一种面向无线网络的周期性时隙分配方法
阅读说明：本技术 一种面向无线网络的周期性时隙分配方法 (Wireless network-oriented periodic time slot allocation method ) 是由 杨剑锋 郭成城 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种面向无线网络的周期性时隙分配方法。通过无线网络将多个节点进行连接；构建无线网络节点的时隙参数集合、每个节点的时隙之间的间隔数组；计算无线网络中每个节点的所能接受的总时间间隔,选择所能接受的总时间间隔选择最小值的无线网络中节点作为时隙分配节点,进一步为时隙分配节点的每个时隙需求分配时隙,针对无线网络中除时隙分配节点外剩余的节点为剩余的节点的每个时隙需求分配时隙；时隙分配的延迟检测与判定；本方法实现了分配时节点参数的量化计算和分析,能够在提高分配效率的同时兼顾公平性。(The invention provides a wireless network-oriented periodic time slot allocation method. Connecting a plurality of nodes through a wireless network; constructing a time slot parameter set of wireless network nodes and an interval array between time slots of each node; calculating the acceptable total time interval of each node in the wireless network, selecting the node in the wireless network with the minimum acceptable total time interval as a time slot distribution node, further distributing time slots for each time slot requirement of the time slot distribution node, and distributing time slots for each time slot requirement of the remaining nodes aiming at the remaining nodes except the time slot distribution node in the wireless network; delay detection and determination of time slot allocation; the method realizes the quantitative calculation and analysis of the node parameters during distribution, and can improve the distribution efficiency and take fairness into consideration.)
技术领域
本发明涉及无线网络时隙分配技术领域，特别是涉及一种面向无线网络的周期性时隙分配方法。
背景技术
无线网络技术的快速发展使人可以随时随地、快捷随意地访问获取互联网资源，极大地改变了沟通交流和生活方式。随着“互联网+”、物联网等概念的兴起，沟通交流不仅仅局限于人与人，更扩展到人和各种硬件设备。
Wi-Fi设备采用IEEE802.11协议，该协议MAC层采用的载波侦听、冲突退避(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA)机制会导致传输时延的不确定性。这一问题在物联网、工厂自动化控制、智能交通等对实时性要求较高的领域显得尤为突出。
传统的实时性需求主要集中在工业控制领域，用于采集设备的运行情况，发送控制指令等。这类场景中对通信的响应时间、可靠性、保密性都有非常高的要求[]。工业生产环境中无线信号的传播易收到生产设备运转时的噪声干扰。在工业领域，实时工业控制应用要求数据的传输可靠性在95％以上，同时信号传输时延应不高于传感器采样处理时间的1.5倍。
与工厂噪声干扰所不同的是免费公共频段(2.4G、5G)中同时运行着很多种不同的网络协议和设备；在这种的混合无线网络中由于节点的数目较多且运行着不同的网络协议，因此相互之间发生碰撞冲突的可能性较大。此外，工业控制领域的数据包主要用于传输控制信息，这类场景中数据帧数目较少且包长较小，因此并不需要太高的传输速率；而诸如智慧城市、智能家居等物联网、“互联网+”新领域对数据的传输速率要求相对较高。因此工业控制网中广泛采用的IEEE802.15.4协议明显不能满足新场景对混合网络中高速率、高实时性的设计要求。
因此，当前的Wifi无线网络的信道时隙分配中，存在着实时性不高、延迟不确定等缺点。这正是本发明中的技术能够解决的问题。
发明内容
本发明解决其技术问题采用的技术方案为一种面向无线网络的周期性时隙分配方法，具体步骤如下：
步骤1，对于一个有f个节点的网络SN，通过无线网络进行连接；
步骤2，构建无线网络节点的时隙参数集合、每个节点的时隙之间的间隔数组；
步骤3，计算无线网络中每个节点的所能接受的总时间间隔，选择所能接受的总时间间隔选择最小值的无线网络中节点作为时隙分配节点，进一步为时隙分配节点的每个时隙需求分配时隙，针对无线网络中除时隙分配节点外剩余的节点为剩余的节点的每个时隙需求分配时隙；
步骤4，时隙分配的延迟检测与判定；
作为优选，所述步骤1具体为：
f个节点通过网络SN中的某一信道的时隙来进行数据的发送，其中第一个时隙记为时隙0，第二个时隙记为时隙1，以此类推，对每个时隙按照时间顺序进行标记，每个时隙因此被标记一个时隙编号；
作为优选，步骤2所述无线网络节点的时隙参数集合，定义为：
datai，k＝{BNi，k，SNi，k，BSNi，k}，i∈[1，f]，k∈[1，L]
其中，datai，k表示无线网络中第k时刻第i个节点的时隙参数集合，BNi，k表示无线网络中第k时刻第i个节点的总后退次数，SNi，k表示无线网络中第k时刻第i个节点的最长后退步数，BSNi，k表示第k时刻无线网络中第i个节点的总后退步数，f表示无线网络中节点的数量，L表示时刻的数量；
其中任意一个节点Ni，i∈[1，f]，需要NTi个时隙来进行数据的发送；
步骤2所述每个节点的时隙之间的间隔数组，定义为：
其中，Mi为无线网络中第i个节点的时隙之间的间隔数组，mi，0，1为无线网络中第i个节点的请求时隙分配后即可跳过分配时隙的最大数量，mi，j，j+1为无线网络中第i个节点的第j+1个需要分配的请求时隙与第j个需要分配的请求时隙之间的最长间隔，i∈[1，f]，
j∈[1，NTi]，f表示无线网络中节点的数量，NTi表示无线网络中第i个节点的请求时隙的数量；
所述BNi，k，后退是指给节点Ni，k分配时隙时，由于存在其他节点，占用了节点Ni，k所需要的时隙，导致节点Ni，k所需时隙的分配被延后；总后退次数BSNi，k是指节点Ni，k截止到下一次时隙分配前所后退的总次数；在时隙分配开始时，所有的节点的总后退次数均为0；
所述SNi，k，最长后退步数SNi，k是指节点Ni，k截止到下一次时隙分配前所进行的后退中，后退的最长的时隙间隔数；在时隙分配开始时，所有的节点的最长后退步数均为0；
所述BSNi，k，总后退步数BSNi，k是指节点Ni，k截止到下一次时隙分配前所进行的后退的总的步数；在时隙分配开始时，所有的节点的总后退步数均为0；
所述Mi，对于节点Ni，k，其每个时隙都有一个分配的间隔要求，对于需要NTi，k个时隙的节点Ni，k，任意相邻的两个时隙之间的间隔要求所构成的间隔要求集合M为：
作为优选，步骤3所述计算无线网络中每个节点的所能接受的总时间间隔，具体为：
其中，M’i是第i个点的所能接受的总时间间隔，m′i，j，k是无线网络中第k时刻第i个节点分配时隙后可跳过时隙的最大数量，j∈[1，NTi]，NTi，k是无线网络中第k时刻第i个节点总的时隙请求数量，f表示总的节点数量，f表示无线网络中节点的数量，NTi表示无线网络中第i个节点的请求时隙的数量；k表示第k时刻。
步骤3所述选择所能接受的总时间间隔选择最小值的无线网络中节点作为时隙分配节点，具体为：
在M′1，M′2，...，M′f中选择最小值为M′min；
所述时隙分配节点为无线网络中第min个节点；
步骤3所述为时隙分配节点的每个时隙需求分配时隙，具体为：
无线网络中第min个节点第一个时隙需求分配的时隙为0；
无线网络中第min个节点从第二个时隙需求分配时隙开始，每个时隙需求分配的时隙为：
其中，mmin，j是k时刻节点第min个节点分配时隙，被分配的时隙号码加上可跳过时隙的最大数量对应的时隙号码；
步骤3所述针对无线网络中除时隙分配节点外剩余的节点为剩余的节点的每个时隙需求分配时隙，具体为：
步骤3.1：针对无线网络中除时隙分配节点外剩余的节点，计算任意为分配时隙的节点Ni，k按照其对应的间隔要求集合Mi，k、已分配时隙的节点所占用的时隙，计算节点Ni，k的时隙分配权重参数Qi，k：
其中，际为总后退次数系数，际为最长后退步数系数；
步骤3.2：求出所有待分配时隙的节点中，Qi，k最小的节点N′i，k，然后为节点N′i，k分配时隙；如果存在Qi，k相等的情况，则选择Mi，k最小的那个节点进行分配；
重复上述步骤3.1、步骤3.2，直到所有的节点所需时隙都得到分配；
作为优选，步骤4所述时隙分配的延迟检测与判定为：
对于步骤3得到的时隙分配结果，对任意节点Ni的间隔要求集合M，如果节点Ni的第j个时隙请求，分配到时隙k；而节点Ni的第j+1个时隙请求，分配到时隙k’，则计算：
步延迟检测：mij’＝k’-k
步延迟判定：
出现延迟的情况：如果mij’＞mij，则表明对节点Ni的时隙分配出现了延迟；
不存在延迟的情况：如果对于节点Ni，不存在任何mij＞mij，则表明时隙分配不存在延迟；
其中，mi,j是第i个节点的第j个时隙请求；
k是节点Ni的第j个时隙请求，分配到的时隙；
k’是节点Ni的第j+1个时隙请求，分配到的时隙。
本发明具有的有益的效果是：
本发明为节点对时隙的需求设计了明确的参数，通过参数来对时隙请求进行量化；通过量化的参数来计算时隙分配的成本，通过量化分析来进行时隙的分配。
本发明具有如下特点：
参数化分配。本发明将时隙分配以参数化的方式进行量化，分配过程更为清晰；
兼顾效率和公平。本发明的量化分析方法，能够有效的提高效率，同时能够确保每个节点的时隙分配需要都能够尽量满足，从而兼顾效率和公平性。
附图说明
图1：是发明的整体实施步骤；
图2：是本发明中时隙标记的方式；
图3：是节点N1完成时隙分配后的情况；
图4：是节点N2完成时隙分配后的情况；
图5：是节点N3完成时隙分配后的情况。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的第一实施例为一种面向无线网络的周期性时隙分配方法，其具体实现方式如下：
步骤1，对于一个有f个节点的网络SN，通过无线网络进行连接；
f个节点通过网络SN中的某一信道的时隙来进行数据的发送，其中第一个时隙记为时隙0，第二个时隙记为时隙1，以此类推，对每个时隙按照时间顺序进行标记，每个时隙因此被标记一个时隙编号；
步骤2，构建无线网络节点的时隙参数集合、每个节点的时隙之间的间隔数组；
其中任意一个节点Ni，i∈[1，f]，需要NTi个时隙来进行数据的发送；
步骤2所述无线网络节点的时隙参数集合，定义为：
datai，k＝{BNi，k，SNi，k，BSNi，k}，i∈[1，f]，k∈[1，L]
其中，datai，k表示无线网络中第k时刻第i个节点的时隙参数集合，BNi，k表示无线网络中第k时刻第i个节点的总后退次数，SNi，k表示无线网络中第k时刻第i个节点的最长后退步数，BSNi，k表示第k时刻无线网络中第i个节点的总后退步数，f表示无线网络中节点的数量，L表示时刻的数量；
步骤2所述每个节点的时隙之间的间隔数组，定义为：
其中，Mi为无线网络中第i个节点的时隙之间的间隔数组，mi，0，1为无线网络中第i个节点的请求时隙分配后即可跳过分配时隙的最大数量，mi，j，j+1为无线网络中第i个节点的第j+1个需要分配的请求时隙与第j个需要分配的请求时隙之间的最长间隔，i∈[1，f]，
j∈[1，NTi]，f表示无线网络中节点的数量，NTi表示无线网络中第i个节点的请求时隙的数量；
所述BNi，k，后退是指给节点Ni，k分配时隙时，由于存在其他节点，占用了节点Ni，k所需要的时隙，导致节点Ni，k所需时隙的分配被延后；总后退次数BSNi，k是指节点Ni，k截止到下一次时隙分配前所后退的总次数；在时隙分配开始时，所有的节点的总后退次数均为0；
所述SNi，k，最长后退步数SNi，k是指节点Ni，k截止到下一次时隙分配前所进行的后退中，后退的最长的时隙间隔数；在时隙分配开始时，所有的节点的最长后退步数均为0；
所述BSNi，k，总后退步数BSNi，k是指节点Ni，k截止到下一次时隙分配前所进行的后退的总的步数；在时隙分配开始时，所有的节点的总后退步数均为0；
所述Mi，对于节点Ni，k，其每个时隙都有一个分配的间隔要求，对于需要NTi，k个时隙的节点Ni，k，任意相邻的两个时隙之间的间隔要求所构成的间隔要求集合M为：
如果在节点Ni，k等待任意一个时隙分配时，被跳过的时隙数超过了对应的时间间隔，这表明出现了分配延迟；
步骤3，计算无线网络中每个节点的所能接受的总时间间隔，选择所能接受的总时间间隔选择最小值的无线网络中节点作为时隙分配节点，进一步为时隙分配节点的每个时隙需求分配时隙，针对无线网络中除时隙分配节点外剩余的节点为剩余的节点的每个时隙需求分配时隙；
步骤3所述计算无线网络中每个节点的所能接受的总时间间隔，具体为：
其中，M’i是第i个点的所能接受的总时间间隔，m′i，j，k是无线网络中第k时刻第i个节点分配时隙后可跳过时隙的最大数量，j∈[1，NTi]，NTi，k是无线网络中第k时刻第i个节点总的时隙请求数量，f表示总的节点数量，f表示无线网络中节点的数量，NTi表示无线网络中第i个节点的请求时隙的数量；k表示第k时刻。
步骤3所述选择所能接受的总时间间隔选择最小值的无线网络中节点作为时隙分配节点，具体为：
在M′1，M′2，...，M′f中选择最小值为M′min；
所述时隙分配节点为无线网络中第min个节点；
步骤3所述为时隙分配节点的每个时隙需求分配时隙，具体为：
无线网络中第min个节点第一个时隙需求分配的时隙为0；
无线网络中第min个节点从第二个时隙需求分配时隙开始，每个时隙需求分配的时隙为：
其中，mmin，j是k时刻节点第min个节点分配时隙，被分配的时隙号码加上可跳过时隙的最大数量对应的时隙号码；
步骤3所述针对无线网络中除时隙分配节点外剩余的节点为剩余的节点的每个时隙需求分配时隙，具体为：
步骤3.1：针对无线网络中除时隙分配节点外剩余的节点，计算任意为分配时隙的节点Ni，k按照其对应的间隔要求集合Mi，k、已分配时隙的节点所占用的时隙，计算节点Ni，k的时隙分配权重参数Qi，k：
其中，弥为总后退次数系数，称为最长后退步数系数；
步骤3.2：求出所有待分配时隙的节点中，Qi，k最小的节点N′i，k，然后为节点N′i，k分配时隙；如果存在Qi，k相等的情况，则选择Mi，k最小的那个节点进行分配；
重复上述步骤3.1、步骤3.2，直到所有的节点所需时隙都得到分配；
步骤4，时隙分配的延迟检测与判定；
步骤4所述时隙分配的延迟检测与判定为：
对于步骤3得到的时隙分配结果，对任意节点Ni的间隔要求集合M，如果节点Ni的第j个时隙请求，分配到时隙k；而节点Ni的第j+1个时隙请求，分配到时隙k’，则计算：
步延迟检测：mij’＝k’-k
步延迟判定：
出现延迟的情况：如果mij’＞mij，则表明对节点Ni的时隙分配出现了延迟；
不存在延迟的情况：如果对于节点Ni，不存在任何mij’＞mij，则表明时隙分配不存在延迟；
其中，mi，j是第i个节点的第j个时隙请求；
k是节点Ni的第j个时隙请求，分配到的时隙；
k’是节点Ni的第j+1个时隙请求，分配到的时隙。
下面结合图1至图5描述本发明的第二具体实施例，本发明第二具体实施例如下：
第一步，对于一个有f个节点的网络SN，通过无线网络进行连接；
f个节点通过网络SN中的某一信道的时隙来进行数据的发送，其中第一个时隙记为时隙0，第二个时隙记为时隙1，以此类推，对每个时隙按照时间顺序进行标记，每个时隙因此被标记一个时隙编号；
对时隙的标记在实际进行实现时，可以根据使用要求对时隙重新从0开始标记；
例如，对于时隙可以进行如图2所示的时隙编号，分别有：时隙0，时隙1，时隙2，时隙3等。
第二步，其中任意一个节点Ni(0<i<＝f)，需要NTi个时隙来进行数据的发送，并具有如下参数：
步骤2.1，总后退次数BNi
后退是指给节点Ni分配时隙时，由于存在其他节点，占用了节点Ni所需要的时隙，导致节点Ni所需时隙的分配被延后。总后退次数BNi是指节点Ni截止到下一次时隙分配前所后退的总次数。在时隙分配开始时，所有的节点的总后退次数均为0。
步骤2.2，最长后退步数SNi
最长后退步数SNi是指节点Ni截止到下一次时隙分配前所进行的后退中，后退的最长的时隙间隔数。在时隙分配开始时，所有的节点的最长后退步数均为0。
步骤2.3，总后退步数BSNi
总后退步数BSNi是指节点Ni截止到下一次时隙分配前所进行的后退的总的步数。在时隙分配开始时，所有的节点的总后退步数均为0。
步骤2.4，Ni的对应时隙之间的间隔要求
对于节点Ni，其每个时隙都有一个分配的间隔要求，对于需要NTi个时隙的节点Ni，任意相邻的两个时隙之间的间隔要求所构成的间隔要求集合M为：
M(Ni)＝{mi0,mi1,miNTi-1}
其中，mi0为节点Ni请求时隙分配后，可跳过分配时隙的最大数量；mi1为第二个需要分配的时隙与第一个需要分配的时隙之间的最长间隔；mi2为第三个需要分配的时隙与第二个需要分配的时隙之间的最长间隔；以此类推，miNTi-1为最后一个需要分配的时隙与倒数第二个需要分配的时隙之间的最长间隔。
如果在节点Ni等待任意一个时隙分配时，被跳过的时隙数超过了对应的时间间隔，这表明出现了分配延迟；
例如，对于有3个节点(f＝3)的网络，分别为N1，N2和N3，对应如表1所示：
表1：3个节点(f＝3)的网络
第三步，时隙的分配
步骤3.1，对于f个节点，计算每个节点的所能接受的总时间间隔：
对表1中的节点，如表2所示：
表2：3个节点的参数表
节点
间隔要求集合M
总时间间隔Mi
N1
M(N1)＝{2,4}
6
N2
M(N2)＝{1,4,3}
8
N3
M(N3)＝{1,3,3}
7
步骤3.2，选择Mi最小的节点，为该节点的每个时隙需求分配时隙，其中，第一个时隙需求分配到时隙0，其余时隙按M(Ni)计算并分配到对应的时隙；
根据表1和表2，当前N1的总时间间隔M1最小，则对节点M1进行分配，得到如图3所示的结果。
步骤3.3，对于余下的节点，计算任意为分配时隙的节点Ni按照其对应的间隔要求集合M、已分配时隙的节点所占用的时隙，计算节点Ni的时隙分配权重参数Qi：
其中，称为总后退次数系数，称为最长后退步数系数。
根据表1、表2，计算可得如表3所示的结果：
表3：2个节点的参数表
步骤3.4，求出所有待分配时隙的节点中，Qi最小的节点Ni’，然后为节点Ni’分配时隙；如果存在Qi相等的情况，则选择Mi最小的那个节点进行分配；
根据表1、表2、表3和表4，可知对节点N1的时隙分配，没有对接下来节点N2和N3的时隙分配造成占用，节点N2对应的Q2和节点N3对应的Q3均为0，由于M2<M3，则接下来对节点N3进行分配，分配结果如图4所示。
步骤3.5，重复上述步骤3.3步和步骤3.4步，直到所有的节点所需时隙都得到分配。
最后完成对节点N2的时隙分配。
第四步，延迟检测与判定
对于从第三步得到的时隙分配结果，对任意节点Ni的间隔要求集合M，如果节点Ni的第j个时隙请求，分配到时隙k；而节点Ni的第j+1个时隙请求，分配到时隙k’，则计算：
mij'＝k’-k
如果mij'>mij，则表明对节点Ni的时隙分配出现了延迟；
如果对于节点Ni，不存在任何mij'>mij，则表明时隙分配不存在延迟。
根据对表1中所示的节点的分配结果，如图5所示，计算可知：
表4：3个节点的间隔要求集合与实际分配后的间隔
节点
间隔要求集合M
实际分配后的间隔
N1
M(N1)＝{2,4}
{2,4}
N2
M(N2)＝{1,4,3}
{2,2,3}
N3
M(N3)＝{1,3,3}
{1,3,3}
其中，N2出现了1个时隙长度的延迟。
本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
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