一种高动态自组织网络高效TDMA协议的实现方法

技术领域

本发明属于属于无线自组织网络技术领域，尤其涉及一种高动态自组织网 络高效TDMA协议的实现方法。

背景技术

高动态自组织网络，是一种由高速运动的通信节点组成的自组织网络，包 括车载移动节点、无人机节点等。高动态自组织网络具有传输距离远、移动速 度快、拓扑变化频繁、断链率高等特点。

无线自组织网络的MAC协议中使用最广泛的是CSMA/CA，CSMA/CA 通过监听信道和随机回退机制实现信道复用，并通过RTS-CTS信号缓解隐藏 终端的问题，网络开销小，但CSMA/CA无法保证数据传输的时间确定性和实 时性，也不能提供业务区分，并且其吞吐量在网络负载大的情况下迅速下降， 其隐藏终端的问题也没有完全解决。

TDMA是一种按时间片来划分每个成员信息发送时机的接入控制方式，它 将时间轴划分成一定长度的、周而复始的时帧。TDMA消除了信道竞争产生的 碰撞，隐藏终端问题，在时延、能耗、网络规模方面有优势，特别是解决了时 间确定性问题，能够提供实时通信，典型的有SMAC协议。

高动态自组织网络是一种有突出特点的无线自组织网络。网络节点移动速 度特别快，对无线通信的延时性和可靠性很严，因而，CSMA/CA无法满足其 通信需求。再者，在高动态自组织网络里，有的紧急数据需要及时传输，而有 些传感器数据可以推迟传输，这就需要通信协议提供有质量保证的差异服务。 此外，由于无线通信的信道带宽是有限的，提高信道利用率和吞吐量有重要意 义。还有，由于移动迅速和拓扑变化频繁，高动态自组织网络容易导致节点失 效。TDMA固定地将时隙分配给各节点，信道利用率、吞吐量和QoS都无法 满足高动态自组网的需求。

而目前的TDMA改进协议在动态调整时隙分配时，普遍按节点分配时隙。 由于每轮中节点占据的时隙顺序都是随机的，节点占用时隙的顺序与数据包在 各节点的传输顺序不一致，往往造成数据传输需要更多的时隙。另外，不管集 中式还是分布式改进型TDMA，其开销都偏大。因此，设计一种满足高动态自 组织网络通信需求的高效TDMA协议具有重要意义。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，提供了一种高动态自组织网络高效TDMA 协议的实现方法，采用分布式协同调度的方法来动态调整时隙分配，提高信道 利用率和吞吐量；并为各类型业务设置优先级，按链路分配时隙，为高优先级 的链路提供更好的时延保障和质量保证。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高动态自组织网络高效 TDMA协议的实现方法，将时帧分为前导时隙和数据时隙，所述数据时隙包括 分配时隙和中断时隙；其中，前导时隙进行分布式调度，源节点根据待发数据 流的优先级申请专用虚拟链路或公用虚拟链路；在数据时隙，高优先级节点在 各自所属专用虚拟链路发送数据，低优先级节点共用公用虚拟链路发送数据； 在中断时隙各节点可自由竞争信道。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

（1）与广泛应用的CSMA/CA相比，本协议采用调度的方式进行信道接入， 既避免了随机接入信道带来的冲突，也为各数据传输提供了延时保障，实现了 时间确定性。

（2）与TDMA相比，本协议动态调整时隙分配，充分利用信道，提高了信 道利用率和吞吐量。

（3）与其他改进型TDMA协议相比，本协议采用公用链路和专用链路的方 式分配时隙，实现了高优先级数据的传输顺序与节点占据时隙顺序的一致性， 提高了高优先级数据的实时性，为高优先级提供更好的质量服务，也提高了信 道利用率和吞吐量。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是时帧结构示意图；

图2是节点流程图；

图3是普通改进型TDMA中节点在时帧中的数据传输示意图；

图4是本发明的协议中链路、节点在时帧的次序以及数据传输情况。

具体实施方式

本发明方法将时帧分为前导时隙、分配时隙和中断时隙。每一时帧的前导 时隙都可分布式动态调整时隙分配，提高了信道利用率和吞吐量。在前导时隙， 源节点根据待发数据流的优先级申请专用虚拟链路或公用虚拟链路，专用链路 只用于经由该路径的数据传输，公用链路由低优先级的数据共用传输，降低了 高优先级数据的传输时延，也进一步提高了信道利用率。在分配时隙，各节点 在各自所属链路分配时隙发送数据，避免了节点竞争信道产生的冲突。本协议 还设计了中断时隙，节点可在中断时隙竞争信道，以便处理突发状况。本发明 降低了通信时延，提高了信道利用率和吞吐量，具有较高的可靠性，适用于高 动态自组织网络。

下面结合附图和实例对本发明做如下详述：

本发明适用于高动态自组织网络，网络规模大时，采用Mesh网络架构将 节点划分为若干单元。并将节点分为骨干节点、普通节点和少量接口节点。骨 干节点随机选择，用于单元内数据收集和骨干节点间的数据传输。普通节点只 能在单元内通信，不同单元的节点数据传输需经过骨干节点。接口节点可连接 其他网络，比如以太网、无线局域网等。

本协议的一个循环包括一个初始化和若干时帧frame，初始化广播NCFG消息 进行网络配置和节点增删，设置默认的节点时隙slot数目、顺序和优先级。每 时帧包含前导时隙、大量分配时隙和若干中断时隙，每个时隙0.006秒。前导 时隙用于协同分布式时隙调整。分配时隙大于节点数，分配给各节点。在数据 时隙，节点不可抢占别的节点的分配时隙。中断时隙用于突发事件或其他中断 处理。时帧结构图如图1所示。

前导时隙包含若干分布式调度时隙，用于协同分布式时隙调整。分布式时 隙调整会发送调度消息DSCH，DSCH消息包括以下列表：尚未分配链路L_rsrv，已分 配链路L_assg，前一轮分配给某源节点但是该轮被另一源节点剥夺的链路L_dpr。每 个链路列表包含源节点N_source和链路号ID_Li。

一、进行分布式调度：

(1)想要发送数据的源节点采用随机退避的方式发送分布式调度消息DSCH 申请一条链路L发送数据。DSCH消息包括以下列表：尚未分配链路L_rsrv，已分配 链路L_assg，前一轮分配给某源节点但是该轮被另一源节点剥夺的链路L_dpr。每个 链路列表包含源节点N_source和链路号ID_Li。当节点与其他请求节点发生冲突时， 节点随机退避back-off时间再次发送；

(2)节点事先根据默认优先级和LLC缓冲队列的待发数据量调整本数据流 的优先级p_i，并计算好链路因子w_i和临界优先级P_crit。

假设每一帧的数据时隙总数为N，一时帧传输的跳数为h，待发数据流i的 优先级为p_i，数据流总数为n，则链路因子w_i为：

$w_i=\frac{N}{h\times {\Sigma }_{i=1}^n{p}_i}$

优先级为p_x的数据流的分配链路L_assg数目为：临界优先级 P_crit为等于1的p_x。源节点i获取信道接入权限后，如果本数据流的优先级P_i达到申请专用链路的临界优先级P_crit，则申请与优先级P_i对应数目的专用链路 L_priv；否则，加入公用链路L_pub。

用N表示网络中源节点数。假设表示高优先级节点，H表示高优先级 源节点数；表示低优先级节点，L表示低优先级源节点数。

用M×N维的矩阵X＝x_mi来表示时隙分配，其中

由于每个高优先级源节点至少分配一条专用链路，则时隙分配需满足以下 条件：

高优先级源节点分配的链路与优先级或者链路因子是成正比的：

所有低优先级节点分配到同一条公用链路，链路数和为1：

(3)如果被剥夺链路L_dpr列表中有自己所拥有的已分配链路L_assg，则取消自 己对该L_assg的拥有资格，并考虑是否要剥夺其他源节点的已分配链路L_assg：如果 该数据处于极高优先级，且有优先级低于自己却拥有更多分配链路的源节点， 则剥夺其他源节点的已分配链路L_assg；

(4)最后各源节点将收到的DSCH消息更新，并发送给其他节点，直到所有 链路发生变动的节点都获得最新DSCH消息。

二、进入数据时隙

前导时隙完成调度后，进入数据时隙，数据时隙包括分配时隙和中断时隙。

分配时隙中，节点在分配时隙进行正常收发，用ID_Li表示链路L_i的ID号， 源节点为数据包的MAC头部增加链路号ID_Li。N_L表示该时帧的链路总数，用%表 示取余，如果当前时隙的时隙号slot_i满足slot_i%N_L＝ID_Li，则该时隙属于链路L_i，链 路L_i上刚刚收到数据包的节点占有该时隙，并将数据发送给下一节点。对于每 一个时隙，节点会进行判断时隙类型，并进行相应工作，节点的工作流程图如 图2所示。

中断时隙用于意外情况下传输紧急数据或将新的节点加入网络，各节点皆 可自由申请。

由于每时帧的前导时隙都可以调整时隙分配，E-TDMA的时隙分配是动态 的，其信道利用率大大提高。用u_i来表示节点i的信道利用率，则

$u_i=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{x}_{\mathrm{mi}}}{M}.$

一个网络单元的信道利用率u_u可表示为

$u_u=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{u}_i=\frac{1}{\mathrm{MN}}\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_{\mathrm{mi}}.$

假设有x个节点需要发送p时隙的数据包，且x＜p<M，则N-x个节点空闲。 在传统固定TDMA中，一个节点占用一个时隙，而E-TDMA通过剥夺空闲节点的 时隙，并配置相应时隙给数据发送节点，信道利用优于TDMA。网络单元的信道 利用率分别为

$u_u=\left(\begin{array}{cc}x/M& \mathrm{TDMA}\\ p/M& E-\mathrm{TDMA}\end{array}\right)$

对于整个高动态自组织网络，当采用Mesh网络架构将节点划分为若干单 元时，由于各单元互不干扰，信道利用率进一步提高，整个网络Net的信道利用 率u为

$u=\underset{u_u\in \mathrm{Net}}{\cup }{u}_u.$

下面结合实例对本发明进行说明：

图3显示了普通改进型TDMA中节点的数据传输，图中假设节点在时帧中 顺序是按节点号排列的，其中数字表示该节点号的节点占有该处时隙。在第一 个时隙，1号节点将数据包发送给节点3；第二个时隙，由于数据包尚未传输 到节点2，节点2空闲；第三个时隙，节点3将收到的数据发送给节点2；到 第二时帧的第二个时隙，节点2才得以将收到的数据包发送给下一跳节点；依 此类推。由于时隙拥有顺序与数据传输顺序不一致，虽然每个节点都在一时帧 里拥有时隙，但是经过了三时帧的时间才传输到目的节点。

图4显示了本协议的链路、节点在时帧的次序以及数据传输情况。如图所 示，两个高优先级的数据流申请了两条专用链路，另有一条公用链路。链路a 用于传输数据流a，链路b用于传输数据流b。收到数据包的中间节点将数据 包所在链路L_i的ID_Li与当前时隙号slot_i比较，若满足slot_i%N_L＝ID_Li，则占有该时隙， 并将数据发送出去。因此，本协议中：在专用链路里，数据传递的节点顺序与 节点在时帧中的时隙顺序是一致的；在公用链路里，各节点占有的时隙在前导 时隙即已分配，其顺序与数据传输顺序无关。

具体实施效果：（1）解决了信道竞争带来的冲突问题；（2）为数据传输提 供了延时保障；（3）时隙动态分配，提高了信道利用率和吞吐量；（4）信道接 入顺序与数据传输顺序一致，提高了信道利用效率；（5）为数据传输进行了业 务区分，提供了差异服务。