CN117335941A - 一种基于分布式tdma协议的时隙分配算法优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法，包括：步骤一，构建动态TDMA帧格式；所述动态TDMA帧格式为每帧由三类时隙构成，包括1个请求时隙、1个导言时隙和m+n个数据时隙；步骤二，对节点数据结构进行参数划分及说明，同时，优化时隙分配算法并部署在目的节点，从而充分利用时隙，减少时隙的空闲以及造成的时延。
Description
技术领域
本发明属于通信网络技术领域，具体涉及了一种基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法。
背景技术
预约接入类MAC协议分为集中式预约协议和分布式预约协议，其中分布式预约协议又可按是否需要网络拓扑信息分为基于拓扑透明和基于拓扑依赖。考虑到应用中网络用户的分布式和动态特性，下面主要介绍基于拓扑依赖的分布式预约接入类MAC协议。
统一时隙分配协议(USAP，Unifying Slot Assignment Protocol)是C.DavidYoung于1996年提出的经典预约接入MAC协议。USAP协议将每个时帧的第一个时隙用来发送控制报文(Net Mansger OperationalPacket，NMOP)，且仅有一个网络用户可以占用该时隙进行发送，NMOP报文包含该用户的时隙占用情况以及其邻居用户的时隙占用情况。任何需要加入网络的新用户首先必须通过接收NMOP报文获取整个网络的时隙占用信息，而后选择未被占用的时隙广播自身NMOP报文和发送自身数据。为了满足语音业务的时延要求，USAP一个时帧的时间长度设为125ms，且其时帧长度保持固定。固定的时帧长度使USAP协议无法灵活适应网络业务量变化。同时，由于完成一次邻域范围内所有用户NMOP报文交互需要的时间较长，USAP协议对网络拓扑变化的适应能力也不强。
五步预留协议(Five Phase Reservation Protocol，FPRP)是为了进一步提升网络用户信息传输的可靠性和信道接入的灵活性而提出的，FPRP的五个阶段分别为预约请求阶段、冲突报告阶段、预约证实阶段、预约确认阶段和填充/消除阶段，通过五个阶段的控制报文交互，完成对时隙的竞争预约。FPRP将每个时帧分为预约部分和信息传输部分，预约部分由多个预约时隙组成，而预约时隙又分为多个预约周期，每个预约周期的时间等于完成一次五步预约的时间。FPRP虽然具有较强的灵活性，但其预约过程复杂，控制报文交互多，造成预约开销很大。同时，由于采用了竟争预约的方式，预约请求阶段的控制报文交互不可靠，造成其网络性能受预约成功率的影响较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法。本发明通过优化时隙分配算法并部署在目的节点，从而充分利用时隙，减少时隙的空闲以及造成的时延。
为了实现上述目的，本发明采用的以下技术方案：
一种基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法，包括：
步骤一，构建动态TDMA帧格式；
步骤二，对节点数据结构进行参数划分及说明，同时，优化时隙分配算法并部署在目的节点，从而充分利用时隙，减少时隙的空闲以及造成的时延。
本发明进一步说明，所述动态TDMA帧格式为每帧由三类时隙构成，包括1个请求时隙、1个导言时隙和m+n个数据时隙。可以根据实际需求选择m的大小，具有一定的灵活性。DAMA为分布式TDMA协议，每个节点独立运行时隙分配等算法。
本发明进一步说明，所述请求时隙（request time slot）由n个微时隙组成，固定分配给n个节点，每个节点在其微时隙发送自身的节点请求信息，广播队列状态以反应该节点对时隙资源的需求，其他节点接收后更新请求列表；请求时隙结束时，每个节点获得相同的请求列表，此时隙为时隙的请求阶段。
本发明进一步说明，所述导言时隙(preamble time slot)由n个微时隙(mini-slots)组成，固定分配给n个节点；请求时隙结束后，各节点基于最新的请求列表，运行时隙分配算法，得到本帧的时隙分配方案；然后在相应的导言时隙中广播节点时隙分配数组，其他节点接收后更新时隙分配列表；导言时隙后，网络中的每个节点均获得了哪个数据时隙将向该节点传输分组的信息；此时隙为协议的分配阶段。
本发明进一步说明，所述数据时隙(data time slot)按照时隙分配方案，在分配时相应节点发相应优先级的数据分组；具体为：数据时隙的使用依据协议的优先级处理规定；数据时隙0对应高优先级，数据时隙1对应中优先级，数据时隙2对应低优先级……；下一个同等优先级的数据时隙数等于当前时隙数加优先数；因此，如果有3个优先级，那么由数据时隙0开始，每3个数据时隙包含1个高优先级发送，由数据时隙1开始，每3个数据时隙包含1个中优先级发送，由数据时隙2开始，每3个数据时隙包含1个低优先级发送。
DAMA为分布式TDMA协议，每个节点独立运行时隙分配等算法，因此每个节点需要维护一些数据结构。
本发明进一步说明，所述对节点数据结构进行参数划分及说明，包括：
(1)优先级：协议将数据分组分为不同的优先等级，在接入信道时提供不同的优先处理；较高优先级分组的等待时间较短，即低优先级请求需等待至少2个时隙，中优先级请求需等待至少1个时隙，高优先级请求不需等待；
(2)缓冲队列：根据协议确定的数据分组优先级数p，每个节点对应有p个数据分组缓冲队列，用于存储等待发送的数据；队列中的等待分组长度，称为队列状态；
(3)请求数组：每个节点维护一个请求数组，记录当前本节点的p个队列状态；请求数组信息称为节点请求信息；
(4)请求列表：每个节点维护一个请求列表，记录当前网络中n个节点的p个队列状态；
(5)节点时隙分配数组：每个节点将自身发送时隙对应的目的地址填入节点时隙分配数组；
(6)时隙分配列表：每个节点维护一个数据时隙分配列表，记录每个数据时隙节点的发送和接收情况，即某时隙哪个节点发送，哪些节点接收。
本发明进一步说明，所述优化时隙分配算法并部署在目的节点，包括：
首先，对发送给相同优先级节点的请求进行平衡处理，尽量减小请求分配不均匀问题；
其次，计算同级节点收到的请求中时帧长度（秒）与最临近节点的时长差值，并根据差值多少进行网格化划分10%、10%～50%和50%以上三个网格；
最后，时隙分配算法在各节点分布式执行。
待分配请求平衡处理：将所有节点待分配请求的数据时帧长度进行加权平均获得基准值。尽量平均分配各节点请求的时帧长度接近基准值，通过多次分配以最接近基准值的为最佳分配方案进行实施。
为了防止网格内出现可能的不均匀请求将导致时隙分配的不连续，大量空闲时隙使占用长度超出帧尺寸情况。
解决方案一、最临近节点数据时隙总时帧长度差值10%网格，则将时帧长度较多节点的数据时隙分配给对端节点；从而完成数据时隙总时帧长度微调。
解决方案二、最临近节点数据时隙总时帧长度10%～50%网格，则将时帧长度较多节点进行加权平均获得平均时帧长度，并将高于平均时帧长度的值分配给较低时帧长度节点，充分利用时隙，减少时隙的空闲以及造成的时延；从而完成数据时隙总时帧长度中级调整。
解决方案三、最临近节点数据时隙总时帧长度50%以上网格，则统计时帧长度较多节点总数，并创建备用时隙总数与节点总数一致。如果超过备用时隙总数上限需要扩展广播循环。广播循环的扩展可采用时间或信道。USAP使用信道扩展，称为信道化邻节点。从而完成数据时隙总时帧长度高级调整。
本发明进一步说明，所述时隙分配算法在各节点分布式执行具体为：节点首先查询请求列表，各优先级请求队列总数为请求时隙数；然后，判断请求时隙数是否小于全部数据时隙数m+n；如果请求时隙数超过可用时隙数，基于队列中的等待分组长度，节点采用截短请求列表，即将请求列表中的请求时隙数截取为m+n，超出的队列长度留待下次分配；如果请求时隙数少于可用时隙，将有一些为空闲时隙，请求列表不会被截短。
本发明进一步说明，所述截短请求列表有两种策略：公平排队策略或严格优先排队策略；公平排队基于优先级比例顺序截取数据分组；而严格优先排队按照全部高优先级→全部中优先级→全部低优先级请求的顺序截取数据分组。
例如，假定一个TDMA帧由10个数据时隙组成，请求队列由10个高优先级请求和10个低优先级请求组成。公平排队策略将依次选取两种优先级请求的前5个，而严格优先排队算法将选取全部10个高优先级请求。
截短列表确定后，也就确定了各级请求队列在可用数据时隙中的占用比例。
确定每个优先级分配多少个数据时隙后，将确定数据时隙如何分配给具有相同优先级的节点从节点0开始分配，除非各优先级请求均匀分配，否则不均匀的各级请求将导致时分配的不连续，大量空闲时隙使占用长度超出帧尺寸。这时，需要将后面的分配时隙向前搬移到空闲时隙。
本发明的优点：
本发明构建了动态TDMA帧格式，优化基于DAMA的时隙分配算法并部署在目的节点；从而充分利用时隙，减少时隙的空闲以及造成的时延。
附图说明
图1为动态TDMA的帧格式结构示意图。
图2为公平排队算法流程图。
图3为严格优选排队算法流程图。
实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例
一种基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法，包括：
步骤一，构建动态TDMA帧格式；
如图1所示，所述动态TDMA帧格式为每帧由三类时隙构成，包括1个请求时隙、1个导言时隙和m+n个数据时隙；
所述请求时隙由n个微时隙组成，固定分配给n个节点，每个节点在其微时隙发送自身的节点请求信息，广播队列状态以反应该节点对时隙资源的需求，其他节点接收后更新请求列表；请求时隙结束时，每个节点获得相同的请求列表，此时隙为时隙的请求阶段；
所述导言时隙由n个微时隙组成，固定分配给n个节点；请求时隙结束后，各节点基于最新的请求列表，运行时隙分配算法，得到本帧的时隙分配方案；然后在相应的导言时隙中广播节点时隙分配数组，其他节点接收后更新时隙分配列表；导言时隙后，网络中的每个节点均获得了哪个数据时隙将向该节点传输分组的信息；此时隙为协议的分配阶段；
所述数据时隙按照时隙分配方案，在分配时相应节点发相应优先级的数据分组；具体为：数据时隙的使用依据协议的优先级处理规定；数据时隙0对应高优先级，数据时隙1对应中优先级，数据时隙2对应低优先级；下一个同等优先级的数据时隙数等于当前时隙数加优先数；因此，如果有3个优先级，那么由数据时隙0开始，每3个数据时隙包含1个高优先级发送，由数据时隙1开始，每3个数据时隙包含1个中优先级发送，由数据时隙2开始，每3个数据时隙包含1个低优先级发送；
步骤二，对节点数据结构进行参数划分及说明，同时，优化时隙分配算法并部署在目的节点。
进一步的，所述对节点数据结构进行参数划分及说明，包括：
(1)优先级：协议将数据分组分为不同的优先等级，在接入信道时提供不同的优先处理；较高优先级分组的等待时间较短，即低优先级请求需等待至少2个时隙，中优先级请求需等待至少1个时隙，高优先级请求不需等待；
(2)缓冲队列：根据协议确定的数据分组优先级数p，每个节点对应有p个数据分组缓冲队列，用于存储等待发送的数据；队列中的等待分组长度，称为队列状态；
(3)请求数组：每个节点维护一个请求数组，记录当前本节点的p个队列状态；请求数组信息称为节点请求信息；
(4)请求列表：每个节点维护一个请求列表，记录当前网络中n个节点的p个队列状态；
(5)节点时隙分配数组：每个节点将自身发送时隙对应的目的地址填入节点时隙分配数组；
(6)时隙分配列表：每个节点维护一个数据时隙分配列表，记录每个数据时隙节点的发送和接收情况，即某时隙哪个节点发送，哪些节点接收。
进一步的，所述优化时隙分配算法并部署在目的节点，包括：
首先，对发送给相同优先级节点的请求进行平衡处理，尽量减小请求分配不均匀问题；
其次，计算同级节点收到的请求中时帧长度（秒）与最临近节点的时长差值，并根据差值多少进行网格化划分10%、10%～50%和50%以上三个网格；
最后，时隙分配算法在各节点分布式执行；具体为：节点首先查询请求列表，各优先级请求队列总数为请求时隙数；然后，判断请求时隙数是否小于全部数据时隙数m+n；如果请求时隙数超过可用时隙数，基于队列中的等待分组长度，节点采用截短请求列表，即将请求列表中的请求时隙数截取为m+n，超出的队列长度留待下次分配；如果请求时隙数少于可用时隙，将有一些为空闲时隙，请求列表不会被截短。
所述截短请求列表有两种策略：公平排队策略（如图2）或严格优先排队策略（如图3）；公平排队基于优先级比例顺序截取数据分组；而严格优先排队按照全部高优先级→全部中优先级→全部低优先级请求的顺序截取数据分组。
显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明本发明所作的举例，而并非对本发明实施的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举；而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法，其特征在于包括：
步骤一，构建动态TDMA帧格式；
步骤二，对节点数据结构进行参数划分及说明，同时，优化时隙分配算法并部署在目的节点。
2.根据权利要求1所述的基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法，其特征在于：所述动态TDMA帧格式为每帧由三类时隙构成，包括1个请求时隙、1个导言时隙和m+n个数据时隙。
3.根据权利要求2所述的基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法，其特征在于：所述请求时隙由n个微时隙组成，固定分配给n个节点，每个节点在其微时隙发送自身的节点请求信息，广播队列状态以反应该节点对时隙资源的需求，其他节点接收后更新请求列表；请求时隙结束时，每个节点获得相同的请求列表，此时隙为时隙的请求阶段。
4.根据权利要求3所述的基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法，其特征在于：所述导言时隙由n个微时隙组成，固定分配给n个节点；请求时隙结束后，各节点基于最新的请求列表，运行时隙分配算法，得到本帧的时隙分配方案；然后在相应的导言时隙中广播节点时隙分配数组，其他节点接收后更新时隙分配列表；导言时隙后，网络中的每个节点均获得了哪个数据时隙将向该节点传输分组的信息；此时隙为协议的分配阶段。
5.根据权利要求4所述的基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法，其特征在于：所述数据时隙按照时隙分配方案，在分配时相应节点发相应优先级的数据分组；具体为：数据时隙的使用依据协议的优先级处理规定；数据时隙0对应高优先级，数据时隙1对应中优先级，数据时隙2对应低优先级；下一个同等优先级的数据时隙数等于当前时隙数加优先数；因此，如果有3个优先级，那么由数据时隙0开始，每3个数据时隙包含1个高优先级发送，由数据时隙1开始，每3个数据时隙包含1个中优先级发送，由数据时隙2开始，每3个数据时隙包含1个低优先级发送。
6.根据权利要求5所述的基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法，其特征在于：所述对节点数据结构进行参数划分及说明，包括：
(1)优先级：协议将数据分组分为不同的优先等级，在接入信道时提供不同的优先处理；较高优先级分组的等待时间较短，即低优先级请求需等待至少2个时隙，中优先级请求需等待至少1个时隙，高优先级请求不需等待；
(2)缓冲队列：根据协议确定的数据分组优先级数p，每个节点对应有p个数据分组缓冲队列，用于存储等待发送的数据；队列中的等待分组长度，称为队列状态；
(3)请求数组：每个节点维护一个请求数组，记录当前本节点的p个队列状态；请求数组信息称为节点请求信息；
(4)请求列表：每个节点维护一个请求列表，记录当前网络中n个节点的p个队列状态；
(5)节点时隙分配数组：每个节点将自身发送时隙对应的目的地址填入节点时隙分配数组；
(6)时隙分配列表：每个节点维护一个数据时隙分配列表，记录每个数据时隙节点的发送和接收情况，即某时隙哪个节点发送，哪些节点接收。
7.根据权利要求6所述的基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法，其特征在于：所述优化时隙分配算法并部署在目的节点，包括：
首先，对发送给相同优先级节点的请求进行平衡处理，尽量减小请求分配不均匀问题；
其次，计算同级节点收到的请求中时帧长度（秒）与最临近节点的时长差值，并根据差值多少进行网格化划分10%、10%～50%和50%以上三个网格；
最后，时隙分配算法在各节点分布式执行。
8.根据权利要求7所述的基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法，其特征在于：所述时隙分配算法在各节点分布式执行具体为：节点首先查询请求列表，各优先级请求队列总数为请求时隙数；然后，判断请求时隙数是否小于全部数据时隙数m+n；如果请求时隙数超过可用时隙数，基于队列中的等待分组长度，节点采用截短请求列表，即将请求列表中的请求时隙数截取为m+n，超出的队列长度留待下次分配；如果请求时隙数少于可用时隙，将有一些为空闲时隙，请求列表不会被截短。
9.根据权利要求8所述的基于分布式TDMA协议的时隙分配算法优化方法，其特征在于：所述截短请求列表有两种策略：公平排队策略或严格优先排队策略；公平排队基于优先级比例顺序截取数据分组；而严格优先排队按照全部高优先级→全部中优先级→全部低优先级请求的顺序截取数据分组。
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| CN117675723A (zh) * | 2024-02-01 | 2024-03-08 | 广州天奕技术股份有限公司 | 数据面调度方法、系统、装置及设备 |
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