CN111885615B - 一种基于tdma的中心可转移组网通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TDMA的中心可转移组网通信方法，包括：指定主中心节点；采用超帧传输数据，子帧包括下行广播时隙、入网时隙、上行广播时隙和上行时隙；主中心节点发送广播信令和时间同步信号，终端节点完成同步并发送入网申请，主中心节点为一跳终端节点分配上行时隙，一跳终端节点入网后成为中继节点；中继节点转发主中心节点的广播信令和时间同步信号，游离节点通过中继入网；主中心节点选取备用中心节点，并在符合条件时采用主动转移或被动转移的方式转换角色。本发明主中心节点可转移，提高整个的抗毁性；采用中继接入方式，具有灵活的网络拓展方式，且网络随时进行动态调整，保障最优的网络拓扑结构，提高了网络覆盖能力。

Description

一种基于TDMA的中心可转移组网通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信组网技术领域，具体的说，是一种基于TDMA的中心可转移组网通信方法。

背景技术

目前，无线通信组网方式多为有中心的组网方式，即整个网络中有一个主节点负责对该网络进行网络管理和控制，其他终端节点以主节点为中心接入网络。各终端节点间的通信都需要通过主节点完成，终端节点将数据发送给中心节点，中心节点再转发给目标终端节点。该组网方式一般采用TDMA多址接入技术，采用该技术能灵活的对无线资源进行分配和管理。但是，这种中心组网系统健壮性弱、抗毁性较差，如果中心节点被毁或者出现故障时，整个网络都无法正常通信。

还有一类组网方式为无中心自组网方式，网络拓扑结构为网状结构，整个网络中没有主节点，靠各节点间相互路由中继实现数据通信。采用无中心自组网网络系统抗毁性较好，但路由算法复杂，当终端节点增多时路由开销将占据很大部分的带宽资源，由于贷款资源的限制导致其网络覆盖能力有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于TDMA的中心可转移组网通信方法，用于解决现有技术中有中心组网系统抗毁性差以及无中心组网系统网络覆盖能力有限的问题。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种基于TDMA的中心可转移组网通信方法，包括：

步骤S100：建立初始中心网络，包括多个终端节点，指定其中一个终端节点为主中心节点；

步骤S200：终端节点之间采用超帧传输数据，扩大信道容量，超帧包括多个子帧，每个子帧包括下行广播时隙、入网时隙、上行广播时隙和上行时隙，所述下行广播时隙用于主中心节点传输下行数据，所述入网时隙用于终端节点发送入网申请，所述上行时隙用于终端节点传输上行数据，所述上行广播时隙用于终端节点发送上行广播信令；

步骤S300：主中心节点发送广播信令和时间同步信号，收到广播信令和时间同步信号的终端节点为一跳终端节点，一跳终端节点完成时间同步并在入网时隙发送入网申请，主中心节点为合法的一跳终端节点分配上行时隙，一跳终端节点在上行时隙发送应答信令完成入网并成为一级中继节点；一级中继节点在各自的上行广播时隙转发主中心节点的广播信令和时间同步信号，收到一级中继节点转发的广播信令和同步信号的终端节点为二跳终端节点，二跳终端节点通过一级中继节点向主中心节点发送入网申请；主中心节点为二跳终端节点分配上行时隙和上行广播时隙，二跳终端节点完成入网后作为二级中继节点继续扩大网络覆盖范围，依次得到三跳终端节点，…，多跳终端节点；

步骤S400：网络中的各级中继节点在上行时隙转发以自身为中继接入的终端节点的业务数据，在上行广播时隙转发以自身为中继接入的终端节点的上行广播信令；

步骤S500：主中心节点按照规则选取备用中心节点，并在符合条件时采用主动转移或被动转移的方式与备用中心节点转换角色。

所述规则为接收到其他终端节点信息的数量最多的一跳终端节点作为备用中心节点。

所述步骤S500具体为：

步骤S510：主中心节点根据规则寻求备用中心节点，并将选取结果通过广播下达给一跳终端节点，再经过各级中继节点的转发，整个网络都收到备用中心节点的任命信令；

步骤S520：主中心节点采用A或B的方式转移：

A：主动转移，当主中心节点发现自身收到的终端节点信息的数量少于备用中心节点收到的终端节点信息的数量时，主中心节点发起转移命令，备用中心节点收到转移命令后，立即与主中心节点互换角色；

B：被动转移，当备用中心节点在预设时间内收不到主中心节点的时间同步信号，备用中心节点主动转换角色为主中心节点，承担主中心节点的工作。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明适用于复杂环境下多个终端的互联互通，主中心节点可转移，提高整个的抗毁性，以及具备中心组网的便捷快速的优点；采用中继接入方式，具有灵活的网络拓展方式，且网络随时进行动态调整，保障最优的网络拓扑结构，提高了网络覆盖能力。

(2)本发明各终端节点主动转发主中心节点的广播信令和时间同步信息，各终端设备接收统计广播信令接收情况，用该统计数据作为依据选举出备用中心节点，用于中心转移。

(3)本发明采用时隙设计时和超帧理念，在每个子帧中分配了一个上行广播时隙用于整个网络的信令交互开销，较大程度上为网络节约了业务时隙资源，增大了业务承载能力降低广播信令时隙的资源开销，提高了网络资源利用率。

附图说明

图1为本发明的网络拓扑图；

图2为终端节点之间时隙收发关系图；

图3为主中心节点主动转移示意图；

图4为主中心节点被动转移示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

结合附图1所示，一种基于TDMA的中心可转移组网通信方法，包括：

采用时分双工(TDD)方式设计时帧和时隙，为了扩大信道容量采用了超帧，每个超帧含有一定数量的子帧，子帧包含下行广播时隙、入网时隙、上行广播时隙和上行时隙。下行广播时隙用于主中心节点广播下行业务数据和信令数据，上行时隙用于终端节点发送上行业务数据和信令数据，入网时隙用于终端节点发送入网申请信令，上行广播时隙用于各终端节点发送上行广播信令，如图2所示，T为发生，R为接收。

1.建立网络

初始状态下，所有的终端节点处于未入网状态，所有的终端节点都有一个唯一身份信息识别码(IMEI)，具备北斗授时同步能力和自同步授时能力。终端节点接收北斗的高精度时间信号完成TDMA时间同步，在没有北斗信号时，终端节点通过接收网络中时间同步信令完成同步。

初始建立中心网络时，指定一个终端节点担任网络主中心节点的角色，为网络的主中心节点，在下行广播时隙广播发送广播信令和时间同步信令，其他未入网的终端节点接收到时间同步信令后完成时间同步，并在入网时隙随机发送入网申请信令，主中心节点通过身份鉴权后为合法的终端节点分配上行时隙，合法的终端节点在分配的上行时隙发送确认应答信令完成入网。在主中心节点信号覆盖范围内的终端节点都能正常的接收到主中心节点发送的广播信令和时间同步信令，按照入网流程完成入网，但在主中心节点信号覆盖范围外的终端节点将无法接入主中心节点，处于游离状态，此处称为游离节点。

2.中继接入

主中心节点为接入网络的每个终端节点分配上行时隙的同时还会分配一个上行广播时隙。各终端节点入网后在各自的上行广播时隙上转发主中心节点的广播信令和时间同步信令，扩大整个网络的信号覆盖范围。在主中心节点网络覆盖范围内的终端节点即一跳终端节点成为中继节点，一跳终端节点网络覆盖范围内的游离节点接收到中继节点转发的广播信令和同步信号后，通过中继节点开始入网申请。此时，一跳终端节点为中继节点，在其网络覆盖范围内的游离节点为被中继节点。游离节点入网后主中心节点同样为其分配上行时隙和一个上行广播时隙，通过中继节点接入网络的终端节点在各自的上行广播时隙广播转发接收到的广播信令和时间同步信息，继续扩大网络覆盖范围，成为下一级接入网络的终端节点的中继节点。如图1所示，ID1为主中心节点，在ID1覆盖范围内的ID1-ID3、ID5-ID9、ID12为一跳终端节点，一跳终端节点ID6成为二跳终端节点ID11的中继节点，一跳终端节点ID9成为二跳终端节点ID10和ID4的中继节点，ID13以ID11为中继节点接入网络为三跳终端节点，ID14以ID4为中继节点接入网络为三跳终端节点,。

3.选取备用中心节点

网络中所有的中继节点通过上行业务时隙转发被中继节点的业务数据，在上行广播时隙转发被中继节点的上行广播信令。所有入网的终端节点都会在一个超帧的各个子帧的上行广播时隙中对外转发广播信令和时间同步信令，因此主中心节点和终端节点会收到其他终端节点转发的广播信令和时间同步信息，并统计和记录收到终端节点信息的个数和相互间信号质量等信息。

主中心节点根据网络中各终端节点的统计信息选取备用中心节点，选取规则为接收到其他终端节点信息个数最多的终端节点作为备用中心节点。

由于主中心节点只能收到一跳终端点上报的统计信息，所以备用中心节点只能在一跳终端节点中产生。如图3所示，选取了ID9为备用中心节点。

主中心节点根据规则选取出备用中心节点，并将选取结果通过广播下达给终端节点，中继节点通过上行广播信道转发给其他被中继终端节点，直到整个网络都收到备用中心节点的任命信令。

4.主中心节点转移

主中心节点的转移有两种情况，主动转移和被动转移：

1)主动转移，结合图3所示：

当主中心节点ID1发现自身接收到终端节点个数远少于备用中心节点ID9时，主中心节点发起主动转移命令，备用中心节点收到转移命令后，立马转换角色，成为主中心节点，开展主中心节点相关工作。

2)被动转移，结合图4所示：

当主中心节点ID1脱网后，不能下发中心转移命令时，备用中心节点ID9在一段时间内收不到主中心节点的时间同步信息。此情况时，备用中心节点被迫自己转换角色为主中心节点，开展主中心节点相关工作。

本发明采用以下实验验证：

实验1：

以通信设备C通过设备B中继接入中心设备A为例：

通信设备A、B、C发射功率均为0.1W，采用全向天线，天线增益0dB，设备接收灵敏度为-96dBm，通信频率为C波段，计算可得链路覆盖范围为约为1Km。

1)通信设备A放在0Km处，通信设备C放在1.5Km处，正常开机工作，此时通信设备C未能接入中心设备A建立通信链路；

2)将通信设备B放置在通信设备A和B中间约0.8Km处，正常开机工作，通信设备B通过入网机制成功接入中心设备A的网络，建立通信链路；

3)一段时间后通信设备C也收到了通信设备B的同步信令，完成同步，接入中心设备A的网络，与A建立起通信链路。

实验2：

以主中心节点主动转移为例：

采用8个通信设备分别编号为a～h，其中指定设备a为初始主中心节点，所有通信设备发射功率均为0.1W，采用全向天线，天线增益0dB，设备接收灵敏度约为-96dBm，通信频率为C波段，计算可得每个通信设备的信号覆盖范围约半径1Km左右。

1)试验环境为视距相对空旷条件，设备a首先开机工作，其余设备均匀分布在设备a的信号覆盖范围内，设备f靠近设备a放置；

2)所有设备都正常启动后，在设备a处观察数据log信息，检测设备b至设备h是否全部接入设备a；

3)所有设备全部接入设备a后，监测设备f的角色身份，观察到其被设备a任命为备用中心节点；

4)将主中心节点设备a逐渐移动至设备f约0.8Km处后，监测到设备a和设备f的网络角色发生了变化，其中设备a失去了主中心节点身份，设备f担任起了主中心节点的角色；

5)逐个测试设备a-h间业务数据通信情况，均未出现脱网设备；

实验3：

以中心网络被动转移为例：

环境和设备均和实验2相同，在实例2的步骤4)时采取的措施是直接关闭设备a，一段时间后监测到设备f主动担任起了主中心节点的角色，继续维持整个网络通信。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (1)

1.一种基于TDMA的中心可转移组网通信方法，其特征在于，包括：

步骤S100：建立初始中心网络，包括多个终端节点，指定其中一个终端节点为主中心节点；

步骤S200：终端节点之间采用超帧传输数据，超帧包括多个子帧，每个子帧包括下行广播时隙、入网时隙、上行广播时隙和上行时隙，所述下行广播时隙用于主中心节点传输下行数据，所述入网时隙用于终端节点发送入网申请，所述上行时隙用于终端节点传输上行数据，所述上行广播时隙用于终端节点发送上行广播信令；

步骤S300：主中心节点发送广播信令和时间同步信号，收到广播信令和时间同步信号的终端节点为一跳终端节点，一跳终端节点完成时间同步并在入网时隙发送入网申请，主中心节点为合法的一跳终端节点分配上行时隙，一跳终端节点在上行时隙发送应答信令完成入网并成为一级中继节点；一级中继节点在各自的上行广播时隙转发主中心节点的广播信令和时间同步信号，收到一级中继节点转发的广播信令和同步信号的终端节点为二跳终端节点，二跳终端节点通过一级中继节点向主中心节点发送入网申请；主中心节点为二跳终端节点分配上行时隙和上行广播时隙，二跳终端节点完成入网后作为二级中继节点继续扩大网络覆盖范围，依次得到三跳终端节点，…，多跳终端节点；

步骤S400：网络中的各级中继节点在上行时隙转发以自身为中继接入的终端节点的业务数据，在上行广播时隙转发以自身为中继接入的终端节点的上行广播信令；

步骤S500：主中心节点按照规则选取备用中心节点，并在符合条件时采用主动转移或被动转移的方式与备用中心节点转换角色，所述规则为接收到其他终端节点信息的数量最多的一跳终端节点作为备用中心节点；

步骤S500具体为：

步骤S510：主中心节点根据规则寻求备用中心节点，并将选取结果通过广播下达给一跳终端节点，再经过各级中继节点的转发，整个网络都收到备用中心节点的任命信令；

步骤S520：主中心节点采用A或B的方式转移：

A：主动转移，当主中心节点发现自身收到的终端节点信息的数量少于备用中心节点收到的终端节点信息的数量时，主中心节点发起转移命令，备用中心节点收到转移命令后，立即与主中心节点互换角色；

B：被动转移，当备用中心节点在预设时间内收不到主中心节点的时间同步信号，备用中心节点主动转换角色为主中心节点，承担主中心节点的工作。

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