基于时隙序列资源池的定向自组网时隙动态分配方法，其特征在于，代价函数包括网络通信容量最大化、网络平均业务通信时延最小化、需变更时隙序列的节点数量最小化。
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