一种多通道无线Mesh网络TDMA资源分配方法与流程

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种多通道无线Mesh网络TDMA资源分配方法。

背景技术：

无线Mesh网络技术具有自组织自配置、快速部署和灵活扩展的特性，是下一代宽带无线通信网络的关键技术之一。传统无线Mesh网络多采用基于载波侦听/冲突避免(CSMA/CA)的接入机制。该机制在节点密度较大时将产生严重的冲突，导致系统性能急剧下降。而TDMA机制通过对数据时隙的动态预约，可以有效避免由于竞争产生的冲突。

基于TDMA的无线Mesh网络MAC层协议在高竞争的网络环境下能够更大限度的提高无线信道利用率，高效的分配信道资源，因此可以提供更高的网络容量。特别在一些QOS保障要求较高和需要预留资源的网络中有更大的优势。

现有技术中公开了一种基于载波侦听/冲突避免(CSMA/CA)的接入机制。控制信令与用户数据在发送前需要对信道进行侦听，若空闲可立即发送，若信道忙碌，则等待一段时间直至信道中的数据信息传输结束后再发起。若数据产生冲突了还需要进行回退尝试，进行相关数据信息的重传。该机制在节点密度较大时将产生严重的冲突，导致系统性能急剧下降。不太适合高带宽需求的通信场合，且一些无反馈的信令帧一旦冲突后只能丢失；另外，隐藏终端的问题，也会造成带宽的大幅度降低。

现有技术中还公开了一种基于固定时隙分配的TDMA机制，即对网络中所有节点所使用的时空资源进行静态的时隙划分。系统根据节点容量以及邻居关系等因素固定为每个节点设备分配其专属的资源时隙，其它节点可在该时隙进行侦听。该机制中每个节点的时隙资源在系统建立初期预先进行分配，在工作过程中很难进行调整，不能适应动态拓扑变化的网络特性，节点对于其发送数据流量的变化不敏感，也会造成带宽的大量损失。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的多通道无线Mesh网络TDMA资源分配方法。

技术方案：本发明所述的多通道无线Mesh网络TDMA资源分配方法，包括控制信道时隙分配过程和数据信道时隙分配过程，其中：

控制信道时隙分配过程：节点在自己的固定时隙内发送信令时，只有本节点处于发送状态，其他节点均处于侦听状态；节点还可以复用其他空闲的固定时隙；

数据信道时隙分配过程：节点在控制信道上对数据信道空口资源进行预约协商，并在预约协商完成后确定收发节点在数据信道上的时域起始位置。

进一步，所述控制信道时隙分配过程中，节点可以复用两跳以内的邻居节点的固定时隙。

进一步，所述两跳以内邻居节点固定时隙的复用通过以下方法进行：节点通过预约的方式订阅固定时隙，并在两跳范围内进行广播。

进一步，所述预约的方式是将预约请求携带在广播帧中进行周期性通告，或者在相邻节点发现空口资源冲突时在协商帧中进行通知。

进一步，所述控制信道时隙分配过程中，节点可以复用两跳以外的邻居节点的固定时隙。

进一步，所述两跳以外邻居节点固定时隙的复用通过以下方法进行：节点基于两跳邻居列表选择空闲的固定时隙，以一定概率进行占用；如果节点在一个广播周期内发送信令的次数超过了预设次数，则不再复用固定时隙；如果节点在超过1/2的广播周期内还未获得发送机会，则可以占用不是预留给自己的固定时隙1次；如果节点是新加入的，则可以占用不是预留给自己的固定时隙3次。

进一步，所述数据信道时隙分配过程中，如果预约协商的数据帧时隙跨越了广播帧的发送周期，则判断当前广播帧发送时隙是否为本节点的固定时隙：如果是，则节点强制切换回控制信道进行广播帧的发送，结束之后再切换到预约协商确定的数据信道继续数据帧的传输；否则，则判断节点是否处于发送状态，如果是，则停止发送状态并转换为接收状态进行侦听，如果不是，则节点不做任何变化。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明中，控制信道固定时隙分配和动态时隙分配相结合的方式对空口资源进行划分，节点如果在自己的固定时隙内无发送信令的需求，则可将其固定时隙让给其他节点使用，这样有效解决了传统CSMA机制下广播帧的冲突问题，提高了信道资源利用率，有助于移动场景下无线Mesh网络的路由及邻居关系收敛；

(2)本发明有效降低了传统CSMA机制下控制信道信令的碰撞率，省去了数据包发送前的载波侦听和竞争发送的等待时间，有效提升了系统带宽。

附图说明

图1为本发明实施例的Mesh网络的拓扑图；

图2为本发明实施例的时频资源的示意图；

图3为本发明实施例的控制信道时隙分配图；

图4为本发明实施例的数据信道时隙分配图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种多通道无线Mesh网络TDMA资源分配方法，包括控制信道时隙分配过程和数据信道时隙分配过程，其中：

控制信道时隙分配过程：这是一种半静态分配过程，控制信道的整个时频资源被等分为一个个时隙，每个节点在全网同步的基础上，按照节点逻辑号LID％节点数N确定本节点信令帧时隙位置。信令帧时隙位置要求节点在自己的固定时隙内发送信令时，只有本节点处于发送状态，其他节点均处于侦听状态。节点还可以复用其他空闲的固定时隙。

数据信道时隙分配过程：这是一种动态分配过程，节点在控制信道上根据调度器对数据包调度的结果对数据信道空口资源进行预约协商，并在预约协商完成后确定收发节点在数据信道上的时域起始位置。资源分配的最小单位为时隙的整数倍。时隙是指节点空口资源能够分割的最小时频资源单位。

本具体实施方式中，每个节点都具有多个物理通道，其中，一个通道作为发送通道，其他通道作为接收通道。每个通道在同一时间只能处于一个频段，节点间的相互通信要求收发两端必须在通信时刻保持在相同的频段上，除非使用控制信道。原则上每个通道的工作信道都可以在整个工作频域内任意切换，本具体实施方式中考虑到实现的复杂性，将控制信道固定，数据信道可以在多个频段间任意切换。工作信道可以由软件进行动态指示，也可以通过配置文件在系统建立初期进行静态分配。

全网时间同步可采用外部时钟源对全网节点进行同步，也可采用内部时钟源，根据节点的时钟属性或者其他唯一性特征选择网内某个节点作为时钟源，其他节点跟该时钟源节点进行同步。

节点逻辑号LID是指指示节点的唯一性编号，是节点未上电时通过配置文件导入节点中的，节点在同一个Mesh网络中的节点逻辑号LID是唯一的。节点数N是指一个Mesh网络中能够容纳的最大节点数。

信令帧包括两种资源，即广播帧资源和协商帧资源。其中，广播帧资源不进行复用，协商帧资源根据配置参数支持不复用、预约复用和抢占复用这三种复用方式。

预约复用方式是指，节点可以复用两跳以内邻居的资源，通过预约的方式进行订阅，并在两跳范围内进行广播；预约资源可以保持单个子帧，也可保持一定数量的子帧。其中，预约的方式可以将预约请求携带在广播帧中进行周期性通告，也可在当相邻节点设备发现空口资源冲突时，在协商帧中进行通知。

抢占复用方式是指，节点可以复用两跳以外邻居的资源，当发现空闲资源时以一定概率进行抢占使用；每个节点可基于两跳邻居列表选择空闲的广播资源，以一定概率进行占用；如果节点在一个广播周期内已经发送了多次，则不再额外占用资源。若节点在超过1/2的广播周期内还没有获得过发送机会，则可以占用非预留的广播资源1次以增加发送机会。对新加入的节点，为加速让别的节点感知到它的存在，可以在非预留的广播资源上额外发送3次。

预约协商的过程具体是：业务发起点根据调度的数据流量在其协商帧时隙发送RTS帧，RTS帧中携带工作信道及数据流量信息，业务接收节点在其协商帧时隙回应CTS帧，CTS帧中携带确认信息。

确定收发节点在数据信道上的时域起始位置的过程具体是：收发节点约定数据帧发送的信道以及数据帧在该信道下的时频资源中所占的位置及数据长度。该位置距离CTS帧间隔一个固定值。在延时结束后，发送节点和接收节点都将工作信道切换至协商好的数据信道，开始数据帧的传输。其中，CTS间隔的固定值需要考虑频率切换时延、传输时延、处理时延和收发转换时延等物理层因素来进行规划，也可根据测试经验值进行配置。数据帧长度恒定，可用Fd越多，分配长度越长，但不可超过最大帧长；且该长度应包括接收节点回复ACK/NACK的时间长度、传输时延以及收发转换时延等预估值。

节点在数据信道上传输完成后，也即发送节点接收到ACK/NACK反馈后，立刻切换回控制信道，以准备下一次的信道预约协商。

其中，所述的最大帧长是指节点设备一次数据信道资源预约分得的在空口连续传输数据的最大长度，该长度可以考虑数据资源、反馈信息资源以及信道保护间隔等因素，可以动态配置适应不同业务场景，也可以固定分配，单位为资源分配的最小粒度。

数据信道时隙分配过程中，如果预约协商的数据帧时隙跨越了广播帧的发送周期，则判断当前广播帧发送时隙是否为本节点的固定时隙：如果是，则节点强制切换回控制信道进行广播帧的发送，结束之后再切换到预约协商确定的数据信道继续数据帧的传输；否则，则不进行信道切换，并判断节点是否处于发送状态，如果是，则停止发送状态并转换为接收状态进行侦听，如果不是，则节点不做任何变化。

此外，本具体实施方式公开的方法既可以应用于多通道无线网络中，也可以应用于单通道无线网络中。

下面通过一个实施例来对本发明技术方案作进一步的介绍。

图1是一个无线通信Mesh网络的拓扑结构，系统支持的网络容量为8个节点，虚线连接的节点互为邻居节点。

图2是节点的视频资源图，横轴表示时域，单位为OFDM符号；纵轴表示频域，支持F1至Fn个工作信道。

本实施例中，节点采用双收单发的多通道模型，即一个节点设备拥有两个射频通道：其中一个射频通道只有接收端没有发射端，固定工作在控制信道上；另一个射频通道既可以发送也可以接收，且在同一时间只能处于一个单一的频段，而节点间相互通信则要求收发两端必须在通信时刻保持在相同的频段上，除非使用控制信道。当然，本方法也可以适用于其他多收单发的多通道模型，原理类似，此处不再赘述。

图3为节点空口资源中控制信道的时隙分配图。可见，系统按照支持的节点数预留所有节点用于广播的视频资源。其中Fc表征控制信道使用的频点，广播帧资源周期性进行分配(其周期可配置，也可通过协商确定)。除广播帧外，其他时隙都分配给协商帧，其中，x表征第x个节点占用的广播帧/协商帧资源，其中每个带数字的方格为一个占用时隙，数字表征节点编号。

节点1、8上电后，在图3所示的属于自己的广播帧时隙定期发送广播帧，在其他节点的广播帧时隙进行监听，从而完成初始接入的工作。此后，节点1和8互为邻居节点。

当有业务流从节点1发起时，节点对业务层数据报文进行分类，进入不同的优先级令牌桶，令牌桶按照优先级分为对应于控制信令/广播/多播/单播，对单播业务再提供额外的3种优先级令牌桶。调度器按照令牌桶优先级进行周期性调度。

根据调度结果，节点1可得到本次传输需要发送的数据包长度及推荐的工作频点，并将该内容封装RTS帧，在控制信道Fc上发送出去，其所对应的时隙如图3中节点1对应的协商帧时隙所示，在此时隙，其他节点只能进行监听。

若其他节点侦听到节点1发送的RTS帧，从帧信息中获知该帧数据的目的节点非本节点，进行丢弃处理。

若节点8侦听到节点1发送的RTS帧，从帧信息中获知该帧数据的目的节点为本节点，则提取出消息中的数据长度及工作频点等信息，连同确认信息一起封装CTS帧，在控制信道Fc上发送出去。其所对应的时隙如图3中节点1对应的协商帧时隙所示，在此时隙，其他节点只能进行监听。

节点8发送完成后立即切换至协商好的数据信道等待接收数据帧。

若其他节点侦听到节点8发送的CTS帧，从帧信息中获知该帧数据的目的节点非本节点，进行丢弃处理。

若节点1侦听到节点8发送的CTS帧，从帧信息中获知该帧数据的目的节点为本节点，则根据对帧信息的解析做出如下处理：

1)协商成功

根据协商结果确定数据帧的时隙起止位置，即延时距离CTS帧间隔一个时隙开始，直至数据帧结束为止。然后切换至协商好的数据信道，开始数据帧的传输。

图4指示了不同节点的数据信道时隙的资源分配情况，如图4所示，第一资源条为本实施例中业务流在节点1与节点8之间的一次调度的时频资源分配结果。从图中可见，协商后所分配的信道为Fd1，两节点约定将距离节点1收到CTS帧的时隙做为起始位置，将距离此起始位置一个时隙的偏移位置做为数据帧时域的开始位置。

该偏移位置的处理只是为了简化实施例，在现实应用中，需要考虑频率切换时延、传输时延、处理时延和收发转换时延，需要依据具体物理层基础给出该偏移值。如图所示，第一资源条为节点1与节点8协商得到的Fd资源条，其起始位置为Fd时域的开始位置，其长度为协商得到的资源长度，单位为OFDM符号。

2)信道协商失败

节点1帧听到节点8发送的CTS帧后，发现是信道号协商失败，说明该信道不可用，则需重新进行信道分配，然后根据新的分配结果重新发起上述协商过程。

至此，协商过程结束，若节点设备还有数据需要调度，则根据新的调度结果重复上述协商及时隙分配过程。

每一次数据帧发送结束后，发送节点设备和接收节点设备必须将工作信道切回控制信道。

若节点1在一次超时时长内都没有侦听到回复的CTS帧，则重新发起协商过程，若尝试数次后，则认为所协商的信道资源不可用。此时需要重新进行信道资源分配，然后根据信道分配结果重新发起上述协商及资源分配过程。

此外，如图4中第一资源条所示，根据上述协商结果，节点1与节点8的一次数据帧长跨越了广播帧的发送间隔，若该广播帧时隙属于节点1的发送时隙，则节点1必须将广播帧发送时隙预留出来，并在广播帧发送时隙起始位置停止当前数据帧的发送工作，将工作信道切换至控制信道Fc，进行广播帧的发送工作；待广播帧时隙结束后再切换回之前协商好的数据信道Fd1继续数据帧的传输。节点7则不需要改变状态，可继续进行侦听，因为其多通道的结构可以使其同时在数据信道和控制信道上进行侦听。