CN115988428A - 一种动态调整帧结构的自组网方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种动态调整帧结构的自组网方法，包括S10、主节点发送当前帧的广播信息，广播信息包括固定信道和可变信道，可变信道的长度根据网络内的从节点数量调整；S20、判断是否有从节点需要变更，若有，执行S30；若没有，执行S10；S30、调整下一帧需要入网或退网的从节点，根据调整后的从节点的数量以及顺序调整下一帧的广播信息，再次执行S10‑S20。本申请的动态调整帧结构的自组网方法，主节点根据从节点的数量调整每一帧信息内的可变信道，当网络内从节点数量较少时，可变信道较短，降低了延迟；当网络内从节点数量改变后，根据从节点数量调整可变信道，以适应网络内各个从节点的通信需求，确保在多从节点的情况下仍然能组网通信。

Description

一种动态调整帧结构的自组网方法

技术领域

本发明涉及一种动态调整帧结构的自组网方法。

背景技术

自组网技术是一种临时性的，不依赖于预设的节点基础设施，能够快速形成临时的网络，没有绝对的控制中心，抗干扰能力强的高效网络，在各个领域都具有十分广阔的运用前景。

动态帧结构分配技术一种根据数据量、信道类型、信道噪声等因素动态分配帧结构达到预期目的的现代通信技术，具有目的性明确、时延可调、能适应复杂场景、可调整传输数据速率、灵活多变、抗干扰能力强的特点。使用对象可以根据传输任务、不同目的和场景的优先级，动态分配帧结构以满足复杂的通信需要。

目前主流产品所使用的自组网方式多样，但是一般都存在节点上限，如图1所示，因为帧结构分配固定，如果需要大量节点在同一临时网络的场景是无法覆盖的，且固定帧结构下由于节点数目固定，预留的节点时隙在接入节点数不多的时候无论是传输效率还是传输时延都有很大的优化空间。

王海涛等人在“适用于战术无线自组网的信道分配机制”(数据通信，2017-06-28)中提出了一种基于TDMA的多节点自组网帧结构。该文采用了一种固定的帧结构，导致在节点数较低时对频谱资源的利用率较低，其周期广播的组网方法虽然较为直接，但是没有针对多节点做出优化，导致该方案的延迟较高，频谱资源的利用率较低。

王文弢等人在“高动态无线自组网路由协议设计”(电讯技术，2012-05-20)提出了一种组网方案，该方案虽然实现了低延迟，但是引入了多簇，每个簇都包含首节点等结构，这种协议下逻辑相对固定主节点的方式导致系统复杂度高，没有针对不同节点数的情况对帧结构进行优化。

李桂平等人在专利“一种无线传感器自组网方法”中使用分配节点等级，开启定时器，计时广播应答消息，多级阈值等方法达到降低功耗的效果，但是该方式结构复杂，引入逻辑较多，导致延迟较大。

刘彤等人在专利“一种基于分布式时分多址无线自组网的节点入网方法”中提供了一种基于分布式的无线自组网的入网方法，该方法帧结构固定，没有唯一固定的主节点，在发送入网请求后已经入网的节点如果不止一个会影响新节点的入网流程。

徐惟远等人在专利“一种基于低速率无线网络的自组网方法”中提供了一种结构简单的自组网方法，但是该方法需要在组网前率先确定好节点数并确定固定的节点号，且轮询遍历的方式较浪费资源。

李雄在专利“一种无线自组网通信方法”中提供一种包含协调器和中继器的自组网结构，该方法需要更多的硬件资源和转发逻辑，也未对延迟进行优化，导致该方法的延迟较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种动态调整帧结构的自组网方法，具有传输效率高、传输延迟低的优点。

为实现上述目的，本发明提供一种动态调整帧结构的自组网方法，包括以下步骤：

S10、主节点发送当前帧的广播信息，所述广播信息包括固定信道和可变信道，所述可变信道的长度根据网络内的从节点数量调整；

其中，当前帧的所述固定信道包含下一帧参与通信的所述从节点信息以及分配给各个所述从节点的通信时隙；

S20、判断是否有从节点需要变更，若有，执行S30；若没有，重复执行S20，直至当前帧结束，在下一帧时返回执行S10；

S30、调整下一帧需要入网或退网的从节点，根据调整后的所述从节点的数量以及顺序调整下一帧主节点发送的所述广播信息，在下一帧时再次执行S10-S20。

较佳地，所述固定信道包括广播信道和随机接入时隙，所述广播信道位于所述可变信道之前，所述随机接入时隙位于所述可变信道之后。

较佳地，在所述随机接入时隙，所述主节点接收来自未入网从节点的入网请求。

在本方案中，通过在广播信道和随机接入时隙之间设置可变信道，可变信道用于从节点向主节点发送信息，主节点首先在广播信道中发送已经入网的从节点信息以及给各个从节点分配的时隙，从节点在分配到的时隙中与主节点通信，在可变信道之后，随机接入时隙用于未入网的节点向主节点发送入网申请，从而实现从节点在网络组成后仍然能够申请入网并与主节点通信。

较佳地，所述可变信道的长度为网络内的所述从节点的数量和分配给每个所述从节点时隙长度之积。

在本方案中，通过给每个从节点分配等长度的时隙，确保每个从节点有足够的时间与主节点通信，便于每个从节点推算各自的通信时隙，降低主节点出错的概率。

较佳地，步骤S20、判断是否有从节点需要变更包括：

S201、判断是否收到所述从节点的入网申请；

S202、若收到所述入网申请，则允许一未入网的所述从节点入网。

较佳地，步骤S20、判断是否有从节点需要变更还包括：

S203、判断是否有所述从节点经过若干帧未与所述主节点通信；

S204、若存在经过若干帧未与所述主节点通信的退网从节点，删除所述退网从节点。

较佳地，若所述主节点在一帧内同时接到多个从节点的入网申请，所述主节点随机选取一个所述从节点在下一帧入网。

较佳地，在S10、主节点发送广播信息与从节点通信之前，还包括：

S01、设备开机，接收所述广播信息；

S02、若接收到所述广播信息，则所述设备判断为从节点，并执行S03；若未接收到所述广播信息，则所述设备判断为主节点，并执行S10；

S03、所述从节点发送入网请求；所述从节点根据收到的广播信息判断是否已经成功入网，若已入网，则在下一帧所述广播信息内与所述主节点通信；若未入网，返回执行S03。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的动态调整帧结构的自组网方法，具有如下有益效果：

本申请的动态调整帧结构的自组网方法，主节点根据从节点的数量动态调整每一帧信息内的可变信道，当网络内从节点数量较少时，每一帧的广播信息内的可变信道较短，降低了延迟；当网络内从节点数量改变后，根据从节点数量动态调整可变信道的长度，以适应网络内各个从节点的通信需求，确保在多从节点的情况下仍然能组网，确保了多节点数量时仍然能够组网通信，在节点数量较少时提高了传输效率且降低了延迟。

附图说明

图1为现有技术中固定帧的帧结构图。

图2为本申请的动态可调整帧的帧结构图。

图3为本申请的动态调整帧结构的自组网方法中从节点的流程图。

图4为本申请的动态调整帧结构的自组网方法中主节点的流程图。

图5为本申请的动态可调整帧与现有技术的固定帧在节点数不同时的传输效率对比图。

图6为本申请的可变从节点与现有技术的固定从节点在节点数不同时的延迟对比。

图7为本申请中增加从节点帧结构变化图。

图8为本申请中删除从节点帧结构变化图。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图1～附图8，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供了一种动态调整帧结构的自组网方法，包以下步骤：

如图4所示，S10、主节点发送当前帧的广播信息，广播信息包括固定信道和可变信道，固定信道用于主节点向各个从节点发送广播信息。此外，当前帧的固定信道内还包含下一帧参与通信的从节点信息(例如从节点的名称、MAC(MediaAccessControlAddress媒体存储控制地址)地址等)以及分配给各个从节点的具体通信时隙。可变信道的长度根据网络内的从节点数量调整。在可变信道内，在网的从节点依次按照主节点分配好的时隙向主节点发送信息。

S20、判断是否有从节点需要变更，从节点变更包括新的节点需要入网或是已经在网从节点退网，若有收到入网申请或主节点判断有从节点已经下线需要退网，执行S30；若没有，重复执行S20，直至当前帧结束，在下一帧时返回执行S10。

S30、调整下一帧需要入网或退网的从节点，主节点在收到节点发送的入网申请或是判断在网的从节点已经下线需要调整退网后，调整在网的从节点信息，并且根据调整后的从节点的数量以及顺序调整下一帧的广播信息，在下一帧时再次执行S10-S20。

如图2所示，固定信道包括广播信道和随机接入时隙，在随机接入时隙，主节点接收来自未入网从节点的入网请求。广播信道位于可变信道之前，随机接入时隙位于可变信道之后。当未入网从节点发送入网申请后，主节点在每一帧的随机接入时隙接收未入网从节点的入网申请。可变信道的长度为网络内的从节点的数量和分配给每个从节点时隙长度之积，例如当前网络内有n个从节点，分配给每个从节点的时隙长度为m，即可变信道的长度为m*n。本实施例中m设置为50ms，在其他实施例中，m也可以设置为其他时间，该时长可以根据网络所处的环境、各从节点需要发送的信息量调整。则一帧中可变信道与随机接入时隙的总长度为m*(n+1)。

步骤S20中，判断是否有从节点需要变更包括判断是否有从节点需要入网，判断依据为是否有收到未入网节点的入网申请。具体为：

S201、判断是否收到未入网从节点的入网申请，主节点在当前帧的随机接入时隙时是否有接收未入网从节点的入网申请；

S202、若收到入网申请，则允许发送入网申请中的任一未入网的从节点入网，并将被允许入网的从节点的信息(例如MAC地址等)以及分配给该从节点的时隙在下一帧的广播信息中公告，被允许入网的从节点在后续按照主节点分配的时隙与主节点通信。如图7所示，原网络中存在两个从节点，在允许新的从节点入网申请后，在可变信道中增加一个时隙3，即在分配给原来两个从节点的时隙后面再增加一个时隙给新入网的从节点，分配给各个从节点时隙的位置可以根据入网顺序来分配，也可以根据其他排序方式排列。

步骤S20中，判断是否有从节点需要变更还包括是否有从节点需要退出网络，判断是否退出的依据为是否有在网内的子节点经过多帧未与主节点通信。具体为：

S203、判断是否有从节点经过若干帧未与主节点通信；

S204、若存在经过若干帧未与主节点通信的退网从节点，则主节点认为该从节点已经下线，为了避免已经下线的从节点仍然占用可变信道中的时隙，造成其他在网的子节点空等浪费时间，导致延迟升高，传输效率降低。主节点需要监测各个从节点是否在网，若监测到从节点已经下线则删除该已经退网的从节点，相应更改下一帧分配给在网从节点时隙。如图8所示，原网络内有3个从节点分别为a、b、c，分配给每个从节点的时隙为50ms，随机接入时隙50ms，可变信道与随机接入时隙的总时长为200ms。网络运行过程中，主节点检测到从节点b长时间未与主节点通信，即经过多帧中在分配给从节点b的时隙2中均未收到从节点b的信息，主节点判定从节点b已下线，将从节点b设为退网从节点，在下一帧中将节点b的信息删除，新一帧结构的可变信道中将分配给节点b的时隙删除，可变信道中的节点时隙从删除前的三个变为了删除后的两个，同时在广播信息中删除关于从节点b的信息。如此一来，完成了从节点b的退网，从节点b后续若重新开机，需要重新向主节点发送入网申请。

在本实施例中，在每一帧广播信息内主节点仅允许一个从节点的入网申请，若在同一帧的随机接入时隙中收到不止一个从节点的入网申请，主节点随机选取一个从节点在下一帧内入网，并改变存储在广播信息内的在网从节点信息，在下一帧发送广播信息时更新新入网的从节点信息(例如MAC地址等)以及分配给该从节点参与通信的时隙。

在其他实施例中，主节点也可以根据从节点的MAC地址或噪音等信息在一个帧内选择从节点入网。

在S10、主节点发送广播信息与从节点通信之前，还包括：

如图3所示，S01、设备开机，接收广播信息；设备开机后，由于刚开机的设备不知道现在是否已经有现成的网络，因此需要首先判断是否有现成的网络，判断依据为是否能收到主节点在发送广播信息。

S02、若该设备能接收到广播信息，则证明已经有现成的网络，则设备判断自己为从节点，并执行S03以申请加入已有的网络；若该设备经过若干个周期未接收到广播信息，则判断不存在已经有现成的网络存在，设备判断自己为主节点，并执行S10。

S03、从节点发送入网请求；从节点发送入网请求后等待主节点发送的广播信息，从节点根据收到的广播信息判断是否已经成功入网，判断成功入网的标志为主节点发送的广播信息中是否包括有该从节点的信息，若广播信息中包含该从节点的信息，则意味着从节点已入网，则在下一帧广播信息内该从节点与主节点通信；若因为在一帧内申请入网的从节点大于一个，而主节点每次只允许一个从节点入网，而导致未成功入网，返回执行S03再次发送入网请求申请入网。

如图5所示，在不同节点数量的情况下，通过本申请提供的动态调整帧结构的自组网方法进行组网的传输效率在不同节点数不同的情况下均较现有技术的固定帧传输效率较高，在节点数量较少时，由于一帧内的固定信道相对可变信道的较长，因此传输效率相对于节点数较多时低，但仍高于固定帧结构的传输效率。

如图6所示，在不同节点数量的情况下，通过本申请提供的动态调整帧结构的自组网方法进行组网的延迟在节点数小于11时较固定帧较低，在节点数较少时，由于固定帧结构不能根据不同节点数灵活调整每一帧的结构，因此节点数较少时帧内有较多的时间处于空置等待的状态，帧内时间利用率较低，对于每一个节点来说，固定帧结构时每个节点的延迟与节点数无关，每个节点的延迟与网络内的节点数无关。本申请的动态调整帧结构的自组网方法，在节点数较少时，可变信道根据网络内的从节点数量相应缩短，因此各个节点的延迟能够降低，随着网络内的从节点数量逐渐增加，可变信道逐渐边长，各从节点需要等待的时间变长，因此各节点的延迟变长，而随着节点数量增加超过固定节点网络的数量上限时，固定节点网络便不再允许新节点入网，而可变从节点网络仍允许新节点加入。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种动态调整帧结构的自组网方法，其特征在于，所述自组网方法包括以下步骤：

S10、主节点发送当前帧的广播信息，所述广播信息包括固定信道和可变信道，所述可变信道的长度根据网络内的从节点数量调整；

其中，当前帧的所述固定信道包含下一帧参与通信的所述从节点信息以及分配给各个所述从节点的通信时隙；

S20、判断是否有从节点需要变更，若有，执行S30；若没有，重复执行S20，直至当前帧结束，在下一帧时返回执行S10；

S30、调整下一帧需要入网或退网的从节点，根据调整后的所述从节点的数量以及顺序调整下一帧主节点发送的所述广播信息，在下一帧时再次执行S10-S20。

2.如权利要求1所述的动态调整帧结构的自组网方法，其特征在于，所述固定信道包括广播信道和随机接入时隙，所述广播信道位于所述可变信道之前，所述随机接入时隙位于所述可变信道之后。

3.如权利要求2所述的动态调整帧结构的自组网方法，其特征在于，在所述随机接入时隙，所述主节点接收来自未入网从节点的入网请求。

4.如权利要求1所述的动态调整帧结构的自组网方法，其特征在于，所述可变信道的长度为网络内的所述从节点的数量和分配给每个所述从节点时隙长度之积。

5.如权利要求1所述的动态调整帧结构的自组网方法，其特征在于，步骤S20、判断是否有从节点需要变更包括：

S201、判断是否收到所述从节点的入网申请；

S202、若收到所述入网申请，则允许一未入网的所述从节点入网。

6.如权利要求5所述的动态调整帧结构的自组网方法，其特征在于，步骤S20、判断是否有从节点需要变更还包括：

S203、判断是否有所述从节点经过若干帧未与所述主节点通信；

S204、若存在经过若干帧未与所述主节点通信的退网从节点，删除所述退网从节点。

7.如权利要求5所述的动态调整帧结构的自组网方法，其特征在于，若所述主节点在一帧内同时接到多个从节点的入网申请，所述主节点随机选取一个所述从节点在下一帧入网。

8.如权利要求1所述的动态调整帧结构的自组网方法，其特征在于，在S10、主节点发送广播信息与从节点通信之前，还包括：

S01、设备开机，接收所述广播信息；

S02、若接收到所述广播信息，则所述设备判断为从节点，并执行S03；

若未接收到所述广播信息，则所述设备判断为主节点，并执行S10；

S03、所述从节点发送入网请求；所述从节点根据收到的广播信息判断是否已经成功入网，若已入网，则在下一帧所述广播信息内与所述主节点通信；若未入网，返回执行S03。

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