CN112584442A - 一种基于时分多址技术动态时隙组网的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时分多址技术动态时隙组网的实现方法。该方法在主从模式网络中，可根据各节点数据长度进行动态时隙分配，避免通信碰撞的同时，使网内节点根据不同的传输数据长度有效的分配地址。此种动态时隙网络实现方法区别于传统动态时隙协议，无需等待上位机数据完全写入后才可分组、打包并发送数据；只需根据循环队列内已有数据实现逐一时隙预约，缩短数据由上位机通过串口写入的等待时间，简化分组计算过程，减少时隙地址浪费，提高整体数据传输速率。与此同时，区别于时分多址固定时隙组网，此实现方法还可突破通信过程中数据包长的限制，使网络节点发送数据实际包长灵活可变，还可确保网络内通信数据包不拆分的完整性。

Description

一种基于时分多址技术动态时隙组网的实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于时分多址技术动态时隙组网的实现方法。动态时隙组网协议是基于无线传输设备交换业务信息及数据的一种高效率通信方式。动态时隙组网具有信道利用率高，灵活性强，适应性好的特点，常运用于军事及民用通信中。

背景技术

时分多址技术是一种基于时隙划分概念的组网技术，即对时间周期进行划分为不同时隙，分配给网内不同的节点，让网内节点占据不同时隙共享信道通信。随着网内节点数量增加，节点数据传输需求增多，固定时隙时分多址技术无法根据节点灵活业务进行功能变更，造成网内时间周期变长及时隙浪费，导致数据链路传输层传输速率降低，影响网络性能。动态时隙时分多址技术可根据本网内节点节点需求动态调整时隙，如根据发送数据长度灵活预约时隙，增加信道利用率，提高通信效率。但是传统的动态时隙组网的实现方法都是基于复杂的竞争冲突算法机制进行时隙预约，实际网络应用中，时隙预约成功率低，组网通信性能差。与此同时，伴随着目前军事及民事领域对网络节点传输数据长度及速率要求的提高，传统的动态时隙显然无法达到此种高标准。

本发明提出的基于时分多址技术动态时隙组网的实现方法不同于传统动态时隙组网方法，当网内节点接收上位机发送数据时，无需等待数据完全写入便可进行时隙预约，可节省由于串口波特率和硬件限制导致的延迟时间；此实现方法还可将时隙预约命令写入数据通信时帧帧头内，实现在数据传输时隙内实现对下一传输时隙的预约，减少预约次数；同时，若网内某节点无数据发送，还可发送切换时隙命令，快速加快周期发送时隙轮寻，整体提高网络内数据传输速率和无线信道有效利用率。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于时分多址技术动态时隙组网的实现方法，能够实现根据节点上位机数据长度灵活预约时隙发送数据实现组网通信，预约通信时隙可与上位机写入数据同步进行；当上位机传输数据单个时隙无法传输完时，可通过此数据通信帧帧头携带下一时隙预约信息，直至数据传输完成后释放预约时隙。此发明还包括在动态时隙组网通信中从节点掉网再入网及主节点掉网再建网的一些解决方法。

本发明是采用以下技术手段实现的：

1.一种基于时分多址技术动态时隙组网，其组网方式如下：

1.1动态时隙组网网络中时隙总个数，设置为M，对应M个不同地址即M个时隙为一个传输周期，第一个时隙主节点用来发送勤务同步及迟入网时间帧，剩余时隙在初始化时根据节点ID号依次分配给网内不同节点用来预约时隙。

1.2完成初始化及同步入网后，进入数据传输阶段，主节点首先在第一个时隙发送勤务同步及迟入网时间帧，即主节点在每个数据传输周期开始前读取本地时间信息对齐网内从节点时间，同时若有新节点入网可读取此时间帧进行时间对齐实现迟入网过程。

1.3在剩余时隙构成的有效数据传输周期中，主节点在2时隙检测循环队列内是否有上位机需要传输的数据，若无数据，则主机网内从节点发送时隙切换命令帧，发送完成后调整本地时间切换至下一时隙，网内其余节点收到时隙切换命令帧后，同调整时间切换节点时隙；若循环队列有数据需要发送，则发送时隙预约帧预约3时隙，网内从节点收到此时隙预约帧将3时隙留给主节点进行数据传输，所有从节点固定预约时隙后延至相应下一时隙；节点在数据传输阶段，通过数据传输帧进行数据通信。

1.4主节点在预约好的数据传输时隙读取循环队列内的数据长度，当数据长度大于通信设备传输单包最长数据长度N字节，则读取N字节数据，并将预约命令写入数据传输帧帧头内，在进行数据打包发送后，主节点将下一时隙即4时隙继续预约为本节点数据传输时隙，与此同时，网内从节点收到此包数据后查看帧头预约命令对下一时隙进行预约同时让本节点固定预约时隙退避顺延。同理网内其余从节点时隙预约及通信过程与此相同。

1.5若网内从节点在第一时隙未收到主机发送的勤务同步及迟入网时间帧，此种现象可由两种情况导致，第一种情况为网络主节点掉网，第二种情况为从节点自己掉网。根据上述两种情况，从节点未接收到勤务同步及迟入网时间帧时开启计时器开始计，累计计时三个周期仍未接收到主节点发送的勤务同步及迟入网时间帧，从节点利用通信硬件平台看门狗功能进行软件复位，即让从节点回到软件初始状态等待主机重新入网扫描或发送勤务同步及迟入网信息。

2.根据权利要求1所述的时分多址技术动态时隙组网的实现方法，其特征为：前述1.1、1.2、1.3、1.4中的勤务同步及迟入网时间帧、数据传输帧、时隙切换命令帧、时隙预约帧，其作用为：

2.1勤务同步及迟入网时间帧将勤务同步时间信息和迟入网时间信息整合为一个时间信息帧，主机通过此时间信息帧的发送，可以同时实现网内节点的时间勤务同步和网外节点的迟入网；

2.2数据传输帧根据通信射频硬件要求此数据传输帧最大发送字节长度为N字节，上述动态时隙组网的实现方法可基于数据传输帧，判断通信传输字总节长度进行数据分组打包发送，提高数据传输的灵活性；同时此数据传输帧帧头还包含时隙预约信息，可在数据传输时隙进行时隙预约；

2.3时隙切换命令帧携带时隙切换命令及本地时间信息，鉴于通信硬件传输特性，读取循环队列进行判断只需很短时间，则可将剩余时隙时间t与本地时钟相加后打包发送，同时更新本地时钟，实现网内时间信息更新即网内时隙的切换，此种方法可减少时隙时间的浪费，提高信号利用率及整体数据传输速率；

2.4时隙预约帧包含时隙预约信息，可实现初始数据传输时隙的预约；

3.根据权利要求1所述的时分多址技术动态时隙组网的实现方法，其特征为：前述1.1的网络周期时隙个数M可通过上位机软件进行配置，配置参数M由公式2计算可得；公式涉及网内节点数Num、每个节点数据传输长度Len_i两个参数及通信设备单包传输最大字节数N。

4.根据权利要求1所述的时分多址技术动态时隙组网的实现方法，其特征为：前述1.5涉及的计时器是通过比较匹配定时器开中断进行时间累加计时的，当达到设置的计时时间上限仍无接收到主节点勤务同步及迟入网时间帧，则启用看门狗功能。

5.根据权利要求1所述的时分多址技术动态时隙组网的实现方法，其特征为：前述1.5中看门狗功能具体为，当达到计数器设定计数值后，看门狗执行软件复位，让本节点回到软件初始状态重新等待初始入网或者迟入网。

本发明一种基于时分多址技术动态时隙组网的实现方法，具有以下优势：

1.突破通信设备射频模块包长限制，实现上位机数据较长时灵活预约连续时隙，保证长包数据的传输完整性；同时，根据上位机有无数据及待发数据长度灵活切换及预约时隙，可降低传统固定时隙组网方法导致的地址浪费，提高整体网络数据传输速率，扩大了实际运用场景及范围。

2.可实现对网络内主机和从机的状态监测，确保主机或从机掉网络后可重新快速组建新的网络，解决主机掉网整体网络崩塌问题，降低从机掉网网络数据丢包率及失步率，提高整体网络的稳健性及抗干扰能力。

3.能通过上位机软件实现网内通信周期时隙个数的配置。即根据实际通信过程中网内节点数和数据发送范围，自行配置节点通信周期长度。此方式可最大限度灵活优化通信周期长度，优化上位机数据传输间隔，提高上位机数据传输效率。

附图说明

图1为动态时隙组网初始时序结构图；

图2为动态时隙组网数据传输时序结构图；

图3为周期时隙个数配置图；

图4为主节点数据传输流程图；

图5为从节点数据传输流程图；

图6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是整个动态时隙组网初始时序结构图，此动态时隙组网方法分为初始同步入网和数据传输两个阶段，同时数据传输阶段包括时隙预约、数据互传、勤务同步迟入网、定时切换时隙四个过程。整个通信组网过程中，网内节点可根据传输数据量进行网内时隙预约。设置时隙长度为7.5ms。

如图1所示，首先网内节点进行初始同步入网，入网过程为以主机为中心广播时间信息，从机收到时间信息进行网内时钟调整，自动与主机时间对齐，同时在自己发送时隙回复主机反馈帧，确认本机入网，初始同步为固定时分多址结构。初始数据传输周期时隙数S与网内节点数Num有关，具体关系为：

S＝Num+1(公式1)

初始数据传输默认为网内节点皆无数据传输，即数据传输周期由网内节点预约时隙组成。当有数据需要发送时再对后续时隙进行灵活变动，如若主节点有数据发送则在时隙预约时隙进行预约数据发送时隙预约，即预约3时隙，那么相应的，从节点1的时隙预约时隙变为时隙4。

如图2所示，数据传输阶段M个时隙组成一个数据传输周期。主机在每个周期的第一个时隙发送迟入网勤务同步帧，将勤务同步信息和迟入网信息结合为一个时间帧在固定频点进行广播发送，网内节点收到此时间帧读取勤务同步信息进行网内时间对齐，减少长时间数据通信造成的时钟偏移，影响网内通信的精确性；同时，此M值可根据时隙通信组网中节点个数Num及每个节点要发送的数据长度Len_i进行计算得出，如下：

其中数值N为通信硬件设备单包传输数据最大字节数。即操作者可根据实际组网数据传输过程的指标要求，灵活的运用上位机配置软件进行数据传输周期时隙数进行配置，解决了固定时分多址组网时隙固定，实际运用中无法根据用户需求灵活变更时隙，造成固定空白时隙浪费的问题。

图3是常用的组网节点数及节点不同传输数据量对应的周期时隙个数M的配置参考。需要说明的是，根据上述计算公式，即当节点单词需要传输数据量大于通信硬件设备传输数据最大字节数N时，需要对网内数据发送时隙进行连续预约，即进行分包发送，最后一包数据不满N时，也打包成一包进行发送；当单个节点需要发送数据小于N字节时，预约一个时隙进行发送。

图4和图5分别是主机数据流程图和从机数据流程图。根据上述实际应用中用户需求通过上位机软件对周期时隙个数M进行配置后，主机和从机进入正式通信过程。

如图4所示，主机首先在在数据传输周期的第一个时隙广播发送迟入网勤务同步帧，此时间信息帧除去勤务同步及迟入网功能，同时还可以作为网内从节点判断是否掉网的标志。主节点在第二个时隙进入预约时隙判断循环队列内是否有上位机需要发送传输的数据，若有数据则发送时隙预约帧预约下一时隙，网内从节点收到此时隙预约帧后，进行时隙退让，将自己对应的预约时隙进行顺延一个，以此种方式调整组网时隙通信结构；继而主机在网内节点退让出的时隙读取此时循环队列内数据长度，若数据长度Length大于通信硬件设备单包传输数据最大字节数N，则将预约信息放在数据传输帧帧头进行发送，网内节点识别数据传输帧帧头后，可自行进行时隙退让，本组网方法以此种方式增强时隙预约的灵活性和可靠性。若主节点在预约时隙循环队列内无数据传输时，则清空本地时隙定时器，同时发送时隙切换命令帧，网内从节点收到时隙切换命令帧后清空本地时隙定时器，达到主节点和从节点的时隙对齐，可减少无数据时预约时隙的浪费，更细致的精简时隙，确保当网内节点循环队列内有待传输数据时，可最快速高效的争取到网内发送数据的优先权。

如图5所示为从节点数据传输流程图，从节点在数据传输周期的第一个时隙接收主节点发送的迟入网勤务同步帧，若从节点接收到此时间信息帧，则进行网内勤务同步，若无接收到，则开启计时器进行计时，在计时期间，若从节点又重新接收到主节点发送的迟入网勤务同步帧，则关闭计时器，继续对齐时间进行正常数据通信，若从节点累计到计时器时间time，(一般设置为3个周期)仍无接收到时间信息，则可认为从节点已经掉网，或者主节点掉网，此时从节点启用开门狗对软件进行复位，让从节点回到初始同步入网阶段，等待新的入网信号。鉴于此网络为主从模式，即一个主节点，多个从节点，所以从节点可根据自己不同ID进行预约时隙分配，不同的从节点根据自己ID不同判断是否为自己预约时隙，在自己预约时隙进行与上述主节点相同的操作，在不是自己预约时隙的其余时隙进入接收状态，进行数据帧、时间帧及命令帧的接收。关于时隙预约和时隙切换过程，从节点与主节点执行的操作相同，但是是按照从节点ID大小依次进行的。这种预约时隙有序排列，数据通信时隙可变动的动态时隙组网方式更灵活有序。从节点在接收时隙，可能接收到时隙预约帧、时隙切换命令帧、带预约信息帧头的数据传输帧及不带预约信息帧头的数据传输帧，其接收不同协议帧执行不同操作，如接收时隙预约帧进行时隙退让预约，接收到时隙命令切换帧，清空本地时隙定时器进行时隙切换，接收到带有预约信息帧头的数据帧，在把数据上传后，退让时隙进行接收时隙预约，但是接收到不带有预约信息的帧头，则证明此包数据上一通信节点最后一包数据，此节点即将释放占用的信道给其余别的网内节点。

图6是跳频组网过程中用到的四种通信帧：勤务同步及迟入网时间帧、时隙切换命令帧、时隙预约帧、数据传输帧帧头均由8字节前导码、2字节同步字、1字节帧类型构成。前导码格式为连续32比特的“1010”，前导码检测阈值为20比特，允许帧头存在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。勤务同步及迟入网时间帧、时隙切换命令帧、时隙预约帧、数据传输帧的帧类型为：0xAB、0xFB、0xFC、0xAA，通过检测帧类型网内节点可区分不同协议帧。同时网内节点可根据预约信息0xFF来判断是否需要执行时隙预约及退让。

如图6所示，勤务同步及迟入网时间帧包含小时、分钟、秒、时隙数、定时器的值为实时时帧的值，组合成时间信息。数据传输帧允许传输1-N字节数据，即单包数据最大不可超过N字节。帧结构最后使用2字节CRC校验码：0x8005，可以用来对不同协议帧进行校验判断其正确性。

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 (5)

1.一种基于时分多址技术动态时隙组网，其组网方式如下：

1.1动态时隙组网网络中时隙总个数，设置为M，对应M个不同地址即M个时隙为一个传输周期，第一个时隙主节点用来发送勤务同步及迟入网时间帧，剩余时隙在初始化时根据节点ID号依次分配给网内不同节点用来预约时隙。

1.2完成初始化及同步入网后，进入数据传输阶段，主节点首先在第一个时隙发送勤务同步及迟入网时间帧，即主节点在每个数据传输周期开始前读取本地时间信息对齐网内从节点时间，同时若有新节点入网可结束此时间帧进行时间对齐实现迟入网过程。

1.3在剩余时隙构成的有效数据传输周期中，主节点在2时隙检测循环队列内是否有上位机需要传输的数据，若无数据，则主机网内从节点发送时隙切换命令帧，发送完成后调整本地时间切换至下一时隙，网内其余节点收到时隙切换命令帧后，同调整时间切换节点时隙；若循环队列有数据需要发送，则发送时隙预约帧预约3时隙，网内从节点收到此时隙预约帧将3时隙留给主节点进行数据传输，所有从节点固定预约时隙后延至相应下一时隙；节点在数据传输阶段，通过数据传输帧进行数据通信。

1.4主节点在预约好的数据传输时隙读取循环队列内的数据长度，当数据长度大于通信设备传输单包最长数据长度N字节，则读取N字节数据，并将预约命令写入数据传输帧帧头内，在进行数据打包发送后，主节点将下一时隙即4时隙继续预约为本节点数据传输时隙，与此同时，网内从节点收到此包数据后查看帧头预约命令对下一时隙进行预约同时让本节点固定预约时隙退避顺延。同理网内其余从节点时隙预约及通信过程与此相同。

1.5若网内从节点在第一时隙未收到主机发送的勤务同步及迟入网时间帧，此种现象可由两种情况导致，第一种情况为网络主节点掉网，第二种情况为从节点自己掉网。根据上述两种情况，从节点未接收到勤务同步及迟入网时间帧时开启计时器开始计，累计计时三个周期仍未接收到主节点发送的勤务同步及迟入网时间帧，从节点利用通信硬件平台看门狗功能进行软件复位，即让从节点回到软件初始状态等待主机重新入网扫描或发送勤务同步及迟入网信息。

2.根据权利要求1所述的时分多址技术动态时隙组网的实现方法，其特征为：前述1.1、1.2、1.3、1.4中的勤务同步及迟入网时间帧、数据传输帧、时隙切换命令帧、时隙预约帧，其作用为：

2.1勤务同步及迟入网时间帧将勤务同步时间信息和迟入网时间信息整合为一个时间信息帧，主机通过此时间信息帧的发送，可以同时实现网内节点的时间勤务同步和网外节点的迟入网；

2.2数据传输帧根据通信射频硬件要求此数据传输帧最大发送字节长度为N字节，上述动态时隙组网的实现方法可基于数据传输帧，判断通信传输字总节长度进行数据分组打包发送，提高数据传输的灵活性；同时此数据传输帧帧头还包含时隙预约信息，可在数据传输时隙进行时隙预约；

2.3时隙切换命令帧携带时隙切换命令及本地时间信息，鉴于通信硬件传输特性，读取循环队列进行判断只需很短时间，则可将剩余时隙时间t与本地时钟相加后打包发送，同时更新本地时钟，实现网内时间信息更新即网内时隙的切换，此种方法可减少时隙时间的浪费，提高信号利用率及整体数据传输速率；111

2.4时隙预约帧包含时隙预约信息，可实现初始数据传输时隙的预约。

3.根据权利要求1所述的时分多址技术动态时隙组网的实现方法，其特征为：前述1.1的网络周期时隙个数M可通过上位机软件进行配置，配置参数M由公式2计算可得；公式涉及网内节点数Num、每个节点数据传输长度Len_i两个参数及通信设备单包传输最大字节数N。

4.根据权利要求1所述的时分多址技术动态时隙组网的实现方法，其特征为：前述1.5涉及的计时器是通过比较匹配定时器开中断进行时间累加计时的，当达到设置的计时时间上限仍无接收到主节点勤务同步及迟入网时间帧，则启用看门狗功能。

5.根据权利要求1所述的时分多址技术动态时隙组网的实现方法，其特征为：前述1.5中看门狗功能具体为，当达到计数器设定计数值后，看门狗执行软件复位，让本节点回到软件初始状态重新等待初始入网或者迟入网。

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