一种无线自组网数话同传的竞争式时分多址接入方法与流程
本发明属于无线传输技术领域，更具体地，涉及一种无线自组织网络数话同传的竞争式时分多址接入方法。
背景技术：
无线自组织网络是一种没有预定基础设施支撑的、可重构的多跳无线网络。经过十余年的不断发展，无线自组织网络经历了从军用向民用、从基础研究向商业化应用的革命性转变。目前，无线自组织网络已发展成为新一代无线通信系统中不可或缺的重要组成部分，是我国国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)的前沿技术中的重要研究领域之一。无线自组织网络可广泛地应用于军事国防、近域互联、智慧无线城市、宽带无线校园等领域的建设中，为物联网、车联网的蓬勃发展提供了坚实的基础和重要的技术载体。
然而，由于受到自组网结构的限制，现有的自组织网络采用的多址接入技术主要有：(1)基于竞争多址接入协议，如载波监听型(carriersensemultipleaccess，csma)多址接入方式和双忙音多址接入协议(dualbusytonemultipleaccess，dbtma)等；(2)基于固定分配的时分多址接入方式。前者不需要全网同步，每个节点采用相同的方式对信道进行竞争，竞争到信道的节点可以进行数据发送，因此这种方式对于数据的发送没有保护，数据容易因为碰撞导致丢包。特别是对于路由维护分组这种广播型业务，由于无法进行预约，所以通常使用随机发送的方式，导致碰撞不可避免，也不可预期。更为重要的是，这类基于竞争的多址接入技术，由于竞争的随机性，导致无法保证业务的服务质量要求(特别是语音业务的时延要求)。而至于固定多址接入技术来，由于为每个节点固定分配传输资源，在节点分布和业务分布不均匀时，一方面会导致传输资源利用率低，另一方面使得业务局部严重饱和，从而造成资源浪费，使得用户体验。
目前，在无线自组织网络中，将随机多址技术和固定多址技术相结合的混合式多址技术也有较为广泛的研究，其中以五步预留协议(five-phasereservationprotocol，fprp)的研究最为广泛。fprp将预约机制引入时分多址系统中，提高了时隙的利用率。但这一协议高效运行的前提是预留帧和信息帧长度上的变化，即较短的预留帧和较长的信息帧。然而，目前国内大多数自组网电台，由于需要考虑到对于跳频的支持，需要设计成等长的时隙，直接使用fprp协议的预约机制会带来传输资源极大的浪费，无法起到预期效果。同时，由于采用竞争的方式进行预约，所以无法保证语音业务的时延及服务质量要求。
综上所述，为了提高无线自组织网络传输性能，有必要研究一种新型的混合多址接入技术，一方面提高传输资源的利用率，另一方面能够保证时延敏感型业务的服务质量。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种无线自组网数话同传的竞争式时分多址接入方法，以解决如何在跳频电台组成的自组网中，实现时隙长度不可变的情况下竞争与固定相结合的混合多址接入协议，在保证语音业务时延要求的同时提高整体网络的资源利用率。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
提供一种无线自组网数话同传的竞争式时分多址接入方法，包括：
无线自组网中的所有节点开机首先进行初始入网，通过初始入网帧实现全网所有节点的时间同步，以及网络初始拓扑信息和路由信息的计算和收敛；
初始入网结束后，各节点进入业务发送状态，每个节点独立维护一个相同的业务帧；每个节点在业务帧中的自身专用数据时隙上发送网络维护分组和业务分组；
当某个节点所需传输的业务分组达到竞争门限时，该节点发起动态语音时隙竞争，对空闲语音时隙进行竞争，如果该节点竞争成功，则利用竞争到的语音时隙进行数据业务分组的发送，直到业务低于竞争门限值或有语音业务到来，该节点释放所占用的语音时隙；
当某个节点有语音业务到来时，发起语音业务预约流程，预约成功后该节点在语音时隙发送语音业务分组，直到语音业务发送完毕或有更高优先级节点进行语音业务预约，该节点释放语音时隙的占用权。
基于上述方案，通过将基于时分的固定多址接入技术和基于竞争的随机多址接入技术相结合，在保证每个时隙长度不变的基础上，通过对同一时隙定义不同的含义，结合时隙位置信息对部分动态传输资源进行竞争，同时利用合理配置的时隙结构对发送进行两跳范围内的保护，减少不必要的竞争，最终在不需要调整时隙长度，即等长时隙长度的时分系统中实现资源的竞争式利用，解决了传统时分竞争系统需要在短时隙进行竞争的问题，有效的保障了时延敏感型业务的时延要求和服务质量要求，提高了系统传输效率，提升了用户的传输体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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为初始同步帧结构的示意图；
图2为业务复帧结构的示意图；
图3为动态语音时隙竞争流程图；
图4为语音时隙传输数据分组示意图；
图5为广播业务强插传输示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明实施例提供一种无线自组网数话同传的竞争式时分多址接入方法，具体包括以下步骤：
步骤1，无线自组网中的所有节点开机首先进行初始入网，通过初始入网帧实现全网所有节点的时间同步，以及网络初始拓扑信息和路由信息的计算和收敛。
步骤2，初始入网结束后，各节点进入业务发送状态，每个节点独立维护一个相同的业务帧；每个节点在业务帧中的自身专用数据时隙上发送网络维护分组和业务分组。
步骤3，当某个节点所需传输的业务分组达到竞争门限时，该节点发起动态语音时隙竞争，对空闲语音时隙进行竞争，如果该节点竞争成功，则利用竞争到的语音时隙进行数据业务分组的发送，直到业务低于竞争门限值或有语音业务到来，该节点释放所占用的语音时隙。
步骤4，当某个节点有语音业务到来时，发起语音业务预约流程，预约成功后该节点在语音时隙发送语音业务分组，直到语音业务发送完毕或有更高优先级节点进行语音业务预约，该节点释放语音时隙的占用权。
优选的，本发明实施例提供的无线自组网数话同传的竞争式时分多址接入方法中，步骤1中，初始入网具体包括：初始同步阶段和初始节点入网阶段两个阶段。
其中，初始同步阶段具体为：由第一个开机节点在第一个初始入网帧中发送一遍同步消息，一跳节点收到同步消息后，与第一个开机节点一起在紧接着的第二个初始入网帧中，在自身相对应的发送时隙中对收到的同步消息进行第二遍发送；在第三个初始入网帧中，第一个开机节点、一跳节点和两跳节点在自身对应的发送时隙中发送同步消息，并以此类推；在总共发送n遍同步消息后，初始同步过程结束，此时认为全网所有节点都已经进入同步状态，后续迟入网节点需要首先收听勤务时隙中对应的同步消息，在实现同步后方能入网进行信息的接收与发送。
初始节点入网阶段具体为：每个节点仅发送网络维护分组，而不允许发送业务，即所有节点发送m遍网络维护分组，用来交互网络拓扑信息，并利用该信息计算网络路由信息。
其中，初始入网帧指节点在入网阶段使用的帧结构，由m个时隙组成，每个节点独立占用一个时隙用来发送自己的同步消息，n大于等于网络支持的最大跳数，m大于等于网络支持的最大节点个数。
本发明实施例的一种具体的实现方式中，所述的无线自组网络具体可以由32个节点组成，最大支持7跳数据传输。参见图1，为本发明实施例提供的初始入网时使用的帧格式(即初始入网帧)，该帧由两个子帧组成：初始同步子帧s101和初始节点入网子帧s102。初始入网帧在整个网络建立过程中仅执行一遍。
其中，初始同步子帧s101又由7个子子帧组成，第一个子子帧s103仅包含一个时隙，并由首先开机的节点在子子帧s103中发送一遍同步消息，后面的6个子子帧均包含32个时隙，并且每个时隙对应分配给相应的节点。在子子帧s103收到同步消息的节点与首次开机的节点一起，在子子帧s104中对应的时隙转发同步消息。接下来，在第三个子子帧中，首次开机的节点、一跳节点和两跳节点在自身对应的时隙中发送同步消息，并以此类推。在总共7遍同步消息后，初始同步过程结束，此时认为全网所有节点都已经进入同步状态。
之后，进入初始节点入网子帧s102，由于需要支持最大7跳的传输，所以初始节点入网子帧s102由7个结构相同子子帧组成，每个子子帧由96个时隙组成，即每个用户3个时隙，共32个用户，其中每个用户的3个时隙分别用来发送1个时隙的同步消息和2个时隙的网络建网公告消息，即网络路由建立与维护消息。每个节点在7个子子帧对应时隙发送相应的入网信息后，认为初始建网成功，已经在网的节点均有完整的路由信息。
优选的，本发明实施例提供的无线自组网数话同传的竞争式时分多址接入方法中，步骤2中所述的业务帧具体指节点完成初始入网后进行业务发送时维护的基于时分多址的帧结构，其中每个业务帧包括语音时隙、数据时隙和勤务时隙。
其中，语音时隙用于传输语音业务分组和作为动态竞争时隙，并被所有用户所共享；数据时隙为每个用户固定分配，用来传输路由维护分组和其他数据业务分组，每个节点对于分配给自身的数据时隙具有排他性的使用权，同时也不能使用其他节点的数据时隙；勤务时隙用来进行网络同步的勤务分组；每组语音时隙由连续的k个时隙组成，k≥4，其中前k-1个时隙作为动态语音时隙，供数据业务预约使用，最后一个为控制语音时隙，用作数据业务的应答和语音业务的抢占，不作为动态竞争时隙；两组语音时隙之间的时间间隔
优选的，本发明实施例提供一种具体的业务帧的结构，如图2所示。参见图2，业务帧中主要包括语音时隙s201、数据时隙s203和勤务时隙s204，其中语音时隙的作用为传输语音业务分组和作为动态竞争时隙使用，数据时隙为每个用户固定分配，用来传输路由维护分组和其他数据业务分组，勤务时隙用来进行网络同步的勤务分组。
从结构上看，业务帧由时隙、时隙循环和基本帧组成。其中，时隙为最小的传输单元，每个用户每次发送至少占用一个时隙，不同用途的时隙在结构上是完全相同的。每10个时隙为一个时隙循环，其中包含4个语音时隙和6个其他时隙。4个语音时隙中，前3个语音时隙s201作为动态语音时隙，可以被数据业务预约使用，最后一个语音时隙s202为控制语音时隙，用作数据业务的应答和语音业务的抢占等，不作为动态竞争时隙。5个时隙循环组成一个基本帧。在一个基本帧中，前4个时隙循环均由4个语音时隙和6个数据时隙组成，而最后一个时隙循环中，中间3个为数据时隙，最后3个时隙为勤务时隙。
一种具体的实现方式中，本发明实施例提供的无线自组网数话同传的竞争式时分多址接入方法，当某个节点所需传输的业务分组达到竞争门限时，该节点发起动态语音时隙竞争。具体的，节点发起动态语音时隙竞争具体包括：
当节点进入竞争状态后，通过监听语音时隙中的信道状态，判断是否处于语音时隙空闲状态，如果处于语音时隙空闲状态，则在该语音时隙向接收节点发送语音时隙占用请求，请求接下来的所有语音时隙的使用权，并等待接收节点回复应答消息；接收节点收到语音时隙占用请求后，如果处于语音时隙空闲状态，则在随后的语音时隙向发送节点回复语音时隙占用应答消息，并转入语音时隙接收数据业务状态，准备在语音时隙中接收数据业务分组；发送节点收到语音时隙占用应答消息后，转入语音时隙发送数据业务状态，准备在接下来的语音时隙中发送数据业务分组。
上述动态语音时隙竞争的流程如图3所示，参见图3，当节点进入竞争状态后，首先查看统计的语音时隙空闲统计量，当该统计量超过一定阀值后(即语音时隙处于空闲状态一段时间后)，认为语音时隙空闲，可以被占用传输业务数据分组。此时，该节点在预约时隙向接收节点发送请求发送rts(requesttosend)标志，请求接下来的所有语音时隙的使用权，并等待接收节点回复允许发送cts(cleartosend)标识。如果在一定时间内收到cts确认，则认为已经获得语音时隙的使用权并进行业务传输，直到传输结束，释放语音时隙的占用权。同时，在传输过程中，如果收到语音强插请求，则立刻结束对语音时隙的占用，释放占用权，供语音业务传输。
进一步的，在动态语音时隙竞争过程中，通过监听语音时隙中的信道状态，判断是否处于语音时隙空闲状态，具体可以包括：若在每个语音时隙的时间内，节点自身没有语音业务发送，也没有收到其他任何业务信号，或碰撞信号，则将语音时隙空闲标志值加一，否则将该值清零；当语音时隙空闲标志值超过预先设定的语音时隙空闲门限值后，认为该节点进入语音时隙空闲状态。
进一步的，在动态语音时隙竞争过程中，处于语音时隙发送数据业务状态的节点，在业务帧中的每1～(k-1)号语音时隙传输数据业务分组；处于语音时隙接收数据业务状态的节点，在第k号语音时隙发送接收数据反馈及下一个语音时隙发送节点是否仍然可以占用语音时隙进行发送；发送节点如果在第k号语音时隙收到接收节点的确认占用消息，则在下一个语音时隙中继续占用语音时隙，否则结束传输，保持静默。
示例性的，如图4所示，有传输需求的节点需要在判断语音时隙空闲后的第一个语音时隙完成rts的发送。如果接收节点此时可以进行接收，需要在紧接着的第二个语音时隙完成cts的发送，否则保持静默。发送节点如果在第二个语音时隙收到cts，则在紧接着的语音时隙3传输数据，而接收节点在最后一个语音时隙4发送反馈及下一个循环发送节点是否仍然可以占用语音时隙进行发送。发送节点如果在语音时隙4收到接收节点的确认占用消息，则可以在下一个时隙循环中继续占用语音时隙1-3进行传输，而接收节点在最后一个语音时隙4发送反馈，如果接收节点不能继续接收，则反馈禁止占用，此后收发节点均结束传输，保持静默。
优选的，在本发明实施例提供的无线自组网数话同传的竞争式时分多址接入方法中，当某个节点所需传输的业务分组达到竞争门限时，该节点发起动态语音时隙竞争。具体的，节点发起语音业务预约流程具体包括：
当节点产生一跳广播语音业务时，发起广播语音业务预约；当节点产生多跳单播语音业务时，发起多跳语音业务预约；当高优先级节点产生一跳广播语音业务时，该节点两跳范围内有低优先级节点正在传输语音业务，则发起高优先级语音业务强插预约；预约成功后，节点进行相应的语音业务传输。
其中，多跳语音业务预约具体可以包括：语音时隙抢占阶段和业务预约阶段两个阶段。
其中，语音时隙抢占阶段为：业务发起节点在最近到来的1～k号共k个语音时隙，进行语音时隙抢占，对业务发起节点周围至少4跳内的节点进行语音业务抢占，令4跳内非语音业务节点释放语音时隙的使用权，即在语音时隙保持静默。
业务预约阶段为：业务发起节点在第二个到来的1号语音时隙发送多跳语音业务请求分组，这一分组包括：源、目的节点地址，分别指发起业务和最终接收业务节点的地址；下一跳地址，指中继该分组的地址；跳数，指为这次语音呼叫总共需要经历的跳数；沿路节点地址，指请求分组经过的中继节点地址及顺序，用来指示应答分组的传输路径，与最终业务传输时的中继节点地址相同；其中，第一个中继节点在接着的2号语音时隙转发该请求，第二个中继节点在3号语音时隙转发该请求，以此类推，目的节点在第m号语音时隙收该请求；如果
具体的，语音时隙抢占阶段具体为：
业务发起节点从最近到来的1～k号共k个语音时隙发送k遍广播业务请求分组；收到这一请求的节点从收到后的语音时隙到第k号语音时隙转发该请求；在语音时隙检测到碰撞发生的节点，从检测到碰撞后的语音时隙到第k号语音时隙发送语音请求阻塞分组；收到语音请求阻塞分组的节点同样从收到后的语音时隙到第k号语音时隙转发语音请求阻塞分组；第k号语音时隙结束后，业务发起节点认为一跳广播语音业务预约成功，并在下一个语音时隙到来后开始进行语音业务发送。
在本发明实施例提供的无线自组网数话同传的竞争式时分多址接入方法中，高优先级语音业务强插预约的具体过程为：
如果高优先级节点的一跳邻节点正在进行语音广播业务，则高优先级节点在最近的3号语音时隙发送高优先级语音强插分组，邻节点收到这一分组释放语音时隙的使用权；如果高优先级节点的两跳邻节点正在进行语音广播业务，则高优先级节点在最近的1号语音时隙发送高优先级语音强插分组，正在接收语音业务的节点，如果在1号语音时隙发生碰撞，则判断为高优先级语音业务强插，停止发送语音阻塞分组，同时在3号语音时隙发送高优先级语音强插分组，正在发送语音业务的低优先级节点收到这一分组，或在3号语音时隙发生碰撞，则判断为高优先级语音业务强插，释放语音时隙的使用权。
示例性的，以下将以支持3跳语音业务为例，分别说明广播语音业务和单播语音业务的预约及传输协议：
首先，需要说明的事，此处的广播业务指单跳广播业务。广播业务由于接收节点位于源节点的邻节点位置，所以源节点可以直接判断其邻节点是否正在进行语音业务。因此，广播业务的发送无需得到邻节点的应答，在抢占信道后可以直接进行发送。
对于广播业务来讲，语音信道的抢占主要需要解决两跳邻节点集中有节点进行数据业务收发的问题，即在进行语音业务之前，需要对正在进行的数据业务传输进行抢占。具体过程如下：当有语音业务发送时，源节点在即将到来的下一个时隙循环的所有语音时隙(共4个语音时隙)发送广播业务请求bvr(broadcastvoicerequest)；收到这一请求的节点在余下的时隙转发该请求；在语音时隙发生碰撞的节点，在该时隙循环余下的时隙发送语音请求阻塞分组vbr(voiceblockrequest)，收到vbr分组的节点同样在该时隙循环余下的时隙转发vbr分组。这样可以保证在一次时隙循环内请求分组泛洪至4跳范围内，即可以使4跳内的占用语音时隙的数据传输节点在下一个时隙循环的语音时隙保持静默。在完成广播业务请求后，源节点可以在下一个时隙循环的第一个语音时隙发送语音业务分组，邻节点在第二个时隙广播语音业务阻塞分组bov(blockofvoice)分组，两跳邻节点在收到bov分组导致的碰撞后发送vbr分组，以此使得周围节点保持静默。
参考图5所示的广播业务强插传输示意图，对广播语音业务的传输过程进行具体说明如下：在t1时间，节点1s501需要发送广播语音业务，并判断当前语音时隙空闲，则节点1在紧接着的下一个时隙循环的第一个语音时隙发送业务分组，所有收到的邻节点将在第二个语音时隙发送bov。那么此时节点1的两跳冲突集合，即图5右侧的虚线框s503中的所有节点将得知节点1正在进行普通语音业务，其中的普通节点将不能发起语音业务。比如在t2(t2＞t1)时刻，节点6有语音业务传输需求，但其判断自己在其他节点的冲突集内，则无法发起。同样的，如果冲突集合之外的节点要向冲突集合之内的节点发送多跳语音业务，例如节点12要向节点3发送语音业务，则由于无法获得应答导致语音业务无法发送，从而保证现有业务的成功传输。
而对于冲突集之外(即在前两个语音时隙内没有收到vbr分组)的节点则可以发起广播语音业务。如节点7s504在t3(t3＞t2)时间发起语音业务，由于其不再节点1的两跳冲突集中，所以可以直接发起语音业务，其一跳邻节点无论是否在节点1的两跳冲突集中都需要在第二个语音时隙发送阻塞信号bov，以此声明节点7的两跳冲突集，如图5左侧的虚线框s505。
此外，如果在节点1传输语音业务之前，节点3向节点11s506发送数据业务，则需要节点1在语音时隙4s507发送bvr分组阻塞节点3的发送，从而保证节点1的语音业务的发送。
本实例中的单薄语音业务指不大于4跳的接收节点为单个节点的多跳语音业务。该需要对沿线传输节点的一跳冲突集进行保护，即所有参与语音传输的节点和其一跳临节点均不能发起或响应其他普通节点的业务请求。这就要求每个参与传输的节点均需要在相应的语音时隙发送业务或阻塞分组。对于广播业务来讲，源节点在每个时隙循环的第一个时隙发送业务分组，所有邻节点在第二个时隙发送阻塞分组bov，而其他节点无论是收到业务分组，还是收到bov分组，都判断当前有语音业务正在传输，并进入静默状态，如果是bov分组发生碰撞，周围节点会认为收到多跳语音业务请求，并转发该信息，但并不影响语音业务的发送。对于单播业务来讲，源节点在每个时隙循环的第一个时隙发送业务分组，一跳节点在第二个时隙进行中继，两跳节点在第三个时隙进行中继，目的节点在接收到分组后的下一个时隙发送bov分组对其邻节点进行阻塞。
上述方法可以分布于一个装置，也可以分布于多个装置。上述方法可以合并为一个方法，也可以进一步拆分成多个子方法。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或者流程并不一定是实施本发明所必须的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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