CN107205262A - 一种基于无线自组织网络的数据传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，公开了一种基于无线自组织网络的数据传输方法及装置。用于解决节点入网同步速度慢、获得服务不及时，以及系统容量损失问题。该方法为，设计了一种新的无线帧结构，该无线帧结构为：至少包含有一个数据块以及包含一个GAP，其中，一个数据块中包含有一个同步头以及若干数据符号。采用这种无线帧结构，竞争访问节点发送的数据信号的总时长和GAP的持续时长均可变，从而可以最大化地利用时隙资源，避免采用固定的无线帧结构所造成的系统容量损失；同时，可以在发送数据信号的同时完成时间同步，这不但加快了数据收发速度，同时也避免使用同步测量信道，从而不会发生无法及时得到服务的情况，也不会损失系统容量。

Description

一种基于无线自组织网络的数据传输方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种基于无线自组织网络的数据传输方法及装置。

背景技术

移动自组织网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，是移动计算机网络的一种，用户终端可以在网内随意移动而保持通信。作为一种分布式网络，移动自组织网络是一种自治、多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，能够在不能利用或者不便利用现有网络基础设施(如，基站、AP)的情况下，提供终端之间的相互通信。

移动自组织网络能够利用移动终端的路由转发功能，在无基础设施的情况下进行通信，从而弥补了无网络通信基础设施可使用的缺陷。由于终端的发射功率和无线覆盖范围有限，因此距离较远的两个终端如果要进行通信就必须借助于其它节点进行分组转发，这样节点之间构成了一种无线多跳网络。

目前，基于时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)的自组织无线帧结构如图1所示。从图1可看出，每个无线帧由K个时隙构成，每个时隙是等时长的，且在每个时隙后部有一个固定时长的保护间隔(GAP)。

基于TDMA的自组网无线帧结构下，新入网节点首先必须先读取到广播信息，获得关于网络路由、同步测量时隙位置等信息；其次，必须获得与在网节点的时间同步，可通过北斗、GPS等外部时钟实现节点间同步，也可通过环回路径时延(Round Trip Time，RTT)等方案实现节点间同步，这与移动通信中的终端到基站的同步不同，基站下各终端的发送时间点并不同步，而是终端根据距离基站的远近调整发送时间提前量；最后，新入网节点通过资源协商获得分配的时隙资源后即可收发数据。

基于TDMA的自组网无线帧结构下各个节点之间必须进行时间同步，并为每对节点间的通信分配不重叠的时隙资源，从而才能保证发送时隙间信号不互相干扰。在一个无线帧中，设置若干时隙作为同步测量时隙，并采用基于RTT的方案实现新入网节点的时间同步过程。参阅图2所示，作为时间基准节点的在网节点和新入网节点有各自的本地时钟基准，时间同步过程的目的就在于将入网节点的本地时钟基准对齐到时间基准节点的本地时钟基准，即计算出T0并调整入网节点的本地时钟基准。首先，入网节点在同步测量时隙发送同步请求消息，由时间基准节点测量该同步请求消息与本地时钟基准间的时长为T1；其次，时间基准节点在另一同步测量时隙发送同步响应消息，由入网节点测量该同步响应消息与本地时钟基准间的时长为T2；最后，在假设同步请求消息和同步响应消息经历的传播时延相等的前提下，可得T1-T0＝T0+T2，即T0＝(T1-T2)/2，且传播时延＝T1-T0＝T2+T0＝(T1+T2)/2。

另一方面，现有的无线帧中的GAP的用途如下：

1)用于确保上个时隙的信号不会干扰下个时隙的接收。

例如，参阅图3所示，按照TDMA，假设时隙1分配给了节点A到节点B方向，时隙2分配给了节点B到节点C方向，则时隙1后的GAP的意义在于，当节点C开始接收的时候，时隙1的信号已经传播到足够远处(超过了节点A到节点C对应的信号传播距离)，从而节点A发出的时隙1信号不会对节点C接收的时隙2信号造成干扰。

通常，记使得上个时隙的信号不会干扰下个时隙的GAP最小时长为Tn。

2)用于确保节点完成从接收状态到发送状态的转换。

参阅图3所示，节点B在时隙1是接收状态，但在时隙2却是发送状态，为确保节点B完成的对应射频模块和基带模块的收发状态转换，需要在时隙1后留有足够长的GAP。

通常，记收发状态转换需要的GAP最小时长为Tm。

有此可见，现有基于TDMA的无线自组网技术下，新入网节点为实现收发数据必须先与在网节点完成时间同步。在不能使用北斗或GPS的情况下，新入网节点采用基于RTT的时间同步方案时，为了尽快实现时间同步，需要使用较多的同步测量信道来竞争同步机会，而使用的同步测量信道的数目越多，系统容量的损失就越大，相反的，使用的同步测量信道的数目越少，新入网节点接收网络且实现同步的速度就越慢，无法及时获得服务。

特别对于短数据业务，每次传输的数据量很少，往往就是1个坐标点信息或集群PTT(Push To Talk)呼叫的一次简单应答，而竞争访问同步测量信道获得同步后再发送数据信号的方式使得信道使用效率低、时延大。

并且现有的无线帧结构下，没有考虑发射信号的实际强度，通过采用固定时长的GAP来确保信号传输到足够远处的方式，虽然避免了干扰，但损失了系统容量。

发明内容

本发明实施例提供一种基于无线自组织网络的数据传输方法及装置，用以解决现有技术中存在的TDMA自组网络帧结构下节点入网同步速度慢、获得服务不及时的问题，以及解决固定时长的保护间隔(GAP)带来的系统容量损失问题。

本发明实施例提供的具体技术方案如下：

一种基于无线自组织网络的数据传输方法，包括：

竞争访问节点接收在网节点发送的广播信号，该广播信号中携带有竞争访问时隙组资源信息；

竞争访问节点生成数据信号，并在所述竞争访问时隙组资源信息对应的竞争访问时隙组上，向所述在网节点发送所述数据信号，所述数据信号的无线帧结构为：至少包含有一个数据块以及包含一个保护间隔GAP，其中，一个数据块中包含有一个同步头以及若干数据符号；

竞争访问节点接收所述在网节点基于所述数据信号发送的反馈信号，根据所述反馈信号确定竞争成功时，确认与所述在网节点完成时间同步以及完成数据传输。

可选的，竞争访问节点生成数据信号，包括：

根据接收到的所述广播信号，确定所述数据信号的总时长，以及确定所述数据信号中保护间隔GAP的持续时长；

基于所述数据信号的总时长和GAP的持续时长，按照所述无线帧结构，根据待发送数据生成相应的数据信号。

可选的，竞争访问节点根据所述广播信号，确定所述数据信号的总时长，包括：

根据所述广播信号的路损，确定所述在网节点和所述竞争访问节点之间的实际传播时延；

根据所述广播信号通知的信息，确定竞争访问时隙组包含的时隙数目；

根据所述实际传播时延，所述时隙数目，以及预设的每个时隙的持续时长，确定所述数据信号的总时长。

可选的，竞争访问信号根据广播信号，确定所述数据信号中GAP的持续时长，包括：

根据所述广播信号的路损，结合使用的调制编码等级，确定数据信号的发送功率；

确定预设的低功率门限，以及基于所述低功率门限和所述数据信号的发送功率，计算令数据信号衰减到所述低功率门限且不会干扰到下个时隙的GAP的第一最小时长；

根据广播信号通知的网络最大覆盖距离，计算发送数据信号达到覆盖边缘所需的第二最小时长；

确定收发状态转换需要的GAP的第三最小时长；

采用预设规则，从所述第一最小时长、所述第二最小时长和所述第三最小时长中，选取一个作为所述数据信号中GAP的持续时长。

可选的，竞争访问节点生成相应的数据信号时，具体包括：

基于所述无线帧结构生成所述数据信号，其中，

若所述数据信号中仅包括一个数据块，则所述一个数据块中包括一个同步头以及Q1个数据符号，其中，Q1≤L，L是预设的常数；

若所述数据信号中包括至少两个数据块，则除最后一个数据块之外的每一个数据块中均包括一个同步头及L个数据符号，最后一个数据块中包括一个同步头及Q2个数据符号，其中，各个数据块之间设置间隔时长，Q2≤L，L是预设的常数。

可选的，竞争访问节点根据接收到的反馈信号确定竞争成功，包括：

确定接收到的反馈信号中携带有所述竞争访问节点的编号且指示所述数据信号检测成功时，确定竞争成功。

可选的，进一步包括：

竞争访问节点确定竞争成功时，将自身的数据信号的发送时间与所述在网节点进行对齐。

可选的，进一步包括：

竞争访问节点确定接收到的反馈信号中未携带有所述竞争访问节点的编号但指示所述数据信号检测成功时，确定竞争失败，并继续监听所有在网节点发送的广播信号；或者，

竞争访问节点确定接收到的反馈信号中未携带有所述竞争访问节点的编号且指示所述数据信号检测失败时，确定竞争失败，并在等待设定时长后，继续监听所有在网节点发送的广播信号。

一种基于无线自组织网络的数据传输装置，包括：

第一处理单元，用于接收在网节点发送的广播信号，该广播信号中携带有竞争访问时隙组资源信息；

第二处理单元，用于生成数据信号，并在所述竞争访问时隙组资源信息对应的竞争访问时隙组上，向所述在网节点发送所述数据信号，所述数据信号的无线帧结构为：至少包含有一个数据块以及包含一个保护间隔GAP，其中，一个数据块中包含有一个同步头以及若干数据符号；

第三处理单元，用于接收所述在网节点基于所述数据信号发送的反馈信号，根据所述反馈信号确定竞争成功时，确认与所述在网节点完成时间同步以及完成数据传输。

可选的，生成数据信号时，所述第二处理单元用于：

根据接收到的所述广播信号，确定所述数据信号的总时长，以及确定所述数据信号中保护间隔GAP的持续时长；

基于所述数据信号的总时长和GAP的持续时长，按照所述无线帧结构，根据待发送数据生成相应的数据信号。

可选的，根据所述广播信号，确定所述数据信号的总时长时，所述第二处理单元用于：

根据所述广播信号的路损，确定所述在网节点和所述竞争访问节点之间的实际传播时延；

根据所述广播信号通知的信息，确定竞争访问时隙组包含的时隙数目；

根据所述实际传播时延，所述时隙数目，以及预设的每个时隙的持续时长，确定所述数据信号的总时长。

可选的，根据广播信号，确定所述数据信号中GAP的持续时长时，所述第二处理单元用于：

根据所述广播信号的路损，结合使用的调制编码等级，确定数据信号的发送功率；

确定预设的低功率门限，以及基于所述低功率门限和所述数据信号的发送功率，计算令数据信号衰减到所述低功率门限且不会干扰到下个时隙的GAP的第一最小时长；

根据广播信号通知的网络最大覆盖距离，计算发送数据信号达到覆盖边缘所需的第二最小时长；

确定收发状态转换需要的GAP的第三最小时长；

采用预设规则，从所述第一最小时长、所述第二最小时长和所述第三最小时长中，选取一个作为所述数据信号中GAP的持续时长。

可选的，生成相应的数据信号时，所述第二处理单元用于：

基于所述无线帧结构生成所述数据信号，其中，

若所述数据信号中仅包括一个数据块，则所述一个数据块中包括一个同步头以及Q1个数据符号，其中，Q1≤L，L是预设的常数；

若所述数据信号中包括至少两个数据块，则除最后一个数据块之外的每一个数据块中均包括一个同步头及L个数据符号，最后一个数据块中包括一个同步头及Q2个数据符号，其中，各个数据块之间设置间隔时长，Q2≤L，L是预设的常数。

可选的，根据接收到的反馈信号确定竞争成功，所述第三处理单元用于：

确定接收到的反馈信号中携带有所述竞争访问节点的编号且指示所述数据信号检测成功时，确定竞争成功。

可选的，所述第三处理单元进一步用于：

确定竞争成功时，将自身的数据信号的发送时间与所述在网节点进行对齐。

可选的，所述第三处理单元进一步用于：

确定接收到的反馈信号中未携带有所述竞争访问节点的编号但指示所述数据信号检测成功时，确定竞争失败，并继续监听所有在网节点发送的广播信号；或者，

确定接收到的反馈信号中未携带有所述竞争访问节点的编号且指示所述数据信号检测失败时，确定竞争失败，并在等待设定时长后，继续监听所有在网节点发送的广播信号。

本发明实施例中，设计了一种新的基于TDMA的自组网无线帧结构，该无线帧结构为：至少包含有一个数据块以及包含一个GAP，其中，一个数据块中包含有一个同步头以及若干数据符号。这种无线帧结构可支持多个竞争访问节点同时竞争访问指定的竞争访问时隙组资源；采用这种无线帧结构，竞争访问节点发送的数据信号的总时长和GAP的持续时长均可变，即两者均可随网络最大覆盖距离和信号强度的变化而变化，从而可以最大化地利用时隙资源，避免采用固定的无线帧结构所造成的系统容量损失；同时，采用上述无线帧结构，可以在发送数据信号的同时完成时间同步，这不但加快了数据收发速度，同时也避免使用同步测量信道，从而不会发生无法及时得到服务的情况，也不会损失系统容量。

附图说明

图1为现有技术下TDMA的自组织无线帧结构示意图；

图2为现有技术下基准节点和新入网节点的时间同步过程示意图；

图3为现有技术下无线帧中GAP用途示意图；

图4为本发明实施例中无线帧结构示意图；

图5为本发明实施例中通过广播信号通知竞争时隙组资源和反馈资源示意图；

图6为本发明实施例中广播信号和反馈信号的结构示意图；

图7为本发明实施例中数据信号的结构示意图；

图8为本发明实施例中基于无线自组织网络进行数据传输流程图；

图9－图12为本发明实施例中竞争访问节点的竞争访问收发时序示意图；

图13－图14为本发明实施例中数据信号中数据部分的结构示意图；

图15为本发明实施例中竞争访问节点功能结构示意图。

具体实施方式

为了现有技术中存在的TDMA自组网帧结构下节点入网同步速度慢、获得服务不及时的问题，以及解决固定时长的GAP带来的系统容量损失问题。本发明实施例中，针对竞争时隙资源的节点，设计了一种全新的无线帧结构，该无线帧结构可支持多个竞争访问节点竞争访问指定时隙资源。

下面结合附图对本发明优选的实施方式作出进一步详细说明。

首先需要对本发明实施例采用的一些技术名词进行介绍。

在网节点：通过RTT过程或北斗、GPS方式已获得节点间时间同步，并通过自组织网络的资源分配过程已获得广播时隙的节点；

待入网节点：未完成节点间时间同步的节点；

竞争访问节点：未完成节点间时间同步的节点，以及虽然完成了时间同步过程，但尚未分配到专用时隙资源的节点；竞争访问节点包括了待入网节点。

参阅图4所示，本申请实施例中，提出了一种基于TDMA的无线帧结构，1个帧由Ns个时隙构成，时隙用来传输信号，且1个时隙可以仅承载1个数据块和1个GAP，也可以联合多个连续时隙承载多个数据块和1个GAP；其中，一个数据块包括了1个同步头和多个数据符号；信号发送时长和GAP时长均可变。

另一方面，本实施例中，在TDMA的时隙资源内，定义如下时隙类型实现竞争访问节点的快速数据收发，从而能及时获得服务：

1、广播时隙：在网节点通过资源分配过程获得对应的广播时隙，在广播时隙中发送广播信号，广播信号包括帧号和时隙号信息、竞争访问时隙组资源信息、反馈时隙资源信息、网络最大覆盖范围、广播信号的发送功率等等；该广播时隙的发送方是在网节点，接收方包括在网节点和竞争访问节点；广播时隙发送的广播信号在后续实施例中称为信号①。

2、竞争访问时隙组：在TDMA的时隙资源中，周期性的选择若干时隙作为竞争访问时隙组，而剩下的时隙仍作为专用时隙，由已完成入网同步的节点根据资源分配策略申请使用；该竞争访问时隙组的发送方是竞争访问节点，接收方是在网节点；竞争访问时隙组中发送的数据信号称为信号②。

可选的，为实现灵活安排时隙，并保证竞争访问节点在接收广播信号后有足够的处理时间，设置竞争访问时隙组距离广播时隙的第一偏移时隙数为Y，即竞争访问时隙组可紧跟在广播时隙后，也可延迟Y个时隙；Y＝1表示竞争访问时隙组紧跟在广播时隙后，Y≥1的情况表示延迟发送。

可选的，设置竞争访问时隙组的时隙数为i，即竞争时隙持续时长为i*U，U表示每个时隙的持续时长。

3、反馈时隙：针对每个竞争访问时隙组设置一个反馈时隙，反馈时隙传输的反馈信号包括广播信号时隙号(对应相应的竞争访问时隙组)、竞争访问时隙中的数据检测校验结果、竞争访问节点编号、竞争访问节点的同步偏差时长等等；反馈时隙与广播时隙(对应相应的竞争访问时隙组)的间隔为m个时隙，也称第二偏移时隙m，m的取值由在网节点的处理能力确定，且m>Y；该时隙的发送方是在网节点，接收方是竞争访问节点；反馈时隙发送的反馈信号称为信号③。

在网节点利用广播时隙向竞争访问节点发送竞争访问时隙资源信息，竞争访问节点在相应的竞争访问时隙组上竞争地发送信号，并在反馈时隙上接收在网节点发送的反馈信号。

例如，参阅图5所示，在网节点于时隙2发送广播信号，Y＝3表示从时隙5开始为竞争访问时隙组，i取值1、2、3分别指示3种情况：时隙5用于竞争时隙组；时隙5和6都用于竞争时隙组；时隙5、时隙6和时隙7都用于竞争时隙组；竞争访问节点竞争使用竞争时隙组，即在竞争时隙组向在网节点发送数据信号，并在时隙9接收来自在网节点的反馈信号，即m＝7。

进一步地，本发明实施例中，给出广播时隙中的信号①、竞争访问时隙组中的信号②、反馈时隙中的信号③的信号结构，实现可变的信号时长和保护间隔时长。

通常，记每个时隙的持续时长为U，同步头的持续时长为Tp，每数据符号持续时长为Tb。

信号①和信号③的持续时长均为1个时隙，信号结构见图6所示，即由同步头和M个数据符号构成，数据符号M后为GAP。同步头可以是一个固定长度的Zadoff-Chu(ZC)序列，序列表示为0≤n≤N_ZC-1，其中N_ZC表示ZC序列长度，u是ZC序列的物理根序列号；ZC序列具有很好的自相关特性和很低的互相关性，是常用的同步序列；数据符号可以是正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)符号、单载波频分多址(Single Carrier-Frequency Division Multiplexing Access，SC-FDMA)符号、单载波频域均衡(Single Carrier-Frequency Domain Equalization，SC-FDE)符号等调制形式。

M取自固定常数集合{a，b，c}，由同步头携带的信息指示，M取值a时采用物理根序列号u1的ZC序列，M取值b时采用物理根序列u2的ZC序列,M取值c时采用物理根序列u3的ZC序列；且信号①和信号③的数据符号采用竞争访问节点已知的固定调制编码方式。

信号②的信号结构如图7所示，信号②可包括N个时隙，信号由同步头和若干个数据符号组成，Ts表示信号②持续时长，本发明实施例中，存在给出了2种类型的信号持续时长Ts。

第一种：Ts<U。即发送1个同步头和Q个数据符号后的时隙剩余时间用作保护间隔GAP，Q≤L

第二种：Ts≥U。即N个时隙同时分配给同一个节点发送较多数据的场景，此时只在最后一个时隙后设置1个GAP；同时，在跳频时由于频率传播差异需要依靠同步头实现重同步，超高速移动时仅依靠一次同步也无法保证性能，所以在信号持续时长内设置多个同步头，除第一个同步头外，每L个数据符号增加一个同步头，以增强同步性能，同步头与数据符号L在时间上可以不连续，间隔时长为Tk；最后一个同步头后的数据符号数Q≤L。

基于上述无线帧结构和可变时长信号结构，本发明实施例设计了一种新的基于无线自组织网络进行数据传输的流程，在该流程中，竞争访问时隙组资源中传输的数据信号(包括数据部分和GAP)的时长可随覆盖范围和发送信号强度变化，从而实现吞吐量提升，并保证不对其他节点的通信产生干扰。参阅图8所示，上述流程具体如下：

步骤800：竞争访问节点在广播时隙接收到邻近的在网节点发送的广播信号。

本发明实施例中，信号①是从邻近的在网节点发出的广播信号；信号②是竞争访问节点发送的数据信号；信号③表示对应该数据信号的反馈信号。

本发明实施例中，竞争访问节点在竞争系统中的时隙资源时，不再使用同步测量信道，则是直接在竞争时隙资源组发送数据信号进行竞争，竞争成功的同时，完成时间同步和数据发送，这样，由于不再使用同步测量信道，因此，既不会发生无法及时得到服务的情况，也不会损失系统容量。

具体的，假设信号①的结构如图6所示，竞争访问节点不断检测信号①的同步头，当同步头采用ZC序列时，检测方法是采用物理根序列号分别为u1、u2和u3的ZC序列进行相关操作，根据检测到的物理根序列号得到M对应取值，并对后续数据符号进行检测，ZC序列相关检测和数据符号检测方法均为现有公知技术。

步骤801：竞争访问节点基于接收到的广播信号的通知，获得第一偏移时隙数Y，再基于承载广播信号的时隙的位置以及该第一偏移时隙数Y，确定竞争访问时隙组的资源位置。

步骤802：竞争访问节点基于接收到的广播信号，确定需要生成的数据信号的总时长。

具体的，竞争访问节点可以根据广播信号的路损，确定在网节点和竞争访问节点之间的实际传播时延，以及根据广播信号通知的信息，确定竞争访问时隙组包含的时隙数目，再根据上述实际传播时延，时隙数目，以及预设的每个时隙的持续时长，确定数据信号的总时长。

具体的，本实施例中，采用符号Ф表示邻近的在网节点与竞争访问节点之间的实际传播时延，由于信号①和信号②的时间间隔较短，从邻近的在网节点到竞争访问节点，与从竞争访问节点到邻近的在网节点的传播路径没有改变，即在2个方向上的传播时延是相等的，Ф的初值设为无效值；

通常情况下，信号①携带了作为发送方的竞争访问节点的节点编号、竞争访问时隙组占用时隙距离广播时隙的第一偏移时隙数Y、反馈时隙与广播时隙(对应该竞争访问时隙组)的第二偏移时隙数m、网络最大覆盖距离(maxDist)、竞争访问时隙组包含的时隙数目i。

竞争访问节点接收到信号①后，会根据其携带的各类参数，计算接x[i]＝-n*Ф+i*U；其中，x[i]表示信号②(包括GAP)的累计最大持续时长；Ф是邻近的在网节点与竞争访问节点之间的实际传播时延，如果Ф当前为无效值，则令Φ＝10^{((PL+27.56-20logf)/20)}/300；300米/微秒为光速常数，PL表示信号①的路损，单位为dB；f表示频率，单位是兆赫兹(MHz)；若竞争访问节点为待入网节点，则n取2，若竞争访问节点为已完成节点间时间同步的竞争访问节点，则n取1。

例如，根据竞争访问节点与在网节点间距离，不同的信号发送时序如图9－图12所示，图9和图10分别对应了“待入网节点与在网节点之间为近距离”和“已完成时间同步的节点与在网节点之间为近距离”的两种情况，图11对应了“待入网节点与在网节点之间为中等距离”的情况，图12对应了“待入网节点与在网节点之间为远距离”的情况，支持更远距离的情况可依此类推。

图9中假设给出了信号②与信号①的时隙偏移数Y＝1(即紧跟着的下一时隙即可使用竞争访问时隙组)，以及第一偏移时隙数Y＝5的情况，这种情况下，竞争访问节点将以接收信号①为起始节拍点，节拍点间隔为每个时隙的持续时长U，竞争访问节点以节拍点记数第一时隙偏移数Y，并发送信号②，发送的信号②到达在网节点的时间位置延迟了2Ф，因此，n取2；图10假设给出了已完成时间同步的节点的收发时序，由于已完成了时间同步，竞争访问节点的发送节拍点是与在网节点一致的，从而发送的信号②到达在网节点的时间位置仅延迟了Ф，因此，n取1。因此，图9中x[1]＝U-2Ф，x[2]＝2U-2Ф，x[3]＝3U-2*Ф；图10中x[1]＝U-Ф，x[2]＝2U-Ф，x[3]＝3U-Ф；图11中x[2]＝2U-2Ф，x[3]＝3U-2Ф；图12中x[3]＝3U-2Ф，x[4]＝4U-2Ф，x[5]＝5U-2Ф。

步骤803：竞争访问节点基于接收到的广播信号，确定需要生成的数据信号中GAP的持续时长。

本实施例中，信号①中携带的信息还包括：信号①的发送功率Ps；竞争访问节点计算信号①的接收功率Pr，从而计算得到路损PL＝Ps-Pr，Ps、Pr的单位为dBm，PL的单位为dB；接着，竞争访问节点可根据网络最大覆盖距离、x[i]、PL计算得到数据信号中GAP的持续时长Tg。

具体的计算过程介绍如下：

首先，假设竞争访问节点对于信号②的发送功率为Pns，发送带宽为设定值B，Pns可根据竞争访问节点发送数据时使用的调制编码等级、路损PL等因素确定，一般地，采用的调制编码等级越低，路损PL越小，则信号②需要的发送功率Pns也越小，Pns的取值可由多种功率控制方案确定，不在本发明的范围内；B的单位为赫兹(Hz)。

其次，竞争访问节点计算获得以下信息：使得竞争访问节点发送的数据信号衰减到预设的低功率门限THP时，不会干扰下个时隙的GAP的第一最小时长Tt：d＝Tt*300对应的信号传播距离，假设信号②的路损为PLn，需满足PLn>＝(Pns-(THP+10logB))，PLn可采用自由空间路损模型获得，即PLn＝20logf+20logd-27.56，其中f的单位是兆赫兹(MHz)，d的单位是米；Tt的单位是us，常数300表示光速常数300米/微秒。典型的，THP可采用最小热噪声常数-174dbm/hz，THP的单位是dbm；即：Tt的计算公式为Tt＝10^{((Pns-THP-10logB+27.56-20logf)/20)}/300。

再次，竞争访问节点根据广播信号通知的网络最大覆盖距离，计算发送数据信号达到最远覆盖边缘所需的第二最小时长Td。其中，当GAP的时长超过Td时，可保证不会影响下个时隙的收发：Td＝maxDist/300，Td的单位为微秒。

最后，竞争访问节点根据计算获得的Tt，Td，以及Tm(即预设的收发状态转换需要的GAP的第三最小时长，基于预设规则选取一个作为Tg。

可选的，Tg＝max(min(Tt，Td)，Tm)。

当然，上述计算方式仅为一种较佳的选择，广播信息中可以携带各类参数，根据参数的不同，竞争访问节点也可以选择其他方式来确定GAP的持续时长，上述技术方案仅为举例，在此不再赘述。

步骤804：竞争访问节点基于数据信号的总时长，GAP的持续时长，参考预设的无线帧结构，生成相应的数据信号。

本实施例中，所谓的预设的无线帧结构，即是如图7所示的帧格式，即至少包含有一个数据块以及包含一个GAP，其中，一个数据块中包含有一个同步头以及若干数据符号。

另一方面，本实施中，在生成数据信号时，均是在“数据信号的总时长≥一个的同步头持续时长、一个数据符号的持续时长和GAP的持续时长之和”的情况下，即x[i]<(Tp+Tb+Tg)的情况下执行的。

这是因为，假设数据信号的总时长＜一个同步头的持续时长、一个的数据符号持续时长和GAP的持续时长之和，即x[i]<(Tp+Tb+Tg)，其中Tp为1个同步头的持续时长，Tb为一个数据符号的持续时长，Tg为GAP的持续时长，在这种情况下，由于信号②的总时长太短，无法携带有效数据，因此，竞争访问节点不再执行发送信号②的动作，并继续继续监听其他邻近的在网节点发送的广播信号；或者，采取现有技术的利用同步测量信道、北斗时钟源等获得同步后，协商专用时隙资源后发送信号信号②。

此时，由于之前已经获知信号②的总时长(包括GAP)为x[i]，则信号②的数据部分持续时长为：Ts＝x[i]-Tg，具体的信号②的数据部分的结构如下：

若信号②中仅包括一个数据块，则该一个数据块中包括一个同步头以及Q1个数据符号，其中，Q1≤L，L是预设的常数，具体如图13所示；

若信号②中包括至少两个数据块，则除最后一个数据块之外的每一个数据块中均包括一个同步头及L个数据符号，最后一个数据块中包括一个同步头及Q2个数据符号，其中，各个数据块之间设置间隔时长，Q2≤L，L是预设的常数，具体如图14所示。

例如，如图14所示，考虑数据块之间可能存在跳频等操作所需要的硬件切换时间开销，可选的，在数据块之间设置间隔时长Tk，可支持的数据块的数目记为Nn，则Nn需满足(Ts-(Nn-1)*Tk)>＝((Nn-1)*(Tp+L*Tb)+Tp+Tb)，则信号②包括的数据块数目且

步骤805：竞争访问节点在竞争访问时隙组的资源位置向在网节点发送数据信号。

具体的，竞争访问节点将本节点编号、信号①的帧号和时隙号、信号②的调制编码方式、功率等级、Nn、Q1或Q2携带在第1个同步头及其随后的数据符号中，携带方式可位于同步头的序列特征，以及作为数据符号传输的内容等方式，具体携带方式非本发明范围。

另一方面，竞争访问节点将信号②发送到空口，空口的起始位置由广播信号携带的上述“第一偏移时隙数Y”确定：竞争访问节点通过搜索信号①的同步头来确定信号①的起始时间位置，从该起始位置起，按照偏移时长(Y*U)确定发送信号②的起始时间点。

步骤806：在网节点根据第一偏移时隙数Y，接收到竞争访问节点发送的数据信号。

具体的，邻近的在网节点发送了信号①后，根据第一偏移时隙数Y，从信号①所在广播时隙后的第Y个时隙头开始做同步头检测，并持续检测时长i*U，根据检测到的同步头及其后数据符号携带的信息，确定信号②起始位置、持续时长和信号结构，从而完成信号②的检测流程；同时，检测到第1个同步头的位置可确定n*Ф对应的时长，从而确定信号处理时延。

步骤807：在网节点在反馈时隙中向竞争访问节点发送反馈信号。

具体的，在网节点在后续的反馈时隙中发送反馈信号，即信号③，信号③包括：信号①的帧号和时隙号、该信号①对应的信号②中携带的竞争访问节点编号、信号②的数据检测校验结果、同步偏差时长Фa＝n*Ф；

步骤808：竞争访问节点接收到反馈信号后，根据反馈信号的指示内容确定竞争成功时，确认与在网节点完成时间同步以及完成数据传输。

实际应用中，可以有多个竞争访问节点同时向在网节点发送信号②，以争取竞争访问时隙组的资源使用资格，在网节点会将竞争成功的竞争访问节点的编号携带在信号③中发往相应的竞争访问节点，而各个竞争访问节点可以在发送信号②后，按照第二偏移时隙数m，从信号①的起始时间位置偏移时长(m*U)开始检测信号③。根据信号③的检测结果，可以分为竞争成功和竞争失败两种情况，具体介绍如下：

1、竞争成功。

如果竞争访问节点检测到信号③中指示的竞争访问节点的编号与本竞争访问节点相同，且指示对应信号②的数据检测校验结果成功，那么竞争访问节点确定竞争成功，此时，竞争访问节点的本次数据传输发送过程结束，同时，竞争访问节点也完成了入网时间同步过程。

具体的：判断如果n＝2，则该竞争访问节点调整本地发送时间节拍与在网节点对齐，即后续数据的发送相比上一次信号②的发送提前((Фa)/2)，同时设置n＝1，并更新竞争访问节点与在网节点之间的实际传输时延Ф＝((Фa)/2)，并设置Ф生存周期为定时器Tf，Tf超时前，如果Ф未更新，则设置Ф为无效值。

2、竞争失败。

1)如果信号③中指示信号②的数据检测校验结果失败，那么竞争访问节点确定竞争失败，此时，竞争访问节点将继续监听邻近节点的信号①。因为，竞争失败说明可能存在多个竞争访问节点的竞争访问信道，为避免冲突，按照公知的二进制指数退避算法等待相应时长后，继续监听邻近的在网节点的信号①并并重复上述过程直到竞争成功。

2)如果信号③中指示信号②的数据检测校验结果成功，但竞争访问节点的编号与本竞争访问节点不同，那么竞争访问节点确定竞争失败，此时竞争访问节点不进行时间退避，继续监听邻近的在网节点的信号①直到竞争成功。

基于上述实施例，下面采用一个具体的应用场景对上述实施例作出进一步详细说明。

例如，某待入网节点A欲发送数据，并接收到邻近的在网节点B的信号①；信号①的内容指示该网络的最大覆盖范围为20km，U＝500us，Y＝1，i＝1,且待入网节点A计算得到信号①的PL＝110db，f＝1000MHz，则x[1]＝U-2*10^{((110+27.56-20log1000)/20)}/300＝449.7us，即表示在信号①后紧随的时隙中可有449.7us用于信号②的发送。假设，信号②的发送功率为10dbm(即待入网节点A比较接近发送广播的在网节点B)，B＝20MHz，信号②后的GAP长度应达min(20000/300，8472/300)＝28.24us。

(20log(f*d)-27.56)>＝(+10dbm-(-174+10*log20000000))，即

(20log(f*d)-27.56)>＝(+10dbm-(-101))，则d＝8472米；

设L＝7，且同步头长度＝数据符号长度＝(500/7)us，则((449.7-28.24)-(500/7))/(500/7)＝4.9，表示信号②结构为1个同步头和4个数据符号构成。

待入网节点A将按照上述无线帧结构组成信号组织信号②并发送到空口；由于i＝1，发送广播信号的邻近的在网节点B从发送信号①后的紧随时隙即开始检测，检测持续1个时隙，根据检测到的同步头可确定信号起始位置，根据同步头后的数据符号携带的Nn＝1、Q1＝4参数信息可确定信号持续时长，从而完成信号②的检测流程；如果成功检测，则在网节点B将信号①的发送帧号和时隙号、信号②中携带的待入网节点的编号、信号②的数据符号检测校验结果、同步偏差时长(设为Фa＝30us)等利用信号③下发，待入网节点A在成功接收信号③后，根据同步偏差时长调整本地发送时间节拍对齐到网络，当待入网节点A再向在网节点B发送信号②时的信号持续时长x[1]＝U-1*(30/2)＝485us，类似方式计算((485-28.24)-(500/7))/(500/7)＝5.39，即可支持的信号②结构为1个同步头和5个数据符号构成。

基于上述实施例，参阅图15所示，本发明实施例中，竞争访问节点至少包括第一处理单元151、第二处理单元152和第三处理单元153，其中：

第一处理单元151，用于接收在网节点发送的广播信号，该广播信号中携带有竞争访问时隙组资源信息；

第二处理单元152，用于生成数据信号，并在所述竞争访问时隙组资源信息对应的竞争访问时隙组上，向所述在网节点发送所述数据信号，所述数据信号的无线帧结构为：至少包含有一个数据块以及包含一个保护间隔GAP，其中，一个数据块中包含有一个同步头以及若干数据符号；

第三处理单元153，用于接收所述在网节点基于所述数据信号发送的反馈信号，根据所述反馈信号确定竞争成功时，确认与所述在网节点完成时间同步以及完成数据传输。

可选的，生成数据信号时，第二处理单元152用于：

根据接收到的所述广播信号，确定所述数据信号的总时长，以及确定所述数据信号中GAP的持续时长；

基于所述数据信号的总时长和GAP的持续时长，按照所述无线帧结构，根据待发送数据生成相应的数据信号。

可选的，根据所述广播信号，确定所述数据信号的总时长时，第二处理单元152用于：

根据所述广播信号的路损，确定所述在网节点和所述竞争访问节点之间的实际传播时延；

根据所述广播信号通知的信息，确定竞争访问时隙组包含的时隙数目；

根据所述实际传播时延，所述时隙数目，以及预设的每个时隙的持续时长，确定所述数据信号的总时长。

可选的，根据广播信号，确定所述数据信号中GAP的持续时长时，第二处理单元152用于：

根据所述广播信号的路损，结合使用的调制编码等级，确定数据信号的发送功率；

确定预设的低功率门限，以及基于所述低功率门限和所述数据信号的发送功率，计算令数据信号衰减到所述低功率门限且不会干扰到下个时隙的GAP的第一最小时长；

根据广播信号通知的网络最大覆盖距离，计算发送数据信号达到覆盖边缘所需的第二最小时长；

确定收发状态转换需要的GAP的第三最小时长；

采用预设规则，从所述第一最小时长、所述第二最小时长和所述第三最小时长中，选取一个作为所述数据信号中GAP的持续时长。

可选的，生成相应的数据信号时，第二处理单元152用于：

基于所述无线帧结构生成所述数据信号，其中，

若所述数据信号中仅包括一个数据块，则所述一个数据块中包括一个同步头以及Q1个数据符号，其中，Q1≤L，L是预设的常数；

若所述数据信号中包括至少两个数据块，则除最后一个数据块之外的每一个数据块中均包括一个同步头及L个数据符号，最后一个数据块中包括一个同步头及Q2个数据符号，其中，各个数据块之间设置间隔时长，Q2≤L，L是预设的常数。

可选的，根据接收到的反馈信号确定竞争成功，第三处理单元153用于：

确定接收到的反馈信号中携带有所述竞争访问节点的编号且指示所述数据信号检测成功时，确定竞争成功。

可选的，第三处理单元153进一步用于：

确定竞争成功时，将自身的数据信号的发送时间与所述在网节点进行对齐。

可选的，第三处理单元153进一步用于：

确定接收到的反馈信号中未携带有所述竞争访问节点的编号但指示所述数据信号检测成功时，确定竞争失败，并继续监听所有在网节点发送的广播信号；或者，

确定接收到的反馈信号中未携带有所述竞争访问节点的编号且指示所述数据信号检测失败时，确定竞争失败，并在等待设定时长后，继续监听所有在网节点发送的广播信号。

综上所述，本发明实施例中，设计了一种新的基于TDMA的自组网无线帧结构，该无线帧结构为：至少包含有一个数据块以及包含一个GAP，其中，一个数据块中包含有一个同步头以及若干数据符号。这种无线帧结构可支持多个竞争访问节点同时竞争访问指定的竞争访问时隙组资源；采用这种无线帧结构，竞争访问节点发送的数据信号的总时长和GAP的持续时长均可变，即两者均可随网络最大覆盖距离和信号强度的变化而变化，从而可以最大化地利用时隙资源，避免采用固定的无线帧结构所造成的系统容量损失；同时，采用上述无线帧结构，可以在发送数据信号的同时完成时间同步，这不但加快了数据收发速度，同时也避免使用同步测量信道，从而不会发生无法及时得到服务的情况，也不会损失系统容量。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种基于无线自组织网络的数据传输方法，其特征在于，包括：

竞争访问节点接收在网节点发送的广播信号，该广播信号中携带有竞争访问时隙组资源信息；

竞争访问节点生成数据信号，并在所述竞争访问时隙组资源信息对应的竞争访问时隙组上，向所述在网节点发送所述数据信号，所述数据信号的无线帧结构为：至少包含有一个数据块以及包含一个保护间隔GAP，其中，一个数据块中包含有一个同步头以及若干数据符号；

竞争访问节点接收所述在网节点基于所述数据信号发送的反馈信号，根据所述反馈信号确定竞争成功时，确认与所述在网节点完成时间同步以及完成数据传输。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，竞争访问节点生成数据信号，包括：

根据接收到的所述广播信号，确定所述数据信号的总时长，以及确定所述数据信号中保护间隔GAP的持续时长；

基于所述数据信号的总时长和GAP的持续时长，按照所述无线帧结构，根据待发送数据生成相应的数据信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，竞争访问节点根据所述广播信号，确定所述数据信号的总时长，包括：

根据所述广播信号的路损，确定所述在网节点和所述竞争访问节点之间的实际传播时延；

根据所述广播信号通知的信息，确定竞争访问时隙组包含的时隙数目；

根据所述实际传播时延，所述时隙数目，以及预设的每个时隙的持续时长，确定所述数据信号的总时长。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，竞争访问信号根据广播信号，确定所述数据信号中GAP的持续时长，包括：

根据所述广播信号的路损，结合使用的调制编码等级，确定数据信号的发送功率；

确定预设的低功率门限，以及基于所述低功率门限和所述数据信号的发送功率，计算令数据信号衰减到所述低功率门限且不会干扰到下个时隙的GAP的第一最小时长；

根据广播信号通知的网络最大覆盖距离，计算发送数据信号达到覆盖边缘所需的第二最小时长；

确定收发状态转换需要的GAP的第三最小时长；

采用预设规则，从所述第一最小时长、所述第二最小时长和所述第三最小时长中，选取一个作为所述数据信号中GAP的持续时长。

5.如权利要求1－4任一项所述的方法，其特征在于，竞争访问节点生成相应的数据信号时，具体包括：

基于所述无线帧结构生成所述数据信号，其中，

若所述数据信号中仅包括一个数据块，则所述一个数据块中包括一个同步头以及Q1个数据符号，其中，Q1≤L，L是预设的常数；

若所述数据信号中包括至少两个数据块，则除最后一个数据块之外的每一个数据块中均包括一个同步头及L个数据符号，最后一个数据块中包括一个同步头及Q2个数据符号，其中，各个数据块之间设置间隔时长，Q2≤L，L是预设的常数。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，竞争访问节点根据接收到的反馈信号确定竞争成功，包括：

确定接收到的反馈信号中携带有所述竞争访问节点的编号且指示所述数据信号检测成功时，确定竞争成功。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：

竞争访问节点确定竞争成功时，将自身的数据信号的发送时间与所述在网节点进行对齐。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：

竞争访问节点确定接收到的反馈信号中未携带有所述竞争访问节点的编号但指示所述数据信号检测成功时，确定竞争失败，并继续监听所有在网节点发送的广播信号；或者，

竞争访问节点确定接收到的反馈信号中未携带有所述竞争访问节点的编号且指示所述数据信号检测失败时，确定竞争失败，并在等待设定时长后，继续监听所有在网节点发送的广播信号。

9.一种基于无线自组织网络的数据传输装置，其特征在于，包括：

第一处理单元，用于接收在网节点发送的广播信号，该广播信号中携带有竞争访问时隙组资源信息；

第二处理单元，用于生成数据信号，并在所述竞争访问时隙组资源信息对应的竞争访问时隙组上，向所述在网节点发送所述数据信号，所述数据信号的无线帧结构为：至少包含有一个数据块以及包含一个保护间隔GAP，其中，一个数据块中包含有一个同步头以及若干数据符号；

第三处理单元，用于接收所述在网节点基于所述数据信号发送的反馈信号，根据所述反馈信号确定竞争成功时，确认与所述在网节点完成时间同步以及完成数据传输。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，生成数据信号时，所述第二处理单元用于：

根据接收到的所述广播信号，确定所述数据信号的总时长，以及确定所述数据信号中保护间隔GAP的持续时长；

基于所述数据信号的总时长和GAP的持续时长，按照所述无线帧结构，根据待发送数据生成相应的数据信号。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，根据所述广播信号，确定所述数据信号的总时长时，所述第二处理单元用于：

根据所述广播信号的路损，确定所述在网节点和所述竞争访问节点之间的实际传播时延；

根据所述广播信号通知的信息，确定竞争访问时隙组包含的时隙数目；

根据所述实际传播时延，所述时隙数目，以及预设的每个时隙的持续时长，确定所述数据信号的总时长。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，根据广播信号，确定所述数据信号中GAP的持续时长时，所述第二处理单元用于：

根据所述广播信号的路损，结合使用的调制编码等级，确定数据信号的发送功率；

确定预设的低功率门限，以及基于所述低功率门限和所述数据信号的发送功率，计算令数据信号衰减到所述低功率门限且不会干扰到下个时隙的GAP的第一最小时长；

根据广播信号通知的网络最大覆盖距离，计算发送数据信号达到覆盖边缘所需的第二最小时长；

确定收发状态转换需要的GAP的第三最小时长；

采用预设规则，从所述第一最小时长、所述第二最小时长和所述第三最小时长中，选取一个作为所述数据信号中GAP的持续时长。

13.如权利要求9－12任一项所述的装置，其特征在于，生成相应的数据信号时，所述第二处理单元具体用于：

基于所述无线帧结构生成所述数据信号，其中，

若所述数据信号中仅包括一个数据块，则所述一个数据块中包括一个同步头以及Q1个数据符号，其中，Q1≤L，L是预设的常数；

若所述数据信号中包括至少两个数据块，则除最后一个数据块之外的每一个数据块中均包括一个同步头及L个数据符号，最后一个数据块中包括一个同步头及Q2个数据符号，其中，各个数据块之间设置间隔时长，Q2≤L，L是预设的常数。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，根据接收到的反馈信号确定竞争成功，所述第三处理单元用于：

确定接收到的反馈信号中携带有所述竞争访问节点的编号且指示所述数据信号检测成功时，确定竞争成功。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第三处理单元进一步用于：

确定竞争成功时，将自身的数据信号的发送时间与所述在网节点进行对齐。

16.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述第三处理单元进一步用于：

确定接收到的反馈信号中未携带有所述竞争访问节点的编号但指示所述数据信号检测成功时，确定竞争失败，并继续监听所有在网节点发送的广播信号；或者，

确定接收到的反馈信号中未携带有所述竞争访问节点的编号且指示所述数据信号检测失败时，确定竞争失败，并在等待设定时长后，继续监听所有在网节点发送的广播信号。