一种超远距离无线自组网节点快速接入方法与流程

1.本发明涉及无线自组网通信技术领域，特别涉及一种超远距离无线自组网节点快速接入方法。


背景技术：

2.分布式无线自组网已应用于多个领域，其中节点的接入协议设计一直是研究的焦点，传统基于全向天线的信号广播传输模型的研究已经十分成熟。而使用定向天线进行信号收发的定向网络在信号传输模型方面将发生巨大变化，已有的这些基于无线信号广播模型的节点接入方案将不再适用于定向网络，需要研究新的接入方法，以在定向网络下进行超远距离无线自组网节点快速接入。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种超远距离无线自组网节点快速接入方法，能够通过扩频码的捕获进行波束对准，使得节点间的无线数据通信采用定向传输，增加了传输距离的同时缩短了传输时间。
4.为了达到上述目的，本发明提供一种超远距离无线自组网节点快速接入方法，所述无线自组网中各节点之间采用扩频码进行通信，所述方法包含步骤：
5.s1、若在网节点数小于规划节点数，在网主节点进入步骤s2，新入网节点进入步骤s3；
6.s2、所述主节点在初始捕获时隙在各个波束方向发送初始捕获信息；初始捕获时隙结束后，主节点进入初始同步时隙，在各个波束方向发送初始同步信息；进入步骤s5；
7.s3、入网节点上电后在各个波束方向尝试接收所述初始捕获信息；若在某个波束方向接收到初始捕获信息，所述入网节点转入初始同步时隙并在该波束方向尝试接收所述初始同步信息；若接收到初始同步信息，入网节点作为预备从节点与主节点进行同步，并在该波束方向建立固定波束；进入步骤s4；
8.s4、所述预备从节点进入rtt(round trip time，往返校时时隙)捕获时隙，基于所述固定波束发送rtt捕获信息；所述rtt捕获时隙结束后，预备从节点进入rtt请求时隙，发送rtt请求报文；rtt请求时隙结束后，进入步骤s6；
9.s5、主节点在初始同步时隙结束后进入rtt时隙；主节点在其rtt时隙的多个rtt捕获时隙中，在各个波束方向尝试接收所述rtt捕获信息；当主节点接收到rtt捕获信息，立即转入rtt请求时隙，尝试接收所述rtt请求报文，rtt请求时隙结束后进入步骤s6；
10.s6、主节点转入rtt应答时隙，定向发送rtt应答报文；对应预备从节点基于接收到的所述rtt应答报文与主节点进行精同步；预备从节点成为从节点，完成网络接入。
11.可选的，所述的超远距离无线自组网节点快速接入方法还包含：步骤s7、主节点和所述从节点进入业务时隙，主节点向从节点发送主节点内存储的其他从节点的位置信息、mac地址。
12.可选的，主节点、从节点、预备从节点均通过窄波束发送、接收信息。
13.可选的，步骤s3中所述与主节点进行同步包含：当入网节点在接收到主节点的初始同步信息，入网节点将自身时间同步到当前所在初始同步时隙的末尾时刻。
14.可选的，rtt时隙包含多个时隙单元，所述时隙单元依序包含：rtt捕获时隙、rtt请求时隙、rtt应答时隙；预备从节点在其rtt捕获时隙发送rtt捕获信息，主节点在其rtt捕获时隙接收预备从节点发送的rtt捕获信息；预备从节点在其rtt请求时隙发送rtt请求报文，主节点在其rtt请求时隙接收预备从节点发送的rtt请求报文；主节点在其rtt应答时隙发送rtt应答报文，预备从节点在其rtt应答时隙接收主节点发送的rtt应答报文。
15.可选的，令t1为主节点的rtt捕获时隙的时长，t1＝t2+t3；其中，t2为初始同步时隙的时长，t3为主节点用于接收rtt捕获信息的所有波束的总时长。
16.可选的，步骤s4中，预备从节点在其rtt时隙中随机选取两个时隙单元，分别在该两个时隙单元的rtt捕获时隙、rtt请求时隙中发送rtt捕获信息和rtt请求报文。
17.可选的，rtt请求报文包含：预备从节点的mac地址、位置信息；rtt应答报文包含：主节点的mac地址、从预备从节点的rtt请求报文中解析得到的预备从节点的mac地址、主节点的位置信息、为预备从节点分配的节点编号、预备从节点的rtt请求报文的到达时间toai；所述到达时间toai为：主节点的rtt捕获时隙的起始时刻至主节点接收到rtt请求报文的时刻的时长。
18.可选的，步骤s6中，所述进行精同步包含：
19.s61、预备从节点计算出rtt应答报文的到达时间toar；所述到达时间toar为：从节点的rtt捕获时隙的起始时刻至从节点接收到rtt应答报文的时刻的时长；
20.s62、基于到达时间toar、所述到达时间toai计算与主节点的同步时间误差t；
21.t＝(td+toai-toar)/2，其中td为rtt捕获时隙起始时刻至rtt应答时隙的起始时刻的时长；
22.s63、若t大于0，则从节点将时钟往前调快偏差t的时间；若t小于0，则从节点将时钟往后调慢偏差|t|的时间；若t等于0，则从节点的时钟不需要调整。
23.可选的，接收到初始捕获信息后，预备从节点根据自身姿态信息实时更新其固定波束的指向，使得固定波束始终指向主节点；接收到预备从节点的位置信息后，主节点根据自身姿态信息实时更新其发送给该预备从节点的波束的指向，使得所发送的波束始终指向对应预备从节点。
24.与现有技术相比，本发明的超远距离无线自组网节点快速接入方法的有益效果在于：
25.为了减少定向窄波束通信的时间，本发明的无线自组网中各节点之间采用不携带信息的扩频码进行通信。本发明基于扩频码的捕获进行波束对准，能够在不知道通信双方位置的情况下，建立通信联系。通过本发明能够使得节点快速、自主的接入无线自组网，并保证了节点间保持稳健的无线通信关系。通过本发明使节点间的无线数据通信采用定向传输，增加了传输距离的同时缩短了传输时间。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地
介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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：
27.图1为本发明的实施例中，在网节点数小于规划节点数时，主节点工作周期内的时隙划分图；
28.图2为本发明的超远距离无线自组网节点快速接入方法的流程图；
29.图3为本发明实施例中，入网节点接入无线自组网的流程图；
30.图4为本发明实施例中，主节点、预备从节点的rtt捕获时隙示意图。
具体实施方式
31.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。
32.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
33.还应当理解，在此本技术说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本技术。如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
34.还应当进一步理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
35.如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0036]
另外，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0037]
在无线自组网中，超远距离节点的接入若满足入网灵敏度和入网时间，需要采用定向通信的接入协议。对于无线自组网中节点的接入，目前主要有以下方法：
[0038]
1)在波束扫描中通过握手确定波束的方法。但是该方法需要全网时间同步且传输的帧携带数据信息，增加了确认波束的时间。2)由若干个通信节点依次串联组成的线性网络，实现远距离通信组网的方法。但是该组网方法中数据传输需要节点之间线性传输，数据传输效率较低。3)定向天线条件下分布式飞行器网络多址接入的方法。但是该方法中新节点的接入需要通过地面站给网内节点注入信息进行扫描，增加了节点的冗余。4)基于窄波束定向的节点接入方法。窄波速定向方式进行通信具备传输距离远、空间复用度高等优势。但是该方法中节点入网时，主节点在每个波束定向广播数据帧，若距离越远则广播数据帧的长度越长，使其入网时间越长。5)基于定向天线的蜂群组网邻居发现方法，在基础扫描方式的邻居发现规划型算法的基础上，利用公共邻居提高邻居发现的效率。但是该方法的前提条件是全网需要外部时钟同步，不能适用无外部时钟的网络。
[0039]
本发明提供一种超远距离无线自组网节点快速接入方法，所述无线自组网中各节点之间采用扩频码进行通信。本实施例中的无线自组网是一种时分多址网络，节点的工作周期包含多个时隙，节点在不同时隙进行对应的操作。
[0040]
若在网节点数小于规划节点数时，如图1所示，网内的主节点的每个工作周期依时间顺序被划分为：初始捕获时隙、初始同步时隙、rtt时隙、业务时隙。
[0041]
若在网节点发现已入网节点数达到规划节点数，则初始捕获时隙和初始同步时隙不再占用主节点工作周期的时长；若在网节点出现掉网(已入网节点数未达到规划节点数)，则将初始捕获时隙和初始同步时隙再次纳入主节点的工作周期。其中，rtt时隙包含多个时隙单元，所述时隙单元依序包含：rtt捕获时隙、rtt请求时隙、rtt应答时隙。
[0042]
入网节点最初只具有初始捕获时隙和初始同步时隙。
[0043]
如图2所示，本发明的超远距离无线自组网节点快速接入方法包含步骤：
[0044]
s1、若在网节点数小于规划节点数，在网主节点进入步骤s2，新入网节点进入步骤s3。
[0045]
s2、所述主节点在其初始捕获时隙通过窄波束在各个波束方向发送初始捕获信息；初始捕获时隙结束后，主节点进入初始同步时隙，在各个波束方向通过窄波束发送初始同步信息(扩频码)；进入步骤s5。
[0046]
s3、如图3所示，入网节点上电后使用窄波束在各个波束方向尝试接收所述初始捕获信息；若在某个波束方向接收到初始捕获信息，入网节点转入初始同步时隙并在该波束方向尝试接收所述初始同步信息；若入网节点在初始同步时隙结束时，仍未接收到初始同步信息，入网节点转入初始捕获时隙，重复步骤s3；若入网节点在初始同步时隙内接收到初始同步信息，入网节点与主节点进行同步，将入网节点作为预备从节点，并在该波束方向(接收到初始捕获信息和初始同步信息的方向)与主节点建立固定波束，进入步骤s4。
[0047]
本实施例中，入网节点在某一波束方向尝试捕获初始捕获信息，若在设定时间内仍未捕获到，则切换至下一波束方向，直至捕获到初始捕获信息。
[0048]
主节点发送的初始捕获信息和初始同步信息均不携带数据信息。入网节点通过捕获主节点的初始捕获信息(扩频码)，实现获取与主节点无线通信的波束方向，在不知道主节点位置的情况下，与主节点进行定向通信。
[0049]
本实施例中，所述入网节点与主节点进行同步包含：当入网节点接收到主节点的初始同步信息，入网节点将自身的当前时间同步到当前所在初始同步时隙的末尾时刻。举例来说，入网节点处于初始同步时隙，入网节点接收到初始同步信息的实际时间为t，还要经过δt的时间才能够结束该初始同步时隙，则入网节点将t+δt作为当前时间。本发明中，预备从节点也具有如图1中所示的rtt时隙。入网节点与主节点进行同步的目的是为了使入网节点尽快成为预备从节点并进入rtt时隙。因此预备从节点与主节点的时间最大相差一个初始同步时隙的时长。
[0050]
本实施例中，预备从节点还根据自身姿态信息实时更新其固定波束的指向，使得固定波束始终指向主节点，保证通信的稳健性。
[0051]
s4、如图3所示，所述预备从节点进入rtt捕获时隙，基于所述固定波束(窄波束)发送rtt捕获信息(扩频码)；rtt捕获时隙结束后，预备从节点进入rtt请求时隙，发送rtt请求报文；rtt请求时隙结束后，进入步骤s6；
[0052]
本发明中，主节点基于接收的预备从节点发送的rtt捕获信息，实现获取与预备从节点无线通信的波束方向，在不知道预备从节点位置的情况下，与预备从节点进行定向通信。
[0053]
本实施例中，预备从节点在其rtt时隙中随机选取两个时隙单元，分别在该两个时隙单元的rtt捕获时隙、rtt请求时隙中发送rtt捕获信息和rtt请求报文。这样是为了防止两个预备从节点同时在同一个rtt捕获时隙发送各自的rtt捕获信息，或同时在同一个rtt请求时隙发送各自的rtt请求报文。
[0054]
本实施例中的rtt请求报文包含：预备从节点的mac地址、位置信息。
[0055]
s5、主节点在初始同步时隙结束后进入rtt时隙；主节点在其rtt时隙的多个rtt捕获时隙中，在各个波束方向尝试接收所述rtt捕获信息；当主节点接收到rtt捕获信息，立即转入rtt请求时隙，尝试接收所述rtt请求报文，主节点的rtt请求时隙结束后进入步骤s6；
[0056]
入网节点经过初始捕获时隙获得了主节点的波束，经过初始同步时隙与主节点进行了时间同步，但是主节点还未得到入网节点(预备从节点)的波束。因此主节点在rtt捕获时隙使用定向辐射方式在各个波束尝试捕获rtt捕获信息。若捕获到rtt捕获信息，则主节点获得对应预备从节点的波束(但此时主节点不能确定与预备从节点的时间差)，主节点在捕获到的该波束上等待接收rtt请求报文。当主节点基于接收到的rtt请求报文获取预备从节点的位置信息后，主节点根据自身姿态信息实时更新其发送给该预备从节点的波束的指向，使得所发送的波束始终指向对应预备从节点，保证通信的稳健性。
[0057]
需要说明的是，由于在步骤s3中入网节点与主节点进行了同步，如图4所示，预备从节点进入其rtt捕获时隙时，主节点可能还处于其初始同步时隙，为了保证主节点在其rtt捕获时隙能够接收到rtt捕获信息(预备从节点发送的)。令t1为主节点的rtt捕获时隙的时长，t1＝t2+t3；其中，t2为初始同步时隙的时长，t3为主节点用于接收rtt捕获信息的所有波束的总时长。
[0058]
s6、主节点转入rtt应答时隙，定向发送rtt应答报文；对应预备从节点基于接收到的所述rtt应答报文与主节点进行精同步；如图3所示，预备从节点成为从节点，完成网络接入。
[0059]
主节点在其rtt应答时隙发送rtt应答报文。预备从节点在其rtt应答时隙接收主节点发送的rtt应答报文。rtt应答报文包含：主节点的mac地址(源地址)、从预备从节点的rtt请求报文中解析得到的预备从节点的mac地址(目的地址)、主节点的位置信息、为预备从节点分配的节点编号、预备从节点的rtt请求报文到达主节点的时间toai。所述到达时间toai为：主节点的rtt捕获时隙的起始时刻至主节点接收到rtt请求报文的时刻的时长。
[0060]
若预备从节点接收的rtt应答报文(只有主节点才会发送rtt应答报文)中，目的地址为预备从节点的mac地址，该预备从节点作为从节点并缓存主节点的位置信息、装订分配的节点编号、计算出rtt应答报文的到达时间toar、主节点的mac地址。
[0061]
由于主节点在接收到rtt捕获信息后立即转入rtt请求时隙，模糊了主节点的rtt捕获时隙和rtt请求时隙的界限。因此从节点在计算到达时间toar的起始时刻为主节点rtt捕获时隙的发送起始，而不是主节点rtt请求时隙的发送起始。
[0062]
本实施例中，预备从节点与主节点进行精同步(时钟调整)包含：
[0063]
s61、预备从节点计算出rtt应答报文的到达时间toar；所述到达时间toar为：从节
点的rtt捕获时隙的起始时刻至从节点接收到rtt应答报文的时刻的时长。
[0064]
s62、基于到达时间toar、到达时间toai计算与主节点的同步时间误差t；
[0065]
t＝(td+toai-toar)/2，其中td为rtt捕获时隙起始时刻至rtt应答时隙的起始时刻的时长；
[0066]
s63、若t大于0，则从节点将时钟往前调快偏差t的时间；若t小于0，则从节点将时钟往后调慢偏差|t|的时间；若t等于0，则从节点的时钟不需要调整。
[0067]
s7、在网节点(包含主节点、从节点)在业务时隙发送业务数据，该业务数据包含该在网节点自身的位置信息，以及该在网节点存储的所有从节点的位置信息、mac地址。
[0068]
经过rtt时隙的从节点仅能得到主节点的位置信息，无法与其他在网从节点定向通信，而主节点经过rtt时隙可以获得所有在网从节点的位置信息。在一个实施例中，为了使得在网节点间能相互通信，主节点在业务时隙发送的业务数据携带其缓存的所有从节点的位置信息。同时在网从节点在业务时隙发送业务数据时，也会发送自身的位置信息，以及该在网从节点已缓存的所有从节点的位置信息。
[0069]
已经在网从节点是否只需要业务时隙可以根据具体情况分析，在一个实施例中，对于位置更新率要求不高，则在网从节点还可以进入初始捕获时隙。在另一个实施例中，对位置更新率要求高，在网从节点也可以不进入初始捕获时隙。
[0070]
rtt时隙的作用是校时，即校对主节点与从节点的时钟。随着时间的增加，主节点和从节点之间的时间会漂移，所以需要时时校时，因此从节点的rtt时隙仍是需要的。而rtt捕获时隙的目的是为了主节点得到预备从节点的波束指向，所以主节点在获得从节点的位置后，可以通过位置计算波束指向，不再需要rtt捕获时隙。因此已在网从节点对应的rtt捕获时隙可以进行复用。在复用的rtt捕获时隙，主节点将缓存的所有从节点位置信息传输给各从节点。
[0071]
本发明的超远距离无线自组网节点快速接入方法基于扩频码的捕获进行波束对准，能够在不知道通信双方位置的情况下，建立通信联系。通过本发明能够使得节点快速、自主的接入无线自组网，并保证了节点间保持稳健的无线通信关系。通过本发明使节点间的无线数据通信采用定向传输，增加了传输距离的同时缩短了传输时间。
[0072]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
[0073]
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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。