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CN112543480B - 一种基于虚链路的话音时隙分配及话音数据发送方法 - Google Patents

一种基于虚链路的话音时隙分配及话音数据发送方法 Download PDF

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CN112543480B CN202011458630.5A CN202011458630A CN112543480B CN 112543480 B CN112543480 B CN 112543480B CN 202011458630 A CN202011458630 A CN 202011458630A CN 112543480 B CN112543480 B CN 112543480B
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Abstract

本发明提供了一种基于虚链路的话音时隙分配及话音数据发送方法，通过从源节点到目的节点动态建立一条虚拟链路，建链过程只为2跳范围内节点分配时隙，2跳以外的节点通过复用2跳节点分配的时隙资源，并且所分配的时隙资源跟节点不绑定，只跟跳数相关，链路中间网络拓扑发生变化，不需要重新分配资源。本发明可以根据业务需求，自动为链路分配时隙资源，所分配的时隙资源满足业务的时延、抖动要求，提高资源利用率；此外，该方法所分配的时隙资源跟节点不绑定，只跟跳数相关，链路中间网络拓扑发生变化，不需要重新分配资源，有效的保证了话音传输的质量，提高了时隙资源的利用率。

Description

一种基于虚链路的话音时隙分配及话音数据发送方法
技术领域
本发明涉及数据链网络技术领域，特别涉及多跳网络中基于虚链路的动态时隙分配及话音数据发送方法。
背景技术
数据链网络是一个无中心、分布式网络架构，它要求保证业务既可靠又快速地送达目的节点。现有Link16数据链网络为确保各用户发送时隙不产生碰撞，需要预先分配固定的发送时隙、中继时隙等，成员在各自预先分配的固定时隙发送数据。
在上述网络中，固定分配时隙的TDMA协议随着网络规模增加，传输时延也会变大，并且网络扩展能力差。该协议只适合网络拓扑相对简单的网络，当用于陆地等复杂环境时，由于遮挡、移动、覆盖范围等问题，以及网络拓扑不断发生变化，无法预先分配时隙满足链路的多级中继需求。并且某些业务(如话音)对时延、抖动有特殊要求，如果采用固定分配业务时隙，当无该业务传输时，造成时隙资源的浪费。针对固定分配时隙的缺点，虽然一些学者提出一些动态话音时隙分配算法，但是这些动态分配方法只针对节点分配时隙，未能从整个链路出发，保证分布式网络整个链路的时延及抖动要求。并且当网络拓扑发生变化时，动态分配的时隙为了满足时延等要求，需重新分配时隙资源，造成业务传输的不稳定。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于虚链路的话音时隙分配及话音数据发送方法，通过从源节点到目的节点动态建立一条虚拟链路，综合考虑所花费代价(满足特定要求所分配时隙资源数量)和具体应用场景(80％话音在3跳范围内传输)，建链过程只为2跳范围内节点分配时隙，2跳以外的节点通过复用2跳节点分配的时隙资源。并且所分配的时隙资源跟节点不绑定，只跟跳数相关，链路中间网络拓扑发生变化，不需要重新分配资源。该方法不仅可以在数据链网络中使用，也同样适用于多跳自组织网络中。该方法在实际工程上得到应用，有效的保证了话音传输的质量，提高了时隙资源的利用率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1：话音虚链路建立；
TDMA一个时帧为T时帧秒，一个时隙长度为T间隔毫秒，一个时帧有SlotNum个时隙，话音的时延为T毫秒，时延抖动小于T抖毫秒，每个TDMA时帧每跳节点分配N个话音时隙；
步骤1.1：源节点时隙分配及建立请求帧发送；
当源节点有话音业务发送时，源节点根据话音时延要求通过钟摆式时隙分配算法在一个时帧内以T毫秒为间隔选择N个空闲的时隙，将选择的时隙组信息(A1，A2，...，An)填入建链请求帧中发送，其中(A1，A2，...，An)为分配的1号时隙组；
步骤1.2：一跳、两跳节点时隙分配及建链请求帧发送；
一跳或者两跳节点收到建链请求帧后，根据时延T、抖动要求T抖及上一跳分配时隙StartPos上一跳，通过钟摆式时隙分配算法分配N个话音时隙，将时隙组分配信息(B1，B2，…，Bn)或(C1，C2，…，Cn)填入建链请求帧中发送，其中(B1，B2，…，Bn)为一跳节点分配的2号话音时隙组，(C1，C2，…，Cn)为两跳节点分配的3号话音时隙组；
步骤1.3：两跳以上节点时隙分配及建链请求帧发送；
假设M跳节点收到建链请求帧，M>2，M跳节点不需要分配话音时隙，复用建立帧中第(M-2)％3号时隙组，并检查本地时隙是否跟复用的话音时隙冲突，如果冲突，强制标记该冲突时隙为话音时隙；由于虚链路所使用的时隙优先级最高，其他节点发现本节点和话音时隙冲突时，释放该时隙资源，重新申请其他动态时隙资源；
其它非路径上的节点收到建链请求帧，解析建链请求帧中时隙组，如果跟本节点使用的时隙冲突，虚链路占用的时隙优先级高，释放本地时隙；
步骤1.4：建链应答帧发送；
目的节点收到建链请求帧后记录虚链路所分配的所有时隙，生成链路建立应答帧发送给源节点，路径上其它节点收到链路应答帧后将所有申请的时隙标记为占用状态；
步骤1.5：建链应答帧接收
如果源节点接收到建链应答帧，解析链路分配时隙组，表明链路建立成功；如果源节点收到建链失败帧，表明建链失败，随机等待一段时间重新建链；
步骤2：话音数据发送
步骤2.1：源节点发送话音数据帧，数据帧中包括时隙分配序列A[n]和转发次数K，时隙分配序列为话音链路分配的时隙组(A1，A2，...，An)、(B1，B2，…，Bn)和(C1，C2，…，Cn)变换成(A1，B1，C1，A2，B2，C2，…，An，Bn，Cn)的序列，时隙组(A1，A2，...，An)为源发时隙组，源发节点在源发时隙组上发送消息；
步骤2.2：M跳节点收到话音数据时隙为A[i],那么选择时隙A[(i+1)％N]发送话音数据，数据帧中包含时隙分配序列A[n]和转发次数K；
步骤3：话音虚链路拆除；
当话音发送完成后，需要释放所占用的资源，话音虚链路拆除流程按照建立虚链路相同的步骤，发起拆链请求，链路路径上的节点收到该请求，释放话音时隙资源，目的节点收到拆链请求后产生拆链应答，源节点收到拆链应答后释放所使用的话音时隙资源；
如果链路拓扑发送变化或者由于干扰链路拆除帧丢失，其他节点如果12秒以上未收到话音数据，那么清除话音的时隙占用状态，标记该时隙为空闲。
所述钟摆式时隙分配算法步骤如下：
步骤1.1.1：计算N，
Figure GDA0003476388250000031
人耳对350毫秒内话音时延不敏感；
步骤1.1.2：计算均匀分配时隙间隔，Space＝SlotNum*1.0/N，SlotNum为一个时帧的时隙总数；
步骤1.1.3：计算起始位置，如果是源发节点，StartPos＝(SlotNum/N)/2，否则，
Figure GDA0003476388250000032
StartPos上一跳为上一跳节点分配的初始时隙；然后确定以StartPos为中心，寻找周围最近的空闲时隙的位置；
步骤1.1.4：以StartPos为中心，如果[StartPos-T抖/2*T间隔，StartPos+T抖/2*T间隔]时隙范围内有空闲时隙，转步骤1.1.5，否则转步骤1.1.6；
步骤1.1.5：分配距离StartPos最近的空闲时隙，更新StartPos的值为[StartPos+(int)(Space*i+0.5)]％SlotNum；转步骤1.1.7，其中，i是分配次数；
步骤1.1.6：如果[StartPos-T抖/2*T间隔，StartPos+T抖/2*T间隔]时隙范围内有非话音时隙，将该非话音时隙为分配话音时隙，更新StartPos的值为
[StartPos+(int)(Space*i+0.5)]％SlotNum；否则生成建链失败帧发送给源节点，结束分配；
步骤1.1.7：如果未分配完N个时隙，转步骤1.1.4，否则结束分配。
本发明的有益效果是：首先，本发明无需人工预先分配话音时隙资源，可以根据业务需求，自动为链路分配时隙资源；其次，所分配的时隙资源满足业务的时延、抖动要求；再次，链路只需动态分配2跳节点时隙资源，3跳及以上节点不需额外分配时隙资源，通过空间复用，复用2跳内节点分配时隙资源，提高资源利用率；此外，该方法所分配的时隙资源跟节点不绑定，只跟跳数相关，链路中间网络拓扑发生变化，不需要重新分配资源。本发明已经在实际工程中得到应用，演示效果表明：在复杂的陆地网络环境下，话音具有可靠的传输性能。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明实例的网络拓扑图。
图3是本发明实例的钟摆式时隙分配图。
图4是本发明实例的链路时隙分配图。图4(a)为K＝0时的链路时隙分配图，图4(b)为K＝1时的链路时隙分配图，图4(c)为K＝2时的链路时隙分配图，图4(d)为K>2时的链路时隙分配图。
图5是本发明实例的建链应答图。
图6是本发明实例的话音发送图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明所设计的是一种基于虚链路的动态分配话音时隙的方法。
实际项目中为链路分配3个时隙组，每个时隙组每秒分配3个时隙，保证2跳链路满足话音满足350毫秒时延及抖动要求，满足大多数场景话音通信的需求。当话音链路大于3跳时，3跳以上节点通过复用时隙，链路每增加一跳，话音时延增加110毫秒，即节省时隙资源，又满足3跳以上话音业务的需求。
图1为本发明的方法流程图，下面结合图2对本发明的具体实施方法进行详细介绍。
如图2所示，网络由节点A、B、C、D和E组成，节点A向节点D发送话音数据。话音数据的时延T＝350毫秒，T抖＝50毫秒，一个时帧长度为1秒，包含256个时隙，一个时帧需分N＝3个话音时隙满足话音时延要求。
(1)话音虚链路建立
(1a)节点A需向节点E发送话音业务，节点A根据钟摆式时隙分配算法，选取43，133和222号时隙为话音时隙，如图3所示。将分配时隙组填入建链请求帧中发送出去，转发跳数K＝0，如图4(a)所示。
(1b)节点B收到建链请求帧，根据钟摆式分配算法，选取73，163，252号时隙为话音时隙，将分配的时隙组填入建链请求帧发送出去，转发跳数K＝1，如图4(b)所示。
(1c)节点C收到建链请求帧，根据钟摆式分配算法，选取103,193,26号时隙为话音时隙，将分配时隙组填入建链请求帧中发送出去，转发跳数K＝2，如图4(c)所示。
(1d)节点D收到建链请求帧，判断K>2时，复用第1组时隙(43,133,222)号时隙，如图4(d)所示，并检查本地是否使用该时隙组，如果使用，释放本地时隙，用于话音传输。
(1e)目的节点E收到建链请求帧，将为链路分配的时隙(43，133，222)、(73，163，252)和(103，193，26)填入建链应答帧中向源节点A发送。中间转发节点周到建链应答帧，判断是否跟自己本地时隙冲突，如果冲突，释放本地冲突时隙。
(1f)源节点A收到建链应答帧后，表明建链成功，如图5所示。
(2)话音数据发送
(2a)话音数据发送如图6所示，节点A建链成功后，发送话音数据帧，数据帧中包括链路时隙分配序列(43，73，103，133，163，193，222，252，26)和转发次数(源发节点转发次数为0)，话音数据在时隙43发送；
(2b)节点B在时隙43收到话音数据帧，根据链路分配的时隙组、据转发次数，选择发送时隙为时隙73，将转发次数置为1，转发话音数据。
(2c)节点C在时隙73收到话音数据帧，根据链路分配的时隙组、据转发次数选择发送时隙为时隙103，将转发次数置为2，转发话音数据。
(2d)节点D在时隙103收到话音数据帧，根据链路分配的时隙组、据转发次数选择发送时隙为时隙133，将转发次数置为2，转发话音数据。
如果源发节点A以其它源发时隙发送话音数据，节点B～节点D话音转发时隙使用如表1所示：
表1节点转发使用时隙
节点 A B C D
源发43时隙 43 73 103 163
源发133时隙 133 163 193 222
源发222时隙 222 252 26 43
(3)话音虚链路拆除
(3a)节点A结束发送话音业务时，向节点D发送拆链，拆链帧包含链路所使用的时隙序列。
(3b)链路上其它节点收到拆链帧释放时隙序列中所使用的时隙资源。
(3c)目的节点收到拆链帧后，发送拆链确认帧。
(3d)源节点收到拆链确认帧后，完成拆链过程。
以上步骤给出了基于虚链路建立、话音数据发送和虚链路拆除的实现流程，该方法不仅能自动为话音业务链路分配时隙资源，同样也适用于其它对时延有要求的业务。

Claims (2)

1.一种基于虚链路的话音时隙分配及话音数据发送方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：话音虚链路建立；
TDMA一个时帧为T时帧秒，一个时隙长度为T间隔毫秒，一个时帧有SlotNum个时隙，话音的时延为T毫秒，时延抖动小于T抖毫秒，每个TDMA时帧每跳节点分配N个话音时隙；
步骤1.1：源节点时隙分配及建立请求帧发送；
当源节点有话音业务发送时，源节点根据话音时延要求通过钟摆式时隙分配算法在一个时帧内以T毫秒为间隔选择N个空闲的时隙，将选择的时隙组信息(A1，A2，...，An)填入建链请求帧中发送，其中(A1，A2，...，An)为分配的1号时隙组；
步骤1.2：一跳、两跳节点时隙分配及建链请求帧发送；
一跳或者两跳节点收到建链请求帧后，根据时延T、抖动要求T抖及上一跳分配时隙StartPos上一跳，通过钟摆式时隙分配算法分配N个话音时隙，将时隙组分配信息(B1，B2，…，Bn)或(C1，C2，…，Cn)填入建链请求帧中发送，其中(B1，B2，…，Bn)为一跳节点分配的2号话音时隙组，(C1，C2，…，Cn)为两跳节点分配的3号话音时隙组；
步骤1.3：两跳以上节点时隙分配及建链请求帧发送；
假设M跳节点收到建链请求帧，M>2，M跳节点不需要分配话音时隙，复用建立帧中第(M-2)％3号时隙组，并检查本地时隙是否跟复用的话音时隙冲突，如果冲突，强制标记该冲突时隙为话音时隙；由于虚链路所使用的时隙优先级最高，其他节点发现本节点和话音时隙冲突时，释放该时隙资源，重新申请其他动态时隙资源；
其它非路径上的节点收到建链请求帧，解析建链请求帧中时隙组，如果跟本节点使用的时隙冲突，虚链路占用的时隙优先级高，释放本地时隙；
步骤1.4：建链应答帧发送；
目的节点收到建链请求帧后记录虚链路所分配的所有时隙，生成链路建立应答帧发送给源节点，路径上其它节点收到链路应答帧后将所有申请的时隙标记为占用状态；
步骤1.5：建链应答帧接收
如果源节点接收到建链应答帧，解析链路分配时隙组，表明链路建立成功；如果源节点收到建链失败帧，表明建链失败，随机等待一段时间重新建链；
步骤2：话音数据发送
步骤2.1：源节点发送话音数据帧，数据帧中包括时隙分配序列A[n]和转发次数K，时隙分配序列为话音链路分配的时隙组(A1，A2，...，An)、(B1，B2，…，Bn)和(C1，C2，…，Cn)变换成(A1，B1，C1，A2，B2，C2，…，An，Bn，Cn)的序列，时隙组(A1，A2，...，An)为源发时隙组，源发节点在源发时隙组上发送消息；
步骤2.2：M跳节点收到话音数据时隙为A[i],那么选择时隙A[(i+1)％N]发送话音数据，数据帧中包含时隙分配序列A[n]和转发次数K；
步骤3：话音虚链路拆除；
当话音发送完成后，需要释放所占用的资源，话音虚链路拆除流程按照建立虚链路相同的步骤，发起拆链请求，链路路径上的节点收到该请求，释放话音时隙资源，目的节点收到拆链请求后产生拆链应答，源节点收到拆链应答后释放所使用的话音时隙资源；
如果链路拓扑发送变化或者由于干扰链路拆除帧丢失，其他节点如果12秒以上未收到话音数据，那么清除话音的时隙占用状态，标记该时隙为空闲。
2.根据权利要求1所述的基于虚链路的话音时隙分配及话音数据发送方法，其特征在于：
所述钟摆式时隙分配算法步骤如下：
步骤1.1.1：计算N，
Figure FDA0003405849730000021
步骤1.1.2：计算均匀分配时隙间隔，Space＝SlotNum*1.0/N，SlotNum为一个时帧的时隙总数；
步骤1.1.3：计算起始位置，如果是源发节点，StartPos＝(SlotNum/N)/2，否则，
Figure FDA0003405849730000022
StartPos上一跳为上一跳节点分配的初始时隙；然后确定以StartPos为中心，寻找周围最近的空闲时隙的位置；
步骤1.1.4：以StartPos为中心，如果[StartPos-T抖/2*T间隔，StartPos+T抖/2*T间隔]时隙范围内有空闲时隙，转步骤1.1.5，否则转步骤1.1.6；
步骤1.1.5：分配距离StartPos最近的空闲时隙，更新StartPos的值为[StartPos+(int)(Space*i+0.5)]％SlotNum；转步骤1.1.7，其中，i是分配次数；
步骤1.1.6：如果[StartPos-T抖/2*T间隔，StartPos+T抖/2*T间隔]时隙范围内有非话音时隙，将该非话音时隙为分配话音时隙，更新StartPos的值为[StartPos+(int)(Space*i+0.5)]％SlotNum；否则生成建链失败帧发送给源节点，结束分配；
步骤1.1.7：如果未分配完N个时隙，转步骤1.1.4，否则结束分配。
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