基于tdma的同时同频全双工无线链路调度方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于TDMA的同时同频全双工无线链路调度方法。其主要实现步骤为：1.分配时隙；2.选取主接收节点；3.发送冲突抑制信息；4.记录冲突抑制结果；5.根据冲突抑制结果判断节点的调度是否受到抑制；6.结合抑制情况和子队列上的业务情况进行调度判断；7.按先调度对称链路，再调度下游链路，最后调度上游链路的顺序完成全双工链路的调度。本发明采用TDMA作为信道接入方式，使全双工节点无需竞争即可无冲突地接入信道，引入业务子队列机制和三种可调度的链路类型，有效提高了同时同频全双工链路调度的灵活性和成功率。
【专利说明】
基于TDMA的同时同频全双工无线链路调度方法
技术领域
[0001]本发明涉及通信技术领域，更进一步涉及无线通信领域中的一种基于时分多址技术(time divis1n multiple access，TDMA)的同时同频全双工无线链路调度方法。该发明在传统半双工通信的基础上，实现无冲突地增加一条可调度的链路，进而提高时隙利用率和网络吞吐量。
【背景技术】
[0002]传统的自组织网络为了实现双工通信，节点主要采用频分双工(FDD)和时分双工(TDD)的工作模式，但这种分频和分时的技术并未实现真正意义上的全双工通信。近年来，随着天线技术和数字信号处理技术的发展，节点的自干扰消除成为可能，这也使得同时同频全双工技术开始成为无线通信领域的研究热点。在自组织网络中，应用同时同频全双工技术可以在同一信道上实现两个方向的通信链路，减少传统双工模式中频率或时隙资源的开销，从而有效地提高频谱效率，缓解频谱资源紧缺的问题。
[0003]目前，为实现全双工通信而应用同时同频全双工技术的分布式无线网络，其信道接入方式多是基于IEEE 802.11的CSMA/CA机制，但是采用这种机制耗费的接入时间普遍较长，信道利用率较低，尤其当网络节点密度较大时，这些问题更为明显。
[0004]西安电子科技大学在其申请的专利“无线网络中基于RTS/CTS原理的全双工MAC协议”(专利申请号:CN201310644293.2，公开号:CN103619072A)中提出了一种使用RTS/CTS握手过程实现双向链路和单向链路的全双工多址接入方法。该方法中节点采用传统CSMA/CA的退避机制竞争信道，退避结束后成功接入信道的节点向目的节点发送RTS信息，目的节点根据本节点的数据分组的目的地址决定向哪一个节点发送CTS信息，周围邻节点则根据接收到的RTS和CTS信息进行退避，避免隐藏终端的影响。但是，该方法仍然存在的不足之处是，采用退避的竞争机制使得信道接入耗费的时间长，信道利用率低，仅实现了两种类型的链路，链路调度的灵活性不高，且由于节点采用单队列的方式存储数据分组，链路调度的成功率不高，未能充分发挥出同时同频全双工技术应用于无线通信网络的优势。
[0005]上海交通大学在其申请的专利“基于信道争用与集中调度的全双工MAC的数据交换方法”(专利申请号:CN201510474339.X，公开号:CN105142185A)中提出了一种基于全双工信道争用和全双工集中调度等机制的AP网络的数据交换方法。该方法中将网络节点分为AP节点和普通节点，AP节点通过发送争用开始数据包通知覆盖范围内的普通节点发送争用请求，普通节点向AP节点发送业务请求信息和干扰水平信息的同时，AP节点利用全双工能力立刻进行请求回复，以减少隐藏终端的碰撞问题;随后AP节点的调度模块根据收集的信息进行数据包全双工发送数量和顺序的判断。但是，该方法仍然存在的不足之处是，节点通过随机竞争来获取信道的方式，使得信道的利用率较低，AP节点采取竞争回复的机制也未能完全避免节点之间的碰撞问题，并且AP节点要根据接收的多个节点的业务请求信息和干扰信息进行调度判断，其耗费的开销较大。
【发明内容】
[0006]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的同时同频全双工无线链路调度方法。本发明改进了同时同频全双工无线网络的信道接入方式，采用了无竞争的TDMA方式接入信道；引入了冲突抑制机制，降低了链路调度的冲突率;加入了业务子队列机制，增加了可供调度的链路数;加入了三种可调度链路类型，提高了链路调度的可能性和灵活性。
[0007]本发明实现上述目的的思路是:对应具体时隙的主节点随机选取主接收节点，主接收节点发送冲突抑制信息，通过冲突抑制信息的接收情况判断节点的调度是否受到其他节点的抑制，将发往不同节点的分组存储在不同的子队列中，按先调度对称链路，再调度下游链路，最后调度上游链路的优先级顺序实现全双工链路的调度。
[0008]实现本发明目的的具体步骤如下:
[0009](I)开机节点接入信道:
[0010](Ia)采用TDMA方式，网络为开机节点分配两跳范围内唯一的时隙；
[0011 ] (Ib)所有节点在自己的勤务时隙中广播邻居信息和时隙占用信息；
[0012](2)选取主接收节点:
[0013](2a)调度时隙起始时刻，主节点检查所有业务子队列，筛选出其中所有非空的子队列；
[0014](2b)主节点随机挑选一个非空子队列，将所选非空子队列中分组的接收节点作为主接收节点；
[0015](3)主节点向主接收节点发送请求信息RTS帧；
[0016](4)节点判断自己为主接收节点:
[0017]接收的请求信息RTS帧中的目的地址与本地地址相同的节点判断自己为主接收节占.V ，
[0018](5)发起冲突抑制过程:
[0019](5a)主接收节点向周围邻节点发送冲突抑制信息CTS帧；
[0020](5b)除主节点外的其他节点侦听并接收周围主接收节点发送的冲突抑制信息CTS帧；
[0021](6)记录冲突抑制结果:
[0022](6a)当节点接收到可以正确解析或无法正确解析的冲突抑制信息CTS帧，则将其内部的CTS_FLAG标志位的值设置为I ；
[0023](6b)当节点没有接收到任何冲突抑制信息CTS帧，则将其内部的CTS_FLAG标志位的值设置为O;
[0024](7)判断主接收节点内部的CTS_FLAG标志位的值是否等于O，若是，则执行步骤
(8)，否则，执行步骤(15);
[0025](8)判断主接收节点的子队列中对应主节点的子队列是否为空，若是，则执行步骤
(9)，否则，执行步骤(10);
[0026](9)判断主接收节点除对应主节点的子队列外的其他所有子队列中是否有非空的子队列，若是，则执行步骤(12)，否则，执行步骤(15);[0027 ] (1)主接收节点向主节点发送对称链路调度信息SLR帧；
[0028](11)主节点接收来自主接收节点的对称链路调度信息SLR帧，完成对称链路的调度，执行步骤(21);
[0029](12)判断主接收节点两跳范围内是否有两跳节点复用了当前业务时隙，若是，则执行步骤(15)，否则，执行步骤(13);
[0030](13)判断主接收节点所有非空子队列对应的接收节点是否不都是主节点的邻节点，若是，则执行步骤(14)，否则，执行步骤(15);
[0031 ] (14)选取下游链路接收节点:
[0032]主接收节点从接收节点不是主节点的邻节点的非空子队列中随机选取一个子队列，将所选取的子队列对应的接收节点作为下游链路的接收节点，完成下游链路的调度，执行步骤(21);
[0033](15)主接收节点向主节点发送上游链路调度请求信息SLD帧来请求主节点调度上游链路；
[0034](16)广播上游链路调度许可信息ALR帧:
[0035]主节点接收到主接收节点发送的上游链路调度请求信息SLD帧，向周围节点广播上游链路调度许可信息ALR帧；
[0036](17)判断接收到上游链路调度许可信息ALR帧的节点是否是主接收节点，若是，则执行步骤(21)，否则，执行步骤(18);
[0037](18)判断节点内部的CTS_FLAG标志位是否等于0，若是，则执行步骤(19)，否则，执行步骤(21);
[0038](19)判断节点的子队列中对应主节点的子队列是否非空，若是，则执行步骤(20)，否则，执行步骤(21);
[0039 ] (20)随机发送数据分组:
[0040]节点在数据时隙起始时刻采用以概率P发送的方法向主节点发送数据分组，完成上游链路的调度，其中，P表示一个在O < P < I之间的值；
[0041](21)清除 CTS_FLAG 标志位:
[0042]调度时隙结束时刻，将所有节点内部的CTS_FLAG标志位设置为O;
[0043 ] (22)发起数据分组传输:
[0044]数据时隙起始时刻，主节点和链路调度阶段成功调度的链路的发送节点同时发起数据分组传输；
[0045](23)当前业务时隙结束。
[0046]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0047]第一，由于本发明采用传统的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。
[0048]第二，由于本发明为节点的所有邻节点都分配一个业务子队列，克服了现有技术中所有邻节点共用一个业务队列，造成的只能对业务队列首部分组的接收节点进行调度的问题，使得本发明可以对当前所有非空业务子队列对应的接收节点进行调度，提高了链路调度的成功率。
[0049]第三，由于本发明引入了对称链路、下游链路和上游链路三种可调度的链路类型，克服了现有技术中仅实现两种可调度的链路类型，造成链路调度灵活性不高的问题，使得本发明可以在调度判断时有更多的链路类型可以选择，提高链路调度的可能性和灵活性。
【附图说明】
[0050]图1是本发明的流程图；
[0051 ]图2是本发明的三种链路类型示意图；
[0052]图3是本发明的TDMA时帧结构图。
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图，对本发明作进一步的详细描述。
[0054]参照图1，对本发明实施步骤作进一步的详细描述。
[0055]步骤1.开机节点接入信道。
[0056]采用TDMA方式，网络为开机节点分配两跳范围内唯一的时隙。
[0057]所有节点在自己的勤务时隙中广播邻居信息和时隙占用信息。
[0058]步骤2.选取主接收节点。
[0059]调度时隙起始时刻，主节点检查所有业务子队列，筛选出其中所有非空的子队列。
[0060]主节点是指:固定占用某个业务时隙并在该时隙中主动发起链路调度和数据发送的节点。
[0061]主节点随机挑选一个非空子队列，将所选非空子队列中分组的接收节点作为主接收节点。
[0062]步骤3.主节点向主接收节点发送请求信息RTS帧。
[0063]步骤4.节点判断自己为主接收节点。
[0064]接收的请求信息RTS帧中的目的地址与本地地址相同的节点判断自己为主接收节点。
[0065]步骤5.发起冲突抑制过程。
[0066]主接收节点向周围邻节点发送冲突抑制信息CTS帧。
[0067]冲突抑制信息CTS帧是指:主接收节点向邻节点广播的抑制其发送的帧，避免其他节点的发送对主接收节点的接收造成干扰。
[0068]除主节点外的其他节点侦听并接收周围主接收节点发送的冲突抑制信息CTS帧。
[0069]步骤6.记录冲突抑制结果。
[0070]当节点接收到可以正确解析或无法正确解析的冲突抑制信息CTS帧，则将其内部的CTS_FLAG标志位的值设置为I。
[0071]当节点没有接收到任何冲突抑制信息CTS帧，则将其内部的CTS_FLAG标志位的值设置为O。
[0072]步骤7.判断主接收节点内部的CTS_FLAG标志位的值是否等于O，若是，则执行步骤8，否则，执行步骤15。
[0073]步骤8.判断主接收节点的子队列中对应主节点的子队列是否为空，若是，则执行步骤9，否则，执行步骤10。
[0074]步骤9.判断主接收节点除对应主节点的子队列外的其他所有子队列中是否有非空的子队列，若是，则执行步骤12，否则，执行步骤15。
[0075]步骤10.主接收节点向主节点发送对称链路调度信息SLR帧。
[0076]步骤11.主节点接收来自主接收节点的对称链路调度信息SLR帧，完成对称链路的调度，执行步骤21。
[0077]参照图2(a)的对称链路示意图，对称链路是指:主接收节点向主节点发起数据分组发送的链路。图2(a)中的节点A为一个主节点，节点B为节点A选取的主接收节点，主接收节点B向主节点A发送的链路即为对称链路。
[0078]步骤12.判断主接收节点两跳范围内是否有两跳节点复用了当前业务时隙，若是，则执行步骤15，否则，执行步骤13。
[0079]步骤13.判断主接收节点所有非空子队列对应的接收节点是否不都是主节点的邻节点，若是，则执行步骤14，否则，执行步骤15。
[0080]步骤14.选取下游链路接收节点。
[0081]主接收节点从接收节点不是主节点的邻节点的非空子队列中随机选取一个子队列，将所选取的子队列对应的接收节点作为下游链路的接收节点，完成下游链路的调度，执行步骤21。
[0082]参照图2(b)的下游链路示意图，下游链路是指:主接收节点向除主节点外的其他邻节点发起数据分组发送的链路。图2(b)中的节点A为一个主节点，节点B为节点A选取的主接收节点，节点C为节点B的一个邻节点，主接收节点B向节点C发送的链路即为下游链路。
[0083]步骤15.主接收节点向主节点发送上游链路调度请求信息SLD帧来请求主节点调度上游链路。
[0084]参照图2(c)的上游链路示意图，上游链路是指:主节点的邻节点中除主接收节点外的其他节点向主节点发起数据分组发送的链路。图2(c)中的节点A为一个主节点，节点B为节点A选取的主接收节点，节点C为节点A的一个邻节点，节点C向主节点A发送的链路即为上游链路。
[0085]步骤16.广播上游链路调度许可信息ALR帧。
[0086]主节点接收到主接收节点发送的上游链路调度请求信息SLD帧，向周围节点广播上游链路调度许可信息ALR帧。
[0087]步骤17.判断接收到上游链路调度许可信息ALR帧的节点是否是主接收节点，若是，则执行步骤21，否则，执行步骤18。
[0088]步骤18.判断节点内部的CTS_FLAG标志位是否等于0，若是，则执行步骤19，否则，执行步骤21。
[0089]步骤19.判断节点的子队列中对应主节点的子队列是否非空，若是，则执行步骤20，否则，执行步骤21。
[0090]步骤20.随机发送数据分组。
[0091]节点在数据时隙起始时刻采用以概率P发送的方法向主节点发送数据分组，完成上游链路调度，其中，P表示一个在O < P < I之间的值。
[0092]以概率P发送的方法是指:满足所有上游链路调度条件的节点在O到I之间随机选取一个值并与预先设置的一个大于O且小于I的值P相比较，若所选取的值小于P，则可以向主节点发送数据分组，否则，不能向主节点发送数据分组。
[0093]步骤21.清除CTS_FLAG标志位。
[0094]调度时隙结束时刻，将所有节点内部的CTS_FLAG标志位设置为O。
[0095]步骤22.发起数据分组传输。
[0096]数据时隙起始时刻，主节点和链路调度阶段成功调度的链路的发送节点同时发起数据分组传输；
[0097]步骤23.当前业务时隙结束。
[0098]参照图3，对本发明的TDMA时帧结构作进一步的详细描述。
[0099]图3中，N个复帧构成一个帧周期，每一个复帧由一个勤务时隙和M个业务时隙组成。其中，勤务时隙用于节点间交互两跳范围内的邻居表和时隙占用表，每一个业务时隙又被划分为一个调度时隙和一个数据时隙，节点在调度时隙中完成链路的调度过程，在数据时隙中，完成数组分组的发送。
【主权项】
1.一种基于TDMA的同时同频全双工无线链路调度方法，包括如下步骤: (1)开机节点接入信道: (la)采用TDMA方式，网络为开机节点分配两跳范围内唯一的时隙； (Ib)所有节点在自己的勤务时隙中广播邻居信息和时隙占用信息； (2)选取主接收节点: (2a)调度时隙起始时刻，主节点检查所有业务子队列，筛选出其中所有非空的子队列；(2b)主节点随机挑选一个非空子队列，将所选非空子队列中分组的接收节点作为主接收节点； (3)主节点向主接收节点发送请求信息RTS帧； (4)节点判断自己为主接收节点: 接收的请求信息RTS帧中的目的地址与本地地址相同的节点判断自己为主接收节点； (5)发起冲突抑制过程: (5a)主接收节点向周围邻节点发送冲突抑制信息CTS帧； (5b)除主节点外的其他节点侦听并接收周围主接收节点发送的冲突抑制信息CTS帧； (6)记录冲突抑制结果: (6a)当节点接收到可以正确解析或无法正确解析的冲突抑制信息CTS帧，则将其内部的CTS_FLAG标志位的值设置为I ； (6b)当节点没有接收到任何冲突抑制信息CTS帧，则将其内部的CTS_FLAG标志位的值设置为O ； (7)判断主接收节点内部的CTS_FLAG标志位的值是否等于O，若是，则执行步骤(8)，否则，执行步骤(15); (8)判断主接收节点的子队列中对应主节点的子队列是否为空，若是，则执行步骤(9)，否则，执行步骤(10); (9)判断主接收节点除对应主节点的子队列外的其他所有子队列中是否有非空的子队列，若是，则执行步骤(12)，否则，执行步骤(15); (10)主接收节点向主节点发送对称链路调度信息SLR帧； (11)主节点接收来自主接收节点的对称链路调度信息SLR帧，完成对称链路的调度，执行步骤(21); (12)判断主接收节点两跳范围内是否有两跳节点复用了当前业务时隙，若是，则执行步骤(15)，否则，执行步骤(13); (13)判断主接收节点所有非空子队列对应的接收节点是否不都是主节点的邻节点，若是，则执行步骤(14)，否则，执行步骤(15); (14)选取下游链路接收节点: 主接收节点从接收节点不是主节点的邻节点的非空子队列中随机选取一个子队列，将所选取的子队列对应的接收节点作为下游链路的接收节点，完成下游链路的调度，执行步骤(21); (15)主接收节点向主节点发送上游链路调度请求信息SLD帧来请求主节点调度上游链路； (16)广播上游链路调度许可信息ALR帧: 主节点接收到主接收节点发送的上游链路调度请求信息SLD帧，向周围节点广播上游链路调度许可信息ALR帧； (17)判断接收到上游链路调度许可信息ALR帧的节点是否是主接收节点，若是，则执行步骤(21)，否则，执行步骤(18); (18)判断节点内部的CTS_FLAG标志位是否等于O，若是，则执行步骤(19)，否则，执行步骤(21); (19)判断节点的子队列中对应主节点的子队列是否非空，若是，则执行步骤(20)，否贝1J，执行步骤(21); (20)随机发送数据分组: 节点在数据时隙起始时刻采用以概率P发送的方法向主节点发送数据分组，完成上游链路的调度，其中，P表示一个在O < P < I之间的值； (21)清除CTS_FLAG标志位: 调度时隙结束时刻，将所有节点内部的CTS_FLAG标志位设置为O; (22)发起数据分组传输: 数据时隙起始时刻，主节点和链路调度阶段成功调度的链路的发送节点同时发起数据分组传输； (23)当前业务时隙结束。2.根据权利要求1所述的基于TDMA的同时同频全双工无线链路调度方法，其特征在于:步骤(2a)中所述的主节点是指，固定占用某个业务时隙并在该时隙中主动发起链路调度和数据发送的节点。3.根据权利要求1所述的基于TDMA的同时同频全双工无线链路调度方法，其特征在于:步骤(5a)中所述冲突抑制信息CTS帧是指，主接收节点向邻节点广播的抑制其发送的帧。4.根据权利要求1所述的基于TDMA的同时同频全双工无线链路调度方法，其特征在于:步骤(11)中所述的对称链路是指，主接收节点向主节点发起数据分组发送的链路。5.根据权利要求1所述的基于TDMA的同时同频全双工无线链路调度方法，其特征在于:步骤(14)中所述的下游链路是指，主接收节点向除主节点外的其他邻节点发起数据分组发送的链路。6.根据权利要求1所述的基于TDMA的同时同频全双工无线链路调度方法，其特征在于:步骤(15)中所述的上游链路是指，主节点的邻节点中除主接收节点外的其他节点向主节点发起数据分组发送的链路。7.根据权利要求1所述的基于TDMA的同时同频全双工无线链路调度方法，其特征在于:步骤(20)中所述的以概率P发送的方法是指，满足所有上游链路调度条件的节点在O到I之间随机选取一个值并与预先设置的一个大于O且小于I的值P相比较，若所选取的值小于P，则可以向主节点发送数据分组，否则，不能向主节点发送数据分组。
【文档编号】H04W74/02GK106060949SQ201610344863
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】史琰, 郁威威, 盛敏, 陶伟伟, 弭宝辰, 刘汉涛
【申请人】西安电子科技大学