CN115643593B - 一种基于高动态路由协议的无线自组网通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高动态路由协议的无线自组网通信系统和方法，属于通信技术领域，解决现有mesh网络不适合实时性要求高的应用和Ad‑hoc模式需使用更多系统资源等的问题。系统包括指挥调度管理中心，通过本地直连的对等网络节点与其他自组织网络节点进行连接通信，网络节点包括数据链模块进行空口冲突与干扰检测并将检测结果提供给控制模块；控制模块根据检测结果确定通过退避算法减少空中碰撞还是通过跳频或选频处理避开干扰，并将跳频或选频信号和同步时钟信号提供给数据链模块，与数据链模块传输高动态路由协议；电源模块为数据链模块、控制模块以及天馈系统供电；以及天馈系统通过微波信号接口与数据链模块通信连接。提高抗干扰性并减少空中碰撞。

Description

一种基于高动态路由协议的无线自组网通信系统和方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于高动态路由协议的无线自组网通信系统和方法。

背景技术

Mesh网络是一种多节点、无中心、自组织的无线多跳通信网络，网络中的任何无线设备节点都可以作为路由器发送和接收信号，并且都能以任意方式动态地保持与其他单个或多个节点的连接通信。无线Mesh可以与其它网络协同通信，以解决有线网络覆盖不到的绝大部分区域的通信问题。

Ad-hoc网络是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网(Multi-hopNetwork)、无基础设施网(Infrastructureless Network)或自组织网(Self-organizingNetwork)。整个网络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中，由于终端无线覆盖取值范围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器，它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。

现有技术存在的缺点：

Ad-hoc(点对点)网络中的设备不能像基础设施模式中的设备那样禁用SSID(服务集标识，主要用来标识无线网络)广播，如果攻击者在信号范围内，他们就可以找到并连接到自组织设备。由于缺乏网络基础设施服务，安全选项受到限制。Ad-hoc模式需要使用更多的端点系统资源，因为当设备四处移动时物理网络拓扑会发生变化。

Mesh网络节点每次转发都需要一定延迟，多次转发之后延迟较高，特别是无线回传时采用链型连接，导致mesh网络不适合实时性要求较高的应用。节点不能过多，特点是无线回传时，过多的节点会影响带宽容量。节点是把接收到的WiFi用同等的速率转发出去，实际使用中，信号肯定会衰减，导致信号变差。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于高动态路由协议的无线自组网通信系统和方法，用以解决现有mesh网络不适合实时性要求较高的应用以及Ad-hoc模式需要使用更多的端点系统资源等的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种基于高动态路由协议的无线自组网通信系统，包括指挥调度管理中心，通过本地直连的对等网络节点与其他自组织网络节点进行连接通信，其中，所述对等网络节点包括：数据链模块，用于进行空口冲突与干扰检测并将检测结果提供给控制模块；控制模块，用于根据所述空口冲突与干扰检测结果，确定通过退避算法减少空中碰撞还是通过跳频或自适应选频处理避开干扰，并将跳频或自适应选频控制信号和同步时钟信号提供给所述数据链模块，以及在所述控制模块与所述数据链模块之间传输所述高动态路由协议；电源模块，用于为所述数据链模块、所述控制模块以及天馈系统供电；以及所述天馈系统，包括承载体和与所述承载体适配的天馈系统天线，用于通过微波信号接口将所述天馈系统与所述数据链模块通信连接。

上述技术方案的有益效果如下：采用跳频和自适应选频技术，结合干扰检测技术，可提高系统的抗干扰性。采用冲突检测技术，结合退避算法，可减少空中碰撞，增加有效带宽。

基于上述系统的进一步改进，所述控制模块包括：路由协议模块、用户应用模块、扩频跳频模块、自适应选频模块、时间同步模块和人机交互模块，其中，所述路由协议模块，用于发现邻居网络节点、使链路数据同步以及生成路由表；所述用户应用模块，用于根据不同用户的需求定制用户业务和用户协议，处理所述用户业务和所述用户协议以及查询所述路由表；所述扩频跳频模块，用于根据预置跳频图谱和控制模块指令完成扩频跳频处理；所述自适应选频模块，用于根据预置频率表以及控制模块指令进行频率切换；所述时间同步模块，用于实现所述对等网络节点之间的时间同步，确保网络节点的跳频、自适应选频操作全网同步有效；以及所述人机交互模块，用于根据用户业务的需要，配置传感器、语音、摄像头、触摸屏、指令按键的接口。

基于上述系统的进一步改进，所述天馈系统包括：当所述承载体是飞机时，所述天馈系统天线为机载天线；当所述承载体是船舶时，所述天馈系统天线为船载天线；当所述承载体是汽车时，所述天馈系统天线采用车载天线；以及当所述承载体是人时，所述天馈系统天线采用背负式、手持式或头盔式天线。

基于上述系统的进一步改进，所述时间同步模块还用于采用硬同步为主、软同步为辅的方式进行时钟同步，其中，所述硬同步为GPS与北斗双模授时同步；所述软同步采样往返时延精确同步，其中，当所述硬同步出现故障时，通过所述软同步使故障节点继续与其他网络节点保持时间同步，其中，所述时间同步是多节点无线自组网通信的基础，也是扩频跳频通信的基础。

基于上述系统的进一步改进，所述扩频跳频模块用于在无线自组网通信过程中，使用的收发双方传输信号的载波频率根据预置跳频图谱和跳频规则进行跳频；所述自适应选频模块用于使用的收发双方传输信号的载波频率按照预置频率表进行人工切换，所述对等网络节点的人机交互模块根据干扰检测的结果，进行指令级控制以确定是否发起重新选频协商过程。

基于上述系统的进一步改进，所述数据链模块包括冲突与干扰检测子模块，其中，所述冲突与干扰检测子模块用于：对接收到的信号电压进行检测，并且当所述接收到的信号电压的摆动值超过设定门限值时，先假设发生冲突；将发送帧与接收到的发送帧进行比较，并且当所述发送帧与接收到的发送帧不相符时，确认并提示发送冲突；在提示发送冲突后，当在规定时间内仍存在发送冲突时，则是干扰不是冲突并通知所述人机交互模块，当在所述规定时间内发送冲突消失时，则是冲突不是干扰并通知所述用户应用模块；以及所述人机交互模块通过人为控制，确定是否进行自适应选频操作来避开干扰，所述用户应用模块通过退避算法减少空中碰撞，增加系统的有效带宽。

基于上述系统的进一步改进，所述时间同步模块包括：所述对等网络节点以单频组网方式监听当前工作信道，所述当前工作信道设置有通告时隙AS、私有时隙PS和竞争时隙CS，其中，所述通告时隙AS是超级节点的专用时隙，其中，所述超级节点是从全网中根据共识选举的一个节点；当不存在所述超级节点时，所述通告时隙用作竞争时隙；所述私有时隙PS是某个网络节点的专用时隙，从全网中根据共识统一分配所述私有时隙；以及所述竞争时隙CS是公共时隙，任意网络节点竞争使用所述竞争时隙，普通业务使用所述私有时隙，其中，每个竞争时隙CS后跟随私有时隙PS，完整时隙周期以所述竞争时隙CS结束，所述私有时隙PS的长度设置为所述竞争时隙CS的整数倍m；所述竞争时隙CS和所述通告时隙AS为信令时隙，长度相同，其中所述整数倍m为1～8。

另一方面，本发明实施例提供了一种基于高动态路由协议的无线自组网通信方法，通过本地直连的对等网络节点与其他自组织网络节点进行连接通信，所述对等网络节点包括：数据链模块、控制模块、电源模块和天馈系统，其中，通过所述数据链模块进行空口冲突与干扰检测并将检测结果提供给控制模块；通过所述控制模块根据所述检测结果，确定通过退避算法减少空中碰撞还是通过跳频或自适应选频处理避开干扰，并将跳频或自适应选频控制信号和同步时钟信号提供给所述数据链模块，以及在所述控制模块与所述数据链模块之间传输所述高动态路由协议；通过所述电源模块为所述数据链模块、所述控制模块以及天馈系统供电；以及所述天馈系统包括承载体和与所述承载体适配的天馈系统天线，其中，通过微波信号接口将所述天馈系统与所述数据链模块通信连接。

基于上述方法的进一步改进，所述控制模块包括：路由协议模块、用户应用模块、扩频跳频模块、自适应选频模块、时间同步模块和人机交互模块，其中，通过所述路由协议模块发现邻居网络节点、使链路数据同步以及生成路由表；通过所述用户应用模块根据不同用户的需求定制用户业务和用户协议，处理所述用户业务和所述用户协议以及查询所述路由表；通过所述扩频跳频模块根据预置跳频图谱和控制模块指令完成扩频跳频处理；通过所述自适应选频模块根据预置频率表以及控制模块指令进行频率切换；通过所述时间同步模块实现所述对等网络节点之间的时间同步，确保网络节点的跳频、自适应选频操作全网同步有效；以及通过所述人机交互模块根据用户业务的需要，配置传感器、语音、摄像头、触摸屏、指令按键的接口。

基于上述方法的进一步改进，基于高动态路由协议的无线自组网通信方法包括：在所述对等网络节点开机后，开始等待硬同步，同时进行信道监听，当双模授时模块锁定是否成功时，通过所述对等网络节点的人机交互模块进行提示，以确定继续等待还是停止工作；在所述硬同步成功之后，继续进行3个时隙周期的信道监听，其中，当所述控制模块启用跳频功能时，在公告信道进行监听；当所述控制模块启动自适应选频时，根据预置频率表进行遍历扫描监听；或者当跳频和自适应选频功能都未开启时，在初始化的第1工作信道进行监听；在所述信道监听结束后，根据信道监听结果进行私有时隙的随机竞争，首先随机选择一个空闲的私有时隙在竞争时隙上发起这个私有时隙的占有通告，无冲突时等待3个时隙周期，若邻居们无异议，则认为选定的私有时隙有效，开始启用；若邻居们有异议，则另外再选择一个空闲的私有时隙再在竞争时隙上发起一次私有时隙的占有通告，直到选定的私有时隙有效为止；在所述私有时隙确定后，进入路由同步阶段，路由消息只能在自己的私有时隙上发送，路由同步是一个持续的动态的过程，进入路由同步阶段，所述对等网络节点成功入网。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、采用自主研发的高动态路由协议，可提高系统网络拓扑变更的响应速度；采用硬同步为主、软同步为辅的时间同步方案，可提高系统可靠性；采用跳频和自适应选频技术，结合干扰检测技术，可提高系统的抗干扰性；采用冲突检测技术，结合退避算法，可减少空中碰撞，增加有效带宽。

2、这种基于高动态路由协议的无线自组网通信方法及系统，适用于有快速部署、结构灵活、抗干扰强、非视距等通信需求的场景或行业，比如电网高空作业无人机系统系统等。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为根据本发明实施例的基于高动态路由协议的无线自组网通信系统中的对等网络节点的结构示图；

图2为根据本发明实施例的对等网络节点中的控制模块与数据链模块之间的具体连接示图；

图3为根据本发明实施例的时间同步控制流程图；

图4为根据本发明实施例的冲突与干扰检测流程图；

图5为根据本发明实施例的一个完整的时隙周期分配示意图；

图6为根据本发明实施例的网络自组织过程示意图；

图7为根据本发明实施例的高空作业系统的时隙分配示意图；

图8为根据本发明实施例的基于高动态路由协议的无线自组网通信方法的流程图；以及

图9a和图9b分别为根据本发明实施例的第一跳频驻留时间和第二跳频驻留时间的跳频图谱的示图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于高动态路由协议的无线自组网通信系统，包括指挥调度管理中心，通过本地直连的对等网络节点与其他自组织网络节点进行连接通信，其中，对等网络节点包括：数据链模块102，用于进行空口冲突与干扰检测并将检测结果提供给控制模块；控制模块104，用于根据空口冲突与干扰检测结果，确定通过退避算法减少空中碰撞还是通过跳频或自适应选频处理避开干扰，并将跳频或自适应选频控制信号和同步时钟信号提供给数据链模块，以及在控制模块与数据链模块之间传输高动态路由协议；电源模块106，用于为数据链模块、控制模块以及天馈系统供电；以及天馈系统108，包括承载体和与承载体适配的天馈系统天线，用于通过微波信号接口将天馈系统与数据链模块通信连接。

与现有技术相比，本实施例提供的基于高动态路由协议的无线自组网通信系统中，采用跳频和自适应选频技术，结合干扰检测技术，可提高系统的抗干扰性。采用冲突检测技术，结合退避算法，可减少空中碰撞，增加有效带宽。

下文中，参考图1，对根据本发明实施例的基于高动态路由协议的无线自组网通信系统进行详细描述。基于高动态路由协议的无线自组网通信系统包括指挥调度管理中心，通过本地直连的对等网络节点与其他自组织网络节点进行连接通信。在可选实施例中，也可以没有指挥调度管理中心和本地网络节点，所有对等网络节点配置完后，自成系统，互相通信。之所以设置指挥调度管理中心和本地直连的网络节点，是为了满足有这个需求的场景。具体地，对等网络节点包括：数据链模块102、控制模块104、电源模块106和天馈系统108。

数据链模块102，用于进行空口冲突与干扰检测并将检测结果提供给控制模块。另外，在对等网络节点之间经由数据链模块进行数据传输利用数据链模块包括冲突与干扰检测子模块。冲突与干扰检测子模块用于：对接收到的信号电压进行检测，并且当接收到的信号电压的摆动值超过设定门限值时，先假设发生冲突；将发送帧与接收到的发送帧进行比较，并且当发送帧与接收到的发送帧不相符时，确认并提示发送冲突；在提示发送冲突后，当在规定时间内仍存在发送冲突时，则是干扰不是冲突并通知人机交互模块，当在规定时间内发送冲突消失时，则是冲突不是干扰并通知用户应用模块；以及人机交互模块通过人为控制，确定是否进行自适应选频操作来避开干扰，用户应用模块通过退避算法减少空中碰撞，增加系统的有效带宽。

控制模块104，用于根据空口冲突与干扰检测结果，确定通过退避算法减少空中碰撞还是通过跳频或自适应选频处理避开干扰，并将跳频或自适应选频控制信号和同步时钟信号提供给数据链模块，以及在控制模块与数据链模块之间传输高动态路由协议。控制模块104包括：路由协议模块、用户应用模块、扩频跳频模块、自适应选频模块、时间同步模块和人机交互模块。路由协议模块，用于发现邻居网络节点、使链路数据同步以及生成路由表，具体地，路由表存储着指向其他网络节点的路径，路由表中包含有网络周边的拓扑信息。当某个网络节点收到的数据包目的地不是本节点时，则需要查询路由表，得到传输到目的地的下一跳网络节点是哪个，然后将数据包转发到查询到的下一跳网络节点。用户应用模块，用于根据不同用户的需求定制用户业务和用户协议，处理用户业务和用户协议以及查询路由表；扩频跳频模块，用于根据预置跳频图谱和控制模块指令完成扩频跳频处理；自适应选频模块，用于根据预置频率表以及控制模块指令进行频率切换；时间同步模块，用于实现对等网络节点之间的时间同步，确保网络节点的跳频、自适应选频操作全网同步有效，同时超级节点也是对等网络节点，只是比普通对等网络节点多了可以独享AS时隙的功能；以及人机交互模块，用于根据用户业务的需要，配置传感器、语音、摄像头、触摸屏、指令按键的接口。

通过发送和接收无需确认的握手报文和需确认的握手报文发现、保持和取消路由节点之间的邻居关系包括：通过第一路由节点根据握手定时器中预先被设置的握手间隔周期性地向第二路由节点发送无需确认的第一握手报文；第二路由节点根据接收到的第一握手报文，与第一路由节点快速建立邻居关系同时启动握手超时定时器，并且进入邻居态，其中，握手超时时间为握手间隔的4至16倍，其中，通过握手超时定时器是否超时，确定取消还是保持第一路由节点和第二路由节点之间的邻居关系。具体地，通过握手超时定时器是否超时，确定取消还是保持第一路由节点和第二路由节点之间的邻居关系包括：当握手超时定时器没有超时时，保持第一路由节点和第二路由节点之间的邻居关系；当握手超时定时器超时时，通过第二路由节点触发性地发送需确认的第二握手报文，同时启动握手应答接收定时器，其中，基于握手应答接收定时器是否超时确定第一路由节点和第二路由节点之间的邻居关系失效。

时间同步模块还用于采用硬同步为主、软同步为辅的方式进行时钟同步，其中，硬同步为GPS与北斗双模授时同步；软同步采样往返时延精确同步，其中，当硬同步出现故障时，通过软同步使故障节点继续与其他网络节点保持时间同步，其中，时间同步是多节点无线自组网通信的基础，也是扩频跳频通信的基础。时间同步模块包括：对等网络节点以单频组网方式监听当前工作信道，当前工作信道设置有通告时隙AS、私有时隙PS和竞争时隙CS，其中，通告时隙AS是超级节点的专用时隙，其中，超级节点是从全网中根据共识选举的一个节点；当不存在超级节点时，通告时隙用作竞争时隙；私有时隙PS是某个网络节点的专用时隙，从全网中根据共识统一分配私有时隙；以及竞争时隙CS是公共时隙，任意网络节点竞争使用竞争时隙，普通业务使用私有时隙，其中，每个竞争时隙CS后跟随私有时隙PS，完整时隙周期以竞争时隙CS结束，私有时隙PS的长度设置为竞争时隙CS的整数倍m；竞争时隙CS和通告时隙AS为信令时隙，长度相同，其中整数倍m为1～8。

扩频跳频模块用于在无线自组网通信过程中，使用的收发双方传输信号的载波频率根据预置跳频图谱和跳频规则进行跳频。自适应选频模块用于使用的收发双方传输信号的载波频率按照预置频率表进行人工切换，对等网络节点的人机交互模块根据干扰检测的结果，进行指令级控制以确定是否发起重新选频协商过程。

本申请的实施例采用m序列产生跳频图案，图9a和图9b分别为第一跳频驻留时间和第二跳频驻留时间的跳频图谱。图中横轴为时间，纵轴为频率。这个时间与频率的平面叫作时频域。阴影线就是跳频图案，它表明什么时间采用什么频率进行通信，时间不同频率也不同。

预置频率表如以下表1所示，图中预置了4个频率，当当前频率有冲突时，可切换至下一个频率，切换规则可以自定义或者通过人机交互模块控制。

表1

频率号	频率(单位：MHz)
		1	85000
2	86000
		3	87000
4	88000

电源模块106，用于为数据链模块、控制模块以及天馈系统供电。

天馈系统108，包括承载体和与承载体适配的天馈系统天线，用于通过微波信号接口将天馈系统与数据链模块通信连接。具体地，天馈系统包括：当承载体是飞机时，天馈系统天线为机载天线；当承载体是船舶时，天馈系统天线为船天线；当承载体是汽车时，天馈系统天线采用车载天线；以及当承载体是人时，天馈系统天线采用背负式、手持式或头盔式天线。

本发明的另一个具体实施例，公开了基于高动态路由协议的无线自组网通信方法，通过本地直连的对等网络节点与其他自组织网络节点进行连接通信。

对等网络节点包括：数据链模块、控制模块、电源模块和天馈系统。在步骤S802中，通过数据链模块进行空口冲突与干扰检测并将检测结果提供给控制模块；在步骤S804中，通过控制模块根据检测结果，确定通过退避算法减少空中碰撞还是通过跳频或自适应选频处理避开干扰，并将跳频或自适应选频控制信号和同步时钟信号提供给数据链模块，以及在控制模块与数据链模块之间传输高动态路由协议；在步骤S806中，通过电源模块为数据链模块、控制模块以及天馈系统供电；以及在步骤S808中，天馈系统包括承载体和与承载体适配的天馈系统天线，其中，通过微波信号接口将天馈系统与数据链模块通信连接。

控制模块包括：路由协议模块、用户应用模块、扩频跳频模块、自适应选频模块、时间同步模块和人机交互模块。通过路由协议模块发现邻居网络节点、使链路数据同步以及生成路由表；通过用户应用模块根据不同用户的需求定制用户业务和用户协议，处理用户业务和用户协议以及查询路由表；通过扩频跳频模块根据预置跳频图谱和控制模块指令完成扩频跳频处理；通过自适应选频模块根据预置频率表以及控制模块指令进行频率切换；通过时间同步模块实现对等网络节点之间的时间同步，确保网络节点的跳频、自适应选频操作全网同步有效；以及通过人机交互模块根据用户业务的需要，配置传感器、语音、摄像头、触摸屏、指令按键的接口。

基于高动态路由协议的无线自组网通信方法包括：在对等网络节点开机后，开始等待硬同步，同时进行信道监听，当双模授时模块超时是否成功时，通过对等网络节点的人机交互模块进行提示，以确定继续等待还是停止工作；在硬同步成功之后，继续进行3个时隙周期的信道监听，其中，当控制模块启用跳频功能时，在公告信道进行监听；当控制模块启动自适应选频时，根据预置频率表进行遍历扫描监听；或者当跳频和自适应选频功能都未开启时，在初始化的第1工作信道进行监听；在信道监听结束后，根据信道监听结果进行私有时隙的随机竞争，首先随机选择一个空闲的私有时隙在竞争时隙上发起这个私有时隙的占有通告，无冲突时等待3个时隙周期，若邻居们无异议，则认为选定的私有时隙有效，开始启用；若邻居们有异议，则另外再选择一个空闲的私有时隙再在竞争时隙上发起一次私有时隙的占有通告，直到选定的私有时隙有效为止；在私有时隙确定后，进入路由同步阶段，路由消息只能在自己的私有时隙上发送，路由同步是一个持续的动态的过程，进入路由同步阶段，对等网络节点成功入网。

下文中，参考图1至图5，以具体实例的方式，对根据本发明实施例的基于高动态路由协议的无线自组网通信方法及系统进行详细描述。

一种基于高动态路由协议的无线自组网通信方法及系统，所述无线自组网通信方法及系统包括以下几个部分内容：

本系统是一种无中心、自组织的无线通信网络，任意网络节点既可以作为普通收发节点，又可以作为路由收发节点，能在高动态的情况下保持与其他单个或多个网络节点的连接通信。本系统构成除了对等的网络节点以外，可配置指挥调度管理中心，以满足指挥调度场景的需求，指挥调度管理中心通过本地直连的对等网络节点与其他自组织网络节点进行连接通信。

参考图1，普通对等网络节点由数据链模块、控制模块、电源模块和承载体及适配的天馈系统组成，其中承载体是飞机时，天馈系统天线采用机载天线；承载体是船舶时，天馈系统天线采用船载天线；承载体是汽车时，天馈系统天线采用车载天线；承载体是人时，天馈系统天线采用背负式、手持式或头盔式天线。

参考图2，数据链模块包括物理层和链路层处理，主要完成空口冲突检测、数据收发控制和媒体访问管理。

控制模块又可以按照功能进一步的划分成路由协议模块、用户应用模块、扩频跳频模块、自适应选频模块、时间同步模块和人机交互模块。其中路由协议模块主要完成网站邻居节点发现、链路数据同步以及路由表生成；用户应用模块主要完成用户业务以及用户协议的处理，可根据不同用户的需求进行定制，或者由用户根据开放的二次开发接口自行进行开发；扩频跳频模块根据预置跳频图谱以及控制模块指令完成扩频跳频处理；自适应选频模块根据预置频率表以及控制模块指令完成频率的切换；时间同步模块实现网络节点之间的时间同步，确保网络节点的跳频、自适应选频等操作全网同步有效；人机交互模块是人机接口，根据用户的业务需要，可配置传感器、语音、摄像头、触摸屏、指令按键等接口。

电源模块主要负责给网络节点的数据链模块、控制模块以及天馈系统供电。

时间同步

时间同步是多节点无线自组网通信的基础，也是扩频跳频通信的基础。网络节点之间时间如果不同步，各网络节点之间将无法进行通信。本系统时间同步模块采用硬同步为主、软同步为辅的方案，当硬同步方式出现故障时，故障弱化为软同步方式，使得故障节点可继续与其他网络节点保持时间同步，时钟同步控制流程如图3所示。其中硬同步采用GPS+北斗双模授时模块，时间同步精度可达到1ns级；软同步采用PTP时间同步协议，通过RTT精确同步，时间同步精度可达到100ns级。

时间戳的生成方式

时间戳是无线网络节点之间时间同步的基础，网络节点之间时间戳相位同步，表明网络节点之间时间同步成功。网络节点之间时间戳的相位误差越大，网络节点之间的时间同步精度越低；网络节点之间时间戳的相位误差越小，网络节点之间的时间同步精度越高。

时间戳的生成途径及方式有以下两种：一是当全球定位系统GPS/北斗正常时，时间戳模块根据GPS/北斗模块的秒脉冲和标准时钟倍频得到本网络节点的主时间戳，不同网络节点之间的时间戳同步精度和GPS/北斗秒脉冲同步精度相同，最高可达纳秒级。二是当全球定位系统GPS/北斗故障时，时间戳模块参考本地恒温晶体通过计数得到备用时间戳，当恒温晶体小于1pps输出时，时间戳的误差大概为百纳秒。通过改进的PTP网络时间协议，与邻近的全球定位系统GPS/北斗正常的网络节点同步后，全球定位系统GPS/北斗故障的网络节点与全球定位系统GPS/北斗正常的网络节点时间戳的同步精度可达到百纳秒级。

改进的PTP网络时间协议：

时间同步的实现主要包括5个步骤：1、建立主从关系，选择最优时钟、协商端口主从状态等；2、主时钟向从时钟发送Sync报文，并记录时间T1。从时钟收到Sync报文后，记录接收时间T2；3、主时钟发送完Sync，紧接着发送一个带有T1值的Follow_Up报文给从时钟；4、从时钟向主时钟发送Delay_Req报文，记录发送时间T3，主时钟收到Delay_Req报文后记录接收时间T4；5、主时钟向从时钟发送携带T4的报文Delay_Resp。从时钟收到Delay_Resp报文后即可算出与主时钟的偏差。

从时钟根据拿到的T1、T2、T3、T4，计算出往返的平均时间差为[(T2-T1)+(T4-T3)]/2，由此从时钟相对于主时钟的时钟偏差为(T2-T1)-[(T2-T1)+(T4-T3)]/2。

鉴于本发明的PTP网络时间协议的启动时机是全球定位系统GPS/北斗故障出现时，初始状态已经实现了与其他网络节点的时间同步，包括邻近的网络节点在内。因此省去了主从关系的建立以及最优时钟的选择过程，默认邻近的未发生全球定位系统GPS/北斗故障的网络节点的时钟为主时钟和最优时钟，可直接发起时间同步请求，改进的PTP网络时间协议流程。时间同步的实现只需要2个步骤：

1、从时钟向主时钟发送Sync_Req报文，并携带发送时间T1，主时钟收到后记录接收时间T2；2、主时钟向从时钟发送Sync_Resp报文，并携带发送时间T3和Sync_Req接收时间T2。从时钟收到Sync_Resp报文后，记录接收时间T4，即可计算出从时钟与主时钟的偏差为(T2-T1)-[(T2-T1)+(T4-T3)]/2。

改进的PTP网络时间协议和标准PTP网络时间协议相比，一是去掉了耗时最长的主从关系的建立以及最优时钟的选择过程，二是将两个回合的协议交互优化成了一个回合的协议交互，使得网络节点间的时间同步收敛时间大幅下降。

跳频和自适应选频

采用跳频或自适应选频两种方式来提高系统抗干扰性能。跳频的方式需要系统预置跳频图谱，网络各节点根据预先制定的跳频规则进行跳频。自适应选频的方式需要系统预置频率表，网络各节点的人机交互模块根据干扰检测的结果，可人为进行指令级控制，决定是否发起重新选频协商过程。

跳频是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律以及预先设定的一组频点进行自动离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。

自适应选频是指收发双方传输信号的载波频率按照预先设定的一组频点进行人工切换的通信方式。系统根据冲突与干扰检测的结果进行提示，最后由人工决定是否进行频率切换。

冲突与干扰检测

冲突与干扰检测是随机竞争式自组网的关键技术，详细的检测流程如图4所示，对应步骤描述如下：

1)信号电压检测：检测接收到的信号电压，当接收到的信号电压摆动值超过设定门限值时，先假设发生了冲突；

2)发送确认帧：发送的同时进行接收，对比接收到的发送帧，当收发不相符时，再确认发生了冲突；

3)发送冲突提示：冲突提示发送后，如果在规定时间内，冲突依然存在，则说明是干扰不是冲突，通知人机交互模块。如果在规定时间内，冲突消失，则说明是冲突不是干扰，通知用户应用模块。

4)冲突与干扰检测后处理：人机交互模块通过人为控制，决定是否进行自适应选频操作来避开干扰。用户应用模块通过退避算法，可减少空中碰撞，增加系统的有效带宽。

退避算法采用二进制指数退避算法，算法过程如下：

1)确定基本退避时间，一般为端到端的往返时间为2t，2t也称为冲突窗口或争用期。

2)定义参数k，k与冲突次数有关，规定k不能超过10，k＝Min[冲突次数，10]。在冲突次数大于10，小于16时，k不再增大，一直取值为10。

3)从离散的整数集合[0,1,2，……，(2k-1)]中随机的取出一个数r，等待的时延为r倍的基本退避时间，等于r×2t。r的取值范围与冲突次数k有关，r可选的随机取值为2k个、这也是称为二进制退避算法的起因。

4)当冲突次数大于10以后，都是从0—210-1个2t中随机选择一个作为等待时间。

5)当冲突次数超过16次后，发送失败，丢弃传输的帧，发送错误报告。

时隙分配原则

本系统采用单频组网方式，网络节点在任何时候都只能监听一个信道。当前工作信道设置有通告时隙AS、私有时隙PS和竞争时隙CS。通告时隙是超级节点专用时隙，超级节点是全网根据共识共同选举出来的，全网最多只能有一个超级节点。当不存在超级节点时，通告时隙被用作竞争时隙。私有时隙是某个网络节点专用时隙，私有时隙也是全网根据共识进行统一分配的。竞争时隙是公共时隙，任意网络节点都可以竞争使用，但仅限于高实时性的高优先级业务使用，普通业务只能使用私有时隙。

一个完整的时隙周期分配示意图如图5所示，时隙分配原则如下：

1)一个完整时隙周期有且仅有一个通告时隙AS，且位于时隙周期的最前面，即第1时隙；

2)n是指网络规模，即是全网允许的最大网络节点数，是出厂配置参数，网络的所有节点必须一致，一个完整的时隙周期所包含的时隙数量N＝2n+2；

3)所有私有时隙PS根据网络节点的入网顺序进行随机竞争而获得使用权；

4)每个竞争时隙CS后跟随的都是私有时隙，一个完整的时隙周期以竞争时隙CS结束；

5)私有时隙PS是业务时隙，长度根据业务需要可设置为竞争时隙CS的整数倍m，倍数建议取值范围为1～8；

6)竞争时隙CS和通告时隙AS为信令时隙，长度相同；

7)假设通告时隙AS的长度是t_s，一个完整的时隙周期长度T＝(n+2+m*n)*t_s，时隙长度配置需保证T的整数倍可以是整秒。

网络自组织

采用自主研发的高动态路由协议，可实现网络节点的智能感知、链路数据的快速同步、网络拓扑及路由表的生成。本系统是一种随机竞争式自组网，可实现无中心、全分布式的对等网络，具有极高的抗毁性能。在计算机网络中，路由表或称路由择域信息库(RIB)是一个存储在路由器或者联网计算机中的电子表格(文件)或类数据库。路由表存储着指向特定网络地址的路径(在有些情况下，还记录有路径的路由度量值)。路由表中含有网络周边的拓扑信息。路由表建立的主要目标是为了实现路由协议和静态路由选择。

网络自组织过程如图6所示，对应步骤描述如下：

网络节点开机后，开始等待硬同步，同时进行信道监听。如果双模授时模块超时无法正常锁定，网络节点的人机交互模块可进行提示，可人为控制是继续等待还是网络节点停止工作。

硬同步成功之后，继续进行3个时隙周期的信道监听。当系统启用跳频功能时，守候在公告信道进行监听；当系统启动自适应选频时，需要根据预置频率表进行遍历扫描监听；当跳频和自适应选频功能都未开启时，守候在初始化的第1工作信道进行监听即可。

信道监听结束后，根据监听结果进行私有时隙的随机竞争。首先随机选择一个空闲的私有时隙在竞争时隙上发起这个私有时隙的占有通告，无冲突时等待3个时隙周期。若邻居们无异议，则认为选定的私有时隙有效，开始启用；若邻居们有异议，则需要另外再选择一个空闲的私有时隙再在竞争时隙上发起一次私有时隙的占有通告，直到选定的私有时隙有效为止。

私有时隙确定后，进入路由同步阶段，路由消息只能在自己的私有时隙上发送。路由同步是一个持续的动态的过程，进入了路由同步阶段，网络节点就算是成功入网了。

以电网高空作业无人机系统为例进行描述。为方便表述，描述只摘要关键部分，但足以对本具体实施例的自组网方法及系统的理解。

系统形态

电网高空作业无人机系统通常由2～3架高空作业无人机和地面控制中心组成，无人机由机身和自组网装置组成，地面控制中心由自组网装置和控制管理台组成。无人机内自组网装置采用小型化低功耗设计，自带电池，配置摄像头以及线路损坏识别的用户应用模块。地面控制中心自组网装置采用便携式或车载式设计，便于快速部署，可自带电池，也可接车载电池，天线采用车载天线或便携式天线。地面控制中心的控制管理台是由管理终端和软件组成，用来接收高空作业自组网节点回传的数据、视频等信息，也能看到网络的自组织过程，提高地面控制的有效性。

系统配置

根据电网高空作业需求，该系统的网络规模配置为n＝4，私有时隙PS是竞争时隙的m＝4倍，通告时隙AS长度是t_s＝1.25ms，一个时隙周期的长度T＝(n+2+m*n)*t_s＝27.5ms，时隙配置如图7所示，完全遵循时隙周期分配原则，说明如下：

(1)时隙周期以通告时隙AS开始，且位于时隙周期的最前面，即第1时隙；

(2)网络规模n＝4，一个完整的时隙周期所包含的时隙数量N＝2n+2＝10；

(3)所有私有时隙PS根据网络节点的入网顺序进行随机竞争而获得使用权；

(4)每个竞争时隙CS后跟随的都是私有时隙PS，一个完整的时隙周期以竞争时隙CS结束；

(5)私有时隙PS是业务时隙，长度根据业务需要可设置为竞争时隙CS的整数倍m，本实施例取值m＝4；

(6)竞争时隙CS和通告时隙AS为信令时隙，长度相同；

(7)通告时隙AS的长度是t_s＝1.25ms，一个完整的时隙周期长度T＝(n+2+m*n)*t_s＝27.5ms。

电网日常巡检工作，无需跳频功能，因此无需配置跳频图谱。保留自适应选频功能，可预置2-4个可选工作频点，选频操作由地面控制中心来执行。

二进制退避算法配置

基本退避时间2t＝t_s，即1.25ms。

规定参数k不超过10，在冲突次数大于10时，k不再增大，一直取值为10。

当冲突次数超过16次后，丢弃本次传输的帧，发送错误报告。

现场工作过程

第一步：

部署地面控制中心，这里以车载式地面控制为例。车载式地面控制中心，部署非常简单，只需要支起车载天线，打开自组网装置的电源开关，启动管理终端，打开监控管理软件即可。在高空作业无人机节点未启动之前，通过管理终端可以看到此时自组网系统只有一个网络节点，即本地自组网节点。

第二步：

启动高空作业无人机，通过管理终端观察网络的自组织过程，直至整个网络拓扑自组织完成。

第三步：

自组织完成后，可以开始控制高空作业无人机，按照指定路线进行巡检以及自动返航。巡检过程中，可根据需要要求高空作业无人机节点实时回传数据以及视频，也可设定为遇到故障点时再回传视屏。

第四步：

高空作业无人机返航，关闭相关设备，取下支起的车载天线，将相关设备装箱，工作结束。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于高动态路由协议的无线自组网通信系统，其特征在于，包括指挥调度管理中心，通过本地直连的对等网络节点与其他自组织网络节点进行连接通信，其中，所述对等网络节点包括：

数据链模块，用于进行空口冲突与干扰检测并将检测结果提供给控制模块；

控制模块，用于根据所述空口冲突与干扰检测结果，确定通过退避算法减少空中碰撞还是通过跳频或自适应选频处理避开干扰，并将跳频或自适应选频控制信号和同步时钟信号提供给所述数据链模块，以及在所述控制模块与所述数据链模块之间传输所述高动态路由协议，其中，所述控制模块包括人机交互模块和用户应用模块；

电源模块，用于为所述数据链模块、所述控制模块以及天馈系统供电；以及

所述天馈系统，包括承载体和与所述承载体适配的天馈系统天线，用于通过微波信号接口将所述天馈系统与所述数据链模块通信连接，其中，所述数据链模块包括冲突与干扰检测子模块，所述冲突与干扰检测子模块用于：对接收到的信号电压进行检测，并且当所述接收到的信号电压的摆动值超过设定门限值时，先假设发生冲突；将发送帧与接收到的发送帧进行比较，并且当所述发送帧与接收到的发送帧不相符时，确认并提示发送冲突；在提示发送冲突后，当在规定时间内仍存在发送冲突时，则是干扰不是冲突并通知所述人机交互模块，当在所述规定时间内发送冲突消失时，则是冲突不是干扰并通知所述用户应用模块；以及所述人机交互模块通过人为控制，确定是否进行自适应选频操作来避开干扰，所述用户应用模块通过退避算法减少空中碰撞，增加系统的有效带宽。

2.根据权利要求1所述的基于高动态路由协议的无线自组网通信系统，其特征在于，所述控制模块包括：路由协议模块、扩频跳频模块、自适应选频模块、时间同步模块，其中，

所述路由协议模块，用于发现邻居网络节点、使链路数据同步以及生成路由表；

所述用户应用模块，用于根据不同用户的需求定制用户业务和用户协议，处理所述用户业务和所述用户协议以及查询所述路由表；

所述扩频跳频模块，用于根据预置跳频图谱和控制模块指令完成扩频跳频处理；

所述自适应选频模块，用于根据预置频率表以及控制模块指令进行频率切换；

所述时间同步模块，用于实现所述对等网络节点之间的时间同步，确保网络节点的跳频、自适应选频操作全网同步有效；以及

所述人机交互模块，用于根据用户业务的需要，配置传感器、语音、摄像头、触摸屏、指令按键的接口。

3.根据权利要求1所述的基于高动态路由协议的无线自组网通信系统，其特征在于，所述天馈系统包括：

当所述承载体是飞机时，所述天馈系统天线为机载天线；

当所述承载体是船舶时，所述天馈系统天线为船载天线；

当所述承载体是汽车时，所述天馈系统天线采用车载天线；以及

当所述承载体是人时，所述天馈系统天线采用背负式、手持式或头盔式天线。

4.根据权利要求2所述的基于高动态路由协议的无线自组网通信系统，其特征在于，所述时间同步模块还用于采用硬同步为主、软同步为辅的方式进行时钟同步，其中，

所述硬同步为GPS与北斗双模授时同步；

所述软同步采用往返时延精确同步，其中，当所述硬同步出现故障时，通过所述软同步使故障节点继续与其他网络节点保持时间同步，其中，所述时间同步是多节点无线自组网通信的基础，也是扩频跳频通信的基础。

5.根据权利要求2所述的基于高动态路由协议的无线自组网通信系统，其特征在于，

所述扩频跳频模块用于在无线自组网通信过程中，使用的收发双方传输信号的载波频率根据预置跳频图谱和跳频规则进行跳频；

所述自适应选频模块用于使用的收发双方传输信号的载波频率按照预置频率表进行人工切换，所述对等网络节点的人机交互模块根据干扰检测的结果，进行指令级控制以确定是否发起重新选频协商过程。

6.根据权利要求2所述的基于高动态路由协议的无线自组网通信系统，其特征在于，所述时间同步模块包括：

所述对等网络节点以单频组网方式监听当前工作信道，所述当前工作信道设置有通告时隙AS、私有时隙PS和竞争时隙CS，其中，

所述通告时隙AS是超级节点的专用时隙，其中，所述超级节点是从全网中根据共识选举的一个节点；当不存在所述超级节点时，所述通告时隙用作竞争时隙；

所述私有时隙PS是某个网络节点的专用时隙，从全网中根据共识统一分配所述私有时隙；以及

所述竞争时隙CS是公共时隙，任意网络节点竞争使用所述竞争时隙，普通业务使用所述私有时隙，其中，每个竞争时隙CS后跟随私有时隙PS，完整时隙周期以所述竞争时隙CS结束，所述私有时隙PS的长度设置为所述竞争时隙CS的整数倍m；所述竞争时隙CS和所述通告时隙AS为信令时隙，长度相同，其中所述整数倍m为1~8。

7.一种基于高动态路由协议的无线自组网通信方法，其特征在于，通过本地直连的对等网络节点与其他自组织网络节点进行连接通信，所述对等网络节点包括：数据链模块、控制模块、电源模块和天馈系统，其中

通过所述数据链模块进行空口冲突与干扰检测并将检测结果提供给控制模块；

通过所述控制模块根据所述检测结果，确定通过退避算法减少空中碰撞还是通过跳频或自适应选频处理避开干扰，并将跳频或自适应选频控制信号和同步时钟信号提供给所述数据链模块，以及在所述控制模块与所述数据链模块之间传输所述高动态路由协议，其中，所述控制模块包括人机交互模块和用户应用模块；

通过所述电源模块为所述数据链模块、所述控制模块以及天馈系统供电；以及

所述天馈系统包括承载体和与所述承载体适配的天馈系统天线，其中，通过微波信号接口将所述天馈系统与所述数据链模块通信连接，其中，所述数据链模块包括冲突与干扰检测子模块，其中，通过所述冲突与干扰检测子模块对接收到的信号电压进行检测，并且当所述接收到的信号电压的摆动值超过设定门限值时，先假设发生冲突；将发送帧与接收到的发送帧进行比较，并且当所述发送帧与接收到的发送帧不相符时，确认并提示发送冲突；在提示发送冲突后，当在规定时间内仍存在发送冲突时，则是干扰不是冲突并通知所述人机交互模块，当在所述规定时间内发送冲突消失时，则是冲突不是干扰并通知所述用户应用模块；以及所述人机交互模块通过人为控制，确定是否进行自适应选频操作来避开干扰，所述用户应用模块通过退避算法减少空中碰撞，增加系统的有效带宽。

8.根据权利要求7所述的基于高动态路由协议的无线自组网通信方法，其特征在于，所述控制模块包括：路由协议模块、用户应用模块、扩频跳频模块、自适应选频模块、时间同步模块和人机交互模块，其中，

通过所述路由协议模块发现邻居网络节点、使链路数据同步以及生成路由表；

通过所述用户应用模块根据不同用户的需求定制用户业务和用户协议，处理所述用户业务和所述用户协议以及查询所述路由表；

通过所述扩频跳频模块根据预置跳频图谱和控制模块指令完成扩频跳频处理；

通过所述自适应选频模块根据预置频率表以及控制模块指令进行频率切换；

通过所述时间同步模块实现所述对等网络节点之间的时间同步，确保网络节点的跳频、自适应选频操作全网同步有效；以及

通过所述人机交互模块根据用户业务的需要，配置传感器、语音、摄像头、触摸屏、指令按键的接口。

9.根据权利要求7所述的基于高动态路由协议的无线自组网通信方法，其特征在于，包括：

在所述对等网络节点开机后，开始等待硬同步，同时进行信道监听，当双模授时模块超时无法正常锁定时，通过所述对等网络节点的人机交互模块进行提示，以确定继续等待还是停止工作；

在所述硬同步成功之后，继续进行3个时隙周期的信道监听，其中，当所述控制模块启用跳频功能时，在公告信道进行监听；当所述控制模块启动自适应选频时，根据预置频率表进行遍历扫描监听；或者当跳频和自适应选频功能都未开启时，在初始化的第1工作信道进行监听；

在所述信道监听结束后，根据信道监听结果进行私有时隙的随机竞争，首先随机选择一个空闲的私有时隙在竞争时隙上发起这个私有时隙的占有通告，无冲突时等待3个时隙周期，若邻居们无异议，则认为选定的私有时隙有效，开始启用；若邻居们有异议，则另外再选择一个空闲的私有时隙再在竞争时隙上发起一次私有时隙的占有通告，直到选定的私有时隙有效为止；

在所述私有时隙确定后，进入路由同步阶段，路由消息只能在自己的私有时隙上发送，路由同步是一个持续的动态的过程，所述对等网络节点成功入网。