本发明是关于移动自组织网络的资源分配的，特别是关于一种基于拓扑半透明的自适应资源分配方法。
背景技术：
1、移动自组织网络(manet)网络协议栈的分层结构示意图如图1所示，信道接入控制子层(media aceess control，mac)位于ad hoc网络协议栈的数据链路层，处于网络协议栈的较低层次，其主要功能是控制网络节点在合适的时机对无线信道进行访问，是报文在信道上发送和接收的直接控制者，信道接入协议能否有效的利用无线信道的有限带宽，保证网络中各个节点对无线信道的公平访问，对于ad hoc网络的整体性能起着相当重要的作用。上述能力集中体现在manet网络mac层的多跳无线网络的资源分配算法。
2、根据分配方式的不同，可将mac协议的资源分配算法大体分为基于竞争的资源分配算法和基于调度的mac资源分配算法。
3、基于竞争的mac协议的基本思想是网络中的节点通过竞争的方式主动获取，当发生冲突时则根据某种退避机制重新竞争信道，直到数据包发送成功或是由于延迟溢出而放弃发送。移动自组网中，基于竞争的mac协议的典型代表是aloha和csma，该类协议更适合传输突发性数据业务。在这类协议中，无线节点间通过竞争来访问无线信道，当多个节点试图同时传输信号的时候，可能会产生冲突，因此各个节点需要根据冲突解决算法来依次访问信道，如csma、csma/cd、maca、fama、802.11dfw等都是典型的基于竞争的资源分配方法。这类协议设计简单，可以划分或者不划分时隙，节点可以以异步的方式竞争无线网络资源。
4、基于竞争类的资源分配算法，在网络负载较轻时性能较好，随着负载增加，冲突增多，分组迟延增大，吞吐量有可能降低至零，因此难以提供qos保障，仅适用于低负载和qos要求较低或者无qos要求的业务。因此，这类协议并不适用于对延迟和吞吐率有较高要求的网络。
5、基于调度的mac协议按照一定的调度算法将信道资源分配给网络中的各个节点，该类协议适用于对实时性要求高的业务。基于调度的mac协议主要是基于tdma的，其基本思想是将时间分割成帧，再将帧分成等长的若干时隙，按照一定的时隙调度算法将时隙分配给节点使用。因此，基于调度的资源分配算法也叫做动态tdma。虽然以上以时间资源为例，但也同样能够扩展到频域及空间资源的使用上，并不影响算法的本质。这类算法根据资源分配表的产生过程和拓扑结构的依赖关系可分为拓扑透明算法和拓扑非透明算法。
6、拓扑透明算法指的是时隙分配方式与特定的网络拓扑结构无关，节点的移动不会对时隙的分配造成影响，网络拓扑即使发生变化也无需重新计算时隙分配表。因此，时隙分配可以在网络运行前预先建立，这样可以带来三个好处：一是网络性能不受开销影响；二是在任何拓扑变化速度下都能保证协议的正确运行，也可以说协议是移动透明的；三是时隙分配计算时间不是一个关键因素。基于拓扑透明算法mac协议的典型代表是固定时隙分配tdma协议(也可以看成是动态tdma的特例)。固定tdma为每个节点分配了一个永久的唯一的传输时隙，尽管tdma是移动透明的，但是它的吞吐量很低，因为没有空间复用，也就是说，多个节点同时发送是不允许的，即使这些节点相隔足够远，根本不会有冲突发生，时延随着网络规模的增大而增大，无法满足对时延要求较高的业务。但是当网络规模不大时，固定tdma具有最低延迟保障的优点。
7、拓扑非透明算法的时隙分配表是基于拓扑信息产生的，可通过集中式或分布式来实现。集中式的算法需要一个中心控制节点，中心节点收集整个网络的节点信息，为整个网络中的节点集中分配时隙。这一类的时隙分配算法基于整个网络的拓扑信息进行时隙分配，因此可以获得较高的信道利用率，但是，当中心节点出现故障时，整个网络会陷入瘫痪。因此，集中式的时隙分配方式对于分布式的ad hoc网络来说，是一种理想化的方式，并不实用。
8、分布式算法的一般运行过程是：网络中的节点先通过与邻节点交互来获取网络的拓扑信息，通常是局部拓扑信息，然后根据获得的拓扑信息建立时隙分配表或者通过控制包的交互，直接解决邻域内的冲突，进行时隙预留。这些时隙分配表是由各节点独立产生的，因此协议是全分布运行的，为了避免在时隙分配表中产生冲突，一般在感知拓扑信息过程中需要独立的控制信道进行，并且控制信道是一个无冲突的信道，控制信道一般受网络节点数的限制。因此，该算法在很少冲突甚至没有冲突的情况下可以较好的利用信道资源。其中，比较有代表性的是统一时隙分配协议(usap，unifying slot assignment protocol)以及五步预留协议(fprp，five-phase reservation protocol)等。
9、在移动自组网中，无线资源非常有限，如何合理地对无线资源进行调度，提高无线资源的利用率，并保证接入资源的公平性是关键问题。合理的资源调度算法能够有效的解决多个用户均衡、高效地共享有限的无线信道资源问题。
10、基于竞争类的资源分配算法，该协议设计简单，节点可以异步竞争无线网络资源，但必然存在一定的冲突且仅适用于低负载和qos要求较低或者无qos要求的业务，并不适用于对延迟和吞吐率有较高要求的网络。
11、基于拓扑透明算法的资源分配在网络运行前预先规划分配方式，在任何拓扑变化情况下均可保证协议正确运行，节点间不会产生冲突，但是时延会随着网络规模的增大而增大并且资源利用率不高。
12、基于拓扑非透明的分布式资源分配算法通过多个节点间信令交互获取的局部网络拓扑信息能够按需的调度和协调资源，达到进一步降低延迟和空间复用提升网络容量的目的，但是仅依据局部网络拓扑信息会造成资源分配效果并不是全局最优的结果。
13、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，其能够解决控制信令资源静态分配利用率低且不能很好的适应网络拓扑变化的问题，以及解决数据业务资源动态分配利用局部拓扑信息无法达到全局较优的空间复用率问题。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，包括以下步骤：
3、s1：将系统可用资源从时域和频域两个维度进行划分，在时域上分为多个等长的基本时隙资源，在频域上分为多个传输信道；其中，划分后的系统资源为时频二维资源，时频二维资源分为控制信令资源和数据业务资源；
4、s2：采用拓扑透明算法，由中心节点根据在网节点数对控制信令资源进行动态统一分配，并且采用拓扑非透明算法，依据网络拓扑信息对数据业务资源进行空间复用。
5、在本发明的一实施方式中，步骤s2中，采用拓扑透明算法，由中心节点根据在网节点数对控制信令资源进行动态统一分配的具体步骤如下：
6、s201：分别对规划内成员的资源和规划外成员的资源进行分配，其中，规划内成员资源由中心节点根据当前在网节点数统一分配，按照mac地址从小到大的原则分频分时循环分配控制信令资源；规划外成员资源通过解析中心节点动态周期分发的网络参数消息，定位到自身的mac地址信息，以完成控制信令资源的占用。
7、在本发明的一实施方式中，当规划外成员未获得自身的网参信息时，首先通过时频选择算法选择相应的预留时隙向中心节点发起资源申请，中心节点接收后更新网络参数消息，携带该规划外成员的网参信息，之后解析新的网络参数消息，定位到自身的mac地址信息，完成控制信令资源的占用。
8、在本发明的一实施方式中，步骤s201之后，还包括以下步骤：
9、s202：当中心节点连续一段时间感知不到某个普通节点的存在，则认为该普通节点退网，中心节点将该普通节点占用的控制信令资源进行回收，同时更新网络参数消息删除该普通节点的相关信息，周期广播发送最新的网络参数消息。
10、在本发明的一实施方式中，对于规划外成员资源的申请发送时机，采用时频选择算法进行确定，当网内有多个需要发起资源申请的网络成员时，需要使用时频选择算法来协调不同成员的发送资源，避免冲突；
11、当发送失败时，扩大竞争接入窗口，执行退避操作避免冲突，具体过程为：若为第n次发送，则从距离当前时刻n帧内，随机选择一个候选发送时频资源进行发送，其中，n<5。
12、在本发明的一实施方式中，步骤s2中，采用拓扑非透明算法，依据网络拓扑信息对数据业务资源进行空间复用的具体步骤如下：
13、s203：将各节点的一跳和两跳邻居节点加入其干扰集中，构建节点干扰集；
14、s204：利用路由协议得到全网拓扑，计算出接近最优的无冲突集的个数m；
15、s205：将空间复用率最大化。
16、在本发明的一实施方式中，步骤s203之前，还包括以下步骤：对数据业务资源的分配进行约束，约束条件为：
17、1)互为一跳邻居的节点不可同时占用同一个时频资源；
18、2)互为两跳邻居的节点也不可同时占用同一个时频资源；
19、3)所有节点至少能分配到一个时频资源。
20、在本发明的一实施方式中，步骤s203具体包括：网内节点利用路由协议获知网内所有节点的一跳及两跳邻居节点，将各节点的一跳和两跳邻居节点加入其干扰集中，完成节点干扰集的构建。
21、在本发明的一实施方式中，步骤s204中，按照干扰度递减规则排列的集合v及各节点的干扰集作为算法的输入，求解出的各无冲突集is作为算法的输出，具体包括以下步骤：
22、s2041：初始时，网内所有节点均未找到可占用的时频资源；
23、s2042：根据路由协议获取全网拓扑结构，构建各节点的干扰集nh(i)；
24、s2043：按照干扰度递减规则对网络中的n个节点进行排序，并按序放入集合v中；
25、s2044：将集合v中的第一个节点放入无冲突集is(k)中；
26、s2045：计算当前节点在集合v中的非干扰集nh(i)的节点，将其放入集合v’(k)中；集合v’(k)表示当前无冲突集is(k)集合中所有节点的非干扰集nh(i)的节点的集合；
27、s2046：判断集合v’(k)是否为空，若为非空，则表示集合v中还有可以与当前无冲突集is的节点占用相同时频资源的节点，并进行步骤s2047；若为空，则表示集合v中没有可以与当前无冲突集is的节点占用相同时频资源的节点，加入任意一个节点都会产生冲突，并进行步骤s2049；
28、s2047：若集合v’(k)非空，将集合v’(k)中干扰度(indeg)最大的节点放入无冲突集is(k)中；
29、s2048：计算当前无冲突集is(k)中所有节点的非干扰集nh(i)，计算这些非干扰集nh(i)的交集，将集合v’(k)中节点更新为该交集，并返回步骤s2036；
30、s2049：若集合v’(k)为空，输出无冲突集is(k)，并将加入无冲突集is(k)中的节点从集合v中删除，并令k＝k+1，构建新的is(k)集合，初始为空；
31、s20410：判断集合v是否为空，若为空，则整个计算过程结束；若非空，返回s2044，重复上述步骤，直到集合v为空。
32、在本发明的一实施方式中，步骤s205的具体步骤如下：
33、s2051：初始化极大无冲突集mis，初始时极大无冲突集mis等于步骤s204中的无冲突集is(1)，即mis(1)＝is(1)；
34、s2052：按照一定规则(各节点按照干扰度递增排列，如果干扰度相同，按照节点id升序排列)对拓扑中的n个节点进行排序，并按顺序放入集合v中；
35、s2053：每个节点按照无冲突集编号k＝1依次遍历m个无冲突集，从中寻找能再次加入的无冲突集；其中，初始状态为集合v中序号i＝1的节点从无冲突集编号k＝1开始遍历。
36、s2054：判断节点i能否加入极大无冲突集mis(k)中，即判断节点i是否处于极大无冲突集mis(k)中任意节点的干扰集中，若不存在干扰，将其加入极大无冲突集mis(k)中；若存在干扰，不将其加入极大无冲突集mis(k)中；
37、s2055：判断节点i是否遍历完m个无冲突集，若是，则跳转下一个步骤s2056；若否，令k＝k+1，继续判断节点i能否加入下一无冲突集，跳转步骤s2054；
38、s2056：判断n个节点是否均遍历完m个无冲突集，若是，则结束操作；若否，节点序号加1，令i＝i+1，并转到步骤s2053。
39、与现有技术相比，根据本发明的一种基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，在进行动态资源分配时，采用基于拓扑半透明的自适应资源分配算法；拓扑半透明算法是拓扑透明和拓扑非透明算法的结合，该算法充分利用了拓扑透明算法的最低延迟保障、接入公平性、拓扑无关性、鲁棒性的优点和拓扑非透明算法在空间复用上的优点。并且，本发明分别考虑控制信令和数据业务的资源分配情况，既保证了系统能够自适应拓扑变化并使得时频资源得到充分利用又提升了网络容量，同时该资源分配算法不需要节点间交互信令进行资源协调，因此不需要额外的控制开销，避免了控制信息交互带来的资源获取时延，降低开销。
1.一种基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，其特征在于，步骤s2中，采用拓扑透明算法，由中心节点根据在网节点数对控制信令资源进行动态统一分配的具体步骤如下：
3.如权利要求2所述的基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，其特征在于，当规划外成员未获得自身的网参信息时，首先通过时频选择算法选择相应的预留时隙向中心节点发起资源申请，中心节点接收后更新网络参数消息，携带该规划外成员的网参信息，之后解析新的网络参数消息，定位到自身的mac地址信息，完成控制信令资源的占用。
4.如权利要求2所述的基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，其特征在于，步骤s201之后，还包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，其特征在于，对于规划外成员资源的申请发送时机，采用时频选择算法进行确定，当网内有多个需要发起资源申请的网络成员时，需要使用时频选择算法来协调不同成员的发送资源，避免冲突；
6.如权利要求2所述的基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，其特征在于，步骤s2中，采用拓扑非透明算法，依据网络拓扑信息对数据业务资源进行空间复用的具体步骤如下：
7.如权利要求6所述的基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，其特征在于，步骤s203之前，还包括以下步骤：对数据业务资源的分配进行约束，约束条件为：
8.如权利要求7所述的基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，其特征在于，步骤s203具体包括：网内节点利用路由协议获知网内所有节点的一跳及两跳邻居节点，将各节点的一跳和两跳邻居节点加入其干扰集中，完成节点干扰集的构建。
9.如权利要求8所述的基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，其特征在于，步骤s204中，按照干扰度递减规则排列的集合v及各节点的干扰集作为算法的输入，求解出的各无冲突集is作为算法的输出，具体包括以下步骤：
10.如权利要求9所述的基于拓扑半透明的自适应资源分配方法，其特征在于，步骤s205的具体步骤如下：
