基于TDMA的长传播时延无线链路时隙分配方法与流程

本发明涉及通信技术领域，更进一步涉及一种时隙分配方法,可用于时分多址TDMA自组织网络。

背景技术：

传统的时隙分配方法是将一个帧中的若干个时隙分配给网络中的某一个节点，该节点在这些时隙内发送数据，在其余时隙内接收数据。在长传播时延无线链路条件下，例如卫星自组织网络的星间链路，TDMA协议需要将一个时隙的保护间隔设置的足够长，以保证某一节点在某一时隙发送数据不会影响到下一时隙某一节点发送数据，并且由于保护间隔时长增加使得时隙时长增加。当无线链路的传播时延大于传输时延时，保护间隔时长将达到时隙时长的一半以上，这种情况下，网络吞吐率和信道利用率均较低，且数据帧的排队时延大，因而现有TDMA协议并不能满足业务量需求较高的自组织网络，同时由于时隙时长较长导致协议实时性较差。

目前，在卫星自组织网络中，星间所采用的MAC协议大多是基于IEEE 802.11的CSMA/CA机制，这种机制下，同样存在着网络吞吐率和信道利用率较低的问题，并且接入信道的时间普遍较长，数据帧的排队时延大。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种基于TDMA的长传播时延无线链路时隙分配方法，以在传播时延大于传输时延的无线链路条件下，提升网络吞吐率和信道利用率，减小数据帧的排队时延。

本发明的技术方案是对现有卫星自组织网络的信道接入方式进行改进，采用无竞争的TDMA方式接入信道；针对星间链路传播时延经常会大于传输时延这一特征，引入了对发机制，即在A节点向B节点发送数据的同时，B节点向A节点也发送数据，并将TDMA协议的每个时隙分配给网络中的一对节点，提升网络吞吐率和信道利用率；并通过加入基于系统帧结构的数据帧队列调度机制，减小数据帧的排队时延，其实现步骤包括如下：

(1)节点进行初始化：

(1a)将节点状态置为非同步；

(1b)将建网失败次数置为0；

(2)在m个超帧周期内，判断节点是否接收到同步帧，若是，则执行步骤(3)，否则，执行步骤(4)，

(3)节点进行入网同步：

(3a)启动超帧定时器，完成入网同步的粗同步；

(3b)发送入网请求帧请求入网，等待同步帧源节点的入网响应帧；

(3c)判断是否收到入网响应帧，若是，则执行步骤(3d)，否则，执行步骤(3f)；

(3d)用开始接收入网响应帧的第一个bit的时间减去发送完入网请求帧最后一个bit的时间，得到与同步帧中的源节点地址的链路传播时延，用原超帧起始时刻减去链路传播时延，得到新的超帧起始时刻，完成精同步，并将节点状态置为同步；

(3e)根据同步帧中的网络节点数，邻居信息自动生成超帧结构，执行步骤(5)；

(3f)随机等待s个超帧周期，返回步骤(2)，其中

(4)节点以本地时钟作为基准时钟建立网络：

(4a)在s个超帧周期内，判断节点是否收到同步帧，若是，则返回步骤(3)，否则，执行步骤(4b)，其中

(4b)启动超帧定时器，同步时隙开始，并在同步时隙的同步子时隙内发送同步帧；

(4c)判断在同步时隙的入网请求子时隙是否收到入网请求帧，若是，则执行步骤(4d)，否则，执行步骤(4f)；

(4d)在同步时隙的入网响应子时隙发送入网响应帧；

(4e)根据入网请求帧的源节点地址自动生成超帧结构，同步时隙结束，执行步骤(5)；

(4f)建网失败次数加1；

(4g)判断建网失败次数是否大于等于网络中的最大节点数，若是，则执行步骤(4a)，否则，返回步骤(2)；

(5)节点进行数据的接收或发送：

(5a)业务时隙开始，判断本节点的地址是否属于该业务时隙的节点组，若是，则执行步骤(5b)，否则，执行步骤(5g)；

(5b)判断与节点组中本节点外的另一个节点的链路传播时延是否大于物理层传输时延与天线收发转换时间的时间之和，若是，则执行步骤(5c)，否则，执行步骤(5e)；

(5c)采用对发机制，从数据帧队列中调度出目的节点为节点组中本节点外的另一个节点的数据帧，并在业务时隙的发送子时隙发送；

(5d)在业务时隙的接收子时隙接收节点组中本节点外的另一个节点的数据帧，执行步骤(5h)；

(5e)根据复帧号的奇偶性和时隙号的奇偶性，判断本节点是否为该业务时隙的主发送节点，若是，则执行步骤(5f)，否则，执行步骤(5g)；

(5f)从数据帧队列中调度出队头的第一帧数据，并在业务时隙的发送子时隙发送，执行步骤(5h)；

(5g)在业务时隙接收信道上的数据帧；

(5h)当前业务时隙结束，判断下一时隙是否为业务时隙，若是，则执行步骤(5a)，否则，执行步骤(6)；

(6)同步时隙开始，判断当前同步时隙是否为本节点同步时隙，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(8)；

(7)节点广播所在网络的信息：

(7a)节点根据所在网络的信息，构造出同步帧；

(7b)在同步时隙的同步子时隙内发送同步帧；

(7c)判断在同步时隙的入网请求子时隙是否收到入网请求帧，若是，则执行步骤(7d)，否则，节点等待至同步时隙结束，返回步骤(5)；

(7d)在同步时隙的入网响应子时隙发送入网响应帧；

(7e)根据入网请求帧的源节点地址自动生成新的超帧结构，同步时隙结束，返回步骤(5)；

(8)节点更新所在网络的信息：

(8a)节点在同步时隙的同步子时隙接收其他节点的同步帧；

(8b)用收到同步帧第一个bit时间减去原超帧起始时刻，得到与同步帧源节点的新的链路传播时延；

(8c)根据同步帧中的网络节点数和邻居信息自动生成新的超帧结构；

(8d)判断在当前同步时隙的入网响应子时隙是否收到入网响应帧，若是，则执行步骤(8e)，否则，节点等待至当前同步时隙结束，返回步骤(5)；

(8e)根据入网响应帧中的目的节点地址自动生成新的超帧结构，同步时隙结束，返回步骤(5)。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用TDMA技术接入信道，克服了现有技术中节点通过基于CSMA/CA的竞争方式接入信道导致的冲突碰撞问题，使得本发明中的所有节点都能在其被分配的时隙中无冲突的发送和接收数据，提高了接入信道的速度和效率。

第二，由于本发明引入了对发机制，并按照新的策略将TDMA协议的每个时隙分配给网络中的节点，克服了现有技术中在传播时延高于传输时延的无线链路条件下，CSMA/CA机制和传统的TDMA机制网络吞吐率，信道利用率较低的问题，使得在链路传播时延大于传输时延的条件下，网络中的任意一对节点都能在其被分配的时隙中同时向对方发送数据以及接受对方的数据，提高了网络吞吐率与信道利用率。

第三，由于本发明引入了基于系统帧结构的数据帧队列调度机制，克服了现有技术中节点在一个复帧只有一帧数据出队发送，导致的队列中的数据帧排队时延较大的问题，使得本发明中的任意一个节点在一个复帧有多帧数据出队发送，减小了数据帧的排队时延。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中的三种类型控制帧结构示意图；

图3是本发明中的同步时隙和业务时隙结构示意图；

图4是本发明中自动生成的超帧结构示意图；

图5是本发明中的对发机制示意图；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的详细描述。

本发明的使用场景为长传播时延的无线自组织网络，例如卫星自组织网络，假设在太空中有4颗卫星，这4颗卫星即为卫星自组织网络中的节点，每一个网络节点按照本发明提出的时隙分配方法，将本地时间划分为若干个超帧，将每一个超帧划分为若干个复帧，将每一个复帧划分为若干个不同功能的时隙，每一个网络节点在超帧中实施本发明的实施步骤，以完成卫星自组织网络的建立，实现各个节点间无冲突的高速通信，使网络具有高吞吐量，高信道利用率的特点。

参照图1，对本发明的实施步骤作进一步的详细描述。

步骤1.节点进行初始化。

(1a)将节点状态置为非同步；

(1b)将建网失败次数置为0。

步骤2.在m个超帧周期内，判断节点是否接收到同步帧，若是，则执行步骤3，否则，执行步骤4，

所述的同步帧，是指节点用来完成入网同步的粗同步、更新与网络中其他节点的链路传播时延的控制帧，其结构如图2(a)所示，它包括第一训练序列、源节点地址、网络节点数、邻居信息和校验序列CRC，其中：

第一训练序列，用于判断接收到的控制帧是否为同步帧；

源节点地址，用于记录发送同步帧的节点地址；

网络节点数，用于记录发送同步帧的节点所在网络的节点数目；

邻居信息，用于记录发送同步帧的节点所在网络中各个节点的地址；

校验序列CRC，用于数据帧的纠错。

步骤3.节点进行入网同步。

(3a)启动超帧定时器，完成入网同步的粗同步；

(3b)发送入网请求帧请求入网，等待同步帧源节点的入网响应帧；

入网请求帧是指：节点发起入网请求，完成入网同步的精同步时，向同步帧源节点发送的控制帧，其结构如图2(b)所述，它包括第二训练序列、目的节点地址、源节点地址、类型域和校验序列CRC，其中，第二训练序列，用于判断接收到的控制帧是否为入网请求帧或入网响应帧；目的节点地址，用于记录入网请求帧或入网响应帧的目的节点地址；类型域，用于区分入网请求帧和入网响应帧。

入网响应帧是指：节点响应入网请求，完成入网同步的精同步时，向入网请求帧源节点发送的控制帧，其结构如图2(c)所述，它包括第二训练序列、目的节点地址、源节点地址、类型域和校验序列CRC。

(3c)判断是否收到入网响应帧，若是，则执行步骤(3d)，否则，执行步骤(3f)。

(3d)用开始接收入网响应帧的第一个bit的时间减去发送完入网请求帧最后一个bit的时间，得到与同步帧中的源节点地址的链路传播时延，用原超帧起始时刻减去链路传播时延，得到新的超帧起始时刻，完成精同步，并将节点状态置为同步；

(3e)根据同步帧中的网络节点数、邻居信息和精同步后新的超帧起始时刻自动生成超帧结构：

(3e1)节点将一个超帧划分为x个复帧，其中x为网络中的最大节点数；

(3e2)将一个复帧划分为一个同步时隙BSn和(x-1)阶加个业务时隙，n为复帧号；

(3e3)将每一个同步时隙划分为一个同步子时隙、一个入网请求子时隙和一个入网响应子时隙，如图3(a)所示，其中，同步子时隙用于发送或接收同步帧，入网请求子时隙用于发送或接收入网请求帧，入网响应子时隙用于发送或接收入网响应帧；

(3e4)将每一个业务时隙划分为一个发送子时隙和一个接收子时隙，如图3(b)所示，其中，发送子时隙用于发送数据帧，接收子时隙用于接收采用对发机制发送的数据帧；

(3e5)将同步时隙BSn分配给节点地址为n的节点，将业务时隙依次分配给网络中每一条链路对应的一对节点，在这一对节点中，将节点地址相比较小的节点作为该业务时隙主节点，将节点地址较大的节点作为该业务时隙副节点；再按先给节点地址较小的节点的所有链路分配业务时隙，后给节点地址较大的节点的所有链路分配业务时隙的顺序为每一条链路分配业务时隙；若所有链路分配完后还有空闲的业务时隙，则按照前述规则再分配一次，直至所有时隙均已分配，自动生成的超帧结构如图4所示，执行步骤5；

(3f)随机等待s个超帧周期，返回步骤2，其中

步骤4.节点以本地时钟作为基准时钟建立网络。

(4a)在s个超帧周期内，判断节点是否收到同步帧，若是，则返回步骤3，否则，执行步骤(4b)，其中

(4b)启动超帧定时器，同步时隙开始，并在同步时隙的同步子时隙内发送同步帧；

(4c)判断在同步时隙的入网请求子时隙是否收到入网请求帧，若是，则执行步骤(4d)，否则，执行步骤(4e)；

(4d)在同步时隙的入网响应子时隙发送入网响应帧，并根据入网请求帧的源节点地址自动生成超帧结构，同步时隙结束，执行步骤5；

(4e)建网失败次数加1；

(4f)判断建网失败次数是否大于等于网络中的最大节点数，若是，则返回步骤(4a)，否则，返回步骤2。

步骤5.节点进行数据的接收或发送。

(5a)业务时隙开始，判断本节点的地址是否属于该业务时隙的节点组，若是，则执行步骤(5b)，否则，执行步骤(5g)；

(5b)判断与节点组中本节点外的另一个节点的链路传播时延是否大于物理层传输时延与天线收发转换时间的时间之和，若是，则执行步骤(5c)，否则，执行步骤(5e)；

(5c)采用对发机制，从数据帧队列中调度出目的节点为节点组中本节点外的另一个节点的数据帧，并在业务时隙的发送子时隙发送；

所述对发机制，如图5所示，其指：网络中任意的两个节点在同一时刻向对方发送一帧数据，并在同一时刻接收对方的数据，由于链路传播时延大于物理层传输时延与天线收发转换时间之和，故这两个节点在发送数据与接收数据之间其自身不会产生冲突；

(5d)在业务时隙的接收子时隙接收节点组中本节点外的另一个节点的数据帧，执行步骤(5h)；

(5e)根据复帧号的奇偶性和时隙号的奇偶性，判断本节点是否为该业务时隙的主发送节点，若是，则执行步骤(5f)，否则，执行步骤(5g)；

(5f)从数据帧队列中调度出队头的第一帧数据，并在业务时隙的发送子时隙发送，执行步骤(5h)；

(5g)在业务时隙接收信道上的数据帧；

(5h)当前业务时隙结束，判断下一时隙是否为业务时隙，若是，则执行步骤(5a)，否则，执行步骤6。

步骤6.同步时隙开始，判断当前同步时隙是否为本节点同步时隙，若是，则执行步骤7，否则，执行步骤8。

步骤7.节点广播所在网络的信息。

(7a)节点根据所在网络的信息，构造出同步帧；

(7b)在同步时隙的同步子时隙内发送同步帧；

(7c)判断在同步时隙的入网请求子时隙是否收到入网请求帧，若是，则执行步骤(7d)，否则，节点等待至同步时隙结束，返回步骤5；

(7d)在同步时隙的入网响应子时隙发送入网响应帧，并根据入网请求帧的源节点地址自动生成新的超帧结构，同步时隙结束，返回步骤5。

步骤8.节点更新所在网络的信息。

(8a)节点在同步时隙的同步子时隙接收其他节点的同步帧；

(8b)用收到同步帧第一个bit时间减去原超帧起始时刻，得到与同步帧源节点的新的链路传播时延，并根据同步帧中的网络节点数和邻居信息自动生成新的超帧结构；

(8c)判断在当前同步时隙的入网响应子时隙是否收到入网响应帧，若是，则执行步骤(8d)，否则，节点等待至当前同步时隙结束，返回步骤5；

(8d)根据入网响应帧中的目的节点地址自动生成新的超帧结构，同步时隙结束，返回步骤5。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。