本發明涉及通信技術領域，更進一步涉及一種時隙分配方法,可用于時分多址TDMA自組織網絡。

背景技術：

傳統的時隙分配方法是將一個幀中的若干個時隙分配給網絡中的某一個節點，該節點在這些時隙內發送數據，在其余時隙內接收數據。在長傳播時延無線鏈路條件下，例如衛星自組織網絡的星間鏈路，TDMA協議需要將一個時隙的保護間隔設置的足夠長，以保證某一節點在某一時隙發送數據不會影響到下一時隙某一節點發送數據，并且由于保護間隔時長增加使得時隙時長增加。當無線鏈路的傳播時延大于傳輸時延時，保護間隔時長將達到時隙時長的一半以上，這種情況下，網絡吞吐率和信道利用率均較低，且數據幀的排隊時延大，因而現有TDMA協議并不能滿足業務量需求較高的自組織網絡，同時由于時隙時長較長導致協議實時性較差。

目前，在衛星自組織網絡中，星間所采用的MAC協議大多是基于IEEE 802.11的CSMA/CA機制，這種機制下，同樣存在著網絡吞吐率和信道利用率較低的問題，并且接入信道的時間普遍較長，數據幀的排隊時延大。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提出了一種基于TDMA的長傳播時延無線鏈路時隙分配方法，以在傳播時延大于傳輸時延的無線鏈路條件下，提升網絡吞吐率和信道利用率，減小數據幀的排隊時延。

本發明的技術方案是對現有衛星自組織網絡的信道接入方式進行改進，采用無競爭的TDMA方式接入信道；針對星間鏈路傳播時延經常會大于傳輸時延這一特征，引入了對發機制，即在A節點向B節點發送數據的同時，B節點向A節點也發送數據，并將TDMA協議的每個時隙分配給網絡中的一對節點，提升網絡吞吐率和信道利用率；并通過加入基于系統幀結構的數據幀隊列調度機制，減小數據幀的排隊時延，其實現步驟包括如下：

(1)節點進行初始化：

(1a)將節點狀態置為非同步；

(1b)將建網失敗次數置為0；

(2)在m個超幀周期內，判斷節點是否接收到同步幀，若是，則執行步驟(3)，否則，執行步驟(4)，

(3)節點進行入網同步：

(3a)啟動超幀定時器，完成入網同步的粗同步；

(3b)發送入網請求幀請求入網，等待同步幀源節點的入網響應幀；

(3c)判斷是否收到入網響應幀，若是，則執行步驟(3d)，否則，執行步驟(3f)；

(3d)用開始接收入網響應幀的第一個bit的時間減去發送完入網請求幀最后一個bit的時間，得到與同步幀中的源節點地址的鏈路傳播時延，用原超幀起始時刻減去鏈路傳播時延，得到新的超幀起始時刻，完成精同步，并將節點狀態置為同步；

(3e)根據同步幀中的網絡節點數，鄰居信息自動生成超幀結構，執行步驟(5)；

(3f)隨機等待s個超幀周期，返回步驟(2)，其中

(4)節點以本地時鐘作為基準時鐘建立網絡：

(4a)在s個超幀周期內，判斷節點是否收到同步幀，若是，則返回步驟(3)，否則，執行步驟(4b)，其中

(4b)啟動超幀定時器，同步時隙開始，并在同步時隙的同步子時隙內發送同步幀；

(4c)判斷在同步時隙的入網請求子時隙是否收到入網請求幀，若是，則執行步驟(4d)，否則，執行步驟(4f)；

(4d)在同步時隙的入網響應子時隙發送入網響應幀；

(4e)根據入網請求幀的源節點地址自動生成超幀結構，同步時隙結束，執行步驟(5)；

(4f)建網失敗次數加1；

(4g)判斷建網失敗次數是否大于等于網絡中的最大節點數，若是，則執行步驟(4a)，否則，返回步驟(2)；

(5)節點進行數據的接收或發送：

(5a)業務時隙開始，判斷本節點的地址是否屬于該業務時隙的節點組，若是，則執行步驟(5b)，否則，執行步驟(5g)；

(5b)判斷與節點組中本節點外的另一個節點的鏈路傳播時延是否大于物理層傳輸時延與天線收發轉換時間的時間之和，若是，則執行步驟(5c)，否則，執行步驟(5e)；

(5c)采用對發機制，從數據幀隊列中調度出目的節點為節點組中本節點外的另一個節點的數據幀，并在業務時隙的發送子時隙發送；

(5d)在業務時隙的接收子時隙接收節點組中本節點外的另一個節點的數據幀，執行步驟(5h)；

(5e)根據復幀號的奇偶性和時隙號的奇偶性，判斷本節點是否為該業務時隙的主發送節點，若是，則執行步驟(5f)，否則，執行步驟(5g)；

(5f)從數據幀隊列中調度出隊頭的第一幀數據，并在業務時隙的發送子時隙發送，執行步驟(5h)；

(5g)在業務時隙接收信道上的數據幀；

(5h)當前業務時隙結束，判斷下一時隙是否為業務時隙，若是，則執行步驟(5a)，否則，執行步驟(6)；

(6)同步時隙開始，判斷當前同步時隙是否為本節點同步時隙，若是，則執行步驟(7)，否則，執行步驟(8)；

(7)節點廣播所在網絡的信息：

(7a)節點根據所在網絡的信息，構造出同步幀；

(7b)在同步時隙的同步子時隙內發送同步幀；

(7c)判斷在同步時隙的入網請求子時隙是否收到入網請求幀，若是，則執行步驟(7d)，否則，節點等待至同步時隙結束，返回步驟(5)；

(7d)在同步時隙的入網響應子時隙發送入網響應幀；

(7e)根據入網請求幀的源節點地址自動生成新的超幀結構，同步時隙結束，返回步驟(5)；

(8)節點更新所在網絡的信息：

(8a)節點在同步時隙的同步子時隙接收其他節點的同步幀；

(8b)用收到同步幀第一個bit時間減去原超幀起始時刻，得到與同步幀源節點的新的鏈路傳播時延；

(8c)根據同步幀中的網絡節點數和鄰居信息自動生成新的超幀結構；

(8d)判斷在當前同步時隙的入網響應子時隙是否收到入網響應幀，若是，則執行步驟(8e)，否則，節點等待至當前同步時隙結束，返回步驟(5)；

(8e)根據入網響應幀中的目的節點地址自動生成新的超幀結構，同步時隙結束，返回步驟(5)。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

第一，由于本發明采用TDMA技術接入信道，克服了現有技術中節點通過基于CSMA/CA的競爭方式接入信道導致的沖突碰撞問題，使得本發明中的所有節點都能在其被分配的時隙中無沖突的發送和接收數據，提高了接入信道的速度和效率。

第二，由于本發明引入了對發機制，并按照新的策略將TDMA協議的每個時隙分配給網絡中的節點，克服了現有技術中在傳播時延高于傳輸時延的無線鏈路條件下，CSMA/CA機制和傳統的TDMA機制網絡吞吐率，信道利用率較低的問題，使得在鏈路傳播時延大于傳輸時延的條件下，網絡中的任意一對節點都能在其被分配的時隙中同時向對方發送數據以及接受對方的數據，提高了網絡吞吐率與信道利用率。

第三，由于本發明引入了基于系統幀結構的數據幀隊列調度機制，克服了現有技術中節點在一個復幀只有一幀數據出隊發送，導致的隊列中的數據幀排隊時延較大的問題，使得本發明中的任意一個節點在一個復幀有多幀數據出隊發送，減小了數據幀的排隊時延。

附圖說明

圖1是本發明的實現流程圖；

圖2是本發明中的三種類型控制幀結構示意圖；

圖3是本發明中的同步時隙和業務時隙結構示意圖；

圖4是本發明中自動生成的超幀結構示意圖；

圖5是本發明中的對發機制示意圖；

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明作進一步的詳細描述。

本發明的使用場景為長傳播時延的無線自組織網絡，例如衛星自組織網絡，假設在太空中有4顆衛星，這4顆衛星即為衛星自組織網絡中的節點，每一個網絡節點按照本發明提出的時隙分配方法，將本地時間劃分為若干個超幀，將每一個超幀劃分為若干個復幀，將每一個復幀劃分為若干個不同功能的時隙，每一個網絡節點在超幀中實施本發明的實施步驟，以完成衛星自組織網絡的建立，實現各個節點間無沖突的高速通信，使網絡具有高吞吐量，高信道利用率的特點。

參照圖1，對本發明的實施步驟作進一步的詳細描述。

步驟1.節點進行初始化。

(1a)將節點狀態置為非同步；

(1b)將建網失敗次數置為0。

步驟2.在m個超幀周期內，判斷節點是否接收到同步幀，若是，則執行步驟3，否則，執行步驟4，

所述的同步幀，是指節點用來完成入網同步的粗同步、更新與網絡中其他節點的鏈路傳播時延的控制幀，其結構如圖2(a)所示，它包括第一訓練序列、源節點地址、網絡節點數、鄰居信息和校驗序列CRC，其中：

第一訓練序列，用于判斷接收到的控制幀是否為同步幀；

源節點地址，用于記錄發送同步幀的節點地址；

網絡節點數，用于記錄發送同步幀的節點所在網絡的節點數目；

鄰居信息，用于記錄發送同步幀的節點所在網絡中各個節點的地址；

校驗序列CRC，用于數據幀的糾錯。

步驟3.節點進行入網同步。

(3a)啟動超幀定時器，完成入網同步的粗同步；

(3b)發送入網請求幀請求入網，等待同步幀源節點的入網響應幀；

入網請求幀是指：節點發起入網請求，完成入網同步的精同步時，向同步幀源節點發送的控制幀，其結構如圖2(b)所述，它包括第二訓練序列、目的節點地址、源節點地址、類型域和校驗序列CRC，其中，第二訓練序列，用于判斷接收到的控制幀是否為入網請求幀或入網響應幀；目的節點地址，用于記錄入網請求幀或入網響應幀的目的節點地址；類型域，用于區分入網請求幀和入網響應幀。

入網響應幀是指：節點響應入網請求，完成入網同步的精同步時，向入網請求幀源節點發送的控制幀，其結構如圖2(c)所述，它包括第二訓練序列、目的節點地址、源節點地址、類型域和校驗序列CRC。

(3c)判斷是否收到入網響應幀，若是，則執行步驟(3d)，否則，執行步驟(3f)。

(3d)用開始接收入網響應幀的第一個bit的時間減去發送完入網請求幀最后一個bit的時間，得到與同步幀中的源節點地址的鏈路傳播時延，用原超幀起始時刻減去鏈路傳播時延，得到新的超幀起始時刻，完成精同步，并將節點狀態置為同步；

(3e)根據同步幀中的網絡節點數、鄰居信息和精同步后新的超幀起始時刻自動生成超幀結構：

(3e1)節點將一個超幀劃分為x個復幀，其中x為網絡中的最大節點數；

(3e2)將一個復幀劃分為一個同步時隙BSn和(x-1)階加個業務時隙，n為復幀號；

(3e3)將每一個同步時隙劃分為一個同步子時隙、一個入網請求子時隙和一個入網響應子時隙，如圖3(a)所示，其中，同步子時隙用于發送或接收同步幀，入網請求子時隙用于發送或接收入網請求幀，入網響應子時隙用于發送或接收入網響應幀；

(3e4)將每一個業務時隙劃分為一個發送子時隙和一個接收子時隙，如圖3(b)所示，其中，發送子時隙用于發送數據幀，接收子時隙用于接收采用對發機制發送的數據幀；

(3e5)將同步時隙BSn分配給節點地址為n的節點，將業務時隙依次分配給網絡中每一條鏈路對應的一對節點，在這一對節點中，將節點地址相比較小的節點作為該業務時隙主節點，將節點地址較大的節點作為該業務時隙副節點；再按先給節點地址較小的節點的所有鏈路分配業務時隙，后給節點地址較大的節點的所有鏈路分配業務時隙的順序為每一條鏈路分配業務時隙；若所有鏈路分配完后還有空閑的業務時隙，則按照前述規則再分配一次，直至所有時隙均已分配，自動生成的超幀結構如圖4所示，執行步驟5；

(3f)隨機等待s個超幀周期，返回步驟2，其中

步驟4.節點以本地時鐘作為基準時鐘建立網絡。

(4a)在s個超幀周期內，判斷節點是否收到同步幀，若是，則返回步驟3，否則，執行步驟(4b)，其中

(4b)啟動超幀定時器，同步時隙開始，并在同步時隙的同步子時隙內發送同步幀；

(4c)判斷在同步時隙的入網請求子時隙是否收到入網請求幀，若是，則執行步驟(4d)，否則，執行步驟(4e)；

(4d)在同步時隙的入網響應子時隙發送入網響應幀，并根據入網請求幀的源節點地址自動生成超幀結構，同步時隙結束，執行步驟5；

(4e)建網失敗次數加1；

(4f)判斷建網失敗次數是否大于等于網絡中的最大節點數，若是，則返回步驟(4a)，否則，返回步驟2。

步驟5.節點進行數據的接收或發送。

(5a)業務時隙開始，判斷本節點的地址是否屬于該業務時隙的節點組，若是，則執行步驟(5b)，否則，執行步驟(5g)；

(5b)判斷與節點組中本節點外的另一個節點的鏈路傳播時延是否大于物理層傳輸時延與天線收發轉換時間的時間之和，若是，則執行步驟(5c)，否則，執行步驟(5e)；

(5c)采用對發機制，從數據幀隊列中調度出目的節點為節點組中本節點外的另一個節點的數據幀，并在業務時隙的發送子時隙發送；

所述對發機制，如圖5所示，其指：網絡中任意的兩個節點在同一時刻向對方發送一幀數據，并在同一時刻接收對方的數據，由于鏈路傳播時延大于物理層傳輸時延與天線收發轉換時間之和，故這兩個節點在發送數據與接收數據之間其自身不會產生沖突；

(5d)在業務時隙的接收子時隙接收節點組中本節點外的另一個節點的數據幀，執行步驟(5h)；

(5e)根據復幀號的奇偶性和時隙號的奇偶性，判斷本節點是否為該業務時隙的主發送節點，若是，則執行步驟(5f)，否則，執行步驟(5g)；

(5f)從數據幀隊列中調度出隊頭的第一幀數據，并在業務時隙的發送子時隙發送，執行步驟(5h)；

(5g)在業務時隙接收信道上的數據幀；

(5h)當前業務時隙結束，判斷下一時隙是否為業務時隙，若是，則執行步驟(5a)，否則，執行步驟6。

步驟6.同步時隙開始，判斷當前同步時隙是否為本節點同步時隙，若是，則執行步驟7，否則，執行步驟8。

步驟7.節點廣播所在網絡的信息。

(7a)節點根據所在網絡的信息，構造出同步幀；

(7b)在同步時隙的同步子時隙內發送同步幀；

(7c)判斷在同步時隙的入網請求子時隙是否收到入網請求幀，若是，則執行步驟(7d)，否則，節點等待至同步時隙結束，返回步驟5；

(7d)在同步時隙的入網響應子時隙發送入網響應幀，并根據入網請求幀的源節點地址自動生成新的超幀結構，同步時隙結束，返回步驟5。

步驟8.節點更新所在網絡的信息。

(8a)節點在同步時隙的同步子時隙接收其他節點的同步幀；

(8b)用收到同步幀第一個bit時間減去原超幀起始時刻，得到與同步幀源節點的新的鏈路傳播時延，并根據同步幀中的網絡節點數和鄰居信息自動生成新的超幀結構；

(8c)判斷在當前同步時隙的入網響應子時隙是否收到入網響應幀，若是，則執行步驟(8d)，否則，節點等待至當前同步時隙結束，返回步驟5；

(8d)根據入網響應幀中的目的節點地址自動生成新的超幀結構，同步時隙結束，返回步驟5。

以上描述僅是本發明的一個具體實例，不構成對本發明的任何限制，顯然對于本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和原理后，都可能在不背離本發明原理、結構的情況下，進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些基于本發明思想的修正和改變仍在本發明的權利要求保護范圍之內。