一种基于TDMA的移动自组网方法及系统

本发明涉及基于tdma的组网通信，尤其涉及一种基于tdma的移动自组网方法及系统。

背景技术：

1、移动自组网由若干节点组成。各个节点可以自由移动，网络中的任意节点都可以动态地、频繁地加入和退出网络，与常规网络相比，移动自组网无需预先架构任何网络基础设施，可以随时随地快速地构建出一个网络，网络的抗毁性强。各个节点都既可以作为源节点也可以作为目的节点。节点的传输范围有限，只有当两个节点互相在彼此的传输范围之内时，两者才能直接通信。反之，需要其他节点作为负责转发的中继节点。

2、在移动自组网中最常用的mac层协议是以csma/ca为代表的竞争型协议和以tdma为代表的分配型协议。基于tdma的分配型协议使得节点间易产生业务碰撞问题，影响网络通信质量。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于tdma的移动自组网方法及系统，解决的技术问题在于：如何实现节点多级入网与退网，解决节点间的业务碰撞问题，降低系统丢包率，从而提高网络通信质量。

2、为解决以上技术问题，本发明提供一种基于tdma的移动自组网方法，包括设计超帧与普通节点多跳直连入网；

3、所述设计超帧具体为：设计空中接口，划分超帧，该超帧的长度为n秒，包含n个时隙，并根据网络中节点的工作特点进一步将所述超帧细分为同步子帧、接入子帧、勤务子帧、控制子帧、数据子帧，所述同步子帧主要用于节点间时间同步，所述接入子帧用于节点入网退网信息传输，所述勤务子帧用于隐藏节点的时间同步，所述控制子帧用于节点更新和广播自身所维护的网络拓扑结构，所述数据子帧用于节点接收和转发网络中的数据分组；

4、所述普通节点多跳直连入网具体包括步骤：

5、s1、为网络指定一个中心节点，并通过上位机完成参数下发，获取该中心节点的mac地址号，该编号在网络中有且唯一；

6、s2、建网初期，所述中心节点上电，初始化网络中静态时隙资源，并在每个所述超帧的起始处广播入网许可帧；

7、s3、所有普通节点上电，并通过上位机完成参数下发，获取所有普通节点的mac地址号；

8、s41、处于监听状态的普通节点在收到所述中心节点广播的入网许可帧后，对齐时隙，并选取所述接入子帧中最近的时隙发送入网申请帧至所述中心节点；

9、s42、所述中心节点在收到处于监听状态的普通节点的入网申请帧后，从所述静态时隙资源池中选出一组时隙资源，且保证选出的时隙资源有仅有一组，并封装到入网成功帧中，随后选取所述接入子帧中最近的时隙发送至该处于监听状态的普通节点；

10、s43、处于监听状态的普通节点在收到入网成功帧后，将自身状态从监听状态转化为在网状态，并记录由所述中心节点所分配的静态时隙资源，该处于监听状态的普通节点直连入网成功。

11、进一步地，基于tdma的移动自组网方法还包括普通节点多跳中继入网；

12、所述普通节点多跳中继入网具体包括步骤：

13、s61、在所述步骤s3后，若处于监听状态的普通节点在3n秒内还没收到所述中心节点广播的入网许可帧，此时该节点的状态将从监听状态转变为隐藏节点监听状态，允许监听中继节点转发的入网许可帧；

14、s62、处于隐藏节点监听状态的普通节点简称隐藏节点在收到中继节点转发的入网许可帧时，如果收到多个中继节点的入网许可帧，则选取时间最近收到的中继节点的入网许可帧，并记录该中继节点的网络地址，对齐时隙，然后选取所述接入子帧中最近的时隙发送入网申请帧至该中继节点；

15、s63、中继节点在收到所述隐藏节点的入网申请帧后，再次封装入网许可帧并选取接入时帧中最近的时隙发送入网申请帧至所述中心节点；

16、s64、所述中心节点在收到由所述中继节点发送的入网申请帧后，从静态时隙资源池中选出一组时隙资源，并封装到入网成功帧中，并选取接入子帧中最近的时隙发送至该中继节点；

17、s65、所述中继节点在收到所述中心节点发送的入网成功帧后，会再次封装入网许可帧并选取接入子帧中最近的时隙发送入网成功帧至所述隐藏节点；

18、s66、所述隐藏节点收到由所述中继节点发送的入网成功帧后，自身状态从隐藏监听状态转化为在网状态，并记录由所述中心节点所分配的静态时隙资源，所述隐藏节点中继入网成功。

19、进一步地，基于tdma的移动自组网方法还包括动态时隙分配；所述动态时隙分配具体为：

20、在时隙预约阶段，在网节点将每一个由节点地址、时隙号、业务号、业务优先级、所构成的四元组时隙预约帧广播，收到该时隙预约帧的节点逐一取出所有四元组，标记时隙表使用情况以及对应的业务优先级，若存在多个时隙预约帧预约同一个时隙号，则保留业务优先级最高的预约消息；

21、在时隙确认阶段，在网节点将每一个由节点地址、时隙号、业务号、业务优先级所构成的四元组时隙确认帧广播，收到该时隙确认帧的节点逐一取出所有四元组，与自身所预约时隙进行对比，若信息一致则说明该时隙预约成功，若信息不一致说明该时隙由其他高优先级业务节点占用，该时隙预约失败。

22、该动态时隙分配根据节点业务数据流量和业务优先级进行动态申请和分配，相较于fprp算法，能够有效降低系统丢包率，并有效保证高优先级业务优先传输，优先级越高的业务投递成功率越高。

23、进一步地，所有在网节点均会拥有由所述中心节点分配的静态时隙资源，一组所述静态时隙资源具体包括转发路由信息的时隙，转发动态预约的时隙，转发动态确认的时隙三种类型；

24、所述转发路由信息的时隙主要用于在网节点建立全网拓扑结构图，在该时隙中，所述中心节点将每一个由源地址、目的地址、下一跳地址、跳数、不活跃度所构成的五元组路由表项广播；其余在网节点在该时隙只能接收所述五元组路由表项，并逐一取出所述五元组路由表项中每一项，对自身所维护的路由表进行增删改查；

25、所述转发动态预约的时隙主要用于在网节点根据自身业务量获取所需的数传时隙，在网节点会根据自身业务队列的大小确定所需的数传时隙数量及位置，并确定预约该时隙的业务优先级，封装为时隙预约帧；在网节点收到时隙预约帧后，对已预约的数传时隙进行标记，已被标记的数传时隙将不能再被预约；

26、所述转发动态确认的时隙主要用于在网节点对预约的数传时隙完成确认，在确认时隙的过程中若出现时隙碰撞则比较业务优先级，优先级高的业务将获得时隙的使用权。

27、进一步地，时隙预约帧不仅将自身所预约的时隙广播，同时借助路由信息将该节点一跳范围内的节点所预约的时隙一同封装，并在动态预约的时隙中广播时隙预约帧。

28、进一步地，在每个所述超帧结束以后，所有在网节点已分配好的数传时隙资源会被释放，在下一个超帧所有数传时隙允许重新预约与确认。

29、进一步地，业务队列中的数据包主要有两个途径来源，第一个是上位机传输下来的数据包，第二个是需在网节点转发的数据包；

30、在网节点会判断数据包是否需要继续转发，如果不需要转发，则上传至上位机，如果需要转发，则会查询路由表，根据路由表查出最短路径，并重新封装数据包；

31、封装完成的数据包存放在业务队列中，需要完成动态预约和动态确认后，获取数传时隙，并在已经分配的数传时隙完成数据包的转发。

32、进一步地，基于tdma的移动自组网方法还包括在网节点退网；所述在网节点退网具体包括步骤：

33、s71、上位机下发指令至在网节点要求其退网，此时在网节点会封装退网申请帧，并选取退网窗口中最近的时隙发送至所述中心节点；

34、s72、所述中心节点在收到退网申请帧后，会释放其分配给在网节点的静态时隙资源，并封装退网许可帧，选取退网窗口中最近的时隙发送至需退网节点；

35、s73、需退网节点在收到中心节点的退网许可帧后，节点状态由在线状态转化为离线状态，并清空其路由表、时隙表，完成退网；已退网的节点不再具有数据包的接收和转发能力。

36、进一步地，基于tdma的移动自组网方法还包括实时更新路由表中的路由项；所述实时更新路由表中的路由项具体为：

37、设计路由项的数据结构为包括源地址、目的地址、下一跳地址、跳数、不活跃度的五元组，每当节点在接收的网络拓扑信息中收到了已存在的五元组，会将该五元组中的不活跃度置为0；若没有收到该五元组，不活跃度会在每个超帧后自动加一；如果路由表中某一五元组中不活跃度达到三，那么该节点将判断此五元组已经失效，会将该条路由记录删除。

38、进一步地，基于tdma的移动自组网方法还包括确认加超时重传；所述确认加超时重传具体为：

39、节点在已分配好的数传时隙中，将数据包传输后，会将该数据包复制到本地缓冲区；

40、如果该数据包被目的地址成功接收，那么该目的地址会向源地址发出数据成功帧，源地址节点接收到数据成功帧以后，从缓冲区中找到该数据包并清空；

41、针对在网络传输过程中会出现各种情况导致数据包丢失，给每一个数据包设置一个最大超时重传时间；结合路由消息，根据路由信息中的最小跳数，将数据包的往返时间作为最大超时重传时间；

42、如果该数据包是一跳范围可达，那么最大超时重传时间即是数据包往返的时间即是两个超帧的时间；

43、如果数据包需要传输多跳，那么最大超时重传时间即是数据包往返的时间即是跳数乘以二的时间；

44、如果重传次数超过规定的阈值，则表示目的地址并不达，需上报至网络管理平台。

45、基于上述方法，本发明还提供一种基于tdma的移动自组网的系统，包括网络管理模块、资源分配模块、路由管理模块、可靠传输模块；

46、所述网络管理模块用于在网络建立之前选取中心节点，以对静态时隙资源进行管理和分配；还用于实现普通节点多跳直连入网、多跳中继入网以及退网；

47、所述资源分配模块用于支持静态时隙分配以及动态时隙分配；所述动态时隙分配基于jbpni-dtsa算法，相较于fprp算法，能够有效降低系统丢包率，同时保证了高优先级业务优先传输，即业务优先级越高，业务投递成功率越高；

48、所述路由管理模块用于自定义路由表数据结构、根据节点广播自身所维护网络拓扑结构实现路由表的插入和删除，使得节点能够从路由表中根据目的地址查询最短路径并实现分组转发；

49、所述可靠传输模块用于根据跳数设计最大超时重传时间，并设置最大重传次数，尽最大可能保证数据包确认送达。

50、本发明提供的一种基于tdma的移动自组网方法及系统，在建网初期通过选定中心节点对网络中的静态时隙资源进行统一管理与调配，并增加接入子帧，有效扩大网络拓扑，实现节点多级直连入网或中继入网与退网，对于网络中的动态时隙资源根据节点业务数据流量和业务优先级进行动态申请和分配，解决节点间的业务分组碰撞问题，降低系统丢包率，保证高优先级任务传输成功率，提高了网络吞吐量和信道利用率。