一种单信道时分多址星簇自组网时隙资源分配方法与流程

本发明涉及的一种单信道时分多址星簇自组网时隙资源分配方法能够实现基于一跳传输范围内的所有卫星节点的时隙信息使用情况完成分布式的入网时隙分配过程，实现入网时隙的快速分配，在卫星节点入网后能够基于传输负载变化和一跳传输范围内多节点时隙冲突检测过程对卫星节点占用的动态时隙进行调整；适用于动态变化的星簇自组织网络，属于卫星通信资源管理领域。

背景技术：

星簇自组织网能够最大限度地提升卫星服务能力和抗毁性，扩充卫星服务范围，有效地弥补单星在轨运行存在的各种不足，从而构建一个功能完善、性能稳定的空间服务系统。由于星簇网络的拓扑构型不确定，星间存在多跳传输，因此在时隙分配时必须要解决星间自组网所面临的暴露节点和隐藏节点的问题并能够适应星簇网络的动态变化和突发业务的传输需求。

星簇自组网的时隙分配与星簇节点的入退网、星间数据传输等密切相关，现有的无线自组织网已提出多种时隙资源分配方法，其时隙资源分配方法主要集中于中心式分配方式、基于传输路径分配时隙资源、基于两跳邻居节点信息分配时隙资源、基于树状结构分配时隙资源等方面。但是已有方法针对星上资源有限、传输速率较低、传输距离远的星簇自组网适用性不强，星簇自组网需要一种开销较小能够快速自适应拓扑结构和负载动态变化的时隙资源分配方法。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种单信道时分多址星簇自组网时隙资源分配方法，解决了传统时隙资源分配方法交互次数较多，开销较大的问题同时能够自适应网络结构和网络负载的变化。

本发明的技术方案是：

一种单信道时分多址星簇自组网时隙资源分配方法，包括以下步骤：

步骤1、待入网卫星节点完成时间同步后，在所有可用时隙中侦听一跳传输范围内卫星节点的数据发送信息，基于收到的数据帧中的标识位获取对应卫星节点对该时隙的占用类型，得到已被一跳传输范围内卫星节点占用的时隙信息；

步骤2、待入网卫星节点基于一跳传输范围内卫星节点时隙占用信息，获取自身入网所占用的时隙信息；

步骤3卫星节点完成入网后，基于当前待发送负载大小和发送速率，对本节点时隙资源的占用情况进行动态调整。

所述步骤2的具体方法为：

步骤2.1待入网卫星节点从已收集的一跳传输范围内的卫星节点已占用的时隙集合a中，提取已被占用的高优先级时隙集合b；集合b在待入网卫星节点所有可用时隙集合c中的补集d，即为待入网卫星节点可用的高优先级时隙集合e；

步骤2.2待入网卫星节点从可用的高优先级时隙集合e中随机选取n1个时隙和n2个时隙分别作为本节点预占用的入网时隙和本节点临时占用的广播时隙；并在n2个时隙中向一跳传输范围内的卫星节点广播待占用的n1个高优先级时隙；待入网卫星节点广播结束后，开始侦听一跳传输范围内卫星节点上报的冲突时隙号；

步骤2.3待入网卫星节点一跳传输范围内的已入网的所有卫星节点持续侦听自身一跳范围内所有卫星节点所使用的高优先级时隙号，构成已使用的高优先级时隙集合f；待入网卫星节点一跳范围内所有已入网卫星节点将申请的n1个时隙构成的集合g与集合f求交集，得到冲突时隙号集合h；待入网卫星节点一跳范围内所有已入网卫星节点在自己已占用的高优先级时隙中在一跳传输范围内广播冲突时隙号集合h中包括的冲突时隙信息；

步骤2.4待入网卫星节点收到一跳范围内的所有已入网卫星节点所广播的冲突时隙集合h，将集合h在待入网卫星节点已申请的n1个时隙号构成的集合g中取补集得到集合i，集合i中即包含了待入网节点可占用的所有时隙号；如果集合i为空则重复执行步骤2.1至步骤2.4，否则执行步骤3。

所述步骤3的具体方法为：

步骤3.1基于当前待发送的数据大小s、当前网络最大传输单元大小mtu值、一个时隙的长度tslot、当前已占用的时隙个数nslot和帧长度nframe计算当前排队时延tdelay和需要动态增加的时隙个数nreq；

步骤3.2判断当前排队时延tdelay是否超过当前时延阈值tthreshold；如果tdelay大于tthreshold，则在高优先级时隙中向一跳传输范围内所有卫星节点广播动态时隙预占用信息，信息中包括预占用的动态时隙的生存周期tlive和预占用的时隙号信息，并等待一跳传输范围内的数据接收卫星节点和其他卫星节点的反馈帧；如果tdelay小于等于tthreshold则直接跳转至步骤3.1；

步骤3.3动态时隙申请卫星节点周围一跳传输范围内的所有卫星节点接收动态时隙占用信息广播，一跳传输范围内的所有卫星节点完成对动态时隙申请卫星节点预动态时隙信息的冲突检测过程；

步骤3.4动态时隙申请完成后，周期性判断已动态时隙生存周期tlive是否已超时，如果生存周期超时则执行步骤3.1；如果未超时则不进行任何操作。

所述步骤3.1中计算当前排队时延tdelay和需要动态增加的时隙个数nreq的计算公式如下：

tdelay＝(s*nframe)/(mtu*nslot)

nreq＝(tdelay-tthreshold)/tslot。

所述步骤3.3的具体方法为：

步骤3.3.1距数据发送卫星节点一跳范围内的数据接收卫星节点，基于已侦听到的本节点周围一跳传输范围内的所有时隙占用信息，检测数据发送卫星节点广播的动态时隙占用信息中包含的冲突时隙；如果数据接收卫星节点收到多个数据发送卫星节点广播的动态时隙占用信息则以tdelay值度量对已申请的动态时隙进行冲突检测，并记录对应数据发送卫星节点可用的时隙信息；tdelay值越大冲突概率越小，即当同一个时隙被同时被多个发送节点申请时tdelay值最大的数据发送卫星节点可用该时隙，该时隙对于其他数据发送卫星节点则标记为冲突；

步骤3.3.2距数据发送卫星节点一跳传输范围内的其他卫星节点，基于已侦听到的本节点一跳传输范围内的非数据接收卫星节点占用的高优先级时隙信息和本节点作为接收节点时为发送节点已分配的动态时隙信息与数据发送卫星节点预占用时隙中的相同时隙，得出数据发送卫星节点不可占用的时隙信息，并在本机点入网时隙广播数据发送卫星节点不可占用的时隙信息；

步骤3.3.3动态时隙申请卫星节点收到一跳传输范围内所有卫星节点发送的冲突时隙构成的集合k；从已申请的所有时隙中去除冲突集合k中所包含的时隙，剩余的时隙即为卫星节点动态申请的时隙信息。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出了一种分布式的入网时隙分配方法，能够在一跳传输范围内，通过发送一次高优先级时隙申请广播即可快速地实现入网时隙资源分配，同时时隙分配过程中没有中心节点能够提高网络的健壮性。

(2)本发明通过量化计算卫星节点在数据发送时所需的动态时隙资源数量，通过发送时隙信息占用申请广播；一跳传输范围内的数据接收卫星节点检测预申请时隙的可用性，一跳传输范围内的其他节点检测是否与本节点的接收时隙冲突；通过以上分布式方法基于负载量为发送节点动态调整时隙资源，该方法通过一次申请能够快速地获取动态时隙，从而快速适应负载的动态变化，提高时隙资源的利用率。

附图说明

图1卫星节点入网时隙申请流程；

图2卫星节点入网时隙分布式分配流程；

图3已入网卫星节点负载自适应的时隙申请流程；

图4已入网卫星节点负载自适应的时隙分配流程。

具体实施方式

下面结合图1-4对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述

1.卫星节点入网时隙申请流程

第一步：节点在同步完成后在所有可用时隙(一个帧中的所有时隙，个数可变)中侦听(侦听时长为t1，t1为帧长的整数倍)一跳传输范围内卫星节点对该时隙的占用情况。

第二步：待入网卫星节点从所有可用时隙中随机选取n个(取值可变)未被其他卫星节点占用的时隙(用于高优先级时隙)作为本节点待申请的高优先级时隙，如果所有可用时隙均被占用为高优先级时隙则跳转到第一步；

第三步：待入网卫星节点从一跳传输范围内卫星节点未占用的时隙中(如果都占用，则从占用的非高优先级时隙中)选取m个(m取值可变)时隙作为本节点的广播时隙，并在m个广播时隙中向一跳传输范围内的所有卫星节点广播待占用的n个时隙信息，广播完成后开始侦听，侦听市场为t(t可变，t为帧长的整数倍)。

第四步：待入网卫星节点接收一跳传输范围内其他卫星节点所反馈的冲突时隙信息，从待申请的n个时隙中移除冲突时隙，即为本节点所占用的入网时隙；如果待入网卫星节点未收到任何反馈信息，则继续跳转到第一步执行。

第五步：卫星节点入网后，继续在已收集其他卫星节点的占用的高优先级时隙中侦听其在对应时隙的信息发送，如果长时间(帧长t的整数倍)为收到发送信息则认为该卫星节点已退网，更新收集到的时隙信息。

2.卫星节点入网时隙分布式分配流程

第一步：作为待入网节点一跳传输范围内的卫星节点接收入网节点发送的时隙占用申请广播。

第二步：将申请广播中包含的时隙占用信息与本节点收集的自身节点一跳传输范围内的时隙信息做比对，如果有相同时隙则为冲突时隙，并对剩余时隙进行记录

第三步：将比对结果通过本节点占用的高优先级时隙在一跳传输范围之内进行广播。

3.已入网卫星节点负载自适应的时隙申请流程

第一步：已入网节点基于当前待发送的数据大小s、当前网络最大传输单元大小mtu值、一个时隙的长度tslot，当前已占用的时隙个数nslot和帧长度nframe计算当前排队时延tdelay和需要动态增加的时隙个数nreq。

第二步：基于需要增加的时隙个数nreq，从已记录的未使用的非高优先时隙中选取nselect个时隙作为本节的动态时隙，在本节点的入网时隙向一跳传输范围内的所有节点进行广播(广播帧中包括占用的时隙号，生存周期、排队时延、数据接收卫星节点地址等信息)。

第三步：等待一跳传输范围内的所有卫星节点反馈冲突时隙信息，从选取的nselect个时隙中去除反馈的所有冲突时隙后将剩余的时隙作为本节点的发送动态时隙。

4.已入网卫星节点负载自适应的时隙分配流程。

第一步：时隙申请节点一跳传输范围内的所有卫星节点均收到数据发送卫星节点广播的动态时隙占用信息。

第二步：一跳范围内的数据接收卫星节点基于已侦听的时隙信息和广播的时隙占用信息比对，如果相同则为冲突时隙并向一跳传输范围内的发送节点广播，将非冲突时隙记录为本节点的已分配时隙。

第三步：一跳范围内的数据接收卫星节点基于自身已分配的时隙信息和广播的时隙占用信息比对，如果相同则为冲突时隙并向一跳传输范围内的发送节点广播。

本发明具体步骤如下：本发明一种单信道时分多址星簇自组网时隙资源分配方法，包括以下步骤：

步骤1、待入网卫星节点同步完成后，在所有可用的时隙中侦听一跳传输范围内所有卫星节点的数据发送信息，基于收到的数据帧中的标识位获取该时隙的占用类型，侦听持续t1时间，得到已被周围一跳邻居节点占用的时隙信息。

步骤2、待入网卫星节点基于一跳传输范围内卫星节点时隙占用信息，获取自身入网所占用的时隙信息；

步骤2.1待入网卫星节点从已收集的一跳传输范围内的卫星节点已占用的时隙集合a中，提取已被占用的高优先级时隙集合b；集合b在待入网卫星节点可用时隙号集合c中的补集d即为待入网卫星节点可用的高优先级时隙集合e。

步骤2.2待入网卫星节点从可用的高优先级时隙集合e中分别随机选取n1个时隙作为本节点的预占用时隙和n2个时隙作为本节点的广播时隙；并在n2个时隙中向一跳传输范围内的卫星节点广播待占用的高优先级时隙号集合n1；并开始侦听一跳传输范围内卫星节点上报的冲突时隙号，侦听时长为t2。

步骤2.3待入网卫星节点一跳传输范围内的已入网的所有卫星节点持续侦听自身一跳范围内所有卫星节点所使用的高优先级时隙号，构成已使用的高优先级时隙集合f；待入网卫星节点一跳范围内所有已入网卫星节点将申请的n1个时隙构成的集合g与集合f求交集，得到冲突时隙号集合h；待入网卫星节点一跳范围内所有已入网卫星节点在自己已占用的高优先级时隙中在一跳传输范围内广播冲突时隙号集合h。

步骤2.4待入网卫星节点收到一跳范围内的所有已入网卫星节点所广播的冲突时隙号集合h，将集合h在待入网卫星节点已申请的n1个时隙号构成的集合g中取补集等到集合i，集合i中即包含了待入网节点可以占用的所有时隙号。如果集合i为空则重复执行步骤2.1至步骤2.4。

步骤3卫星节点完成入网后，基于当前待发送负载大小和发送速率等信息动态对本节点时隙资源的占用情况进行调整，主要包括如下几个步骤：

步骤3.1基于当前待发送的数据大小s、当前网络最大传输单元大小mtu值、一个时隙的长度tslot，当前已占用的时隙个数nslot和帧长度nframe计算当前排队时延tdelay和需要动态增加的时隙个数nreq。计算公式如下所示：

tdelay＝(s*nframe)/(mtu*nslot)

nreq＝(tdelay-tthreshold)/tslot

步骤3.2判断当前排队时延tdelay是否超过当前时延阈值tthreshold；如果tdelay大于tthreshold则在高优先级时隙中向一跳传输范围内的数据接收卫星节点广播动态时隙申请信息，申请信息中包括动态时隙的生存周期tlive和即将占用的时隙信息；并等待一跳传输范围内的数据接收卫星节点和其他卫星节点的反馈帧，如果超时则继续发送；如果tdelay小于等于tthreshold则直接跳转至步骤3.1。

步骤3.3动态时隙申请节点周围一跳传输范围内的所有卫星节点收到动态时隙申请广播帧，并且一跳传输范围内的所有卫星节点均对申请的动态时隙进行冲突检测；具体步骤包括如下几步。

步骤3.3.1距数据发送卫星节点一跳范围内的数据接收卫星节点，基于已侦听到的本节点周围一跳传输范围内的所有动态时隙占用信息，检测数据发送卫星节点广播的动态时隙占用信息中包含的冲突时隙；如果数据接收卫星节点收到多个数据发送卫星节点广播的动态时隙占用信息则以tdelay值度量对已申请的动态时隙进行冲突检测，并记录对应数据发送卫星节点可用的时隙信息；tdelay值越大冲突概率越小，即当同一个时隙被同时被多个发送节点申请时tdelay值最大的数据发送卫星节点可用该时隙，该时隙对于其他数据发送卫星节点则标记为冲突。

步骤3.3.2距数据发送卫星节点一跳范围内的非数据接收卫星节点，基于已侦听的一跳传输范围内高优先级时隙占用信息和记录的本节点为其他数据发送卫星节点已分配的动态时隙信息，对收到的动态时隙占用信息进行冲突检测，并广播检测的冲突时隙信息。

步骤3.3.3动态时隙申请节点收到一跳范围内所有卫星节点发送的不可占用的时隙信息广播帧中所包含的时隙集合。在已申请占用的动态时隙中去除不可占用的时隙信息后即为卫星节点动态申请的时隙信息。

步骤3.4动态时隙申请完成后，周期性判断动态时隙生存周期tlive是否已超时，如果生存周期超时则执行步骤3.1；如果未超时则不进行任何操作。