一种基于TDMA的无线自组织网络中的信道竞争方法和应用与流程

本发明涉及通信领域，具体涉及基于tdma的无线自组织网络中的信道竞争方法及应用。
背景技术：
：无线自组织网络在我们日常生产和生活的应用已经十分广泛，它具有无需网络基础设施、鲁棒性、抗毁性和容易构建的特点，特别适用于移动网络和不具备建设固定网络基础设施条件的网络环境。例如，在紧急抢险救灾的环境下可以通过建立无线自组织网络的方式，进行必要的信息通讯；完成车与车和车与路侧节点通信的车联网具有网络拓扑变化快的特点，节点之间必须通过自组织的方式进行数据交互通信才能保证数据传输的实时性最高。在无线自组织网络中，mac(媒体访问控制，mediaaccesscontrol)层协议主要负责协调控制节点对无线频谱的访问过程。由于网络中节点自组织的特性，低效的mac层协议将导致数据报文传输的高延迟和低传输率。因此，mac层协议的设计非常重要。传统的无线自组织网络中的mac层协议中，控制节点对信道访问的基本方法主要包括csma/ca(载波监听多路访问/冲突避免，carriersensemultipleaccess/collisionavoidance)机制和tdma(时分多址，timedivisionmultipleaccess)机制。csma/ca机制在中、低密度的网络中性能较好，在高密度网络中面临无上限的传输延迟问题和报文冲突率高的问题。传统的tdma机制虽然能够在高密度网络中仍保证有界的报文延迟，但节点必须在对应自身申请或分配的时隙内发送报文，这导致了报文传输实时性较差。同时，节点在传输的数据报文之外需要传输控制信息进行时隙使用协调，需要额外的带宽开销。因此，传统的mac协议还存在一些问题，无线自组织网络的mac层协议还有待进一步改进和优化。技术实现要素：基于现有技术问题，本发明设计开发了一种基于tdma的无线自组织网络中的信道竞争方法，本发明的发明目的是通过将时隙划分为竞争时段和传输时段，节点通过在竞争时段内的固定数量的竞争子时隙使用发送信道繁忙信号和监听信道相结合的方式确定是否在传输时段广播数据报文，使节点只有在需要发送报文时才访问信道且在通信范围内的多个节点竞争同一个时隙时能够快速有效的确定使用时隙传输时段发送数据报文的节点。本发明还涉及开发了一种基于tdma的车联网中信道竞争方法的应用，本发明的发明目的是通过使用信道竞争方法在车辆碰撞事故中将报告告警报文快速有效的传播。本发明提供的技术方案为：一种基于tdma的无线自组织网络中的信道竞争方法，包括：当节点需要在一个时隙内广播数据报文时，需要内竞争时隙使用权；如果所述节点取得所述时隙使用权，则进行数据报文广播，如果所述节点没有取得所述时隙使用权，则不在所述时隙进行数据报文广播。优选的是，所述时隙包括竞争时段和传输时段；以及所述竞争时段分为多个竞争子时隙；其中，所述节点在所述竞争时段竞争时隙使用权，在所述传输时段广播数据报文。优选的是，在所述时隙所述竞争时隙使用权时，所有参与当前时隙竞争的节点，在每个竞争子时隙包括广播信道繁忙信号和监听信道两种工作状态；当所述节点处于广播信道繁忙信号的工作状态时，通信范围内处于所述监听信道的其他节点能够监听到信道繁忙信号；当所述节点处于监听信道的工作状态时，所述节点在所述竞争子时隙内如果监听到其他节点的信道繁忙信号则退出竞争。优选的是，所述退出竞争包括：所述节点如果退出当前竞争子时隙的竞争过程，则在当前竞争子时隙后续的竞争子时隙不再广播信道繁忙信号，保持沉默；以及退出竞争的节点在当前时隙的传输时段不广播数据报文，保持沉默。优选的是，如果所述节点取得所述时隙使用权，则进行广播数据报文，其过程包括：当处于广播信道繁忙信号的工作状态的节点在最后一个竞争子时隙时，则节点取得所述时隙使用权，在所述传输时段广播待发送的数据报文；当处于监听信道的工作状态的节点都没有监听到其他节点广播的信道繁忙信号，并且在最后一个竞争子时隙时，则节点取得所述时隙使用权，在所述传输时段广播待发送的数据报文。优选的是，将所述竞争时段分为n个竞争子时隙，并且在进入所述竞争时段之前在0到2n-1之间选取任意整数，将所述整数对应转化为一个n位的二进制数；判断与所述二进制数对应的节点在每个竞争子时隙的工作状态：当所述二进制数为0时，则所述节点处于监听信道的工作状态，所述节点在所述竞争子时隙内如果监听到其他节点的信道繁忙信号则退出竞争；当所述二进制数为1时，所述节点处于广播信道繁忙信号的工作状态，通信范围内处于所述监听信道的节点能够监听到信道繁忙信号。优选的是，将所述整数转化为一个n位的二进制数过程包括：所述整数对应于由0和1表示的二进制数，在位数不足n位时，高位用0表示，对应于一个n位由0和1表示的二进制数；以及判断与所述二进制数对应的节点在每个竞争子时隙的工作状态过程包括：n位的二进制数中的各位分别与所述节点在竞争子时隙中的发送信道繁忙信号/监听信道工作状态一一对应。一种基于tdma的车联网中信道竞争方法的应用，所述信道竞争方法用于车辆碰撞事故报告告警的报文传播，包括如下步骤：步骤一、本车节点收到预警报文，解析所述预警报文内容中的数据信息；步骤二、判断事故车辆与本车距离是否超出报警传输范围，如果超出范围，则本车节点不再转播此预警报文；如果未超出范围则计算本车与上一跳转播预警报文车辆的距离，确定可选竞争值区间；步骤三、在所述可选竞争值区间随机选择一个竞争值，并转换为对应的二进制数后进入下一个竞争子时隙；步骤四、判断与所述二进制数对应的节点在竞争子时隙的工作状态，当所述二进制数为0时，则所述节点处于监听信道的工作状态，所述节点在所述竞争子时隙内如果监听到其他节点的信道繁忙信号则退出竞争，在后续竞争子时隙中不再发送信道繁忙信号，在传输时段不转播预警报文；所述节点在所述竞争子时隙内如果未监听到其他节点的信道繁忙信号，并且当前竞争子时隙为最后一个竞争子时隙时，则节点取得所述时隙使用权，在传输时段转播预警报文；当所述二进制数为1时，则所述节点处于广播信道繁忙信号的工作状态，通信范围内处于所述监听信道的节点能够监听到节点广播的信道繁忙信号时，如果当前竞争子时隙为最后一个竞争子时隙，则节点取得所述时隙使用权，在传输时段转播预警报文。优选的是，在所述可选竞争值区间随机选择一个竞争值，并转换为对应的二进制数包括：确定所述竞争子时隙为n个；所述竞争值为0到2n-1之间选取任意整数，将所述整数对应转化为一个n位的二进制数。优选的是，将所述整数转化为一个n位的二进制数过程包括：所述整数对应于由0和1表示的二进制数，在位数不足n位时，高位用0表示，对应于一个n位由0和1表示的二进制数；以及判断与所述二进制数对应的节点在每个竞争子时隙的工作状态过程包括：n位的二进制数中的各位分别与所述竞争子时隙中节点的工作状态一一对应。本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：网络以完全分布式方式运作，节点不需要选取簇头节点进行时隙的管理，避免簇头节点选取和簇内节点维护所需的信道资源占用和能耗；节点之间无需传输时隙协调管理信息，避免了不必要的信道资源占用；与传统tdma协议中节点需要等待已经申请到或分配的固定时隙进行数据报文发送的方式相比，本方案中节点在需要发送报文时即可参与时隙的竞争，有效提高了报文传输的实时性；通过发送信道繁忙和监听信道相组合的方式，能够有效提高竞争时段的利用率，提高节点信道竞争的效率。附图说明图1为本发明所述的信道竞争方法流程图。图2为本发明所述的信道竞争方法时隙设计图。图3为节点在竞争时段的信道竞争示意图。图4为预警报文传播时下一跳节点竞争示意图。图5为本发明所述的信道竞争方法用于预警报文传播应用的过程流程图。图6为通过本发明所述的信道竞争方法和退避机制传输时段不冲突概率对比图。图7为不同车辆密度条件下接收器收到预警信息之前需要的总时隙数。图8为不同车辆密度条件下平均每跳的传输距离。图9为不同车辆密度条件下单跳节点选取使用平均所需的时隙数。图10为不同信道状态下的接收器收到预警信息之前需要的总时隙数。图11为不同信道状态下平均每跳的传输距离。图12为不同信道状态下单跳节点选取使用平均所需的时隙数。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。如图1所示，本发明实施例提供的技术方案，通过在车联网中使用提出的基于tdma的无线自组织网络中的信道竞争方法，实现了预警报文高效的转发扩散，其中，本发明实施例提供了一种基于tdma的无线自组织网络中的信道竞争方法，该方法如下：当节点需要在一个时隙内广播数据报文时，在所述时隙竞争时隙使用权；如果所述节点取得所述时隙使用权，则进行广播数据报文，如果所述节点没有取得所述时隙使用权，则不在所述时隙进行广播数据报文。如图2所示，本发明对时隙进行了重新设计，每个时隙由竞争时段和传输时段两部分构成，竞争时段包含了固定数量(n个，n为正整数)的竞争子时隙，需要传输数据的节点在竞争时段进行信道访问权限的竞争，仅有竞争成功的节点才能取得所述时隙使用权，在传输时段转发预警信息；对时隙进行重新设计的原因是：对于在si时隙中接收到预警信息的所有潜在转发节点，如果它们属于单跳邻居集，则应只有一个转发节点应在si+1时隙中重新广播预警信息，否则会发生传输冲突，因此，需要对时隙重新设计，增加时隙使用的竞争过程。在另一种实施例中，节点在竞争时段的工作状态用对应的二进制数列和整数表示；节点在一个竞争子时隙广播信道繁忙对应二进制数1，节点在一个竞争子时隙监听信道对应二进制数0；从而，对于竞争时段的n个竞争子时隙，一个节点的工作状态可以对应一个n位的二进制数，这个二进制数又对应一个在范围[0,2n-1]内的整数。如图3所示，在另一种实施例中，当n＝4时，若节点第二个竞争子时隙进行信道监听，在其他竞争子时隙广播信道繁忙信号，则可对应二进制数列1011，对应整数11；因此，在竞争时段开始前，节点可以提前选取一个n位的二进制数列或者在[0,2n-1]范围内选取一个整数作为竞争值并转换成二进制数列，在竞争时段依据对应的二进制数列指导在竞争时段的工作状态。为了信道竞争过程的可靠性，所有节点必须遵循同一原则：本节点若在某一竞争子时隙监听信道且监听到了其他节点广播的信道繁忙信息，则本节点退出信道竞争，在后续的竞争子时隙中，即使对应二进制数为1也不发送信道繁忙信号，退出竞争的节点在传输时段不转播预警信息；在所有需要监听信道的竞争子时隙内都没有监听到其他节点广播的信道繁忙信号的节点竞争信道成功，在传输时段转播预警信息；如图3所示，竞争时段包含四个竞争子时隙，相互在通信范围内的三个节点参与同一时隙的竞争且分别选择了竞争值11、12和7指导在竞争时段的工作状态，这些数字对应的二进制数列为1011、1100和0111，因为0111的第一个数字是0，所以第三个节点应该在第一个子时隙中监听信道，在该时隙监听到其他节点广播的信道方面信号后，第三个节点退出时隙竞争，尽管0111的最后三位都是1，但第三个节点不会在下面的三个子时隙中广播信道繁忙信号；类似地，第一个节点在第二个子时隙中听到信道繁忙信号，在接下来的两个子时隙中保持沉默，第二个节点在所有进行信道监听的竞争子时隙都没有检测到信道繁忙信号，然后，它将在接下来的传输时段期间重新广播预警信息。在另一种实施例中，对于两个不相等且属于[0,2n-1]的整数，对应二进制数从最高位向最低位对比，在第一次出现差异的位置处，数值大的数字对应该位应该为1，数字小的对应该位应该为0；例如竞争值10和9对应的二进制数1010和1001，在第三位首次出现差异且10对应该位为1，9对应该位为0；从而，在进行时隙竞争时，我们可以让优先级高的节点选取较大的数，让优先级较低的节点选取较小的数。通过本发明提供的信道竞争方法，实现了节点对时隙使用权的竞争，有效防止由于多个节点同时广播数据报文导致的传输冲突问题。在此基础上，下面以预警报文传播的实施例，对本发明实施例提供的信道竞争方法进行具体说明，其中，转播预警报文的相邻两跳节点的距离越远，预警信息扩散的速度越快，为了防止相邻两跳节点距离过近，在本实施例中，将上一跳节点在沿道路方向上的通信范围划分为不同的子区域，子区域与上一跳节点距离越远，可选的竞争值越大；如图4所示，假设节点n0在时隙si发送了一个预警信息报文，竞争子时隙的个数为5个，n0沿道路方向通信范围被划分为四个子区域并分配了不同的竞争值可选区间，在n0沿道路方向通信范围内的节点将在si+1时隙的竞争时段进行时隙使用竞争，由于在距离n0最远的子区域a4内没有节点，因此没有节点从区间[24,31]选择竞争值，节点n1到n4位于区域a3，对应从[16,23]的区间选取竞争值，比位于区间a1和a2内的邻居节点选取的竞争值都大，因此，下一跳前向广播节点将在n1到n4的4个节点中产生，从而可以防止相邻两跳转播节点距离过近。如图5所示，本发明提供了在车辆碰撞事故报告告警的报文传播的应用，节点在预警信息传播过程中的具体工作步骤如下：s101、本节点收到预警报文，解析报文内容中的数据信息：s102、判断事故车辆与本节点距离是否超出报警传输范围，若超出范围，则执行s103，否则，执行s104；其中，在s101中解析出了事故车辆的位置和该预警报文的告警距离，本车的位置从定位设备获取，从而可以计算事故车辆到本车的距离，若距离大于告警范围，则无需继续传播扩散此报文；s103、本节点不再转播此预警报文；s104、计算本节点与上一跳节点之间的距离，确定可选竞争值区间；其中，本节点接收到的预警报文即上一跳节点(事故车辆源节点或转播节点)广播的告警报文，在s101中解析出了上一跳节点的位置，结合本节点定位设备获取的本车位置，可以计算本节点与上一跳节点之间的距离；-s105、在可选竞争值区间随机选择一个竞争值，并转换为对应的二进制数；其中，距离较远的车辆能够在数值更大的可选竞争值区间选取数字，通过这种方式，可以让更远距离的车辆竞争成功，从而让下一跳广播覆盖更远的距离；s106、进入下一个竞争子时隙；s107、判断对应该竞争子时隙对应的二进制数值，若为0则转入s108，否则，转入s110；s108、监听信道；s109、判断是否有邻居节点在此竞争子时隙发送信道繁忙信号，若检测到其他节点发送的信道繁忙信号，则转入s112，否则转入s111；s110、广播信道繁忙信号；s111、判断此竞争子时隙是否是最后一个竞争子时隙，若是则转入s112，否则，转入s106；s112、退出信道竞争；其中，节点退出信道竞争后，在后续竞争子时隙不再发送信道繁忙信号，在相应的数据传输数据段也不转播预警报文；s113、竞争信道成功，在传输时段转播预警报文。对比例假设有m个节点在竞争时段竞争时隙传输时段使用权，并选择竞争值v1，v2，…vm；节点i选择的竞争值vi比其他节点选择的值都大，那么对于m个节点中的任意节点j，vj≤vi；这里存在两种可能情况：vj<vi或vj＝vi；如果vj<vi，则至少存在一个子时隙，节点i和j其中一个节点选择广播信道繁忙信号，另一个选择感知信道繁忙信号；同时，节点i必然选择广播信道繁忙信号，节点j应该在第一个这样的子时隙中检测到信道繁忙信号，否则，vi将小于vj；因此，节点j在该竞争子时隙中检测到信道繁忙信号；节点j将在下面的子时隙和传输时段中保持沉默，对于第二种情况，vi＝vj，在每个子时隙中，节点i和j都有相同的选择，它们都将在传输时段中广播消息。如果在所有被选择的竞争值中，有两个或两个以上的节点都选取其中的最大值，则会在传输时段因电磁波叠加而发生传输冲突。本发明现在计算只使用一个时隙就可以成功选择转发节点的概率，并将我们的方案与ieee802.11p中使用的退避方案进行比较；假设m节点从[0，2n-1]中选择数字，这些节点选择的最大值是vmax。然后，如果只有一个选择vmax，而其他节点选择的值小于vmax，则可以成功选择转发节点，概率可计算为：使用本发明方法，节点有2n个可选竞争值，如果使用802.11p中使用的退避方案，每个节点只有n种选择，使用后退方案可以成功选择转发节点的概率为：如表1和图6所示，展示了本发明中的信道竞争方法和退避机制在不同子时隙数目和不同竞争节点数目情况下在传输时段不发生冲突的概率。表1本发明方法和退避方法传输时段无冲突的概率实施例仿真场景是双向车辆交通公路的一部分。测试道路长5公里，本发明在道路上部署了不同数量的车辆，车辆速度从20米/秒到30米/秒随机选择，预警信息报文产生源节点位于道路的左端，接收器位于道路的右端，车辆的通信距离为200米，仿真从源节点生成预警信息开始，到被放置的接收器接收到预警信息结束，在每个模拟设置中，模拟过程重复1000次，传输范围分为p段，每个竞争时段包含n子时隙；本发明评估了方案在四种不同条件下的性能：条件一为n＝10，p＝10、条件二为n＝10，p＝5、条件三为n＝5，p＝5和条件四为n＝10，p＝1。首先，本发明对不同交通密度下的方案进行了评估，车辆数从300辆到800辆，阶间隔为100辆，无线信道是理想的，这意味着在不发生传输冲突的情况下，在传输范围内的相邻节点可以成功地接收到预警信息。如表2和图7所示，显示了接收器接收到预警信息之前使用的总时隙数，本发明可以看到，车辆密度的变化对我们的方案影响很小，特别是当n等于10时，800辆车在路上行驶的时候，交通密度已经特别高，即使这样，本发明提供的方法仍然有效；当p＝1时，需要更多的跃点，因为下一跳转发节点是从上一跳转发节点的传输范围内的节点中选择的，所以可以选择靠近上一跳转发节点的节点作为下一跳转发节点；如表3和图8所示，当p＝1时平均速度较低，甚至可以使用10个子时隙，显然，为了达到最佳效果，需要合理的分区和足够的子时隙。表2不同车辆密度下预警报文传播到接收器需要的总时隙数车辆密度(辆)条件一条件二条件三条件四30028.0800828.8438431.3513549.0170240027.54828.47731.58949.57650027.23628.36632.16949.74760027.17628.35432.75650.15470027.16328.32933.69150.37480027.20628.34734.35250.598表3不同车辆密度下的平均每跳传输距离如表4和图9所示，显示了选择一个有效转发节点所需的平均时隙数，当每个竞争时段的子时隙数很小时(n＝5)，值会更高，然而，一个转发节点仍然可以在平均不到1.23个时隙内成功选择，当具有合理的分区和足够的子时隙时(n＝10，p＝10)，平均值趋近于1，这意味着本发明几乎每次都能成功地选择转发节点。表4不同车辆密度下单跳节点选取所需的平均时隙数车辆密度(辆)条件一条件二条件三条件四3001.004021.002811.089651.010744001.004731.00271.111361.015985001.004331.004181.137841.018296001.005651.005361.161871.021857001.006371.006031.19581.026168001.00831.006961.220371.03125然后，对不同信道条件下的方案进行了评价，公路上行驶的车辆数目为400辆；本发明定义了一个变量u，可以接收消息的一跳邻居车辆的概率，本发明将u设置为100％、80％、60％和40％，也就是说，转发节点的单跳邻居节点的100％、80％、60％和40％的车辆可以接收转发节点发送的预警信息。如表5～表6和图10～11所示，信道显示了不同信道条件下方法的性能，当传输成功率较高时，所有方案都具有较好的性能。这是因为可以选择更好的候选节点，因为更多的节点可以接收预警信息并参与竞争。我们的方案可以在不同的信道条件下有效地选择转发节点。如表7和图12所示，当子时隙数量较少(n＝5)时，方案将受到更大的影响。然而，理想传输条件(u＝1)和糟糕传输条件(u＝0.2)下的值之间的差异仅为0.05。说明我们提出的方法具有良好的抗干扰性能，尤其是当每个竞争时段的子时隙数较大时(n＝10)。表5不同信道状态下预警报文传播到接收器需要的总时隙数信道状态条件一条件二条件三条件四0.235.2804935.4096438.0206256.306120.430.9531.2479933.3496954.713410.629.0758529.6801932.0835253.072570.828.2024928.9607431.8388451.18515127.54828.47731.58949.576表6不同信道状态下平均每跳传输距离信道状态条件一条件二条件三条件四0.2141.7214141.2045131.507688.800290.4161.5509160.0103149.926491.385270.6171.964168.4626155.843294.210620.8177.2893172.6475157.040997.684591181.5014175.5803158.283100.8553表7不同信道状态下单跳节点选取所需的平均时隙数信道状态条件一条件二条件三条件四0.21.008181.001651.062231.003130.41.008061.002461.069311.00770.61.005961.002811.08451.010760.81.006091.003151.101481.0125411.004731.00271.111361.01598尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。当前第1页12