一种快速动态时隙申请方法及多信道电台

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种快速动态时隙申请方法及多信道电台。

基于单信道的Ad hoc网络信道接入协议用于只有一个共享信道Ad hoc网络。所有的控制分组和数据分组都在同一个信道上发送和接收。受传播时延、隐藏终端和节点移动等因素的影响，单信道在Ad hoc网络中有可能发生控制分组之间、控制分组和数据分组和数据分组之间的冲突。单信道接入协议在网络负载比较重时，由于冲突和退避造成了信道带宽的巨大浪费。

目前采用信道分割技术，把信道分成数据信道和控制信道，避免数据信息和控制信息之间的冲突。基于双信道的Ad hoc网络接入协议用于有两个共享信道的Ad hoc网络。为实现信道多跳共享，需设计适应Ad hoc网络的信道接入协议，即DCMA(Dual ChannelMultiple Access)。DCMA使用两个信道：数据信道和控制信道。

但是由于隐藏终端以及暴露终端的问题，时隙申请报文必须在两跳范围内处理，需要五个过程：预留申请阶段，碰撞报告阶段，预留确认阶段，预留应答阶段。时隙申请的收敛速度变慢，组网性能也将收到影响。因此本发明提供一种时隙申请速度快的快速动态时隙申请方法及多信道电台。

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的动态时隙申请时，收敛速度慢的技术问题。提供一种新的快速动态时隙申请方法，该快速动态时隙申请方法具有收敛速度快的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种快速动态时隙申请方法，所述快速动态时隙申请方法基于TDMA，包括：

步骤一，为每个节点分配固定的控制时隙以及数据时隙，节点在控制时隙发送时隙申请报文，在每个节点的控制时隙后，为所有节点都分配一个数据时隙，在下一个节点发送时隙申请报文之前，通过占用数据时隙，转发时隙申请报文，同时根据节点规模，调整帧结构；

步骤二，采用MPR选举算法选举出中继节点，MPR选举的原则是保证时隙申请报文可以传达到源发节点整个两跳范围，将MPR表置于时隙申请报文中；

步骤三，一跳节点接收到时隙申请报文之后，通过MPR表判断自身节点是否为源发报文的中继节点，是则占用自身最近的数据时隙转发时隙申请报文；

步骤四，所有节点接收到时隙申请报文之后，如果自身占用了冲突的数据时隙，则放弃冲突的数据时隙。

本发明中：首先，TDMA算法对于信道的复用率非常低，而传统的DTDMA，仅通过控制时隙交互Hello报文、时隙申请报文等控制报文，如果控制时隙分配过多，则会占用数据传输的信道；如果控制时隙分配过少，则满足不了时隙申请信息交互的开销。其次，由于隐藏终端以及暴露终端的问题，时隙申请报文必须在两跳范围内处理，需要五个过程：预留申请阶段，碰撞报告阶段，预留确认阶段，预留应答阶段。时隙申请的收敛速度变慢，组网性能也将收到影响。

本发明在每个节点的控制时隙后，为所有节点分配数据时隙，在下一个节点发送时隙申请报文之前，占用数据时隙，发送控制报文，而两跳节点还是处于数据时隙、收状态，通过wmac驱动层进行报文类型识别，将时隙申请报文给到信道接入控制模块，实现快速收敛的效果。

上述方案中，为优化，进一步地，步骤一包括定义节点规模为n，所述帧结构为每帧包含复帧F0-Fn-1，复帧包含n+5个时隙，按照控制时隙、第一种数据时隙、第二种数据时隙、第一种数据时隙排列；其中第二种数据时隙为n个，平等分配给节点1至节点n；

第一种数据时隙为各节点在控制时隙前后，预留发送、处理时隙申请报文的缓冲时间，仅能用于业务数据的交互；

节点入网时在每一帧第二种数据时隙中申请1个固定时隙为节点i的主时隙，主时隙用于申请业务数据的交互、本节点占用用以转发时隙申请报文及其他控制报文。

进一步地，步骤二包括：

步骤(1)，通过Hello报文，统计节点所有两跳范围内邻居构成的邻居节点表集合；

步骤(2)，一次判断邻居节点表集合中的所有节点是否为中继节点，如果判断节点i是否为中继节点，即将除节点i外的所有节点与节点i邻居节点表不同的邻居节点做相或运算，能够到达的所有两跳节点，不等于所有两跳范围内邻居节点则定义节点i为中继节点，定义其他与节点i邻居节点表相同的节点不是中继节点。

进一步地，步骤三还包括：节点收到新的时隙申请报文时，判断出申请报文所申请的时隙与自身抢占的时隙冲突时，放弃自身占用的时隙，以就近原则分配时隙。

进一步地，步骤三包括：当节点规模过大时，可将节点设置为至少2个分，每个分设置一个网关，通过网关进行跨分的报文交互，每个分设置不同的频点。

本发明还提供一种多信道电台，所述多信道电台使用前述最优的快速动态时隙申请方法，多信道电台包括：

无线基带处理单元，与无线基带处理单元通过SPI接口连接的作为网关的WMAC硬件适配单元，与WMAC硬件适配单元通过AXI接口连接的WMAC驱动单元，与WMAC驱动单元交互的TCP/IP单元，TCP/IP单元连接主控和OLSR路由，主控包括本地控制单元和无线控制单元；

所述TCP/IP单元用于IP转发，所述主控包括本地控制单元和无线控制单元，本地控制单元产生本地控制报文，无线控制单元产生无线控制报文和无线数据报文；

WMAC驱动单元用于与TCP/IP接口的以太网帧格式、用于收发缓存和级联传输的SLIP封装、与WMAC硬件适配接口的无线帧格式之间的转换以及报文类型判断。

本发明的有益效果：本发明在每个节点的控制时隙后，为每个节点分配数据时隙，在下一个节点发送时隙申请报文之前，占用数据时隙，发送控制报文，而两跳节点还是处于数据时隙、收状态，通过报文类型识别，将时隙申请报文给到信道接入控制模块，实现快速收敛。在不同的分内，设置不同的频点，独占该信道，防止其他信道干扰；并且，同时在一个大型规模的组网中，不受硬件限制，设置多个频点，使用多个信道。在分之间，配置不同的网段、以及网关，通过以太网口，用有线交互不同分的报文。对于同一分内的单信道，可以设置不同的信道接入方式。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，帧结构示意图。

图2，MPR算法示意图。

图3，分示意图。

图4，多信道电台示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种快速动态时隙申请方法，所述快速动态时隙申请方法基于TDMA，包括：

步骤一，为每个节点分配固定的控制时隙以及数据时隙，节点在控制时隙发送时隙申请报文，在每个节点的控制时隙后，为所有节点都分配一个数据时隙，在下一个节点发送时隙申请报文之前，通过占用数据时隙，转发时隙申请报文，同时根据节点规模，调整帧结构；

步骤二，采用MPR选举算法选举出中继节点，MPR选举的原则是保证时隙申请报文可以传达到源发节点整个两跳范围，将MPR表置于时隙申请报文中；

步骤三，一跳节点接收到时隙申请报文之后，通过MPR表判断自身节点是否为源发报文的中继节点，是则占用自身最近的数据时隙转发时隙申请报文；

步骤四，所有节点接收到时隙申请报文之后，如果自身占用了冲突的数据时隙，则放弃冲突的数据时隙。

具体地，步骤一包括定义节点规模为n，所述帧结构为每帧包含复帧F0-Fn-1，复帧包含n+5个时隙，按照控制时隙、第一种数据时隙、第二种数据时隙、第一种数据时隙排列；其中第二种数据时隙为n个，平等分配给节点1至节点n；

第一种数据时隙为各节点在控制时隙前后，预留发送、处理时隙申请报文的缓冲时间，仅能用于业务数据的交互；

节点入网时在每一帧第二种数据时隙中申请1个固定时隙为节点i的主时隙，主时隙用于申请业务数据的交互、本节点占用、用以转发时隙申请报文及其他控制报文。

如图1，以节点规模n＝8为例，第一种数据时隙为数据时隙A，第二种数据时隙为数据时隙B。

数据时隙A包括时隙D0，D1，D10，D11，共4*n个时隙。为各节点在控制时隙前后，预留发送、处理时隙申请报文的缓冲时间，只能用于业务数据的交互。

数据时隙B的数量与节点规模相同，为了保证所有节点都能购分配数据时隙。务数据时隙B的时隙编号D2～D9，共8*n个时隙。节点入网时，在每一帧的数据时隙B申请1个固定时隙，为节点i的主时隙。主要用于申请业务数据的交互。同时，也可以本节点占用，用以转发时隙申请报文，或者其他控制报文。必须保证每个控制时隙之后，所有节点都分配一个可发送的数据时隙。数据时隙，后续根据流量动态调整，是根据站号i，每个节点在数据时隙A以及数据时隙B都分配主节点。数据时隙A，发端发送控制报文后，需要预留2个时隙处理，然后根据MPR表，判断自己是否是中继节点，如果是占用自身数据时隙转发时隙控制报文。在数据时隙B转发完成后，给下个节点预留2个时隙，计算自己要申请的时隙。

数据时隙B计算seq＝站号，将B区的数据时隙，一次分配给seq为1，2,3…8的站号，此处，站号为节点号。

在控制时隙中，发送时隙申请报文。在下个节点开始发送时隙申请报文之前，通知所有两跳范围内节点。时隙申请的过程：首先，统计节点存储的两跳范围内所有未占用时隙，根据流量统计，按序号取为占用的时隙。然后，选取中继转发节点，确保所有两跳邻居可以接收到本节点的时隙表。一跳节点根据MPR表，判断自己是否是中继节点，在自身数据时隙转发时隙申请报文。转发完成后，从下个控制时隙开始，时隙便抢占成功。

如图2，使用MPR算法自己是否是中继节点，具体为：步骤(1)，通过Hello报文，统计节点所有两跳范围内邻居构成的邻居节点表集合；

步骤(2)，一次判断邻居节点表集合中的所有节点是否为中继节点，如果判断节点i是否为中继节点，即将除节点i外的所有节点与节点i邻居节点表不同的邻居节点做相或运算，能够到达的所有两跳节点，不等于所有两跳范围内邻居节点则定义节点i为中继节点，定义其他与节点i邻居节点表相同的节点不是中继节点。

如果节点收到新的时隙申请报文时，判断出申请报文所申请的时隙与自身抢占的时隙冲突时，放弃自身占用的时隙，以就近原则分配时隙。

上述时隙申请方式，仅适用与节点规模比较小的组网。当组网节点规模大于，比如大于16时，可每个分设置一个网关，通过网关，进行跨的报文交互。每个分设置不同的频点。在不增加硬件成本的情况下，实现多信道。

具体地，如图3，可以将节点设置为至少2个分，每个分设置一个网关，通过网关进行跨分的报文交互，每个分设置不同的频点。A将发射频点设置为320，网关为1号节点。B将发射频点设为370，网关为2号节点。即使A中与B中处在部分节点属于一跳范围内，都可以独立为不通的自治域。

对应地，如图4，本发明还提供一种多信道电台，所述多信道电台使用前述最优的快速动态时隙申请方法，多信道电台包括：

无线基带处理单元，与无线基带处理单元通过SPI接口连接的作为网关的WMAC硬件适配单元，与WMAC硬件适配单元通过AXI接口连接的WMAC驱动单元，与WMAC驱动单元交互的TCP/IP单元，TCP/IP单元连接主控和OLSR路由，主控包括本地控制单元和无线控制单元；

所述TCP/IP单元用于IP转发数据，所述主控包括本地控制单元和无线控制单元，本地控制单元产生本地控制报文，无线控制单元产生无线控制报文和无线数据报文；

WMAC驱动单元用于与TCP/IP接口的以太网帧格式、用于收发缓存和级联传输的SLIP封装、与WMAC硬件适配接口的无线帧格式之间的转换以及报文类型判断。

本地控制报文、无线控制报文、无线数据报文(OLSR路由控制报文、IP转发数据报文)均可通过IP与WMAC接口交互。

WMAC驱动采单元用Platform方式构建虚拟无线网卡，对上为IP层提供标准函数接口，对下通过AXI读写控制和WMAC硬件适配模块，主要实现报文封装和级联处理、报文收发缓存、流量检测和中断处理。

本实施例的主控通过本地控制报文下发参数给WMAC驱动，WMAC驱动配置网关，将不属于本的报文转发至网关处。网关节点的WMAC驱动，建立静态路由，将报文转发至以太网口，而本报文，交由OLSR路由处理。

本实施例实现了快速时隙申请：根据节点规模，动态调整帧结构；MPR选举算法判断中继结点；在每个节点的控制时隙后，为每个节点分配数据时隙，在下一个节点发送时隙申请报文之前，占用数据时隙，发送控制报文，而两跳节点还是处于数据时隙、收状态，通过报文类型识别，将时隙申请报文给到信道接入控制模块。

本实施例优选的Ad hoc多信道分算法：在不同的分内，设置不同的频点，独占该信道，防止其他信道干扰；并且，同时在一个大型规模的组网中，不受硬件限制，设置多个频点，使用多个信道。在分之间，配置不同的网段、以及网关，通过千兆以太网口，用有线交互不同分的报文。对于同一分内的单信道，可以设置不同的信道接入方式。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。