基于TDMA的组网方法与流程

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于tdma的组网方法。

背景技术：

随着现代战争科技化水平的不断提高，对于武器系统的协同作战能力提出了更高的要求，各作战单元之间应该能够进行作战信息分发共享，实时监视战场态势，统一协调战斗行动，加强整体作战效能。而这主要依赖于武器系统间的通信网络。对于弹间组网数据链，是战术导弹武器实现战场态势共享、目标在线装订、在线任务规划和协同侦察打击的信息纽带。

组网常用的多址技术，一般为频分复用(fdma)、码分多址(cdma)和时分多址(tdma)三种。fdma是指将给定的频谱资源划分为若干个频道，供不同用户使用。fdma设备需要多路信道，一般规模较大。cdma是指以扩频信号为基础，利用不同码型实现不同用户的信息传输。cdma多用户之间存在多址干扰，且一般存在远近效应的问题不易解决。tdma是指把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个不重叠的时隙，各个用户占用不同的时隙传输数据内容。其他还有随机多址等方式，一般时延较大。

对于弹间组网，如何满足这一应用场景高机动、高实时性、低时延、高可靠性的实际需求仍是目前亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种基于tdma的组网方法，以满足上述需求。

本发明实施例提供了一种基于tdma的组网方法，包括：

以全联通方式构建网络拓扑结构，网络中任意节点之间可直接通信；

将网络中各节点分为主节点和从节点；

将tdma时帧划分为多个时隙，包括：固定分配时隙，由主节点占用；动态分配时隙，由主节点将其动态分配给其他节点使用。

进一步地，所述网络的工作模式包括：

网络建立模式，主节点在固定分配时隙进行入网广播以及网络管理，按照从节点的地址为其分配所述动态分配时隙作为入网时隙。

网络传输模式，主节点在固定分配时隙进行入网广播、周期性数据传输、以及网络管理，根据在网从节点数量和/或网络负载情况为从节点分配所述动态分配时隙。

进一步地，所述网络中只有一个主节点，其他为从节点。

进一步地，所述主节点作为ntr节点，所述从节点为非ntr节点。

进一步地，所述主/从节点能够根据外部指令进行转换。

进一步地，若主节点丢失，则从其他节点中选择一个节点作为新的主节点。

进一步地，按照节点地址从小到大或从大到小的顺序依次选取。

进一步地，若多个网络汇聚发生多个主节点冲突，则从多个主节点中选择一个作为新的主节点。

进一步地，按照节点地址较小或较大的原则选取。

进一步地，所述将tdma时帧划分为多个时隙还包括：专用入网时隙，不在网节点通过该时隙发出入网申请。

进一步地，网络中节点通过发送退网申请来退出网络。

进一步地，所述网络采用自适应调频技术，调频图案采用蓝牙协议的设置。

进一步地，所述将tdma时帧划分为多个时隙还包括：静默时隙，在该时隙进行频谱分析，并剔除干扰频点。

进一步地，通过md5散列算法对提出入网申请的不在网节点进行身份鉴别。

进一步地，对于突发性数据，接收方向发送方反馈是否成功接收，若未成功接收则重发。

进一步地，所述网络的网络时间同步方法包括：

ntr节点传送tod信息高位；

各从节点入网；

由ntr节点计算各非ntr节点的传播时延并通知各非ntr节点；

各非ntr节点在收到所述传播时延后进行全网时间同步。

进一步地，传输数据时发送方发送同步信息帧，接收方根据同步信息帧与发送方进行同步。

进一步地，所述组网方法用于弹间组网。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用全联通型的网络拓扑结构，任意节点之间都可以直接通信，避免多跳信号传输和数据中继，且可以省去网络路由的维护和管理，降低了链路的时延和系统的复杂度。

(2)本发明通过划分不同的工作模式，采用时分多址和随机接入相结合，避免了多用户同时接入时的碰撞问题，使各从节点不必躲避退后等待，从而有效加快网络建立的过程。

(3)本发明通过自动检测和推举的方法，支持自适应拓扑重构，且可以工作在分割网络汇聚后的场景，网络的适应性和健壮性强。

(4)本发明采用自适应跳频及实时干扰检测技术，可以有效避免无意和有意干扰，抗干扰和抗截获能力强。结合进行身份鉴别，提高系统的抗介入能力。

(5)本发明对于待传输的重要数据，采用确认和重传机制，有效保证数据传输的可靠性，同时由于限定重传次数，可以避免网络拥塞瘫痪。

(6)本发明在网络时间同步方法上，首先ntr节点传送tod信息高位，然后各从节点入网，由ntr节点计算各非ntr节点的传播时延，各非ntr节点接收到传播时延之后，进行全网时间同步。在数据传输时，由发送方发送同步信息帧，各个接收方根据同步信息帧中的特征字进行捕获，从而达到与发送方同步。在发送方和接收方之间无需进行严格的时间同步，方法简单可靠。

(7)本发明可用于弹间组网，能够满足这一应用场景高机动、高实时性、低时延、高可靠性的实际需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例所述的基于tdma的组网方法的流程图；

图2是本发明中的时帧定义图；

图3是本发明中的时帧划分为多个时隙的结构图；

图4是本发明中身份验证时采用的md5算法流程图；

图5是本发明中不在网节点的入网流程图；

图6是本发明中为在网从节点动态分配时隙的流程图；

图7是本发明中tod突发帧数据结构的示例性定义。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1是本发明实施例所述的基于tdma的组网方法的流程图，如图1所示，所述组网方法包括：

s1、以全联通方式构建网络拓扑结构，网络中任意节点之间可直接通信；

本发明所提出的组网方法，其网络拓扑结构为全联通连接，即任意节点之间都可以相互直接通信，避免了由多级不同深度的节点所构成的网络中通常出现的依赖多跳信号进行传输和数据中继现象，极大提高了数据传输效率和信号衰减，而且还可以省去复杂的网络路由维护和管理工作。该网络结构简洁方便，效率很高。

s2、将网络中各节点分为主节点和从节点；

网络中通常存在众多的节点，为了便于管理，本发明将网络中的节点分为主节点和从节点，其中，主节点负责管理整个网络的创建和通信，而且还负责对网络中的各个从节点的入网/退网/以及节点之间的通信进行管理。可根据实际需要设置主节点的具体数量。

s3、将tdma时帧划分为多个时隙，包括：固定分配时隙，由主节点占用；动态分配时隙，由主节点将其动态分配给其他节点使用。

本发明是基于时分多址技术(tdma)所提出的组网方法，tdma最基本的内容就是对时帧如何划分的问题。本实施例中将tdma时帧划分为多个时隙，其中包括固定分配时隙和动态分配时隙。所述固定分配时隙由主节点占用，所述动态分配时隙则由主节点将其动态分配给其他节点使用。可参见图2(b)所示，给出了时帧划分的一种示例性图示。其中，时隙ts1、ts9、ts17、ts25、以及ts31为供主节点使用的固定分配时隙；而其他时隙ts2～ts8、ts10～ts16、ts18～ts24、ts26～ts29则作为动态分配时隙，可由主节点将其动态分配给其他节点使用。

网络从建立到运行通常需要经历两个阶段，即网络建立阶段和网络使用(网络传输)阶段，这两个阶段网络通常会处于不同的工作模式。为了进一步地描述网络在上述两个不同阶段的工作机制，将所述网络的工作模式也相应地分为两种，即网络建立模式和网络传输模式。其中，在所述网络建立模式下，主节点在为其分配的固定分配时隙进行入网广播以及网络管理工作，可以按照网络中各从节点的地址为各自分配所述动态分配时隙作为其入网时隙，各从节点在该时隙中发出入网申请。另外，在所述网络传输模式下，主节点在固定分配时隙进行入网广播、周期性数据传输、以及网络管理工作，可以根据在网从节点数量为从节点分配所述动态分配时隙，此外，也可以参考当时的网络负载情况，并结合在网节点数量来为从节点分配所述动态分配时隙。本发明通过划分不同的工作模式，采用时分多址和随机接入相结合，避免了多用户同时接入时的碰撞问题，使各从节点不必躲避退后等待，从而有效加快网络建立的过程。

为了便于网络管理并提高处理效率，将所述网络中设置为只有一个主节点，并由该节点承担这个网络的管理工作，其他节点均为从节点。这种单中心的方式相对于多中心的网络而言，极大地简化了网络结构，相应的网络管理操作也大幅度地降低了。

网络时钟(networktimereference(ntr))同步管理是保证网络正常运行的一项基本功能，根据本发明的上述设置，继续由主节点，承担ntr相关管理操作，作为ntr节点，而其他从节点则作为非ntr节点。

上述对主/从节点的设定是根据实际需要设置的，当然，所述主/从节点的角色也可以根据外部发出的指令进行切换，即主节点可以根据特定的指令转换成从节点，不再承担主节点相应的管理功能；而从节点也可以根据相应的指示转换为主节点，并负责对网络的管理，相应地，各自的工作时隙也随着角色的改变而发生变化，具体可参见前面的记载，此处不再赘述。

任何网络在运行过程中都可能会存在这样那样的错误，严重的甚至会导致整个网络的瘫痪。容错管理是网络设计中不可忽视的一个方面。对于本发明所提出的上述网络而言，如何在发生问题时能够自动及时地进行网络拓扑重构是非常重要的。例如，如果网络中的主节点宕机或失效则会导致网络中失去了管理者，必然无法继续运行。为了预防和克服这一潜在的问题，如果发生主节点丢失的情况，则可以从其他节点中选择一个节点作为新的主节点,并由该新主节点承担已丢失主节点的网络管理工作，从而维持整个网络能够继续正常运行。具体地，可以按照节点地址从小到大或从大到小的顺序依次选取，排在最前面的作为新的主节点。需要说明的是，该选择方式仅仅是示例性的，选择新主节点的方式可以根据管理需要、网络的实际情况等合理选择，本发明对此不作限定。

另外，一个较大的网络有时候会由于场景分割而产生多个较小规模的子网络，每个所产生的子网络都是一个完整的网络，也就是说，其中都具有相应的主节点。当这样的多个子网络再次汇聚在一起时，会导致新形成的网络中出现多个主节点，不满足本发明所提出的一个网络中只能有一个主节点的规范，进而导致网络管理出现混乱以至于可能无法正常运行。当发生多个主节点冲突时，需要从多个主节点中选择一个作为新的主节点，即明确一个新的管理节点，从而消除上述多方管理的混乱局面。具体地，可以按照节点地址较小或较大的原则选取，排在最前面的作为新的主节点。需要说明的是，该选择方式仅仅是示例性的，选择新主节点的方式可以根据管理需要、网络的实际情况等合理选择，本发明对此不作限定。本发明通过自动检测和推举的方法，支持自适应拓扑重构，且可以工作在分割网络汇聚后的场景，网络的适应性和健壮性强。

进一步地，为了解决不在网节点申请加入网络的问题，本发明在将tdma时帧划分为多个时隙时，还可以进一步在前述划分方式的基础上再划分出一种专用入网时隙，可参见图2(a)和(b)所示，其中，图2(a)中的时隙ts2～ts8、ts10～ts16、ts18～ts24、ts26～ts30，以及图2(b)中的ts30可以作为专用入网时隙，供不在网节点通过该时隙发出入网申请。与入网相对应地，当网络中的节点想退出网络时，可以通过发送退网申请来退出网络。

关于本发明中对时帧的时隙划分，图3给出了一个具体的时隙结构示例，其中定义了各个不同时隙的长度和功能，在此不再赘述。需要指出的是，该图示仅仅是示例性的，在实际应用中可以根据实际需要和环境限制灵活划分，本发明对此不作过多的限定。

进一步地，本发明所述网络采用自适应调频技术，调频图案采用蓝牙协议算法中的相应设置。另外，为了减少干扰，本发明在将tdma时帧划分为多个时隙时，还可以进一步在前述划分方式的基础上再划分出一种静默时隙，可参见图2(a)和(b)所示，其中，时隙ts32作为静默时隙。在每个时帧的静默时隙，进行频谱分析，对于存在干扰的频点，进行剔除。本发明采用自适应跳频及实时干扰检测技术，可以有效避免无意和有意干扰，抗干扰和抗截获能力强。结合下面描述的身份鉴别技术，提高系统的抗介入能力。

进一步地，为了识别不可信节点，避免不受信节点接入网络后可能会对网络中的其他节点或整个网络的安全构成潜在威胁，需要对申请接入网络的节点身份进行验证。本发明通过md5散列算法对提出入网申请的不在网节点进行身份鉴别。主节点仅准许身份鉴别成功的节点入网；若身份鉴别失败，则不允许该节点入网。md5散列算法处理流程图如图4所示，该图所示仅仅是示例性的，本发明的实施者可根据情况灵活确定如何利用md5散列算法来处理本发明中的身份认证信息，对此不再赘述。

在网络通信过程中可能会存在某一节点需要突发数据的需求，为了保证突发性数据能够被接收方成功接收，本发明采用收发双发进行通信握手的机制，即，接收方需要向发送方反馈是否成功接收的信号，若数据未被成功接收则发送方将该数据进行重发，而重发的具体次数可根据实际需要灵活确定。本发明对于待传输的重要数据，采用确认和重传机制，有效保证数据传输的可靠性，同时由于限定重传次数，可以避免网络拥塞瘫痪。

进一步地，收发双方对所传输数据的编解码要以相同的时间标准为基础。为了提供准确可靠的网络时间参考，本发明进一步提出所述网络的网络时间同步方法，具体而言，首先ntr节点传送tod信息高位，然后各从节点入网，由ntr节点计算各非ntr节点的传播时延并通知各非ntr节点，各非ntr节点接收到传播时延之后，进行全网时间同步。另外，在传输数据时，由发送方发送同步信息帧，各个接收方根据同步信息帧中的特征字进行捕获，从而达到与发送方的同步。在发送方和接收方之间无需进行其他复杂的时间同步操作，该方法简单可靠。

接下来通过示例来描述不在网节点的入网流程和为在网从节点动态分配时隙的流程。首先，参见图5所示，主节点会在固定分配时隙进行同步tod广播，待入网节点收到该广播后进行粗同步，然后在入网时隙发送入网申请，主节点收到所述待入网节点发送的入网申请后，先对其身份进行鉴别，验证其是否合法的被允许加入当前网络的潜在节点，如果身份验证通过则通知待入网节点并为其分配时隙。待入网节点在获得可用时隙后就可以在为其所分配的时隙中传输数据。另外，参见图6，其中示出了为在网从节点动态分配时隙的流程。如图所示，从节点在需要传输数据时向主节点发出时隙占用申请，主节点在权衡全网负荷后如果条件允许则向其分配突发时隙，从节点即可利用该时隙来传输突发性数据。当数据传输完毕之后即向主节点提出申请以释放先前分配的突发时隙，由主节点将该时隙收回供后续使用。另外，当在网从节点要退出网络时，可通过向主节点发送退网申请，主节点在收到其申请后收回先前为其分配的所有仍被占用的时隙，从而完成从节点的退网。

另外，通过图7给出一个对tod突发帧数据结构的示例性定义，其中通过不同数量的bit位定义了时隙编号、节点类型、tod信息、本节点地址、网络工作模式、频率集更新命令及次数、频率集、其他时隙对应节点的传播时延、crc校验字等。在实际应用时，可对其数据结构灵活配置和定义，本发明不对此进行限定。

本发明提出一种全联通tdma可靠组网方法，该方法可以为导弹提供弹间组网协同通信能力，在多枚导弹编队之间进行数据交互和信息资源共享；网络拓扑结构为全联通连接，各节点之间可以直接通信；网络内节点可以根据外部控制系统的指令进行主/从节点的转换；网络内主节点接收外部控制系统的指令，完成网络的建立、通信和停止等过程；网络内从节点可以接受主节点的信令进行入网，也可以自行向主节点申请入网；采用时分多址和随机接入相结合，加快网络建立过程；网络具备对入网节点的身份识别能力；网络采用自适应跳频技术，具备有效的抗截获、抗介入和抗干扰能力；网络支持进行自适应拓扑重构，节点数量可在用户容量范围内增减；根据网络负荷和各节点业务需求，进行动态时隙分配，支持周期性数据和突发性数据的传输；通过握手机制，确保重要数据的可靠传输；支持节点进行广播、组播和点对点通信。

以上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过软件编程实现，或者通过专用硬件逻辑如asic、fpga、soc等实现，本发明对此不作限制。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。