基于节点定级的无线自组织网络信道接入方法技术

本发明专利技术涉及移动通信技术领域，具体公开了基于节点定级的无线自组织网络信道接入方法，其结合网络终端节点的网络定级结果，在TDMA帧结构上采用了接入(信标)、优先预约、预约、回复和分层循环数据时隙的最大复用结构，使得自组织网络纵向由网络定级进行冲突避免而横向由预约申请解决隐藏终端问题；在控制开销上采用一次预约可占用多个时隙的方式，利用数据子帧和网络层级对数据时隙的分割以有效提高时隙资源的利用率；在信道接入算法中考虑节点业务等级对信道接入概率的影响，划分优先预约时隙以满足不同终端业务的差异化服务质量需求。该方法能有效提高无线自组织网络信道资源的利用率，避免各终端节点数据频繁冲突，满足网络低时延要求。低时延要求。低时延要求。

【技术实现步骤摘要】
基于节点定级的无线自组织网络信道接入方法


[0001]本专利技术涉及移动通信
，尤其涉及一种基于节点定级的无线自组织网络信道接入方法。

技术介绍

[0002]无线自组织网络具备拓展性高、组网迅速、支持动态拓扑变化和多跳传输等特点，是一种特殊的对等式网络，要求每个节点分布式对等操作，即要求网络节点分布式协商链路资源以避免传输冲突。无线自组织网络不存在集中控制中心，因此各节点只能根据邻域内节点所掌握的局部信息对信道资源协商调控，因此设计高效的MAC接入机制对有限信道资源进行独立分配和管理是保障网络性能的关键一环。而且对于规模庞大的分布式网络来说，多跳传输必然依靠中继节点进行转发，而多跳传输造成的暴露终端、隐藏终端、孤立节点死锁、信道资源复用往往成为单信道MAC接入机制的难点之一。此外，无线自组织网络节点随时可入网、退网或者移动，易导致网络拓扑高度动态变化，如何使得MAC接入机制快速适应这种变化，保证资源占用关系不冲突，维持优秀的网络性能也是设计MAC接入机制的关键问题。
[0003]目前，无线自组织网络MAC接入协议根据对信道资源预约方式的不同划分为基于竞争与基于调度的MAC协议。其中无线网络中基于竞争的经典MAC接入协议为IEEE802.11所使用的CSMA/CA，使用随机竞争接入信道，随着网络节点和传输负载的增多，数据冲突导致的时延会呈指数型增长，从而导致数据传输效率显著降低；而基于调度的典型的分布式MAC接入协议为FPRP，FPRP基于TDMA，将信道划分为预约信道和业务信道两部分，通过在预约信道的5次握手完成两跳范围内低冲突概率TDMA业务时隙分配，但预约周期一旦发生冲突，所有节点会同时退出该业务时隙的预约，在某种程度上降低了节点预约的成功率和预约过程的收敛速度，而且FPRP预约概率设定相对单调，没有考虑多类型业务节点对时隙资源和服务质量的不同需求。
[0004]因此，研究高效可靠且按需分配的MAC接入机制，可以实现终端节点对有限信道资源分布式控制与管理、满足不同终端业务的差异化服务质量需求以及解决多跳传输附带的隐藏终端和信道资源复用问题，有效提高无线自组织网络信道资源的利用率，避免各终端节点数据频繁冲突，满足网络低时延要求，大大优化网络的整体性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供基于节点定级的无线自组织网络信道接入方法，解决的技术问题在于：如何实现终端节点对有限信道资源分布式控制与管理，满足不同终端业务差异化服务质量需求以及解决多跳传输附带的隐藏终端和信道资源复用问题。
[0006]为解决以上技术问题，本专利技术提供基于节点定级的无线自组织网络信道接入方法，包括步骤：
[0007]S1、将TDMA时隙资源划分成多个等间隔的TDMA时帧周期，并根据网络功能将每个
所述TDMA时帧周期按照时间先后划分为信标子帧和多个相同的数据子帧；
[0008]S2、在分布式网络下，任意指定一个终端节点作为网络初始基准站，并根据网络初始基准站的最大传输距离对其他终端节点进行网络定级；该步骤S2具体包括步骤：
[0009]S21、在整个分布式网络中任意选取一个终端节点作为网络初始基准站，其网络定级为0；
[0010]S22、网络初始基准站在网以后，在TDMA时帧周期的基准信标子帧内广播帧级数为0的信标帧，帧级数对应该信标帧的源节点的网络定级；
[0011]S23、在网络初始基准站的最大传输距离内，收到0级信标帧的终端节点首先进行网络同步，获取网络初始时隙划分，然后将该信标帧的帧级数+1后在与自身节点网络级别对应级别的节点信标子帧内向下广播，同时意味着该终端节点的网络定级为1；
[0012]S24、未定级终端节点收到帧级数大于等于1的信标帧，进行网络同步后便开启定时器计时，在定时时间T0内，未定级终端节点的网络定级为收到的较小的帧级数+1，并将逻辑上级节点发送的信标帧的帧级数+1后在与自身节点网络级别对应级别的节点信标子帧内继续向下广播；
[0013]S3、已定级终端节点根据业务优先级计算当前数据子帧的预约概率p；
[0014]S4、已定级终端节点以预约概率p发起对当前数据子帧的预约占用，若预约成功则占用该节点网络级别对应的数据时隙进行业务传输，若预约失败则计算下一数据子帧的预约概率p'，重新发起预约占用；
[0015]S5、对一个TDMA时帧周期内发送的业务进行计数，如果上一TDMA时帧周期发送的业务数小于当前队列缓存的消息数量，则将当前队列中所有业务的优先级+1；如果上一TDMA时帧周期发送的业务数大于队列中缓存的业务数量，则将当前队列中所有业务的优先级
‑
1，并返回至步骤S3。
[0016]进一步地，所述步骤S2还包括：
[0017]已定级终端节点收到逻辑上级节点的信标帧后，在与自身节点网络级别对应级别的节点信标子帧内将该信标帧向下转发；
[0018]若已定级终端节点在时间T
c
内收不到逻辑上级节点的信标帧，则说明该节点已经与逻辑上级节点断开，在与自身节点网络级别对应级别的节点信标子帧内转发收到的同级节点的信标帧；
[0019]若已定级终端节点在时间T
c
内收不到任何同级或逻辑上级节点的信标帧，则说明该节点被同级与上级节点孤立，继续等待T
c
'时间，若情况相同则放弃节点网络层级，等待下级节点的信标帧重新定级；
[0020]若已定级终端节点收到比自身节点网络层级小超过1级的信标帧，则修改节点网络层级为收到的信标帧的帧级数+1，并向下转发与自身节点网络层级对应的信标帧。
[0021]进一步地，在步骤S2中，定时器的定时时间T0为一个TDMA时帧周期的持续时间；在步骤S26中，T
c
为4个TDMA时帧周期的持续时间，T
c
'为2个TDMA时帧周期的持续时间。
[0022]进一步地，在步骤S1中，所述信标子帧按照时间先后被划分为基准信标子帧和多个节点信标子帧，每个所述节点信标子帧包括(1+3*N)级节点信标子帧、(2+3*N)级节点信标子帧、(3+3*N)级节点信标子帧，N∈{0,1,2...}；其中，所述网络初始基准站占用所述基准信标子帧向下发送信标帧，已定级终端节点占用与其网络定级对应级别的节点信标子帧
向下发送信标帧。
[0023]进一步地，在步骤S1中，每个所述数据子帧按照时间先后划分为数据预约子帧和数据传输子帧；所述数据预约子帧按照时间先后被划分为优先预约时隙、预约申请时隙、预约转发时隙和预约回复时隙，所述数据传输子帧按照时间先后被划分为循环的高层级数据时隙、中层级数据时隙和低层级数据时隙。
[0024]进一步地，在步骤S3中，数据子帧预约概率p通过下式计算：
[0025][0026]其中，n
c
为本TDMA时帧周期内数据子帧竞争失败次数，P
ri
|index表示该业务所归类标记下的所有业务等级，max{P<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于节点定级的无线自组织网络信道接入方法，其特征在于，包括步骤：S1、将TDMA时隙资源划分成多个等间隔的TDMA时帧周期，并根据网络功能将每个所述TDMA时帧周期按照时间先后划分为信标子帧和多个相同的数据子帧；S2、在分布式网络下，任意指定一个终端节点作为网络初始基准站，并根据网络初始基准站的最大传输距离对其他终端节点进行网络定级；该步骤S2具体包括步骤：S21、在整个分布式网络中任意选取一个终端节点作为网络初始基准站，其网络定级为0；S22、网络初始基准站在网以后，在TDMA时帧周期的基准信标子帧内广播帧级数为0的信标帧，帧级数对应该信标帧的源节点的网络定级；S23、在网络初始基准站的最大传输距离内，收到0级信标帧的终端节点首先进行网络同步，获取网络初始时隙划分，然后将该信标帧的帧级数+1后在与自身节点网络级别对应级别的节点信标子帧内向下广播，同时意味着该终端节点的网络定级为1；S24、未定级终端节点收到帧级数大于等于1的信标帧，进行网络同步后便开启定时器计时，在定时时间T0内，未定级终端节点的网络定级为收到的较小的帧级数+1，并将逻辑上级节点发送的信标帧的帧级数+1后在与自身节点网络级别对应级别的节点信标子帧内继续向下广播；S3、已定级终端节点根据业务优先级计算当前数据子帧的预约概率p；S4、已定级终端节点以预约概率p发起对当前数据子帧的预约占用，若预约成功则占用该节点网络级别对应的数据时隙进行业务传输，若预约失败则计算下一数据子帧的预约概率p'，重新发起预约占用；S5、对一个TDMA时帧周期内发送的业务进行计数，如果上一TDMA时帧周期发送的业务数小于当前队列缓存的消息数量，则将当前队列中所有业务的优先级+1；如果上一TDMA时帧周期发送的业务数大于队列中缓存的业务数量，则将当前队列中所有业务的优先级
‑
1，并返回至步骤S3。2.根据权利要求1所述的基于节点定级的无线自组织网络信道接入方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：已定级终端节点收到逻辑上级节点的信标帧后，在与自身节点网络级别对应级别的节点信标子帧内将该信标帧向下转发；若已定级终端节点在时间T
c
内收不到逻辑上级节点的信标帧，则说明该节点已经与逻辑上级节点断开，在与自身节点网络级别对应级别的节点信标子帧内转发收到的同级节点的信标帧；若已定级终端节点在时间T
c
内收不到任何同级或逻辑上级节点的信标帧，则说明该节点被同级与上级节点孤立，继续等待T
c
'时间，若情况相同则放弃节点网络层级，等待下级节点的信标帧重新定级；若已定级终端节点收到比自身节点网络层级小超过1级的信标帧，则修改节点网络层级为收到的信标帧的帧级数+1，并向下转发与自身节点网络层级对应的信标帧。3.根据权利要求2所述的基于节点定级的无线自组织网络信道接入方法，其特征在于：在步骤S2中，定时器的定时时间T0为一个TDMA时帧周期的持续时间；在步骤S26中，T
c
为4个TDMA时帧周期的持续时间，T
c
'为2个TDMA时帧周期的持续时间。
4.根据权利要求3所述的基于节点定级的无线自组织网络信道接入方法，其特征在于，在步骤S1中，所述信标子帧按照时间先后被划分为基准信标子帧和多个节点信标子帧，每个所述节点信标子帧包括(1+3*N)级节点信标子帧、(...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄天聪，李艳，马俊豪，余福婧，吴玉成，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：