[发明专利]一种基于TDMA的无线MESH网络分布式资源分配方法

摘要

本发明公开了一种基于TDMA的无线MESH网络分布式资源分配的方法，该方法利用邻居节点之间的信息交互获取两跳范围内各个节点的时隙申请情况，在时隙申请过程中加入节点负载参数解决了各个节点发送数据的需求差异问题，在时隙分配过程中采用优化的优先级列表给各个节点的分配时隙，使得各个节点分配的时隙在一个时帧中近似均匀分布，在数据传输过程中根据各条数据流的路径选择节点发送时隙顺序，使得数据流的时隙顺序与路径上的节点顺序一致，进一步降低了时延和提高了时隙复用度。本发明实现了分布式无线MESH网络信道资源的无冲突分配，降低了通信时延，提高了信道的利用率和网络的吞吐量，适用于分布式无线MESH网络。

主权项

1.一种基于TDMA的无线MESH网络分布式资源分配的方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1：时隙申请，包括以下子步骤：S11：在声明阶段，固定为每个节点分配一个时隙，用于发送时隙竞争信息包；所述的时隙竞争信息包包括节点的一个二元数组，所述的二元数组包括节点ID和负载因子η，其中节点ID为本节点的地址，负载因子η由MAC层与路由层的缓冲队列中的数据包数量计算出，公式如下：式中，L表示缓冲队列的最大长度，M表示缓冲队列中已有的数据包；S12：在声明阶段结束后，各个节点都收到邻居节点发送的时隙竞争信息包，并将收到的时隙竞争信息包存入一个包含节点ID、负载因子η的一跳邻居发送需求信息表One_Nbr_Tx_table中；在回复阶段，各节点将One_Nbr_Tx_table中的信息转发给其邻居节点，回复阶段结束后，各节点就知道其两跳范围内所有节点的时隙需求情况，并将信息存入两跳邻居发送需求信息表Two_Nbr_Tx_table中；S2：时隙分配，包括以下子步骤：S21：建立优先级列表，并设置优先级数值；假设网络中有N个节点，数据阶段有N个时隙，aij为在优先级列表中节点i在时隙j对应的优先级数值；i和j的数值取[0,N]，优先级数值取值范围为1至N；在设置优先级数值时遵循以下原则：(1){a0i,a1i...aNi}为第i个时隙不同节点的优先级数值，这个集合的所有元素是互不相同的，代表网络中不同节点对i时隙的不同优先级；(2)网络中每个节点对应一个时隙并且唯一，该时隙称为主时隙，在给节点分配时隙的时候，各个节点的主时隙无条件分配给该节点，保证各个节点在每个数据时帧中都能获得至少一个时隙；(3)让数据时隙部分各个组内的每个时隙对应的优先级数值近似相同但并不完全相同，保证各个节点分配到时隙在同一组的概率很大，从而实现在一帧中分配的时隙近似均匀分布；S22：在回复阶段结束后，各个节点根据收到的两跳范围内各个节点发送的时隙竞争信息包和优先级列表进行时隙分配，计算节点i两跳范围内所有节点竞争时隙j的权值Wij，并存入W[N,N]数组中；Wij代表节点i在竞争时隙j时具有的权值，该值越大代表节点i竞争到时隙j的概率越大，公式如下：Wij＝(1‑α)×aij+α×N×ηi式中，ηi为节点i在本时帧中的负载因子，α为介于(0,1)之间的数，通过调节α数值的大小实现负载因子ηi在时隙分配中所起的决定性作用；其中，当α＝0时，负载因子ηi对时隙的选择没有影响，时隙分配完全由优先级列表决定，这种情况适合各个节点业务基本一致的情况的网络，公式如下：Wij＝aij当α逐渐增加时，优先级列表对时隙的选择逐渐减小，负载因子ηi对时隙分配的影响逐渐增加，这种情况适合各个节点业务不一致的情况的网络；S23：在S22结束后，所有节点计算占用的时隙，其中，节点i占用时隙j包括以下子步骤：S231：判断当前时隙是否为节点自身的主时隙，如果是的话则将当前时隙分配给本节点然后结束，否则进入步骤S232；S232：判断当前时隙是否为两跳范围内节点的主时隙，如果是的话直接结束，否则进入步骤S233；S233：将临时变量k赋值为0；S234：判断W[i,j]＞W[k,j]是否成立，如果是的话则对k进行加一操作并进入步骤S23411，否则进入步骤S23421；S23411：判断k≤N是否成立，如果是的话则将当前时隙分配给本节点然后结束，否则返回步骤S234；S23421：判断W[i,j]＝W[k,j]是否成立，如果是的话进入步骤S23422，否则直接结束；S23422：判断ηi＞ηk是否成立，如果是的话则将当前时隙分配给本节点然后结束，否则直接结束；S3：时隙选择，在数据报文中添加数据流标号和对应数据流逐跳节点使用的时隙号两个字段之后，进行时隙选择，已知Sprev、Tframe和Tslot；包括以下子步骤：S31：判断节点分配的剩余时隙Sremain是否为空，如果是的话则不能为数据流分配时隙，否则进入步骤S32；S32：判断该节点是否为数据流的源节点，若不是进入S33，否则选择该节点剩余时隙中时隙号最小的一个时隙，包括以下子步骤：S321：选择该节点剩余时隙Sremain中时隙号最小的一个时隙；S322：对Sselected的值进行更新：Sremain＝Sremain‑Sselected；S323：将Sselected的值作为该节点剩余时隙中时隙号最小的一个时隙进行输出，结束；S33：数据流的中间节点计算剩余可使用的各个时隙的为数据流增加的延时，并选择增加最小时延对应的可用时隙，包括以下子步骤：S331：对剩余可使用时隙Si依次做如下步骤：判断所述剩余可使用时隙Si的值是否大于所申请时隙的数据流前一个节点所使用的时隙Sprev[length]：(1)如果成立，则把差值Δi赋值为：Δi＝Si‑Sprev[length]；(2)如果不成立，则把差值Δi赋值为：Δi＝Tframe+Si‑Sprev[length]；S332：在所有剩余可使用时隙延时计算完毕之后，选择其中最小的Δi作为在可使用的时隙中数据流增加的最小延时ΔMin；S333：计算在ΔMin时对应的时隙号；S334：将步骤S333的时隙号赋值给Sselected，并输出，结束；Sprev表示一组数据流之前的所有节点使用的时隙，Tframe表示TDMA时帧中的时隙数量，Tslot表示每个时隙的时间，Sprev[length]表示所申请时隙的数据流中该节点的前一个节点所使用的时隙，Sremain表示节点两跳范围内可以使用的空闲时隙，Sselected表示当前节点通过时隙选择算法选择的时隙，ΔMin表示在可使用的时隙中数据流增加的最小延时，SMin表示在ΔMin时对应的时隙号，Δi表示若选择Sremain中的Si时数据流增加的时延。