背景
传统的MESH无线自组网通信系统基于时分复用(TDM)的方式进行数据传输,为避免干扰,同一时隙不允许两个或以上的节点同时发射,即某一时刻Mesh网络中有且只有一个节点作为发送端进行数据传输,其他节点都在接收状态,这在一定程度制约了网络整体的吞吐量。
技术实现
根据无线信号在空间中传播特点,其信号强度会随着传输距离增加而不断衰减,当两个节点间距离足够远时,可认为一个节点的发射信号对另一个节点的接收不会产生影响。空间时分复用(STDM)技术正是依据上述特点,利用无线自组网的全网拓扑信息,在保证足够安全的传输距离的前提下,充分利用传输链路上各节点间的空间隔离,在保证收发互不干扰的前提下,使得同一时隙可以允许两个或以上的节点同时发射,进而使得无线中继信道资源能够基于空间间隔实现复用。这较传统严格的时分复用(TDM)模式相比,STDM模式下多跳中继链路的传输带宽得以不受跳转次数的影响而不断消耗,从而提升网络传输的吞吐量。
要实现空间时分复用,复用节点之间必须满足间隔三跳及以上。如果只有两跳间隔,如下图所示:
A,B,C三节点构成两跳拓扑,当A发射信号时,B能监测到A信号,但是C监测不到,如果C也发射信号,则会干扰B接收A的信号,这就是无线通信系统中的隐藏终端问题。
上图中,ABCD构成3跳拓扑,当A发射信号时,D发射的信号B收不到,因此B接收A的信号不会被影响,此时A和D就可以同时发射信号,也就是使用相同的时隙资源,通过空间隔离达到时分资源复用的效果,从而提高网络的吞吐率。
使用场景
根据以上的描述可知,要实现空间时分复用,复用节点间间隔必须在3跳及以上。当MESH网络中更远的两个节点之间少于3跳时,则达不到复用的效果。
以下分几个常见场景说明复用效果。
1. 三跳拓扑
根据上述说明,至少3跳才能复用,如下图中的四个节点构成的3跳链状拓扑。
A、B、C、D四个节点在空间分布上相隔一定的传输距离,四个节点间组成如A—B—C—D的3跳链状网络拓扑,“—”表示相邻节点间可以互相收发信号。由于节点所处位置的空间间隔因素,在同一时刻,A节点发送给B节点的信号不会影响C节点接收D节点发送的信号。A和D可以复用相同的时隙资源。
当A向D发送单向数据业务时,ABC三个节点都有相应发送时隙,由于ABC三节点间隔达不到3跳距离,因此所占用资源互不重叠,D由于只是收,所以A到D的速率是单跳峰值速率的1/3(A,B,C三个节点各占用1/3时隙资源)。
如果A向B发送数据,同时D向C发送数据,由于A和D可以复用相同的时隙,因此两个节点都能占用全网的时隙资源,此时A到B的速率,或者D到C的速率都能达到峰值。而在没有使用空间复用情况下,A和D只能使用一半的资源,速率也只能达到峰值的一半。
因此上述拓扑中,只要A和D有发送业务,都能复用相同的资源,从而提高网络的吞吐率。
2. 多跳链状拓扑
5跳链状拓扑
上图中ABCDEF构成5跳链状拓扑,在没有开启空间时分复用情况下,如果A向F发送数据业务,ABCDE节点都需要发送数据因此需要占用不同的时隙资源,A到F的速率是单跳峰值速率的1/5;如果开启空间时分复用功能,由于D可以复用A的时隙资源,E可以复用B的时隙资源,因此实际上只需要三份资源,即AD、BE、C各一份,此时A到F的速率将达到峰值速率的1/3,大大提高了网络吞吐率。
这种链状拓扑,当节点增加跳数增大时,由于后续的节点总能复用前三跳节点的资源,因此单向速率基本维持在峰值速率的1/3,反之没有开启复用时,单向速率将只能达到峰值速率的1/N,N表示收发端节点之间的跳数。
3. 混合拓扑
实际的MESH网络比链状拓扑更复杂,比如下图这种拓扑:
节点之间的路由不只是单纯的链状,中间可以存在多种路,例如2节点到7节点之间的路径可以是2167,也可以是21587。节点之间复用关系也根据拓扑的复杂变得更加多样,例如节点(2,4,7)可以是一个复用组合,(2,8,10)也可以是个复用组合,只要节点之间满足3跳及以上的间隔就可以复用相同的资源。需要注意的是,虽然(2,4,7)可以复用相同的时隙,但作为(2,8,10)三节点使用的复用资源不能被(4,7)使用,因为4,7与8节点不满足3跳限制条件。
空间时分复用算法会利用全网拓扑信息,根据每个节点所需时隙资源多少,更优化复用组合,即用更少的资源来满足所有节点业务需求,从而更大化网络吞吐率。