CN111885725A - 一种远距离tdma移动自组织网络节点同步接入方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法及设备，接入方法包括通信帧结构设计、双导频信号的设计、利用智能天线完成特殊导频信号的发送与接收、利用智能天线完成同步接入包的发送与接收、粗同步、精同步以及动态同步调整。本发明同时提供了一种实现接入方法的设备、终端及计算机可读存储介质。本发明能够兼容和扩展不同情景的系统需求。设计双导频信号，通过接收特殊导频确定智能天线的最佳接收扇区，然后使用该最佳接收扇区接收同步接入包，极大提高了同步接入的效率和稳定性。使用智能天线完成特殊导频信号和同步接入包的定向传输，极大提高了传输范围，解决了传统方法标准节点失效等问题。

Description

一种远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法及设备
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法及设备。
背景技术
移动自组织网络(MANET，Mobile Ad Hoc Networks)是一种包含若干具有收发功能节点的临时多跳自治通信系统，时分多址(TDMA)是移动自组织网络系统中普遍采用的一种信道接入方法。TDMA将时间划分为多个时隙，一定数量的时隙组成周期性的帧，然后把时隙分配给网络中的节点，各节点在自己的时隙内占用信道来发送信息。
为实现TDMA信道接入方式，移动自组织网络中各节点的时间同步和网络接入是整个系统中非常关键的一步，也是整个移动自组织网络正常建立、运行的基础和前提。根据移动自组织网络的网络规模和拓扑变化等特点的不同，节点的时间同步和接入技术也不尽相同。另一方面，智能天线的使用可以有效增加移动自组织网络的一跳通信距离。为了更好地实现基于智能天线的远距离TDMA移动自组织网络，需要设计一种新的节点同步接入方法。
现有的同步接入技术虽各有特点，但也存在着很多不足，例如University ofCalifornia at Los Angeles(UCLA)的Saurabh Ganeriwal，Ram Kumar等发表的文章Timing-Sync Protocol for Sensor Networks中提出的TPSN同步算法，通过对网络节点进行层次划分，实现所有节点与基准节点的时钟同步。这种同步算法存在临时协调节点失效以及误差积累等问题。更重要的是，目前绝大多数移动自组织网络都没有考虑将智能天线和TDMA接入方式相结合进行远距离组网的情况，网络的同步接入问题没有得到很好的解决。
发明内容
本发明针对上述现有技术中远距离TDMA移动组网过程中存在的节点同步接入问题，提供一种远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法及设备，利用智能天线多扇区切换进行节点接入，具有同步接入稳定、覆盖范围广等优点，能够提高同步接入的成功概率。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法，包括以下步骤：
—通信帧结构设计：将整个时间轴以超帧为单位进行时域资源划分，一个超帧共划分为N帧，每帧划分为M个时隙，各节点在各帧内均采用TDMA方式接入信道；其中第1帧为接入帧，用于网络中节点的同步接入；其余的N-1帧为业务帧；
—双导频信号的设计：设计常规导频信号和特殊导频信号用于节点同步接入网络，其中，节点通过接收特殊导频信号能够判断其他节点方位信息；
—利用智能天线完成特殊导频信号的发送与接收：根据通信帧结构，在接入帧内，已同步接入的节点在被分配的接入帧的特殊导频时隙内，利用智能天线循环切换扇区发送特殊导频信号；未同步接入的节点循环切换扇区接收特殊导频信号，确定最佳接收扇区；
—利用智能天线完成同步接入包的发送与接收：在接入帧内，已同步接入的节点在被分配的接入帧的同步接入包时隙内，利用智能天线循环切换扇区发送同步接入包；未同步接入的节点将最佳接收扇区固定为接收扇区，接收同步接入包；
—粗同步：未同步接入的节点接收同步接入包，根据携带的发送时间信息建立初步帧结构；在接入帧内，该节点在接入帧的特殊导频时隙和同步接入包时隙，利用智能天线循环切换扇区分别发送特殊导频信号和同步接入包，向已同步接入节点请求同步接入网络；
—精同步：已同步接入的节点接收到同步接入包后，根据同步接入包携带的发送时间信息计算出时间偏差T，并将该信息填入到同步接入包中再次发送出去，经过粗同步的节点再次接收到已同步的接入节点的同步接入包后，根据同步接入包中的时间偏差T调整与已同步接入节点的时钟偏差，完成同步接入过程；
—动态同步调整：已同步接入节点接收其他已同步接入节点的同步接入包，根据同步接入包携带的时间信息，互相调整不同节点间的时隙偏差。
所述的通信帧结构中的接入帧平均分配给P个节点发送同步接入控制信息，分为特殊导频信号时隙段和同步接入包时隙段，节点在对应的时隙段内发送同步接入控制信息。
所述的特殊导频信号不携带信息，通过循环切换扇区定向发送的方式等效替代全向发送。
所述的特殊导频信号发送时具有以下特点：发送节点在某个扇区发送特殊导频信号时，未同步接入节点在该时间段内循环切换完所有扇区；若未同步接入节点在时间t内未能接收到特殊导频信号，则建立本节点的帧结构，该节点为网络内的初始节点。
粗同步时被请求同步接入的节点是未同步接入节点收到的同步接入包的源节点。
调整不同节点间的时隙偏差时通过收集所有一跳邻居节点的同步接入包，互相折中调整。
本发明同时提供一种远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入设备，包括：
通信帧结构设计模块，用于将整个时间轴以超帧为单位进行时域资源划分；
双导频信号设计模块，用于设计常规导频信号和特殊导频信号；
特殊导频信号的发送与接收模块，用于已同步接入的节点利用智能天线循环切换扇区发送特殊导频信号；未同步接入的节点循环切换扇区接收特殊导频信号，确定最佳接收扇区；
同步接入包的发送与接收模块，用于已同步接入的节点利用智能天线循环切换扇区发送同步接入包，未同步接入的节点将最佳接收扇区固定为接收扇区，接收同步接入包；
粗同步模块，用于对未同步接入的节点根据携带的发送时间信息建立初步帧结构；
精同步模块，用于粗同步的节点调整与已同步接入节点的时钟偏差，完成精同步；
动态同步调整模块，用于已同步接入节点间互相调整时隙偏差，完成动态同步调整。
本发明还提供一种终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现所述的远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法的步骤。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：针对不同的网络规模需求和智能天线的扇区数量对TDMA帧结构中的接入帧进行灵活设计，能够兼容和扩展不同情景的系统需求。采用双导频信号的设计，通过接收特殊导频确定智能天线的最佳接收扇区，然后使用该最佳接收扇区接收同步接入包，极大提高了同步接入的效率和稳定性。本发明基于智能天线技术进行设计，使用智能天线完成特殊导频信号和同步接入包的定向传输，极大提高了传输范围，克服了采用全向天线传输同步接入控制信息时覆盖范围小、接收效率低的缺陷。本发明在发送特殊导频信号和同步接入包等同步接入控制信息时，采用智能天线循环切换扇区发送的方式，循环切换完所有L个扇区后，实现了全向范围的覆盖，等效代替了全向发送的方式，从而解决了多扇区智能天线的弊端并且发挥了其传输距离远等优势。本发明进行动态同步调整时，各节点只有收集完所有一跳邻居节点的同步接入包后，根据各个邻居节点的时间信息综合计算确定时隙偏差，若时隙偏差大于所设定的阈值，进行相互折中调整。传统方法常用各节点向某标准节点对齐调整，本方法解决了传统方法标准节点失效等问题。
附图说明
图1本发明通信帧结构和接入帧结构示意图；
图2本发明同步接入包结构示意图；
图3本发明粗同步、精同步流程示意图；
图4本发明动态同步调整过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提出的一种远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法，包括以下步骤：
(1)通信帧结构设计：如图1所示，以超帧为单位时元进行时域资源划分，一个超帧共划分为N帧，每帧划分为M个时隙，单个时隙长度由物理层数据包长度确定，各节点在各帧内均采用TDMA方式接入信道。在一个超帧中，第1帧为接入帧，用于分配给各个节点发送同步接入控制信息；其余的N-1帧为业务帧，主要用于各节点的数据业务传输。
其中，接入帧又可根据帧内时隙数目、节点数目和智能天线的扇区数目平均分为P个接入子帧，分配给P个节点发送同步接入控制信息，即1号节点对应第1接入子帧，2号节点对应第2接入子帧，依次类推。若以Q个超帧为一个周期，则在一个周期内可以为Q*P个节点分配接入子帧发送同步接入控制信息。接入子帧又包括特殊导频时隙和同步接入包时隙。节点在对应的接入子帧内的特殊导频时隙发送特殊导频信号；在同步接入包时隙发送同步接入包。其他节点在当前节点的接入子帧内都处于接收状态。
(2)双导频信号的设计：导频信号分为特殊导频信号和常规导频信号。常规导频信号为物理层发送数据包时添加到数据包前的导频信号，用于物理层数据包的接收同步；特殊导频信号只在接入子帧发送，各个节点所发送的特殊导频信号相同，不携带信息。接收节点通过接收发送节点发送的特殊导频信号确定最佳接收扇区，并利用最佳接收扇区接收同步接入包。
(3)利用智能天线完成特殊导频信号的发送与接收：在本发明的同步接入方法下，需要充分利用智能天线技术，即通过多扇区定向发送的方式传输信号。
已同步接入的节点在本节点对应接入子帧的特殊导频时隙内，利用智能天线循环切换扇区发送特殊导频信号，如图1所示，假设特殊导频时隙段包含A个时隙，系统的智能天线包含L个扇区，则每个扇区停留A/L个时隙，依次循环切换完L个扇区。
未同步接入的节点在节点开机后，开始循环切换扇区接收特殊导频信号，按照上述假设，每个扇区停留A/L2个时隙接收，以保证发送节点在某个扇区发送时，接收节点可以遍历所有接收扇区进行接收，从而确定最好的接收扇区。若接收到特殊导频信号，则节点继续接收特殊导频信号一个周期的时间，即如步骤(1)中Q帧时长。在此过程中，以物理层输出的相关值作为依据，选择相关值最大的接收扇区作为最佳接收扇区。若在一定时间内，假设为Tmax，未接收到特殊导频信号，即没有发现任何组网成功的节点存在，则该节点以当前时刻作为帧头，建立图1所示的帧结构，将同步接入状态置为已接入，即表示本节点为新网络中的首个节点。
(4)利用智能天线完成同步接入包的发送与接收：与步骤(3)相同，同步接入包的发送也要充分利用智能天线技术。在接入帧内，已同步接入的节点在本节点对应接入子帧的同步接入包时隙内，利用智能天线循环切换扇区发送同步接入包。若同步接入包时隙段包含B个时隙，如图1所示，每个扇区停留B/L个时隙，依次循环遍历所有L个扇区。未同步接入网络的节点在步骤(3)确定好最佳接收扇区后，将其固定为接收扇区，开始接收同步接入包；
(5)粗同步：未同步接入的节点按照步骤(4)接收到同步接入包后，判断同步接入包的源节点是否为已同步接入的节点(即判断图2所示的同步接入包的“接入请求目的节点ID”字段)，若为未同步接入节点(“接入请求目的节点ID”字段为有效值)，则将该接收到的同步接入包丢弃。若为已同步接入节点(“接入请求目的节点ID”为无效值)，则记录下接收时刻，并且解析同步接入包中携带的发送时间信息(即“发送超帧号、帧号、时隙号”字段)。以接收时刻为该同步接入包发送时隙号的时隙头，建立起本地的初步帧结构，即完成粗同步，其过程示意图如图3所示；然后在接入帧内，在该节点被分配的接入子帧的特殊导频时隙和同步接入包时隙，利用智能天线循环切换扇区分别发送特殊导频信号和同步接入包，向接收到的同步接入包的源节点请求同步接入网络，即将图2所示的同步接入包中的“接入请求目的节点ID”字段填为该源节点的ID。完成粗同步的节点在发送完同步接入控制信息后，仍然将接收扇区固定为步骤(3)中确定的最佳接收扇区，等待已同步接入节点的响应。
(6)精通步：步骤(5)中被请求的已同步接入的节点接收到未同步接入节点的同步接入包后，记录下接收时刻，同时解析出同步接入包的发送时隙号，计算接收时刻与本节点帧结构中该时隙号的时隙头之间的偏差，即为两倍的传输延时2T，并将时隙偏差T填入到同步接入包相对应节点的“传输时延与时隙偏差和值”字段，然后在本节点对应的接入子帧时段，如步骤(4)利用智能天线循环切换扇区将其发送出去，并将该请求同步接入节点的相关信息储存到本地邻居信息表中；已完成粗同步的节点再次接收到被请求接入节点的同步接入包后，解析出同步接入包中的时间偏差T，将本地帧结构的帧头向前调整T个时间单位，完成同步接入过程，即精同步；同时将被请求接入节点的相关信息储存到本地邻居信息表中。
若此过程中接收到已同步接入节点从不同扇区发送的同步接入包，则选择最初接收到的同步接入包即可，其过程示意图如图3所示。
(7)动态同步调整：已同步接入的节点间因为晶振漂移的影响，不同节点间的时隙也存在微小的偏差。若时隙偏差大于所设置的阈值，则需进行动态的时隙调整。具体的调整过程如下(以任一节点H举例说明)，过程示意图如图4所示：
a)节点H同步接入完成后，初始化本地对应一跳节点“传输时延与时隙偏差和值”表T，传输时延表Tτ、时隙偏差表Tbias。初始值皆为无效值。
b)在接入帧内，节点H在分配给其他节点的接入子帧的特殊导频时隙循环切换扇区接收特殊导频，确定最佳接收扇区如步骤(3)，然后在接下来的同步接入包时隙内按照最佳接收扇区定向接收同步接入包。
c)当接收到某节点(假设节点J)同步接入包后，记录下接收时刻，解析同步接入包中的“超帧号、帧号和时隙号”字段，计算接收时刻与本节点帧结构中该时隙号的时隙头之间的差值THJ，将该值填写到本地“传输时延与时隙偏差和值”表中(此过程中，若收到发送节点不同扇区发送的同步接入包，只解析第一次接收的同步接入包即可)。
d)解析同步接入包中的“传输时延与时隙偏差和值”字段的值，若为无效值，则表明J节点未收到过H节点的同步接入包，传输时延以THJ代替，填写到本地传输时延表中；若为有效值THJ，则以下述公式分别计算H、J节点间的传输延迟
Figure BDA0002594818690000071
和时隙偏差Tbias：
Figure BDA0002594818690000072
Figure BDA0002594818690000073
将传输延时
Figure BDA0002594818690000074
和时隙偏差Tbias填写到本地传输时延和时隙偏差表中。
若Tbias为正值，即说明节点H的时隙头落后于节点J的时隙头Tbias；若为负值，即说明本节点H时隙头超前于节点J的时隙头Tbias。
e)经过一个周期Q帧，节点H会收到所有一跳节点的同步接入包，计算出时隙偏差的平均值Tbias_ave。若时隙偏差平均值的绝对值|Tbias_ave|大于所设置阈值，则启动时隙调整。若启动调整，当时隙偏差的平均值Tbias_ave为正值时，则将本节点时隙头向前调整|Tbias_ave/2|，当时隙偏差的平均值Tbias_ave为负值时，则将本节点的时隙头向后调整|Tbias_ave/2|。
f)在分配给节点H的接入子帧中，将前面步骤中得到的与其他节点的“传输时延与时隙偏差和值”填写到待发送的同步接入包中，例如将对应节点J的THJ填写到同步接入包中的“传输时延与时隙偏差和值”字段中。若为第一次发送同步接入包，即没有对应的THJ值，将该字段置为无效值。
本发明同时提供一种远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入设备，包括：
通信帧结构设计模块，用于将整个时间轴以超帧为单位进行时域资源划分；
双导频信号设计模块，用于设计常规导频信号和特殊导频信号；
特殊导频信号的发送与接收模块，用于已同步接入的节点利用智能天线循环切换扇区发送特殊导频信号；未同步接入的节点循环切换扇区接收特殊导频信号，确定最佳接收扇区；
同步接入包的发送与接收模块，用于已同步接入的节点利用智能天线循环切换扇区发送同步接入包，未同步接入的节点将最佳接收扇区固定为接收扇区，接收同步接入包；
粗同步模块，用于对未同步接入的节点根据携带的发送时间信息建立初步帧结构；
精同步模块，用于粗同步的节点调整与已同步接入节点的时钟偏差，完成精同步；
动态同步调整模块，用于已同步接入节点间互相调整时隙偏差，完成动态同步调整。
本发明还提供一种终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现所述的远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法的步骤。
所述的计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明的方法。所述的终端可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备，也可以是处理器、存储器。
处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述针对底板信号特征值的连线关系筛选的设备各种功能。
本发明利用智能天线多扇区切换技术实现TDMA移动自组织网络节点同步接入，具有同步接入稳定、覆盖范围广等优点，提高了同步接入的成功概率。
以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明进行任何形式的限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
—通信帧结构设计：将整个时间轴以超帧为单位进行时域资源划分，一个超帧共划分为N帧，每帧划分为M个时隙，各节点在各帧内均采用TDMA方式接入信道；其中第1帧为接入帧，用于网络中节点的同步接入；其余的N-1帧为业务帧；
—双导频信号的设计：设计常规导频信号和特殊导频信号用于节点同步接入网络，其中，节点通过接收特殊导频信号能够判断其他节点方位信息；
—利用智能天线完成特殊导频信号的发送与接收：根据通信帧结构，在接入帧内，已同步接入的节点在被分配的接入帧的特殊导频时隙内，利用智能天线循环切换扇区发送特殊导频信号；未同步接入的节点循环切换扇区接收特殊导频信号，确定最佳接收扇区；
—利用智能天线完成同步接入包的发送与接收：在接入帧内，已同步接入的节点在被分配的接入帧的同步接入包时隙内，利用智能天线循环切换扇区发送同步接入包；未同步接入的节点将最佳接收扇区固定为接收扇区，接收同步接入包；
—粗同步：未同步接入的节点接收同步接入包，根据携带的发送时间信息建立初步帧结构；在接入帧内，该节点在接入帧的特殊导频时隙和同步接入包时隙，利用智能天线循环切换扇区分别发送特殊导频信号和同步接入包，向已同步接入节点请求同步接入网络；
—精同步：已同步接入的节点接收到同步接入包后，根据同步接入包携带的发送时间信息计算出时间偏差T，并将该信息填入到同步接入包中再次发送出去，经过粗同步的节点再次接收到已同步的接入节点的同步接入包后，根据同步接入包中的时间偏差T调整与已同步接入节点的时钟偏差，完成同步接入过程；
—动态同步调整：已同步接入节点接收其他已同步接入节点的同步接入包，根据同步接入包携带的时间信息，互相调整不同节点间的时隙偏差。
2.根据权利要求1所述的远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法，其特征在于：所述的通信帧结构中的接入帧平均分配给P个节点发送同步接入控制信息，分为特殊导频信号时隙段和同步接入包时隙段，节点在对应的时隙段内发送同步接入控制信息。
3.根据权利要求1所述的远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法，其特征在于：所述的特殊导频信号不携带信息，通过循环切换扇区定向发送的方式等效替代全向发送。
4.根据权利要求1所述的远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法，其特征在于：发送节点在某个扇区发送特殊导频信号时，未同步接入节点在该时间段内循环切换完所有扇区；若未同步接入节点在时间t内未能接收到特殊导频信号，则建立本节点的帧结构，该节点为网络内的初始节点。
5.根据权利要求1所述的远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法，其特征在于：粗同步时被请求同步接入的节点是未同步接入节点收到的同步接入包的源节点。
6.根据权利要求1所述的远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法，其特征在于：调整不同节点间的时隙偏差时通过收集所有一跳邻居节点的同步接入包后，互相折中调整。
7.一种远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入设备，其特征在于，包括：
通信帧结构设计模块，用于将整个时间轴以超帧为单位进行时域资源划分；
双导频信号设计模块，用于设计常规导频信号和特殊导频信号；
特殊导频信号的发送与接收模块，用于已同步接入的节点利用智能天线循环切换扇区发送特殊导频信号；未同步接入的节点循环切换扇区接收特殊导频信号，确定最佳接收扇区；
同步接入包的发送与接收模块，用于已同步接入的节点利用智能天线循环切换扇区发送同步接入包，未同步接入的节点将最佳接收扇区固定为接收扇区，接收同步接入包；
粗同步模块，用于对未同步接入的节点根据携带的发送时间信息建立初步帧结构；
精同步模块，用于粗同步的节点调整与已同步接入节点的时钟偏差，完成精同步；
动态同步调整模块，用于已同步接入节点间互相调整时隙偏差，完成动态同步调整。
8.一种终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6中任意一项所述的远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任意一项所述的远距离TDMA移动自组织网络节点同步接入方法的步骤。
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