一种基于链路距离感知的资源分配方法与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种进行时隙资源分配的方法。

背景技术：

在基于时间同步的无线网络多址接入协议中，收发节点进行数据收发(简称为data-ack)总时间中，主要包括两部分：数据包(data)和应答控制包(ack)的传输时间、无线信号传播的往返时间。当二者的时间相近(同一个数量级)时，无线信号传播的往返时间不可被忽略，使得data-ack的总时间被拉长、而有效数据(data)传输的时间比例减小，从而降低了多址接入协议的效率，该问题被称为无线网络中的通信时延扩展问题。

无线网络中的通信时延扩展问题，广泛存在于多个无线网络中，包括超远距的定向无线网络、超高速的无线网络等。比如，在超远距的定向无线网络中，由于定向天线将无线信号能量汇聚到某个特定方向上，因此增大了无线链路的传输距离；当无线链路的距离达到150km以上时，无线信号的往返传播时延将达到1ms以上，与数据传输时间处于同一个量级，从而不能被忽略。再比如，在超高速无线网络中，尽管无线链路距离很短、但是由于数据传输速率很高，从而减小了数据的传输时间，使得无线信号的往返传播时延所占的比例增大，以至于无线信号的往返传播时间不能被忽略；当无线数据传输速率达到30gbps时，传输一个3kbits的数据包所需要的时间为1us，相当于无线信号传播150米的往返时间，因此无线信号的传播时间不可被忽略。

针对无线通信时延扩展问题，现有研究工作大致可被分为两类：(1)增大所传输的数据量、从而增大数据传输的时间，使之达到无线信号传播时延的数百倍以上，从而减小无线信号传播时间所占的比例，进而可以忽略无线信号的传播时间；(2)根据无线链路的长度，设计相应的data-ack数据传输的总时间，从而达到长距离链路使用较大的data-ack总时间、短距离链路使用较小的data-ack总时间的目的，最终减小节点使用的平均数据收发(data-ack)的总时间。

然而，上述现有研究方法存在下述问题：(1)单纯的增大数据量的方法，首先需要数据收发节点具有存储、处理大数据量的能力，其次，数据源端节点必须要缓存总够多的数据，最后，为了避免由于数据量的增大导致大的误包率，将需要引入更多的数据包控制域开销(包括数据段分隔、纠错码、检错码等)。(2)如果根据每个链路的长度均设计一个数据收发的总时间，将增大协议实现的复杂度。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于链路距离感知的资源分配方法。在给定m、δ、r、k、dk、mk、tk和ek的具体数值情况下，本技术方案的基本思想：(1)按照分环的半径，从远至近分别为每个圆环中的节点分配基本时隙；(2)依次寻找可用的数据传输时隙，将其中的可用于数据传输的基本时隙分配给节点；(3)当所有节点的需求都被满足，或所有的基本时隙都已经分配完，算法结束。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的详细实施步骤如下：

步骤1：整个时间轴被划分为若干个时帧，每个时帧中有m个基本时隙，每个基本时隙的长度为δ，其中m、δ的具体数值根据整体网络的性能要求设定为常数或变量，数据收发总时间δ为基本时隙长度δ的整数倍；

数据源节点s的通信覆盖区域为一个半径为r的圆，将圆划分为k个圆环区域和一个圆盘区域，图2给出了当k＝3时，数据源节点s的通信覆盖区域被划分的示意图，其中，dk表示第k个圆环或圆盘的半径，且d1≤d2≤……≤dk≤r，其中1≤k≤k+1，且r、k、dk的具体数值根据整体网络的性能要求设定为常数或变量；

假设数据源节点s有n个邻节点，n>0，令n个邻节点的标识为{n1,n2,…,ni,…nn}，其中ni>0，1≤i≤n，当数据源节点s的通信覆盖区域被分为k个环和一个圆盘之后，则n个邻节点被划分为k+1个子集{n1_,n2_,l,nk+1}，且处于同一个分环或圆盘区域内的节点属于同一个节点子集，且处于同一个节点子集nk中的节点将使用相同的数据收发总时间δk，令节点s发送给节点ni的数据需求为ri个基本时隙；

每个数据收发总时间δk被划分为三部分：data数据传输的时间tkδ、无线信号传播的往返时间ekδ和ack应答数据包的传输时间δ，以ack应答数据包的传输时间δ作为基本时隙的时间长度，tk和ek的具体数值，根据整体网络的性能要求设定为常数或变量；

根据数据源节点s的通信覆盖区域分环情况，将数据源节点s的n个邻节点划分为k+1个节点子集；初始化当前所处的圆环数k＝k+1，时隙分配结果表s(m)的每个元素均初始化为0；转步骤2为数据源节点s的邻节点分配基本时隙；

所述的时隙分配结果表s[m]表示每个时帧中m个基本时隙的分配结果，其中s(j)表示第j个基本时隙(1≤j≤m)的分配结果，若第j个基本时隙(1≤j≤m)被分配为：数据源节点s向节点ni发送data数据，则令s(j)＝ni；若第j个基本时隙(1≤j≤m)被分配为：数据源节点s接收节点ni发送的ack数据，则令s(j)＝-ni；若第j个基本时隙未被分配，则令s(j)＝0；

步骤2：如果k>0，则转步骤3为子集nk中的节点分配基本时隙，否则资源分配方法结束；

步骤3：如果子集nk非空，则从子集nk中随机选择一个节点ni，转步骤4为节点ni分配基本时隙；否则k减1，转步骤2；

步骤4：如果节点ni的数据需求ri>0，则转步骤5为节点ni分配基本时隙；否则，转步骤3；

步骤5：初始化变量j＝0，按照步骤5.1-5.6为节点ni分配基本时隙；

步骤5.1：令j加1；如果j+mk-1>m，则转步骤5.6，否则转步骤5.2；

步骤5.2：如果s(j)＝0且s(j+mk-1)＝0，则说明找到了一个可用的数据传输时隙δk，设置s(j)＝ni，s(j+mk-1)＝-ni，令ri减1，转5.3否则转步骤5.1；

步骤5.3：如果ri>0则，初始化p＝1，转步骤5.4，为节点ni分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙，否则，转步骤5.6；

步骤5.4：令p加1；如果p>tk-1则该数据传输时隙已无基本时隙可用，转步骤5.1继续寻找下一个可用的数据传输时隙，否则转步骤5.5，继续为节点ni分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.5：如果s(j+p)≠0则转步骤5.4，否则，设置s(j+p)＝ni，令ri减1；如果ri>0则转步骤5.4继续为节点ni分配，否则转步骤5.6；

步骤5.6：如果ri＝0则将节点ni从子集nk中移除，转步骤3；否则k减1，转步骤2。

本发明的有益效果在于通过根据无线链路的距离，将所有的链路划分为k类，简化了协议设计与实现；每个链路的数据收发总时间，为某个基本时隙的整数倍；采用基本时隙的重分配方法，原本空闲不可用的基本时隙可被重分配给其他链路，提高了网络吞吐量，提升了协议效率。

附图说明

图1是本发明所提方法的时帧结构图，其中δ为每个基本时隙的长度，m为每个时帧中的基本时隙个数，δ为数据收发总时间，为基本时隙长度δ的整数倍。

图2为当k＝3时s的通信覆盖区域分环的示意图，其中节点s为数据源节点，r为节点s的通信半径，d1，d2，d3分别为圆盘和两个圆环的半径。

图3为数据收发总时间δk的组成部分示意图，其中tkδ为data数据传输的时间，ekδ为无线信号传播的往返时间，δ为ack应答数据包的传输时间。

图4为本发明实施用例1的节点分布图。

图5为本发明实施用例2的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

针对背景技术中各自存在的弊端，本发明提出了一种基于链路距离感知的资源分配方法。该方法解决了通信时延扩展问题，并兼备以下几个特点：(1)无线网络中的所有链路，根据链路距离被划分为有限的几类；(2)在每一类链路中，其数据收发总时间均为某个固定时间长度的基本时隙的整数倍；(3)所提出的时隙资源分配方法，使得原本空闲的不能用于数据收发的无线信号传播往返时间，可被重分配给其他的收发节点进行数据传输。

步骤1：图1给出了所提方法的时帧结构图，整个时间轴被划分为若干个时帧，每个时帧中有m个基本时隙，每个基本时隙的长度为δ，其中m、δ的具体数值根据整体网络的性能要求设定为常数或变量，数据收发总时间δ为基本时隙长度δ的整数倍；

数据源节点s的通信覆盖区域为一个半径为r的圆，将圆划分为k个圆环区域和一个圆盘区域，图2给出了当k＝3时，数据源节点s的通信覆盖区域被划分的示意图，其中，dk表示第k个圆环或圆盘的半径，且d1≤d2≤……≤dk≤r，其中1≤k≤k+1，且r、k、dk的具体数值根据整体网络的性能要求设定为常数或变量；

假设数据源节点s有n个邻节点，n>0，令n个邻节点的标识为{n1,n2,…,ni,…nn}，其中ni>0，1≤i≤n，当数据源节点s的通信覆盖区域被分为k个环和一个圆盘之后，则n个邻节点被划分为k+1个子集{n1_,n2_,l,nk+1}，且处于同一个分环(某个节点与数据源节点s的距离x满足，dk-1≤x≤dk那么该节点位于第k个圆环)或圆盘区域内的节点属于同一个节点子集，且处于同一个节点子集nk中的节点将使用相同的数据收发总时间δk，令节点s发送给节点ni的数据需求为ri个基本时隙；

每个数据收发总时间δk被划分为三部分：data数据传输的时间tkδ、无线信号传播的往返时间ekδ和ack应答数据包的传输时间δ，以ack应答数据包的传输时间δ作为基本时隙的时间长度，tk和ek的具体数值，根据整体网络的性能要求设定为常数或变量；

根据数据源节点s的通信覆盖区域分环情况，将数据源节点s的n个邻节点划分为k+1个节点子集；初始化当前所处的圆环数k＝k+1，时隙分配结果表s(m)的每个元素均初始化为0；转步骤2为数据源节点s的邻节点分配基本时隙；

所述的时隙分配结果表s[m]表示每个时帧中m个基本时隙的分配结果，其中s(j)表示第j个基本时隙(1≤j≤m)的分配结果，若第j个基本时隙(1≤j≤m)被分配为：数据源节点s向节点ni发送data数据，则令s(j)＝ni；若第j个基本时隙(1≤j≤m)被分配为：数据源节点s接收节点ni发送的ack数据，则令s(j)＝-ni；若第j个基本时隙未被分配，则令s(j)＝0；

步骤2：如果k>0，则转步骤3为子集nk中的节点分配基本时隙，否则资源分配方法结束；

步骤3：如果子集nk非空，则从子集nk中随机选择一个节点ni，转步骤4为节点ni分配基本时隙；否则k减1，转步骤2；

步骤4：如果节点ni的数据需求ri>0，则转步骤5为节点ni分配基本时隙；否则，转步骤3；

步骤5：初始化变量j＝0，按照步骤5.1-5.6为节点ni分配基本时隙；

步骤5.1：令j加1；如果j+mk-1>m，则转步骤5.6，否则转步骤5.2；

步骤5.2：如果s(j)＝0且s(j+mk-1)＝0，则说明找到了一个可用的数据传输时隙δk，设置s(j)＝ni，s(j+mk-1)＝-ni，令ri减1，转5.3否则转步骤5.1；

步骤5.3：如果ri>0则，初始化p＝1，转步骤5.4，为节点ni分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙，否则，转步骤5.6；

步骤5.4：令p加1；如果p>tk-1则该数据传输时隙已无基本时隙可用，转步骤5.1继续寻找下一个可用的数据传输时隙，否则转步骤5.5，继续为节点ni分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.5：如果s(j+p)≠0则转步骤5.4，否则，设置s(j+p)＝ni，令ri减1；如果ri>0则转步骤5.4继续为节点ni分配，否则转步骤5.6；

步骤5.6：如果ri＝0则将节点ni从子集nk中移除，转步骤3；否则k减1，转步骤2。

实施例1：本实施例侧重于描述按照分环的半径，从远至近分别为每个圆环中的节点分配基本时隙的方法；

考虑节点s的通信覆盖区域分环情况，将节点s的4个邻节点划分为3个节点子集，假定从远到近各个节点子集的节点个数为n3＝1，n2＝2，n1＝1，为了方便说明给区域中的节点从远到近编号1到4，以图4为例。每个节点的需求都为2，所用时帧为mk＝tk+ek+1，假定数据传输的时间tk均为2，那么根据单位时隙以及分环距离得到，从远到近三个时帧长度分别为m3＝27，m2＝23，m1＝17，假定总时隙m＝80，下面以节点1的时隙分配为例，说明步骤的具体执行情况：

步骤1：初始化k＝3，时隙空闲情况表s(80)每个元素初始化为0；

步骤2：若k>0则转步骤3为子集n3中的节点分配时隙；

步骤3：从子集n3中随机选择一个节点编号1，并为它分配时隙；

步骤4：因为节点1的数据需求为2，r1>0，则转步骤5为节点1分配基本时隙；

步骤5：初始化变量j＝0，按照下述步骤5.1-5.6为节点1分配基本时隙，

步骤5.1：j＝j+1；如果j+mk-1＝1+27-1<m＝80则表明所用时隙没有超过所给定的总时隙m，转步骤5.2；

步骤5.2：因为s(1)＝0且s(27)＝0，则说明找到了一个可用的数据传输时隙δk，设置s(1)＝1，s(27)＝-1，r1＝1，转5.3；

步骤5.3：因为ri>0则初始化变量p＝0，转步骤5.4为节点n1分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.4：p＝p+1＝1；因为p<＝t3-1＝1转步骤5.5，继续为节点ni分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.5：因为s(2)＝0说明该时隙空闲，设置s(2)＝1，ri＝0；转步骤5.6；

步骤5.6：因为r1＝0则返回值设为true；转步骤5为其它节点分配时隙，由于返回值为true，因此把该节点从n3中移除，转步骤3，n3为空集，那么k＝k-1＝2，就为n2中的节点分配时隙，方法同节点1。

实施例2：本实施例侧重于描述按照分环的半径、链路优先级，依次按照链路集合的优先级，分别为每个圆环中的节点分配基本时隙的方法；

考虑节点s的通信覆盖区域内与各个节点链路优先级情况，将节点s的5个邻节点划分为3个节点子集，假定距离从高到低各个节点子集的节点个数为n3＝2，n2＝2，n1＝1，每个节点的需求都为2，所用时帧为mk＝tk+ek+1，假定数据传输的时间tk均为2，那么根据单位时隙以及分环距离得到，从远到近三个时帧长度分别为m3＝27，m2＝23，m1＝17。假定总时隙m＝80，每个环中的节点按链路优先级排列，并编号，比如n3中两个节点链路优先级高的编号1，优先级低的编号2，n2中同理，编号为3和4。节点分体如图5所示。下面以节点1的时隙分配为例，说明步骤的具体执行情况：

步骤1：初始化k＝3，时隙空闲情况表s(80)每个元素初始化为0；

步骤2：若k>0则转步骤3为子集n3中的节点分配时隙；

步骤3：从子集n3中选择链路优先级高的编号1的节点，并为它分配时隙；

步骤4：因为节点1的数据需求为2，r1>0，则转步骤5为节点1分配基本时隙；

步骤5：初始化变量j＝0，按照下述步骤5.1-5.6为节点1分配基本时隙，

步骤5.1：j＝j+1；如果j+mk-1＝1+27-1<m＝80则表明所用时隙没有超过所给定的总时隙m，转步骤5.2；

步骤5.2：因为s(1)＝0且s(27)＝0，则说明找到了一个可用的数据传输时隙δk，设置s(1)＝1，s(27)＝-1，r1＝1，转5.3；

步骤5.3：因为ri>0则初始化变量p＝0，转步骤5.4为节点n1分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.4：p＝p+1＝1；因为p<＝t3-1＝1转步骤5.5，继续为节点ni分配所找到的数据传输时隙内的可用基本时隙；

步骤5.5：因为s(2)＝0说明该时隙空闲，设置s(2)＝1，ri＝0；转步骤5.6；

步骤5.6：因为r1＝0则返回值设为true；转步骤5为其它节点分配时隙，由于返回值为true，因此把该节点从n3中移除，转步骤3，n3为非空集，就为n3中编号为2的节点分配时隙，方法同节点1。