用于多跳無中心網絡的多址接入控制方法及控制裝置與流程

本發明涉及無線通信網絡技術領域，特別地，涉及一種用于多跳無中心網絡的多址接入控制方法及控制裝置。

背景技術：

具有無線通信功能的設備越來越多，例如智能家居設備、車載無線通信裝置等等，因此對這些設備的組網需求也越來越廣。尤其是用戶對終端便攜性、移動性的要求，需要設備形成的無線通信網絡更加靈活和高效，這種分布式無中心的網絡系統所采用的組網協議，即多址接入方法至關重要。

分布式無線網絡常常采用兩類多址接入方法：一種是基于載波偵聽的多址接入方法(CSMA，Carrier Sense Multiple Access)，另一種是基于時隙分配的多址接入方法(TDMA，Time Division Multiple Access)。基于載波偵聽的多址接入協議，是一種分布式介質訪問控制協議，每個站(節點)在發送數據幀之前，首先要進行載波監聽，只有介質空閑時，才允許發送幀。這時，如果兩個以上的站監聽到介質空閑并同時發送幀，則會產生沖突現象，這使發送的幀都成為無效幀，發送隨即宣告失敗。每個站必須有能力隨時檢測沖突是否發生，一旦發生沖突，則應停止發送，以免介質帶寬因傳送無效幀而被白白浪費，然后隨機延時一段時間后，再重新爭用介質，重發送幀。CSMA能夠提供靈活快速的組網方案，但是網絡性能尤其是傳輸時延無法保證。TDMA是把時間分割成周期性的幀(Frame)，每一個幀再分割成若干個時隙，在傳統的TDMA設計中，節點在對應的時隙向基站發送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站可以分別在各時隙中接收到各移動終端的信號而不混擾。同時，基站發向多個移動終端的信號都按順序安排在預定的時隙中傳輸，各移動終端只要在指定的時隙內接收，就能在合路的信號中把發給它的信號區分并接收下來。TDMA因可以提供服務質量保證，已經在越來越多的應用場景中得到應用，但是如何有效解決分布式環境下該類協議中的時隙沖突問題以及協議本身的效率問題(算法復雜度、協議開銷等)，是整個網絡系統能否正常運行并得以廣泛應用的關鍵，現有的TDMA為避免時隙沖突導致算法復雜度、協議開銷大，是亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明提供了一種用于多跳無中心網絡的多址接入控制方法及控制裝置，以解決現有的分布式無線網絡多址接入時時隙分配及沖突控制導致的算法復雜度及協議開銷大的技術問題。

本發明采用的技術方案如下：

根據本發明的一個方面，提供一種用于多跳無中心網絡的多址接入控制方法，用于經多個無線通信設備形成的移動多跳無線網絡中各無線通信設備間的互聯互通，本發明控制方法包括：

無線通信設備經有限狀態機控制其在多個狀態間的切換控制，多個狀態包括：設備入網、設備離網、設備沖突、設備通信；

無線通信設備處設有時隙預存變量數組，用于存儲該無線通信設備一跳范圍內所有節點所使用的時隙信息；

無線通信設備通信采用超幀結構傳遞信息，超幀包括多個幀單元，各幀單元包括用于標識時隙使用及沖突信息的時隙信息域和用于傳輸業務信息的數據域，時隙信息域由兩個比特構成，包括用于標識時隙使用信息的時隙標識位和用于標識時隙沖突信息的沖突標識位；

有限狀態機根據時隙信息域控制無線通信設備在設備沖突與設備通信狀態間的切換控制。

進一步地，有限狀態機根據時隙信息域控制無線通信設備在設備沖突與設備通信狀態間的切換控制包括：

接收到其他節點感知的時隙沖突信息；

根據本地端的更新后的時隙預存變量數組重新選取未占用的時隙。

進一步地，有限狀態機控制無線通信設備進入設備入網狀態包括：

無線通信設備上電后的入網；

無線通信設備從范圍之外移動至范圍之內。

進一步地，有限狀態機控制無線通信設備進入設備離網狀態包括：

無沖突狀態下的離網，有限狀態機控制該無線通信設備直接釋放所占用的時隙，以供其他節點重新分配并使用該時隙；

沖突狀態下的暫時離網，有限狀態機控制該無線通信設備暫時離網，其他節點不可競爭該時隙。

根據本發明的另一方面，還提供一種用于多跳無中心網絡的多址接入控制裝置，用于經多個無線通信設備形成的移動多跳無線網絡中各無線通信設備間的互聯互通，本發明控制裝置包括：

有限狀態機模塊，用于控制對應的無線通信設備在多個狀態間的切換控制，多個狀態包括：設備入網、設備離網、設備沖突、設備通信；

時隙預存變量數組模塊，用于存儲無線通信設備一跳范圍內所有節點所使用的時隙信息；

通信控制模塊，用于采用超幀結構傳遞信息，超幀包括多個幀單元，各幀單元包括用于標識時隙使用及沖突信息的時隙信息域和用于傳輸業務信息的數據域，時隙信息域由兩個比特位構成，包括用于標識時隙使用信息的時隙標識位和用于標識時隙沖突信息的沖突標識位；

有限狀態機模塊包括：切換控制子模塊，用于根據時隙信息域控制無線通信設備在設備沖突與設備通信狀態間的切換控制。

進一步地，切換控制子模塊包括：

接收單元，用于接收到其他節點感知的時隙沖突信息；

切換單元，用于根據本地端的更新后的時隙預存變量數組重新選取未占用的時隙。

進一步地，有限狀態機模塊還包括：

入網控制子模塊，用于無線通信設備上電后的入網和/或無線通信設備從范圍之外移動至范圍之內的入網。

進一步地，有限狀態機模塊還包括：

離網控制子模塊，用于無沖突狀態下的離網和/或沖突狀態下的暫時離網控制；

其中，無沖突狀態下的離網，離網控制子模塊控制該無線通信設備直接釋放所占用的時隙，以供其他節點重新分配并使用該時隙；

沖突狀態下的暫時離網，離網控制子模塊控制該無線通信設備暫時離網，其他節點不可競爭該時隙。

本發明具有以下有益效果：

本發明用于多跳無中心網絡的多址接入控制方法及控制裝置，基于減少協議開銷、提高協議效率及確保避免無線通信設備間信息傳遞的時隙沖突的原則，設計了合理的幀結構，且通過有限狀態機實現無線通信設備在多個狀態間的切換控制，僅需采用兩個比特構成時隙信息域，提供所需的時隙使用及沖突信息，利用沖突標識位實現對兩跳范圍內沖突節點的自適應解決，既保證了傳遞時延，又降低了協議開銷，有效解決了現有技術中需要在幀結構中設計復雜的信息域導致的算法復雜度及協議開銷大的問題，進而提高了分布式無中心網絡中多址接入時隙沖突的解決效率，具有廣泛的應用價值。

除了上面所描述的目的、特征和優點之外，本發明還有其它的目的、特征和優點。下面將參照附圖，對本發明作進一步詳細的說明。

附圖說明

構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1是本發明優選實施例用于多跳無中心網絡的多址接入控制方法中有限狀態機轉移的結構示意圖；

圖2是本發明優選實施例中幀結構的示意圖；

圖3是本發明優選實施例中無線移動網絡產生時隙沖突的結構示意圖；其中，圖3(a)為沖突前的示意圖，圖3(b)為沖突狀態的示意圖；

圖4是本實施例用于多跳無中心網絡的多址接入控制裝置的原理方框示意圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。

無線通信設備形成的網絡中，保持設備間的互聯互通非常重要，兩個設備之間存在直接的連通關系，稱之為一跳。需要通過一個設備的中繼才能實現互通的，稱之為兩跳，依此類推，無線通信設備之間的通信距離往往用跳數來衡量。兩跳(包括兩跳)以內的設備如果在相同的時間進行數據傳輸，就會產生數據碰撞，即所謂的沖突。此外，采用時分多址接入的無線網絡都會采用一定的算法或裝置(GPS、北斗等)達到時鐘同步。在此前提下，時分多址接入的主要問題就是時隙沖突。因此，本發明要解決的技術問題是：如何在盡量少的網絡開銷情況下，設計合理的幀格式以及相應的時隙分配方法，在提供時延保證的前提下，解決無線通信設備在組網過程中存在的時隙沖突問題。

本發明的優選實施例提供了一種用于多跳無中心網絡的多址接入控制方法，用于經多個無線通信設備形成的移動多跳無線網絡中各無線通信設備間的互聯互通，本實施例控制方法包括：

參照圖1，無線通信設備(下文稱之為節點)經有限狀態機(Finite-state machine，簡稱FSM)控制其在多個狀態間的切換控制，多個狀態包括：設備入網、設備離網、設備沖突、設備通信；其中，設備入網(即圖1中的入網)是指節點接入無線網絡對應的狀態，設備離網(即圖1中的離網)是指節點離開無線網絡的狀態，設備沖突(即圖1中的沖突)是指兩跳以內的節點分配相同時隙導致的沖突的狀態，設備通信(即圖1中的無沖突)是指兩個節點之間不存在時隙沖突的正常狀態。

節點處設有時隙預存變量數組，用于存儲該節點一跳范圍內所有節點所使用的時隙信息；本實施例中，每個節點維護一個時隙預存變量數組(slot_save[])，用于保存該節點一跳范圍內所有節點所使用的時隙信息。

節點間通信采用超幀結構傳遞信息，參見圖2，超幀包括多個幀單元，各幀單元包括用于標識時隙使用及沖突信息的時隙信息域和用于傳輸業務信息的數據域，時隙信息域由兩個比特構成，包括用于標識時隙使用信息的時隙標識位和用于標識時隙沖突信息的沖突標識位。即本實施例中，設計并采用2-bit的時隙信息域，1-bit為沖突標識位(Collision，簡稱C位)，1-bit為時隙標識位(Slot，簡稱S位)。超幀由若干個幀組成，數量對應于網絡規模大小。每一個幀由2-bit時隙信息域(沖突標識位C、時隙標識位S)和數據域(Data)組成，數據域用來傳輸正常的業務，2-bit時隙信息域則提供了所需的時隙使用及沖突信息。

有限狀態機根據時隙信息域控制無線通信網絡中節點在設備沖突與設備通信狀態間的切換控制。

本實施例通過有限狀態機設計，有效表述設備組網過程中入網、離網、通信等階段的時隙分配與沖突產生情況，并通過幀格式設計，以獲取解決問題所需要的時隙相關信息。考慮到實現復雜度，本實施例狀態機設計簡潔、且各時隙對應的時隙信息域僅需占用兩個比特，實現設備的入網、離網及時隙分配的更新與沖突解決，網絡開銷小。

本實施例中，有限狀態機根據時隙信息域控制節點在設備沖突與設備通信狀態間的切換控制包括：

接收到其他節點感知的時隙沖突信息；具體地，時隙沖突發生的范圍是距離兩跳以內的節點之間，本實施例中，對節點的時隙分配滿足以下條件：(1)、一跳范圍內的其他節點不能分配相同的時隙，否則會產生數據發送沖突；(2)考慮到兩跳范圍內中繼節點的存在(意味著通信收發兩端需要第三方實現數據轉發)，因此，兩跳網絡中收發節點不能分配相同的時隙；(3)兩跳以上的收發節點可以使用相同的時隙，此時不會產生數據沖突。綜上所述，在入網的時隙分配過程中必須避免兩跳范圍以內的節點使用相同的時隙。本實施例時隙沖突發生的時刻則是新節點的上電加入或其他節點由于移動從兩跳以上的距離變為兩跳及兩跳以內的距離。發生時隙沖突的節點必須偵聽一定的時間周期后，重新選擇時隙。

本實施例中，當發生時隙沖突時，僅涉及到節點由“設備通信”到“設備沖突”狀態間的切換。即節點移動造成的從兩跳范圍外進入兩跳范圍內后的時隙沖突情況時，進入沖突狀態的節點所發送的數據不會被其他節點正常接收，這種情況會被其他節點的slot_save[]數組所感知并置位相應的沖突標志位；之后，發生沖突的節點接收到2-bit時隙信息表從而得知自己處于沖突狀態，該節點再次根據其本地維護slot_save[]數組，在未使用時隙中隨機選取。本實施例方法在一個超幀周期內，就可以解決入網節點的時隙沖突問題。根據本地端的更新后的時隙預存變量數組重新選取未占用的時隙，解決時隙沖突問題。

本實施例中，有限狀態機控制無線通信設備進入設備入網狀態包括：無線通信設備上電后的入網；無線通信設備從范圍之外移動至范圍之內。即節點入網分為兩種：上電“入網”或者從其他區域移動至兩跳范圍內的“入網”。前者對應于設備開機后的入網狀態，首先偵聽一個超幀周期，并在可用的未使用時隙中進行隨機選取，如果所選擇的時隙沒有與其他節點產生沖突，就會進入設備通信狀態，即正常通信狀態；對于后者，對于發生時隙沖突的情形，如前所述，實際上只涉及到“設備沖突”與“設備通信”狀態之間的切換，就可以解決入網節點的時隙沖突問題。

圖3給出了無線移動網絡中時隙沖突產生的示意圖。在圖3(a)中，所有節點已完成時隙分配且無沖突發生，由于節點A、B不在兩跳范圍內，所以即使這兩個節點均使用相同的時隙(例如SlotNum＝1)，也不會產生沖突。但是在圖3(b)中，由于節點C的移動，造成A、B彼此位于兩跳范圍以內，此時如果A、B仍然使用相同的時隙，就會在節點C處產生數據沖突。

本實施例中，有限狀態機控制無線通信設備進入設備離網狀態包括：

無沖突狀態下的離網，有限狀態機控制該無線通信設備直接釋放所占用的時隙，以供其他節點重新分配并使用該時隙；

沖突狀態下的暫時離網，有限狀態機控制該無線通信設備暫時離網，其他節點不可競爭該時隙，暫時離網的節點需要在一定時間后重新選擇未占用的時隙。

本實施例中，超幀由若干個幀組成，數量對應于網絡規模。超幀和幀作為多址接入周期的單位，提供了節點之間傳輸時延的保證。每一個幀由2-bit時隙信息域(沖突標識位C、時隙標識位S)和數據域(Data)組成，數據域用來傳輸正常的業務，2-bit時隙信息域則提供了所需的時隙使用及沖突信息。在通信過程的某一時隙中，其他節點收到幀后，首先將發送節點的時隙使用信息保存在本地的slot_save[]數組中，標明此時隙已被該節點占用，并在自己所維護的2-bit時隙信息表中置位相應的S位。沖突標志位則用來對兩跳范圍內的沖突節點進行自適應解決，即中間節點在指定周期內收不到slot_save[]數組中的某一時隙數據時，會將自己所維護的2-bit時隙信息表中對應的沖突標志位置位，并在下一周期內將所收集的時隙使用和沖突信息廣播出去，此時發生沖突的節點就會接收到此信息。由于沖突發生后的感知往往是在中繼節點處，因此，本實施例可以在一個周期內完成兩跳范圍內沖突節點的時隙重分配，本實施例方法不僅開銷小，且對時隙沖突的解決效率也非常高。

根據本發明的另一方面，還提供一種用于多跳無中心網絡的多址接入控制裝置，用于經多個無線通信設備形成的移動多跳無線網絡中各無線通信設備間的互聯互通，本實施例控制裝置可以參照上述方法實施例，具體地，參見圖4，其包括：

有限狀態機模塊100，用于控制對應的無線通信設備在多個狀態間的切換控制，多個狀態包括：設備入網、設備離網、設備沖突、設備通信；

時隙預存變量數組模塊200，用于存儲無線通信設備一跳范圍內所有節點所使用的時隙信息；

通信控制模塊300，用于采用超幀結構傳遞信息，超幀包括多個幀單元，各幀單元包括用于標識時隙使用及沖突信息的時隙信息域和用于傳輸業務信息的數據域，時隙信息域由兩個比特位構成，包括用于標識時隙使用信息的時隙標識位和用于標識時隙沖突信息的沖突標識位；

有限狀態機模塊100包括：切換控制子模塊110，用于根據時隙信息域控制無線通信設備在設備沖突與設備通信狀態間的切換控制。當發生時隙沖突時，經切換控制子模塊110實現節點由“設備沖突”到“設備通信”狀態間的切換。即節點移動造成的從兩跳范圍外進入兩跳范圍內后的時隙沖突情況時，進入沖突狀態的節點所發送的數據不會被其他節點正常接收，這種情況會被其他節點的slot_save[]數組所感知并置位相應的沖突標志位；之后，發生沖突的節點接收到2-bit時隙信息表從而得知自己處于沖突狀態，該節點再次根據其本地維護slot_save[]數組，在未使用時隙中隨機選取。本實施例方法在一個超幀周期內，就可以解決入網節點的時隙沖突問題。根據本地端的更新后的時隙預存變量數組重新選取未占用的時隙，解決時隙沖突問題。本實施例中，切換控制子模塊110包括：接收單元，用于接收到其他節點感知的時隙沖突信息；切換單元，用于根據本地端的更新后的時隙預存變量數組重新選取未占用的時隙。

本實施例中，有限狀態機模塊100還包括：入網控制子模塊120，用于無線通信設備上電后的入網和/或無線通信設備從范圍之外移動至范圍之內的入網。即節點入網分為兩種：上電“入網”或者從其他區域移動至兩跳范圍內的“入網”。前者對應于設備開機后的入網狀態，首先偵聽一個超幀周期，并在可用的未使用時隙中進行隨機選取，如果所選擇的時隙沒有與其他節點產生沖突，就會進入設備通信狀態，即正常通信狀態；對于后者，對于發生時隙沖突的情形，如前所述，實際上只涉及到“設備沖突”與“設備通信”狀態之間的切換，就可以解決入網節點的時隙沖突問題。

本實施例有限狀態機模塊100還包括：離網控制子模塊130，用于無沖突狀態下的離網和/或沖突狀態下的暫時離網控制；其中，無沖突狀態下的離網，離網控制子模塊控制該無線通信設備直接釋放所占用的時隙，以供其他節點重新分配并使用該時隙；沖突狀態下的暫時離網，離網控制子模塊控制該無線通信設備暫時離網，其他節點不可競爭該時隙，暫時離網的節點需要在一定時間后重新選擇未占用的時隙。

優選地，本實施例涉及的各模塊采用C語言并以模塊化的功能函數編制，實現設備的入網與離網，以及時隙分配的更新與沖突解決，從而便于多種設備不同操作系統間的快速移植。

本實施例方法所述的功能如果以軟件功能單元的形式實現并作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個或者多個計算設備可讀取存儲介質中。基于這樣的理解，本發明實施例對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟件產品的形式體現出來，該軟件產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算設備(可以是個人計算機，服務器，移動計算設備或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：U盤、移動硬盤、只讀存儲器(ROM,Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM,Random Access Memory)，磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。

由以上的描述可以得知，本實施例用于多跳無中心網絡的多址接入控制方法及控制裝置，適用于多跳無中心網絡的極低開銷且具有時延保證的多址接入沖突解決方法。該方法通過兩個比特的信息來表征時隙的分配和沖突情況，可以在一個超幀周期內實現沖突解決。在保證傳輸時延的同時，占用網絡資源極低，并且所設計的幀格式兼容原始報文的數據格式。該方法實現靈活、復雜度低，相較于傳統的時分多址接入協議，延伸了網絡應用范圍，不僅適用于一跳的全連通網絡，更可以用于拓撲動態變化的多跳移動網絡。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。