本發(fā)明涉及無線通信領域，特別是涉及一種無線信道資源分配方法。

背景技術：

無線自組織網(wǎng)絡相比較傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡，具有可快速組網(wǎng)、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。

類似于tcp/ip協(xié)議棧的osi模型，無線自組織網(wǎng)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(wǎng)絡層(net)，其中mac層負責接入控制及無線資源分配。mac層的協(xié)議會直接影響著網(wǎng)絡的時延、吞吐量、信道利用率等性能指標，因此選擇合適的無線信道資源分配方法對網(wǎng)絡的整體性能至關重要。

無線通信網(wǎng)絡的介質訪問控制(mac)協(xié)議主要解決節(jié)點的接入控制和無線資源分配兩個問題，在接入控制上，主流技術大多采用csma/ca的競爭機制；在信道分配上，對于多信道無線通信網(wǎng)絡，要為不同的通信節(jié)點分配合適的信道資源及決定占用信道資源的時間長度。

當前無線信道分配方法多集中在如何為不同通信節(jié)點分配信道資源即選擇合適的信道上，而對于通信節(jié)點的時域資源如何分配上即占用信道資源的時間長度少有涉及。

現(xiàn)有技術中存在一種預約時隙分配的方法，基于預先劃分好的時隙結構，當無線通信網(wǎng)絡內通信節(jié)點數(shù)變化或需求變更時采用，其他節(jié)點即接收方收到預約時隙請求后，判斷本節(jié)點是否占有預約時隙，如果沒有占用，則不作任何處理返回，否則應按照預定算法，計算本節(jié)點是否應放棄占有的預約時隙；如果計算結果是應放棄預約時隙，則向請求方回復預約請求，放棄預約時隙，請求方收到回復預約請求后，確認預約成功，完成預約時隙的轉讓；在網(wǎng)內同時存在多個預約請求的情況下，網(wǎng)絡內節(jié)點會根據(jù)時隙編號的先后順序依次處理。此種分配方式仍需基于預先劃分好的時隙結構，因此網(wǎng)絡中各無線通信節(jié)點需要進行時間同步才能正確的使用所預約的時隙，不適用于無需時間同步的無線通信網(wǎng)絡。同時源通信節(jié)點的非目標通信節(jié)點的鄰居節(jié)點收到預約時隙請求都需要向源通信節(jié)點回復消息，增加了協(xié)商信道上的開銷。

現(xiàn)有技術中還存在一種傳統(tǒng)csma/ca方案，將協(xié)商信道與數(shù)據(jù)信道分開，即假設可用信道有n個，則協(xié)商信道選用其中的一個，其余n-1個用作數(shù)據(jù)信道。傳統(tǒng)csma/ca機制中源通信節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前，先在協(xié)商信道上發(fā)送rts請求無線資源，其中攜帶選用的數(shù)據(jù)信道及請求占用的時間長度；目標通信節(jié)點在接收到rts幀后，為源通信節(jié)點在申請的數(shù)據(jù)信道上分配其申請長度的時隙資源，簡單來說就是申請多長分配多長。此方案中，無線通信節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送需求是動態(tài)變化的，從源通信節(jié)點申請資源開始到目標通信節(jié)點回復確認消息，源節(jié)點可能又產(chǎn)生了新的數(shù)據(jù)發(fā)送需求，此種方式下就需要對新的數(shù)據(jù)發(fā)送需求進行多次申請資源，增加了協(xié)商次數(shù)，對于整個網(wǎng)絡來說加重了協(xié)商信道的負載，同時也增加了協(xié)商信道上發(fā)生沖突的概率，對于單個通信節(jié)點來說不利于通信節(jié)點的省電，同時新的數(shù)據(jù)需求也沒有得到及時滿足即增大了通信時延。

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無線信道資源分配方法。

技術方案：本發(fā)明所述的無線信道資源分配方法，包括以下步驟：

s1：確定最大符號數(shù)；

s2：發(fā)送數(shù)據(jù)前，源節(jié)點選擇數(shù)據(jù)信道，在競爭得到的協(xié)商信道上發(fā)送rts幀給目標節(jié)點，rts幀中攜帶源節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號數(shù)、源節(jié)點所能占用信道資源的最大符號數(shù)以及源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道；

s3：目標節(jié)點以外的其他節(jié)點收到rts幀后，分別維護nav1和nav2的信息：nav1信息中，將rts幀中攜帶的源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道置為已占用狀態(tài)，占用時間段為本節(jié)點收到rts幀時刻起到源節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸結束；nav2信息中，將rts幀中攜帶的源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道置為已占用狀態(tài)，占用時間段為本節(jié)點收到rts幀時刻起到源節(jié)點最大符號長度數(shù)據(jù)傳輸結束；

s4：目標節(jié)點收到rts幀后，如果發(fā)現(xiàn)源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道的時間段與目標節(jié)點自身維護的nav1信息沒有沖突，則目標節(jié)點發(fā)送cts幀給源節(jié)點，cts幀中攜帶源節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號數(shù)、源節(jié)點所能占用信道資源的最大符號數(shù)以及源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道；

s5：源節(jié)點以外的其他節(jié)點收到cts幀后，分別維護nav1和nav2的信息：nav1信息中，將cts幀中攜帶的源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道置為已占用狀態(tài)，占用時間段為本節(jié)點收到cts幀時刻起到源節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸結束；nav2信息中，將cts幀中攜帶的源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道置為已占用狀態(tài)，占用時間段為本節(jié)點收到cts幀時刻起到源節(jié)點最大符號長度數(shù)據(jù)傳輸結束；

s6：源節(jié)點收到cts幀后，判斷是否有新的數(shù)據(jù)要發(fā)送給目標節(jié)點：如果是，則源節(jié)點在最大符號長度范圍內將新的數(shù)據(jù)與步驟s2中的待發(fā)送數(shù)據(jù)一起打包，并攜帶數(shù)據(jù)包個數(shù)和長度信息發(fā)送給目標節(jié)點；否則，則直接將步驟s2中的待發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送給目標節(jié)點。

進一步，所述步驟s1中，所述最大符號數(shù)是預先設置好的。

進一步，所述步驟s1中，所述最大符號數(shù)smax根據(jù)源節(jié)點的數(shù)據(jù)到達情況的統(tǒng)計信息計算得到，如式(1)所示：

smax＝max([prate×lavg×t×100]×lavg，lreq)(1)

式(1)中，prate為統(tǒng)計得到的每秒到達源節(jié)點的數(shù)據(jù)包個數(shù)，lavg為統(tǒng)計時間內的平均包長，t為每符號的時間長度，lreq為當前待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號位；[]表示向上取整。

進一步，所述步驟s2中，源節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號數(shù)包括目標節(jié)點回復ack所占用的符號數(shù)。

進一步，所述步驟s2中，源節(jié)點根據(jù)以下方法選擇數(shù)據(jù)信道：

s2.1：源節(jié)點判斷nav2信息中是否存在未被標記為占用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信道：如果是，則隨機選擇一個數(shù)據(jù)信道；否則，則進行步驟s2.2；

s2.2：源節(jié)點判斷nav1信息中是否存在未被標記為占用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信道：如果是，則進行步驟s2.3；否則，則取消本次rts幀的發(fā)送；

s2.3：判斷nav1信息中未被標記為占用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信道是否為多個：如果為多個，則根據(jù)以下兩種方式中任意一種選擇出一個數(shù)據(jù)信道；如果為一個，則直接選擇該數(shù)據(jù)信道；

方式一：計算待發(fā)送數(shù)據(jù)結束時刻點與nav1信息中各個未被標記為占用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信道的結束時刻點之間的距離：如果各個距離不全相等，則選擇最大距離對應的數(shù)據(jù)信道；否則，隨機選擇一個數(shù)據(jù)信道；

方式二：計算待發(fā)送數(shù)據(jù)結束時刻點與nav2信息中各個未被標記為占用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信道的結束時刻點之間的距離：如果各個距離不全相等，則選擇最小距離對應的數(shù)據(jù)信道；否則，隨機選擇一個數(shù)據(jù)信道。

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)通過本發(fā)明，無線通信節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送需求能夠及時得到滿足，減少了協(xié)商次數(shù)，降低了協(xié)商信道上的控制信息開銷，避免網(wǎng)絡負載較大時協(xié)商信道因為控制信息較多從而沖突概率較大成為性能瓶頸；

2)網(wǎng)絡負載較輕時，數(shù)據(jù)包的到達頻率較慢，本發(fā)明并沒有造成性能惡化；網(wǎng)絡負載較大時，數(shù)據(jù)包的到達頻率較快，本發(fā)明可以盡可能的利用一次分配的資源，提升了無線通信網(wǎng)絡的吞吐量，減少了通信節(jié)點總的發(fā)送次數(shù)進而降低了通信節(jié)點的功耗，同時降低了無線通信網(wǎng)絡整體的通信時延。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式中的無線網(wǎng)絡的拓撲結構圖；

圖2為本發(fā)明具體實施方式中的無線通信節(jié)點的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明具體實施方式中的nav信息維護示意圖；

圖4為本發(fā)明具體實施方式中的總方法流程圖；

圖5為本發(fā)明具體實施方式中的數(shù)據(jù)信道選擇流程圖。

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無線信道資源分配方法，如圖4所示，包括以下步驟：

s1：確定最大符號數(shù)；

s2：發(fā)送數(shù)據(jù)前，源節(jié)點選擇數(shù)據(jù)信道，在競爭得到的協(xié)商信道上發(fā)送rts幀給目標節(jié)點，rts幀中攜帶源節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號數(shù)、源節(jié)點所能占用信道資源的最大符號數(shù)以及源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道；源節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號數(shù)包括目標節(jié)點回復ack所占用的符號數(shù)；

s3：目標節(jié)點以外的其他節(jié)點收到rts幀后，分別維護nav1和nav2的信息：nav1信息中，將rts幀中攜帶的源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道置為已占用狀態(tài)，占用時間段為本節(jié)點收到rts幀時刻起到源節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸結束；nav2信息中，將rts幀中攜帶的源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道置為已占用狀態(tài)，占用時間段為本節(jié)點收到rts幀時刻起到源節(jié)點最大符號長度數(shù)據(jù)傳輸結束；

s4：目標節(jié)點收到rts幀后，如果發(fā)現(xiàn)源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道的時間段與目標節(jié)點自身維護的nav1信息沒有沖突，則目標節(jié)點發(fā)送cts幀給源節(jié)點，cts幀中攜帶源節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號數(shù)、源節(jié)點所能占用信道資源的最大符號數(shù)以及源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道；

s5：源節(jié)點以外的其他節(jié)點收到cts幀后，分別維護nav1和nav2的信息：nav1信息中，將cts幀中攜帶的源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道置為已占用狀態(tài)，占用時間段為本節(jié)點收到cts幀時刻起到源節(jié)點待發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸結束；nav2信息中，將cts幀中攜帶的源節(jié)點要求占用的數(shù)據(jù)信道置為已占用狀態(tài)，占用時間段為本節(jié)點收到cts幀時刻起到源節(jié)點最大符號長度數(shù)據(jù)傳輸結束；

s6：源節(jié)點收到cts幀后，判斷是否有新的數(shù)據(jù)要發(fā)送給目標節(jié)點：如果是，則源節(jié)點在最大符號長度范圍內將新的數(shù)據(jù)與步驟s2中的待發(fā)送數(shù)據(jù)一起打包，并攜帶數(shù)據(jù)包個數(shù)和長度信息發(fā)送給目標節(jié)點；否則，則直接將步驟s2中的待發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送給目標節(jié)點。

步驟s1中，最大符號數(shù)可采用靜態(tài)確定方式或者動態(tài)確定方式來確定。

靜態(tài)確定方式是將最大符號數(shù)預先設置好，這種方式只在節(jié)點開機時執(zhí)行一次。

動態(tài)確定方式是根據(jù)源節(jié)點的數(shù)據(jù)到達情況的統(tǒng)計信息計算得到最大符號數(shù)smax，如式(1)所示：

smax＝max([prate×lavg×t×100]×lavg，lreq)(1)

式(1)中，prate為統(tǒng)計得到的每秒到達源節(jié)點的數(shù)據(jù)包個數(shù)，lavg為統(tǒng)計時間內的平均包長，t為每符號的時間長度，lreq為當前待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號位；[]表示向上取整。這種方式在每次數(shù)據(jù)發(fā)送前都要執(zhí)行一次。

步驟s2中，源節(jié)點根據(jù)以下方法選擇數(shù)據(jù)信道：

s2.1：源節(jié)點判斷nav2信息中是否存在未被標記為占用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信道：如果是，則隨機選擇一個數(shù)據(jù)信道；否則，則進行步驟s2.2；

s2.2：源節(jié)點判斷nav1信息中是否存在未被標記為占用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信道：如果是，則進行步驟s2.3；否則，則取消本次rts幀的發(fā)送；

s2.3：判斷nav1信息中未被標記為占用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信道是否為多個：如果為多個，則根據(jù)以下兩種方式中任意一種選擇出一個數(shù)據(jù)信道；如果為一個，則直接選擇該數(shù)據(jù)信道；

方式一：計算待發(fā)送數(shù)據(jù)結束時刻點與nav1信息中各個未被標記為占用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信道的結束時刻點之間的距離：如果各個距離不全相等，則選擇最大距離對應的數(shù)據(jù)信道；否則，隨機選擇一個數(shù)據(jù)信道；

方式二：計算待發(fā)送數(shù)據(jù)結束時刻點與nav2信息中各個未被標記為占用狀態(tài)的數(shù)據(jù)信道的結束時刻點之間的距離：如果各個距離不全相等，則選擇最小距離對應的數(shù)據(jù)信道；否則，隨機選擇一個數(shù)據(jù)信道。

本具體實施方式中的“節(jié)點”是“無線通信節(jié)點”的簡稱，節(jié)點包括無線終端、無線中繼和基站等無線通信設備，結構上可以是單發(fā)雙收、雙發(fā)雙收和多發(fā)多收等多種形式。

下面以一個無線通信網(wǎng)絡為例，對本發(fā)明的技術方案作進一步的介紹。

圖1是一個無線通信網(wǎng)絡，其中有6個節(jié)點，分別是節(jié)點a、節(jié)點b、節(jié)點c、節(jié)點d、節(jié)點e和節(jié)點f。圖1中相鄰兩個節(jié)點之間的連線表示這兩個節(jié)點互為鄰居節(jié)點。每個節(jié)點的結構都如圖2所示，采用全向天線，可以向任意方向發(fā)送以及從任意方向接收無線信號。

無線通信網(wǎng)絡中采用設定協(xié)商信道的方式，以便快速獲得相鄰節(jié)點信道占用情況以及快速完成信道協(xié)商過程。圖3是nav信息維護示意圖，圖5是數(shù)據(jù)信道選擇的流程圖。

實施例1：

假設節(jié)點a在某一時刻有5個符號的數(shù)據(jù)要發(fā)送給節(jié)點b，則無線信道資源分配方法包括以下步驟：

s1：采用靜態(tài)確定方式確定最大符號數(shù)為100；

s2：發(fā)送數(shù)據(jù)前，節(jié)點a先查詢nav2信息得到有fb、fc、fd共3個數(shù)據(jù)信道空閑，則在這三個數(shù)據(jù)信道中隨機選擇信道fd作為數(shù)據(jù)信道，在競爭得到的協(xié)商信道上發(fā)送rts幀給節(jié)點b，rts幀中攜帶節(jié)點a待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號數(shù)7、節(jié)點a所能占用信道資源的最大符號數(shù)100以及節(jié)點a要求占用的數(shù)據(jù)信道fd；節(jié)點a待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號數(shù)7包括1個符號的收發(fā)轉換、1個符號的ack幀和5個符號的待發(fā)送數(shù)據(jù)；

s3：節(jié)點a的一跳鄰居節(jié)點e、f收到rts幀后，分別維護nav1和nav2的信息：nav1信息中，將數(shù)據(jù)信道fd置為已占用狀態(tài)，占用時間段t1～t1+6為本節(jié)點收到rts幀時刻t1起到節(jié)點a待發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸結束t1+6；nav2信息中，將rts幀中攜帶的節(jié)點a要求占用的數(shù)據(jù)信道置為已占用狀態(tài)，占用時間段t1～t1+99為本節(jié)點收到rts幀時刻t1起到節(jié)點a最大符號長度數(shù)據(jù)傳輸結束t1+99；

s4：節(jié)點b收到rts幀后，查詢自己維護的數(shù)據(jù)信道fd的nav1信息發(fā)現(xiàn)，t時刻之后fd沒有被其他節(jié)點占用，則節(jié)點b在協(xié)商信道上發(fā)送cts幀給節(jié)點a，cts幀中攜帶節(jié)點a待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號數(shù)7、節(jié)點a所能占用信道資源的最大符號數(shù)100以及節(jié)點a要求占用的數(shù)據(jù)信道fd；

s5：節(jié)點b的一跳鄰居節(jié)點c、d收到cts幀后，分別維護nav1和nav2的信息：nav1信息中，將cts幀中攜帶的節(jié)點a要求占用的數(shù)據(jù)信道fd置為已占用狀態(tài)，占用時間段t2～t2+6為本節(jié)點收到cts幀時刻t2起到節(jié)點a待發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸結束t2+6；nav2信息中，將cts幀中攜帶的節(jié)點a要求占用的數(shù)據(jù)信道fd置為已占用狀態(tài)，占用時間段t2～t2+99為本節(jié)點收到cts幀時刻t2起到節(jié)點a最大符號長度數(shù)據(jù)傳輸結束t2+99；

s6：節(jié)點a收到cts幀后，發(fā)現(xiàn)有新的兩包數(shù)據(jù)要發(fā)送給節(jié)點b，長度分別為10符號和70符號，經(jīng)過計算可知這三包數(shù)據(jù)的符號數(shù)是小于最大符號數(shù)的，因此將新的兩包數(shù)據(jù)與步驟s2中的待發(fā)送數(shù)據(jù)一起打包，并攜帶數(shù)據(jù)包個數(shù)3、長度信息5符號、10符號、70符號，在數(shù)據(jù)信道fd上發(fā)送給節(jié)點b。

實施例2：

假設節(jié)點a在某一時刻有5個符號的數(shù)據(jù)要發(fā)送給節(jié)點b，則無線信道資源分配方法包括以下步驟：

s1：采用動態(tài)確定方式確定最大符號數(shù)，將prate＝100、lavg＝10符號、t＝36×10^-6秒、lreq＝15符號代入式(1)中，計算得到最大符號數(shù)smax為40符號；

s2：發(fā)送數(shù)據(jù)前，節(jié)點a先查詢nav2信息得到有fb、fc、fd共3個數(shù)據(jù)信道空閑，則在這三個數(shù)據(jù)信道中隨機選擇信道fd作為數(shù)據(jù)信道，在競爭得到的協(xié)商信道上發(fā)送rts幀給節(jié)點b，rts幀中攜帶節(jié)點a待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號數(shù)7、節(jié)點a所能占用信道資源的最大符號數(shù)40以及節(jié)點a要求占用的數(shù)據(jù)信道fd；節(jié)點a待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號數(shù)7包括1個符號的收發(fā)轉換、1個符號的ack幀和5個符號的待發(fā)送數(shù)據(jù)；

s3：節(jié)點a的一跳鄰居節(jié)點e、f收到rts幀后，分別維護nav1和nav2的信息：nav1信息中，將數(shù)據(jù)信道fd置為已占用狀態(tài)，占用時間段t1～t1+6為本節(jié)點收到rts幀時刻t1起到節(jié)點a待發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸結束t1+6；nav2信息中，將rts幀中攜帶的節(jié)點a要求占用的數(shù)據(jù)信道置為已占用狀態(tài)，占用時間段t1～t1+39為本節(jié)點收到rts幀時刻t1起到節(jié)點a最大符號長度數(shù)據(jù)傳輸結束t1+39；

s4：節(jié)點b收到rts幀后，查詢自己維護的數(shù)據(jù)信道fd的nav1信息發(fā)現(xiàn)，t時刻之后fd沒有被其他節(jié)點占用，則節(jié)點b在協(xié)商信道上發(fā)送cts幀給節(jié)點a，cts幀中攜帶節(jié)點a待發(fā)送數(shù)據(jù)的符號數(shù)7、節(jié)點a所能占用信道資源的最大符號數(shù)40以及節(jié)點a要求占用的數(shù)據(jù)信道fd；

s5：節(jié)點b的一跳鄰居節(jié)點c、d收到cts幀后，分別維護nav1和nav2的信息：nav1信息中，將cts幀中攜帶的節(jié)點a要求占用的數(shù)據(jù)信道fd置為已占用狀態(tài)，占用時間段t2～t2+6為本節(jié)點收到cts幀時刻t2起到節(jié)點a待發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸結束t2+6；nav2信息中，將cts幀中攜帶的節(jié)點a要求占用的數(shù)據(jù)信道fd置為已占用狀態(tài)，占用時間段t2～t2+39為本節(jié)點收到cts幀時刻t2起到節(jié)點a最大符號長度數(shù)據(jù)傳輸結束t2+39；

s6：節(jié)點a收到cts幀后，發(fā)現(xiàn)有新的兩包數(shù)據(jù)要發(fā)送給節(jié)點b，長度分別為10符號和70符號，經(jīng)過計算可知這三包數(shù)據(jù)的符號數(shù)是大于最大符號數(shù)的，因此只能將第一包數(shù)據(jù)與步驟s2中的待發(fā)送數(shù)據(jù)一起打包，并攜帶數(shù)據(jù)包個數(shù)2、長度信息5符號、10符號，在數(shù)據(jù)信道fd上發(fā)送給節(jié)點b。