一种基于邻节点信息的自组网动态TDMA控制时隙分配方法

本发明属于自组网技术领域，具体涉及一种基于邻节点信息的自组网动态TDMA控制时隙分配方法。

自组网是一个无中心的网络，网络中的节点既是终端又是路由器。节点可以随时加入和离开网络。网络的MAC层负责控制节点接入网络的时间和方式。TDMA接入方式是无线自组网一种常用的接入方式。TDMA方式是时间划分为若干帧，每一帧划分为若干个时隙，每个节点占用一个或多个时隙完成初始网络接入和数据传输。

目前主流的TDMA接入方式，是节点预分配一个控制时隙完成初始网络接入，后续的数据传输，采用动态TDMA的方式进行信息时隙的预约和释放。这样带来的问题是，网络中的节点数量受限于每一帧中控制时隙的数量，当网络中的节点数量超过控制时隙的数量时，会导致节点接入网络失败。

本发明的目的在于提供一种基于邻节点信息的自组网动态TDMA控制时隙分配方法，用以解决现有控制时隙分配容易导致时隙冲突、传输效率低、网络容量受限的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于邻节点信息的自组网动态TDMA控制时隙分配方法，包括以下步骤：

步骤1：新节点开机完成同步后，接收在网邻居节点的时隙占用信息，并根据接收到的时隙占用信息建立本地的1跳和2跳邻居控制时隙占用表；

步骤2：若步骤1中的新节点为网络中的首个节点，则任意在N-1个时隙中选择一个，并记录该时隙；若步骤1中的新节点不是网络中的首个节点，则该新节点在建立本地的1跳和2跳邻居时隙占用表后，进行步骤3；

步骤3：若存在空闲的控制时隙，则进行步骤4；若没有空闲的控制时隙，则进行步骤5；

步骤4：申请选择空闲的控制时隙，即没有节点占用的控制时隙；

步骤5：在1跳邻居时隙占用表中申请选择周期最小的空闲时隙，申请扩大广播周期，时隙共享。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤4中，控制时隙的申请过程具体为：

步骤4-1：假设本节点的邻居节点广播周期均为1，且有空闲的控制时隙X，则在X时隙发送控制时隙申请帧，并接收邻居节点的时隙占用信息；

步骤4-2：邻居节点收到控制时隙申请帧后，如果X时隙在本地为Idle态，则判定可以申请；

步骤4-3：判定可以申请后，更新本地的时隙占用表，X时隙的占用节点更新为申请节点，随后在自己的控制时隙上广播时隙占用表；

步骤4-4：申请节点收齐邻居节点的时隙占用信息，且其中X时隙的占用节点都是本节点，则认为控制时隙申请成功，否则认定控制时隙申请失败。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤5的具体过程为：

步骤5-1：假设新节点为J，1跳邻居节点为K，新节点J在1跳邻居中随机选广播最小周期Pmin的1跳邻居节点K占用的控制时隙X申请使用，并在Pmin周期结束的一帧的预留时隙申请扩大广播周期，共享X时隙；

步骤5-2：共享节点收到扩周期请求后，更新自己的广播周期，其余邻居节点更新本地的时隙占用表；

步骤5-3：申请节点接收邻居节点的时隙占用信息，如果收到的时隙占用信息中X时隙的占用节点包含本节点，则认为接入成功。

进一步地，作为优选技术方案，还包括控制时隙申请冲突处理步骤：一旦控制时隙申请发生冲突，申请节点退避若干帧，更新时隙占用表后，重新进行控制时隙的选择和申请流程。

进一步地，作为优选技术方案，所述节点能够动态调整广播周期，当网络拓扑变化，且有短周期时隙可用时，能够迅速切换到短周期时隙。

进一步地，作为优选技术方案，还包括实时更新步骤：对每个节点本地的时隙占用表进行实时更新。

进一步地，作为优选技术方案，当广播周期不为1的节点在每次时隙占用表更新后，都检查与本节点共享时隙的节点是否存在，或是尝试去寻广播周期更小的控制时隙，如果共享时隙的节点已经不存在或是存在广播周期更小的控制时隙，则缩短广播周期或是在更小广播周期的控制时隙接入。

进一步地，作为优选技术方案，当节点关机、损坏或是移动导致控制时隙释放后，1跳邻居节点时隙占用表产生变化，并将该变化通过时隙占用信息的广播反馈到网络中的2跳邻居节点，2跳内的邻居节点根据实时更新的时隙占用表进行控制时隙的重新选择。

本发明相对于现有技术，具有如下有益效果：

(1)本发明不需要预先分配控制时隙，冲突概率低；节点开机后，收齐邻居节点的广播信息后，建立本地的控制时隙占用表，随机选择1个空闲时隙接入网络，避免了与网络中现存的两跳内节点的时隙冲突。

(2)本发明能够使网络无限扩展，不受控制时隙数量的限制，当2跳内节点超过控制时隙的数量时，通过控制时隙共享的方式，依然可以确保节点能够接入网络。

(3)本发明中，当节点关机、损坏或是移动导致控制时隙释放后，1跳邻居节点时隙占用表产生变化，并将该变化通过时隙占用信息的广播反馈到网络中的2跳邻居节点，2跳内的邻居节点根据实时更新的时隙占用表进行控制时隙的重新选择，即当网络中两跳内节点数量变少时，也能够迅速感知，缩短广播周期，提升传输效率。

图1为本发明的帧结构示意图；

图2为本发明的时隙占用表格式图。

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明涉及的帧结构为：每一帧划分为N+M个时隙，前N个时隙为控制是，后面M个时隙为信息时隙。控制时隙用于传输信令，信息时隙用于传输上层应用数据。网络中的每个节点占用一个控制时隙，在起始帧号后周期性地广播时隙占用信息。控制时隙中预留一个特殊时隙，当网络中没有可用的控制时隙时，在该时隙上发送控制时隙申请帧，请求时隙共享，扩大广播周期。控制时隙不预先分配，而是在节点开机入网的时候申请，并由其1跳邻居节点判决是否申请成功。

下面给出一种基于邻节点信息的自组网动态TDMA控制时隙分配方法的实现过程，具体包括以下步骤：

步骤1：新节点开机完成同步后，接收在网邻居节点的时隙占用信息，并根据接收到的时隙占用信息建立本地的1跳和2跳邻居控制时隙占用表；

步骤2：若步骤1中的新节点为网络中的首个节点，则任意在N-1个时隙中选择一个，并记录该时隙；若步骤1中的新节点不是网络中的首个节点，则该新节点在建立本地的1跳和2跳邻居时隙占用表后，进行步骤3；

步骤3：若存在空闲的控制时隙，则进行步骤4；若没有空闲的控制时隙，则进行步骤5；

步骤4：申请选择空闲的控制时隙，即没有节点占用的控制时隙；

步骤5：在1跳邻居时隙占用表中申请选择周期最小的空闲时隙，申请扩大广播周期，时隙共享。

本实施中，每个在网节点在本地都维护2个控制时隙占用表：1跳邻居节点时隙占用表以及2跳邻居节点时隙占用表，并周期性地在自己的控制时隙广播本节点以及1跳邻居节点的时隙占用表，每个节点本地的时隙占用表实时更新，时隙占用表包含：节点ID，广播周期，起始帧号，时隙占用表的格式如图2所示。

本实施例中，每个节点都周期性地广播本节点以及1跳邻居节点的时隙信息，应对不断变化的网络拓扑，同时每个节点本地维护两个时隙占用表：1跳邻居时隙占用表和2跳邻居时隙占用表。其中1跳邻居时隙占用表用于冲突判决和空闲时隙选择，2跳邻居时隙占用表用于空闲时隙选择。新开机节点，建立本地的时隙占用表后，发现由于邻节点众多，目前没有可用的控制时隙，可以选择1个1跳邻居发出控制时隙申请。申请将广播周期扩大，与1跳邻居节点实现共享控制时隙，增加网络容量。

本实施例的步骤4中，控制时隙的申请过程具体为：

步骤4-1：假设本节点的邻居节点广播周期均为1，且有空闲的控制时隙X，则在X时隙发送控制时隙申请帧，并接收邻居节点的时隙占用信息；

步骤4-2：邻居节点收到控制时隙申请帧后，如果X时隙在本地为Idle态，则判定可以申请；

步骤4-3：判定可以申请后，更新本地的时隙占用表，X时隙的占用节点更新为申请节点，随后在自己的控制时隙上广播时隙占用表；

步骤4-4：申请节点收齐邻居节点的时隙占用信息，且其中X时隙的占用节点都是本节点，则认为控制时隙申请成功，否则认定控制时隙申请失败。

本实施例的步骤5的具体过程为：

步骤5-1：假设新节点为J，1跳邻居节点为K，新节点J在1跳邻居中随机选广播最小周期Pmin的1跳邻居节点K占用的控制时隙X申请使用，并在Pmin周期结束的一帧的预留时隙申请扩大广播周期，共享X时隙；

步骤5-2：共享节点收到扩周期请求后，更新自己的广播周期，其余邻居节点更新本地的时隙占用表；

步骤5-3：申请节点接收邻居节点的时隙占用信息，如果收到的时隙占用信息中X时隙的占用节点包含本节点，则认为接入成功。

本实施例还包括控制时隙申请冲突处理步骤：一旦控制时隙申请发生冲突，申请节点退避若干帧，更新时隙占用表后，重新进行控制时隙的选择和申请流程。

本实施例的节点能够动态调整广播周期，当网络拓扑变化，且有短周期时隙可用时，能够迅速切换到短周期时隙。当节点密集分布，会导致广播周期变大，随之而来的问题是，网络的调度速度变慢，时延增加，为此，通过动态调整广播周期，能够提高网络的调度速度，降低延时。

本实施例还包括实时更新步骤：对每个节点本地的时隙占用表进行实时更新，具体如下：

当广播周期不为1的节点(这里通常指的是广播周期大于1的节点)在每次时隙占用表更新后，都检查与本节点共享时隙的节点是否存在，或是尝试去寻广播周期更小的控制时隙，如果共享时隙的节点已经不存在或是存在广播周期更小的控制时隙，则缩短广播周期或是在更小广播周期的控制时隙接入，从而能够提高传输效率。

本实施例中，当节点关机、损坏或是移动导致控制时隙释放后，1跳邻居节点时隙占用表产生变化，并将该变化通过时隙占用信息的广播反馈到网络中的2跳邻居节点，2跳内的邻居节点根据实时更新的时隙占用表进行控制时隙的重新选择。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。