基于局部节点密度实时认知的自组网TDMA帧拓展方法

本发明涉及无线通信，尤其是涉及一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法。

背景技术：

1、移动自组织网络(mobile ad hoc network–manet)是一种复杂的去中心化的分布式组网系统，相较于固定基站的无线组网方式。采用传统tdma的无线多跳自组织网络，在高密度场景下存在冲突较多，时隙利用低效，吞吐率较低的问题。随着tdma的发展，动态tdma根据网络拓扑结构和节点间距离等信息，动态调整时隙分配策略，提高网络的效率和稳定性，通过时间和频率复用，实现了时隙的复用，从而提高了信道的利用率，减少传输延迟并提高网络吞吐量，但在高密度场景下动态tdma协议需要解决频繁的时隙分配和重分配引起的协议复杂度增加以及接入时延的增大问题。

2、tdma帧拓展是一种通过增加每个帧中的时隙数量来提高tdma系统容量和效率的技术。该技术通过增加帧中的时隙数量来拓展帧结构，容纳更多的用户或数据传输，从而扩大网络规模，提高通信效率。帧拓展可以分为两类，全局帧拓展和局部帧拓展。在整个网络节点上进行帧拓展的全局帧拓展技术中，网络所有节点都会遵循新的帧结构和时隙分配规则。这需要重新配置网络中的所有节点，因此会带来很大开销和延迟。本发明采用的局部帧拓展则是只在特定的节点或节点集合上进行，只对部分有需要的节点应用新的帧结构和时隙分配规则，并根据节点密度以及自身帧长的大小自适应调整帧拓展的时隙个数。这样做可以减少整个网络重新配置的开销和延迟，同时也可以更加灵活地适应节点密度和网络拓扑结构的变化。因此，在网路拓扑快速变化节点密度不均匀的自组织中需要一种全新的快速有效的局部帧拓展方法。

3、同时，现有的一些帧拓展方法主要采用简单的成倍拓展的方式，没有考虑到时帧长度需求与当前节点密度的差异性，往往拓展至过长的时帧导致时隙资源的低效。综上，建立一种高效的基于局部节点密度实时认知的tdma帧拓展方法具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了提供一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法，通过基于路由层的节点密度感知、基于节点密度的局部帧拓展、基于同步帧的时帧对齐同步解决了dso-tdma协议在高节点密度场景下多节点竞争死锁以及低节点密度场景下时隙资源浪费的问题，提高了协议在实际复杂多变战场下运作的有效性。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法，该方法实时认知局部节点密度并通过动态调整时帧长度来应对网络拓扑结构的变化和移动节点的变化带来的高密度节点预约冲突，解决了高密度场景下新节点入网困难和预约冲突的问题，提高了动态网络的通信效率，具体包括三个阶段：基于路由层的节点密度感知阶段、基于节点密度的局部帧拓展阶段和基于同步帧的时帧对齐同步阶段，其中，所述节点密度感知阶段中，节点通过全局路由信息来周期性感知节点密度；所述局部帧拓展阶段中，根据节点密度判断是否达到帧拓展条件，当达到帧拓展条件时，通过广播各类型同步帧来告知单跳和两跳邻居节点自身进入预拓展状态，并通过解析帧头信息结合本节点帧长度来处理发送节点的帧拓展需求以及可能存在的帧拓展广播冲突，利用两跳范围内的信息交互以及帧头信息的反馈机制来实现局部网络的帧拓展流程；所述时帧对齐同步阶段中，利用对齐机制进行节点间的信息交互，实现不同帧结构节点间的正常通信。

4、所述的方法在每一周期中执行以下步骤：

5、步骤1)各节点通过上层网络层路由信息实时更新维护本地信息中节点密度字段；

6、步骤2)节点根据步骤1)的节点密度大小以及帧拓展阈值门限做出相应拓展决策，当节点密度大于设定阈值门限，进入预拓展状态并发送同步帧至单跳邻居节点；

7、步骤3)接收到同步帧的单跳邻居节点解析处理同步帧拓展信息，并发送确认反馈信息至原节点；

8、步骤4)接收到确认反馈信息的原节点进行实际的帧拓展并更新帧头信息，且单跳邻居节点进入预拓展状态并发送同步帧至两跳邻居节点；

9、步骤5)两跳邻居节点处理同步帧拓展信息，并发送确认反馈信息至单跳邻居节点，同时完成本地节点的实际帧拓展；

10、步骤6)接收到确认反馈信息的单跳邻居节点进行实际的帧拓展并更新帧头信息；

11、步骤7)各节点维护本地时隙状态表、邻居节点队列长度表和邻居节点时隙对齐参照表。

12、所述的步骤1)中，节点采用全局路由协议，每个节点维护一个全局拓扑信息库并通过周期性发送hello消息和tc消息来更新全局拓扑，节点根据全局拓扑信息库计算当前节点二跳范围内的邻居数目。

13、所述的步骤2)中，节点帧拓展阈值门限设为本地节点当前时帧中时隙个数。

14、所述的步骤2)中，节点密度代表该节点两跳范围内的节点数目，而非传统定义上单位面积内节点数量，且同步帧的具体占用时隙基于发送节点当前时帧的时隙预留情况确定。

15、所述的步骤3)中，反馈信息包括当前节点是否能够进行帧拓展，其结果取决于当前节点的接收到的拓展请求冲突情况。

16、所述的步骤4)中，帧头信息包括帧长信息、帧拓展状态信息以及分组类型信息。

17、所述的步骤5)中，实际帧拓展的时帧拓展长度以当前帧长为参考约束拓展至大于当前节点密度但小于预设阈值。

18、所述的步骤7)中，本地时隙状态表、邻居节点队列长度表和邻居节点时隙对齐参照表通过解析分组首部携带的控制信息进行维护更新。

19、所述的帧拓展只在特定的节点或节点集合上进行，只对部分有需要的节点应用新的帧结构和时隙分配规则，并根据节点密度以及自身帧长的大小自适应调整帧拓展的时隙个数，可以减少整个网络重新配置的开销和延迟。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、(1)本发明采用局部拓展机制，不需要全局拓展帧长，只对节点密度大的局部网络进行两跳范围内的帧拓展，减少整个网络重新配置的开销和延迟，提高了可用性。

22、(2)本发明采用自适应帧长拓展长度，实际拓展长度取决于节点的当前时帧长度以及节点密度大小，减小了成倍拓展引起的过长的时帧导致时隙资源的低效利用，提高了泛用性。

23、(3)本发明通过路由层信息实时感知本地节点两跳范围节点密度使得节点帧拓展更及时，提高对于高节点密度局部网络的响应调整能力。

24、(4)本发明通过四类同步帧的广播以及反馈信息的交互，提高局部高密度网络时隙分配合理性，减少时隙预约冲突。

技术特征：

1.一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法，其特征在于，该方法实时认知局部节点密度并通过动态调整时帧长度来应对网络拓扑结构的变化和移动节点的变化带来的高密度节点预约冲突，具体包括三个阶段：基于路由层的节点密度感知阶段、基于节点密度的局部帧拓展阶段和基于同步帧的时帧对齐同步阶段，其中，所述节点密度感知阶段中，节点通过全局路由信息来周期性感知节点密度；所述局部帧拓展阶段中，根据节点密度判断是否达到帧拓展条件，当达到帧拓展条件时，通过广播各类型同步帧来告知单跳和两跳邻居节点自身进入预拓展状态，并通过解析帧头信息结合本节点帧长度来处理发送节点的帧拓展需求以及可能存在的帧拓展广播冲突，利用两跳范围内的信息交互以及帧头信息的反馈机制来实现局部网络的帧拓展流程；所述时帧对齐同步阶段中，利用对齐机制进行节点间的信息交互，实现不同帧结构节点间的正常通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法，其特征在于，所述的方法在每一周期中执行以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法，其特征在于，所述的步骤1)中，节点采用全局路由协议，每个节点维护一个全局拓扑信息库并通过周期性发送hello消息和tc消息来更新全局拓扑，节点根据全局拓扑信息库计算当前节点二跳范围内的邻居数目。

4.根据权利要求2所述的一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法，其特征在于，所述的步骤2)中，节点帧拓展阈值门限设为本地节点当前时帧中时隙个数。

5.根据权利要求2所述的一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法，其特征在于，所述的步骤2)中，节点密度代表该节点两跳范围内的节点数目，且同步帧的具体占用时隙基于发送节点当前时帧的时隙预留情况确定。

6.根据权利要求2所述的一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法，其特征在于，所述的步骤3)中，反馈信息包括当前节点是否能够进行帧拓展，其结果取决于当前节点的接收到的拓展请求冲突情况。

7.根据权利要求2所述的一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法，其特征在于，所述的步骤4)中，帧头信息包括帧长信息、帧拓展状态信息以及分组类型信息。

8.根据权利要求2所述的一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法，其特征在于，所述的步骤5)中，实际帧拓展的时帧拓展长度以当前帧长为参考约束拓展至大于当前节点密度但小于预设阈值。

9.根据权利要求2所述的一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法，其特征在于，所述的步骤7)中，本地时隙状态表、邻居节点队列长度表和邻居节点时隙对齐参照表通过解析分组首部携带的控制信息进行维护更新。

10.根据权利要求1所述的一种基于局部节点密度实时认知的自组网tdma帧拓展方法，其特征在于，所述的帧拓展只在特定的节点或节点集合上进行，只对部分有需要的节点应用新的帧结构和时隙分配规则，并根据节点密度以及自身帧长的大小自适应调整帧拓展的时隙个数。

技术总结
本发明涉及一种基于局部节点密度实时认知的自组网TDMA帧拓展方法，包括：节点通过全局路由信息来周期性感知节点密度；根据节点密度判断是否达到帧拓展条件，当达到帧拓展条件时，通过广播各类型同步帧来告知单跳和两跳邻居节点自身进入预拓展状态，并通过解析帧头信息结合本节点帧长度来处理发送节点的帧拓展需求以及可能存在的帧拓展广播冲突，利用两跳范围内的信息交互以及帧头信息的反馈机制来实现局部网络的帧拓展流程；利用对齐机制进行节点间的信息交互，实现不同帧结构节点间的正常通信。与现有技术相比，本发明完全基于网络的实时密度感知，通过局部帧拓展以及对齐机制，扩大了网络节点接入规模，提高了协议在局部高节点密度网络中的通信性能，增强了协议在动态拓扑网络下的健壮性。

技术研发人员：丁良辉,盛文峰,林焕,杨峰
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10