CN117354888A - 多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法及装置 - Google Patents

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CN117354888A CN202311391754.XA CN202311391754A CN117354888A CN 117354888 A CN117354888 A CN 117354888A CN 202311391754 A CN202311391754 A CN 202311391754A CN 117354888 A CN117354888 A CN 117354888A
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Abstract

本发明公开了一种多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法及装置，属于无线通信领域，包括步骤：基于TDMA信道接入机制，通过对多跳无线网络的拓扑进行分析，为其中多节点的业务回传进行中继传输路径的规划，用于减少网络中参与中继转发的节点总体数量；在路径规划的基础上为路径上的各个传输节点优化分配TDMA时隙信道资源，以实现在有限资源条件下支撑网络传输更多的业务，并同时确保业务获得较低传输时延的应用目的。本发明减少了业务回传所需的中继节点数量，有利于减少业务回传所需消耗的信道资源；减小了中继转发过程中节点信道接入等待，达到有效降低业务传输时延的目的。

Description

多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法及装置
技术领域
本发明涉及无线通信领域，更为具体的，涉及一种多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法及装置。
背景技术
无线通信网络中，由于无线信号传播路径损耗和距离衰减等原因，导致节点之间一跳直接通信的距离往往非常有限，从而使得相距较远的两个节点之间往往需要通过多跳中继才能进行通信。典型地，一定区域范围内部署应用的无线传感器网络、车载无线自组织网络等，因节点工作分布范围超过单个节点的无线信号覆盖范围，其网络拓扑结构特性往往均表现为多跳传输特性。
多节点数据采集回传是多跳无线网络中典型的应用。例如，在无线传感器网络中，传感器节点需要经过多跳中继传输将感知采集的数据往Sink汇聚节点进行回传；在车载无线自组织网络中，各个车辆节点需要通过多跳中继传输将车辆采集的视频和图像信息往控制中心节点进行回传。对于实时业务的回传，数据的传输时延是多跳网络组网设计需要重点考虑的问题。
业务中继回传的传输时延与网络中参与传输节点的MAC(Medium AccessControl)媒体接入控制设计密切相关，这其中包括了数据源节点和中继转发节点的信道资源分配和使用。TDMA(Time Division Multiple Access)信道接入机制是多跳无线网络常常采用的一种MAC设计，通过将信道按时间划分成多个时隙，不同节点通过分配使用不同时隙达到避免信道冲突并共享信道传输资源的目的。节点对于信道时隙的分配和使用，决定了多跳业务中继传输的时延开销。因此，如何针对实时业务传输的需求，保持较低的多跳中继传输时延，是多跳无线网络信道资源分配需要研究解决的重要问题。现有方法主要针对二跳中继的网络场景进行物理层信道编码和载波资源调度的信号中继传输设计，不适用于存储转发工作方式的多跳无线网络，且不能扩展应用于更多跳数的网络。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法及装置，减少了业务回传所需的中继节点数量，有利于减少业务回传所需消耗的信道资源；减小了中继转发过程中节点信道接入等待，达到有效降低业务传输时延的目的等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法，基于TDMA信道接入机制，通过对多跳无线网络的拓扑进行分析，为其中多节点的业务回传进行中继传输路径的规划，用于减少网络中参与中继转发的节点总体数量；在路径规划的基础上为路径上的各个传输节点优化分配TDMA时隙信道资源，以实现在有限资源条件下支撑网络传输更多的业务，并同时确保业务获得较低传输时延的应用目的；具体包括如下步骤：
S1，分层网络节点；
S2，规划传输路径；
S3，分配传输资源；
S4，执行数据传输。
进一步地，在步骤S1中，所述分层网络节点，具体包括：将网络中各节点以距离Sink汇聚节点的跳数距离不同进行层级划分。
进一步地，在步骤S2中，所述规划传输路径，具体包括：设有k个节点需要向Sink节点进行业务回传，分别表示为s1、s2、…、sk；规划传输路径操作将为网络中有业务回传需求的节点选择中继转发节点，构建从业务源节点向Sink节点传输的中继转发路径，使得业务能够通过网络中节点的多跳中继传输最终到达Sink节点，并通过合并共享传输路径为不同节点sj规划传输路径，1≤j≤k。
进一步地，在步骤S3中，所述分配传输资源，具体包括：在TDMA时帧结构中将路径上上游节点的时隙分配位置放在下游节点紧挨着的前面，从而使得上游节点在发送业务数据之后，下游节点能够在同一时帧周期中利用所分配的时隙将所收到的数据尽快转发出去，在路径上形成序贯传输关系，减少转发时间等待。
进一步地，在步骤S4中，所述执行数据传输，在完成传输资源分配操作后，网络中有业务执行回传的节点将开始进行数据传输，并且通过中继节点的转发支持，使得业务数据经过多跳传输到达Sink节点。
进一步地，所述将网络中各节点以距离Sink汇聚节点的跳数距离不同进行层级划分，具体包括如下子步骤：
步骤S101：将网络拓扑图G中节点着色，具体着色包括白色；设定集合V(Li)为空，即有其中参数i设定为i＝0；
步骤S102：以Sink汇聚节点为初始节点，加入集合V(Li)，同时将Sink节点着色，具体着色包括黑色，并将这个节点记为第Li层节点；
步骤S103：设定集合V(Li+1)为空，即有
步骤S104：遍历集合V(Li)中每一个节点u，找到节点u的一跳邻居节点中颜色为白色的每一个节点v，将节点v加入节点集合V(Li+1)，同时将其着色为黑色，并将这些节点记为Li+1层节点；
步骤S105：修改参数i＝i+1，重复步骤S103～S104，直至网络拓扑图G中全部节点都变成黑色；
步骤S105之后，执行以下步骤：
步骤S201：针对网络中每一个节点，对应初始化一个集合节点i对应的集合表示为Ra(i)；
步骤S202：以Lx表示网络的最大层级，遍历集合V(Lx-1)中节点，根据网络拓扑连接关系，分别针对每一个节点u∈V(Lx-1)记录其可达的第Lx层级节点，即有节点v∈V(Lx)且e(u,v)∈E时，将节点v加入集合Ra(u)；
步骤S203：判断条件Lx＞2，若条件成立，设定参数k＝Lx-2，继续执行下一步骤，否则结束；
步骤S204：遍历集合V(k)中节点，根据网络拓扑连接关系，分别针对每一个节点u∈V(k)记录其可达的第k+1层级节点，即有节点v∈V(k+1)且e(u,v)∈E时，将节点v加入集合Ra(u)，同时合并集合Ra(u)＝Ra(u)∪Ra(v)；
步骤S205：修改参数k＝k-1，重复步骤S204，直至k＝0时结束。
进一步地，所述规划传输路径操作将为网络中有业务回传需求的节点选择中继转发节点，构建从业务源节点向Sink节点传输的中继转发路径，使得业务能够通过网络中节点的多跳中继传输最终到达Sink节点，并通过合并共享传输路径为不同节点sj规划传输路径，1≤j≤k，具体包括子步骤：
步骤S301：初始化节点集合S＝{s1,s2,…,sk}；
步骤S302：以L(sj)表示节点sj所归属的层级；比较k个有业务发送的节点的层级，找到其中的最大层级lmax；
步骤S303：将集合S中节点按层级大小Lm＝1,2,…,lmax进行分类，形成子集，分别表示为S(Lm)；
步骤S304：初始化节点集合S′＝S，初始化集合设定参数k＝1；
步骤S305：计算Y(k)＝V(k)∩S′，集合Y(k)中节点作为业务发送节点的同时也能兼顾作为中继节点；计算S′＝S′-Y(k)，更新R＝R∪Y(k)；
步骤S306：针对集合Y(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，迭代计算X(u)＝Ra(u)∩S′和S′＝S′-X(u)；记录节点u与集合X(u)中节点的中继关系；
步骤S307：计算P(k)＝V(k)-Y(k)；遍历集合P(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，分别计算X(u)＝Ra(u)∩S′，X(u)表征了节点u可反向到达的业务发送节点；
步骤S308：比较|X(u)|大小，选取其中拥有最大值的节点ux，即满足条件时，将节点ux加入集合R；当有多个节点同时拥有相同的最大值时，进一步比较节点可达的业务发送节点中各层级节点数量，优先选择更高层级中可达节点数量更多的相应节点确定为ux；记录节点ux与集合X(ux)中节点的中继关系；
步骤S309：计算S′＝S′-X(ux)，重复步骤S307～S308，直至时执行步骤S310；
步骤S310：判断条件lmax＞2，若条件成立，设定参数k＝2，继续执行下一步骤，否则结束；
步骤S311：初始化节点集合S′＝∪S(Lm)，Lm＝k,k+1,…,lmax；
步骤S312：根据网络拓扑连接关系，筛选出集合V(k)中与集合R的任意节点存在连接关系的节点，构成集合W(k)；
步骤S313：计算Y(k)＝W(k)∩S′，集合Y(k)中节点作为业务发送节点的同时也能兼顾作为中继节点；计算S′＝S′-Y(k)，更新R＝R∪Y(k)；
步骤S314：针对集合Y(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，迭代计算X(u)＝Ra(u)∩S′和S′＝S′-X(u)；记录节点u与集合X(u)中节点的中继关系；
步骤S315：计算P(k)＝W(k)-Y(k)；遍历集合P(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，分别计算X(u)＝Ra(u)∩S′，X(u)表征了节点u可反向到达的业务发送节点；
步骤S316：比较|X(u)|大小，选取其中拥有最大值的节点ux，即满足条件时，将节点ux加入集合R；当有多个节点同时拥有相同的最大值时，进一步比较节点可达的业务发送节点中各层级节点数量，优先选择更高层级中可达节点数量更多的相应节点确定为ux；记录节点ux与集合X(ux)中节点的中继关系；
步骤S317：计算S′＝S′-X(ux)，重复步骤S315～S316，直至时执行步骤S318；
步骤S318：修改参数k＝k+1，重复步骤S311～S317，直至k＝lmax-1时结束。
进一步地，所述在TDMA时帧结构中将路径上上游节点的时隙分配位置放在下游节点紧挨着的前面，包括子步骤：
步骤S401：执行步骤S301～S303，获得按层级分类的业务回传节点子集，分别表示为S(Lm)，Lm＝1,2,…,lmax；删除集合R中同时存在于集合S中的节点，同样地，对集合R中节点也按层级进行分类，形成子集，分别表示为R(Lm)，Lm＝1,2,…,lmax-1；
步骤S402：初始化参数Lj＝lmax；
步骤S403：针对集合S(Lj)中节点，根据节点的业务发送数据量，逐一为每个节点顺序分配相应TDMA时帧中的时隙信道资源；当节点同时担任了中继角色时，根据前一操作阶段中记录的节点中继关系以及节点在单位时隙内可发送的数据量大小，计算该节点总计所需中继转发的数据量大小以及相应所需的时隙个数，并按计算结果增加分配相应数量的时隙；
步骤S404：针对集合R(Lj)中节点，逐一为每个节点顺序分配相应TDMA时帧中的时隙信道资源；根据前一操作阶段中记录的节点中继关系以及节点在单位时隙内可发送的数据量大小，计算节点总计所需中继转发的数据量大小以及相应所需的时隙个数，并按计算结果分配相应数量的时隙；当Lj＝lmax时，有
步骤S405：修改参数Lj＝Lj-1，重复步骤S403～S404，直至Lj＝1时结束。
进一步地，所述在完成传输资源分配操作后，网络中有业务执行回传的节点将开始进行数据传输，并且通过中继节点的转发支持，使得业务数据经过多跳传输到达Sink节点，包括子步骤：
步骤S501：将传输路径规划和传输资源分配获得的结果通告给网络中的相应节点；
步骤S502：业务回传节点si在指定的信道资源分配内发送业务数据，1≤i≤k，收到的节点根据自己是否是针对业务源节点si回传路径上的中继转发节点，判断是否要作转发操作；如果是，节点在指定的信道资源分配内对数据进行转发；否则，不需要转发。
一种多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配装置，包括处理器和存储器，在存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载执行如上任一项所述的方法。
本发明的有益效果包括：
(1)针对多跳无线网络中多节点业务回传的应用需求，提出了一种实现业务低时延传输的信道资源优化分配方法。基于TDMA信道接入机制，本发明方法通过对多跳无线网络的拓扑进行分析，为其中多节点的业务回传进行中继传输路径的合理规划，减少网络中参与中继转发的节点总体数量，并在路径规划的基础上为路径上的各个传输节点优化分配TDMA时隙信道资源，以实现在有限资源条件下支撑网络传输更多的业务，并同时确保业务获得较低传输时延的应用目的。
(2)本发明方法基于对网络拓扑的分析，通过优选各层级节点为网络中有业务回传需求的节点进行联合规划传输路径，达到合并共享传输路径，减少业务回传所需的中继节点数量的目的，有利于减少业务回传所需消耗的信道资源。
(3)本发明针对网络多跳中继传输的特点，为业务回传规划路径上的节点进行了TDMA时隙信道资源的优化分配，使得路径上节点逐跳中继转发形成序贯传输关系，减小中继转发过程中节点信道接入等待，达到有效降低业务传输时延的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为示例一网络拓扑连接图；
图2为示例一网络业务回传传输路径；
图3为示例一网络信道资源分配结果图示；
图4为示例二网络拓扑连接图；
图5为示例二网络业务回传传输路径；
图6为示例二网络信道资源分配结果图示。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
鉴于背景中的问题，为了实现多跳无线网络中多路实时业务的低时延传输，本发明提出了一种基于拓扑分析的TDMA信道接入时隙优化分配的技术方法。在发明构思中通过对业务回传的多跳中继路径进行高效规划，并结合规划路径进行TDMA时隙信道资源的优化分配，达到缩短多跳中继过程中的数据转发时间等待，减少业务传输信道资源消耗的目的，满足网络中更多业务同时回传以及业务低时延传输的应用要求。
进一步的实施方式中，为了解决多跳无线网络中低时延业务传输的问题，本实施例采取的技术方案如下：考虑网络中有多个普通节点和一个汇聚节点，普通节点根据应用需要产生业务，各普通节点的业务数据需要实时向汇聚节点进行回传。假设网络中汇聚节点通过对普通节点的拓扑通告进行学习，获得了网络中各个节点之间完整的拓扑连接关系，以支持对网络中节点进行信道资源分配。为了接下来描述方便，我们以无向图G＝(V,E)来表示网络的拓扑连接关系，其中V为网络中节点集合，E为网络中节点之间连接集合，|A|表示集合A中元素的个数。对于网络中存在一跳连接的两个节点u和v，e(u,v)表示节点u和v之间的连接，有e(u,v)∈E。
为了实现业务数据从多个普通节点向汇聚节点Sink的低时延传输，本发明提出的方法分为四个操作阶段：分层网络节点、规划传输路径、分配传输资源和执行数据传输。
(1)分层网络节点
分层网络节点操作是将网络中各节点以距离Sink汇聚节点的跳数距离不同进行层级划分。步骤如下：
步骤S101：将网络拓扑图G中节点着色为白色，设定集合V(Li)为空，即有其中参数i设定为i＝0。
步骤S102：以Sink汇聚节点为初始节点，加入集合V(Li)，同时将Sink节点着色为黑色，并将这个节点记为第Li层节点。
步骤S103：设定集合V(Li+1)为空，即有
步骤S104：遍历集合V(Li)中每一个节点u，找到节点u的一跳邻居节点中颜色为白色的每一个节点v，将节点v加入节点集合V(Li+1)，同时将其着色为黑色，并将这些节点记为Li+1层节点。
步骤S105：修改参数i＝i+1，重复步骤S103～S104，直至网络拓扑图G中全部节点都变成黑色。
通过上述算法步骤，网络中全部节点将分别划分归属于不同的层级，第Li层的节点距离Sink节点的最小通信跳数为i跳。特殊地，L0层节点只有Sink节点本身。
为了在接下来规划传输路径的过程中可以快速定位搜寻能够为某一个节点提供中继转发支持的各层级网络节点，执行以下算法步骤：
步骤S201：针对网络中每一个节点，对应初始化一个集合节点i对应的集合表示为Ra(i)。
步骤S202：以Lx表示网络的最大层级，遍历集合V(Lx-1)中节点，根据网络拓扑连接关系，分别针对每一个节点u∈V(Lx-1)记录其可达的第Lx层级节点，即有节点v∈V(Lx)且e(u,v)∈E时，将节点v加入集合Ra(u)。
步骤S203：判断条件Lx＞2，若条件成立，设定参数k＝Lx-2，继续执行下一步骤，否则结束算法。
步骤S204：遍历集合V(k)中节点，根据网络拓扑连接关系，分别针对每一个节点u∈V(k)记录其可达的第k+1层级节点，即有节点v∈V(k+1)且e(u,v)∈E时，将节点v加入集合Ra(u)，同时合并集合Ra(u)＝Ra(u)∪Ra(v)。
步骤S205：修改参数k＝k-1，重复步骤S204，直至k＝0时结束算法。
通过上述算法步骤，集合Ra(u)中记录了网络中相应节点u经过一跳或多跳连接可到达的其他更高层级中的全部节点。
(2)规划传输路径
设有k个节点需要向Sink节点进行业务回传，分别表示为s1、s2、…、sk。规划传输路径操作将为网络中有业务回传需求的节点选择中继转发节点，构建从业务源节点向Sink节点传输的中继转发路径，使得业务能够通过网络中节点的多跳中继传输最终到达Sink节点。网络中节点参与中继转发需要消耗相应的信道资源，因此，减少中继转发节点数量是提高资源利用效率的关键。为了减少中继转发节点数量，在为不同节点sj(1≤j≤k)规划传输路径时需要尽量做到合并共享传输路径。规划传输路径的具体步骤如下：
步骤S301：初始化节点集合S＝{s1,s2,…,sk}。
步骤S302：以L(sj)表示节点sj所归属的层级。比较k个有业务发送的节点的层级，找到其中的最大层级lmax。
步骤S303：将集合S中节点按层级大小Lm＝1,2,…,lmax进行分类，形成子集，分别表示为S(Lm)。
步骤S304：初始化节点集合S′＝S，初始化集合设定参数k＝1。
步骤S305：计算Y(k)＝V(k)∩S′，集合Y(k)中节点作为业务发送节点的同时也可兼顾作为中继节点。计算S′＝S′-Y(k)，更新R＝R∪Y(k)。
步骤S306：针对集合Y(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，迭代计算X(u)＝Ra(u)∩S′和S′＝S′-X(u)。记录节点u与集合X(u)中节点的中继关系。
步骤S307：计算P(k)＝V(k)-Y(k)。遍历集合P(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，分别计算X(u)＝Ra(u)∩S′，X(u)表征了节点u可反向到达的业务发送节点。
步骤S308：比较|X(u)|大小，选取其中拥有最大值的节点ux，即满足条件时，将节点ux加入集合R。当有多个节点同时拥有相同的最大值时，进一步比较节点可达的业务发送节点中各层级节点数量，优先选择更高层级中可达节点数量更多的相应节点确定为ux。记录节点ux与集合X(ux)中节点的中继关系。
步骤S309：计算S′＝S′-X(ux)，重复步骤S307～S308，直至时执行步骤S310。
步骤S310：判断条件lmax＞2，若条件成立，设定参数k＝2，继续执行下一步骤，否则结束算法。
步骤S311：初始化节点集合S′＝∪S(Lm)，Lm＝k,k+1,…,lmax。
步骤S312：根据网络拓扑连接关系，筛选出集合V(k)中与集合R的任意节点存在连接关系的节点，构成集合W(k)。
步骤S313：计算Y(k)＝W(k)∩S′，集合Y(k)中节点作为业务发送节点的同时也可兼顾作为中继节点。计算S′＝S′-Y(k)，更新R＝R∪Y(k)。
步骤S314：针对集合Y(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，迭代计算X(u)＝Ra(u)∩S′和S′＝S′-X(u)。记录节点u与集合X(u)中节点的中继关系。
步骤S315：计算P(k)＝W(k)-Y(k)。遍历集合P(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，分别计算X(u)＝Ra(u)∩S′，X(u)表征了节点u可反向到达的业务发送节点。
步骤S316：比较|X(u)|大小，选取其中拥有最大值的节点ux，即满足条件时，将节点ux加入集合R。当有多个节点同时拥有相同的最大值时，进一步比较节点可达的业务发送节点中各层级节点数量，优先选择更高层级中可达节点数量更多的相应节点确定为ux。记录节点ux与集合X(ux)中节点的中继关系。
步骤S317：计算S′＝S′-X(ux)，重复步骤S315～S316，直至时执行步骤S318。
步骤S318：修改参数k＝k+1，重复步骤S311～S317，直至k＝lmax-1时结束算法。
通过上述算法步骤，获得了k个业务发送节点数据回传所需的中继转发节点，这些转发节点构成了从业务发送源节点到达Sink节点的传输路径。
(3)分配传输资源
在业务沿着中继转发路径往Sink节点传输的过程中，路径上中继节点的信道资源分配关系影响着业务传输的时延。基于TDMA信道接入机制，节点传输所需的时隙信道资源通常以时帧为周期进行分配占用。为了实现较低的传输时延，需要在TDMA时帧结构中将路径上上游节点的时隙分配位置放在下游节点紧挨着的前面，从而使得上游节点在发送业务数据之后，下游节点能够在同一时帧周期中利用所分配的时隙将所收到的数据尽快转发出去，在路径上形成序贯传输关系，减少转发时间等待。
为了实现上述低时延路径传输目标，节点传输资源分配的步骤如下：
步骤S401：执行步骤S301～S303，获得按层级分类的业务回传节点子集，分别表示为S(Lm)，Lm＝1,2,…,lmax。删除集合R中同时存在于集合S中的节点，同样地，对集合R中节点也按层级进行分类，形成子集，分别表示为R(Lm)，Lm＝1,2,…,lmax-1。
步骤S402：初始化参数Lj＝lmax。
步骤S403：针对集合S(Lj)中节点，根据节点的业务发送数据量，逐一为每个节点顺序分配相应TDMA时帧中的时隙信道资源。当节点同时担任了中继角色时，根据前一操作阶段中记录的节点中继关系以及节点在单位时隙内可发送的数据量大小，计算该节点总计所需中继转发的数据量大小以及相应所需的时隙个数，并按计算结果增加分配相应数量的时隙。
步骤S404：针对集合R(Lj)中节点，逐一为每个节点顺序分配相应TDMA时帧中的时隙信道资源。根据前一操作阶段中记录的节点中继关系以及节点在单位时隙内可发送的数据量大小，计算节点总计所需中继转发的数据量大小以及相应所需的时隙个数，并按计算结果分配相应数量的时隙。特殊地，当Lj＝lmax时，有
步骤S405：修改参数Lj＝Lj-1，重复步骤S403～S404，直至Lj＝1时结束算法。
(4)执行数据传输
完成传输资源分配操作后，网络中有业务执行回传的节点将开始进行数据传输，并且通过中继节点的转发支持，使得业务数据经过多跳传输到达Sink节点。执行数据传输的操作步骤如下：
步骤S501：将传输路径规划和传输资源分配获得的结果通告给网络中的相应节点。
步骤S502：业务回传节点si(1≤i≤k)在指定的信道资源分配内发送业务数据，收到的节点根据自己是否是针对业务源节点si回传路径上的中继转发节点，判断是否要作转发操作。如果是，节点在指定的信道资源分配内对数据进行转发；否则，不需要转发。
下面结合两种网络示例，给出具体实施例，对本发明方法做进一步的说明。需要说明的是，这里以网络示例为参考场景，具体说明本发明技术方案的实施方式和操作过程，但本发明的方法并不局限于在这些示例网络下使用。
1、示例一网络的实施
如图1所示，一种多跳无线网络的拓扑连接图示，其中链接虚线表示节点之间通信的一跳链路，数字表示节点的编号。示例中9个普通节点和1个汇聚节点组织形成了一个多跳网状拓扑连接的网络，网络中节点8和节点9有业务回传需求，每节点业务传输需要1个时隙分配。
针对图1示网络，通过分层网络节点操作，得到各层级网络节点分别有V(L0)＝{1}，V(L1)＝{2,3}，V(L2)＝{4,5,6}，V(L3)＝{7,8,9,10}。在规划传输路径的过程中，业务发送源节点集合有S＝{8,9}，通过算法在第1层级的节点中搜索，找到节点2可反向到达集合S中节点。进一步地，本发明方法在第2层级的节点中搜索找与节点2存在连接关系的节点5作为中继节点。这样，规划形成了业务发送源节点8和节点9向Sink节点回传业务的多跳传输路径，如图2所示。
在形成路径规划的基础上，进一步为路径上的各个传输节点优化分配TDMA时隙信道资源。如图3所示，通过算法操作，节点8和节点9分别分配了时隙1和时隙2；中继节点5需要对2个源节点的业务进行中继转发，需要分配2个时隙，算法为其分配了时隙3和时隙4；类似地，中继节点2分配了时隙5和时隙6。通过算法设计，节点8向Sink节点回传业务的传输时延只需要5T时间，而节点9向Sink节点回传业务的传输时延也只需要5T时间，其中T表示一个时隙的时间长度。
2、示例二网络的实施
如图4所示，另一种多跳无线网络的拓扑连接图示，示例中11个普通节点和1个汇聚节点组织形成了一个多跳网状拓扑连接的网络，网络中节点6/7/10/12有业务回传需求，每节点业务传输需要0.5个时隙分配。
针对图4所示网络，通过分层网络节点操作，得到各层级网络节点分别有V(L0)＝{1}，V(L1)＝{2,3,4}，V(L2)＝{5,6,7,8}，V(L3)＝{9,10,11,12}。在规划传输路径的过程中，业务发送源节点集合有S＝{6,7,10,12}，通过算法在第1层级的节点中搜索，找到节点3可反向到达集合S中节点。进一步地，算法在第2层级的节点中搜索，筛选出与节点3存在连接关系的节点，构成集合W(2)＝{6,7,8}，然后在集合W(2)中优先选择了有业务发送的节点6和节点7兼顾作为中继节点，通过这两个中继节点可反向到达集合S′＝{10,12}中全部业务发送源节点。这样，规划形成了业务发送源节点6/7/10/12向Sink节点回传业务的多跳传输路径，如图5所示。
在形成路径规划的基础上，进一步为路径上的各个传输节点优化分配TDMA时隙信道资源。如图6所示，通过算法操作，节点10和节点12分别分配了时隙1和时隙2；中继节点6需要对源自节点10的业务进行中继转发，同时还需要发送自身的业务，每节点业务传输需要0.5个时隙分配，因此节点6合计需要分配1个时隙，算法为其分配了时隙3；类似地，中继节点7分配了时隙4。中继节点3将对源自节点6/7/10/12的业务进行中继转发，因此节点3需要分配4×0.5＝2个时隙，算法为其分配了时隙5和时隙6。通过算法设计，节点10/12向Sink节点回传业务的传输时延分别只需要5T时间，而节点6/7向Sink节点回传业务的传输时延则分别只需要3T时间，其中T表示一个时隙的时间长度。
需要说明的是，在本发明权利要求书中所限定的保护范围内，以下实施例均可以从上述具体实施方式中，例如公开的技术原理，公开的技术特征或隐含公开的技术特征等，以合乎逻辑的任何方式进行组合和/或扩展、替换。
实施例1
一种多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法，基于TDMA信道接入机制，通过对多跳无线网络的拓扑进行分析，为其中多节点的业务回传进行中继传输路径的规划，用于减少网络中参与中继转发的节点总体数量；在路径规划的基础上为路径上的各个传输节点优化分配TDMA时隙信道资源，以实现在有限资源条件下支撑网络传输更多的业务，并同时确保业务获得较低传输时延的应用目的；具体包括如下步骤：
S1，分层网络节点；
S2，规划传输路径；
S3，分配传输资源；
S4，执行数据传输。
实施例2
在实施例1的基础上，在步骤S1中，所述分层网络节点，具体包括：将网络中各节点以距离Sink汇聚节点的跳数距离不同进行层级划分。
实施例3
在实施例1的基础上，在步骤S2中，所述规划传输路径，具体包括：设有k个节点需要向Sink节点进行业务回传，分别表示为s1、s2、…、sk；规划传输路径操作将为网络中有业务回传需求的节点选择中继转发节点，构建从业务源节点向Sink节点传输的中继转发路径，使得业务能够通过网络中节点的多跳中继传输最终到达Sink节点，并通过合并共享传输路径为不同节点sj规划传输路径，1≤j≤k。
实施例4
在实施例1的基础上，在步骤S3中，所述分配传输资源，具体包括：在TDMA时帧结构中将路径上上游节点的时隙分配位置放在下游节点紧挨着的前面，从而使得上游节点在发送业务数据之后，下游节点能够在同一时帧周期中利用所分配的时隙将所收到的数据尽快转发出去，在路径上形成序贯传输关系，减少转发时间等待。
实施例5
在实施例1的基础上，在步骤S4中，所述执行数据传输，在完成传输资源分配操作后，网络中有业务执行回传的节点将开始进行数据传输，并且通过中继节点的转发支持，使得业务数据经过多跳传输到达Sink节点。
实施例6
在实施例2的基础上，所述将网络中各节点以距离Sink汇聚节点的跳数距离不同进行层级划分，具体包括如下子步骤：
步骤S101：将网络拓扑图G中节点着色，具体着色包括白色；设定集合V(Li)为空，即有其中参数i设定为i＝0；
步骤S102：以Sink汇聚节点为初始节点，加入集合V(Li)，同时将Sink节点着色，具体着色包括黑色，并将这个节点记为第Li层节点；
步骤S103：设定集合V(Li+1)为空，即有
步骤S104：遍历集合V(Li)中每一个节点u，找到节点u的一跳邻居节点中颜色为白色的每一个节点v，将节点v加入节点集合V(Li+1)，同时将其着色为黑色，并将这些节点记为Li+1层节点；
步骤S105：修改参数i＝i+1，重复步骤S103～S104，直至网络拓扑图G中全部节点都变成黑色；
步骤S105之后，执行以下步骤：
步骤S201：针对网络中每一个节点，对应初始化一个集合节点i对应的集合表示为Ra(i)；
步骤S202：以Lx表示网络的最大层级，遍历集合V(Lx-1)中节点，根据网络拓扑连接关系，分别针对每一个节点u∈V(Lx-1)记录其可达的第Lx层级节点，即有节点v∈V(Lx)且e(u,v)∈E时，将节点v加入集合Ra(u)；
步骤S203：判断条件Lx＞2，若条件成立，设定参数k＝Lx-2，继续执行下一步骤，否则结束；
步骤S204：遍历集合V(k)中节点，根据网络拓扑连接关系，分别针对每一个节点u∈V(k)记录其可达的第k+1层级节点，即有节点v∈V(k+1)且e(u,v)∈E时，将节点v加入集合Ra(u)，同时合并集合Ra(u)＝Ra(u)∪Ra(v)；
步骤S205：修改参数k＝k-1，重复步骤S204，直至k＝0时结束。
实施例7
在实施例3的基础上，所述规划传输路径操作将为网络中有业务回传需求的节点选择中继转发节点，构建从业务源节点向Sink节点传输的中继转发路径，使得业务能够通过网络中节点的多跳中继传输最终到达Sink节点，并通过合并共享传输路径为不同节点sj规划传输路径，1≤j≤k，具体包括子步骤：
步骤S301：初始化节点集合S＝{s1,s2,…,sk}；
步骤S302：以L(sj)表示节点sj所归属的层级；比较k个有业务发送的节点的层级，找到其中的最大层级lmax；
步骤S303：将集合S中节点按层级大小Lm＝1,2,…,lmax进行分类，形成子集，分别表示为S(Lm)；
步骤S304：初始化节点集合S′＝S，初始化集合设定参数k＝1；
步骤S305：计算Y(k)＝V(k)∩S′，集合Y(k)中节点作为业务发送节点的同时也能兼顾作为中继节点；计算S′＝S′-Y(k)，更新R＝R∪Y(k)；
步骤S306：针对集合Y(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，迭代计算X(u)＝Ra(u)∩S′和S′＝S′-X(u)；记录节点u与集合X(u)中节点的中继关系；
步骤S307：计算P(k)＝V(k)-Y(k)；遍历集合P(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，分别计算X(u)＝Ra(u)∩S′，X(u)表征了节点u可反向到达的业务发送节点；
步骤S308：比较|X(u)|大小，选取其中拥有最大值的节点ux，即满足条件时，将节点ux加入集合R；当有多个节点同时拥有相同的最大值时，进一步比较节点可达的业务发送节点中各层级节点数量，优先选择更高层级中可达节点数量更多的相应节点确定为ux；记录节点ux与集合X(ux)中节点的中继关系；
步骤S309：计算S′＝S′-X(ux)，重复步骤S307～S308，直至时执行步骤S310；
步骤S310：判断条件lmax＞2，若条件成立，设定参数k＝2，继续执行下一步骤，否则结束；
步骤S311：初始化节点集合S′＝∪S(Lm)，Lm＝k,k+1,…,lmax；
步骤S312：根据网络拓扑连接关系，筛选出集合V(k)中与集合R的任意节点存在连接关系的节点，构成集合W(k)；
步骤S313：计算Y(k)＝W(k)∩S′，集合Y(k)中节点作为业务发送节点的同时也能兼顾作为中继节点；计算S′＝S′-Y(k)，更新R＝R∪Y(k)；
步骤S314：针对集合Y(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，迭代计算X(u)＝Ra(u)∩S′和S′＝S′-X(u)；记录节点u与集合X(u)中节点的中继关系；
步骤S315：计算P(k)＝W(k)-Y(k)；遍历集合P(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，分别计算X(u)＝Ra(u)∩S′，X(u)表征了节点u可反向到达的业务发送节点；
步骤S316：比较|X(u)|大小，选取其中拥有最大值的节点ux，即满足条件时，将节点ux加入集合R；当有多个节点同时拥有相同的最大值时，进一步比较节点可达的业务发送节点中各层级节点数量，优先选择更高层级中可达节点数量更多的相应节点确定为ux；记录节点ux与集合X(ux)中节点的中继关系；
步骤S317：计算S′＝S′-X(ux)，重复步骤S315～S316，直至时执行步骤S318；
步骤S318：修改参数k＝k+1，重复步骤S311～S317，直至k＝lmax-1时结束。
实施例8
在实施例4的基础上，所述在TDMA时帧结构中将路径上上游节点的时隙分配位置放在下游节点紧挨着的前面，包括子步骤：
步骤S401：执行步骤S301～S303，获得按层级分类的业务回传节点子集，分别表示为S(Lm)，Lm＝1,2,…,lmax；删除集合R中同时存在于集合S中的节点，同样地，对集合R中节点也按层级进行分类，形成子集，分别表示为R(Lm)，Lm＝1,2,…,lmax-1；
步骤S402：初始化参数Lj＝lmax；
步骤S403：针对集合S(Lj)中节点，根据节点的业务发送数据量，逐一为每个节点顺序分配相应TDMA时帧中的时隙信道资源；当节点同时担任了中继角色时，根据前一操作阶段中记录的节点中继关系以及节点在单位时隙内可发送的数据量大小，计算该节点总计所需中继转发的数据量大小以及相应所需的时隙个数，并按计算结果增加分配相应数量的时隙；
步骤S404：针对集合R(Lj)中节点，逐一为每个节点顺序分配相应TDMA时帧中的时隙信道资源；根据前一操作阶段中记录的节点中继关系以及节点在单位时隙内可发送的数据量大小，计算节点总计所需中继转发的数据量大小以及相应所需的时隙个数，并按计算结果分配相应数量的时隙；当Lj＝lmax时，有
步骤S405：修改参数Lj＝Lj-1，重复步骤S403～S404，直至Lj＝1时结束。
实施例9
在实施例5的基础上，所述在完成传输资源分配操作后，网络中有业务执行回传的节点将开始进行数据传输，并且通过中继节点的转发支持，使得业务数据经过多跳传输到达Sink节点，包括子步骤：
步骤S501：将传输路径规划和传输资源分配获得的结果通告给网络中的相应节点；
步骤S502：业务回传节点si在指定的信道资源分配内发送业务数据，1≤i≤k，收到的节点根据自己是否是针对业务源节点si回传路径上的中继转发节点，判断是否要作转发操作；如果是，节点在指定的信道资源分配内对数据进行转发；否则，不需要转发。
实施例10
一种多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配装置，包括处理器和存储器，在存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载执行如实施例1～实施例9任一项所述的方法。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各种可选实现方式中提供的方法。
作为另一方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现上述实施例中所述的方法。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法，其特征在于，基于TDMA信道接入机制，通过对多跳无线网络的拓扑进行分析，为其中多节点的业务回传进行中继传输路径的规划，用于减少网络中参与中继转发的节点总体数量；在路径规划的基础上为路径上的各个传输节点优化分配TDMA时隙信道资源，以实现在有限资源条件下支撑网络传输更多的业务，并同时确保业务获得较低传输时延的应用目的；具体包括如下步骤：
S1，分层网络节点；
S2，规划传输路径；
S3，分配传输资源；
S4，执行数据传输。
2.根据权利要求1所述的多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法，其特征在于，在步骤S1中，所述分层网络节点，具体包括：将网络中各节点以距离Sink汇聚节点的跳数距离不同进行层级划分。
3.根据权利要求1所述的多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法，其特征在于，在步骤S2中，所述规划传输路径，具体包括：设有k个节点需要向Sink节点进行业务回传，分别表示为s1、s2、…、sk；规划传输路径操作将为网络中有业务回传需求的节点选择中继转发节点，构建从业务源节点向Sink节点传输的中继转发路径，使得业务能够通过网络中节点的多跳中继传输最终到达Sink节点，并通过合并共享传输路径为不同节点sj规划传输路径，1≤j≤k。
4.根据权利要求1所述的多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法，其特征在于，在步骤S3中，所述分配传输资源，具体包括：在TDMA时帧结构中将路径上上游节点的时隙分配位置放在下游节点紧挨着的前面，从而使得上游节点在发送业务数据之后，下游节点能够在同一时帧周期中利用所分配的时隙将所收到的数据尽快转发出去，在路径上形成序贯传输关系，减少转发时间等待。
5.根据权利要求1所述的多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法，其特征在于，在步骤S4中，所述执行数据传输，在完成传输资源分配操作后，网络中有业务执行回传的节点将开始进行数据传输，并且通过中继节点的转发支持，使得业务数据经过多跳传输到达Sink节点。
6.根据权利要求2所述的多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法，其特征在于，所述将网络中各节点以距离Sink汇聚节点的跳数距离不同进行层级划分，具体包括如下子步骤：
步骤S101：将网络拓扑图G中节点着色，具体着色包括白色；设定集合V(Li)为空，即有其中参数i设定为i＝0；
步骤S102：以Sink汇聚节点为初始节点，加入集合V(Li)，同时将Sink节点着色，具体着色包括黑色，并将这个节点记为第Li层节点；
步骤S103：设定集合V(Li+1)为空，即有
步骤S104：遍历集合V(Li)中每一个节点u，找到节点u的一跳邻居节点中颜色为白色的每一个节点v，将节点v加入节点集合V(Li+1)，同时将其着色为黑色，并将这些节点记为Li+1层节点；
步骤S105：修改参数i＝i+1，重复步骤S103～S104，直至网络拓扑图G中全部节点都变成黑色；
步骤S105之后，执行以下步骤：
步骤S201：针对网络中每一个节点，对应初始化一个集合节点i对应的集合表示为Ra(i)；
步骤S202：以Lx表示网络的最大层级，遍历集合V(Lx-1)中节点，根据网络拓扑连接关系，分别针对每一个节点u∈V(Lx-1)记录其可达的第Lx层级节点，即有节点v∈V(Lx)且e(u,v)∈E时，将节点v加入集合Ra(u)；
步骤S203：判断条件Lx＞2，若条件成立，设定参数k＝Lx-2，继续执行下一步骤，否则结束；
步骤S204：遍历集合V(k)中节点，根据网络拓扑连接关系，分别针对每一个节点u∈V(k)记录其可达的第k+1层级节点，即有节点v∈V(k+1)且e(u,v)∈E时，将节点v加入集合Ra(u)，同时合并集合Ra(u)＝Ra(u)∪Ra(v)；
步骤S205：修改参数k＝k-1，重复步骤S204，直至k＝0时结束。
7.根据权利要求3所述的多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法，其特征在于，所述规划传输路径操作将为网络中有业务回传需求的节点选择中继转发节点，构建从业务源节点向Sink节点传输的中继转发路径，使得业务能够通过网络中节点的多跳中继传输最终到达Sink节点，并通过合并共享传输路径为不同节点sj规划传输路径，1≤j≤k，具体包括子步骤：
步骤S301：初始化节点集合S＝{s1,s2,…,sk}；
步骤S302：以L(sj)表示节点sj所归属的层级；比较k个有业务发送的节点的层级，找到其中的最大层级lmax；
步骤S303：将集合S中节点按层级大小Lm＝1,2,…,lmax进行分类，形成子集，分别表示为S(Lm)；
步骤S304：初始化节点集合S′＝S，初始化集合设定参数k＝1；
步骤S305：计算Y(k)＝V(k)∩S′，集合Y(k)中节点作为业务发送节点的同时也能兼顾作为中继节点；计算S′＝S′-Y(k)，更新R＝R∪Y(k)；
步骤S306：针对集合Y(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，迭代计算X(u)＝Ra(u)∩S′和S′＝S′-X(u)；记录节点u与集合X(u)中节点的中继关系；
步骤S307：计算P(k)＝V(k)-Y(k)；遍历集合P(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，分别计算X(u)＝Ra(u)∩S′，X(u)表征了节点u可反向到达的业务发送节点；
步骤S308：比较|X(u)|大小，选取其中拥有最大值的节点ux，即满足条件时，将节点ux加入集合R；当有多个节点同时拥有相同的最大值时，进一步比较节点可达的业务发送节点中各层级节点数量，优先选择更高层级中可达节点数量更多的相应节点确定为ux；记录节点ux与集合X(ux)中节点的中继关系；
步骤S309：计算S′＝S′-X(ux)，重复步骤S307～S308，直至时执行步骤S310；
步骤S310：判断条件lmax＞2，若条件成立，设定参数k＝2，继续执行下一步骤，否则结束；
步骤S311：初始化节点集合S′＝∪S(Lm)，Lm＝k,k+1,…,lmax；
步骤S312：根据网络拓扑连接关系，筛选出集合V(k)中与集合R的任意节点存在连接关系的节点，构成集合W(k)；
步骤S313：计算Y(k)＝W(k)∩S′，集合Y(k)中节点作为业务发送节点的同时也能兼顾作为中继节点；计算S′＝S′-Y(k)，更新R＝R∪Y(k)；
步骤S314：针对集合Y(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，迭代计算X(u)＝Ra(u)∩S′和S′＝S′-X(u)；记录节点u与集合X(u)中节点的中继关系；
步骤S315：计算P(k)＝W(k)-Y(k)；遍历集合P(k)中每一个节点u，根据节点对应的集合Ra(u)，分别计算X(u)＝Ra(u)∩S′，X(u)表征了节点u可反向到达的业务发送节点；
步骤S316：比较|X(u)|大小，选取其中拥有最大值的节点ux，即满足条件时，将节点ux加入集合R；当有多个节点同时拥有相同的最大值时，进一步比较节点可达的业务发送节点中各层级节点数量，优先选择更高层级中可达节点数量更多的相应节点确定为ux；记录节点ux与集合X(ux)中节点的中继关系；
步骤S317：计算S′＝S′-X(ux)，重复步骤S315～S316，直至时执行步骤S318；
步骤S318：修改参数k＝k+1，重复步骤S311～S317，直至k＝lmax-1时结束。
8.根据权利要求4所述的多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法，其特征在于，所述在TDMA时帧结构中将路径上上游节点的时隙分配位置放在下游节点紧挨着的前面，包括子步骤：
步骤S401：执行步骤S301～S303，获得按层级分类的业务回传节点子集，分别表示为S(Lm)，Lm＝1,2,…,lmax；删除集合R中同时存在于集合S中的节点，同样地，对集合R中节点也按层级进行分类，形成子集，分别表示为R(Lm)，Lm＝1,2,…,lmax-1；
步骤S402：初始化参数Lj＝lmax；
步骤S403：针对集合S(Lj)中节点，根据节点的业务发送数据量，逐一为每个节点顺序分配相应TDMA时帧中的时隙信道资源；当节点同时担任了中继角色时，根据前一操作阶段中记录的节点中继关系以及节点在单位时隙内可发送的数据量大小，计算该节点总计所需中继转发的数据量大小以及相应所需的时隙个数，并按计算结果增加分配相应数量的时隙；
步骤S404：针对集合R(Lj)中节点，逐一为每个节点顺序分配相应TDMA时帧中的时隙信道资源；根据前一操作阶段中记录的节点中继关系以及节点在单位时隙内可发送的数据量大小，计算节点总计所需中继转发的数据量大小以及相应所需的时隙个数，并按计算结果分配相应数量的时隙；当Lj＝lmax时，有
步骤S405：修改参数Lj＝Lj-1，重复步骤S403～S404，直至Lj＝1时结束。
9.根据权利要求5所述的多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配方法，其特征在于，所述在完成传输资源分配操作后，网络中有业务执行回传的节点将开始进行数据传输，并且通过中继节点的转发支持，使得业务数据经过多跳传输到达Sink节点，包括子步骤：
步骤S501：将传输路径规划和传输资源分配获得的结果通告给网络中的相应节点；
步骤S502：业务回传节点si在指定的信道资源分配内发送业务数据，1≤i≤k，收到的节点根据自己是否是针对业务源节点si回传路径上的中继转发节点，判断是否要作转发操作；如果是，节点在指定的信道资源分配内对数据进行转发；否则，不需要转发。
10.一种多跳无线网络低时延业务传输的信道资源分配装置，其特征在于，包括处理器和存储器，在存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载执行如权利要求1～9任一项所述的方法。
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