CN117156563A - 一种适应高动态、强随机业务变化的信道资源接入分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种信道资源接入分配方法，包括：将一个时元时间划分为10个时帧，每个时帧划分为50个时隙；一个时帧中首部8个时隙划分为预分配控制时隙；尾部2个时隙划分为控制时隙；其余时隙划分为数据时隙；其中，节点按照节点编号顺序占用第1~4时帧中的预分配控制时隙，并逆序占用第6~9时帧中的预分配控制时隙；第5时帧和第10时帧中的预分配控制时隙用于节点随机入网、网络分裂与聚合和子网间通信；数据时隙根据节点传输数据量需求进行动态分配；控制时隙用于节点发送突发紧急数据。本发明在设计了动态时隙的分配、时钟同步机制及主站选举/失效后重新选举机制，在网节点可在一个时元内完成对时隙的动态申请和分配，保障严格的实时性要求。
Description
技术领域
本发明涉及多址接入技术领域，更具体地，涉及一种适应高动态、强随机业务变化的信道资源接入分配方法。
背景技术
受生物集群活动的启发，无人平台开始向集群方向发展。集群可以协同配合，同时处理多个目标，显著提升作战效能。但集群在执行任务中往往会遇到复杂地形环境及电磁环境，网络拓扑变化迅速，节点随时可能损毁或被遮蔽，造成通信链路不稳定。同时由于集群往往多个平台同时工作，信道竞争将严重影响网络性能，造成无人集群实时信息交互困难，无法发挥集群优势。加之无人平台运行速度很快，网络可能快速分裂成几个子网，若分裂后的网络拓扑无法及时更新，将严重影响任务执行。无人集群这些特性使得其对网络有着特殊需求，其信道接入协议应能满足业务实时性需求，并适应业务的强随机性和高动态变化。为满足这些需求，需解决时隙的实时动态分配、时钟同步以及子网与主站失联后，主站重新选举维护等三大难题。
因此，为保障无人集群任务顺利执行，需要针对无人通信实时性需求，设计能实时自动感知用户业务量变化，并能根据业务量变化申请或释放时隙的信道资源接入分配方式，同时设计时钟同步和主站选举机制，从而实现强随机和高动态业务的适应性。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种适应高动态、强随机业务变化的信道资源接入分配方法，在TDMA集中式时隙分配基础上，设计了动态时隙的分配、时钟同步机制及主站选举/失效后重新选举机制，并将控制时隙的占用顺序与各节点和主站的拓扑信息结合，在网节点可在一个时元内完成对时隙的动态申请和分配，保障严格的实时性要求。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种适应高动态、强随机业务变化的信道资源接入分配方法，包括：
将一个时元时间划分为10个时帧，每个时帧划分为50个时隙；
一个时帧中首部8个时隙划分为预分配控制时隙；尾部2个时隙划分为控制时隙；其余时隙划分为数据时隙；其中，
无人集群节点按照节点编号顺序占用第1~4时帧中的预分配控制时隙，并按照节点编号逆序占用第6~9时帧中的预分配控制时隙；第5时帧和第10时帧中的预分配控制时隙用于节点随机入网、网络分裂与聚合和子网间通信；
所述数据时隙根据节点传输数据量需求进行动态分配；
所述控制时隙用于节点发送突发紧急数据。
作为本发明的一种优选方案，所述数据时隙根据节点传输数据量需求进行动态分配，具体包括：
节点根据当前队列中数据量和当前传输速率计算需要的发送时隙数目，在自己的网控帧内向主站发送申请；主站收到所述申请后，在所述数据时隙中选择时隙分配给申请节点。
作为本发明的一种优选方案，所述主站收到所述申请后，在所述数据时隙中选择时隙分配给申请节点，具体包括：
如果所述数据时隙中存在空闲时隙，则分配给所述申请节点；
如果所述数据时隙中空闲时隙数不满足所述申请节点要求，则将占用时间超出第一阈值的时隙强制退出，分配给所述申请节点；如果所述数据时隙中不存在占用时间超出第一阈值的时隙，则不分配时隙，并反馈所述节点申请失败。
作为本发明的一种优选方案，节点和与该节点间隔三跳及以外的节点复用所述数据时隙或不复用所述数据时隙。
作为本发明的一种优选方案，还包括时隙的强制释放，所述时隙的强制释放，是在节点异常关机或未释放，且主站资源紧张时，在一定时间后将已分配的时隙强制释放。
作为本发明的一种优选方案，所述数据时隙中还包括2个预留数据时隙，用于发送急迫业务。
作为本发明的一种优选方案，还包括时钟同步，所述时钟同步包括用于同频子网融合时使全网同步的粗同步，和同一子网内部的精同步；
所述粗同步是FPGA捕获数据同步头后，触发CPU中断，CPU向前推算时隙起点，写入偏差值；
所述精同步是各节点入网后根据正向网控帧和反向网控帧进行校时，各节点向最末端的邻居节点校时，若末端有多个并列节点，则向编号最小的节点校时；各节点收到正向网控帧时，选择向梯度最小、编号最小的节点同步，并记录该节点编号；在收到该节点的反向网控帧时，完成测距校时。
作为本发明的一种优选方案，还包括主站重新选举，所述主站重新选举包括：
在主站被移除后，连续4个时元未收到主站网控帧，则节点进入子网分裂状态，该状态下节点按最后一次收到主站网控帧时的时隙表工作，占用反向网控帧时隙和数据时隙，不再发送正向网控帧；
启动每时元记数累加，初始值为1，如果记数值对6求余等于自身MAC地址尾数，则将该节点升为主站；
发送控制帧，期待其他节点向其入网，如果有节点入网，则进入工作状态；如果长时间无其他节点入网，则该节点再将自身改为从站侦听
按照本发明的第二个方面，还提供了一种适应高动态、强随机业务变化的信道资源接入分配设备，其包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行上述任一项所述方法的步骤。
按照本发明的第三个方面，还提供了一种存储介质，其存储有可由访问认证设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在访问认证设备上运行时，使得所述访问认证设备执行上述任一项所述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的一种适应高动态、强随机业务变化的信道资源接入分配方法，在TDMA集中式时隙分配基础上，设计了动态时隙的分配、时钟同步机制及主站选举/失效后重新选举机制，并将控制时隙的占用顺序与各节点和主站的拓扑信息结合，在网节点可在一个时元内完成对时隙的动态申请和分配，保障严格的实时性要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种适应高动态、强随机业务变化的信道资源接入分配方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种无人平台节点示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种无人平台节点示意图；
图4为本发明实施例提供的时钟同步的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1所示，作为本发明的第一实施例，提供了一种适应高动态、强随机业务变化的信道资源接入分配方法，其中，1个时元包含10个时帧，1个时帧包含50个时隙，每时隙长度1ms，整个时元长度为500ms。
每个时帧1～8时隙为预分配控制时隙，9～48时隙为数据时隙，49～50为控制时隙。从9~48时隙，即数据时隙中预留2个用于发送急迫业务，该业务无需申请时隙，采用随机发送方式。
对于预分配控制时隙，按照以下方法进行分配：
考虑到现有无人集群子网规模一般不超过32个，将每时帧的前8个时隙设为预留时隙，则4个时帧即可满足32个节点各获得1个预留时隙。同时，另占用4个时帧的8个预留时隙，按节点号逆序占用时隙，加快各节点到主站的发送流程。若网内节点数不足32，则依次循环占用对应的预留时隙，但要保障一次循环后即改变时隙占用顺序。
余下的2个时帧的16个控制时隙，4个时隙用于节点随机入网、4个时隙用于网络分裂与聚合，另8个时隙可与其他子网共用，每个子网允许2个节点进行子网间通信，最多可实现4个子网间通信。
对于数据时隙，按照以下方法进行分配：
动态时隙每帧40个，根据节点传输数据量需求进行动态分配。节点根据当前队列中数据量和当前传输速率计算需要的发送时隙数目，随后在自己的网控帧内向主站发送申请。主站收到网内节点时隙申请后，在动态时隙池中选择时隙分配给申请节点。主站可选择三跳外复用时隙或不复用时隙，该选项可由网管配置。
分配原则：如果当前时隙池中存在空闲时隙，则分配给申请节点。如当前空闲时隙数不满足申请节点要求，则将占用时间超出一定阈值的时隙强制退出，分配给新申请节点。如果无该类时隙，则不分配时隙。申请节点收到网控帧，解析后即可知悉是否申请成功。
节点也可以根据当前队列排队长度，决定释放时隙数目。如果节点异常关机或未释放，则主站在资源紧张时，可在一定时间后将之前分配的时隙强制释放。
对于控制时隙，按照以下方法进行分配：
由于动态时隙申请需经历至少1个时元周期，即500ms，对于突发紧急数据无法接受。因此将每时帧的最后两个时隙（即49~50时隙）设置为随机接入时隙，用于节点发送紧急数据。当节点有紧急数据发送时，其从两个时隙中任意选择一个发送。设置两个的目的是避免同时发送造成干扰。
以图2所示的无人平台节点为例，时隙分配可以按照如下方式进行具体分配：
第1～4时帧的前8个时隙按无人平台节点数N（N≤32）为单位顺序复用。其中，节点1占用第1时帧第1个时隙；节点2、5为其1跳节点，占用第1时帧第2、3个时隙；节点3、6为其2跳节点，占用第1时帧第4、5个时隙；节点4、7、8占用第1时帧第6、7、8个时隙；节点9占用第2时帧第1个时隙。依次类推，对距节点1相同跳数节点，按节点编号从小到大顺序占用时隙。
第6～9时帧前8个时隙按无人平台节点数N（N≤32）为单位逆序复用。其中，节点9占用第6时帧第1个时隙；节点4、7、8占用第6时帧第2、3、4个时隙；节点3、6占用第6时帧第5、6个时隙；节点2、5占用第6时帧第7、8个时隙；节点1占用第7时帧第1时隙。
第5时帧的1～4时隙用于节点随机入网，5～8时隙用于网络的分裂与聚合。
第10时帧的1～8时隙用于子网间通信，第1～2时隙分配子网1的2个节点，第3～4时隙分配子网2的2个节点，第5～6时隙分配子网3的2个节点，第7～8时隙分配子网4的2个节点。
以图3所示的无人平台节点为例，时隙分配还可以按照如下方式分配：
节点2与节点5间隔三跳，二者可复用时隙。但节点2，4为二跳邻居，不能复用时隙，否则节点3将同时收到节点2，4数据造成干扰。节点2也可选择其4跳节点7/8进行时隙复用。
进一步地，本实施例中还包括时钟同步，时钟同步包括粗同步和精同步两个步骤。粗同步时不考虑距离引入的延时，假设距离延时为零，仅用于室内环境。FPGA捕获数据同步头后，触发CPU中断，CPU向前推算时隙起点，写入偏差值，偏差值包含了同步字段长度、CPU处理时间补偿等。粗同步在同一子网内偏差不大，但在同频子网融合时，同频工作的不同子网间时隙偏差较大，主站编号大的子网向主站编号小的子网融合，以使得全网达成同步。精同步包括各节点入网后根据正向网控帧和反向网控帧进行校时，各节点向最末端的邻居节点校时，若末端有多个并列节点，则向编号最小的节点校时。各节点收到正向网控帧时，选择向梯度最小、编号最小的节点同步，并记录该节点编号。在收到该节点的反向网控帧时，即可完成测距校时。
以图4为例，节点A、B互为一跳邻居节点，其中A节点离主站更近。设B收到A记数为M，A收到B记数为N，显然二者时隙偏差为|M-N|/2。两个节点时隙对准后，A统计收到B的时延和B统计收到A的时延相差不大于10微秒，以上对准为渐进过程。若B更靠近主站，B统计收到A的时刻M，A中包含收到B的时刻N，如果Z=|M-N|>10则按Z/2调整时隙，历经2轮后即可对准。
各节点在向主站发送信息时，在一跳邻居节点表中附带对各邻居节点的时隙校准值，其他点收到后根据该值调整自身时隙起点。节点A收到邻居节点B发送的网控帧后，如果节点B更靠近主站，且B为其初始同步节点，则提取B“各邻居节点距离时延”对A进行同步。若节点B移走，则下次同步时，遍历所有比A更靠近主站的邻居节点，选取其中最靠近主站节点进行同步校准。
进一步地，本实施例中还包括主站重新选举。在主站被移除后，连续4个时元未收到主站网控帧，则节点进入子网分裂状态，该状态下节点按最后一次收到主站网控帧时的时隙表工作，占用反向网控帧时隙和数据时隙，不再发送正向网控帧。并启动每时元记数累加，初始值为1，如果记数值对6求余等于自身MAC地址尾数（MAC地址为6时求余结果为0），则将该节点升为主站。发送控制帧，期待其他节点向其入网，如果有节点入网，则进入工作状态；如果长时间无其他节点入网，则该节点再将自身改为从站侦听。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、DVD、CD-ROM、微型驱动器以及磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统（包括分子存储器IC），或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适应高动态、强随机业务变化的信道资源接入分配方法，其特征在于：
将一个时元时间划分为10个时帧，每个时帧划分为50个时隙；
一个时帧中首部8个时隙划分为预分配控制时隙；尾部2个时隙划分为控制时隙；其余时隙划分为数据时隙；其中，
无人集群节点按照节点编号顺序占用第1~4时帧中的预分配控制时隙，并按照节点编号逆序占用第6~9时帧中的预分配控制时隙；第5时帧和第10时帧中的预分配控制时隙用于节点随机入网、网络分裂与聚合和子网间通信；
所述数据时隙根据节点传输数据量需求进行动态分配；
所述控制时隙用于节点发送突发紧急数据。
2.如权利要求1所述的信道资源接入分配方法，其特征在于：
所述数据时隙根据节点传输数据量需求进行动态分配，具体包括：
节点根据当前队列中数据量和当前传输速率计算需要的发送时隙数目，在自己的网控帧内向主站发送申请；主站收到所述申请后，在所述数据时隙中选择时隙分配给申请节点。
3.如权利要求2所述的信道资源接入分配方法，其特征在于：
所述主站收到所述申请后，在所述数据时隙中选择时隙分配给申请节点，具体包括：
如果所述数据时隙中存在空闲时隙，则分配给所述申请节点；
如果所述数据时隙中空闲时隙数不满足所述申请节点要求，则将占用时间超出第一阈值的时隙强制退出，分配给所述申请节点；如果所述数据时隙中不存在占用时间超出第一阈值的时隙，则不分配时隙，并反馈所述节点申请失败。
4.如权利要求3所述的信道资源接入分配方法，其特征在于：
节点和与该节点间隔三跳及以外的节点复用所述数据时隙或不复用所述数据时隙。
5.如权利要求3所述的信道资源接入分配方法，其特征在于：
还包括时隙的强制释放，所述时隙的强制释放，是在节点异常关机或未释放，且主站资源紧张时，在一定时间后将已分配的时隙强制释放。
6.如权利要求1所述的信道资源接入分配方法，其特征在于：
所述数据时隙中还包括2个预留数据时隙，用于发送急迫业务。
7.如权利要求1所述的信道资源接入分配方法，其特征在于：
还包括时钟同步，所述时钟同步包括用于同频子网融合时使全网同步的粗同步，和同一子网内部的精同步；
所述粗同步是FPGA捕获数据同步头后，触发CPU中断，CPU向前推算时隙起点，写入偏差值；
所述精同步是各节点入网后根据正向网控帧和反向网控帧进行校时，各节点向最末端的邻居节点校时，若末端有多个并列节点，则向编号最小的节点校时；各节点收到正向网控帧时，选择向梯度最小、编号最小的节点同步，并记录该节点编号；在收到该节点的反向网控帧时，完成测距校时。
8.如权利要求1所述的信道资源接入分配方法，其特征在于：
还包括主站重新选举，所述主站重新选举包括：
在主站被移除后，连续4个时元未收到主站网控帧，则节点进入子网分裂状态，该状态下节点按最后一次收到主站网控帧时的时隙表工作，占用反向网控帧时隙和数据时隙，不再发送正向网控帧；
启动每时元记数累加，初始值为1，如果记数值对6求余等于自身MAC地址尾数，则将该节点升为主站；
发送控制帧，期待其他节点向其入网，如果有节点入网，则进入工作状态；如果长时间无其他节点入网，则该节点再将自身改为从站侦听。
9.一种适应高动态、强随机业务变化的信道资源接入分配设备，其特征在于，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行权利要求1～8任一项所述方法的步骤。
10.一种存储介质，其特征在于，其存储有可由访问认证设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在访问认证设备上运行时，使得所述访问认证设备执行权利要求1～8任一项所述方法的步骤。
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- 2023-08-17 CN CN202311037909.XA patent/CN117156563B/zh active Active
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| CN117792559B (zh) * | 2024-02-28 | 2024-05-28 | 深圳市瑞天激光有限公司 | 一种基于时隙分配的数据传输方法、装置及系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117156563B (zh) | 2024-03-19 |
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