一种定向自组网的自适应时隙分配方法与流程

1.本发明属于无线自组织网络通信技术领域，涉及一种定向自组网的自适应时隙分配方法。


背景技术：

2.传统无线通信网络，通过固定的网络基站执行用户接入、用户数据转发等操作。移动互联网就是典型的传统无线通信网络。此类无线通信网络，对于人口相对密集的地区，可以通过大量建设基站以供正常通信，而对于偏远地区或者在紧急救援情景下时，可能会由于没有基站的覆盖，导致通信困难，在空间上限制了信息传播。
3.无线自组织网络是一种无中心的自组织网络，不需要物理基站，而是各主机相互连通，主机即可充当服务器，具有高移动、高便捷、容易构建等优势。在物联网、无线城市、智能家居、机器人通讯、紧急救援时快速构建通讯网络等应用场景都有着极大的发展前景。
4.无线自组织网络多基于全向天线或者扇区型定向天线。基于全向天线时，无线自组织网络分体制进行组网通信：一是在节点入网阶段即为该节点分配好工作时隙，然后该节点只能在预分配的时隙进行信息收发；二是由网络中心节点进行全局资源分配，根据业务量需求，动态分配时隙给网络中的节点。无论采用何种方式，当一个节点发送时，其他节点均只能处于接收状态，导致网络总体容量较低，尤其是网络节点数量较大时，用于资源分配的开销过大，更加导致网络有效通信容量的降低。基于扇区型定向天线具有一定的空分效果，但灵活性不够；对于节点位置相对固定的地面节点自组网，节点多采用扇区型定向天线，按照一定的方位进行搜索发现邻居节点。对于高机动空中平台的三维空间无线自组网，若采用全向天线，一是破坏了节点的隐身特性，二是限制了节点间的通信速率，因此多采用高频段高增益的定向波束天线进行组网。
5.与此同时，由于网络节点间的距离带来传输时延，因此，通常在时隙设计时预留一定的链路传输保护时间，该传输保护时间需达到网络支持的节点间最大通信距离。例如link-16数据链，每个时隙持续时间为7.8125毫秒，为了适应300英里的通信距离，其最大有效传输信息时间仅有4.836毫秒，除同步和报头外，设计2.0405毫秒的抖动和传输保护时间；扩展到支持500英里以上的最远通信距离时，其最大有效传输信息时间仅有2.418毫秒，而抖动和传输保护时间达到3.2755毫秒，时隙中有近一半的时间用来作为传输时延保护，造成时隙资源的极大浪费。


技术实现要素：

6.针对现有无线自组织网络在时隙分配上存在的技术问题，本发明提供一种定向自组网的自适应时隙分配方法，提升无线自组织网络的总体通信容量，最大化利用时隙资源。
7.一种定向自组网的自适应时隙分配方法，网络节点采用多波束相控阵天线，天线同时形成的多个高增益波束与不同节点建立高速链路，定向自组网采用时分通信体制，同一天线的多个波束同时处于发送状态或同时处于接收状态；
将节点间通信时隙划分为发送时隙、接收时隙和可变时隙三种状态；发送时隙和接收时隙，用于保证节点间的基本双向信息交互；可变时隙，用于根据节点间的业务需求适应性分配为发送时隙或接收时隙。
8.进一步的，定向自组网中的两节点间的可变时隙的适应性分配通过预约确认机制执行，具体包括以下步骤：步骤a1，当节点a有信息待发送至节点b时，首先判断发送时隙能够满足该信息的传输需求；若能够满足，则节点a直接在当前发送时隙向节点b完成信息发送；若无法满足，则节点a再确定其天线上其它波束的通信状态，判断是否可以将紧邻的可变时隙预约为发送时隙，若不可以则跳转步骤a6，若可以则顺序执行步骤a2；步骤a2，节点a在当前发送时隙向节点b提出分配可变时隙为发送时隙的预约申请；步骤a3，节点b收到节点a的预约申请后，根据其天线上其它波束的时隙状态，确认是否可以将紧邻的可变时隙分配给节点a；步骤a4，节点b向节点a反馈确认结果，当明确可以将紧邻的可变时隙分配给节点a时，同步调整自身在该可变时隙为接收时隙；步骤a5，节点a收到节点b反馈的确认结果，当明确可以将紧邻的可变时隙预约为发送时隙时，将该可变时隙调整为发送时隙；步骤a6，节点a在后续发送时隙向节点b发送剩余信息。
9.进一步的，节点间通信时隙被划分为1个发送时隙、1个接收时隙和p个可变时隙；所述步骤a1中，节点a根据待发送信息的传输需求计算需要申请的可变时隙数量q，其中p、q均为正整数且q≤p，再根据其天线上其它波束的通信状态，判断从p个可变时隙中筛选出q个可变时隙分配为发送时隙。
10.进一步的，所述步骤a2中，节点a将预约申请信息加入其发送时隙的发送帧头中，发送至节点b；所述步骤a4中，节点b将确认结果加入其发送时隙的发送帧头中，发送至节点a。
11.进一步的，将定向自组网支持的节点间最大通信距离l平均分为段，每一段通信距离对应的空间传输时延记为，则最大通信距离对应的空间传输时延为；节点间的每个通信时隙划分为帧头、固定信息段、可变信息段和时延保护段，固定信息段、可变信息段和时延保护段进一步划分为多个微时隙，微时隙长度设置为，固定信息段的长度固定为，可变信息段和时延保护段的总长度为，其中、均为正整数；其中，时延保护段的长度按照以下步骤确定：步骤b1，处于发送状态的节点a判断其下一时隙的时隙状态，若下一时隙为发送时隙，则将时延保护段的长度设定为0，跳转步骤b4，若下一时隙为接收时隙，则顺序执行步骤b2；步骤b2，节点a和节点b通过交互位置信息或者信号测距的方式，测量两节点间的通信距离；
步骤b3，节点a根据两节点间的距离计算两节点间的空间传输时延，确定时延保护段的设定长度，则可变信息段的长度为，其中为正整数且≤；步骤b4，节点a将时延保护段的长度设定值加入发送帧头中，发送至节点b。
12.本发明有益效果：1、本发明采用基于多波束相控阵天线的定向自组网，采用时分通信体制，同一天线的多个波束同时处于发送状态或同时处于接收状态，每个天线均可与多个节点建立链接，提升了网络拓扑灵活性和单链路传输速率；2、本发明提供一种多波束天线的动态时隙预约机制，将节点间通信时隙分为发送时隙、接收时隙和可变时隙，节点对在不影响其他波束工作的前提下，可根据双向传输的业务需求，基于预约确认机制动态分配可变时隙的资源，提升时隙资源利用效率，适应节点间业务变化；3、本发明提供一种基于微时隙的通信时隙划分方法，将时隙资源进一步划分为帧头、固定信息段、可变信息段和时延保护段，根据节点间的通信距离以及下一时隙的时隙状态，动态调整时延保护段的长度，达到时隙内部资源的最大化利用。
附图说明
13.图1为实施例1中的定向自组网示意图；图2为实施例1的节点间时隙资源预分配示意图；图3为可变时隙预约确认机制流程图；图4为通信时隙内部微时隙划分示意图；图5为节点a连续2个通信时隙均为向节点b的发送时隙的示意图；图6为时延保护段长度设定流程图。
具体实施方式
14.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
15.实施例1本实施例以基于高增益多波束的相控阵天线自组织网络为例，对本发明提出的定向自组网的自适应时隙分配方法进行具体阐述。
16.所谓基于高增益多波束的相控阵天线自组织网络，指的是多波束相控阵天线同时形成多个高增益波束，用于与不同节点建立高速链路，其中波束的形状和增益通过幅相加权动态调整；每个波束均支持天线的最大带宽，在设定角度范围内快速扫描，根据节点间的业务需求动态调整，工作在不同的载波频率上，其中设定角度和载波频率由软件定义调整。此部分属于现有技术，此处不予赘述。
17.定向自组网的组网示意图如图1所示，节点a通过波束1与节点b的波束1建立链接，通过波束2与节点c建立链接，剩余波束均可与周围节点建立链接（图1未示出）。
18.以节点a与节点b之间的高速链路为例，在链路建立初始，节点间时隙资源预分配情况如图2所示，按照5个通信时隙为一周期进行循环。此处需要说明的是，以5个通信时隙为一周期进行循环，仅为本实施例的设定，具体循环机制可根据业务需求作适应性设定。
19.本实施例中，对于节点a，时隙1为发送时隙，时隙2为接收时隙，时隙3、4、5均为可变时隙；对于节点b，时隙1为接收时隙，时隙2为发送时隙，时隙3、4、5均为可变时隙，参照图2。
20.定向自组网中的两节点间的可变时隙的适应性分配通过预约确认机制执行，如图3所示，具体包括以下步骤：1、当节点a有信息待发送至节点b时，在其发送时隙1发送信息前，先判断每5个时隙分配1个发送时隙能否满足该信息的传输需求；若能够满足，则节点a直接在当前发送时隙向节点b完成信息发送；若无法满足，则计算需要申请的可变时隙数量；本实施例假定，根据计算，节点a需要申请2个可变时隙分配为发送状态。
21.2、节点a判断波束2、3、4的时隙状态，以确定将3个可变时隙中的哪2个分配为发送状态；本实施例假定，此时节点a的波束2在可变时隙3已经确定为接收时隙，波束1只能申请将可变时隙4、5分配为发送时隙；3、节点a在其发送时隙1向节点b发送信息，同时将分配可变时隙为发送状态的预约申请信息加入到发送时隙1的发送帧头中，发送至节点b；4、节点b在其接收时隙1接收到节点a的预约申请，根据其波束2、3、4的时隙状态，确定是否可以将可变时隙4、5分配给节点a。
22.5、本实施例假定，节点b可以将可变时隙4、5分配给节点a，则节点b将确认结果加入在其发送时隙2的发送帧头中，发送至节点a；与此同时，将其可变时隙4、5调整为接收时隙。
23.6、节点a在其接收时隙2接收到节点b的确认结果，当明确可以将其可变时隙4、5预约为发送时隙时，将其可变时隙4、5调整为发送时隙。
24.7、节点a在后续发送时隙向节点b发送剩余信息。
25.实施例2节点间的每个通信时隙划分为帧头、固定信息段、可变信息段和时延保护段，固定信息段、可变信息段和时延保护段进一步划分为多个微时隙，微时隙长度设置为，如图4所示。固定信息段的长度固定为，可变信息段和时延保护段的总长度为，其中、均为正整数。
26.假设节点a和节点b之间支持的最大通信距离为500km，将其平均分为5段，即=5，则每一段通信距离为100km，其对应的空间传输时延为，则定义微时
隙长度为，每个时隙内的可变信息和时延保护段的总长度为。
27.参照图5，时延保护时隙长度的确定步骤如下：1、处于发送状态的节点a判断其下一时隙的时隙状态；若下一时隙为发送时隙，则将时延保护段的长度设定为0，跳转步骤4，若下一时隙为接收时隙，则顺序执行步骤2。
28.2、节点a通过交互位置信息或者信号测距的方式，测量其与节点b之间的通信距离；本实施例假设该通信距离为150km，根据通信距离计算出两节点间的空间传输时延为，介于和之间。
29.3、节点a将其发送时隙1中时延保护段的长度设定为，可变信息段长度为。
30.4、节点a将时延保护段的长度设定值添加到其发送时隙1的发送帧头中，发送至节点b。
31.当节点a连续2个通信时隙均为向节点b的发送时隙（即对应步骤1中下一时隙为发送时隙的情形）时，如图6所示，图4中的第4、5个时隙均为发送时隙，此时节点a直接将第4个时隙中的时延保护段长度设置为0，此时该通信时隙中的时延保护段长度与节点a和节点b之间的通信距离无关。
32.显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。