CN112752336A - 一种有中心的同步同频同播方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有中心的同步同频同播方法和系统，所述方法包括：主中心节点向次中心节点和普通节点发送控制信息，所述控制信息包括同步信息和跳频图；次中心节点转发所接收到的控制信息；接收到所述控制信息后，普通节点根据同步信息进行同步，并根据所述跳频图切换业务数据接收或发送的数据频点。通过主中心节点和次中心节点进行控制信息的传播，以提高控制信息的覆盖范围；普通节点根据控制信息与主中心节点进行同步，并根据控制信息中的跳频图切换数据频点，一方面通过跳频技术，提高数据传输的安全性，防止被干扰或窃听；另一方面使接收到控制信息的普通节点组成同频同播网络，进行业务数据传输，提高了有效数据带宽和数据传输可靠性。

Description

一种有中心的同步同频同播方法和系统

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，具体涉及一种有中心的同步同频同播方法和系统。

背景技术

移动通信系统按其所服务的范围来分，可以分为专用移动通信系统和公用通信通信系统，公共移动通信是一种包含很广的移动通信系统，它有多种体制，其中最重要的是蜂窝移动通信系统。而专用移动通信系统最早则是有对讲机发展而来的，后来把对讲机的频率集中起来为更多的用户共用。

窄带信号的无线自组网系统为一种专用移动通信系统，一般都是应用于语音传输。对于语音传输而言，因为语音带宽较小，高数据速率带宽并不是自组网的主要性能指标。对于窄带自组网系统，网络传输的高可靠性和通信覆盖范围才是自组网设计中的首要考虑因素。

目前很多自组网系统是有中心节站的集群通信系统，主要应用于大的企业、团体、单位，需要建设大量的基础通信设施，费用也非常昂贵。整个网络基于该中心进行同步，路由协调等操作。另外整个系统都要时刻保持同步状态，每个节点都要保证基于中心节点进行同步。

中继是作为扩大通信覆盖范围的主要手段之一。传统自组网里，传统无线通信电台一般不具备中继功能，已有的中继功能的无线通信电台是一个网络层的多跳单点线状中继，通过网络层协议来选择路由线路进行中继。

另外一些自组网系统是无中心节点的自组网系统，这种自组网系统节点之间是异步的。无中心的自组网系统的中继又分为两种模式：

1.传统的无中心的中继技术需要进行高层路由来选择中继线路，每一级均只有一个节点进行中继，中继线路中任意节点的移动、断线都会影响中继的质量与连通性，从而导致重复性的搜索和更新中继线路，降低了系统的可靠性与有效数据带宽。

2.还有一种模式是进行同频同播，即所有节点同时完成接收和转发功能，在物理层完成中继功能，这样可以提高系统的可靠性与有效数据带宽。但是无中心同频同播系统无法保证各个节点的同步，造成各个节点时间戳不同，影响业务数据的收发。同时，不管是传统的无中心的自组网还是同频同播的无中心的自组网，整个系统都是异步的，这样所有节点在休闲状态，接收机需要一直进行能量检测，来判断空口是否有信号，这样射频和CPU需要一直工作，没办法进行休眠，这样节点功耗比较大。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种有中心的同步同频同播方法和系统，在各个普通节点与主中心节点同步的情况下，普通节点之间进行数据帧接收或发送，以提高数据传输的可靠性，同时通过切换数据帧收发的数据频点，提高数据传输的安全性。

本发明公开了一种有中心的同步同频同播方法，所述方法包括：主中心节点向次中心节点和普通节点发送控制信息，所述控制信息包括同步信息和跳频图；次中心节点转发所接收到的控制信息；接收到所述控制信息后，普通节点根据同步信息进行同步，并根据所述跳频图切换业务数据接收或发送的数据频点。

优选的，所述控制信息还包括配置信息，所述配置信息包括以下之一或它们的组合：寻呼周期和调制方式；

所述同步信息包括时间戳和主中心节点ID。

优选的，所述控制信息或业务数据通过数据帧的方式行传输，系统帧包括多个时隙；

帧同步占用一个时隙；帧控制占用一个时隙；负载数据接收占用2-11个时隙；发送数据准备占用2-5个时隙；

普通节点在所述时隙结束前，根据跳频图切换数据频点。

优选的，所述控制信息的帧结构包括负载数据(payload)，所述负载信息包括包头、系统帧编号、唤醒标签、跳频图和带宽；所述包头用于描述控制信息生成节点的地址和优先级；所述系统帧编号用于描述控制信息的系统帧编号；所述唤醒标签用于唤醒普通节点；所述跳频图用于描述同步频点和数据频点的切换规律；所述带宽用于描述普通节点数据帧的调制带宽。

优选的，所述控制信息的帧结构还包括信号强度检测信息、帧同步信息和帧控制信息。

优选的，为所述中心节点预设控制信息的发送周期，所述中心节点发送控制信息后，检测当前数据频点的使用情况；

所述次中心节点转发所述控制信息后，检测数据频点的使用情况。

优选的，本发明的方法还包括控制信息跳频广播的方法：为控制信息预设主频点集合，并预设主频点切换的规律；所述主中心节点根据所述规律选择主频点广播控制信息；所述普通节点在根据所述规律，在所述主频点上接收所述控制信息。

优选的，本发明的方法还包括主中心节点转换的方法：

判断一定时间内，次中心节点是否接收到控制信息；

若否，将优先级高的次中心节点转换为准主中心节点，所述准主中心节点用于生成并广播控制信息；

所述准主中心节点定期接收控制信息，并判断是否满足以下条件：接收到的控制信息中的优先级高于当前节点的优先级；

若满足，所述准主中心节点转换为次中心节点。

优选的，本发明的方法还包括普通节点休眠和唤醒的方法：

所述主中心节点检测数据频点的信号强度；

所述次中心节点检测数据频点的强度，并发送给主中心节点；

判断数据频点的强度是否大于第一阀值；

若是，所述主中心节点通过控制信息发送唤醒标签；

普通节点接收到唤醒标签后，在所述数据频点接收信号，并判断是否满足以下条件：信号强度大于第二阈值；

若满足，接收或转发所述信号；

若不满足，所述普通节点进入休眠。

本发明还提供一种用于实现上述方法的系统，包括控制信息广播模块、同步模块和跳频模块；

所述控制信息广播模块用于通过主中心节点向次中心节点和普通节点发送控制信息，所述控制信息包括同步信息和跳频图，通过次中心节点转发所接收到的控制信息；所述同步模块用于在接收到所述控制信息后，使普通节点根据同步信息进行同步；所述跳频模块用于根据所述跳频图切换所述普通节点业务数据接收或发送的数据频点。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过主中心节点和次中心节点进行控制信息的传播，以提高控制信息的覆盖范围；普通节点根据控制信息与主中心节点进行同步，例如时间同步，并根据控制信息中的跳频图切换数据频点，一方面通过跳频技术，提高数据传输的安全性，防止被干扰或窃听，另一方面使接收到控制信息的普通节点组成同频同播网络，进行业务数据传输，提高了有效数据带宽和数据传输可靠性。

附图说明

图1是本发明的同步同频同播方法流程图；

图2是自织网的拓扑结构示意图；

图3是系统帧时隙设置示意图；

图4是控制信息的数据帧结构示意图；

图5是负载信息的组成示意图；

图6是控制信息发送周期的示意图；

图7是控制信息跳频广播的方法流程图；

图8是主中心节点转换的方法流程图；

图9是普通节点休眠和唤醒的方法流程图；

图10是本发明的系统逻辑框图；

图11是频偏性能测试结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

一种有中心的同步同频同播方法，如图1所示，所述方法包括：

步骤101：主中心节点向次中心节点和普通节点发送控制信息，所述控制信息包括同步信息和跳频图。跳频图用于保存数据频点的切换规律。

步骤102：次中心节点转发所接收到的控制信息。

自织网的拓扑结构如图2所示，主中心节点用于生成和发送控制信息，次中节点用于转发控制信息，通过控制信号发送控制信息，通过业务信号发送业务数据，以提高控制信息的覆盖范围，确保普通节点可以接收到所述控制信息，普通节点用于业务信号的广播。

步骤103：普通节点接收到所述控制信息后，根据同步信息进行同步，根据所述跳频图切换业务数据接收或发送的数据频点。

本发明中，通过主中心节点和次中心节点进行控制信息的传播，以提高控制信息的覆盖范围；普通节点根据控制信息与主中心节点进行同步，例如时间同步，并根据控制信息中的跳频图切换数据频点，一方面通过跳频技术，提高数据传输的安全性，防止被干扰或窃听，另一方面使接收到控制信息的普通节点组成同频同播网络，进行业务数据传输，提高了有效数据带宽和数据传输可靠性。

所述控制信息还包括配置信息，所述配置信息包括以下之一或它们的组合：寻呼周期和调制方式；所述同步信息包括时间戳和主中心节点ID。

其中，寻呼周期用于普通节点在休眠状态时，定期接收寻呼信息或控制信息；调制方式用于控制普通节点的数据帧的调制、解调方法；时间戳用于时间同步，主中心节点ID用于保存控制信息的生成节点信息。

所述控制信息或业务数据通过数据帧的方式行传输，如图3所示，系统帧包括多个间隙，如一个15ms的系统帧包括15个时隙(Slot)，其中，帧同步占用一个时隙；帧控制占用一个时隙；数据帧的负载数据(payload)接收占用2-11个时隙；发送数据准备占用2-5个时隙。普通节点在所述间隙结束前，根据跳频图切换数据频点，以高速跳频的方式，提高数据传输的安全性；主中心节点和次中心节点在发送或转发控制信号时，切换主频点。

其中，帧同步用于接收到的数据帧头与当前普通节点的帧头对齐，帧控制用于保存帧跳数和最大允许跳数；负载数据用于保存业务数据；发送数据准备包括：对数据帧进行解调后，调制成可发送的数据，在下一个系统帧到来时，发送数据。调制前可以修改帧控制信息。

如图4所示，所述控制信息的数据帧结构包括负载数据(payload)、信号强度检测信息(Preamble)、帧同步信息(Access Code)和帧控制信息(Control information，CI)。信号强度检测信息用于RSSI(Received Signal Strength Indication，接收的信号强度)检测，启动CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，带有冲突避免的载波侦听多路访问)，还可以用于自动增益控制(AGC)，在一个具体实施例中，比特流是[0 10 1 0 1 0 10 1 0 1 0 1 0 1]；帧同步信息用于标记帧的起始位置，在一个具体实施例中，比特流是[0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 01 0 1 1 1 0 0 01]，即0x8E89BED6；帧控制信息携带相关的帧信息，如跳数和最大允许跳数，用于控制数据帧的生命周期。

其中，如图5所示，所述负载信息包括包头(MAC header)、系统帧编号(SFN)、唤醒标签(Pagingflag)、跳频图(TOD和CK)和带宽(bandwidth)。所述包头用于描述控制信息生成节点的地址和优先级，生成节点通常为主中心节点；所述系统帧编号用于描述控制信息的系统帧编号；所述唤醒标签用于唤醒普通节点；所述跳频图用于描述同步频点和数据频点的切换规律；所述带宽用于描述普通节点数据帧的调制带宽。在一个具体实施例中，还设置有保留比特(reserve)，用于功能扩展。

帧控制信息长度＝16bit，循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)后，长度＝16+16＝32bit，再加入信道编码后，长度＝32×3＝96；负载数据(payload)长度为304，加CRC后，长度＝304+24＝328；信道编码和速率匹配后，长度＝456；整个帧长＝456(payload)+96(CI)+16(preamble)+32(Access Code)＝600bit。符号速率设置为60K，所以占用时间为10ms，在一个15ms的系统帧中，有5ms的时间用于解码转发。

如图11所示，在高斯白噪声信道中，以4.8K语音速率为例，测试1.5K频偏对链路性能影响测试，图中横坐标为信噪比，单位dB，纵坐标为解码成功率。从图中可以得出1.5K频偏对链路性能基本没有影响，信噪比在13dB以上时，解码成功可以达到理想值，因此本发明的数据帧稳定性可靠。

为所述中心节点预设控制信息的发送周期，所述中心节点发送控制信息后，检测当前数据频点的使用情况；所述次中心节点转发所述控制信息后，检测数据频点的使用情况。

发送周期过小，则控制信息占用较多的资源，不得于中心节点和普通节点执行其它任务；发送周期过大，易造成部分普通节点失步。在一个具体实施例中，如图6所示，发送周期为16个超帧，即64个系统帧，共960ms；在一个时间域循环(256个超帧)中，每16个超帧发送一个控制信号，这样一共占用有16个超帧，在其它240个超帧中，主中心节点需要检测数据频点的使用情况。

如图7所示，本发明的方法还包括控制信息跳频广播的方法：

步骤701：为控制信息预设主频点集合，并预设主频点切换的规律。

步骤702：所述主中心节点根据所述规律选择主频点广播控制信息。所述次主中心节点根据所述规律选择转发控制信息的主频点。

步骤703：所述普通节点在根据所述规律，在所述主频点上接收所述控制信息。

实施例1

主频点集合中包含4-8个主频点，普通节点上电启动时，随机取一个主频点进行搜网，若搜网成功，接收控制信息，并跟据控制信息进行同步；

若在T10时间(如3840ms)内没有搜网成功，则切换主频点再次进行搜网，直到搜网成功；

普通节点同步后，在控制信息的下一个周期内，再次随机取一个主频点进行搜网，直到再次搜网成功。

实施例2

与实施例1不同的是，普通节点同步后，根据控制信息中的跳频图谱获得下一个周期的主频点，并在所述主频点上搜网，若搜网成功，保持与主中心节点同步；

在T10时间内没有搜网成功，则切换主频点再次进行搜网，直到搜网成功。

如图8所示，本发明的方法还包括主中心节点转换的方法：

步骤801：判断一定时间内，如10分钟，次中心节点是否接收到控制信息。

若否，执行步骤802：将优先级高的次中心节点转换为准主中心节点，所述准主中心节点用于生成并广播控制信息，执行步骤803。若是，正常转发控制信息。

步骤803：所述准主中心节点定期接收控制信息，并判断是否满足以下条件：接收到的控制信息中的优先级高于当前节点的优先级。

若满足，执行步骤804：所述准主中心节点转换为次中心节点。若不满足，执行步骤803。

在具体实施中，主中心节点和次中心节点可能存在一定的波动性，如损坏、维护或在军事活动中易被摧毁，在主中心节点受到波动而无法工作时，次中心节点承担起主中心节点的工作，同时在检测到有优先级更高的次中心节点时，退化为次中心节点，保证系统中有且仅有一个控制信息生成的节点。以提高数据传输和自织网的稳定性和可靠性。

其中，优先级可以保存在控制信息的包头中，应当指出的是，主中心节点优先级高于次中心节点。

如图9所示，本发明的方法还可以包括普通节点休眠和唤醒的方法：

步骤901：所述主中心节点检测数据频点的信号强度。可以在数据频点，接收信号，通过RSSI的方式检测信号强度，通常在主中心节点发送控制信息后的空闲时间内检测信号强度。

步骤902：所述次中心节点检测数据频点的强度，并发送给主中心节点。通常在次中心节点发送控制信息后的空闲时间内检测信号强度。

步骤903：判断数据频点的信号强度是否大于第一阀值。信号强度大于第一阈值，则判断为在主频点存在业务数据。

若是，执行步骤904：所述主中心节点通过控制信息发送唤醒标签。

步骤905：所述普通节点接收到唤醒标签后，在所述数据频点接收信号，并判断是否满足以下条件：信号强度大于第二阈值。信号强度大于第二阈值则，认为该普通节点附近存在业务信号。

若满足，执行步骤906：接收或转发信号。该信号为业务信号。

若不满足，执行步骤907：普通节点附近不存在业务信号，进入休眠。

通过普通节点休眠和唤醒在空闲状态下可以进行休眠，从而起到省电、节能的作用；同时存在业务信号时，可以迅速的唤醒，并进行业务数据转发。应当指出的，普通节点在休眠状态时，仍然会定期唤醒，并在主频点上接收控制信号。

本发明还提供一种用于实现上述方法的系统，如图10所示，所述系统包括控制信息广播模块1、同步模块2和跳频模块3；

控制信息广播模块1用于通过主中心节点向次中心节点和普通节点发送控制信息，所述控制信息包括同步信息和跳频图，通过次中心节点转发所接收到的控制信息；

同步模块2用于在接收到所述控制信息后，使普通节点根据同步信息进行同步；

跳频模块3用于根据所述跳频图切换所述普通节点业务数据接收或发送的数据频点。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种有中心的同步同频同播方法，其特征在于，所述方法包括：

主中心节点向次中心节点和普通节点发送控制信息，所述控制信息包括同步信息和跳频图；

次中心节点转发所接收到的控制信息；

接收到所述控制信息后，普通节点根据同步信息进行同步，并根据所述跳频图切换业务数据接收或发送的数据频点。

2.根据权利要求1所述的同步同频同播的方法，其特征在于，所述控制信息还包括配置信息，所述配置信息包括以下之一或它们的组合：寻呼周期和调制方式；

所述同步信息包括时间戳和主中心节点ID。

3.根据权利要求1所述的同步同频同播的方法，其特征在于，所述控制信息或业务数据通过数据帧的方式行传输，系统帧包括多个时隙；

帧同步占用一个时隙；帧控制占用一个时隙；负载数据接收占用2-11个时隙；发送数据准备占用2-5个时隙；

普通节点在所述时隙结束前，根据跳频图切换数据频点。

4.根据权利要求1所述的同步同频同播的方法，其特征在于，所述控制信息的帧结构包括负载数据，所述负载信息包括包头、系统帧编号、唤醒标签、跳频图和带宽；

所述包头用于描述控制信息生成节点的地址和优先级；

所述系统帧编号用于描述控制信息的系统帧编号；

所述唤醒标签用于唤醒普通节点；

所述跳频图用于描述同步频点和数据频点的切换规律；

所述带宽用于描述普通节点数据帧的调制带宽。

5.根据权利要求4所述的同步同频同播的方法，其特征在于，所述控制信息的帧结构还包括信号强度检测信息、帧同步信息和帧控制信息。

6.根据权利要求1所述的同步同频同播的方法，其特征在于，为所述中心节点预设控制信息的发送周期，所述中心节点发送控制信息后，检测当前数据频点的使用情况；

所述次中心节点转发所述控制信息后，检测数据频点的使用情况。

7.根据权利要求1所述的同步同频同播的方法，其特征在于，还包括控制信息跳频广播的方法：

为控制信息预设主频点集合，并预设主频点切换的规律；

所述主中心节点根据所述规律选择主频点广播控制信息；

所述普通节点在根据所述规律，在所述主频点上接收所述控制信息。

8.根据权利要求1所述的同步同频同播的方法，其特征在于，还包括主中心节点转换的方法：

判断一定时间内，次中心节点是否接收到控制信息；

若否，将优先级高的次中心节点转换为准主中心节点，所述准主中心节点用于生成并广播控制信息；

所述准主中心节点定期接收控制信息，并判断是否满足以下条件：接收到的控制信息中的优先级高于当前节点的优先级；

若满足，所述准主中心节点转换为次中心节点。

9.根据权利要求1所述的同步同频同播的方法，其特征在于，还包括普通节点休眠和唤醒的方法：

所述主中心节点检测数据频点的信号强度；

所述次中心节点检测数据频点的强度，并发送给主中心节点；

判断数据频点的强度是否大于第一阀值；

若是，所述主中心节点通过控制信息发送唤醒标签；

普通节点接收到唤醒标签后，在所述数据频点接收信号，并判断是否满足以下条件：信号强度大于第二阈值；

若满足，接收或转发所述信号；

若不满足，所述普通节点进入休眠。

10.一种用于实现权利要求1-9任一项所述同步同频同播方法的系统，其特征在于，包括控制信息广播模块、同步模块和跳频模块；

所述控制信息广播模块用于通过主中心节点向次中心节点和普通节点发送控制信息，所述控制信息包括同步信息和跳频图，通过次中心节点转发所接收到的控制信息；所述同步模块用于在接收到所述控制信息后，使普通节点根据同步信息进行同步；所述跳频模块用于根据所述跳频图切换所述普通节点业务数据接收或发送的数据频点。

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