CN116131927A - 一种适用于无人机自组网的多跳tdma时隙分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线自组网技术领域，具体公开了一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，包括：将每个TDMA时帧按照时间先后划分为预约子帧和数据子帧，预约子帧包含K个预约周期，数据子帧包含N个数据时隙；定义控制短帧、业务长帧、时隙占用表；根据节点的ID和优先级固定占用一个预约周期；完成入网的各节点根据当前业务需求和时隙占用情况在其占用的预约周期对数据时隙发送预约申请帧和预约通知帧；完成入网的各节点根据预约通知帧维护本地的时隙占用表；一个TDMA时帧的预约子帧结束后，各节点之间预约到的数据时隙发送业务长帧进行通信。本方法实现了TDMA信道按需分配的同时优先满足高优先级节点的信道需求以及满足数据的时效性。

Description

一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法
技术领域
本发明涉及无线自组网技术领域，尤其涉及一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法。
背景技术
无人机自组织网络(UAV Ad Hoc Network,UANET)具有分布式、自组织、多业务和远距离等优势，被广泛应用于军事和民用领域。每个无人机节点都同时具备收发数据和中继转发两种功能。TDMA接入方式是无线自组网一种常用的接入方式，高效的时隙分配方法能够提高信道利用率、提升网络通信性能。
传统的时隙分配方法主要针对静态短距离通信场景，该场景下无人机节点间的拓扑结构相对静止不变。然而在实际环境中，由于无人机自组网中节点移动迅速、易损毁等原因，传统的方法容易导致低数据投递率与高时延的问题。
因此，设计合理的时隙分配策略对于无人机自组织网络具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，解决的技术问题在于：无人机自组网节点移动快、网络拓扑动态变化使得节点之间时隙冲突次数增加导致通信效率低。
为解决以上技术问题，本发明提供一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，包括步骤：
S1、将每个TDMA时帧按照时间先后划分为预约子帧和数据子帧两个部分，其中所述预约子帧包含K个预约周期，K为全网最大同时在网节点数量，所述数据子帧包含N个数据时隙，N>>K；
S2、定义用于时隙预约的控制短帧，用于数据通信的业务长帧，以及两跳邻居节点的时隙占用表；所述控制短帧包括预约申请帧、预约通知帧和预约回复帧；所述时隙占用表包含节点的ID、优先级、占用时隙号；
S3、节点开机完成入网同步后，根据节点的ID和优先级固定占用一个所述预约周期；
S4、完成入网的各节点根据当前业务需求和时隙占用情况在其占用的预约周期对数据时隙发送所述预约申请帧和所述预约通知帧；
S5、完成入网的各节点在非其占用的预约周期接收其他节点发送的所述预约申请帧和所述预约通知帧，并回复所述预约回复帧，以及根据所述预约通知帧维护本地的所述时隙占用表；
S6、一个所述TDMA时帧的预约子帧结束后，各节点之间在本TDMA时帧预约到的数据时隙发送所述业务长帧进行通信。
进一步地，在所述步骤S1中，每个所述预约周期包括预约申请、预约回复、预约广播三个阶段，分别对应所述预约申请帧、所述预约回复帧和所述预约通知帧。
进一步地，在所述步骤S2中，所述预约申请帧包括帧控制域、源地址、中继地址、目的地址、时隙申请信息以及校验信息；所述帧控制域包含帧类型、帧长度和智能路由位，所述智能路由位用于表示是否需要路由转发；所述源地址包含源节点ID以及节点优先级；所述时隙申请信息用于表示对哪些数据时隙进行申请以及该信息的优先级。
进一步地，在所述步骤S2中，所述预约回复帧包括帧控制域、源地址、时隙信息、确认信息以及帧校验信息；所述源地址为给本节点发送预约申请的节点地址，所述确认信息用于表示该时隙是否可用。
进一步地，在所述步骤S2中，所述预约通知帧的帧格式与所述预约申请帧相同，区别在于所述预约通知帧中所述帧控制域中的帧类型以及智能路由位是以广播的形式发送。
进一步地，在所述步骤S2中，所述业务长帧包括帧类型、源地址、中继地址、目的地址、帧实体、校验序列。
进一步地，所述步骤S4具体为：
完成入网的各节点根据所述时隙占用表，若未被占用的数据时隙满足当前业务需求，则对空闲时隙发起预约申请；若无空闲的时隙或者剩余的空闲时隙不能满足当前业务需求，则高优先级的节点对低优先级的邻居节点已申请的数据时隙发送所述预约申请帧和所述预约通知帧，若不存在比本节点优先级低的邻居节点或者邻居节点所占用的时隙也不能满足业务需求，则本TDMA时帧周期内预约数据时隙失败。
进一步地，所述步骤S5具体包括步骤：
S51、接收预约申请：完成入网的各节点在非其占用的预约周期接收邻居节点的所述预约申请帧；
S52、数据时隙的分配：当前节点收到邻居节点的所述预约申请帧后，根据两跳时隙占用表判断其申请的时隙是否可用，若时隙未被占用，则回复该邻居节点一个预约确认的所述预约回复帧；若时隙被占用，则对比当前节点的优先级之和与已占用该时隙的节点的优先级之和，若当前节点的优先级之和更高，则将此时隙分配给当前节点并回复其邻居节点一个预约申请成功的所述预约回复帧，反之则本次申请数据时隙失败，当前节点回复其邻居节点一个预约申请失败的所述预约回复帧；节点的优先级之和等于节点的优先级与其时隙申请信息的优先级之和；
S53、接收预约通知：各节点在非其占用的预约周期接收其他节点发送的所述预约通知帧；若低优先级的节点收到的所述预约通知帧中有更高优先级的节点占用了本节点已申请的数据时隙，则低优先级的节点主动放弃对该数据时隙的占用；
S54、维护本地的时隙占用表：各节点根据收到的预约通知帧实时地更新本地的时隙占用表。
进一步地，时隙申请信息的优先级随时间的增加而增加，即如果在本时帧预约申请失败，在下一时帧优先级自动加一。
进一步地，每个所述TDMA时帧开始后，各节点将清空本地的时隙占用表。
本发明提供的一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，其有益效果在于：
1、使得节点的时隙预约结果得到快速的反馈，以满足无人机自组网高实时性的要求；
2、节点可以根据其数据量和业务优先级动态地申请数据时隙的数量，能够避免时隙资源的浪费，提高信道利用率；
3、采用节点优先级加数据优先级的方式实现按需分配的同时优先满足高优先级的业务需求，同时通过满足实时优先数据时效性；
4、将时隙占用表维护在本地，避免了预约申请阶段的巨大开销，同时避免了两跳内节点的时隙冲突，且能够实现两跳外邻居节点数据时隙的复用，提高信道利用率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的TDMA时帧的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的数据长帧的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的预约申请帧的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的预约回复帧的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的时隙占用表示意图；
图6是本发明实施例提供的三种协议的吞吐量随负载率的变化对比图；
图7是本发明实施例提供的三种协议的平均时延随负载率的变化对比图；
图8是本发明实施例提供的三种协议的有效投递率随负载率的变化对比图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
本发明实施例提供的一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，在本实施例中，包括步骤S1～S6：
S1、如图1所示，将每个TDMA时帧分为预约子帧(RF)和数据子帧(IF)两个部分，其中预约子帧(RF)包含K个预约周期(RC1～RCK)，K为全网最大同时在网节点数量，每个预约周期包括预约申请(RR)、预约回复(RC)、预约广播(RA)三个阶段，数据子帧包含N个数据时隙(IS1～ISN)，N>>K。
S2、定义用于时隙预约的控制短帧，用于数据通信的业务长帧，以及两跳邻居节点的时隙占用表；控制短帧包括预约申请帧、预约回复帧和预约通知帧(分别对应预约周期中预约申请、预约回复、预约广播三个阶段)。
如图2所示，业务长帧包括帧类型、源地址、中继地址、目的地址、帧实体、校验序列。
如图3所示，预约申请帧包括帧控制域、源地址、中继地址、目的地址、时隙申请信息以及校验信息(帧校验序列)。帧控制域包含帧类型、帧长度和智能路由位，智能路由位用于表示是否需要路由转发；源地址包含源节点ID以及节点优先级；时隙信息用于表示对哪些数据时隙进行申请以及该信息的优先级。
如图4所示，预约回复帧包括帧控制域、源地址、时隙信息、确认信息(确认/拒绝)以及帧校验信息(帧校验序列)；源地址为给本节点发送预约申请的节点地址，确认信息用于表示该时隙是否可用。
预约通知帧的帧格式与预约申请帧相同，区别在于预约通知帧中帧控制域中的帧类型以及智能路由位是以广播的形式发送。
控制短帧使得节点的预约申请能够得到快速的反馈；当网络拓扑发生变化时，节点也能够迅速的知道当前时隙预约情况，以避免时隙冲突。
本实施例中，每个节点在本地维护两跳时隙占用表，每个节点根据收到的预约通知帧实时地更新时隙占用表。如图5所示，时隙占用表包含节点的ID、优先级、占用时隙号。时隙占用表不以广播的方式发送，而是由节点负责在本地维护，从而减少在预约阶段的信道开销。
S3、节点开机完成入网同步后，根据节点的ID和优先级固定占用一个预约周期，并在网络的运行过程中保持不变。
S4、完成入网的各节点根据当前业务需求和时隙占用情况在其占用的预约周期对数据时隙发送预约申请帧和预约通知帧(根据当前业务量计算需要的数据时隙：节点根据上层的业务量对当前TDMA时帧的数据时隙发起申请)。具体为：
完成入网的各节点根据时隙占用表，若未被占用的数据时隙满足当前业务需求，则对空闲时隙发起预约申请；若无空闲的时隙或者剩余的空闲时隙不能满足当前业务需求，则高优先级的节点对低优先级的邻居节点已申请的数据时隙发送预约申请帧和预约通知帧，若不存在比本节点优先级低的邻居节点或者邻居节点所占用的时隙也不能满足业务需求，则本TDMA时帧周期内预约数据时隙失败。
S5、完成入网的各节点在非其占用的预约周期接收其他节点发送的预约申请帧和预约通知帧，并回复预约回复帧，以及根据预约通知帧维护本地的时隙占用表。步骤S5具体包括步骤：
S51、接收预约申请：完成入网的各节点在非其占用的预约周期接收邻居节点的所述预约申请帧；
S52、数据时隙的分配：当前节点收到邻居节点的预约申请帧后，根据两跳时隙占用表判断其申请的时隙是否可用，若时隙未被占用，则回复该邻居节点一个预约确认的预约回复帧；若时隙被占用，则对比当前节点的优先级之和与已占用该时隙的节点的优先级之和，若当前节点的优先级之和更高，则将此时隙分配给当前节点并回复其邻居节点一个预约申请成功的预约回复帧，反之则本次申请数据时隙失败，当前节点回复其邻居节点一个预约申请失败的预约回复帧；节点的优先级之和等于节点的优先级与其时隙申请信息的优先级之和；
S53、接收预约通知：各节点在非其占用的预约周期接收其他节点发送的所述预约通知帧；若低优先级的节点收到的所述预约通知帧中有更高优先级的节点占用了本节点已申请的数据时隙，则低优先级的节点主动放弃对该数据时隙的占用；
S54、维护本地的时隙占用表：各节点根据收到的预约通知帧实时地更新本地的时隙占用表。
节点的优先级固定不变。时隙申请信息的优先级随时间的增加而增加，即如果在本时帧预约申请失败，在下一时帧优先级自动加一。
本方法同时设置节点优先级和消息优先级，既能够优先满足高优先级节点的信道需求，又能够避免低优先级节点长时间丢失信道的使用权，保证了数据的时效性。
S6、一个TDMA时帧的预约子帧结束后，各节点之间在本TDMA时帧预约到的数据时隙发送业务长帧进行通信。
节点在申请到的数据时隙发送业务数据。
本实施例中节点维护在本地的时隙占用表将在每个TDMA时帧周期开始后被清空，即每个TDMA时帧周期的数据时隙都需要重新预约申请，避免高优先级的节点对数据时隙的长期占有而导致低优先级节点无法预约数据时隙。
下面进行实验仿真。
仿真设置50个移动节点分布在直径为300km的圆形区域内。各节点按照泊松分布产生不同速率的数据包，并向任意其他节点发送数据包，速率设置为300kbps。为突出TDMA在数据链路层的性能，在仿真中假设物理层误码率为零。在仿真中设置一个时帧周期长度为3s，一个时帧周期被划分为384个时隙，即一个时隙长度为7.8125ms，一个时隙发送的最大报文长度设置为2048bits。仿真总时长为1200s。
本例研究固定TDMA协议、基于竞争的TDMA协议以及本文基于预约的TDMA协议的性能。其中负载率、吞吐量、平均时延以及有效投递率(Effective定义如下：
负载率＝发送的数据包总数*数据包长度/(数据速率*仿真持续时间)；
吞吐量＝接收的数据包总数*数据包长度/(数据速率*仿真持续时间)；
平均时延＝(数据接收时间-数据发送时间)/接收的数据包总数；
有效投递率＝接收的有效的数据包总数/接收的数据包总数。
上述三种TDMA协议的网络吞吐量随网络负载增加的变化对比如图6所示。从图中可以看出在低负载时，三种TDMA协议的网络吞吐量随负载增加而增加，当负载增加到某个值时，吞吐量达到最大值，并基本保持不变。其中固定的TDMA协议吞吐量最低，是因为固定分配的TDMA在不是其分配到的时隙是不能发送数据的，即数据堆积在本地等到下一时帧周期才能发送；基于竞争的TDMA在负载增多后，每个节点发起的时隙竞争概率增加，即数据发生碰撞导致节点需要退避一定的时长后才能继续发送；基于预约的TDMA协议吞吐量最大是因为使用该协议的节点会根据本地的数据量动态的申请数据时隙的数量，从而避免了数据在本的堆积，同时预约的方式可以避免数据发送碰撞从而提高了网络的吞吐量。
上述三种TDMA协议的平均时延随负载增加的变化对比如图7所示。从图中可以看出，在低负载时三种协议的平均时延都比较低，当负载到达一定值时，固定TDMA的平均时延急剧上升，说明网络中的节点都不能及时地将本地的数据包发送出去；基于竞争TDMA的平均时延比固定TDMA协议的平均时延低，这是由于网络吞吐量的增加，减少了数据包的等待时间；其中基于预约的TDMA协议平均时延最低。
三种TDMA协议的有效投递率随负载的增加变化对比如图8所示。从图中可以看出，在低负载时，三种协议投递的数据包基本都是有效的，即都能够及时地将数据包发送出去；随着负载的增加可以看到固定的TDMA和基于竞争的TDMA协议的有效投递率也随之下降，是因为这两种协议中均没有优先级，即使是高优先级的消息也不能及时发送，必须等待下一次发送机会从而导致数据失效；而本例基于预约的TDMA结合优先级的概念，为每个节点设置优先级，同时为每一条消息设置优先级，申请时隙时节点优先级能够保证高优先级的节点优先申请，同时消息的优先级能够保证低优先级的节点的申请到的时隙不被占用，因此能够保证数据的失效性，即提高数据的有效投递率。
综上，本发明实施例提供的一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，其有益效果在于：
1、使得节点的时隙预约结果得到快速的反馈，以满足无人机自组网高实时性的要求；
2、节点可以根据其数据量和业务优先级动态地申请数据时隙的数量，能够避免时隙资源的浪费，提高信道利用率；
3、采用节点优先级加数据优先级的方式实现按需分配的同时优先满足高优先级的业务需求，同时通过满足实时优先数据时效性；
4、将时隙占用表维护在本地，避免了预约申请阶段的巨大开销，同时避免了两跳内节点的时隙冲突，且能够实现两跳外邻居节点数据时隙的复用，提高信道利用率。
简言之，本方法实现了TDMA信道可以按需分配的同时优先满足高优先级节点的信道需求；同时实现了信道的空间复用，提高了信道利用率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将每个TDMA时帧按照时间先后划分为预约子帧和数据子帧两个部分，其中所述预约子帧包含K个预约周期，K为全网最大同时在网节点数量，所述数据子帧包含N个数据时隙，N>>K；
S2、定义用于时隙预约的控制短帧，用于数据通信的业务长帧，以及两跳邻居节点的时隙占用表；所述控制短帧包括预约申请帧、预约通知帧和预约回复帧；所述时隙占用表包含节点的ID、优先级、占用时隙号；
S3、节点开机完成入网同步后，根据节点的ID和优先级固定占用一个所述预约周期；
S4、完成入网的各节点根据当前业务需求和时隙占用情况在其占用的预约周期对数据时隙发送所述预约申请帧和所述预约通知帧；
S5、完成入网的各节点在非其占用的预约周期接收其他节点发送的所述预约申请帧和所述预约通知帧，并回复所述预约回复帧，以及根据所述预约通知帧维护本地的所述时隙占用表；
S6、一个所述TDMA时帧的预约子帧结束后，各节点之间在本TDMA时帧预约到的数据时隙发送所述业务长帧进行通信。
2.根据权利要求1所述的一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，其特征在于，在所述步骤S1中，每个所述预约周期包括预约申请、预约回复、预约广播三个阶段，分别对应所述预约申请帧、所述预约回复帧和所述预约通知帧。
3.根据权利要求2所述的一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述预约申请帧包括帧控制域、源地址、中继地址、目的地址、时隙申请信息以及校验信息；所述帧控制域包含帧类型、帧长度和智能路由位，所述智能路由位用于表示是否需要路由转发；所述源地址包含源节点ID以及节点优先级；所述时隙申请信息用于表示对哪些数据时隙进行申请以及该信息的优先级。
4.根据权利要求3所述的一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述预约回复帧包括帧控制域、源地址、时隙信息、确认信息以及帧校验信息；所述源地址为给本节点发送预约申请的节点地址，所述确认信息用于表示该时隙是否可用。
5.根据权利要求4所述的一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述预约通知帧的帧格式与所述预约申请帧相同，区别在于所述预约通知帧中所述帧控制域中的帧类型以及智能路由位是以广播的形式发送。
6.根据权利要求5所述的一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，其特征在于：在所述步骤S2中，所述业务长帧包括帧类型、源地址、中继地址、目的地址、帧实体、校验序列。
7.根据权利要求6所述的一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
完成入网的各节点根据所述时隙占用表，若未被占用的数据时隙满足当前业务需求，则对空闲时隙发起预约申请；若无空闲的时隙或者剩余的空闲时隙不能满足当前业务需求，则高优先级的节点对低优先级的邻居节点已申请的数据时隙发送所述预约申请帧和所述预约通知帧，若不存在比本节点优先级低的邻居节点或者邻居节点所占用的时隙也不能满足业务需求，则本TDMA时帧周期内预约数据时隙失败。
8.根据权利要求7所述的一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括步骤：
S51、接收预约申请：完成入网的各节点在非其占用的预约周期接收邻居节点的所述预约申请帧；
S52、数据时隙的分配：当前节点收到邻居节点的所述预约申请帧后，根据两跳时隙占用表判断其申请的时隙是否可用，若时隙未被占用，则回复该邻居节点一个预约确认的所述预约回复帧；若时隙被占用，则对比当前节点的优先级之和与已占用该时隙的节点的优先级之和，若当前节点的优先级之和更高，则将此时隙分配给当前节点并回复其邻居节点一个预约申请成功的预约回复帧，反之则本次申请数据时隙失败，当前节点回复其邻居节点一个预约申请失败的所述预约回复帧；节点的优先级之和等于节点的优先级与其时隙申请信息的优先级之和；
S53、接收预约通知：各节点在非其占用的预约周期接收其他节点发送的所述预约通知帧；若低优先级的节点收到的所述预约通知帧中有更高优先级的节点占用了本节点已申请的数据时隙，则低优先级的节点主动放弃对该数据时隙的占用；
S54、维护本地的时隙占用表：各节点根据收到的预约通知帧实时地更新本地的时隙占用表。
9.根据权利要求8所述的一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，其特征在于：时隙申请信息的优先级随时间的增加而增加，即如果在本时帧预约申请失败，在下一时帧优先级自动加一。
10.根据权利要求1所述的一种适用于无人机自组网的多跳TDMA时隙分配方法，其特征在于：每个所述TDMA时帧开始后，各节点将清空本地的时隙占用表。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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