CN115297523A - 一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法 - Google Patents

一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于海上船队作业时船台‑岸台通信的信道接入方法，包括以下步骤：S1、基于TDMA接入算法，在船队正常工作中对船台节点基于ID号进行预先的时隙划分；S2、基于船队出海工作建立的模型，计算出相应的吞吐率和端到端时延；S3、基于TDMA接入算法和最小ID号算法，在船队工作中对船台节点数量和簇首节点进行自适应、动态调整。本发明设计了一种基于自适应D‑TDMA的信道接入算法，提出了组网通信的节点如何入网、退网、正常工作、划分信道，在船队工作中对在网船台的节点数量进行自适应、动态调整，解决了现有海上船台通信设备通信距离短、组网难、传播业务量少的问题。

Description

一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更具体涉及一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法。
背景技术
多址接入(Multiple Access,MA)技术是适用于无人协同数据链中的一项关键技术，可解决多个节点在同一个物理信道中通信的问题，进而可以有效利用信道资源(时间、频率、空间、正交码字等)。
但多址接入协议的设计不是一成不变的，需要根据特定的环境需求以及拓扑结构进行改变。针对海上场景，为保证出海作业的船队中的各个船只进行超远距离的通信。但是现有海上船台通信设备通信距离短、组网难、传播业务量少。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法，以解决现有海上船台通信设备通信距离短、组网难、传播业务量少的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法，包括以下步骤：
S1、基于TDMA接入算法，在船队正常工作中对船台节点基于ID号进行预先的时隙划分；
S2、基于船队出海工作建立的模型，计算出相应的吞吐率和端到端时延；
S3、基于TDMA接入算法和最小ID号算法，在船队工作中对船台节点数量和簇首节点进行自适应、动态调整。
进一步优化技术方案，所述步骤S1中，所划分的时隙的个数是根据船台节点的个数进行动态调整的。
进一步优化技术方案，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31、获取当前组网中在网船台节点数；
S32、根据当前船队在网船台节点数获得每个帧中的时隙个数；
S33、获取待接入船台节点，基于所述待接入船台节点的入网请求更新网络通信路由表以及slot分配方案；
S34、基于在网船台节点的退网请求更新网络通信路由表以及slot分配方案；
S35、基于所述簇首节点发布的网络维护帧实时更新网络通信路由表以及slot分配方案；
S36、对新入网的船台节点进行时间同步。
进一步优化技术方案，所述船台节点具备中继功能，并通过以下方法实现：
让每个船台节点在发送信息的同时传输本节点的网络拓扑连接矩阵；
每个船台节点通过比较本节点的网络拓扑连接矩阵和除本节点之外其他节点的网络拓扑连接矩阵，来计算出本节点需要转发的节点信息；
船台节点首先判断收到的数据是否为有效的语音信息；如果收到了有效语音信息，则在播放的同时判断其余节点是否需要本节点转发该信息；如果不需要转发，则再分配给本节点的时隙发送自身数据；如果需要转发，则优先进行中继数据的转发，随后发送自身数据。
进一步优化技术方案，所述船台节点发送数据的策略为：
对讲机产生的数据存入到CPU中；
判断CPU中是否有数据；从CPU中读取数据或生成随机数再读取；
组帧后通过DMA把数据发送到调制器；
调制器对数据调制后进行发送。
进一步优化技术方案，所述船台节点接收数据的策略为：
判断接收包的data_length是否为0，如果为0则抛弃，否则解析MAC信息；
通过状态字判断收到的包是否为需要转发的包，如果不是需要转发的则存储包ID，并把语音数据存入CPU等待播放；
如果收到需要转发的包，则判断MAC信息中用户ID是否是本节点的ID；若是，则代表接收到的是其他船台节点转发本节点发送的包，抛弃；如果不是本节点发送的包，则根据包ID判断本节点是否接收过这个包，如果接收过则抛弃，否则储存包ID，并存下语音信息等待播放。
进一步优化技术方案，所述步骤S33中，待接入船台节点的入网策略为：
如果节点开机后监听信道时发现信道中已经有节点在发送消息，那么在空时隙发送入网请求帧，簇首节点在收到入网请求帧后，广播网络时隙分配帧，新节点根据时隙分配方案入网。
进一步优化技术方案，所述步骤S34中，网船台节点的退网分为主动退网和被动退网两种情况；针对主动退网的情况，分为簇首节点退网以及成员节点退网；
若为簇首节点退网，簇首节点在关机前发送退网帧，并指定簇首节点通信范围内的一个节点接替簇首节点的位置，等到下一个周期，新簇首节点会发送新的网络时隙分配帧；
若为成员节点主动退网，节点在关机前发送退网帧，其余所有节点听到该消息后均转发一次，簇首节点在接收到退网帧后重新发送一次网络时隙分配帧，全部节点转发一次网络时隙分配帧；
针对被动退网的情况，则通过簇首节点的网络维护的策略来解决。
进一步优化技术方案，所述步骤S35中，簇首节点的网络维护的策略为：
簇首节点每隔一段时间发送一次网络维护帧；
成员节点在接收到网络维护帧后，修改里面的节点在网矩阵中节点是否在网flag；
簇首节点在收到成员节点发送回来的网络维护帧后，判断网络是否发生变化，如果发生变化，则重新发送网络时隙分配帧。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明设计了一种基于自适应D-TDMA的信道接入算法，提出了组网通信的节点如何入网、退网、正常工作、划分信道，在船队工作中对在网船台的节点数量进行自适应、动态调整，解决了现有海上船台通信设备通信距离短、组网难、传播业务量少的问题。
本发明获取当前组网中在网船台节点数后，根据当前船队在网船台节点数获得每个帧中的时隙个数，并基于待接入船台节点的入网请求或在网船台节点的退网请求或述簇首节点发布的网络维护帧来实时更新网络通信路由表以及slot分配方案，在船队工作中实现对在网船台的节点数量进行自适应、动态调整。
附图说明
图1为本发明TDMA工作原理图；
图2为本发明以四节点为例的动态时隙分配图；
图3为本发明MAC信息内容示意图；
图4为本发明时隙分配示意图(节点1)；
图5为本发明发送数据流程图；
图6为本发明接收数据流程图；
图7为本发明入网退网帧示意图；
图8为本发明网络时隙分配帧示意图；
图9为本发明网络维护帧示意图；
图10为本发明非岸台节点时间同步方案示意图；
图11为本发明吞吐率-节点数曲线图；
图12为本发明时延-节点数曲线图；
图13为本发明的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法，包括以下步骤：
S1、基于TDMA接入算法，在船队正常工作中对船台节点基于ID号进行预先的时隙划分。
时分多址(Time divisionmultiple access，TDMA)是一种固定多址接入协议，该协议被广泛应用于各种数据链中。TDMA多址接入协议将时间划分成帧和时隙。其中帧是周期重复出现。一个帧由多个时隙组成。每个节点在分配的某几个时隙内进行传输。其工作原理如图1所示。
本发明以TDMA协议为基础来进行改进设计。考虑到是四节点通信的情况，所以一个周期由4个时隙组成。以三节点为例的动态时隙分配图如图2所示。时隙的个数是根据节点的个数动态调整的。一个帧由N个时隙组成，其中N个时隙是给N个节点传输信息用的。
S2、基于船队出海工作建立的模型，计算出相应的吞吐率和端到端时延。本步骤中计算吞吐量和时延是为了计算mac协议能否满足业务的传输速率的要求。
S3、基于TDMA接入算法和最小ID号算法，在船队工作中对船台节点数量和簇首节点进行自适应、动态调整。
最小ID号算法指的是，当前在网的所有节点中ID号最小的节点为簇首节点。如果之前的簇首节点退网，则自动选举所有剩余在网节点中ID最小的节点为簇首节点。如果新加入的节点ID比簇首节点的ID小，则更换新入网的节点为簇首节点。
步骤S3具体包括以下步骤：
S31、获取当前组网中在网船台节点数。
S32、根据当前船队在网船台节点数获得每个帧中的时隙个数。
S33、获取待接入船台节点，基于待接入船台节点的入网请求更新网络通信路由表以及slot分配方案，使得待接入船台节点能够接入网络中。
S34、基于在网船台节点的退网请求更新网络通信路由表以及slot分配方案，使得待退网船台节点退出网络中。
S35、基于簇首节点发布的网络维护帧实时更新网络通信路由表以及slot分配方案。
S36、根据时间同步的方法，让新入网的船台节点进行时间同步。
S37、在网船台节点进行正常的数据传输。
为了实现中继功能，需要让每个节点知道其他节点无法接收到从而需要自己转发的信息，即节点自己能收到的但是其余节点收不到的信息。让每个节点在发送信息的同时传输自身的网络拓扑连接矩阵。网络拓扑连接矩阵表示一个节点自身与哪些节点保持联通关系。每个节点通过比较自己的网络拓扑连接矩阵和其他节点的网络拓扑连接矩阵，来计算出自己需要转发哪些节点的信息。
以4节点为例的网络拓扑连接矩阵：
Figure BDA0003760262440000061
其中tij＝1/0分别表示第i个节点能/否听到第j个节点发送的信息。
节点首先判断收到的数据是否为有效的语音信息而不是随机数。如果收到了有效语音信息那么播放的同时判断其余节点是否需要自己转发这条信息。如果不需要转发，那么在分配给自己的时隙发送自身数据，如果其他节点需要自己帮忙转发这个数据，则优先进行中继数据的转发，随后发送自身数据。
四节点设备ID均由用户通过交互式按键利用GPIO输入到设备中，人为规定，ID号用来区分不同的设备。
MAC信息一共有16bit，其中包含节点用户ID号(2bit)，时隙ID号(2bit)，是否转发(1bit)，包ID号(5bit)，网络拓扑连接矩阵(4bit)，包类型(2bit)。该段信息，位于数据段的起始位置。MAC信息内容如图3所示。
其中包类型包括：数据帧(00)，网络时隙分配帧(01)，入网退网帧(10)，网络维护帧(11)。
如前述内容，4节点时的D-TDMA时隙方案为4时隙结构，时隙分别由按照ID大小排序的四个节点固定占用。每个节点都可以当中继节点，在自身时隙中优先转发中继数据，其次发送自身数据。节点1的时隙分配示意图如图4所示。
结合图5所示发送数据流程图，本发明的发送策略如下：
对讲机产生的数据通过UART存入到CPU中的fifo0中。
每到自己的发送slot，判断fifo0(对讲机输入的数据)中是否有数据，如果有则从fifo0中直接读取124B数据，如果fifo0中没有数据或者不足124B，则填写随机数填充至124B再读取。
组帧后通过DMA把数据发送到调制器。
结合图6所示的接收数据流程图，本发明的接收策略如下：
先判断接收包的data_length是否为0，如果为0则抛弃，否则解析MAC信息；
通过状态字判断收到的包是不是转发的包，如果不是转发的则存储包ID，并把语音数据存入fifo1等待播放；
如果收到转发的包，先判断MAC信息中用户ID是否是自己的ID，若是则代表接收到的是别的节点转发自己发送的包，抛弃；
如果不是自己发的包，那么根据包ID判断是否接收过这个包，如果接收过则抛弃，否则储存包ID，并存下语音信息等待播放。
本发明的转发策略如下：
节点如果接收其他节点发送的包data_length不为0，即数据有效。那么先储存语音信息到9中等待播放；并且把接收到的包(1024bit)缓存。
当到了自己的发送时隙，首先判断是否有缓存数据并且有其他节点需要自己帮忙转发该数据，如果有，则修改MAC信息中的时隙ID和转发标志位后，通过DMA发送到物理层发送。
本发明的入网方案如下：
每个节点在开机后监听信道，若5s内信道为持续空，那么判定自己为第一个入网的节点即簇首节点，每400ms周期占用自身时隙发送数据。一般状态下，由岸台节点首先开机充当簇首节点。
如果节点开机后监听信道时发现信道中已经有节点在发送消息，那么在空时隙发送入网请求帧。入网请求帧格式如图7所示。簇首节点在收到入网请求帧后，广播网络时隙分配帧，然后，新节点根据时隙分配方案入网，网络时隙分配帧格式如图8所示。
本发明的退网方案如下：
节点退网分为两种情况：1)主动退网，2)被动退网。
1)针对主动退网的情况，分为簇首节点退网以及成员节点退网。
若为簇首节点退网，簇首节点在关机前发送退网帧，并指定簇首节点通信范围内的一个节点接替簇首节点的位置，等到下一个周期，新簇首节点会发送新的网络时隙分配帧。
若为成员节点主动退网，节点在关机前发送退网帧，其余所有节点听到该消息后均转发一次以保证簇首节点可以接收到。簇首节点在接收到退网帧后重新发送一次网络时隙分配帧，全部节点转发一次网络时隙分配帧。至此主动退网完成。
2)针对被动退网的情况，则通过下面描述的簇首节点周期性的网络维护来解决。
本发明中簇首节点周期性的网络维护方案如下：
簇首节点每10s发送一次网络维护帧。其中包括目前时隙分配方案，以及节点在网矩阵。网络维护帧的帧格式如图9所示。
其余节点在接收到网络维护帧后，修改里面的节点在网矩阵中节点是否在网flag以标记自己在网。簇首节点在收到成员节点发送回来的网络维护帧后，判断网络是否发生变化，如果发生变化，则重新发送网络时隙分配帧。
本发明中新入网的船台节点的时间同步方案如下：
根据帧结构设计，一帧包括2624个符号(512+64+2048)，采样时钟频率为122.88MHz，内插系数4096，则一帧时长大约为88ms(2624*4096/122880＝87.5)。需要注意的是，帧同步信号出现在一帧数据的第576(512+64)个符号处，即在一帧数据起点后的19.2ms(576*4096/122880)出现。
全网以节点0作为时间基准完成时间同步，具体地，节点1与节点2、3以收到节点0的帧同步信号为时间起点完成各自时隙的同步和接入。节点1在接收到节点0帧同步信号后计时80.8ms后完成自身时隙的同步，并在之后按照100ms为周期进行时隙同步。
由ID号为0的节点0开机时确定时间基准。ID号为1/2/3的节点开机后，收完其他节点发送的数据并解析完帧头后，PL端给出译码完成的硬中断传给PS。由PS端计数器计时80.8ms后，时隙同步完成。PS端的timer每100ms给出软中断，判断一次是否轮到自己发送数据。至此，入网完成。
节点0(岸台节点)在开机确定时间基准后，保持不变，周期发送数据。
其余节点在开机后，与其他节点进行时间同步。如果长时间未接收到信号(未接收信号次数>门限)，那么回到开机的监听状态。其余节点时间同步方案如图10所示。
在本发明中因为是随机产生的语音数据，所以并不好估计每次传输的具体时延，但是当通信速率满足对讲机速率时，时延对系统的影响并不是很重要，能够满足渔台的应用场景。理论时延-节点数曲线如图12所示。

Claims (9)

1.一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于TDMA接入算法，在船队正常工作中对船台节点基于ID号进行预先的时隙划分；
S2、基于船队出海工作建立的模型，计算出相应的吞吐率和端到端时延；
S3、基于TDMA接入算法和最小ID号算法，在船队工作中对船台节点数量和簇首节点进行自适应、动态调整。
2.根据权利要求1所述的一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法，其特征在于，所述步骤S1中，所划分的时隙的个数是根据船台节点的个数进行动态调整的。
3.根据权利要求1所述的一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31、获取当前组网中在网船台节点数；
S32、根据当前船队在网船台节点数获得每个帧中的时隙个数；
S33、获取待接入船台节点，基于所述待接入船台节点的入网请求更新网络通信路由表以及slot分配方案；
S34、基于在网船台节点的退网请求更新网络通信路由表以及slot分配方案；
S35、基于所述簇首节点发布的网络维护帧实时更新网络通信路由表以及slot分配方案；
S36、对新入网的船台节点进行时间同步。
4.根据权利要求3所述的一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法，其特征在于，所述船台节点具备中继功能，并通过以下方法实现：
让每个船台节点在发送信息的同时传输本节点的网络拓扑连接矩阵；
每个船台节点通过比较本节点的网络拓扑连接矩阵和除本节点之外其他节点的网络拓扑连接矩阵，来计算出本节点需要转发的节点信息；
船台节点首先判断收到的数据是否为有效的语音信息；如果收到了有效语音信息，则在播放的同时判断其余节点是否需要本节点转发该信息；如果不需要转发，则再分配给本节点的时隙发送自身数据；如果需要转发，则优先进行中继数据的转发，随后发送自身数据。
5.根据权利要求3所述的一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法，其特征在于，所述船台节点发送数据的策略为：
对讲机产生的数据存入到CPU中；
判断CPU中是否有数据；从CPU中读取数据或生成随机数再读取；
组帧后通过DMA把数据发送到调制器；
调制器对数据调制后进行发送。
6.根据权利要求3所述的一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法，其特征在于，所述船台节点接收数据的策略为：
判断接收包的data_length是否为0，如果为0则抛弃，否则解析MAC信息；
通过状态字判断收到的包是否为需要转发的包，如果不是需要转发的则存储包ID，并把语音数据存入CPU等待播放；
如果收到需要转发的包，则判断MAC信息中用户ID是否是本节点的ID；若是，则代表接收到的是其他船台节点转发本节点发送的包，抛弃；如果不是本节点发送的包，则根据包ID判断本节点是否接收过这个包，如果接收过则抛弃，否则储存包ID，并存下语音信息等待播放。
7.根据权利要求3所述的一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法，其特征在于，所述步骤S33中，待接入船台节点的入网策略为：
如果节点开机后监听信道时发现信道中已经有节点在发送消息，那么在空时隙发送入网请求帧，簇首节点在收到入网请求帧后，广播网络时隙分配帧，新节点根据时隙分配方案入网。
8.根据权利要求3所述的一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法，其特征在于，所述步骤S34中，网船台节点的退网分为主动退网和被动退网两种情况；针对主动退网的情况，分为簇首节点退网以及成员节点退网；
若为簇首节点退网，簇首节点在关机前发送退网帧，并指定簇首节点通信范围内的一个节点接替簇首节点的位置，等到下一个周期，新簇首节点会发送新的网络时隙分配帧；
若为成员节点主动退网，节点在关机前发送退网帧，其余所有节点听到该消息后均转发一次，簇首节点在接收到退网帧后重新发送一次网络时隙分配帧，全部节点转发一次网络时隙分配帧；
针对被动退网的情况，则通过簇首节点的网络维护的策略来解决。
9.根据权利要求3所述的一种用于海上船队作业时船台-岸台通信的信道接入方法，其特征在于，所述步骤S35中，簇首节点的网络维护的策略为：
簇首节点每隔一段时间发送一次网络维护帧；
成员节点在接收到网络维护帧后，修改里面的节点在网矩阵中节点是否在网flag；
簇首节点在收到成员节点发送回来的网络维护帧后，判断网络是否发生变化，如果发生变化，则重新发送网络时隙分配帧。
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