技术领域
[0001] 本
发明涉及无线通信网络技术领域，特别地，涉及一种用于多跳无中心网络的多址接入控制方法及控制装置。
背景技术
[0002] 具有无线通信功能的设备越来越多，例如智能家居设备、车载无线通信装置等等，因此对这些设备的组网需求也越来越广。尤其是用户对终端便携性、移动性的要求，需要设备形成的无线通信网络更加灵活和高效，这种分布式无中心的网络系统所采用的组网协议，即多址接入方法至关重要。
[0003] 分布式无线网络常常采用两类多址接入方法：一种是基于载波侦听的多址接入方法(CSMA，Carrier Sense Multiple Access)，另一种是基于时隙分配的多址接入方法(TDMA，Time Division Multiple Access)。基于载波侦听的多址接入协议，是一种分布式介质
访问控制协议，每个站(
节点)在发送数据
帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站监听到介质空闲并同时发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能
力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。CSMA能够提供灵活快速的组网方案，但是网络性能尤其是传输时延无法保证。TDMA是把时间分割成周期性的帧(Frame)，每一个帧再分割成若干个时隙，在传统的TDMA设计中，节点在对应的时隙向基站发送
信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动终端只要在
指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。TDMA因可以提供服务
质量保证，已经在越来越多的应用场景中得到应用，但是如何有效解决分布式环境下该类协议中的时隙冲突问题以及协议本身的效率问题(
算法复杂度、协议开销等)，是整个网络系统能否正常运行并得以广泛应用的关键，现有的TDMA为避免时隙冲突导致算法复杂度、协议开销大，是亟待解决的技术问题。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种用于多跳无中心网络的多址接入控制方法及控制装置，以解决现有的分布式无线网络多址接入时时隙分配及冲突控制导致的算法复杂度及协议开销大的技术问题。
[0005] 本发明采用的技术方案如下：
[0006] 根据本发明的一个方面，提供一种用于多跳无中心网络的多址接入控制方法，用于经多个无线通信设备形成的移动多跳无线网络中各无线通信设备间的互联互通，本发明控制方法包括：
[0007] 无线通信设备经有限状态机控制其在多个状态间的切换控制，多个状态包括：设备入网、设备离网、设备冲突、设备通信；
[0008] 无线通信设备处设有时隙预存变量数组，用于存储该无线通信设备一跳范围内所有节点所使用的时隙信息；
[0009] 无线通信设备通信采用超帧结构传递信息，超帧包括多个帧单元，各帧单元包括用于标识时隙使用及冲突信息的时隙信息域和用于传输业务信息的数据域，时隙信息域由两个比特构成，包括用于标识时隙使用信息的时隙标识位和用于标识时隙冲突信息的冲突标识位；
[0010] 有限状态机根据时隙信息域控制无线通信设备在设备冲突与设备通信状态间的切换控制。
[0011] 进一步地，有限状态机根据时隙信息域控制无线通信设备在设备冲突与设备通信状态间的切换控制包括：
[0013] 根据本地端的更新后的时隙预存变量数组重新选取未占用的时隙。
[0014] 进一步地，有限状态机控制无线通信设备进入设备入网状态包括：
[0015] 无线通信设备上电后的入网；
[0016] 无线通信设备从范围之外移动至范围之内。
[0017] 进一步地，有限状态机控制无线通信设备进入设备离网状态包括：
[0018] 无冲突状态下的离网，有限状态机控制该无线通信设备直接释放所占用的时隙，以供其他节点重新分配并使用该时隙；
[0019] 冲突状态下的暂时离网，有限状态机控制该无线通信设备暂时离网，其他节点不可竞争该时隙。
[0020] 根据本发明的另一方面，还提供一种用于多跳无中心网络的多址接入控制装置，用于经多个无线通信设备形成的移动多跳无线网络中各无线通信设备间的互联互通，本发明控制装置包括：
[0021] 有限状态机模
块，用于控制对应的无线通信设备在多个状态间的切换控制，多个状态包括：设备入网、设备离网、设备冲突、设备通信；
[0022] 时隙预存变量数组模块，用于存储无线通信设备一跳范围内所有节点所使用的时隙信息；
[0023] 通信控
制模块，用于采用超帧结构传递信息，超帧包括多个帧单元，各帧单元包括用于标识时隙使用及冲突信息的时隙信息域和用于传输业务信息的数据域，时隙信息域由两个比特位构成，包括用于标识时隙使用信息的时隙标识位和用于标识时隙冲突信息的冲突标识位；
[0024] 有限状态机模块包括：切换控制子模块，用于根据时隙信息域控制无线通信设备在设备冲突与设备通信状态间的切换控制。
[0025] 进一步地，切换控制子模块包括：
[0026] 接收单元，用于接收到其他节点感知的时隙冲突信息；
[0027] 切换单元，用于根据本地端的更新后的时隙预存变量数组重新选取未占用的时隙。
[0028] 进一步地，有限状态机模块还包括：
[0029] 入网控制子模块，用于无线通信设备上电后的入网和/或无线通信设备从范围之外移动至范围之内的入网。
[0030] 进一步地，有限状态机模块还包括：
[0031] 离网控制子模块，用于无冲突状态下的离网和/或冲突状态下的暂时离网控制；
[0032] 其中，无冲突状态下的离网，离网控制子模块控制该无线通信设备直接释放所占用的时隙，以供其他节点重新分配并使用该时隙；
[0033] 冲突状态下的暂时离网，离网控制子模块控制该无线通信设备暂时离网，其他节点不可竞争该时隙。
[0034] 本发明具有以下有益效果：
[0035] 本发明用于多跳无中心网络的多址接入控制方法及控制装置，基于减少协议开销、提高协议效率及确保避免无线通信设备间信息传递的时隙冲突的原则，设计了合理的帧结构，且通过有限状态机实现无线通信设备在多个状态间的切换控制，仅需采用两个比特构成时隙信息域，提供所需的时隙使用及冲突信息，利用冲突标识位实现对两跳范围内冲突节点的自适应解决，既保证了传递时延，又降低了协议开销，有效解决了
现有技术中需要在帧结构中设计复杂的信息域导致的算法复杂度及协议开销大的问题，进而提高了分布式无中心网络中多址接入时隙冲突的解决效率，具有广泛的应用价值。
[0036] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照
附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0037] 构成本
申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性
实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0038] 图1是本发明优选实施例用于多跳无中心网络的多址接入控制方法中有限状态机转移的结构示意图；
[0039] 图2是本发明优选实施例中帧结构的示意图；
[0040] 图3是本发明优选实施例中无线移动网络产生时隙冲突的结构示意图；其中，图3(a)为冲突前的示意图，图3(b)为冲突状态的示意图；
[0041] 图4是本实施例用于多跳无中心网络的多址接入控制装置的原理方框示意图。
具体实施方式
[0042] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0043] 无线通信设备形成的网络中，保持设备间的互联互通非常重要，两个设备之间存在直接的连通关系，称之为一跳。需要通过一个设备的中继才能实现互通的，称之为两跳，依此类推，无线通信设备之间的通信距离往往用跳数来衡量。两跳(包括两跳)以内的设备如果在相同的时间进行数据传输，就会产生数据碰撞，即所谓的冲突。此外，采用时分多址接入的无线网络都会采用一定的算法或装置(GPS、北斗等)达到时钟同步。在此前提下，时分多址接入的主要问题就是时隙冲突。因此，本发明要解决的技术问题是：如何在尽量少的网络开销情况下，设计合理的帧格式以及相应的时隙分配方法，在提供时延保证的前提下，解决无线通信设备在组网过程中存在的时隙冲突问题。
[0044] 本发明的优选实施例提供了一种用于多跳无中心网络的多址接入控制方法，用于经多个无线通信设备形成的移动多跳无线网络中各无线通信设备间的互联互通，本实施例控制方法包括：
[0045] 参照图1，无线通信设备(下文称之为节点)经有限状态机(Finite-state machine，简称FSM)控制其在多个状态间的切换控制，多个状态包括：设备入网、设备离网、设备冲突、设备通信；其中，设备入网(即图1中的入网)是指节点接入无线网络对应的状态，设备离网(即图1中的离网)是指节点离开无线网络的状态，设备冲突(即图1中的冲突)是指两跳以内的节点分配相同时隙导致的冲突的状态，设备通信(即图1中的无冲突)是指两个节点之间不存在时隙冲突的正常状态。
[0046] 节点处设有时隙预存变量数组，用于存储该节点一跳范围内所有节点所使用的时隙信息；本实施例中，每个节点维护一个时隙预存变量数组(slot_save[])，用于保存该节点一跳范围内所有节点所使用的时隙信息。
[0047] 节点间通信采用超帧结构传递信息，参见图2，超帧包括多个帧单元，各帧单元包括用于标识时隙使用及冲突信息的时隙信息域和用于传输业务信息的数据域，时隙信息域由两个比特构成，包括用于标识时隙使用信息的时隙标识位和用于标识时隙冲突信息的冲突标识位。即本实施例中，设计并采用2-bit的时隙信息域，1-bit为冲突标识位(Collision，简称C位)，1-bit为时隙标识位(Slot，简称S位)。超帧由若干个帧组成，数量对应于网络规模大小。每一个帧由2-bit时隙信息域(冲突标识位C、时隙标识位S)和数据域(Data)组成，数据域用来传输正常的业务，2-bit时隙信息域则提供了所需的时隙使用及冲突信息。
[0048] 有限状态机根据时隙信息域控制无线通信网络中节点在设备冲突与设备通信状态间的切换控制。
[0049] 本实施例通过有限状态机设计，有效表述设备组网过程中入网、离网、通信等阶段的时隙分配与冲突产生情况，并通过帧格式设计，以获取解决问题所需要的时隙相关信息。考虑到实现复杂度，本实施例状态机设计简洁、且各时隙对应的时隙信息域仅需占用两个比特，实现设备的入网、离网及时隙分配的更新与冲突解决，网络开销小。
[0050] 本实施例中，有限状态机根据时隙信息域控制节点在设备冲突与设备通信状态间的切换控制包括：
[0051] 接收到其他节点感知的时隙冲突信息；具体地，时隙冲突发生的范围是距离两跳以内的节点之间，本实施例中，对节点的时隙分配满足以下条件：(1)、一跳范围内的其他节点不能分配相同的时隙，否则会产生数据发送冲突；(2)考虑到两跳范围内中继节点的存在(意味着通信收发两端需要第三方实现数据转发)，因此，两跳网络中收发节点不能分配相同的时隙；(3)两跳以上的收发节点可以使用相同的时隙，此时不会产生数据冲突。综上所述，在入网的时隙分配过程中必须避免两跳范围以内的节点使用相同的时隙。本实施例时隙冲突发生的时刻则是新节点的上电加入或其他节点由于移动从两跳以上的距离变为两跳及两跳以内的距离。发生时隙冲突的节点必须侦听一定的时间周期后，重新选择时隙。
[0052] 本实施例中，当发生时隙冲突时，仅涉及到节点由“设备通信”到“设备冲突”状态间的切换。即节点移动造成的从两跳范围外进入两跳范围内后的时隙冲突情况时，进入冲突状态的节点所发送的数据不会被其他节点正常接收，这种情况会被其他节点的slot_save[]数组所感知并置位相应的冲突标志位；之后，发生冲突的节点接收到2-bit时隙信息表从而得知自己处于冲突状态，该节点再次根据其本地维护slot_save[]数组，在未使用时隙中随机选取。本实施例方法在一个超帧周期内，就可以解决入网节点的时隙冲突问题。根据本地端的更新后的时隙预存变量数组重新选取未占用的时隙，解决时隙冲突问题。
[0053] 本实施例中，有限状态机控制无线通信设备进入设备入网状态包括：无线通信设备上电后的入网；无线通信设备从范围之外移动至范围之内。即节点入网分为两种：上电“入网”或者从其他区域移动至两跳范围内的“入网”。前者对应于设备开机后的入网状态，首先侦听一个超帧周期，并在可用的未使用时隙中进行随机选取，如果所选择的时隙没有与其他节点产生冲突，就会进入设备通信状态，即正常通信状态；对于后者，对于发生时隙冲突的情形，如前所述，实际上只涉及到“设备冲突”与“设备通信”状态之间的切换，就可以解决入网节点的时隙冲突问题。
[0054] 图3给出了无线移动网络中时隙冲突产生的示意图。在图3(a)中，所有节点已完成时隙分配且无冲突发生，由于节点A、B不在两跳范围内，所以即使这两个节点均使用相同的时隙(例如SlotNum＝1)，也不会产生冲突。但是在图3(b)中，由于节点C的移动，造成A、B彼此位于两跳范围以内，此时如果A、B仍然使用相同的时隙，就会在节点C处产生数据冲突。
[0055] 本实施例中，有限状态机控制无线通信设备进入设备离网状态包括：
[0056] 无冲突状态下的离网，有限状态机控制该无线通信设备直接释放所占用的时隙，以供其他节点重新分配并使用该时隙；
[0057] 冲突状态下的暂时离网，有限状态机控制该无线通信设备暂时离网，其他节点不可竞争该时隙，暂时离网的节点需要在一定时间后重新选择未占用的时隙。
[0058] 本实施例中，超帧由若干个帧组成，数量对应于网络规模。超帧和帧作为多址接入周期的单位，提供了节点之间传输时延的保证。每一个帧由2-bit时隙信息域(冲突标识位C、时隙标识位S)和数据域(Data)组成，数据域用来传输正常的业务，2-bit时隙信息域则提供了所需的时隙使用及冲突信息。在通信过程的某一时隙中，其他节点收到帧后，首先将发送节点的时隙使用信息保存在本地的slot_save[]数组中，标明此时隙已被该节点占用，并在自己所维护的2-bit时隙信息表中置位相应的S位。冲突标志位则用来对两跳范围内的冲突节点进行自适应解决，即中间节点在指定周期内收不到slot_save[]数组中的某一时隙数据时，会将自己所维护的2-bit时隙信息表中对应的冲突标志
位置位，并在下一周期内将所收集的时隙使用和冲突信息广播出去，此时发生冲突的节点就会接收到此信息。由于冲突发生后的感知往往是在中继节点处，因此，本实施例可以在一个周期内完成两跳范围内冲突节点的时隙重分配，本实施例方法不仅开销小，且对时隙冲突的解决效率也非常高。
[0059] 根据本发明的另一方面，还提供一种用于多跳无中心网络的多址接入控制装置，用于经多个无线通信设备形成的移动多跳无线网络中各无线通信设备间的互联互通，本实施例控制装置可以参照上述方法实施例，具体地，参见图4，其包括：
[0060] 有限状态机模块100，用于控制对应的无线通信设备在多个状态间的切换控制，多个状态包括：设备入网、设备离网、设备冲突、设备通信；
[0061] 时隙预存变量数组模块200，用于存储无线通信设备一跳范围内所有节点所使用的时隙信息；
[0062] 通信
控制模块300，用于采用超帧结构传递信息，超帧包括多个帧单元，各帧单元包括用于标识时隙使用及冲突信息的时隙信息域和用于传输业务信息的数据域，时隙信息域由两个比特位构成，包括用于标识时隙使用信息的时隙标识位和用于标识时隙冲突信息的冲突标识位；
[0063] 有限状态机模块100包括：切换控制子模块110，用于根据时隙信息域控制无线通信设备在设备冲突与设备通信状态间的切换控制。当发生时隙冲突时，经切换控制子模块110实现节点由“设备冲突”到“设备通信”状态间的切换。即节点移动造成的从两跳范围外进入两跳范围内后的时隙冲突情况时，进入冲突状态的节点所发送的数据不会被其他节点正常接收，这种情况会被其他节点的slot_save[]数组所感知并置位相应的冲突标志位；
之后，发生冲突的节点接收到2-bit时隙信息表从而得知自己处于冲突状态，该节点再次根据其本地维护slot_save[]数组，在未使用时隙中随机选取。本实施例方法在一个超帧周期内，就可以解决入网节点的时隙冲突问题。根据本地端的更新后的时隙预存变量数组重新选取未占用的时隙，解决时隙冲突问题。本实施例中，切换控制子模块110包括：接收单元，用于接收到其他节点感知的时隙冲突信息；切换单元，用于根据本地端的更新后的时隙预存变量数组重新选取未占用的时隙。
[0064] 本实施例中，有限状态机模块100还包括：入网控制子模块120，用于无线通信设备上电后的入网和/或无线通信设备从范围之外移动至范围之内的入网。即节点入网分为两种：上电“入网”或者从其他区域移动至两跳范围内的“入网”。前者对应于设备开机后的入网状态，首先侦听一个超帧周期，并在可用的未使用时隙中进行随机选取，如果所选择的时隙没有与其他节点产生冲突，就会进入设备通信状态，即正常通信状态；对于后者，对于发生时隙冲突的情形，如前所述，实际上只涉及到“设备冲突”与“设备通信”状态之间的切换，就可以解决入网节点的时隙冲突问题。
[0065] 本实施例有限状态机模块100还包括：离网控制子模块130，用于无冲突状态下的离网和/或冲突状态下的暂时离网控制；其中，无冲突状态下的离网，离网控制子模块控制该无线通信设备直接释放所占用的时隙，以供其他节点重新分配并使用该时隙；冲突状态下的暂时离网，离网控制子模块控制该无线通信设备暂时离网，其他节点不可竞争该时隙，暂时离网的节点需要在一定时间后重新选择未占用的时隙。
[0066] 优选地，本实施例涉及的各模块采用C语言并以模块化的功能函数编制，实现设备的入网与离网，以及时隙分配的更新与冲突解决，从而便于多种设备不同
操作系统间的快速移植。
[0067] 本实施例方法所述的功能如果以
软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个或者多个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，
服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动
硬盘、只读
存储器(ROM,Read-Only Memory)、
随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)，磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0068] 由以上的描述可以得知，本实施例用于多跳无中心网络的多址接入控制方法及控制装置，适用于多跳无中心网络的极低开销且具有时延保证的多址接入冲突解决方法。该方法通过两个比特的信息来表征时隙的分配和冲突情况，可以在一个超帧周期内实现冲突解决。在保证传输时延的同时，占用网络资源极低，并且所设计的帧格式兼容原始报文的数据格式。该方法实现灵活、复杂度低，相较于传统的时分多址接入协议，延伸了网络应用范围，不仅适用于一跳的全连通网络，更可以用于拓扑动态变化的多跳移动网络。
[0069] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
