CN110636585A - 一种无线跳频网络的快速接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线跳频网络的快速接入方法，具体包括如下步骤：入网设备广播步骤、网络节点单播步骤、入网设备单播步骤、同步信息步骤；本发明的提供了一种应用于无线跳频网络的快速接入方法。
Description
技术领域
本发明涉及网络领域，更具体的说，它涉及一种无线跳频网络的快速接入方法。
背景技术
跳频技术是一种常用的抗干扰通信技术，常用于对网络鲁棒性要求较高的无线网络中。在无线跳频网络的运行过程中，网络内无线设备的工作频率以时间片为单位切换，频率的切换以预先定义的周期顺序执行。
无线跳频网络通过快速的频率切换能够很好的抵抗外界频率干扰，同时也提供很好的通信安全性，但也使得无线设备接入网络的过程复杂、耗时长，导致现场维护、设备安装调测等需要快速确认验证的工作非常不方便执行。因此，可用于无线跳频网络的快速接入方法具有较强的实用意义。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种应用于无线跳频网络的快速接入方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种无线跳频网络的快速接入方法，具体包括如下步骤：
101)接入请求设备广播步骤：接入请求设备对外广播RTS，RTS中的参数都为广播值，且持续发送；
102)网内节点单播步骤：网内节点设备接收到广播RTS后，在固定的起始时刻，以竞争方式向接入请求设备发送单播RTS，并准备发送同步信息；
103)接入请求设备单播步骤：接入请求设备收到单播RTS后，向网内节点设备回复单播CTS；其中当网内节点设备大于等于两个时，选择最先收到的单播RTS为发送单播CTS的目标；
104)同步信息步骤：网内节点设备发送同步信息给接入请求设备，接入请求设备确认，建立MAC层信息同步。
进一步的，接入请求设备发送的RTS中包括报文参数全部为广播值，其使得任意网内节点都可以应答。
进一步的，网内节点设备在发送同步信息时，发送多次同步信息，且其中CCA即空闲信道评估检测不过、RTS无应答、CTS未收到、ACK未收到，都视为发送完成；RTS、CTS为RS232标准中请求发送/清除发送；ACK即为在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符。
进一步的，信息同步发送时采用跳频技术进行了跳频频率分配，降低信号干扰，并定义了超帧、时帧、时隙，其中时隙为最小的时间片单元，一个时隙时长为常量aTsTime，一个时帧包括aMaxTFLength个等长的时隙，一个超帧包括aMaxSFLength个等长的时帧；则总时隙数的计算公式如下：
SFn*aMaxSFLength*(aMaxTFLength–1)+TFn*(aMaxTFLength–1)+TSn–1；序列下标为mod(TSC,EFN)；
其中：SFn为当前超帧计数，TFn为当前时帧计数，TSn为当前时隙计数，TSC为总时隙数，EFN为有效频点个数；
通过时频复用方法进行整个网络的时间和频率切换的同步，即实现时隙同步和跳频同步。
进一步的，时隙同步通过接收到报文同步字字符后，根据报文到达时间，得到下一个时隙的起始时间，从而依次可得到所有时隙起始时间，而达到时隙同步，具体公式如下：
R1＝R2–(TsTxSyncOffset+TxProDelay+aTsTxOffSet+aTsCCA)
其中R1为接收端根据R2来估算的时隙起点，R2为接收端收到同步字字符的时间点；TsTxSyncOffset为发送前导和同步字字符固定的处理时间，可根据字节数计算得到；TxProDelay为信号传播中的固定通信延时；aTsTxOffSet为CCA检测起始时间，时间固定的常量；
aTsCCA为CCA检测完成时间，时间固定的常量。
本发明相比现有技术优点在于：本发明基于时间片设计了特殊的跳频频率分配机制，引入周期性的维护频率。未接入请求设备，包括调试工具，在时间周期内以维护频率持续发送接入请求，网内设备在维护信道接收到接入请求后，竞争性的发起响应，响应内容为网络当前的同步信息，包括时间和频率。未接入请求设备在收到同步信息之后，就可以与网内设备进行正常的信息交互。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的超帧结构图；
图3为本发明的MAC层同步示意图；
图4为本发明的时隙同步示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1至图4所示，一种无线跳频网络的快速接入方法，具体包括如下步骤：
101)接入请求设备广播步骤：接入请求设备向广播RTS，RTS中包含广播值，且持续发送。RTS中包括PanID即为广播值，其使得任意网内节点都可以应答。该RTS发送过程至少要持续64个时隙，即一次完整的接入过程需要64*2*20ms＝2560ms，不考虑通信失败可能的话，耗时应该不大于2560ms。
102)网内节点单播步骤：网内节点设备接收到广播RTS后，在固定的起始时刻，以竞争方式向接入请求设备发送单播RTS，并准备发送同步信息，其中网内节点设备数量一个以上，接收信息时采用跳频技术进行抗干扰。
网内节点设备在发送同步信息时，发送多次同步信息，且其中CCA即空闲信道评估检测不过、RTS无应答、CTS未收到、ACK未收到，都视为发送完成。RTS、CTS为RS232标准中请求发送/清除发送。ACK即为在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符。
103)接入请求设备单播步骤：接入请求设备收到单播RTS后，向网内节点设备发送单播CTS。其中当网内节点设备大于等于两个时，选择最先收到的单播RTS为发送单播CTS的目标。
104)同步信息步骤：网内节点设备发送同步信息给接入请求设备，接入请求设备确认，建立MAC层信息同步。
其中步骤102)的跳频技术本方案进行了跳频频率分配，定义了超帧、时帧、时隙，其中时隙为最小的时间片单元，一个时隙时长为常量aTsTime，一个时帧包括aMaxTFLength个等长的时隙，一个超帧包括aMaxSFLength个等长的时帧。则总时隙数的计算公式如下：
SFn*aMaxSFLength*(aMaxTFLength–1)+TFn*(aMaxTFLength–1)+TSn–1。序列下标为mod(TSC,EFN)。
其中：SFn为当前超帧计数，TFn为当前时帧计数，TSn为当前时隙计数，TSC为总时隙数，EFN为有效频点个数。
通过时频复用方法进行整个网络的时间和频率切换的同步，即实现时隙同步和跳频同步。即采用时频复用的方式，将时间分成N个连续重复的超帧(SF)。
时隙规划具体如下：
将每个超帧里的时隙可以分为维护时隙与应用时隙；维护时隙为维护调试专用时隙，其频点为专用的维护频点，每个时帧的第0个时隙定义为维护时隙，即每个超帧共有aMaxSFLength个维护时隙。应用时隙为用于网络中各节点数据通信，除维护时隙外的时隙都为应用时隙，应用时隙又被分为独享时隙和共享时隙。其中独享时隙为单个或多个节点的独享时隙，只允许这一个或多个节点在该时隙发送数据，具体分配由主节点根据网络情况进行统一协调。共享时隙为所有节点所共享，发送者通过竞争RTS/CTS的方式来获得发送机会，若竞争失败则进行时隙避退。
具体的独享时隙为节点专用时隙(网络包括主节点和子节点)，其资源分配说明如下：
1)主节点在上电后，会分配自己的独享时隙，主节点可在此时隙内发送数据，数据包括广播报文、单播报文。
2)子节点的独享时隙由主节点分配，子节点入网时，主节点会分配相应的时隙信息，子节点可在此时隙内发送数据，数据包括广播报文、单播报文。
3)主节点判断子节点处于离网状态后，允许将此子节点的独享时隙分配给其它节点。
4)主节点重启后，由于需要重新组网，故整个超帧的独享时隙资源都需要重新分配。
共享时隙的分配完全基于竞争机制，即主节点不介入共享时隙的分配，完全由子节点根据临近的节点分布情况和业务情况进行竞争。
根据时隙规划，时隙分维护时隙与应用时隙，其时频映射关系如下：
维护时隙需要使用特定的频点通信，物理层规定共有两个维护频点，故可根据时帧计数的奇偶性来切换维护频点，即：第一个时帧(TF0)的维护时隙使用维护频点1，第二个时帧(TF1)的维护时隙使用维护频点2，后续时帧根据计数依次类推。
应用时隙的频点采用跳频的方式来实现，信标帧中带有时隙信息及跳频信息，根据以上信息即可完成时频映射关系，跳频机制如下：
信标帧数据内容包括：
当前超帧计数(SFn)：一个字节，取值范围为0到255；
当前时帧计数(TFn)：取值范围为0到aMaxSFLength-1；
当前时隙计数(TSn)：取值范围为0到aMaxTFLength-1；
可用频点：用位表示各个频点是否可用，最低位表示起始频点；
频点生成间隔：表示从频点列表中获取当前时隙的频点的间隔数，频点生成间隔的序列下标号跟信道号相对应，频点生成间隔序列如下表所示。
| 序列下标 | 频点生成间隔 |
| 0 | 1 |
| 1 | 7 |
| 2 | 11 |
| 3 | 13 |
| 4 | 17 |
| 5 | 19 |
| 6 | 23 |
| 7 | 29 |
表1频点生成间隔序列
根据以上信息可得到：实际频点序列与当前时隙所用频点的序列下标，根据这两个信息就可确定当前时隙的频点。具体产生方式说明如下：
实际频点序列：
总频点序列：从物理层获取，不包括两个维护频点。
总频点个数：从物理层获取，不包括两个维护频点。
有效频点序列：总频点序列中保留可用频点后的按序提取的序列。
有效频点个数(EFN)：可用频点有效位数。
实际频点序列：有效频点序列中以频点生成间隔值采样出来的序列，此序列的总个数为有效频点个数。
实际频点序列产生举例如下表格所示：
表2实际频点序列产生举例
当前时隙所用频点的序列下标：
则总时隙数的计算公式如下：
SFn*aMaxSFLength*(aMaxTFLength–1)+TFn*(aMaxTFLength–1)+TSn–1。序列下标为mod(TSC,EFN)。
其中：SFn为当前超帧计数，TFn为当前时帧计数，TSn为当前时隙计数，TSC为总时隙数，EFN为有效频点个数。总时隙数计算时去掉了维护时隙的统计，具体如下表：
表3序列下标计算举例
由于采用时频复用机制，整个网络的时间和频率切换需要做到全网严格同步，即所有子节点必须要和主节点的时间及跳频频率切换同步，否则就会造成网络传输的干扰和信息丢失。
主节点及每个入网的子节点，会在各自的独享时隙对外广播信标帧或者发送业务数据。未入网节点获取到信标帧内容后，即可实现时频同步。
MAC层同步如图3所示。MAC层完成跳频同步有两种方式：
1)收到信标帧，即可完成同步。
2)收到RTS帧后，节点需向其他入网节点请求同步信息，信息获取成功后即可完成同步；请求同步信息帧与同步信息应答帧为MAC层命令帧，不需要RTC/CTS竞争，可直接通信。
时隙同步通过接收到报文同步字字符后，根据报文到达时间，得到下一个时隙的起始时间，从而依次可得到所有时隙起始时间，而达到时隙同步。
具体如图4所示，具体公式如下：
R1＝R2–(TsTxSyncOffset+TxProDelay+aTsTxOffSet+aTsCCA)
其中R1为接收端根据R2来估算的时隙起点，R2为接收端收到同步字字符的时间点。TsTxSyncOffset为发送前导和同步字字符固定的处理时间，可根据字节数计算得到。TxProDelay为信号传播中的固定通信延时。aTsTxOffSet为CCA检测起始时间，时间固定的常量。aTsCCA为CCA检测完成时间，时间固定的常量。T1为时隙起点；T4为发送完前导和同步字的时间；T5为下一个时隙的起点。
跳频同步通过网络中的子节点上电后，由慢跳频扫描的机制来实现时频同步，为实现未入网节点的维护，慢跳频扫描机制中需支持维护频点的监听。其中从物理层获取总频点序列及总频点个数，包括两个维护频点；监听通过MAC层向物理层发起请求，并依次监听总频点序列中的各个频点，直到收到同步字字符为止，监听频点及监听时长如下：
因每隔16个超帧后时频映射关系会重复，故监听总时间跨度设为16个超帧长度。即应用频点的监听总时间跨度设为16个超帧长度。
因节点维护，每监听31个时隙后，会进行轮换使用，即每监听31个时隙的应用频点后，监听一个时隙的维护频点，两个维护频点轮换使用。故监听频点以31个时隙为单位。具体举例如下表：
表4监听频点的次序与监听时长规则
当使用维护频点收到同步字，保持在此频点内，直到报文交互完成，后继续按照规则进行频点监听。
当使用应用频点收到同步字后，即可实现时频同步，说明如下：其中接收到完整报文后，判断其报文类型：若报文为信标帧，即可获取到同步信息；若为RTS帧，从帧中可获取信息：源地址、时隙偏移、频点序号，再在时隙偏移后的时隙中使用相应频点向源节点请求同步信息帧命令，若请求失败，则按照监听频点的次序继续慢跳频监听；若请求成功，则可获取到同步信息；
获取到同步信息后，则可根据信息实现跳频频率同步。
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，在不脱离本发明构思的前提下，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保护范围内。
Claims (5)
1.一种无线跳频网络的快速接入方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
101)接入请求设备广播步骤：接入请求设备对外广播RTS，RTS中的参数都为广播值，且持续发送；
102)网内节点单播步骤：网内节点设备接收到广播RTS后，在固定的起始时刻，以竞争方式向接入请求设备发送单播RTS，并准备发送同步信息；
103)接入请求设备单播步骤：接入请求设备收到单播RTS后，向网内节点设备回复单播CTS；其中当网内节点设备大于等于两个时，选择最先收到的单播RTS为发送单播CTS的目标；
104)同步信息步骤：网内节点设备发送同步信息给接入请求设备，接入请求设备确认，建立MAC层信息同步。
2.根据权利要求1所述的一种无线跳频网络的快速接入方法，其特征在于：接入请求设备发送的RTS中包括报文参数全部为广播值，其使得任意网内节点都可以应答。
3.根据权利要求1所述的一种无线跳频网络的快速接入方法，其特征在于：网内节点设备在发送同步信息时，发送多次同步信息，且其中CCA即空闲信道评估检测不过、RTS无应答、CTS未收到、ACK未收到，都视为发送完成；RTS、CTS为RS232标准中请求发送/清除发送；ACK即为在数据通信中，接收站发给发送站的一种传输类控制字符。
4.根据权利要求1所述的一种无线跳频网络的快速接入方法，其特征在于：信息同步发送时采用跳频技术进行了跳频频率分配，降低信号干扰，并定义了超帧、时帧、时隙，其中时隙为最小的时间片单元，一个时隙时长为常量aTsTime，一个时帧包括aMaxTFLength个等长的时隙，一个超帧包括aMaxSFLength个等长的时帧；则总时隙数的计算公式如下：
SFn*aMaxSFLength*(aMaxTFLength–1)+TFn*(aMaxTFLength–1)+TSn–1；序列下标为mod(TSC,EFN)；
其中：SFn为当前超帧计数，TFn为当前时帧计数，TSn为当前时隙计数，TSC为总时隙数，EFN为有效频点个数；
通过时频复用方法进行整个网络的时间和频率切换的同步，即实现时隙同步和跳频同步。
5.根据权利要求4所述的一种无线跳频网络的快速接入方法，其特征在于：时隙同步通过接收到报文同步字字符后，根据报文到达时间，得到下一个时隙的起始时间，从而依次可得到所有时隙起始时间，而达到时隙同步，具体公式如下：
R1＝R2–(TsTxSyncOffset+TxProDelay+aTsTxOffSet+aTsCCA)其中R1为接收端根据R2来估算的时隙起点，R2为接收端收到同步字字符的时间点；TsTxSyncOffset为发送前导和同步字字符固定的处理时间，可根据字节数计算得到；TxProDelay为信号传播中的固定通信延时；aTsTxOffSet为CCA检测起始时间，时间固定的常量；aTsCCA为CCA检测完成时间，时间固定的常量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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