[发明专利]一种无线移动自组织网络信道时隙调度分配方法

说明书

本发明公开了一种无线移动自组织网络信道时隙调度分配方法，包括时隙申请、冲突调解、分配通告和时隙占用四个阶段，针对第(n+2)时元内数据时隙的调度分配，节点需要依次在第(n)时元开始进行时隙申请，在第(n)时元结束时执行冲突调解，并在第(n+1)时元中根据调解结果执行分配通告，在第(n+2)时元获得相应时隙的占用权。本发明用于解决多跳网络中节点根据自身业务传输的需求，实时对时隙分配做出快速的调整，消解时隙分配过程中存在的竞争冲突，适合于节点快速移动、网络拓扑动态变化、分布式无中心控制等Ad hoc网络场景下使用，为网络节点实现TDMA信道访问控制提供了公平、高效的信道资源利用技术。

技术领域

本发明属于无线移动自组织网络(Ad hoc网络)技术领域，涉及一种在Ad hoc网络中实现TDMA信道访问控制的信道时隙调度分配方法。

背景技术

无线Ad hoc网络在军事作战、抢险救灾、应急通信中拥有广泛应用。无线Ad hoc网络无需预设固定通信设施的支持，采用分布式系统控制方式进行组建，具有快速部署、灵活组网等优点。MAC信道访问控制协议设计对信道利用率和网络性能影响极大。在多跳无线Adhoc网络中，相比于基于CSMA的信道访问控制协议，基于TDMA的信道访问控制协议能够提供更大的网络容量，在高度密集的环境下最大化信道利用率，有效分配信道资源的同时能够更好地保障QoS性能。因此，基于TDMA的信道访问方式是更好的选择。

基于TDMA的信道访问控制协议将时间划分为循环的周期性的时帧，时帧又被分割为多个时隙，网络中不同的用户按照一定的协议规则使用不同的时隙，以达到用户之间不会相互干扰的目的。TDMA信道访问控制协议需要解决的问题是如何能够在无中心控制的情况下使各个节点公平高效的共享有限的信道资源。

现有的基于TDMA的信道访问控制协议大多是固定的时隙分配，不能根据网络节点的负载情况，动态的调整时隙分配，出现业务量大的节点和业务量小的节点获得同样的时隙数目，造成时隙资源分配的贫富不均，严重浪费有限的信道资源。动态TDMA协议可以根据节点传输需求变化来进行资源调度分配，有效地解决了传统TDMA MAC协议中固有的一些问题，同时还具有处理不同优先级类型业务的能力。随着多媒体业务和对QoS要求较高的业务的增长，动态TDMA协议体现出更大的优势。因此，如何改进TDMA方式下的信道时隙调度设计对高竞争、高动态且业务量较大的Ad hoc网络的性能提高起着至关重要的作用。

目前为无线Ad hoc网络TDMA时隙调度问题提出的算法或协议中，包括集中式调度算法和分布式调度算法。集中式调度算法一般是利用优化理论最大化时隙利用率或最小化帧长的方法来达到低时延和高吞吐量的目标。这类算法带宽利用率高，但计算复杂度高，且需要全局化网络信息，应对需求变化进行动态调度实时响应的能力不足。一旦集中控制节点失效，整个网络将无法工作，因此工程实用性差。分布式调度算法则通常是基于局部网络信息，采用随机方法或启发式方法来获得次优方案，能够有效减少节点之间的信息交互数量，减少开销，算法可扩展性好。在多跳无线Ad hoc网络中，即使具备了精确的全网状态信息，生成一个优化的调度方案也是非常困难的，研究表明其为一个NP-完全问题。

高效实用的调度算法设计面临着诸多挑战。现有的协议应用于高动态自组网场景时仍存在很多缺点，国内外目前尚无统一的协议标准，因此需要设计新颖、高效的适合高动态自组网的TDMA MAC协议。例如FPRP(Five-Phase Reservation Protocol)协议，该协议是一种基于竞争的分布式时隙分配协议，它通过与相邻节点之间使用控制分组的五次握手过程实现两跳范围内TDMA时隙的预约。FPRP利用微时隙的竞争，在容忍一定程度的冲突的条件下实现多跳复用带宽，提高了信道时隙的利用效率。由于信道编码技术对最小帧长的要求，再考虑到跳频通信中每个频点的驻留时间，可以认为，在使用宽带传输以及跳频抗干扰技术的自组网中，微时隙长度过小是不合适的。时隙划分太小使得除去保护时间后剩余的有效传输时间更少，宽带信道传输的有效利用率严重降低。因此，微时隙竞争机制在应用中难以得到很好的运用。

发明内容