一种单发多收空口资源分配方法与流程

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种单发多收空口资源分配方法。

背景技术：

无线自组织网络相比较传统的无线通信网络，具有可快速组网、对基础设施要求低和抗毁灭性强的特征，被广泛应用于军事通信、救援抗灾、智能交通等领域。

类似与TCP/IP协议栈的OSI模型，无线自组织网络的底层协议栈也可以分为物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)和网络层(NET)，其中网络层负责节点的路由维护及报文转发，物理层实现空口数据的收发。MAC层负责空口资源的分配，包括信道资源及时隙资源。MAC层的协议会直接影响着网络的时延、吞吐量、信道利用率等性能指标，因此设计高效可靠的MAC协议对网络的整体性能至关重要。

目前MAC层协议主要有以下几种分类方式：

1)基于系统能同时使用的逻辑信道数量，分为单信道和多信道协议。

2)基于通信节点采用的收发通道数量，分为单通道(只有一个收发通道)或多通道协议(拥有多个收发通道)。

3)基于调度方式，分为集中式和分布式调度方式。

4)基于信道接入方式，分为随即竞争、固定分配和混合方式。

现有的无线通信节点大多受限于天线数量、发送能力和成本，采用基于单通道模式，网络容量有限。随着智能天线技术的发展，多发多收的多通道方式对提高网络容量，改善通信质量有巨大的提升。节点对资源的调度上，分布式调度相对于集中式调度，适合节点规模更大，节点间通信更加灵活的场景。在信道接入方式上，竞争机制采用传统的载波监听方式，数据分组容易产生较大的碰撞冲突，节点公平性考虑不足，大量的空闲侦听和重传机制导致节点功耗增加，通信效率降低。基于分配的方式考虑到资源使用的公平性，减少了不必要的侦听和冲突，但是资源分配复杂，并且网络同步维护困难。

现有一些基于CSMA的分布式多信道MAC层资源分配协议，如McMAC、MMAC等。这些协议信道分配方式分别采用了并行跳频、分阶段跳频的方式，而信道访问方式均采用CSMA机制。

McMAC协议实现方式是：将时间划分成小段和大段，小段用于检测信道空闲，大段负责数据传输，大段的边界进行跳频。所有的节点根据自身的物理地址和本地时钟，使用相同的随机数产生器来计算下一个跳频的频点。如果节点知道周围节点的物理地址和时钟，就可以得出其下一次跳频的频点。当使用频点一致时，可以进行数据的竞争传输。可见，McMAC协议采用并行跳频方式，确定数据信道的频率，但是其需要随时知道周围邻居节点的物理地址和时钟，必须不断的进行广播消息的收发。过多的广播消息要占用较多的空口资源，且网络环境复杂时，节点很难准确获取邻居节点的状态。

MMAC协议实现方式是：使用专用控制信道协商确定数据信道的频点。发送源节点先向目标节点发送ATIM数据包，目标节点收到之后根据自身信道使用情况，回应ATIM-ACK消息，最后源端节点发送ATIM-RES给目的节点。MMAC协议有一个PCL(Preferable Channel List，最优信道列表)，每一个节点的PCL都记录了邻居范围内信道的使用情况，并且把信道分为三个状态：高优先级、中优先级和低优先级。在协商的过程中所有的邻居节点都可以接收到协商消息，并根据这些消息更新本地的PCL。之后源端节点和目的节点根据自身的PCL使用业务负载小的数据信道进行数据的竞争发送。可见，MMAC协议采用专用控制信道进行协商，协商更新PCL，通过选择业务量小的信道，来平衡信道负载，减小竞争和退避所带来的带宽资源浪费。但是不可避免的是，它在数据传输中仍然使用CSMA的接入方式，数据信息存在冲突和碰撞，导致网络吞吐量降低。

现有技术中还有基于TDMA的MAC层资源分配协议，如TMMAC协议。TMMAC协议与MMAC协议类似，同样采用分阶段跳频的方式，它为了解决数据信道上信息竞争碰撞的问题，采用TDMA的信道访问方式。将数据信道上的时间划分成一个个的时隙。节点间数据通信之前，需要协商好发送使用的频点和时隙，以此来规避业务数据信息的碰撞。TMMAC协议将一个节点的可用信道和可用时隙设置为一个比特矢量，此时PCL中维护的不再是可用信道，而是比特矢量。节点间通过在控制信道上交互比特矢量信息确定最优的通信具体频点和时隙。可见，TMMAC协议对数据信道使用TDMA方式进行划分，在业务数据传输中实现无冲突传输。但是如果网络环境复杂，节点数目较多时，很容易导致控制信息的冲突，如果控制信道受到干扰，将会影响到整个网络性能。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的单发多收空口资源分配方法。

技术方案：本发明所述的单发多收空口资源分配方法，包括控制信道分配过程和数据信道分配过程，其中：

控制信道分配过程：将控制信道在时域上划分成预留时隙和竞争时隙，在某一时刻，如果节点需要使用控制信道，如果发现有本节点可用的预留时隙，则直接使用此预留时隙；如果发现无本节点可用的预留时隙，则与其他节点竞争使用竞争时隙；

数据信道分配过程：使用控制信道协商出可以使用的数据信道。

进一步，所述控制信道分配过程中，本节点与其他节点竞争使用竞争时隙的方法为：本节点按照争用概率争用可用的竞争时隙：如果争用成功，则使用此竞争时隙；否则，则更新争用概率，并选择下一个可用的竞争时隙进行争用。

进一步，所述争用概率通过业务优先级、系统支持的节点数以及本节点的邻居节点数确定。

进一步，如果争用不成功，则将争用概率降低一半，并选择下一个可用的竞争时隙进行争用。

进一步，所述控制信道分配过程中，本节点与其他节点竞争使用竞争时隙的方法包括以下步骤：

S1.1：本节点选择一个倒计时窗，在倒计时窗中随机选择一个值作为倒计时数，倒计时数为倒计时过程中本节点可跳过时隙的最大数量；

S2.1：本节点根据倒计时数逐一跳过竞争时隙，如果跳过过程中发现本节点可用的预留时隙，则停止倒计时，直接使用此预留时隙；如果本节点根据倒计时数跳过所有可跳过时隙后仍未发现可用的预留时隙，则使用当前可用的竞争时隙进行协商，如果协商失败，则调整倒计时窗的大小，然后重新协商，直到协商成功为止。

进一步，所述步骤S2.1中，调整倒计时窗的大小为将倒计时窗扩大一倍。

进一步，所述预留时隙通过将可用的固定时隙分配给相应节点得到，可用的固定时隙通过式(1)分配给相应节点：

F(x,y)＝(x+y)％K (1)

式(1)中，F(x,y)为固定时隙分配给的节点的编号，x为固定时隙编号，y为固定时隙映射周期或者0，固定时隙映射周期为x整除以K得到的值，K为节点总数。

进一步，所述数据信道分配过程包括以下步骤：

S1.2：发送节点通过控制信道分配过程选择控制信道及相应时隙后，将发送节点的发送通道切换到所选的控制信道上，并在相应的时隙上发送RTS信息；所述RTS信息至少携带发送节点标识、接收节点标识、请求发送的数据长度和选择的数据信道信息；

S2.2：接收节点如果接收到RTS信息，则将接收节点的发送通道切换到发送节点所选的控制信道上，然后向发送节点发送CTS信息；所述CTS信息至少携带发送节点标识、接收节点标识、允许发送的数据长度和确认后的数据信道信息；

S3.2：接收节点将它的发送通道和一个接收通道切换到选定的数据信道上；

S4.2：发送节点接收到CTS信息后，将它的发送通道和一个接收通道切换到选定的数据信道上进行数据传输；如果发送节点未成功接收到CTS信息，则更换控制信道和时隙，然后返回步骤S1.2；

S5.2：接收节点接收到数据后，在选定的数据信道上向发送节点发送ACK信息；所述ACK信息至少携带数据是否正确、接收的应答以及本次传输的信道质量信息；

S6.2：发送节点接收到ACK信息后，如果发现本次传输的数据被正确接收，则本次传输完成；否则，重新选择数据信道，并返回步骤S1.2。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明使用多通道方式实现节点数据的并行传输，有效提高了网络容量；

(2)本发明采用多信道频分复用技术，有效降低了邻居节点的相互干扰，提高了无线传输效率；

(3)本发明采用TDMA混合信道接入方式，有效降低了数据分组的碰撞概率，实现了分组的高效传输。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的8个节点的拓扑模型；

图2为本发明具体实施方式的8个节点的时域隔离方案控制信道分配图；

图3为本发明具体实施方式的8个节点的时域交叠方案控制信道分配图；

图4为本发明具体实施方式的一个最终系统中节点对时频资源的占用情况；

图5为本发明具体实施方式的另一个最终系统中节点对时频资源的占用情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种单发多收空口资源分配方法，包括控制信道分配过程和数据信道分配过程，其中：

控制信道分配过程：将控制信道在时域上划分成预留时隙和竞争时隙，预留时隙长度和竞争时隙长度均满足能够完成至少一次完整的数据信道分配协商过程；在某一时刻，如果节点需要使用控制信道，如果发现有本节点可用的预留时隙，则直接使用此预留时隙；如果发现无本节点可用的预留时隙，则与其他节点竞争使用竞争时隙；

数据信道分配过程：使用控制信道协商出可以使用的数据信道。

控制信道分配过程中，本节点与其他节点竞争使用竞争时隙的方法有两种，第一种是基于概率的竞争方法，第二种是基于倒计时窗的竞争方法。

基于概率的竞争方法为：本节点按照争用概率争用可用的竞争时隙：如果争用成功，则使用此竞争时隙；否则，则将争用概率降低一半，并选择下一个可用的竞争时隙进行争用。争用概率通过业务优先级、系统支持的节点数以及本节点的邻居节点数确定。争用概率的变化范围在Pmin和Pmax之间，Pmin和Pmax由配置决定，当Pmin＝Pmax时表征等概率。节点初始概率为Pmax。

基于倒计时窗的竞争方法包括以下步骤：

S1.1：本节点选择一个倒计时窗，在倒计时窗中随机选择一个值作为倒计时数，倒计时数为倒计时过程中本节点可跳过时隙的最大数量；

S2.1：本节点根据倒计时数逐一跳过竞争时隙，如果跳过过程中发现本节点可用的预留时隙，则停止倒计时，直接使用此预留时隙；如果本节点根据倒计时数跳过所有可跳过时隙后仍未发现可用的预留时隙，则使用当前可用的竞争时隙进行协商，如果协商失败，则将倒计时窗扩大一倍，然后重新协商，直到协商成功为止。倒计时窗的变化范围在CWmin和CWMax之间，当一次成功协商后，倒计时窗恢复成CWin；CWmin和CWMax的取值由配置产生，当CWmin＝CWmax时表示倒计数窗不发生变化。倒计时窗的初值为CWmin。

其中，预留时隙通过将可用的固定时隙分配给相应节点得到，可用的固定时隙通过式(1)分配给相应节点：

F(x,y)＝(x+y)％K (1)

式(1)中，F(x,y)为固定时隙分配给的节点的编号，x为固定时隙编号，y为固定时隙映射周期或者0，固定时隙映射周期为x整除以K得到的值，K为节点总数。

数据信道分配过程包括以下步骤：

S1.2：发送节点通过控制信道分配过程选择控制信道及相应时隙后，将发送节点的发送通道切换到所选的控制信道上，并在相应的时隙上发送RTS信息；所述RTS信息至少携带发送节点标识、接收节点标识、请求发送的数据长度和选择的数据信道信息；

S2.2：接收节点如果接收到RTS信息，则将接收节点的发送通道切换到发送节点所选的控制信道上，然后向发送节点发送CTS信息；所述CTS信息至少携带发送节点标识、接收节点标识、允许发送的数据长度和确认后的数据信道信息；

S3.2：接收节点将它的发送通道和一个接收通道切换到选定的数据信道上；

S4.2：发送节点接收到CTS信息后，将它的发送通道和一个接收通道切换到选定的数据信道上进行数据传输；如果发送节点未成功接收到CTS信息，则更换控制信道和时隙，然后返回步骤S1.2；

S5.2：接收节点接收到数据后，在选定的数据信道上向发送节点发送ACK信息；所述ACK信息至少携带数据是否正确、接收的应答以及本次传输的信道质量信息；

S6.2：发送节点接收到ACK信息后，如果发现本次传输的数据被正确接收，则本次传输完成；否则，重新选择数据信道，并返回步骤S1.2。

本具体实施方式中有一个默认假设，即控制信道数量小于等于数据信道数，且控制信道数小于等于接收通道数。当控制信道数大于系统节点数的二分之一时，多个控制信道的优势体现不明显。由此，系统的信道数、通道数及节点数之间应该满足如下规则：

1)控制信道数W满足式(2)：

W＝MIN(Roundown(M/2),Roundown(K/2)) (2)

式(2)中，M为信道总数，N为接收通道总数；

2)所需的接收通道总数N’满足式(3)：

N’＝MIN((N-1),W)+1 (3)

3)数据信道数为(M–W)

由上述约束可知，当可用信道数少于2*(N-1)或者系统中的节点数少于2*(N-1)时，N’<N，即所需的接收通道数小于实际提供的接收通道数，此时只要关闭N-N’个接收通道，则原则上本具体实施方式前面描述的方案可以不加修改完全适用。

图1中节点总数K为8，接收通道总数N为4，信道总数M为6。控制信道预留时隙的具体分配方案可采用时域隔离方案，如图2所示。数据信道数量＝M-N+1＝3，分别用FD1-FD3表示。选择接收通道Rx1-Rx3用于接收控制信道FC1-FC3。接收通道Rx4基于协商结果在数据信道FD1-FD3之间进行切换。

假设在t0时隙边界，节点1有数据想发往节点0，则控制信道分配过程为：节点1根据图2查询到t0时隙控制信道FC2为自身预留时隙。数据信道分配过程包括以下步骤：

S1.21：，则节点1将发送通道Tx切换到控制信道FC2，然后向节点0发送RTS信息；RTS信息至少携带节点1的标识、节点0的标识、选择的数据信道号FD1和占用的时长10ms；

S2.21：节点0如果接收到RTS信息，则将节点0的发送通道Tx切换到控制信道FC2上，然后向节点1发送CTS信息；CTS信息至少携带节点1的标识、节点0的标识、确认的数据信道号FD1和占用的时长10ms；

S3.21：节点0将它的发送通道Tx和接收通道Rx4切换到数据信道FD1上；

S4.21：节点1接收到CTS信息后，将它的发送通道Rx4和接收通道Tx切换到数据信道FD1上进行数据传输；如果节点1未成功接收到CTS信息，则更换控制信道和时隙，然后返回步骤S1.21；

S5.21：节点0接收到数据后，在数据信道FD1上向节点1发送ACK信息，否则发送NACK信息；ACK信息至少携带数据是否正确、接收的应答以及本次传输的信道质量信息；

S6.21：节点1接收到ACK信息后，如果发现本次传输的数据被正确接收，则本次传输完成；节点1接收到NACK信息后，重新选择数据信道，并返回步骤S1.21。

假设在t1时隙边界，节点1有数据想发往节点0，则控制信道分配过程为：如果配置为概率模式，则节点1按照自身的发送概率，分别在t1时隙的FC1/FC2/FC3进行发送尝试，如果节点1的发送概率大于发送门限，则竞争时隙成功，否则进入下一个资源进行竞争；如果配置为倒计时窗模式，则节点1随机产生一个倒计数，假设为2，则节点1选择了t1时隙的FC2进行发送；如果倒计数为4，则节点1选择t3时隙的FC1进行发送；如果倒计数为7，则节点1使用t4时刻预留给自己的控制信道资源进行发送。数据信道分配过程同之前的描述，此处不再赘述。

此外，控制信道预留时隙的具体分配方案还可采用时域隔离方案，如图3所示。

假设在t0时隙边界，节点1有数据想发往节点0。因为在t0时刻存在分配给节点1的预留时隙，因此节点1可以直接使用t0/FC3资源。

假设在t1时隙边界，节点1有数据想发往节点0。因为t1时隙到t4时隙都没有节点1的预留时隙，因此节点1需要进行时隙争用，争用次序为：t1/FC1、t1/FC3、t2/FC2、t3/FC1、t3/FC3、t4/FC2；其他处理过程与时域隔离方案相同。

图4和图5给出了两个最终系统中节点对时频资源的占用情况，其中y的取值都按照固定时隙映射周期算。图中控制时隙中的a->b表示节点a向节点b发起资源协商，数据时隙中的a->b表示节点a向节点b发送数据以及节点b向节点a的应答。