CN109168172A - 一种多节点自组网的无线跳频传输方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多节点自组网的无线跳频传输方法，包括步骤：A、依次测量信道以得出最优信道表，将所述最优信道表进行乱序排列，得出工作信道表；B、确定出所述工作信道表中可空闲信道，将其进行广播以与待组网的各子节点进行通信许可交互，依次授予所述各子节点组网许可；C、判断各子节点当前通信信道的通信质量，将通信质量差的子节点所对应的通信信道依据所述工作信道表跳频。对应还提供实现上述方法的装置，通过以乱序的方式配置工作信道表，并实时检测信道质量，择优进行跳频，以克服现有技术中存在的缺陷。

Description

一种多节点自组网的无线跳频传输方法及装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种多节点自组网的无线跳频传输方法及装置。
背景技术
目前常用的多节点通信方式都是基于时分多址(TDMA，Time Division MultipleAccess)是把时间分割成互不重叠的帧，再将帧分割成互不重叠的时隙，1个时隙就是一个时分多址(后续简称TDMA) 信道，与用户具有一一对应关系，如图5所示为时分多址的原理示意图。
现有技术中，对于通过TDMA进行自组网的方式大都存在着灵活性不高，占用部分数据资源，打断原有信道等缺点。比如申请号为 201210000011.0的发明专利，在系统中增加了一个同步控制节点，三个无线信道，以及协议上的多种判断交互，造成交互繁琐，稳定性下降，状态流转繁琐。并且受限主机的轮询方式，对射频频段资源的利用率不高，多节点容纳个数也是受限，没有完全发挥射频资源利用，增加节点个数等优势。另外，该组网方式在收到射频干扰的情况下没有任何处理手段，没有考虑射频的抗干扰性，数据通信不可靠。
再如申请号为201410857235.2的发明专利，利用是否接收成功来判断当前频点的干扰程度。当存在干扰源时通过是否通信成功来判断频点干扰。但射频通信失败可能存在多方面原因，如射频天线极性，通信距离，遮挡等原因。当存在上述因素时，采用跳频仍然不能解决通信失败的问题。并且该专利的跳频序列为顺序递增，当干扰发生时可能干扰一片射频区域，这时即便跳转到下一个频点仍不能改善通信质量，需要连续多次通信失败方才跳转到可靠的频点，这种方法并不迅速，并且造成数据的延时。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多节点自组网的无线跳频传输方法及装置，通过以乱序的方式配置工作信道表，并实时检测信道质量，择优进行跳频，以克服上述现有技术中存在的缺陷。
其中，所述多节点自组网的无线跳频传输方法包括步骤：
A、依次测量信道以得出最优信道表，将所述最优信道表进行乱序排列，得出工作信道表；
B、确定出所述工作信道表中可空闲信道，将其进行广播以与待组网的各子节点进行通信许可交互，依次授予所述各子节点组网许可；
C、判断各子节点在当前通信信道的通信质量，若通信质量差，则在该通信信道的各子节点依据所述工作信道表跳频。
由上，由于本系统工作在2.4G的频段下，非常容易收到WIFI、蓝牙等设备的干扰。而WIFI、蓝牙等设备大多时候工作的信道确认的，但工作时间存在一定的随机性，所以通过初始测量的方法先扫描质量不好的信道，规避干扰。另外，部分干扰占用的射频频段较大，得到的最优信道表因为顺序排序，当干扰发生时，其相邻信道也可能存在干扰，所以需要进行乱序排序，规避在通信过程中突然新增的干扰发生时，跳转到下一个信道，最快时间保证通信的稳定性。
其中，步骤A中，所述依次测量信道以得出最优信道表包括：
TDMA第一射频端周期发送不同信道的测试数据；
TDMA第二射频端接收测试数据；
以所述周期为节点，统计各信道的丢包率PN；
对所有的信道按照得包率PN进行排序，对应所述最优信道表。
由上，两路TDMA射频端一发一收，能完成信道测量，从而准确评估下各个信道的通信质量。
其中，步骤A中，
所述将所述最优信道表进行乱序排列，得出工作信道表包括：满足所述工作信道表中相邻信道之间频率不相邻的方式乱序。
由上，通过满足相邻信道之间射频频率不相邻，规避在通信过程中突然新增的干扰发生时，跳转到下一个信道，且下一个信道与当前信道的射频频率不相邻，从而在最快时间保证通信的稳定性。
其中，步骤B包括：
TDMA第一射频端广播所述工作信道表及空闲信道ID；
各子节点接收到广播，发送请求连接的信息，当所述请求连接的信息合法则为该子节点分配一入网许可ID，表示该子节点被授予组网许可；
TDMA第一射频端将允许连接的子节点的信息进行广播。
由上，由于入网信息都是由TDMA第一射频端主节点分配的，所以如果发现非法加入，主节点可以拒绝，以规避信息泄露。另外因为每个主节点在入网成功后都会告知子节点唯一入网许可ID，此入网许可ID是射频通信的必要条件，在没有接收到入网许可ID的情况下，子节点是没有办法加入到网络的。基于此可以解决安全性的问题。进一步的，相比于现有技术大都采用轮询方式(每次单独问一个子节点是否有数据上传，即对应一对一的交互)，采用上述技术方案，每次广播至所有子节点是否数据上传，即对应一对多，多子节点工作时，首先因为自组网的优势，每个新加入的子节点都是依次加入网络，分配空闲信道ID、入网许可ID和工作信道表，然后切换到TDMA第二射频端进行数据交互。在同样的时间下，上述技术问题方案实现数据交互的子节点数更多。
其中，步骤B由所述TDMA第一射频端执行；
在步骤B后还包括：被许可组网的各子节点与所述TDMA第二射频端通信交互。
由上，配置了TDMA第一、第二射频端，且新加入的子节点通过TDMA第一射频端进行组网相关的交互，而在先已组网通信的子节点通过第二射频端通信，两TDMA射频端各司其职，从而避免新加入的子节点与在先已组网通信的子节点之间的相互干扰。
其中，步骤C所述在该通信信道的各子节点依据所述工作信道表跳频包括：
TDMA第二射频端依据工作信道表，跳频至与当前通信信道相邻的下一信道；
所述通信质量差的子节点在预设时间内若无法与TDMA第二射频端通信，则依据所述工作信道表跳频至与当前通信信道相邻的下一信道。
由上，在数据交互过程中会一直评估信号通信质量，当发现信号通信质量不佳时，TDMA第二射频端主动切换信道，然后子节点超时没有接受到TDMA第二射频端的广播则按照入网时的信道表依次寻找。由于入网的时候也得到了入网许可ID，所以哪怕多个子节点同时通信也会实现自适应，以寻找到最佳信道。
另外，还对应所提供一种多节点自组网的无线跳频传输装置，包括：
跳频管理模块，用于配置测试信道参数；
数据通信模块，与所述跳频管理模块连接，用于进行数据的转发；
TDMA第一射频端，与所述数据通信模块连接，基于所述测试信道参数配置测试信道，并周期发送测试数据；
TDMA第二射频端，分别与所述数据通信模块和TDMA第一射频端连接，基于所述测试信道参数配置测试信道，并等待所述TDMA 第一射频端所周期发送的测试数据，如果接收到所述测试数据则将其转发给数据通信模块；
信道评估模块，与所述数据通信模块连接，通过所述数据通信模块接收测试数据并进行评估，所述评估结果经过数据通信模块发送至所述跳频管理模块，所述所述跳频管理模块得出最优信道表，将所述最优信道表进行乱序排列，得出工作信道表。
由上，由于本系统工作在2.4G的频段下，非常容易收到WIFI、蓝牙等设备的干扰。而WIFI、蓝牙等设备大多时候工作的信道确认的，但工作时间存在一定的随机性，所以通过初始测量的方法先扫描质量不好的信道，规避干扰。
其中，还包括通信控制模块，与所述TDMA第一射频端连接，控制所述TDMA第一射频端与待组网子节点进行通信许可交互，依次授予所述各子节点组网许可；
被许可组网的各子节点与所述TDMA第二射频端通信交互。
由上，配置了TDMA第一、第二射频端，且新加入的子节点通过TDMA第一射频端进行组网相关的交互，而在先已组网通信的子节点通过第二射频端通信，两TDMA射频端各司其职，从而避免新加入的子节点与在先已组网通信的子节点之间的相互干扰。
其中，所述信道评估模块还用于实时检测与所述TDMA第二射频端通信交互的被许可组网的各子节点的通信质量，并将通信质量差的子节点所对应的通信信道结果发送至与其连接的跳频管理模块；
所述跳频管理模块还用于在接收到所述通信质量差的子节点所对应的通信信道结果后，依据所述工作信道表选择与当前通信信道相邻的下一信道进行跳频，输出对应的跳频指令至所述TDMA第二射频端进行跳频；
被许可组网的各子节点在预设时间内仍无法收到广播信号，则依据所述工作信道表切换至与当前通信信道相邻的下一信道。
由上，在数据交互过程中会一直评估信号通信质量，当发现信号通信质量不佳时，TDMA第二射频端主动切换信道，然后子节点超时没有接受到TDMA第二射频端的广播则按照入网时的信道表依次寻找。由于入网的时候也得到了入网许可ID，所以哪怕多个子节点同时通信也会实现自适应，以寻找到最佳信道。
附图说明
图1为多节点自组网的无线跳频传输方法的网络拓扑示意图；
图2为信道测量的流程图；
图3为自组网的流程图；
图4为跳频的流程图；
图5为时分多址的原理示意图。
具体实施方式
下面参见图1～图4对本发明所述的多节点自组网的无线跳频传输方法及装置进行详细说明。
如图1所示为多节点自组网的无线跳频传输方法的网络拓扑示意图，包括至少2个子节点100，作为加入自组网络并与之通信的从属节点设备。根据设计参数不同，子节点100的数量也不同。每个子节点100通过传感器采集数据，并通过本方法加入无线网络实现通信。
所述多节点自组网的无线跳频传输方法依赖于以下功能模块实现，包括：
通信控制模块301，用于配置安全认证和通信认证，并判断新加入的子节点100是否合法安全。
TDMA第一射频端201，与所述通信控制模块301连接，作为通信控制模块301与子节点100的通信媒介，利用TDMA方式作为无线通信的通道。
TDMA第二射频端202，与所述TDMA第一射频端201连接，承载所有已入网子节点100的数据通信。另外，两路TDMA射频端相互通信可以完成信道测量(一发一收)，从而为后文所述信道评估模块302的准确评估各个信道射频质量提供技术支持。
数据通信模块304，分别与所述跳频管理模块303、TDMA第一射频端201和TDMA第二射频端202，以及后文所述信道评估模块 302和跳频管理模块303连接，进行数据的协议转换和转发。
信道评估模块302，用于统计当前信道的数据通信质量，作为当前信道好坏的评估。
跳频管理模块303，用于保存信道评估模块302所评估出的各信道形成信道表，并根据当前信道状态判断是否跳频，并给出跳频至最优信道的指令。
所述跳频管理模块303还用于接收通信控制模块301的认证结果，对应进行跳频至最优信道的指令的输出。
图2、图3和图4分别所示为信道测量、自组网和跳频的流程图，结合图2、图3和图4，详细介绍了上述各模块的功能以及工作逻辑。首先以信道测量为例，包括以下步骤：
A1：通信控制模块301发起信道测量命令；
A2：跳频管理模块303依据所述信道测量命令配置测试信道参数，发给TDMA第一射频端201。
具体发送过程为，跳频管理模块303首先将配置的测试信道参数发送至数据通信模块304，由其进行中转后发送给TDMA第一射频端 201。
A3：TDMA第一射频端201依据所述测试信道参数配置测试信道，并周期发送测试数据。
A4：TDMA第二射频端202依据所述测试信道参数，配置为与所述TDMA第一射频端201相同的测试信道，并等待TDMA第一射频端201所发送的测试数据，如果接收到所述测试数据则将其转发给数据通信模块304。
A5：数据通信模块304将所述测试数据进行协议转换后转发给信道评估模块302。
A6：信道评估模块302以周期T1进行统计，评估当前信道的丢包率PN。
A7：信道评估模块302将评估结果通过数据通信模块304发送给跳频管理模块303。
A8：跳频管理模块303保存所述评估结果。
A9：跳频管理模块303配置下一信道的测试信道参数，经数据通信模块304转发，发给TDMA第一射频端201，重复步骤A2～A8，从而逐一评估所有信道。
A10：跳频管理模块303对所有的信道按照得包率进行排序，得出最优信道表(TABA)。
A11：对所述最优信道表(TABA)进行乱序排序，得出工作信道表 (TABB)。
由于信道干扰大多时候频率确定而时间随机的特性。本系统工作在2.4G的频段下，非常容易收到WIFI、蓝牙等设备的干扰。其中， WIFI、蓝牙等设备大多时候工作的信道确认的，但工作时间存在一定的随机性，所以通过初始测量的方法先扫描质量不好的信道，规避干扰。另外，部分干扰占用的射频频段较大，得到的最优信道表因为顺序排序，当干扰发生时，其相邻信道也可能存在干扰，所以需要进行乱序排序，满足相邻信道之间射频频率不相邻，通过此优化可以规避在通信过程中突然新增的干扰发生时，跳转到下一个信道，最快时间保证通信的稳定性。
A12：跳频管理模块303告知通信控制模块301信道测量完成。
在信道测量完成后，便进入自组网流程，具体如图3所示，包括以下步骤：
B1：跳频管理模块303基于所述工作信道表(TABB)，任选其一信道，将该信道的信道配置发送给数据通信模块304，经其转发最终发送至TDMA第二射频端202。
B2：TDMA第二射频端202将所接收的信道配置以周期性进行广播，以等待接收数据。后续TDMA第二射频端202的工作流程将直接跳转至步骤B14。
B3：通信控制模块301从跳频管理模块303获取所述工作信道表 (TABB)。
B4：通信控制模块301依据所述工作信道表(TABB)扫描当前连接状态，找出当前空闲信道，获取其ID。
B5：通信控制模块301将所述工作信道表(TABB)及空闲信道的 ID等信息组成广播信息，发送至TDMA第一射频端201。
B6：TDMA第一射频端201将所述广播信息发出。
B7：各子节点100接收连接信息，并发送请求连接的信息。
B8：TDMA第一射频端201接收到所述请求连接的信息，将其转发给通信控制模块301。
B9：通信控制模块301接收到所述请求连接的信息，逐一判断请求连接是否合法，若是则进入步骤B10。
B10：通信控制模块301告知TDMA第一射频端201允许该请求连接合法的子节点100连接，并为其分配一入网许可ID。该入网许可ID对每个子节点唯一，以作为该子节点进行后续射频通信的凭证。
B11：TDMA第一射频端201将允许连接的信息进行广播。
B12：子节点100接收所述允许连接的信息后，利用分配的空闲信道ID及入网许可ID加入到网络。
B13：子节点100加入到网络，传送自身数据或接收工作信道下发的数据。
B14：TDMA第二射频端202接收所述子节点100的数据，从而组网成功。
针对不同子节点，重复上述步骤B7～B14，从而实现多个子节点的组网。
本申请配置了TDMA第一、第二射频端，从而使新加入的各子节点通过TDMA第一射频端201进行组网相关的交互，而在先已组网通信的各子节点通过第二射频端202通信，两TDMA射频端各司其职，从而避免新加入的各子节点与在先已组网通信的各子节点之间的相互干扰。
另外，由于入网信息(工作信道表(TABB)及空闲信道ID等信息) 都是由TDMA第一射频端201(主节点)分配的，所以如果发现非法加入，主节点可以拒绝，以规避信息泄露。另外因为每个主节点在入网成功后都会告知各子节点唯一入网许可ID，此入网许可ID是射频通信的必要条件，在没有接收到入网许可ID的情况下，子节点是没有办法加入到网络的。基于此，本申请技术方案可以解决安全性的问题。
进一步的，相比于现有技术大都采用轮询方式(每次单独问一个子节点是否有数据上传，即对应一对一的交互)，采用上述技术方案，每次广播至所有子节点是否数据上传，即对应一对多，多子节点工作时，首先因为自组网的优势，为每个新加入的子节点分配空闲信道ID、入网许可ID和工作信道表(TABB)，然后切换到TDMA第二射频端202 进行数据交互。在同样的时间下，上述技术问题方案实现数据交互的子节点数更多。
当在先已组网通信的子节点发生干扰时，进入跳频流程，具体如图4所示，包括以下步骤：
C1：TDMA第二射频端202广播当前工作信道。
C2：子节点100建立连接，加入所述当前工作信道，发送通信数据至TDMA第二射频端202。
C3：TDMA第二射频端202接收所述通信数据，将其转发至数据通信模块304。
C4：数据通信模块304将所述通信数转发给信道评估模块302。
C5：信道评估模块302以周期T1进行统计，根据接收数据的成功次数来评估当前信道对于各子节点100的丢包率。若当已连接的各节点100中有超过75％节点的丢包率超出阈值，则信道评估模块302 认为当前信道质量差。
实际评估过程中，对于阈值可以灵活设置。
C6：信道评估模块302将当前信道质量差的信息通过所述数据通信模块304告知跳频管理模块303。
C7：跳频管理模块303获取到当前信道质量差的信息，查询所述工作信道表(TABB)，选择与当前通信信道相邻的下一信道进行跳频，输出对应的跳频指令。数据通信模块304将所述跳频指令转发给 TDMA第二射频端202，以进行跳频，即信道切换。
C8：TDMA第二射频端202切换信道，各子节点100无法正常接收广播。
本步骤中，由于TDMA第二射频端202切换了信道，而在先与其正常通信的各子节点100还停留在当前通信信道上，故此时各子节点100无法再正常接收广播。
C9：若各子节点100在预设时间内仍无法收到广播信号，则依据所述工作信道表(TABB)切换至与当前通信信道相邻的下一信道。
C10：各子节点100切换至与当前通信信道相邻的下一信道后，重复执行步骤B7～B14，再次与TDMA第二射频端202建立通信连接。
在数据交互过程中会一直评估信号通信质量，当发现信号通信质量不佳时，TDMA第二射频端202(主节点)主动切换信道，然后子节点超时没有接受到主节点广播则按照入网时的信道表依次寻找，由于入网的时候也得到了主节点的入网许可ID，所以哪怕多个子节点同时通信也会实现自适应，以寻找到最优信道。当子节点在某一信道找到TDMA第二射频端202后则停留继续通信，然后继续开始评估当前信道质量。
此外，因为有TDMA第一射频端201进行组网流程，所以待加入的(多个)子节点是不会干扰已经加入网络的节点通信的(此部分子节点通过TDMA第二射频端202通信)。另外通过多节点的跳频功能，也提高了射频的抗干扰性能，从而提高系统的可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多节点自组网的无线跳频传输方法，其特征在于，包括步骤：
A、依次测量信道以得出最优信道表，将所述最优信道表进行乱序排列，得出工作信道表；
B、确定出所述工作信道表中的空闲信道，将其进行广播以与待组网的各子节点进行通信许可交互，依次授予所述各子节点组网许可；
C、判断各子节点在当前通信信道的通信质量，若通信质量差，则在该通信信道的各子节点依据所述工作信道表跳频。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中，所述依次测量信道以得出最优信道表包括：
TDMA第一射频端周期发送不同信道的测试数据；
TDMA第二射频端接收测试数据；
以所述周期为节点，统计各信道的丢包率PN；
对所有的信道按照得包率进行排序，对应所述最优信道表。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤A中，
所述将所述最优信道表进行乱序排列，得出工作信道表包括：满足所述工作信道表中相邻信道之间频率不相邻的方式乱序。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B包括：
TDMA第一射频端广播所述工作信道表及空闲信道的ID；
各子节点接收到广播，发送请求连接的信息，当所述请求连接的信息合法则为该子节点分配一入网许可ID，表示该子节点被授予组网许可；
TDMA第一射频端将允许连接的子节点的信息进行广播。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，
在步骤B后还包括：被授予组网许可的各子节点与所述TDMA第二射频端通信交互。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C所述在该通信信道的各子节点依据所述工作信道表跳频包括：
TDMA第二射频端依据所述工作信道表，跳频至与当前通信信道相邻的下一信道；
所述通信质量差的子节点在预设时间内若无法与所述TDMA第二射频端通信，则依据所述工作信道表跳频至与当前通信信道相邻的下一信道。
7.一种实现权利要求1～6任一所述多节点自组网的无线跳频传输方法的装置，其特征在于，包括：
跳频管理模块(303)，用于配置测试信道参数；
数据通信模块(304)，与所述跳频管理模块(303)连接，用于进行数据的协议转换及转发；
TDMA第一射频端(201)，与所述数据通信模块(304)连接，基于所述测试信道参数配置测试信道，并周期发送测试数据；
TDMA第二射频端(202)，分别与所述数据通信模块(304)和TDMA第一射频端(201)连接，基于所述测试信道参数配置测试信道，并等待所述TDMA第一射频端(201)所周期发送的测试数据，如果接收到所述测试数据则将其转发给数据通信模块(304)；
信道评估模块(302)，与所述数据通信模块(304)连接，通过所述数据通信模块(304)接收测试数据并进行评估，所述评估结果经过数据通信模块(304)发送至所述跳频管理模块(303)，所述所述跳频管理模块(303)得出最优信道表，将所述最优信道表进行乱序排列，得出工作信道表。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括通信控制模块(301)，与所述TDMA第一射频端(201)连接，用于控制所述TDMA第一射频端(201)与待组网子节点进行通信许可交互，依次授予所述各子节点组网许可；
被许可组网的各子节点与所述TDMA第二射频端(202)通信交互。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述信道评估模块(302)还用于实时检测与所述TDMA第二射频端(202)通信交互的被许可组网的各子节点的通信质量，并将通信质量差的子节点所对应的通信信道结果通过数据通信模块(304)转发至跳频管理模块(303)；
所述跳频管理模块(303)还用于在接收到所述通信质量差的子节点所对应的通信信道结果后，依据所述工作信道表选择与当前通信信道相邻的下一信道进行跳频，输出对应的跳频指令；
所述TDMA第二射频端(202)通过所述数据通信模块(304)接收所述跳频指令以进行跳频；
若被许可组网的各子节点在预设时间内无法收到广播信号，则依据所述工作信道表切换至与当前通信信道相邻的下一信道。
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