CN104135357B - 一种基于双工结构的短波网络轮询传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双工结构的短波网络轮询传输方法。该方法首先结合系统需求和短波信道特点，规划星型短波通信网络地理覆盖区域；对中心与节点短波通信设备配置，构建下行全双工配置和上行半双工配置的收、发异频网络结构；通过轮询的异步组网方式，采用无等待，连续广播轮询报文，达到短波同步组网信道利用率，避免同步组网的时钟精确同步需求和建网过程；通过轮询报文捎带业务报文，避免单独传输业务报文带来的信道消耗，提高窄带短波信道利用率；通过下行业务广播一次重传，避免上行数据传输时造成的下行业务接收丢包，保证下行业务传输可靠性。

Description

一种基于双工结构的短波网络轮询传输方法

技术领域

本发明属于网络数据通信领域，特别是一种利用短波作为通信手段的轮询传输方法。

背景技术

短波通信网络主要利用电离层反射实现有限数据或话音低速传输，是一种典型的窄带通信手段，具有建设成本低、部署灵活、抗毁性强等独特优点，不需要建立中继站即可实现中、远距离通信，特别适合通信基础设施受限，且传输业务量较小的数据收集系统。

数据收集系统通常通过部署短波星型拓扑结构，在数据节点(以下简称节点)各部署一部半双工短波电台，数据收集中心(以下简称中心)部署一部或多部半双工短波电台，完成数据的上行收集(节点到中心)和下行广播(中心到节点)。传统的短波通信网络半双工结构配置约束了系统通信容量，限制了关键中心节点的传输和接收能力。

根据短波网络是否具有统一的时间基准，可为异步组网和同步组网方式。同步组网方式具有信道利用率高的明显优势，但在建网时需要所有的网内的短波电台都响应相同同步信号，建网速度比较慢；节点需要频繁交换时钟信息以实现同步保持，增大了窄带信道开销；而通过中心和节点短波电台配置高精度时钟完成同步保持，实现难度更大。相对短波同步组网方式，通常异步组网下信道得不到充分利用。但具有组网速度快；组网灵活(通常采用竞争或轮询)，用户入网方便；对定时精度的要求低等明显优势。

竞争传输方法下，由于多个数据节点共享相同窄带短波信道，在业务量较大时容易产生数据碰撞，造成上报收集数据丢失；半双工结构还会造成上报收集数据和下行广播数据传输冲突，因此，竞争传输方法的数据传输的可靠性得不到保障。

对于数据可靠性要求较高的数据收集系统，更适合采用轮询传输方法。采用轮询的异步组网方式通过中心广播轮询报文，节点仅在被轮询时隙上报数据，可以有效避免碰撞造成的数据丢失，提高数据传输可靠性。但半双工配置的轮询周期至少为节点数量乘以报文时长的两倍，轮询周期较长，造成节点较大的传输时延和窄带资源得不到充分利用。且下行业务报文占用轮询时隙，进一步增大轮询周期。

因此，有必要研究一种短波星型网络结构，提高短波信道的传输带宽。同时针对高传输可靠性的轮询异步组网传输方法，研究如何缩短其轮询周期，提高轮询效率，实现同步组网性能。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于双工结构的短波网络轮询传输方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种数据通信中基于双工结构短波网络轮询传输方法，包括如下步骤：

步骤1：点对多点短波通信网络规划。根据短波信道特性，规划星型短波通信网络地理覆盖区域，使中心到各节点具有类似的信道特性，保证星型网络点对多点可通性一致。通信网络包括一个数据收集中心和N个数据节点，与数据收集中心连接的一个短波轮询控制器，所述短波轮询控制器连接一台短波接收机和一台短波发射机，每个数据节点连接一台短波收发机与所述短波接收机和短波发射机进行无线传输，N为自然数；其中，短波轮询控制器硬件采用嵌入式处理平台，并提供分别连接电台的两个异步串行接口和连接中心局域网的以太网接口，软件开发采用Linux操作系统。

步骤2：中心与节点短波通信设备配置。对星型拓扑结构的短波通信网络各节点设备部署，构成点对多点短波信道共享网络，实现下行(中心到节点)全双工配置和上行(节点到中心)半双工配置的收、发异频网络结构。

步骤3：轮询报文字段填充。中心生成并查询轮询序列，确定当前轮询的节点对象，将轮询对象地址写入轮询报文字段；

步骤4：轮询报文捎带业务报文使能。查询发送业务缓存序列，判断是否有下行业务报文需要广播；如果没有，则广播单独轮询报文，返回执行步骤3，如果有，则执行步骤5，进行轮询报文捎带业务报文处理；

步骤5：业务报文重发判决。判断从发送缓存中读出的业务报文是否已经被重传过，如果已被重传过，则从缓存中删除该报文，返回执行步骤4，查询新的业务报文；如果没有被重传过，则通过轮询报文捎带业务报文广播下发，返回执行步骤3。

本发明采用中心双工配置星型拓扑结构，轮询的异步组网传输方式，达到短波同步组网信道利用率，避免同步组网的时间同步需求。

步骤4中采用轮询报文捎带业务报文传输的方式，短波报文采用固定长度短触发形式，报文包含短波网络号字段、轮询报文字段和业务报文字段；短波轮询控制器生成轮询报文字段后，读取发送业务缓存，判断是否为空：如果此刻发送业务缓存空闲，则将业务报文字段空置，广播该单独轮询报文，否则，则将业务报文写入报文的业务报文字段，通过轮询报文捎带广播。

步骤5短波轮询控制器从发送业务缓存序列中读到的业务报文，判断该报文是否已被重发，如果该业务报文为新产生报文或只被发送过一次，则将该报文写入报文的业务报文字段，通过轮询报文捎带业务报文广播下发；如果短波轮询控制器从发送业务缓存序列中读到的业务报文已经被进行了一次重传，则从缓存区中删除该报文。

步骤4、5中短波轮询控制器广播单独轮询报文和广播轮询报文捎带业务报文后，不进行等待，立即进行对下一个节点轮询操作；节点通过接收轮询报文，启动上行业务传输。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)中心采用短波接收机和发射机分离，通过有限代价的双工配置结构，提高窄带网络的信道容量；(2)通过轮询的异步组网方式，采用无等待，连续广播轮询报文，达到短波同步组网信道利用率，避免同步组网的时钟精确同步需求和建网过程；(3)通过轮询报文捎带业务报文，避免单独传输业务报文带来的信道消耗，进一步提高窄带短波信道利用率；(4)通过下行业务广播一次重传，避免上行数据传输时造成的下行业务接收丢包，保证下行业务传输可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明的应用场景示意图。

图2为本发明的中心和节点短波设备配置。

图3为本发明的轮询传输方法的实施步骤。

图4为本发明的轮询传输方法的短波轮询控制器处理协议流程图。

图5为本发明的短波路径传输路径示意图。

图6为本发明中广播报文字段组成示意图。

图7为相对本发明采用传统半双工配置轮询方式的报文传输时序图。

图8为本发明中心与节点报文传输时序图。

具体实施方式

实施例

结合图1、图2和图3，本发明的一种基于双工结构短波网络轮询传输方法，包括以下步骤：

步骤1：点对多点短波通信网络规划。短波网络通过短波信号的天波传输实现中远距离通信，电离层反射传播是短波天波传输的主要传播方式，而电离层的不稳定性决定了短波信道参数的不断变化。

在网络节点的规划时，需要充分考虑短波信道的特点，将节点分布在相对中心较为集中的一个扇区内，同时实现中心到各节点的距离基本一致，本实施例设置中心到节点距离约为600km，节点分布在45度的扇区内，从而保证中心到各节点的短波信道质量和变化规律基本一致。如图1为一个典型的监控系统仿真场景，中心到各传节点具有类似的信道特性，保证星型网络点对多点可通性一致。

步骤2：中心与节点短波通信设备配置。每个传感器节点配置1部半双工短波电台，与传感器节点连接，获取监视数据；数据收集中心配置1套短波发射机、1部短波接收机和1部短波轮询控制器，并通过短波轮询控制器连接数据收集中心网络/设备，各节点设备配置如图2所示。

短波轮询控制器硬件采用嵌入式处理平台，并提供分别连接电台的两个异步串行接口和连接中心局域网的以太网接口，软件开发采用Linux操作系统，短波轮询控制器处理协议流程如图4所示，详细逻辑描述对应步骤3到步骤5。

短波通信网络上行和下行信道采用不同的频率，并保持必要的频率间隔，避免干扰，完成中心全双工配置，详细中心和节点短波参数配置如下表所示。

表1 中心与节点短波主要配置参数

序号	参数	参数值
			1	业务传输速率	600bps
2	报文长度	480bit
			3	报文传输时间	800ms
4	发射功率	125W
			5	最大功耗	400W

短波网络通过电离层反射传播实现信号传输，电离层分为D、E、F层，其中D层距离地面约60～90km，作为短波信号白天通信的反射层。夜间D层消失，F层作为主要短波信号反射层，F层又分为F1层和F2层，F2层距离地面约225～450km，作为短波通信夜间通信的主要反射层。根据本实施例，中心到节点距离600km，则构建传输路径模型如下图5。考虑距离600km为实现短波单跳传输的较为理想路径，夜间通过F2层反射为全天路径传输时延较大的方式，则造成的短波路径传输时延约为3.6ms，其路径延时远小于报文传输时间，在本具体实施方式的分析中忽略不计。

硬件设备对报文的处理时延也远小于报文传输时延，在本具体实施方式的分析中同样可以考虑忽略不计。

步骤3：轮询报文字段填充。本发明短波报文同样采用固定长度短触发形式，报文包含短波网络号字段、轮询报文字段和业务报文字段，如图6所示。

短波网络号字段用于标识该短波网络的网络地址，当存在多个本实施例的短波网络同时工作，且因为短波频率规划不严谨导致不同网络存在相同频率时，用于中心和节点区分数据来源，实现中心和节点只对与本机所属短波网络相同网络号的信息处理。

轮询报文字段用于中心控制轮询节点的顺序，短波轮询控制器根据需要生成轮询序列，并在每个轮询时隙，依次将对应轮询地址写入轮询报文字段，假定轮询序列为A,B,C。短波轮询控制器查询轮询序列，确定当前轮询的节点对象，将轮询对象的地址写入轮询报文字段，然后，执行步骤4。

步骤4：轮询报文捎带业务报文使能。当中心有业务报文发送时，将业务报文写入短波轮询控制器缓存区，并标识为“新业务报文”。短波轮询控制器查询发送业务报文的缓存区，判断是否有下行广播业务报文需要传输。

如果此刻业务缓存空闲，则将业务报文字段空置，轮询控制器启动短波发射机，广播单独轮询报文，然后立即返回步骤3，查询下一个轮询对象，进行轮询报文字段填充。如果缓存区有发送缓存数据，则执行步骤5，启动是否需要重传判决。

步骤5：业务报文重传判决。如果短波轮询控制器从缓存空间中读到的业务报文，则读取该报文标识，查询该报文是否已被重传。如果查询到该数据为“新业务报文”或仅被传输过一次，则将该数据写入报文的业务报文字段，通过轮询报文捎带业务报文广播下发，然后立即返回执行步骤3。

如果短波轮询控制器从缓存空间中读到的业务报文已经被重传过，则从缓冲区删除该业务报文，返回步骤4，判断是否还有其他缓存业务报文需要广播。

因为节点短波电台采用半双工配置，通常为发射优先，当中心广播轮询报文中的轮询报文字段与本机地址一致时，节点读取本地数据，并发往中心。因为中心采用全双工的配置，可以实现收发的同时进行，当在节点发送数据时，中心又广播了一个包含业务的报文，则此刻该发送数据的节点将错过对该业务报文的接收，本发明通过对下行业务报文进行一次重传，可以避免节点在上行数据传输时造成的下行业务接收丢包，保证下行业务传输可靠性。

图7给出采用传统轮询方式的典型时序图，其中，中心和节点均采用半双工配置，所以每次发送完800ms轮询报文后需要等待一定时隙(至少为800ms)等待传感器节点传输上行数据，则轮询A,B,C三个节点用时至少为3×(800ms+800ms)，同时，当有业务报文下行传输时，下一个节点的轮询报文需要等待业务报文传输再发送，如时隙n+2，而本发明轮询传输方法充分利用轮询报文，采用轮询报文捎带业务报文方式。

图8给出了采用本发明轮询传输方法的时序图，从图中可发现，由于中心采用全双工的配置方式，则中心在广播下发轮询报文的同时，具有接收节点上报数据的能力，则本发明利用这一结构特点，利用短波发射机连续发送对不同节点的轮询报文，无需等待被轮询节点的回复，而被轮询使能的节点，如果缓存内存在上报数据，则立即启动发送功能，否则继续等待下一次轮询使能和检查缓存区数据。不考虑路径时延和处理时延，采用本发明的轮询传输方法，A，B，C三点轮询周期为固定3×800ms。本发明的轮询传输方法仅通过将轮询报文作为节点传输起始标识，性能完全等效于采用全双工结构的短波同步组网方式，且该方式无需进行时间同步；通过轮询报文捎带业务报文，避免单独传输业务报文带来的信道消耗，进一步提高窄带短波信道利用率；通过下行业务广播一次重传，避免上行数据传输时造成的下行业务接收丢包，保证下行业务传输可靠性。

通过以上图7和图8分析结果，可得出，对于有N个节点的短波网络。如果采用传统轮询传输方式，轮询周期为T：

T＝2×N×T₀

如果采用本发明轮询传输方法，轮询周期T：

T＝N×T₀

其中T为轮询N个节点的轮询周期，T₀为短波单个报文传输时间。

本发明提供了一种基于双工结构的短波网络轮询传输方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种基于双工结构的短波网络轮询传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：点对多点短波通信网络规划，规划星型拓扑结构的短波通信网络地理覆盖区域；通信网络包括一个数据收集中心和N个数据节点，与数据收集中心连接的一个短波轮询控制器，所述短波轮询控制器连接一台短波接收机和一台短波发射机，每个数据节点连接一台短波收发机与所述短波接收机和短波发射机进行无线传输，N为自然数；其中，短波轮询控制器硬件采用嵌入式处理平台，并提供分别连接电台的两个异步串行接口和连接中心局域网的以太网接口；

步骤2：数据收集中心与数据节点短波通信设备配置：对星型拓扑结构的短波通信网络各数据节点设备部署，构成点对多点短波信道共享网络，实现数据收集中心到数据节点下行的全双工配置和数据收集中心到数据节点上行的半双工配置的收、发异频网络结构；

步骤3：轮询报文字段填充：数据收集中心生成并查询轮询序列，确定当前轮询的数据节点对象，将轮询对象地址写入轮询报文字段；

步骤4：轮询报文捎带业务报文使能：查询发送业务缓存序列，判断是否有下行广播业务报文需要传输；如果没有，则广播单独轮询报文，返回步骤3，如果有，则执行步骤5，进行轮询报文捎带业务报文处理；

步骤5：业务报文重发判决：判断从发送业务缓存序列中读出的业务报文是否已经被重传过，如果已被重传过，则从缓存中删除该报文，返回执行步骤4；如果没有被重传过，则通过轮询报文捎带业务报文广播下发，返回步骤3；

步骤4中采用轮询报文捎带业务报文传输的方式，短波报文采用固定长度短触发形式，报文包含短波网络号字段、轮询报文字段和业务报文字段；短波轮询控制器生成轮询报文字段后，读取发送业务缓存，判断是否为空：如果此刻发送业务缓存空闲，则将业务报文字段空置，广播该单独轮询报文，否则，则将业务报文写入报文的业务报文字段，通过轮询报文捎带广播；

步骤5短波轮询控制器从发送业务缓存序列中读到的业务报文，判断该报文是否已被重发，如果该业务报文为新产生报文或只被发送过一次，则将该报文写入报文的业务报文字段，通过轮询报文捎带业务报文广播下发；如果短波轮询控制器从发送业务缓存序列中读到的业务报文已经被进行了一次重传，则从缓存区中删除该报文；

步骤4、5中短波轮询控制器广播单独轮询报文和广播轮询报文捎带业务报文后，不进行等待，立即进行对下一个节点轮询操作；节点通过接收轮询报文，启动上行业务传输。