CN116887363A - 一种适用于分布式固定tdma协议的数据聚合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于分布式固定TDMA协议的数据聚合方法，涉及通信技术领域，该数据聚合方法具体包括以下步骤：在分布式固定TDMA网络中，新节点通过各邻居节点发送的时隙信息，获知各邻居节点的时隙占用情况，并随机选择一个空闲时隙作为自身的主时隙，即节点入网成功；当节点主时隙到来时，如果节点内部数据队列存在数据包等待发送，则在当前时隙内发送数据包p1，本发明可以尽最大可能地占满MTU，充分利用时隙资源，从而提高网络吞吐量；二来可以让节点内部的数据包提前发送，不需要再等一帧的时间，有利于降低数据包排队时延，进而降低网络端到端时延。

Description

一种适用于分布式固定TDMA协议的数据聚合方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体为一种适用于分布式固定TDMA协议的数据聚合方法，主要应用在以分布式固定TDMA为MAC协议的无人机自组织网络。

背景技术

无人机自组网是一种高动态的、无中心的通信网络。网络中各节点地位平等、高效协同，不存在单点失败问题，适合应用于战场、应急通信等场景，近年来受到越来越多的关注。

无人机自组网属于高动态网络，各节点频繁快速移动，节点的这种高动态特性严重影响着网络性能。MAC协议主要用于解决网络中各节点如何高效使用信道资源传输数据的问题，对整体网络性能起着至关重要的作用。按照无线信道资源的分配方式，当前的MAC协议可分为竞争类MAC协议和调度类MAC协议两种。在竞争类MAC协议中，各节点竞争使用信道资源，当节点内部有数据包到达时，可立即接入信道发送数据，也可首先判断信道状态，如果信道空闲，则立即发送数据，否则将会等待一段时间后再尝试发送。CSMA/CA协议是竞争类协议的典型代表，节点在发送数据前需要进行载波监听，以此判断信道是否正处于空闲状态，当监听到信道正被使用时则不发送数据；监听到信道未被使用时将随机退避一段时间，然后发送数据。但是竞争类协议中各节点竞争使用信道的方式决定了CSMA/CA更加适用于负载较轻的网络，当节点密度较大或网络负载加重时，协议性能将会急剧恶化。调度类MAC协议将信道从不同的角度划分成多个相互正交的子信道，并按照一定的调度机制将子信道分配给网络中的节点使用，TDMA协议就是一种从时域角度划分信道资源的调度类MAC类协议。TDMA将时间划分成周期性的帧，然后每帧又进一步划分为相同数目的时隙，并按照一定的分配方式将时隙分配给不同的节点，各节点按照时隙有序发送数据，对于高动态的无人机自组网，相比于CSMA/CA，TDMA有着较好的时延性能。TDMA协议分为集中式TDMA协议和分布式TDMA协议，集中式TDMA协议由中心节点统一对各节点进行时隙分配，而分布式TDMA协议适用于无中心节点的网络，网络中各节点通过时隙信息交互获得时隙资源。对于高动态的无人机自组网，一般不设定中心节点，因此采用分布式TDMA协议。分布式TDMA协议分为分布式固定TDMA协议和分布式动态TDMA协议，分布式固定TDMA协议为每个节点固定分配一个时隙，可以保证各节点在每帧到来时至少接入信道一次，从而保证了节点的基本通信能力，同时通过设置短帧长的方式可以保证网络时延可控，因此分布式固定TDMA更适合作为高动态无人机自组网的MAC协议。

在以分布式固定TDMA为MAC协议的网络中，各节点通过协商的方式获得一个特定的时隙，此后节点将一直占用各自的时隙进行数据传输，直至退出网络。但是若节点在自身所分配时隙到来时没有数据传输需求，那么该时隙就处于空闲状态，从而造成时隙资源浪费。当前的一些基于分布式固定TDMA的改进协议通过利用空闲时隙的方式在一定程度上提高了网络吞吐量，但是在某些情况下，仍然存在时隙资源不能充分利用的问题。由于网络中各节点在自身所分配时隙到来时发送一个数据包，而数据包与时隙之间存在着匹配问题，假设一个时隙能支持节点发送N字节的数据包，若节点实际发送的数据包字节长度n<<N，这种情况称为数据包与时隙不匹配，从而导致时隙资源浪费。在实际的无人机自组网中，控制业务和协同业务发送的数据包一般都属于小数据包，很可能与时隙的匹配程度不佳，造成时隙资源浪费，从而导致网络吞吐性能受限；

为此，我们提出一种适用于分布式固定TDMA协议的数据聚合方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于分布式固定TDMA协议的数据聚合方法，以解决上述背景技术中提出的针对分布式固定TDMA协议由于数据包与时隙不匹配导致的时隙资源浪费的问题，通过允许多个数据包聚合在一个时隙内发送，每次都尽可能占满时隙的最大传输单元MTU，以此提高时隙利用率，从而进一步提升网络吞吐量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于分布式固定TDMA协议的数据聚合方法，该数据聚合方法具体包括以下步骤：

S1、在分布式固定TDMA网络中，新节点通过各邻居节点发送的时隙信息，获知各邻居节点的时隙占用情况，并随机选择一个空闲时隙作为自身的主时隙，即节点入网成功；

S2、当节点主时隙到来时，如果节点内部数据队列存在数据包等待发送，则在当前时隙内发送数据包p1；

节点入网成功后，若主时隙到来并且节点内部有待发送的数据包，首先广播发送一个SI，然后发送数据队列中排在最前面的数据包p1；

S3、节点将数据包p1发送出去后，判断节点内部数据队列中剩余待发送数据包的个数，如果队列中待发送的数据包个数大于0，转入步骤S4，否则转入步骤S6；

S4、根据主节点内部数据队列中下一个待发送的数据包p2的大小，判断在当前主时隙发送数据包p1后，时隙剩余时间是否还能够继续发送数据包p2，若能发送，转入步骤S5，否则主节点保持静默状态；

在时隙内发送数据时，除去各种开销，单个时隙所能传输的最大数据量称为最大传输单元MTU，假定MTU的长度为Lm，数据包p1的长度为Lp1，数据包p2的长度为Lp2；

通过判断Lm-Lp1是否大于Lp2,若Lm-Lp1＞Lp2，表明当前时隙剩余时间足够发送数据包p2，否则主节点保持静默状态；

S5、主节点在当前时隙剩余时间内继续发送数据包p2，实现与数据包p1的聚合，实现允许两个数据包聚合在一个时隙内发送，用于增大单位时间内的数据传输量，提升网络吞吐量；

S6、各邻居节点通过侦听主节点发送的SI，获知数据包p1的长度，判断是否存在邻居节点满足其待发送的数据包p1'的长度小于Lm-Lp1，若存在邻居节点满足上述条件，转入步骤S7，否则邻居节点保持静默状态；

当主节点发送完数据包p1且内部数据队列中没有待发送的数据包，此时邻居节点通过侦听主节点发送的SI，获知数据包p1的长度，若邻居节点存在待发送数据包p1'，且满足Lm-Lp1＞Lp1'，表明存在邻居节点可在当前时隙剩余时间内发送数据；

S7、队列中数据包个数最多的邻居节点，即负载最重的邻居节点在当前时隙剩余时间内发送数据包p1'。

作为本发明进一步方案：步骤S1在分布式固定TDMA协议中，网络中每个节点都会被固定分配一个时隙，节点所分配到的时隙被称为该节点的主时隙，同时该节点被称为其所分配时隙的主节点，各节点只有在自己的主时隙到来时才能发送一个数据包；

在此基础上通过引入数据聚合技术，在满足一定条件的情况下，允许两个数据包聚合在一个时隙内发送，从而增大单位时间内的数据传输量，进一步提升网络吞吐量。

作为本发明进一步方案：步骤S2中所述SI中记录了待发送数据包p1的长度、源ID、目的ID、节点负载的字段信息。

作为本发明进一步方案：步骤S2的实现过程具体为：主节点在其所属时隙到来时，首先通过广播的方式发送一个SI，以便于各邻居节点根据SI中的“Packet Length”字段获知主节点待发送数据包p1的长度，从而判断自身待发送的数据包p1'是否能够在主节点发送完p1的时隙剩余时间内继续发送。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在传统的分布式固定TDMA协议的基础上，引入了数据聚合技术，在节点发送一个数据包后，若节点内部数据队列中还存在有等待发送的数据包且当前时隙仍有较大的剩余时间，则会继续在当前时隙的剩余时间内发送第二个数据包；若节点发送一个数据包后，节点数据队列中已经没有待发送的数据包，此时其邻居节点通过对信道进行感知，若感知到主节点发送数据包之后，当前时隙剩余的时间仍能传输数据包，那么负载最重的邻居节点就尝试在时隙的剩余时间内发送自己的数据包，通过让两个小数据包聚合在同一时隙内发送，这样一来可以尽最大可能地占满MTU，充分利用时隙资源，从而提高网络吞吐量；二来可以让节点内部的数据包提前发送，不需要再等一帧的时间，有利于降低数据包排队时延，进而降低网络端到端时延。

附图说明

图1为帧信息结构图。

图2为传统的分布式固定TDMA数据发送示意图。

图3为引入数据聚合技术的分布式固定TDMA数据发送示意图(单节点数据包聚合)。

图4为引入数据聚合技术的分布式固定TDMA数据发送示意图(多节点数据包聚合)。

图5为引入数据聚合技术的分布式固定TDMA数据发送流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种适用于分布式固定TDMA协议的数据聚合方法，该数据聚合方法具体包括以下步骤：

S1、在分布式固定TDMA网络中，新节点通过各邻居节点发送的时隙信息(SlotInformation，SI)，获知各邻居节点的时隙占用情况，并随机选择一个空闲时隙作为自身的主时隙，即节点入网成功；

在分布式固定TDMA协议中，网络中每个节点都会被固定分配一个时隙，节点所分配到的时隙被称为该节点的主时隙，同时该节点被称为其所分配时隙的主节点，各节点只有在自己的主时隙到来时才能发送一个数据包。

S2、当节点主时隙到来时，如果节点内部数据队列存在数据包等待发送，则在当前时隙内发送数据包p1；

节点入网成功后，若主时隙到来并且节点内部有待发送的数据包，首先广播发送一个SI，然后发送数据队列中排在最前面的数据包p1；

具体的，当主节点在其所属时隙到来时，首先通过广播的方式发送一个SI，以便于各邻居节点根据SI中的“PacketLength”字段获知主节点待发送数据包的长度，从而判断自身待发送的数据包是否能够在主节点发送完的时隙剩余时间内继续发送。

本实施例中，SI中记录了待发送数据包p1的长度、源ID、目的ID、节点负载等字段信息。

S3、节点将数据包p1发送出去后，判断节点内部数据队列中剩余待发送数据包的个数，如果队列中待发送的数据包个数大于0，转入步骤S4，否则转入步骤S6；

S4、根据主节点内部数据队列中下一个待发送的数据包p2的大小，判断在当前主时隙发送数据包p1后，时隙剩余时间是否还能够继续发送数据包p2，若能发送，转入步骤S5，否则主节点保持静默状态；

在时隙内发送数据时，除去各种开销，单个时隙所能传输的最大数据量称为最大传输单元MTU，假定MTU的长度为Lm，数据包p1的长度为Lp1，数据包p2的长度为Lp2；

在时隙内发送数据时，除去各种开销，单个时隙所能传输的最大数据量称为最大传输单元MTU。假定MTU的长度为Lm，数据包p1的长度为Lp1，数据包p2的长度为Lp2，本步骤需要判断Lm-Lp1是否大于Lp2,若Lm-Lp1＞Lp2，表明当前时隙剩余时间足够发送数据包p2，否则主节点保持静默状态；

S5、主节点在当前时隙剩余时间内继续发送数据包p2，实现与数据包p1的聚合，实现允许两个数据包聚合在一个时隙内发送，用于增大单位时间内的数据传输量，提升网络吞吐量；

在此基础上通过引入数据聚合技术，在满足一定条件的情况下，允许两个数据包聚合在一个时隙内发送，从而增大单位时间内的数据传输量，进一步提升网络吞吐量；

S6、各邻居节点通过侦听主节点发送的SI，获知数据包p1的长度，判断是否存在邻居节点满足其待发送的数据包p1'的长度小于Lm-Lp1，若存在邻居节点满足上述条件，转入步骤S7，否则邻居节点保持静默状态；

当主节点发送完数据包p1且内部数据队列中没有待发送的数据包，此时邻居节点通过侦听主节点发送的SI，获知数据包p1的长度，若邻居节点存在待发送数据包p1'，且满足Lm-Lp1＞Lp1'，表明存在邻居节点可在当前时隙剩余时间内发送数据；

S7、队列中数据包个数最多的邻居节点，即负载最重的邻居节点在当前时隙剩余时间内发送数据包p1'。

本发明内容的技术要点：

1、适用于分布式固定TDMA协议的单节点数据聚合方法。在节点主时隙到来时，主节点首先发送一个时隙信息SI(本发明在SI中增加了“Packet Length”字段，记录了待发送数据包p1的长度)，然后发送数据包p1，此时数据队列中下一个等待发送的数据包是p2。主节点发送数据包p1后，当前时隙还能传输的最大数据长度为Lm-Lp1(Lm和Lp1分别表示时隙最大传输单元MTU的长度和数据包p1的长度)，若Lm-Lp1＞Lp2(Lp2表示数据包p2的长度)，则主节点可在当前时隙剩余时间内继续发送数据包p2,实现单节点数据聚合；

2、适用于分布式固定TDMA协议的多节点数据聚合方法。当主节点发送完数据包p1后，若主节点的数据队列中已经不存在等待发送的数据包，此时邻居节点根据主节点发送的SI，获知数据包p1的字节长度，若邻居节点存在待发送的数据包p1'，并且满足Lm-Lp1＞Lp1'，则负载最重的那个邻居节点在时隙剩余时间内继续发送数据包p1'，实现多节点数据聚合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种适用于分布式固定TDMA协议的数据聚合方法，其特征在于，该数据聚合方法具体包括以下步骤：

S1、在分布式固定TDMA网络中，新节点通过各邻居节点发送的时隙信息，获知各邻居节点的时隙占用情况，并随机选择一个空闲时隙作为自身的主时隙，即节点入网成功；

S2、当节点主时隙到来时，如果节点内部数据队列存在数据包等待发送，则在当前时隙内发送数据包p1；

节点入网成功后，若主时隙到来并且节点内部有待发送的数据包，首先广播发送一个SI，然后发送数据队列中排在最前面的数据包p1；

S3、节点将数据包p1发送出去后，判断节点内部数据队列中剩余待发送数据包的个数，如果队列中待发送的数据包个数大于0，转入步骤S4，否则转入步骤S6；

S4、根据主节点内部数据队列中下一个待发送的数据包p2的大小，判断在当前主时隙发送数据包p1后，时隙剩余时间是否还能够继续发送数据包p2，若能发送，转入步骤S5，否则主节点保持静默状态；

在时隙内发送数据时，除去各种开销，单个时隙所能传输的最大数据量称为最大传输单元MTU，假定MTU的长度为Lm，数据包p1的长度为Lp1，数据包p2的长度为Lp2；

通过判断Lm-Lp1是否大于Lp2,若Lm-Lp1＞Lp2，表明当前时隙剩余时间足够发送数据包p2，否则主节点保持静默状态；

S5、主节点在当前时隙剩余时间内继续发送数据包p2，实现与数据包p1的聚合，实现允许两个数据包聚合在一个时隙内发送，用于增大单位时间内的数据传输量，提升网络吞吐量；

S6、各邻居节点通过侦听主节点发送的SI，获知数据包p1的长度，判断是否存在邻居节点满足其待发送的数据包p1'的长度小于Lm-Lp1，若存在邻居节点满足上述条件，转入步骤S7，否则邻居节点保持静默状态；

当主节点发送完数据包p1且内部数据队列中没有待发送的数据包，此时邻居节点通过侦听主节点发送的SI，获知数据包p1的长度，若邻居节点存在待发送数据包p1'，且满足Lm-Lp1＞Lp1'，表明存在邻居节点可在当前时隙剩余时间内发送数据；

S7、队列中数据包个数最多的邻居节点，即负载最重的邻居节点在当前时隙剩余时间内发送数据包p1'。

2.根据权利要求1所述的一种适用于分布式固定TDMA协议的数据聚合方法，其特征在于，步骤S1在分布式固定TDMA协议中，网络中每个节点都会被固定分配一个时隙，节点所分配到的时隙被称为该节点的主时隙，同时该节点被称为其所分配时隙的主节点，各节点只有在自己的主时隙到来时才能发送一个数据包。

3.根据权利要求1所述的一种适用于分布式固定TDMA协议的数据聚合方法，其特征在于，步骤S2中所述SI中记录了待发送数据包p1的长度、源ID、目的ID、节点负载的字段信息。

4.根据权利要求1所述的一种适用于分布式固定TDMA协议的数据聚合方法，其特征在于，步骤S2的实现过程具体为：主节点在其所属时隙到来时，首先通过广播的方式发送一个SI，以便于各邻居节点根据SI中的“Packet Length”字段获知主节点待发送数据包p1的长度，从而判断自身待发送的数据包p1'是否能够在主节点发送完p1的时隙剩余时间内继续发送。