本發(fā)明涉及無線通信領域，特別是涉及一種單發(fā)多收空口資源分配方法。

背景技術：

無線自組織網絡相比較傳統(tǒng)的無線通信網絡，具有可快速組網、對基礎設施要求低和抗毀滅性強的特征，被廣泛應用于軍事通信、救援抗災、智能交通等領域。

類似與TCP/IP協(xié)議棧的OSI模型，無線自組織網絡的底層協(xié)議棧也可以分為物理層(PHY)、介質訪問控制層(MAC)和網絡層(NET)，其中網絡層負責節(jié)點的路由維護及報文轉發(fā)，物理層實現(xiàn)空口數(shù)據(jù)的收發(fā)。MAC層負責空口資源的分配，包括信道資源及時隙資源。MAC層的協(xié)議會直接影響著網絡的時延、吞吐量、信道利用率等性能指標，因此設計高效可靠的MAC協(xié)議對網絡的整體性能至關重要。

目前MAC層協(xié)議主要有以下幾種分類方式：

1)基于系統(tǒng)能同時使用的邏輯信道數(shù)量，分為單信道和多信道協(xié)議。

2)基于通信節(jié)點采用的收發(fā)通道數(shù)量，分為單通道(只有一個收發(fā)通道)或多通道協(xié)議(擁有多個收發(fā)通道)。

3)基于調度方式，分為集中式和分布式調度方式。

4)基于信道接入方式，分為隨即競爭、固定分配和混合方式。

現(xiàn)有的無線通信節(jié)點大多受限于天線數(shù)量、發(fā)送能力和成本，采用基于單通道模式，網絡容量有限。隨著智能天線技術的發(fā)展，多發(fā)多收的多通道方式對提高網絡容量，改善通信質量有巨大的提升。節(jié)點對資源的調度上，分布式調度相對于集中式調度，適合節(jié)點規(guī)模更大，節(jié)點間通信更加靈活的場景。在信道接入方式上，競爭機制采用傳統(tǒng)的載波監(jiān)聽方式，數(shù)據(jù)分組容易產生較大的碰撞沖突，節(jié)點公平性考慮不足，大量的空閑偵聽和重傳機制導致節(jié)點功耗增加，通信效率降低。基于分配的方式考慮到資源使用的公平性，減少了不必要的偵聽和沖突，但是資源分配復雜，并且網絡同步維護困難。

現(xiàn)有一些基于CSMA的分布式多信道MAC層資源分配協(xié)議，如McMAC、MMAC等。這些協(xié)議信道分配方式分別采用了并行跳頻、分階段跳頻的方式，而信道訪問方式均采用CSMA機制。

McMAC協(xié)議實現(xiàn)方式是：將時間劃分成小段和大段，小段用于檢測信道空閑，大段負責數(shù)據(jù)傳輸，大段的邊界進行跳頻。所有的節(jié)點根據(jù)自身的物理地址和本地時鐘，使用相同的隨機數(shù)產生器來計算下一個跳頻的頻點。如果節(jié)點知道周圍節(jié)點的物理地址和時鐘，就可以得出其下一次跳頻的頻點。當使用頻點一致時，可以進行數(shù)據(jù)的競爭傳輸。可見，McMAC協(xié)議采用并行跳頻方式，確定數(shù)據(jù)信道的頻率，但是其需要隨時知道周圍鄰居節(jié)點的物理地址和時鐘，必須不斷的進行廣播消息的收發(fā)。過多的廣播消息要占用較多的空口資源，且網絡環(huán)境復雜時，節(jié)點很難準確獲取鄰居節(jié)點的狀態(tài)。

MMAC協(xié)議實現(xiàn)方式是：使用專用控制信道協(xié)商確定數(shù)據(jù)信道的頻點。發(fā)送源節(jié)點先向目標節(jié)點發(fā)送ATIM數(shù)據(jù)包，目標節(jié)點收到之后根據(jù)自身信道使用情況，回應ATIM-ACK消息，最后源端節(jié)點發(fā)送ATIM-RES給目的節(jié)點。MMAC協(xié)議有一個PCL(Preferable Channel List，最優(yōu)信道列表)，每一個節(jié)點的PCL都記錄了鄰居范圍內信道的使用情況，并且把信道分為三個狀態(tài)：高優(yōu)先級、中優(yōu)先級和低優(yōu)先級。在協(xié)商的過程中所有的鄰居節(jié)點都可以接收到協(xié)商消息，并根據(jù)這些消息更新本地的PCL。之后源端節(jié)點和目的節(jié)點根據(jù)自身的PCL使用業(yè)務負載小的數(shù)據(jù)信道進行數(shù)據(jù)的競爭發(fā)送。可見，MMAC協(xié)議采用專用控制信道進行協(xié)商，協(xié)商更新PCL，通過選擇業(yè)務量小的信道，來平衡信道負載，減小競爭和退避所帶來的帶寬資源浪費。但是不可避免的是，它在數(shù)據(jù)傳輸中仍然使用CSMA的接入方式，數(shù)據(jù)信息存在沖突和碰撞，導致網絡吞吐量降低。

現(xiàn)有技術中還有基于TDMA的MAC層資源分配協(xié)議，如TMMAC協(xié)議。TMMAC協(xié)議與MMAC協(xié)議類似，同樣采用分階段跳頻的方式，它為了解決數(shù)據(jù)信道上信息競爭碰撞的問題，采用TDMA的信道訪問方式。將數(shù)據(jù)信道上的時間劃分成一個個的時隙。節(jié)點間數(shù)據(jù)通信之前，需要協(xié)商好發(fā)送使用的頻點和時隙，以此來規(guī)避業(yè)務數(shù)據(jù)信息的碰撞。TMMAC協(xié)議將一個節(jié)點的可用信道和可用時隙設置為一個比特矢量，此時PCL中維護的不再是可用信道，而是比特矢量。節(jié)點間通過在控制信道上交互比特矢量信息確定最優(yōu)的通信具體頻點和時隙?？梢?，TMMAC協(xié)議對數(shù)據(jù)信道使用TDMA方式進行劃分，在業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸中實現(xiàn)無沖突傳輸。但是如果網絡環(huán)境復雜，節(jié)點數(shù)目較多時，很容易導致控制信息的沖突，如果控制信道受到干擾，將會影響到整個網絡性能。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種能夠解決現(xiàn)有技術中存在的缺陷的單發(fā)多收空口資源分配方法。

技術方案：本發(fā)明所述的單發(fā)多收空口資源分配方法，包括控制信道分配過程和數(shù)據(jù)信道分配過程，其中：

控制信道分配過程：將控制信道在時域上劃分成預留時隙和競爭時隙，在某一時刻，如果節(jié)點需要使用控制信道，如果發(fā)現(xiàn)有本節(jié)點可用的預留時隙，則直接使用此預留時隙；如果發(fā)現(xiàn)無本節(jié)點可用的預留時隙，則與其他節(jié)點競爭使用競爭時隙；

數(shù)據(jù)信道分配過程：使用控制信道協(xié)商出可以使用的數(shù)據(jù)信道。

進一步，所述控制信道分配過程中，本節(jié)點與其他節(jié)點競爭使用競爭時隙的方法為：本節(jié)點按照爭用概率爭用可用的競爭時隙：如果爭用成功，則使用此競爭時隙；否則，則更新爭用概率，并選擇下一個可用的競爭時隙進行爭用。

進一步，所述爭用概率通過業(yè)務優(yōu)先級、系統(tǒng)支持的節(jié)點數(shù)以及本節(jié)點的鄰居節(jié)點數(shù)確定。

進一步，如果爭用不成功，則將爭用概率降低一半，并選擇下一個可用的競爭時隙進行爭用。

進一步，所述控制信道分配過程中，本節(jié)點與其他節(jié)點競爭使用競爭時隙的方法包括以下步驟：

S1.1：本節(jié)點選擇一個倒計時窗，在倒計時窗中隨機選擇一個值作為倒計時數(shù)，倒計時數(shù)為倒計時過程中本節(jié)點可跳過時隙的最大數(shù)量；

S2.1：本節(jié)點根據(jù)倒計時數(shù)逐一跳過競爭時隙，如果跳過過程中發(fā)現(xiàn)本節(jié)點可用的預留時隙，則停止倒計時，直接使用此預留時隙；如果本節(jié)點根據(jù)倒計時數(shù)跳過所有可跳過時隙后仍未發(fā)現(xiàn)可用的預留時隙，則使用當前可用的競爭時隙進行協(xié)商，如果協(xié)商失敗，則調整倒計時窗的大小，然后重新協(xié)商，直到協(xié)商成功為止。

進一步，所述步驟S2.1中，調整倒計時窗的大小為將倒計時窗擴大一倍。

進一步，所述預留時隙通過將可用的固定時隙分配給相應節(jié)點得到，可用的固定時隙通過式(1)分配給相應節(jié)點：

F(x,y)＝(x+y)％K (1)

式(1)中，F(xiàn)(x,y)為固定時隙分配給的節(jié)點的編號，x為固定時隙編號，y為固定時隙映射周期或者0，固定時隙映射周期為x整除以K得到的值，K為節(jié)點總數(shù)。

進一步，所述數(shù)據(jù)信道分配過程包括以下步驟：

S1.2：發(fā)送節(jié)點通過控制信道分配過程選擇控制信道及相應時隙后，將發(fā)送節(jié)點的發(fā)送通道切換到所選的控制信道上，并在相應的時隙上發(fā)送RTS信息；所述RTS信息至少攜帶發(fā)送節(jié)點標識、接收節(jié)點標識、請求發(fā)送的數(shù)據(jù)長度和選擇的數(shù)據(jù)信道信息；

S2.2：接收節(jié)點如果接收到RTS信息，則將接收節(jié)點的發(fā)送通道切換到發(fā)送節(jié)點所選的控制信道上，然后向發(fā)送節(jié)點發(fā)送CTS信息；所述CTS信息至少攜帶發(fā)送節(jié)點標識、接收節(jié)點標識、允許發(fā)送的數(shù)據(jù)長度和確認后的數(shù)據(jù)信道信息；

S3.2：接收節(jié)點將它的發(fā)送通道和一個接收通道切換到選定的數(shù)據(jù)信道上；

S4.2：發(fā)送節(jié)點接收到CTS信息后，將它的發(fā)送通道和一個接收通道切換到選定的數(shù)據(jù)信道上進行數(shù)據(jù)傳輸；如果發(fā)送節(jié)點未成功接收到CTS信息，則更換控制信道和時隙，然后返回步驟S1.2；

S5.2：接收節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，在選定的數(shù)據(jù)信道上向發(fā)送節(jié)點發(fā)送ACK信息；所述ACK信息至少攜帶數(shù)據(jù)是否正確、接收的應答以及本次傳輸?shù)男诺蕾|量信息；

S6.2：發(fā)送節(jié)點接收到ACK信息后，如果發(fā)現(xiàn)本次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被正確接收，則本次傳輸完成；否則，重新選擇數(shù)據(jù)信道，并返回步驟S1.2。

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

(1)本發(fā)明使用多通道方式實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)的并行傳輸，有效提高了網絡容量；

(2)本發(fā)明采用多信道頻分復用技術，有效降低了鄰居節(jié)點的相互干擾，提高了無線傳輸效率；

(3)本發(fā)明采用TDMA混合信道接入方式，有效降低了數(shù)據(jù)分組的碰撞概率，實現(xiàn)了分組的高效傳輸。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式的8個節(jié)點的拓撲模型；

圖2為本發(fā)明具體實施方式的8個節(jié)點的時域隔離方案控制信道分配圖；

圖3為本發(fā)明具體實施方式的8個節(jié)點的時域交疊方案控制信道分配圖；

圖4為本發(fā)明具體實施方式的一個最終系統(tǒng)中節(jié)點對時頻資源的占用情況；

圖5為本發(fā)明具體實施方式的另一個最終系統(tǒng)中節(jié)點對時頻資源的占用情況。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明的技術方案作進一步的介紹。

本具體實施方式公開了一種單發(fā)多收空口資源分配方法，包括控制信道分配過程和數(shù)據(jù)信道分配過程，其中：

控制信道分配過程：將控制信道在時域上劃分成預留時隙和競爭時隙，預留時隙長度和競爭時隙長度均滿足能夠完成至少一次完整的數(shù)據(jù)信道分配協(xié)商過程；在某一時刻，如果節(jié)點需要使用控制信道，如果發(fā)現(xiàn)有本節(jié)點可用的預留時隙，則直接使用此預留時隙；如果發(fā)現(xiàn)無本節(jié)點可用的預留時隙，則與其他節(jié)點競爭使用競爭時隙；

數(shù)據(jù)信道分配過程：使用控制信道協(xié)商出可以使用的數(shù)據(jù)信道。

控制信道分配過程中，本節(jié)點與其他節(jié)點競爭使用競爭時隙的方法有兩種，第一種是基于概率的競爭方法，第二種是基于倒計時窗的競爭方法。

基于概率的競爭方法為：本節(jié)點按照爭用概率爭用可用的競爭時隙：如果爭用成功，則使用此競爭時隙；否則，則將爭用概率降低一半，并選擇下一個可用的競爭時隙進行爭用。爭用概率通過業(yè)務優(yōu)先級、系統(tǒng)支持的節(jié)點數(shù)以及本節(jié)點的鄰居節(jié)點數(shù)確定。爭用概率的變化范圍在Pmin和Pmax之間，Pmin和Pmax由配置決定，當Pmin＝Pmax時表征等概率。節(jié)點初始概率為Pmax。

基于倒計時窗的競爭方法包括以下步驟：

S1.1：本節(jié)點選擇一個倒計時窗，在倒計時窗中隨機選擇一個值作為倒計時數(shù)，倒計時數(shù)為倒計時過程中本節(jié)點可跳過時隙的最大數(shù)量；

S2.1：本節(jié)點根據(jù)倒計時數(shù)逐一跳過競爭時隙，如果跳過過程中發(fā)現(xiàn)本節(jié)點可用的預留時隙，則停止倒計時，直接使用此預留時隙；如果本節(jié)點根據(jù)倒計時數(shù)跳過所有可跳過時隙后仍未發(fā)現(xiàn)可用的預留時隙，則使用當前可用的競爭時隙進行協(xié)商，如果協(xié)商失敗，則將倒計時窗擴大一倍，然后重新協(xié)商，直到協(xié)商成功為止。倒計時窗的變化范圍在CWmin和CWMax之間，當一次成功協(xié)商后，倒計時窗恢復成CWin；CWmin和CWMax的取值由配置產生，當CWmin＝CWmax時表示倒計數(shù)窗不發(fā)生變化。倒計時窗的初值為CWmin。

其中，預留時隙通過將可用的固定時隙分配給相應節(jié)點得到，可用的固定時隙通過式(1)分配給相應節(jié)點：

F(x,y)＝(x+y)％K (1)

式(1)中，F(xiàn)(x,y)為固定時隙分配給的節(jié)點的編號，x為固定時隙編號，y為固定時隙映射周期或者0，固定時隙映射周期為x整除以K得到的值，K為節(jié)點總數(shù)。

數(shù)據(jù)信道分配過程包括以下步驟：

S1.2：發(fā)送節(jié)點通過控制信道分配過程選擇控制信道及相應時隙后，將發(fā)送節(jié)點的發(fā)送通道切換到所選的控制信道上，并在相應的時隙上發(fā)送RTS信息；所述RTS信息至少攜帶發(fā)送節(jié)點標識、接收節(jié)點標識、請求發(fā)送的數(shù)據(jù)長度和選擇的數(shù)據(jù)信道信息；

S2.2：接收節(jié)點如果接收到RTS信息，則將接收節(jié)點的發(fā)送通道切換到發(fā)送節(jié)點所選的控制信道上，然后向發(fā)送節(jié)點發(fā)送CTS信息；所述CTS信息至少攜帶發(fā)送節(jié)點標識、接收節(jié)點標識、允許發(fā)送的數(shù)據(jù)長度和確認后的數(shù)據(jù)信道信息；

S3.2：接收節(jié)點將它的發(fā)送通道和一個接收通道切換到選定的數(shù)據(jù)信道上；

S4.2：發(fā)送節(jié)點接收到CTS信息后，將它的發(fā)送通道和一個接收通道切換到選定的數(shù)據(jù)信道上進行數(shù)據(jù)傳輸；如果發(fā)送節(jié)點未成功接收到CTS信息，則更換控制信道和時隙，然后返回步驟S1.2；

S5.2：接收節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，在選定的數(shù)據(jù)信道上向發(fā)送節(jié)點發(fā)送ACK信息；所述ACK信息至少攜帶數(shù)據(jù)是否正確、接收的應答以及本次傳輸?shù)男诺蕾|量信息；

S6.2：發(fā)送節(jié)點接收到ACK信息后，如果發(fā)現(xiàn)本次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被正確接收，則本次傳輸完成；否則，重新選擇數(shù)據(jù)信道，并返回步驟S1.2。

本具體實施方式中有一個默認假設，即控制信道數(shù)量小于等于數(shù)據(jù)信道數(shù)，且控制信道數(shù)小于等于接收通道數(shù)。當控制信道數(shù)大于系統(tǒng)節(jié)點數(shù)的二分之一時，多個控制信道的優(yōu)勢體現(xiàn)不明顯。由此，系統(tǒng)的信道數(shù)、通道數(shù)及節(jié)點數(shù)之間應該滿足如下規(guī)則：

1)控制信道數(shù)W滿足式(2)：

W＝MIN(Roundown(M/2),Roundown(K/2)) (2)

式(2)中，M為信道總數(shù)，N為接收通道總數(shù)；

2)所需的接收通道總數(shù)N’滿足式(3)：

N’＝MIN((N-1),W)+1 (3)

3)數(shù)據(jù)信道數(shù)為(M–W)

由上述約束可知，當可用信道數(shù)少于2*(N-1)或者系統(tǒng)中的節(jié)點數(shù)少于2*(N-1)時，N’<N，即所需的接收通道數(shù)小于實際提供的接收通道數(shù)，此時只要關閉N-N’個接收通道，則原則上本具體實施方式前面描述的方案可以不加修改完全適用。

圖1中節(jié)點總數(shù)K為8，接收通道總數(shù)N為4，信道總數(shù)M為6?？刂菩诺李A留時隙的具體分配方案可采用時域隔離方案，如圖2所示。數(shù)據(jù)信道數(shù)量＝M-N+1＝3，分別用FD1-FD3表示。選擇接收通道Rx1-Rx3用于接收控制信道FC1-FC3。接收通道Rx4基于協(xié)商結果在數(shù)據(jù)信道FD1-FD3之間進行切換。

假設在t0時隙邊界，節(jié)點1有數(shù)據(jù)想發(fā)往節(jié)點0，則控制信道分配過程為：節(jié)點1根據(jù)圖2查詢到t0時隙控制信道FC2為自身預留時隙。數(shù)據(jù)信道分配過程包括以下步驟：

S1.21：，則節(jié)點1將發(fā)送通道Tx切換到控制信道FC2，然后向節(jié)點0發(fā)送RTS信息；RTS信息至少攜帶節(jié)點1的標識、節(jié)點0的標識、選擇的數(shù)據(jù)信道號FD1和占用的時長10ms；

S2.21：節(jié)點0如果接收到RTS信息，則將節(jié)點0的發(fā)送通道Tx切換到控制信道FC2上，然后向節(jié)點1發(fā)送CTS信息；CTS信息至少攜帶節(jié)點1的標識、節(jié)點0的標識、確認的數(shù)據(jù)信道號FD1和占用的時長10ms；

S3.21：節(jié)點0將它的發(fā)送通道Tx和接收通道Rx4切換到數(shù)據(jù)信道FD1上；

S4.21：節(jié)點1接收到CTS信息后，將它的發(fā)送通道Rx4和接收通道Tx切換到數(shù)據(jù)信道FD1上進行數(shù)據(jù)傳輸；如果節(jié)點1未成功接收到CTS信息，則更換控制信道和時隙，然后返回步驟S1.21；

S5.21：節(jié)點0接收到數(shù)據(jù)后，在數(shù)據(jù)信道FD1上向節(jié)點1發(fā)送ACK信息，否則發(fā)送NACK信息；ACK信息至少攜帶數(shù)據(jù)是否正確、接收的應答以及本次傳輸?shù)男诺蕾|量信息；

S6.21：節(jié)點1接收到ACK信息后，如果發(fā)現(xiàn)本次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被正確接收，則本次傳輸完成；節(jié)點1接收到NACK信息后，重新選擇數(shù)據(jù)信道，并返回步驟S1.21。

假設在t1時隙邊界，節(jié)點1有數(shù)據(jù)想發(fā)往節(jié)點0，則控制信道分配過程為：如果配置為概率模式，則節(jié)點1按照自身的發(fā)送概率，分別在t1時隙的FC1/FC2/FC3進行發(fā)送嘗試，如果節(jié)點1的發(fā)送概率大于發(fā)送門限，則競爭時隙成功，否則進入下一個資源進行競爭；如果配置為倒計時窗模式，則節(jié)點1隨機產生一個倒計數(shù)，假設為2，則節(jié)點1選擇了t1時隙的FC2進行發(fā)送；如果倒計數(shù)為4，則節(jié)點1選擇t3時隙的FC1進行發(fā)送；如果倒計數(shù)為7，則節(jié)點1使用t4時刻預留給自己的控制信道資源進行發(fā)送。數(shù)據(jù)信道分配過程同之前的描述，此處不再贅述。

此外，控制信道預留時隙的具體分配方案還可采用時域隔離方案，如圖3所示。

假設在t0時隙邊界，節(jié)點1有數(shù)據(jù)想發(fā)往節(jié)點0。因為在t0時刻存在分配給節(jié)點1的預留時隙，因此節(jié)點1可以直接使用t0/FC3資源。

假設在t1時隙邊界，節(jié)點1有數(shù)據(jù)想發(fā)往節(jié)點0。因為t1時隙到t4時隙都沒有節(jié)點1的預留時隙，因此節(jié)點1需要進行時隙爭用，爭用次序為：t1/FC1、t1/FC3、t2/FC2、t3/FC1、t3/FC3、t4/FC2；其他處理過程與時域隔離方案相同。

圖4和圖5給出了兩個最終系統(tǒng)中節(jié)點對時頻資源的占用情況，其中y的取值都按照固定時隙映射周期算。圖中控制時隙中的a->b表示節(jié)點a向節(jié)點b發(fā)起資源協(xié)商，數(shù)據(jù)時隙中的a->b表示節(jié)點a向節(jié)點b發(fā)送數(shù)據(jù)以及節(jié)點b向節(jié)點a的應答。