CN113840383A - 无人机自组网tdma多址接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无人机自组网TDMA多址接入方法，该方法包括以下步骤：节点上电后，根据指定的频率集合，在每一个频率信道进行搜索同步信号并解析数据；如果节点搜索到第一时隙发出的网络信标帧，则节点身份选择为普通子节点；如果节点未搜索到网络信标帧，则节点身份选择为控制节点，并在第一时隙周期性向外广播网络信标帧，构建一个新的网络；节点身份选择为普通子节点后，在第二时隙发出接入请求帧，等待控制节点回应的接入回应帧，普通子节点收到回应帧则入网成功；控制节点在每个第二时隙均尝试解析接入请求帧，如果能够正常解析，则回应接入回应帧。本发明提高了TDMA系统的频谱利用率，缩短了平均时延，实现简单。
Description
技术领域
本发明属于无线通信系统中媒介接入控制领域，具体涉及一种无人机自组网TDMA多址接入方法。
背景技术
无线自组织网络通常采用的多址接入方式有两种：一种是基于竞争型接入的多址接入方式，如802.1x系列的CSMA/CA(载波侦听多址接入/冲突避免)，另一种是基于调度型的多址接入方式，如TDMA、LTE等。竞争接入方式一般不需要中心节点，也无需全网时间同步，节点需要发射数据时先监听无线信道是否空闲然后竞争获取无线信道资源。但是随着节点数变多，竞争无线信道发生碰撞的概率会越来越大，导致真实有效数据传输时间减少，频谱利用率降低。同时竞争型接入方式因为竞争的随机性，会导致系统的稳定性和速率抖动较差，特别是在无人机领域等一些对稳定性和时延敏感业务场景。而调度型多址接入方式一般需要中心节点，也要做全网同步，中心节点会对每个子节点进行无线资源管理和调度，整个系统稳定性较强，频谱利用率高。但是由于中心节点的调度，整个系统灵活性较差。而TDMA是将无线帧在时域上划分为若干个时隙，每个节点均工作在不同的时隙上，时隙的划分由中心节点调度，灵活度高。
在一些特殊的应用场景，如无人机无线控制等，其典型应用特征决定了在设计通信系统时要求具有较高可靠性、低时延，同时某些场景还要求无人机具备超远的传输距离。而超远传输距离带来的大时延会造成竞争型随机接入方式(如CSMA/CA)实现非常困难也很复杂。而TDMA协议是目前通信系统使用最广泛的协议，能够可靠的达到较高的频谱利用率。传统的TDMA采用静态资源分配技术来管理物理层资源访问，每个节点指定一个明确资源，以避免子网内节点与节点之间访问无线传输介质冲突。静态配置存在问题是物理层利用率很低，在同一个子网内各节点存在动态且可能急剧变化的业务量需求情况下，这个问题尤其突出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机自组网TDMA多址接入方法，旨在用于解决现有组网技术复杂、频谱效率低、抗干扰性能不强问题。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种无人机自组网TDMA多址接入方法，基于一种TDMA帧结构，该TDMA帧结构以超帧为单位进行时域划分，一个超帧共划分为n个时隙和n个时隙保护间隔，其中n>＝3，其中第一时隙作为控制节点发往子节点的下行时隙，第二时隙作为公共的随机接入时隙，其他时隙作为各子节点传输的上行时隙，其特征在于，该方法包括以下步骤：
节点上电后，根据指定的频率集合，在每一个频率信道进行搜索同步信号并解析数据；
如果节点搜索到第一时隙发出的网络信标帧，则节点身份选择为普通子节点；如果节点扫描一段时间后未搜索到网络信标帧，则节点身份选择为控制节点，并在第一时隙周期性向外广播网络信标帧，构建一个新的网络；
节点身份选择为普通子节点后，该普通子节点在第二时隙发出接入请求帧，等待控制节点根据收到的接入请求帧而回应的接入回应帧，普通子节点收到回应帧则入网成功；控制节点在每个第二时隙均尝试解析接入请求帧，如果能够正常解析，则根据接入请求帧的内容在下一帧周期的第一时隙回应接入回应帧。
进一步地，该方法还包括：
普通子节点在第二时隙发出接入请求帧后，如果在预设的超帧周期时间内没有收到接入回应帧，则该节点等待若干超帧周期后，再次在第二时隙发出接入请求帧，并在预设的超帧周期时间内等待接收回应帧，重复此过程，直到普通子节点在预设的超帧周期时间内收到回应帧，加入网络成功为止。
进一步地，该方法还包括：
控制节点维护一个时隙调度表，用来管理网络内每个节点的资源分配，并在第一时隙向外广播；普通子节点收到时隙调度表后根据表的内容确定自己的数据收发时隙。
进一步地，该方法还包括：
控制节点在每个超帧周期的第一时隙更新时隙调度表。
进一步地，该方法还包括：
时隙调度表中的时隙分为两部分，一部分时隙用于高优先级节点，根据优先级先对时隙调度表进行一个排序，保证高优先级节点可以常占一个时隙，另一部分时隙用于低优先级节点，保证低优先级节点公平的轮询使用剩下的时隙。
进一步地，该方法还包括：
节点的优先级高低变化根据控制节点指定某一节点为高优先级或低优先级，或者普通子节点根据自身业务类型上报给控制节点，然后由控制节点指定其优先级。
进一步地，控制节点对每个普通子节点的全网同步时间信息进行动态的同步维护，具体包括：
控制节点根据不同时隙接收到的子节点数据同步信号在时间上的偏差值得出每个子节点时间偏差校准值，并在下一超帧周期第一时隙向外广播告知每个普通子节点，普通子节点根据收到的全网同步时间信息调整自身的收发时间点，保证节点与节点之间收发时隙不发生冲突，保证整个网络时间同步。
进一步地，该方法还包括：节点在每一个频率信道进行搜索同步信号并解析数据的同时得出该频率信道的信道质量参数，控制节点在信道质量最优的频率信道的第一时隙周期性向外广播网络信标帧。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种无人机自组网TDMA多址接入方法，实现多架无人机无线组网并进行图传和数传，采用随机接入和动态时隙分配，提高了TDMA系统的频谱利用率，缩短了平均时延，特别适用于对时延敏感的使用场景；本发明并没有额外增加资源，而是挖掘系统内在潜力，简化系统复杂度，使得实现更加简单，降低了无线组网系统开发难度；本发明采用动态时隙分配，各种参数简单，容易调整，很方便根据实际网络需求灵活调整时隙分配，应用场景更丰富。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种TDMA帧结构；
图2为本发明实施例提供的随机接入流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种无人机自组网TDMA多址接入方法，基于一种TDMA帧结构，该TDMA帧结构以超帧T为单位进行时域划分，一个超帧T共划分为n个时隙和n个时隙保护间隔，其中n>＝3，其中第一时隙S0作为控制节点发往子节点的下行时隙，第二时隙S1作为公共的随机接入时隙，其他时隙S2-Sn作为各子节点传输的上行时隙，时隙保护间隔GP用于处理无线信道收/发切换以及同步偏差。该方法包括以下步骤：
S101、频率信道的扫描及同步
节点上电后，根据指定的频率集合，具体可以根据预设的频率集合表，在每一个频率信道进行搜索同步信号并解析数据，优选还得出该频率信道的信道质量参数。此过程称为扫描，主要是为了使节点对周围环境信道进行感知，获取当前状态。
S102、节点身份的选择和确定
本发明中节点有两种身份：控制节点和普通子节点。根据上述步骤S101，如果节点搜索到第一时隙S0发出的网络信标帧，那么说明此节点周围已经有网络存在，只需要加入此网络即可，此时节点身份选择为普通子节点；如果节点扫描一段时间后未搜索到网络信标帧，那么说明此节点周围暂时无网络，需要构建网络，此时节点身份选择为控制节点。节点身份选择为控制节点后，在第一时隙S0周期性向外广播网络信标帧，构建一个新的网络，优选为控制节点在信道质量最优的频率信道的第一时隙S0周期性向外广播网络信标帧。
S103、随机接入流程的发起和响应
节点身份选择为普通子节点后，发起随机接入流程尝试接入网络，具体为：该普通子节点在第二时隙S1发出接入请求帧，等待控制节点根据收到的接入请求帧而回应的接入回应帧，普通子节点收到回应帧则入网成功；控制节点在每个第二时隙S1均尝试解析接入请求帧，如果能够正常解析，那么根据接入请求帧的内容在下一帧周期的第一时隙S0回应接入回应帧。
普通子节点入网成功后若发生断网，则重新发起随机接入流程。普通子节点只有入网成功后，才能传输数据帧，否则只能在公共接入时隙发送管理帧。控制节点只有在有节点入网后，才能发单播数据帧，否则只能发管理帧和广播类型的数据帧。
S104、接入冲突的解决流程
在步骤S103中，由于第二时隙S1是所有节点共用，普通子节点均会在第二时隙S1发出接入请求帧，不同普通子节点如果同时在同一帧周期的第一时隙S0发出接入请求帧，那么会出现碰撞，控制节点会解析失败，导致各普通子节点此次接入失败。本发明采用随机退避及重传机制来解决此问题。具体地，普通子节点在第二时隙S1发出接入请求帧后，如果在预设的超帧周期时间内没有收到接入回应帧，则该节点等待若干超帧周期后，具体为在0～n(n<＝10)之间取一个随机数x作为等待超帧周期数，普通子节点等待x帧周期后，再次在第二时隙S1发出接入请求帧，并在预设的超帧周期时间内等待接收回应帧，重复此过程，直到普通子节点在预设的超帧周期时间内收到回应帧，加入网络成功为止。
S105、入网后的动态时隙分配
普通子节点在入网成功后，控制节点会给该节点分配一个时隙，为了使得不同节点合理有效利用无线资源，本发明设计一种动态的时隙分配策略。具体地，控制节点维护一个时隙调度表，用来管理网络内每个节点的资源分配，并在第一时隙S0向外广播；普通子节点收到时隙调度表后根据表的内容确定自己的数据收发时隙。控制节点在每个超帧周期的第一时隙S0更新时隙调度表，调度各子节点时隙使用情况，因此整个网络时隙分配是动态的，能够灵活配置，可根据不同的网络需求进行实施。
优选地，时隙调度表中的时隙分为两部分，一部分时隙用于高优先级节点，根据优先级先对时隙调度表进行一个排序，保证高优先级节点可以常占一个时隙，另一部分时隙用于低优先级节点，保证低优先级节点公平的轮询使用剩下的时隙。进一步地，节点的优先级高低可进行变化，根据控制节点指定某一节点为高优先级或低优先级，或者普通子节点根据自身业务类型上报给控制节点，然后由控制节点指定其优先级。
S106、入网后的同步维护
控制节点除了要对网络中每个节点的时隙进行动态分配之外，还要对每个子节点的全网同步时间信息(也就是时间提前量)进行动态的同步维护。由于子节点本身移动速度和自身晶振偏差导致，子节点的全网同步时间一直在变化，一段时间之后，网络内节点与节点之间会出现时间无法对齐导致数据传输异常，因此需进行同步维护设计，保证网络内所有节点时序的对齐。
本实施例中，控制节点对每个普通子节点的全网同步时间信息进行动态的同步维护，具体包括：而控制节点根据不同时隙接收到的子节点数据同步信号在时间上的偏差值得出每个子节点时间偏差校准值，并在下一超帧周期第一时隙S0向外广播告知每个普通子节点，普通子节点根据收到的全网同步时间信息调整自身的收发时间点，保证节点与节点之间收发时隙不发生冲突，保证整个网络时间同步，避免出现数据碰撞。本发明采用群首时钟同步设计，不用额外增加GNSS卫星时钟同步模块，降低了研发成本。
综上所述，本发明提供的这种无人机自组网TDMA多址接入方法，实现多架无人机无线组网并进行图传和数传，采用随机接入和动态时隙分配，提高了TDMA系统的频谱利用率，缩短了平均时延，特别适用于对时延敏感的使用场景；本发明并没有额外增加资源，而是挖掘系统内在潜力，简化系统复杂度，使得实现更加简单，降低了无线组网系统开发难度；本发明采用动态时隙分配，各种参数简单，容易调整，很方便根据实际网络需求灵活调整时隙分配，应用场景更丰富。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)
1.一种无人机自组网TDMA多址接入方法，基于一种TDMA帧结构，该TDMA帧结构以超帧为单位进行时域划分，一个超帧共划分为n个时隙和n个时隙保护间隔，其中n>＝3，其中第一时隙作为控制节点发往子节点的下行时隙，第二时隙作为公共的随机接入时隙，其他时隙作为各子节点传输的上行时隙，其特征在于，该方法包括以下步骤：
节点上电后，根据指定的频率集合，在每一个频率信道进行搜索同步信号并解析数据；
如果节点搜索到第一时隙发出的网络信标帧，则节点身份选择为普通子节点；如果节点扫描一段时间后未搜索到网络信标帧，则节点身份选择为控制节点，并在第一时隙周期性向外广播网络信标帧，构建一个新的网络；
节点身份选择为普通子节点后，该普通子节点在第二时隙发出接入请求帧，等待控制节点根据收到的接入请求帧而回应的接入回应帧，普通子节点收到回应帧则入网成功；控制节点在每个第二时隙均尝试解析接入请求帧，如果能够正常解析，则根据接入请求帧的内容在下一帧周期的第一时隙回应接入回应帧。
2.如权利要求1所述的无人机自组网TDMA多址接入方法，其特征在于，该方法还包括：
普通子节点在第二时隙发出接入请求帧后，如果在预设的超帧周期时间内没有收到接入回应帧，则该节点等待若干超帧周期后，再次在第二时隙发出接入请求帧，并在预设的超帧周期时间内等待接收回应帧，重复此过程，直到普通子节点在预设的超帧周期时间内收到回应帧，加入网络成功为止。
3.如权利要求1所述的无人机自组网TDMA多址接入方法，其特征在于，该方法还包括：
控制节点维护一个时隙调度表，用来管理网络内每个节点的资源分配，并在第一时隙向外广播；普通子节点收到时隙调度表后根据表的内容确定自己的数据收发时隙。
4.如权利要求3所述的无人机自组网TDMA多址接入方法，其特征在于，该方法还包括：
控制节点在每个超帧周期的第一时隙更新时隙调度表。
5.如权利要求3所述的无人机自组网TDMA多址接入方法，其特征在于，该方法还包括：
时隙调度表中的时隙分为两部分，一部分时隙用于高优先级节点，根据优先级先对时隙调度表进行一个排序，保证高优先级节点可以常占一个时隙，另一部分时隙用于低优先级节点，保证低优先级节点公平的轮询使用剩下的时隙。
6.如权利要求5所述的无人机自组网TDMA多址接入方法，其特征在于，该方法还包括：
节点的优先级高低变化根据控制节点指定某一节点为高优先级或低优先级，或者普通子节点根据自身业务类型上报给控制节点，然后由控制节点指定其优先级。
7.如权利要求1所述的无人机自组网TDMA多址接入方法，其特征在于，控制节点对每个普通子节点的全网同步时间信息进行动态的同步维护，具体包括：
控制节点根据不同时隙接收到的子节点数据同步信号在时间上的偏差值得出每个子节点时间偏差校准值，并在下一超帧周期第一时隙向外广播告知每个普通子节点，普通子节点根据收到的全网同步时间信息调整自身的收发时间点，保证节点与节点之间收发时隙不发生冲突，保证整个网络时间同步。
8.如权利要求1所述的无人机自组网TDMA多址接入方法，其特征在于，该方法还包括：
节点在每一个频率信道进行搜索同步信号并解析数据的同时得出该频率信道的信道质量参数，控制节点在信道质量最优的频率信道的第一时隙周期性向外广播网络信标帧。
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