CN105721257B - 基于单发多收信道的mac层接入方法与平台 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于单发多收信道的MAC层接入方法与平台，提出了一种适合单发多收情况的Mac层接入方法。该方法可以充分利用信道多收的特性，同时接收多路信号，并且有效避免冲突，使网络容量达到最大化。其接入方法包括包括节点感知方法S1和业务时隙分配方法S2；其中节点感知方法S1包括频点分配S11、时间同步S12和邻居发现S13共三个步骤。其接入平台由MAC层CPU板1，物理层基带处理板2和L中频上下变频板3构成。本发明提供的基于单发多收信道的平台，采用模块化结构设计，明确各模块功能以及模块之间的信号流向。

Description

基于单发多收信道的MAC层接入方法与平台

技术领域

本发明涉及一种基于单发多收信道的接入方法与平台，具体说它是一种基于单发多收信道的MAC层接入方法。

背景技术

无线网络中，多节点共享无线信道。为提高网络容量，在Mac层接入时采用多信道的方法，即每个节点都配备若干个无线网络接口，每个接口连接不同频率的信道，同一碰撞域内的节点对可以同时在不同的信道上传输信息而不发生碰撞。

基于多信道的Mac层接入方法通常分配一个专用的控制信道和若干个共享业务信道。建网初期，节点通过控制信道交互控制信息，根据交互结果分配业务信道，从而实现业务的无碰撞通信。

目前所涉及到的多信道Mac层接入方法都是基于对称的信道：发送端可以同时在多个信道上发送数据，接收端也可以同时在多个信道上接收数据。然而，在基于单发多收的通信平台上，节点在发送状态时，同一时刻只能通过一个信道发送数据；处于接收状态时，可以同时接收四个频点的数据。为实现单发多收通信，需要一种基于单发多收信道的Mac层接入方法。

新的Mac层接入方案要求在单发多收信道的情况下，充分利用信道特性，实现节点在Mac层的频点分配、同步、感知，以及业务时隙分配工作。通过Mac层这一系列的工作流程，达到节点在业务时隙无碰撞传输的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种设计合理、工作稳定的基于单发多收信道的Mac层接入方案与硬件平台，在单发多收的硬件平台上实现Mac层同步、感知、业务时隙分配等功能。该方法要求节点在接收状态时，能够同时接收四个不同频点的消息，但发送状态时只能发送一个频点的消息。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于单发多收信道的Mac层接入方法，包括节点感知方法和业务时隙分配方法，分别由步骤S1和S2共2个步骤完成，其中：

所述步骤S1节点感知方法，完成节点的入网过程；

所述步骤S2业务时隙分配方法，完成节点对的业务时隙分配。

所述步骤S1又包含有步骤S11、S12和S13，共3个步骤，其中：

所述步骤S11完成节点的频点分配，根据网络中可用频点数和节点数目对节点划分频点；

所述步骤S12完成节点的时间同步，使得在时分复用的网络中所有节点达到时间对齐，然后进行正常的时隙工作；

所述步骤S13完成节点的邻居发现，保存邻居节点的ID号、频点号等信息。

一种基于单发多收的硬件平台，其平台包括：MAC层CPU板1，物理层基带处理板2，变频板3。

所述MAC层CPU板1，包括CPU11，收发频率控制12，发功率控制13，AGC控制14，SDRAM15，FLASH16，人机接口板17；

所述物理层基带处理板2，包括FPGA芯片21，DAC22，AGC控制23，FLASH24，以太网接口25，JTAG26，串口27；

所述变频板3包括FPGA芯片31，频合指示32，ADC33。

本发明基于单发多收的信道，提出了一种适合单发多收情况的Mac层接入方法。该方法可以充分利用信道多收的特性，同时接收多路信号，并且有效避免冲突，使网络容量达到最大化。

本发明在单发多收信道下进行Mac层接入，首先节点自动感知发现邻居节点，得知邻居节点的时间、频点等信息，进行时间同步以及邻居发现，形成局部拓扑结构，然后和邻居节点协商业务时隙，从而在传输业务消息时达到无碰撞的目的。

本发明提供的基于单发多收信道的平台，采用模块化结构设计，明确各模块功能以及模块之间的信号流向。

附图说明

图1本发明数字基带单元原理框图

图2本发明Mac接入方法流程图

图3本发明节点感知方法流程图

图4频点分配示意图

图5邻节点信息示意图

图6时隙-频率表结构示意图

图中符号说明：

1为MAC层CPU板，2为物理层基带处理板，3为变频板。

11为CPU芯片，12为收发频率控制，13为发功率控制，14为AGC控制，15为SDRAM，16为FLASH，17为人机接口板；

21为FPGA，22为DAC，23为AGC控制，24为FLASH，25为以太网接口，26为JTAG，27为串口；

31为FPGA，32为频合指示，33为ADC。

具体实施方式

请参阅图1至图6所示，为本发明具体实施例。

从图2至图6可以看出：

一种基于单发多收信道的Mac层接入方法，包括节点感知方法和业务时隙分配方法，分别由步骤S1和S2共2个步骤完成。

所述步骤S1节点感知方法，完成节点的入网过程；

所述步骤S2业务时隙分配方法，完成节点对的业务时隙分配。

所述步骤S1又包含有步骤S11、S12和S13，共3个步骤，其中：

所述步骤S11完成节点的频点分配。根据网络中可用频点数和节点数目对节点划分频点。网络中共有16个频点，f0至f15。节点采用智能天线，可以接收所有16个频段的信息，并且可以同时扫描并接收4个频点的数据。除此之外，节点还可以接收同一时刻同一频段的不同方向发来的数据包。但是同一时刻，节点只能在一个频点发送数据。为方便信道分配，Mac协议为每个节点都分配一个发射频率。针对32个节点的网络，每两个节点共用一个发射频点：节点0和节点1发射频率为f0，节点2和节点3发射频率为f1，依次类推。

所述步骤S12完成节点的时间同步，使得在时分复用的网络中所有节点达到时间对齐，然后进行正常的时隙工作。基于TDMA的Mac接入方式需要全网节点保持同步，才能按照帧结构正常工作。主节点不断发送时间信息，次节点收到主节点的时间信息，完成同步之后，进而扮演主节点的角色，发送时间信息，完成全网的时间同步。

1.主节点工作模式

主节点在开机时处于同步状态，按照帧结构进行工作。在感知时隙，同步节点的收发模式随机确定：

(1)发模式。主节点处于发模式时，采用全向天线以分配好的频率发送时间信息。

(2)收模式。主节点处于收模式时，选择四个频点侦听信道，接收该四个频段发来的消息；隔一段时间之后选择另外四个频点侦听信息，直至覆盖到所有频点。

2.次节点工作模式

次节点工作情况分两个阶段：

(1)次节点收到主节点信息前。次节点开机后一直处于收模式，每次选择四个频点侦听信道，隔一段时间之后选择另外四个频点侦听信息，直至覆盖到所有频点。

(2)次节点收到主节点信息后。此刻次节点就获得了主节点的粗略时间信息，次节点进入粗同步状态，时序上按照帧结构工作。此后次节点将“扮演”与主节点类似的角色，一方面重复主节点向其邻节点全发时间信息的过程，另一方面又向主节点发送探测码。收到次节点时间信息的节点(非主节点)也将重复次节点的过程不断进行时间的同步。

已获得主节点时间信息的次节点(此时次节点处于粗同步阶段)，将确定其为主节点一跳范围的节点，将与主节点建立拓扑网络层次结构，完成次节点到主节点间的时延探测与时间修正过程，最终完成次节点与主节点的时间同步。同理获得次节点时间信息的节点(下一级节点)也将重复以上过程，形成两跳、三跳等节点，最终形成整个网络的拓扑层次及完成各级节点的时间同步。

所述步骤S13完成节点的邻居发现，保存邻居节点的ID号、频点号等信息。所有的节点按照前面的收发模式和天线扫描方式进行工作，根据随机函数确定自己的收发状态：

处于发模式的节点以发送频率fi进行发送；

处于接收模式的节点以每次四个频点的方式侦听信道。

节点在感知过程中如果收到邻居节点的信息，会将其记录在邻节点信息表中。随后节点在全向发送广播的过程中，需要加入本节点已经发现的邻节点ID、发送频点等信息。

所述步骤S2业务时隙分配方法，完成节点对的业务时隙分配。每个节点都维护一张时隙-频率表SF(time slot and frequency)。SF[i].mode表明节点在该业务时隙的状态：空闲-0，发送-1，接收-2；SF[i].host表示该时隙与邻居节点的通信情况，长度为32位(针对最多32节点的网络)，若该时隙与id号为q的节点有通信，那么SF[i].host的第q位置为1，其余位置为零。以网络中任一节点p为例，假设节点p在Si时隙，要发送数据给节点q，那么节点p的SF[i].mode为1，SF[i].host的第q位置为1，节点处于发送状态时，只能在一个频点给一个目的节点发送数据，因此检测到SF[i].host为非零时就不能再安排其他目的节点；假设节点p在Sj时隙，要接收节点q的数据，那么节点p的SF[i].mode为2，SF[i].host的第q位置为1，节点处于接收状态时，可以接收不同的四个频点的数据，所以此时隙还可以接收其他不同频点发来的数据，那么需要将SF[i].host的相应位置设为1，但是要保证为1的个数不超过四个。

从图1可以看出，一种基于单发多收的平台包括：MAC层CPU板1，物理层基带处理板2和变频板3。其中：

所述MAC层CPU板1，用于处理MAC协议及业务控制，包括CPU 11，收发频率控制12，发功率控制13，AGC控制14，SDRAM15，FLASH16，人机接口板17；收发频率控制12、发功率控制13和AGC控制14通过A1、A2和A3与MAC层CPU板1进行交互，以及通过C5、C6和C7与变频板3进行交互；

所述物理层基带处理板2，用于编解码，包括FPGA芯片21，DAC22，AGC控制23，FLASH24，以太网接口25，JTAG26，串口27；DAC22，AGC控制23通过B7、B9与基带处理板2交互，以及通过C14、C15与L中频上下变频板3交互；以太网接口25通过B13与基带处理板2交互；

所述变频板3，用于将已调信号变换成通信所需频率，包括FPGA31，频合指示32，ADC33；频合指示32通过C1与MAC层CPU板1进行交互，ADC33通过C2与物理层基带处理板2进行交互。

值得说明的是本发明选用的主要元器件型号依次为：综合业务电路模件1上的FPGA芯片(Xilinx xc6vlx240t)，以太网驱动芯片(88e1111)，ADC芯片(AD9248BSTZ-65)，DAC芯片(AD9788BSVZ)，SRAM芯片(CY7C1069AV33-10ZI)，MAC层CPU板2上的CPU采用Inter凌动系列1.6GHZAtomZ530，芯片组采用Inter Poulsbo(US15W)SCH chipset，变频板模件3上的FPGA芯片(Xilinx xc3S250E144QFP)，其余为工业级元器件与精加工自制件。

以上实施例，仅为本发明的较佳实施例而已，用以说明本发明的技术特征和可实施性，并非用以限定本发明的申请专利权利；同时以上的描述，对于熟知本技术领域的专业人士应可明了并加以实施，因此，其他在未脱离本发明所揭示的前提下所完成的等效改变或修饰，均应包含在所述的申请专利范围之内。

Claims (2)

1.一种基于单发多收信道的MAC层接入方法，包括有节点感知方法S1和业务时隙分配方法S2，共2个步骤完成，其特征是：

所述步骤S1节点感知方法，用于完成节点的入网过程；

所述步骤S2业务时隙分配方法，用于完成节点对的业务时隙分配；

其中，所述步骤S1又包含频点分配S11，时间同步S12和邻居发现S13，共3个步骤，其中：

所述步骤S11完成节点的频点分配，用于将网络中可用频点数分配给各节点：网络中共有16个频点，f0至f15；节点采用智能天线，可以接收所有16个频段的信息，并且可以同时扫描并接收4个频点的数据；除此之外，节点还可以接收同一时刻同一频段的不同方向发来的数据包；但是同一时刻，节点只能在一个频点发送数据；为方便信道分配，Mac协议为每个节点都分配一个发送频率；针对32个节点的网络，每两个节点共用一个发射频点：节点0和节点1发射频率为f0，节点2和节点3发射频率为f1，依次类推；

所述步骤S12完成节点的时间同步，使得在时分复用的网络中所有节点达到时间对齐，然后进行正常的时隙工作；基于TDMA的Mac接入方式需要全网节点保持同步，才能按照帧结构正常工作；主节点不断发送时间信息，次节点收到主节点的时间信息，完成同步之后，进而扮演主节点的角色，发送时间信息，完成全网的时间同步；

所述步骤S13完成节点的邻居发现，保存邻居节点的ID号、频点号；所有的节点按照前面的收发模式和天线扫描方式进行工作，根据随机函数确定自己的收发状态：

处于发模式的节点以发送频率fi进行发送；

处于接收模式的节点以每次四个频点的方式侦听信道；

节点在感知过程中如果收到邻居节点的信息，会将其记录在邻节点信息表中；随后节点在全向发送广播的过程中，需要加入本节点已经发现的邻节点ID、发送频点信息；

所述步骤S2业务时隙分配方法，完成节点对的业务时隙分配；每个节点都维护一张时隙-频率表SF(timeslotandfrequency)：SF[i].mode表明节点在该业务时隙的状态：空闲-0，发送-1，接收-2；SF[i].host表示该时隙与邻居节点的通信情况，长度为32位，若该时隙与id号为q的节点有通信，那么SF[i].host的第q位置为1，其余位置为零；

其中，节点在发送状态时，同一时刻只能通过一个信道发送数据，节点处于接收状态时，可以同时接收四个频点的数据。

2.根据权利要求1所述的基于单发多收信道的MAC层接入方法，其特征在于，以网络中任一节点p为例，当节点p在Si时隙时，要发送数据给节点q，那么节点p的SF[i].mode为1，SF[i].host的第q位置为1，节点处于发送状态时，只能在一个频点给一个目的节点发送数据，因此检测到SF[i].host为非零时就不能再安排其他目的节点；当节点p在Sj时隙时，要接收节点q的数据，那么节点p的SF[i].mode为2，SF[i].host的第q位置为1，节点处于接收状态时，可以接收不同的四个频点的数据，所以此时隙还可以接收其他不同频点发来的数据，那么需要将SF[i].host的相应位置设为1，但是要保证为1的个数不超过四个。