一种无线信道资源分配方法与流程

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种无线信道资源分配方法。

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。

类似于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mac层负责接入控制及无线资源分配。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，因此选择合适的无线信道资源分配方法对网络的整体性能至关重要。

无线通信网络的介质访问控制(mac)协议主要解决节点的接入控制和无线资源分配两个问题，在接入控制上，主流技术大多采用csma/ca的竞争机制；在信道分配上，对于多信道无线通信网络，要为不同的通信节点分配合适的信道资源及决定占用信道资源的时间长度。

当前无线信道分配方法多集中在如何为不同通信节点分配信道资源即选择合适的信道上，而对于通信节点的时域资源如何分配上即占用信道资源的时间长度少有涉及。

现有技术中存在一种预约时隙分配的方法，基于预先划分好的时隙结构，当无线通信网络内通信节点数变化或需求变更时采用，其他节点即接收方收到预约时隙请求后，判断本节点是否占有预约时隙，如果没有占用，则不作任何处理返回，否则应按照预定算法，计算本节点是否应放弃占有的预约时隙；如果计算结果是应放弃预约时隙，则向请求方回复预约请求，放弃预约时隙，请求方收到回复预约请求后，确认预约成功，完成预约时隙的转让；在网内同时存在多个预约请求的情况下，网络内节点会根据时隙编号的先后顺序依次处理。此种分配方式仍需基于预先划分好的时隙结构，因此网络中各无线通信节点需要进行时间同步才能正确的使用所预约的时隙，不适用于无需时间同步的无线通信网络。同时源通信节点的非目标通信节点的邻居节点收到预约时隙请求都需要向源通信节点回复消息，增加了协商信道上的开销。

现有技术中还存在一种传统csma/ca方案，将协商信道与数据信道分开，即假设可用信道有n个，则协商信道选用其中的一个，其余n-1个用作数据信道。传统csma/ca机制中源通信节点在发送数据前，先在协商信道上发送rts请求无线资源，其中携带选用的数据信道及请求占用的时间长度；目标通信节点在接收到rts帧后，为源通信节点在申请的数据信道上分配其申请长度的时隙资源，简单来说就是申请多长分配多长。此方案中，无线通信节点的数据发送需求是动态变化的，从源通信节点申请资源开始到目标通信节点回复确认消息，源节点可能又产生了新的数据发送需求，此种方式下就需要对新的数据发送需求进行多次申请资源，增加了协商次数，对于整个网络来说加重了协商信道的负载，同时也增加了协商信道上发生冲突的概率，对于单个通信节点来说不利于通信节点的省电，同时新的数据需求也没有得到及时满足即增大了通信时延。

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无线信道资源分配方法。

技术方案：本发明所述的无线信道资源分配方法，包括以下步骤：

s1：确定最大符号数；

s2：发送数据前，源节点选择数据信道，在竞争得到的协商信道上发送rts帧给目标节点，rts帧中携带源节点待发送数据的符号数、源节点所能占用信道资源的最大符号数以及源节点要求占用的数据信道；

s3：目标节点以外的其他节点收到rts帧后，分别维护nav1和nav2的信息：nav1信息中，将rts帧中携带的源节点要求占用的数据信道置为已占用状态，占用时间段为本节点收到rts帧时刻起到源节点待发送数据传输结束；nav2信息中，将rts帧中携带的源节点要求占用的数据信道置为已占用状态，占用时间段为本节点收到rts帧时刻起到源节点最大符号长度数据传输结束；

s4：目标节点收到rts帧后，如果发现源节点要求占用的数据信道的时间段与目标节点自身维护的nav1信息没有冲突，则目标节点发送cts帧给源节点，cts帧中携带源节点待发送数据的符号数、源节点所能占用信道资源的最大符号数以及源节点要求占用的数据信道；

s5：源节点以外的其他节点收到cts帧后，分别维护nav1和nav2的信息：nav1信息中，将cts帧中携带的源节点要求占用的数据信道置为已占用状态，占用时间段为本节点收到cts帧时刻起到源节点待发送数据传输结束；nav2信息中，将cts帧中携带的源节点要求占用的数据信道置为已占用状态，占用时间段为本节点收到cts帧时刻起到源节点最大符号长度数据传输结束；

s6：源节点收到cts帧后，判断是否有新的数据要发送给目标节点：如果是，则源节点在最大符号长度范围内将新的数据与步骤s2中的待发送数据一起打包，并携带数据包个数和长度信息发送给目标节点；否则，则直接将步骤s2中的待发送数据发送给目标节点。

进一步，所述步骤s1中，所述最大符号数是预先设置好的。

进一步，所述步骤s1中，所述最大符号数smax根据源节点的数据到达情况的统计信息计算得到，如式(1)所示：

smax＝max([prate×lavg×t×100]×lavg，lreq)(1)

式(1)中，prate为统计得到的每秒到达源节点的数据包个数，lavg为统计时间内的平均包长，t为每符号的时间长度，lreq为当前待发送数据的符号位；[]表示向上取整。

进一步，所述步骤s2中，源节点待发送数据的符号数包括目标节点回复ack所占用的符号数。

进一步，所述步骤s2中，源节点根据以下方法选择数据信道：

s2.1：源节点判断nav2信息中是否存在未被标记为占用状态的数据信道：如果是，则随机选择一个数据信道；否则，则进行步骤s2.2；

s2.2：源节点判断nav1信息中是否存在未被标记为占用状态的数据信道：如果是，则进行步骤s2.3；否则，则取消本次rts帧的发送；

s2.3：判断nav1信息中未被标记为占用状态的数据信道是否为多个：如果为多个，则根据以下两种方式中任意一种选择出一个数据信道；如果为一个，则直接选择该数据信道；

方式一：计算待发送数据结束时刻点与nav1信息中各个未被标记为占用状态的数据信道的结束时刻点之间的距离：如果各个距离不全相等，则选择最大距离对应的数据信道；否则，随机选择一个数据信道；

方式二：计算待发送数据结束时刻点与nav2信息中各个未被标记为占用状态的数据信道的结束时刻点之间的距离：如果各个距离不全相等，则选择最小距离对应的数据信道；否则，随机选择一个数据信道。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)通过本发明，无线通信节点的数据发送需求能够及时得到满足，减少了协商次数，降低了协商信道上的控制信息开销，避免网络负载较大时协商信道因为控制信息较多从而冲突概率较大成为性能瓶颈；

2)网络负载较轻时，数据包的到达频率较慢，本发明并没有造成性能恶化；网络负载较大时，数据包的到达频率较快，本发明可以尽可能的利用一次分配的资源，提升了无线通信网络的吞吐量，减少了通信节点总的发送次数进而降低了通信节点的功耗，同时降低了无线通信网络整体的通信时延。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的无线网络的拓扑结构图；

图2为本发明具体实施方式中的无线通信节点的结构示意图；

图3为本发明具体实施方式中的nav信息维护示意图；

图4为本发明具体实施方式中的总方法流程图；

图5为本发明具体实施方式中的数据信道选择流程图。

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无线信道资源分配方法，如图4所示，包括以下步骤：

s1：确定最大符号数；

s2：发送数据前，源节点选择数据信道，在竞争得到的协商信道上发送rts帧给目标节点，rts帧中携带源节点待发送数据的符号数、源节点所能占用信道资源的最大符号数以及源节点要求占用的数据信道；源节点待发送数据的符号数包括目标节点回复ack所占用的符号数；

s3：目标节点以外的其他节点收到rts帧后，分别维护nav1和nav2的信息：nav1信息中，将rts帧中携带的源节点要求占用的数据信道置为已占用状态，占用时间段为本节点收到rts帧时刻起到源节点待发送数据传输结束；nav2信息中，将rts帧中携带的源节点要求占用的数据信道置为已占用状态，占用时间段为本节点收到rts帧时刻起到源节点最大符号长度数据传输结束；

s4：目标节点收到rts帧后，如果发现源节点要求占用的数据信道的时间段与目标节点自身维护的nav1信息没有冲突，则目标节点发送cts帧给源节点，cts帧中携带源节点待发送数据的符号数、源节点所能占用信道资源的最大符号数以及源节点要求占用的数据信道；

s5：源节点以外的其他节点收到cts帧后，分别维护nav1和nav2的信息：nav1信息中，将cts帧中携带的源节点要求占用的数据信道置为已占用状态，占用时间段为本节点收到cts帧时刻起到源节点待发送数据传输结束；nav2信息中，将cts帧中携带的源节点要求占用的数据信道置为已占用状态，占用时间段为本节点收到cts帧时刻起到源节点最大符号长度数据传输结束；

s6：源节点收到cts帧后，判断是否有新的数据要发送给目标节点：如果是，则源节点在最大符号长度范围内将新的数据与步骤s2中的待发送数据一起打包，并携带数据包个数和长度信息发送给目标节点；否则，则直接将步骤s2中的待发送数据发送给目标节点。

步骤s1中，最大符号数可采用静态确定方式或者动态确定方式来确定。

静态确定方式是将最大符号数预先设置好，这种方式只在节点开机时执行一次。

动态确定方式是根据源节点的数据到达情况的统计信息计算得到最大符号数smax，如式(1)所示：

smax＝max([prate×lavg×t×100]×lavg，lreq)(1)

式(1)中，prate为统计得到的每秒到达源节点的数据包个数，lavg为统计时间内的平均包长，t为每符号的时间长度，lreq为当前待发送数据的符号位；[]表示向上取整。这种方式在每次数据发送前都要执行一次。

步骤s2中，源节点根据以下方法选择数据信道：

s2.1：源节点判断nav2信息中是否存在未被标记为占用状态的数据信道：如果是，则随机选择一个数据信道；否则，则进行步骤s2.2；

s2.2：源节点判断nav1信息中是否存在未被标记为占用状态的数据信道：如果是，则进行步骤s2.3；否则，则取消本次rts帧的发送；

s2.3：判断nav1信息中未被标记为占用状态的数据信道是否为多个：如果为多个，则根据以下两种方式中任意一种选择出一个数据信道；如果为一个，则直接选择该数据信道；

方式一：计算待发送数据结束时刻点与nav1信息中各个未被标记为占用状态的数据信道的结束时刻点之间的距离：如果各个距离不全相等，则选择最大距离对应的数据信道；否则，随机选择一个数据信道；

方式二：计算待发送数据结束时刻点与nav2信息中各个未被标记为占用状态的数据信道的结束时刻点之间的距离：如果各个距离不全相等，则选择最小距离对应的数据信道；否则，随机选择一个数据信道。

本具体实施方式中的“节点”是“无线通信节点”的简称，节点包括无线终端、无线中继和基站等无线通信设备，结构上可以是单发双收、双发双收和多发多收等多种形式。

下面以一个无线通信网络为例，对本发明的技术方案作进一步的介绍。

图1是一个无线通信网络，其中有6个节点，分别是节点a、节点b、节点c、节点d、节点e和节点f。图1中相邻两个节点之间的连线表示这两个节点互为邻居节点。每个节点的结构都如图2所示，采用全向天线，可以向任意方向发送以及从任意方向接收无线信号。

无线通信网络中采用设定协商信道的方式，以便快速获得相邻节点信道占用情况以及快速完成信道协商过程。图3是nav信息维护示意图，图5是数据信道选择的流程图。

实施例1：

假设节点a在某一时刻有5个符号的数据要发送给节点b，则无线信道资源分配方法包括以下步骤：

s1：采用静态确定方式确定最大符号数为100；

s2：发送数据前，节点a先查询nav2信息得到有fb、fc、fd共3个数据信道空闲，则在这三个数据信道中随机选择信道fd作为数据信道，在竞争得到的协商信道上发送rts帧给节点b，rts帧中携带节点a待发送数据的符号数7、节点a所能占用信道资源的最大符号数100以及节点a要求占用的数据信道fd；节点a待发送数据的符号数7包括1个符号的收发转换、1个符号的ack帧和5个符号的待发送数据；

s3：节点a的一跳邻居节点e、f收到rts帧后，分别维护nav1和nav2的信息：nav1信息中，将数据信道fd置为已占用状态，占用时间段t1～t1+6为本节点收到rts帧时刻t1起到节点a待发送数据传输结束t1+6；nav2信息中，将rts帧中携带的节点a要求占用的数据信道置为已占用状态，占用时间段t1～t1+99为本节点收到rts帧时刻t1起到节点a最大符号长度数据传输结束t1+99；

s4：节点b收到rts帧后，查询自己维护的数据信道fd的nav1信息发现，t时刻之后fd没有被其他节点占用，则节点b在协商信道上发送cts帧给节点a，cts帧中携带节点a待发送数据的符号数7、节点a所能占用信道资源的最大符号数100以及节点a要求占用的数据信道fd；

s5：节点b的一跳邻居节点c、d收到cts帧后，分别维护nav1和nav2的信息：nav1信息中，将cts帧中携带的节点a要求占用的数据信道fd置为已占用状态，占用时间段t2～t2+6为本节点收到cts帧时刻t2起到节点a待发送数据传输结束t2+6；nav2信息中，将cts帧中携带的节点a要求占用的数据信道fd置为已占用状态，占用时间段t2～t2+99为本节点收到cts帧时刻t2起到节点a最大符号长度数据传输结束t2+99；

s6：节点a收到cts帧后，发现有新的两包数据要发送给节点b，长度分别为10符号和70符号，经过计算可知这三包数据的符号数是小于最大符号数的，因此将新的两包数据与步骤s2中的待发送数据一起打包，并携带数据包个数3、长度信息5符号、10符号、70符号，在数据信道fd上发送给节点b。

实施例2：

假设节点a在某一时刻有5个符号的数据要发送给节点b，则无线信道资源分配方法包括以下步骤：

s1：采用动态确定方式确定最大符号数，将prate＝100、lavg＝10符号、t＝36×10^-6秒、lreq＝15符号代入式(1)中，计算得到最大符号数smax为40符号；

s2：发送数据前，节点a先查询nav2信息得到有fb、fc、fd共3个数据信道空闲，则在这三个数据信道中随机选择信道fd作为数据信道，在竞争得到的协商信道上发送rts帧给节点b，rts帧中携带节点a待发送数据的符号数7、节点a所能占用信道资源的最大符号数40以及节点a要求占用的数据信道fd；节点a待发送数据的符号数7包括1个符号的收发转换、1个符号的ack帧和5个符号的待发送数据；

s3：节点a的一跳邻居节点e、f收到rts帧后，分别维护nav1和nav2的信息：nav1信息中，将数据信道fd置为已占用状态，占用时间段t1～t1+6为本节点收到rts帧时刻t1起到节点a待发送数据传输结束t1+6；nav2信息中，将rts帧中携带的节点a要求占用的数据信道置为已占用状态，占用时间段t1～t1+39为本节点收到rts帧时刻t1起到节点a最大符号长度数据传输结束t1+39；

s4：节点b收到rts帧后，查询自己维护的数据信道fd的nav1信息发现，t时刻之后fd没有被其他节点占用，则节点b在协商信道上发送cts帧给节点a，cts帧中携带节点a待发送数据的符号数7、节点a所能占用信道资源的最大符号数40以及节点a要求占用的数据信道fd；

s5：节点b的一跳邻居节点c、d收到cts帧后，分别维护nav1和nav2的信息：nav1信息中，将cts帧中携带的节点a要求占用的数据信道fd置为已占用状态，占用时间段t2～t2+6为本节点收到cts帧时刻t2起到节点a待发送数据传输结束t2+6；nav2信息中，将cts帧中携带的节点a要求占用的数据信道fd置为已占用状态，占用时间段t2～t2+39为本节点收到cts帧时刻t2起到节点a最大符号长度数据传输结束t2+39；

s6：节点a收到cts帧后，发现有新的两包数据要发送给节点b，长度分别为10符号和70符号，经过计算可知这三包数据的符号数是大于最大符号数的，因此只能将第一包数据与步骤s2中的待发送数据一起打包，并携带数据包个数2、长度信息5符号、10符号，在数据信道fd上发送给节点b。