CN108809356A - 一种基于tdma技术跳频组网的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于TDMA(时分多址)技术跳频组网的实现方法，该方法在确定网络容纳最大节点数之后，根据各节点地址进行固定时隙分配，以避免通信碰撞。跳频组网过程分为初始同步、数据传输和迟入网三个阶段。初始同步和迟入网阶段在固定信道发送携带时间信息的协议帧，完成网内节点的初始入网、迟入网和掉网重连；数据传输阶段定时跳频传输有效数据，并定时通过勤务同步减小时间误差。网内各从节点校准自身时间与主节点对齐，频率的跳变只与时间信息有关。本方法使用协议帧维持网络的运行，协议帧包括：初始同步帧、迟入同步帧、同步确认帧、勤务同步帧和有效数据帧。发送时隙前后各有等时长保护间隔，以增强时间误差容错率，提升网络稳定性。

Description

一种基于TDMA技术跳频组网的实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址)技术跳频组网的实现方法。跳频通信是扩频通信的重要分支，属于无线通信领域。跳频通信具有很强的抗截获、抗干扰能力，主要应用于军事通信，并越来越广泛的应用在民用通信中。

背景技术

跳频通信是一种双方在约定规律进行频率跳变的通信方式，与定频通信相比，跳频通信具有很强的抗截获、抗干扰能力。跳频电台在实际应用中通常要组成跳频通信网，使得网中任意两个通信终端均能进行点对点正常通信。随着跳频电台数量的增加，网内电台的同道干扰、阻塞干扰等也相应增加。采用时分多址技术(TDMA)确保时隙同步以避免发生网内节点的通信冲突。时分多址技术(TDMA)将时间划分成时隙，分配给不同的节点使用，网络内节点通过使用时隙分时共享无线信道，以解决网络节点间的碰撞问题，提高通信效率。采用跳频的多址通信网具有抗干扰能力强、截获概率低、抑制衰落等作用。

本发明提出的基于TDMA技术跳频组网实现方法要求所有节点拥有独立运行的实时时钟，以主节点时钟为网络时间基准，从节点校准自身时间与主节点对齐完成同步。同步过程采用独立信道法与同步头法相结合的方式，具有建立同步时间短的特点；同时对网内节点进行固定时隙分配避免通信碰撞，并定时对网内节点进行掉网重连和迟入网处理，增强网络的稳健性和连续性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于TDMA技术跳频组网的实现方法，能够实现网内节点间的分时隙点对多点跳频通信，频率跳变只与时间信息有关，定时对网内节点进行掉网重连和迟入网处理。具有建立同步时间短、失步概率低、抗干扰性强、抗截获性强等特点。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种基于TDMA技术跳频组网的实现方法，其组网方式如下：

1.1网络包含有1个主节点，设置容纳最大从节点数为M，并为所有M+1个节点设置固定地址，根据TDMA技术为M+1个节点分配等间隔的时间长度称为时隙，每个地址映射到一个时隙；

1.2初始同步过程所有节点处于独立信道进行通信；首先进入主节点发送时隙，主节点在网内广播包含有自身时间信息的初始同步帧，主节点发送时隙结束，在后续的M个时隙变为接收状态；从节点开机便处于接收状态，如果接收到主机初始同步帧，提取主机时间信息校准自身实时时钟与其对齐，完成同步，在自身地址映射的时隙中发送同步确认帧；初始同步过程每经过一个时隙，时隙计数器加1，共计数M+1个时隙称为1个初始同步TDMA时帧，其结构为1个主节点发送时隙和M个从节点发送时隙；

1.3如果主节点在M个接收时隙接收到从节点发送的同步确认帧，表明存在节点入网并已同步，建网成功，如果未接收到同步确认帧，则表明建网失败，继续进入初始同步TDMA时帧，直到主节点接收到有从节点同步确认帧；建网成功后在当前初始同步TDMA时帧结束后开始进行有效数据传输；

1.4有效数据传输阶段每一个时隙跳频一次，所有节点的频率根据统一的伪随机序列进行跳变；此阶段开始的第1个时隙为勤务同步时隙，主节点在此时隙发送勤务同步帧，从节点在此时隙接收勤务同步帧，接收到后校准自身时间信息；第2时隙为主节点发送时隙，主节点在此时隙发送包含有自身有效数据的数据帧；接下来的M个时隙为各从节点的发送时隙，从节点根据自身地址映射的时隙，依次发送包含自身有效数据的数据帧；此过程每经过一个时隙，时隙计数器加1，共计数M+2个时隙称为一个数据传输TDMA时帧；当一个数据传输TDMA时帧结束继续进入下一个TMDA时帧，时帧内第1个勤务同步时隙的作用为减少各节点因时间推移产生的时间漂移和偏移；

1.5每完成一个数据传输TDMA时帧，时帧计数器加1，当时帧计数器为N时，进入迟入网同步阶段；迟入网同步过程所有节点处于独立信道进行通信；主节点在第1时隙发送包含自身时间的迟入网同步帧，迟入节点开机在独立信道一直处于接收状态，当接收到主节点迟入网同步帧后，提取时间信息进行校准完成同步，之后迟入节点在自身地址对应时隙发送同步确认帧，如果未收到则等待下一个迟入网过程进行入网；

1.6之前已入网节点在收到迟入网同步帧后，同样在自身时隙发送同步确认帧，如果未收到则表明自身掉网，不发送同步确认帧，掉网节点一直处于独立信道等待下一个迟入网过程重新入网；迟入网过程每经过一个时隙，时隙计数器加1，共计数M+1个时隙称为迟入网TDMA时帧，迟入网TDMA时帧结束后，继续进行1.4过程；

前述1.2、1.3、1.4、1.5、1.6中的初始同步帧、迟入同步帧、同步确认帧、勤务同步帧和数据帧，其作用为：

2.1初始同步帧和迟入同步帧在独立信道发送，携带有主节点时间信息和频率信息，完成网络的时间同步和频率同步，同步确认帧包含从节点地址信息，告知主节点网络的成功建立；

2.3勤务同步帧携带主节点时间信息，定时对网内节点进行校准，减少时钟漂移误差，提高网络稳健性；

2.4数据帧为包含动态长度有效数据，提高系统应用的灵活性；

前述1.2、1.4、1.6的时隙计数器对初始同步时帧、数据传输时帧、迟入网时帧三个阶段内的时隙进行计数；

前述1.4中的频率跳变只与实时时钟信息有关，频率在一个时隙结束后才发生跳变；

前述1.5的时帧计数器对数据传输时帧进行计数，每完成1个数据传输TDMA时帧加1，当计数为N时清零进入迟入网TDMA时帧；

前述1.2、1.3、1.4、1.5、1.6的发送时隙开始与结尾留有等时间长度的保护间隔。

本发明一种基于TDMA技术跳频组网的实现方法，具有以下优势：

1.组网过程使用独立信道法和同步头法结合的方式，在独立信道建立同步，数据传输过程的频率跳变只与时间信息有关，即使某些频点受到干扰，其他频点仍然可以正常进行数据传输，并定时进行勤务校准，消除随着时间推移各节点因使用不同时钟源而产生的时间漂移和时间偏移，具有同步能力快、稳定性好、失步率低、抗干扰能力强的特点。

2.跳频组网根据固定TDMA时隙分配技术减少网络运行的复杂性，提高了网络通信效率，降低了硬件设施对网络协议的处理时间，可以适用于更多的硬件设备，为跳频电台的小型化和轻便化提供基础；同时网内最大节点数和迟入网同步的时间间隔可以根据具体应用进行设定，扩大了方法的实际场景范围。

附图说明

图1为跳频组网时序结构图；

图2为初始/迟入网同步流程图；

图3为数据传输流程图；

图4为初始同步与迟入网同步过程时间校准图；

图5为勤务同步时间校准图；

图6为时隙保护间隔图；

图7为帧格式图；

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的实施做进一步的说明：

图1是整个跳频组网的时隙结构图，组网方法使用基于TDMA技术的固定时隙分配方法，包含有初始同步、数据传输、迟入网三个阶段。设置最大网络支持从节点数为M。设置时隙长度为5ms，主节点和从节点在一个时隙内只能完成一次发送操作或者一次接收操作。组网的每个阶段由固定数目的时隙构成对应的TDMA时帧，具体为初始同步TDMA时帧、数据传输TDMA时帧、迟入网同步TDMA时帧。

如图1所示，首先网络处于初始同步阶段，初始同步TDMA时帧内部结构包含有M+1个时隙，第一时隙为主节点广播初始同步帧时隙，剩余M时隙为各从节点反馈时隙，主节点在独立信道F₀发送初始同步帧，从节点同样处于F₀频点接收，收到后调整自身时钟与主节点对齐，此时入网从节点的实时时钟全部相同且为主站时间，可以共同进入后M个从节点反馈时隙；在反馈时隙中，每个从节点根据自身地址映射的时隙发送同步确认帧，避免了多从节点同时发送导致的通信冲突。

如图1所示，初始同步结束后进入数据传输阶段。数据传输阶段由N-1个数据传输TDMA时帧构成，每个数据传输TDMA时帧又包含M+2个时隙，第一时隙为主节点发送勤务同步帧时隙，剩余M+1个时隙为主节点与各从节点发送有效数据时隙；主节点跳频进入f_n频点发送勤务同步帧，供入网从节点进行时间校准，防止产生随着时间推移各从节点累积时钟误差导致的掉网现象，从节点在f_n频点为接收状态接收主站勤务同步帧；第1时隙结束跳频频率为f_n+1频点进入第2个时隙，此时隙为主节点发送有效数据时隙，其余从节点为接收状态接收主节点有效数据；跳频进入第3个时隙，此时隙为从站1的发送时隙，从站1在此时隙发送自身的用户数据，主站与其余从站处于接收状态接收；如此直到跳频进入第M+2个时隙，此时隙为从站M发送时隙，发送有效数据，主站与其余从站接收数据；至此，第一个数据传输TDMA时帧结束，跳频进入下一个TDMA时帧。

如图1所示，N-1个数据传输TDMA时帧结束后进入迟入网阶段。迟入网TDMA时帧内部结构与初始同步TDMA时帧结构相同，共有M+1个时隙，主节点在频点F₀发送迟入同步帧，迟入节点和已入节点均在频点F₀接收并根据自身地址在对应时隙反馈同步确认帧。迟入网同步的目的是为了晚开机未接收到初始同步帧的从节点或者中间失步掉网的从节点可以再次连入网络。迟入网同步与初始同步的不同在于，初始同步主节点未收到反馈会一直循环发送直到有从节点入网，而迟入网同步TDMA时帧结束后，无论是否有新从节点入网都会继续进入数据传输阶段，维持原本已在网内的从节点间的数据通信，未入网的从站等待下一个迟入网周期即可重新入网。

如图1所示，迟入网阶段结束后继续进入数据传输阶段，再经过N-1个数据传输TDMA时帧进入迟入网周期，随着时间的推移数据传输TDMA时帧和迟入网TDMA时帧如此循环。

图2和图3分别描述了初始同步/迟入网、数据传输的通信过程，如前述步骤1.1～1.6所述。迟入网过程与初始同步过程相同，并且均处于独立信道进行同步。数据传输每一时隙跳频一次传输有效数据。

图4是初始同步与迟入网同步中，从节点调整自身时间与主节点对齐的过程。主节点开机运行自身时钟，进入初始同步阶段，在第1时隙发送包含有自身时间的初始同步帧，从节点开机后运行自身时钟，每个时隙均为接收状态直到接收到初始同步帧。

由于主从节点的开机时间的不同，所以主从节点的时隙起始时间不相同，设主从节点的时间偏差为Δt，如图4所示。从节点搜索主节点的初始同步帧，接收到后调整自身时间与主节点信息相同，即从节点根据主节点时间设置当前接收时隙长度为t₁，使得t₁+Δt＝5ms，因为时隙长度固定，所以主从节点可以同时进入下一时隙，完成同步。之后从节点在自己地址对应时隙发送同步确认帧告知主节点同步成功。迟入网同步过程中，迟入节点的时间信息与主节点存在时间偏移误差，当接收到迟入网同步帧后与初始同步相同，调整时间对齐成功入网。

图5是数据传输阶段从节点接收主节点勤务同步帧校准自身时间的过程。每一个数据传输TDMA时帧的时隙长度为M+2，即(5M+10)ms，由于各节点均使用自身的晶体振荡器作为时钟源，不同晶振的精度和相对偏差不同，随着时间的推移，各节点会出现时钟漂移累积误差，所以当经过M+2时隙的时间后主从节点的时隙不再完全对齐，设此时的时钟漂移累积误差为Δτ，在每个数据传输TDMA时帧的第一时隙主节点发送勤务同步帧，从节点根据勤务同步帧校准自身时间，设置当前接收时隙时间为为t₂，使得t₂+Δτ＝5ms，减小累积误差进而减小掉网概率。M越大即网络最大支持节点数越多，时间误差越大，设计勤务同步的作用越明显。

图6是时隙内部的结构设计。设置跳频组网系统的时隙长度为5ms，即跳速为200跳每秒。时隙分为发送时隙和接收时隙，无论主节点还是从节点，每个发送时隙的开始和结尾都留有1ms的保护间隔，在此1ms时间内节点不进行发送操作，接收时隙全部时间节点均处于接收状态。在无线通信中时钟误差无法完全消除，同时在跳频组网中的同一时间，只有一个节点处于发送状态，其他节点均处于接收状态；发送时隙开始的1ms保护间隔，使得其他节点的接收时隙起始时间即使延后1ms，仍然可以接收到发送节点的信息；发送时隙结尾的1ms保护间隔，使得其他节点的接收时隙结束时间即使提前1ms结束，也可以完整的收到发送节点的全部信息；从而允许发送节点和接收节点的时间信息有1ms的时间误差，提高系统的通信成功率。

图7是跳频组网过程中用到的四种通信协议帧：初始/迟入同步帧、同步确认帧、勤务同步帧、有效数据帧。四种协议帧的帧头均由8字节前导码和2字节同步字组成。前导码格式为连续32比特的“1010”，前导码检测阈值设置为20比特，允许帧头在无线通信中存在12bit的误码，增强协议帧的容错率；同步字表明数据在协议帧内的起始位置。初始/迟入同步帧、同步确认帧、勤务同步帧、有效数据帧分别有各自的帧类型为：0xA5、0x5A、0x55、0xAA，通过检测帧类型区分不同协议帧。

如图7所示，初始同步帧和迟入同步帧的内部数据具有相同的结构，即5字节时间信息和1字节频率信息。时间信息用于从节点时间的校准，频率信息用于告知从节点频率跳变的起始频点。同步确认帧的内部数据包含4字节的地址信息，主节点可由此确定入网从节点的地址信息。勤务同步帧内部数据包含5字节时间信息，用于数据传输阶段从节点的时间校准。有效数据帧内部数据包含1字节的有效数据长度和1～63字节的有效数据，有效数据是动态的，可以实时填充不同长度的用户数据。

如图7所示，帧结构内最后使用2字节CRC校验(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验)：0x8005，可以判断协议帧的正确性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种基于TDMA技术跳频组网的实现方法，其组网方式如下：

1.1网络包含有1个主节点，设置容纳最大从节点数为M，并为所有M+1个节点设置固定地址，根据TDMA(时分多址)技术为M+1个节点分配等间隔时间长度称为时隙，每个地址映射到一个时隙；

1.2初始同步过程所有节点处于独立信道进行通信；首先进入主节点发送时隙，主节点在网内广播包含有自身时间信息的初始同步帧，主节点发送时隙结束，在后续的M个时隙变为接收状态；从节点开机便处于接收状态，如果接收到主机初始同步帧，提取主机时间信息校准自身实时时钟与其对齐，完成同步，在自身地址映射的时隙中发送同步确认帧；初始同步过程每经过一个时隙，时隙计数器加1，共计数M+1个时隙称为1个初始同步TDMA时帧，其结构为1个主节点发送时隙和M个从节点发送时隙；

1.3如果主节点在M个接收时隙接收到从节点发送的同步确认帧，表明存在节点入网并已同步，建网成功，如果未接收到同步确认帧，则表明建网失败，继续进入初始同步TDMA时帧，直到主节点接收到有从节点同步确认帧；建网成功后在当前初始同步TDMA时帧结束后开始进行有效数据传输；

1.4有效数据传输阶段每一个时隙跳频一次，所有节点的频率根据统一的伪随机序列进行跳变；此阶段开始的第1个时隙为勤务同步时隙，主节点在此时隙发送勤务同步帧，从节点在此时隙接收勤务同步帧，接收到后校准自身时间信息；第2时隙为主节点发送时隙，主节点在此时隙发送包含有自身有效数据的数据帧；接下来的M个时隙为各从节点的发送时隙，从节点根据自身地址映射的时隙，依次发送包含自身有效数据的数据帧；此过程每经过一个时隙，时隙计数器加1，共计数M+2个时隙称为一个数据传输TDMA时帧；当一个数据传输TDMA时帧结束继续进入下一个TMDA时帧，时帧内第1个勤务同步时隙的作用为减少各节点因时间推移产生的时间漂移和偏移；

1.5每完成一个数据传输TDMA时帧，时帧计数器加1，当时帧计数器为N时，进入迟入网同步阶段；迟入网同步过程所有节点处于独立信道进行通信；主节点在第1时隙发送包含自身时间的迟入网同步帧，迟入节点开机在独立信道一直处于接收状态，当接收到主节点迟入网同步帧后，提取时间信息进行校准完成同步，之后迟入节点在自身地址对应时隙发送同步确认帧，如果未收到则等待下一个迟入网过程进行入网；

1.6之前已入网节点在收到迟入网同步帧后，同样在自身时隙发送同步确认帧，如果未收到则表明自身掉网，不发送同步确认帧，掉网节点一直处于独立信道等待下一个迟入网过程重新入网；迟入网过程每经过一个时隙，时隙计数器加1，共计数M+1个时隙称为迟入网TDMA时帧，迟入网TDMA时帧结束后，继续进行1.4过程。

2.根据权利要求1所述的基于TDMA跳频组网的实现方法，其特征在于：前述1.2、1.3、1.4、1.5、1.6中的初始/迟入同步帧、同步确认帧、勤务同步帧和数据帧，其作用为：

2.1初始同步帧和迟入同步帧在独立信道发送，携带有主节点时间信息和频率信息，完成网络的时间同步和频率同步，同步确认帧包含从节点地址信息，告知主节点网络的成功建立；

2.2勤务同步帧携带主节点时间信息，定时对网内节点进行校准，减少时钟漂移误差，提高网络稳健性；

2.3数据帧为包含动态长度有效数据，提高系统应用的灵活性。

3.根据权利要求1所述的基于TDMA跳频组网的实现方法，其特征在于：前述1.2、1.4、1.6的时隙计数器对初始同步时帧、数据传输时帧、迟入网时帧三个阶段内的时隙进行计数。

4.根据权利要求1所述的基于TDMA跳频组网的实现方法，其特征在于：前述1.4中的频率跳变只与时间信息有关，频率在一个时隙结束后才发生跳变。

5.根据权利要求1所述的基于TDMA跳频组网的实现方法，其特征在于：前述1.5的时帧计数器对数据传输时帧进行计数，每完成1个数据传输TDMA时帧加1，当计数为N时清零进入迟入网TDMA时帧。

6.根据权利要求1所述的基于TDMA跳频组网的实现方法，其特征在于：前述1.2、1.3、1.4、1.5、1.6的发送时隙开始与结尾留有等长度的保护间隔。