李雨汝 劉月坤

收稿日期：2023-08-11

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.010

摘? 要：文章充分調(diào)研了截至目前跳頻組網(wǎng)國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合我國跳頻電臺(tái)對(duì)組網(wǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)長度的實(shí)際需求，開展了一種基于TDMA技術(shù)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙跳頻組網(wǎng)方式的研究，該跳頻組網(wǎng)方式區(qū)別于時(shí)分多址固定時(shí)隙組網(wǎng)，能夠使網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)長度合理有效分配時(shí)隙地址，真正做到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)長度靈活可變，實(shí)現(xiàn)跳頻電臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)長度動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙，合理減少了時(shí)隙地址浪費(fèi)，有效提高整體數(shù)據(jù)傳輸速率。

關(guān)鍵詞：TDMA；跳頻；組網(wǎng)；動(dòng)態(tài)時(shí)隙

中圖分類號(hào)：TN914? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）06-0044-05

Research on Dynamic Time Slot Frequency Hopping Networking Based on

TDMA Technology

LI Yuru， LIU Yuekun

（The State Radio Monitoring Center Testing Center， Beijing? 100043， China）

Abstract： This paper fully investigates the development status of frequency hopping networking at home and abroad so far， and combines the actual needs of China's frequency hopping radio stations for dynamic adjustment of the transmission data length of networking， and carries out a research on a dynamic time slot hopping networking method based on TDMA technology， which is different from time division multiple access fixed time slot networking， which can enable nodes in the network to reasonably and effectively allocate time slot addresses according to the length of the transmitted data， and truly achieve flexible and variable length of data sent by network nodes. The frequency hopping station can dynamically allocate time slots according to the data length， reasonably reducing the waste of time slot addresses and effectively improving the overall data transmission rate.

Keywords： TDMA; frequency hopping; networking; dynamic time slot

0? 引? 言

作為信息時(shí)代發(fā)展史上重要的標(biāo)志，無線通信技術(shù)[1]的高速發(fā)展帶動(dòng)著各行各業(yè)革命性的變革。伴隨著無線通信技術(shù)的廣泛運(yùn)用，其帶來的干擾日益嚴(yán)重。跳頻無線通信技術(shù)作為一種具有截獲概率低、抗衰減能力強(qiáng)、保密性強(qiáng)的新型抗干擾技術(shù)，迅速風(fēng)靡軍事及民用領(lǐng)域[2]。伴隨著無線通信時(shí)代的飛速發(fā)展，人們對(duì)無線通信需求也是日益增強(qiáng)，無線跳頻網(wǎng)絡(luò)因其移動(dòng)性、靈活性以及良好的擴(kuò)展性被廣泛運(yùn)用[3]。傳統(tǒng)跳頻組網(wǎng)無法適應(yīng)通信新需求，多種可變跳頻組網(wǎng)模式的研究迫在眉睫。

1? 研究現(xiàn)狀及背景

跳頻組網(wǎng)是一種可以自行組成網(wǎng)絡(luò)并按照頻譜圖案進(jìn)行躍變的多跳網(wǎng)絡(luò)通信方式，其跳頻方式在提高單跳網(wǎng)絡(luò)受限因素的前提下，同時(shí)增強(qiáng)了通信傳輸?shù)挠行Э煽啃?。跳頻組網(wǎng)在軍事領(lǐng)域，因其快速建網(wǎng)、抗毀性強(qiáng)的特點(diǎn)，常運(yùn)用于野外突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、群組通信、無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，成為一種數(shù)字化戰(zhàn)爭(zhēng)的關(guān)鍵技術(shù)；在民事領(lǐng)域，在室內(nèi)辦公、室外活動(dòng)、緊急報(bào)警、醫(yī)療監(jiān)護(hù)以及城市生命線方面都有重要應(yīng)用前景。無線跳頻組網(wǎng)的通信優(yōu)勢(shì)可滿足用戶隨時(shí)隨地進(jìn)行信息交換的通信指標(biāo)，已成為通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主流的發(fā)展方向。

時(shí)分多址TDMA技術(shù)是一種基于時(shí)隙劃分概念的組網(wǎng)技術(shù)，即將時(shí)間劃分為不同時(shí)隙，分配給網(wǎng)內(nèi)不同的節(jié)點(diǎn)，讓網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)占據(jù)不同時(shí)隙共享信道通信[4]。隨著網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸需求增多，固定時(shí)隙時(shí)分多址技術(shù)無法根據(jù)節(jié)點(diǎn)靈活業(yè)務(wù)進(jìn)行功能變更，造成網(wǎng)內(nèi)時(shí)間周期變長及時(shí)隙浪費(fèi)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈路傳輸層傳輸速率降低[5]，數(shù)據(jù)拆分發(fā)送以及數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延大等現(xiàn)象，直接限制了跳頻組網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸速率及數(shù)據(jù)完整性，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)性能。

與此不同，動(dòng)態(tài)時(shí)隙時(shí)分多址組網(wǎng)技術(shù)能根據(jù)本網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)隙，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信情況，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸周期內(nèi)時(shí)隙動(dòng)態(tài)預(yù)約和分配，能夠增加信道利用率[6]。但隨著網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)大批量增多，常見傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)分配組網(wǎng)，常會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)混亂現(xiàn)象，傳輸誤碼率提高，影響網(wǎng)絡(luò)性能，因此，本文基于傳統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)方式提出一種新型的組網(wǎng)方式。

本文提及的基于時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)方法是在時(shí)幀和時(shí)隙概念基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，即一個(gè)階段可分為多個(gè)傳輸時(shí)幀周期，每個(gè)時(shí)幀周期又可劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙在組網(wǎng)協(xié)議方法中被動(dòng)態(tài)賦予不同的狀態(tài)執(zhí)行不同的傳輸指令[7]。

2? 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

跳頻技術(shù)作為通信最重要的常規(guī)技術(shù)，其發(fā)展過程非常精彩，發(fā)展速度也相當(dāng)迅速。跳頻技術(shù)的發(fā)展可以概括為：五十年代開展了理論研究，六七十年代研發(fā)了技術(shù)指標(biāo)，八九十年代以后推廣使用[8]，如今的跳頻電臺(tái)更是在基于單片機(jī)、FPGA、DSP的硬件控制平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了高要求高指標(biāo)高性能的要求。

組網(wǎng)能力作為無線跳頻通信技術(shù)的基本要求之一，其發(fā)展更是備受世人關(guān)注。WLAN組網(wǎng)作為一種常見的單跳組網(wǎng)，其抗噪聲能力、數(shù)據(jù)傳輸速率及距離都很受限[9]，跳頻是常用的擴(kuò)頻方式之一，其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的頻率按照預(yù)定規(guī)律和圖案進(jìn)行離散變化的通信方式，這種工作方式合理有效地增強(qiáng)了通信傳輸有效可靠性[10]。

目前在研究領(lǐng)域有多種動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法，一種是利用主節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙更新表方式進(jìn)行時(shí)隙預(yù)約，時(shí)隙預(yù)約靈活性強(qiáng)，但算法運(yùn)行復(fù)雜度高與跳頻電臺(tái)瑞薩單片機(jī)處理運(yùn)算能力不匹配；還有一種是利用發(fā)送節(jié)點(diǎn)握手方式實(shí)現(xiàn)時(shí)隙預(yù)約，可有效避免預(yù)約沖突，但當(dāng)跳頻電臺(tái)連續(xù)進(jìn)行長包數(shù)據(jù)預(yù)約時(shí)，導(dǎo)致預(yù)約次數(shù)及預(yù)約時(shí)隙占用過多，數(shù)據(jù)傳輸延遲大，使動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)性能幾乎降低到固定時(shí)隙組網(wǎng)，嚴(yán)重降低數(shù)據(jù)傳輸速率。

3? 動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)時(shí)序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（PMP）結(jié)構(gòu)，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)可劃分為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)兩種身份，網(wǎng)內(nèi)一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)可彼此進(jìn)行多對(duì)多數(shù)據(jù)通信。組網(wǎng)方式是基于時(shí)分多址技術(shù)進(jìn)行研究的，時(shí)分多址技術(shù)是一種基于時(shí)隙劃分概念的組網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)可占據(jù)不同時(shí)隙共享信道通信。本章節(jié)主要介紹動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)的具體結(jié)構(gòu)及協(xié)議設(shè)計(jì)內(nèi)容，此通信組網(wǎng)方法包括初始同步入網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段，同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸階段包括四個(gè)過程：時(shí)隙預(yù)約及數(shù)據(jù)傳輸過程、時(shí)隙切換過程、勤務(wù)同步及遲入網(wǎng)過程，動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)初始時(shí)序結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

初始同步入網(wǎng)包括初始同步和跳頻初始預(yù)約兩個(gè)階段，具體過程如下。

初始同步過程：由主節(jié)點(diǎn)在f1固定頻點(diǎn)周期性廣播時(shí)間同步幀，從節(jié)點(diǎn)收到時(shí)間同步幀后對(duì)齊本地時(shí)鐘，并在各自固定時(shí)隙應(yīng)答反饋幀，兩個(gè)周期內(nèi)完成同步入網(wǎng)，此時(shí)同步周期時(shí)隙數(shù)目Num與網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目相同。

跳頻初始預(yù)約階段：完成初始同步入網(wǎng)后，進(jìn)入跳頻初始預(yù)約階段，初始預(yù)約階段默認(rèn)為網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)皆無數(shù)據(jù)傳輸，傳輸周期由網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)預(yù)約時(shí)隙組成。在此階段每個(gè)時(shí)隙傳輸頻點(diǎn)可根據(jù)跳頻圖案進(jìn)行跳變，跳頻頻點(diǎn)的切換頻率與組網(wǎng)時(shí)隙的切換頻率相同，保證每一個(gè)組網(wǎng)周期內(nèi)的時(shí)隙具有不同的頻點(diǎn)fi。跳頻初始預(yù)約周期時(shí)隙數(shù)S與網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)Num具體關(guān)系為：

S = TNum + 1

完成時(shí)隙預(yù)約后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段，動(dòng)態(tài)時(shí)隙數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖如圖2所示。

勤務(wù)同步遲入網(wǎng)過程：此勤務(wù)同步及遲入網(wǎng)方法是在同步字頭和獨(dú)立信道法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的方法。以主節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中時(shí)鐘中心，將勤務(wù)同步功能和遲入網(wǎng)功能合二為一，優(yōu)化軟件運(yùn)行結(jié)構(gòu)，既能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)電臺(tái)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間勤務(wù)同步，同時(shí)能夠保證網(wǎng)外待入網(wǎng)電臺(tái)成功入網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遲入網(wǎng)功能。

時(shí)隙預(yù)約及數(shù)據(jù)傳輸過程：此過程包括時(shí)隙預(yù)約和數(shù)據(jù)互傳兩個(gè)實(shí)現(xiàn)過程。時(shí)隙預(yù)約過程即網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)識(shí)別循環(huán)隊(duì)列內(nèi)有待發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送時(shí)隙預(yù)約幀進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)時(shí)隙預(yù)約的過程。數(shù)據(jù)互傳過程即為網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)在預(yù)約的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的過程，其中數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)傳輸幀的形式進(jìn)行傳輸。

如圖2所示，主節(jié)點(diǎn)在第2個(gè)時(shí)隙進(jìn)入預(yù)約時(shí)隙，判斷循環(huán)隊(duì)列內(nèi)是否有需要發(fā)送傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)則發(fā)送時(shí)隙預(yù)約幀進(jìn)行預(yù)約3時(shí)隙，網(wǎng)內(nèi)從節(jié)點(diǎn)收到此時(shí)隙預(yù)約幀后，進(jìn)行時(shí)隙退讓，將自己對(duì)應(yīng)的預(yù)約時(shí)隙進(jìn)行順延一個(gè)；繼而主節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)退讓出的3時(shí)隙讀取此時(shí)循環(huán)隊(duì)列內(nèi)數(shù)據(jù)長度，若數(shù)據(jù)長度大于射頻模塊單包傳輸數(shù)據(jù)最大字節(jié)數(shù)，則將預(yù)約信息放在數(shù)據(jù)傳輸幀進(jìn)行發(fā)送，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)識(shí)別數(shù)據(jù)傳輸幀預(yù)約信息后，可自行進(jìn)行時(shí)隙退讓，即主節(jié)點(diǎn)又成功預(yù)約4時(shí)隙，主節(jié)點(diǎn)在4時(shí)隙讀取循環(huán)隊(duì)列內(nèi)無數(shù)據(jù)，則此數(shù)據(jù)傳輸幀幀頭不包含預(yù)約信息，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到此數(shù)據(jù)傳輸幀后，只需處理數(shù)據(jù)，無須退避時(shí)隙。此時(shí)從節(jié)點(diǎn)1的預(yù)約時(shí)隙由原來的3時(shí)隙退避為5時(shí)隙，繼而重復(fù)上述時(shí)隙預(yù)約和數(shù)據(jù)互傳過程。

若在同一周期，網(wǎng)內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)都需發(fā)送數(shù)據(jù)，則按照節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)依次發(fā)送，節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)按照節(jié)點(diǎn)ID大小排序，主節(jié)點(diǎn)為最高優(yōu)先級(jí)，從節(jié)點(diǎn)1優(yōu)先級(jí)大于從節(jié)點(diǎn)2，依次排序。其中，M值與通信組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)Num及節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)長度有關(guān)。

時(shí)隙切換過程：當(dāng)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)在預(yù)約時(shí)隙判斷本節(jié)點(diǎn)無數(shù)據(jù)待發(fā)時(shí)，向網(wǎng)內(nèi)發(fā)送時(shí)隙切換幀，進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)時(shí)隙切換的過程。若時(shí)隙長度選取為7.5 ms，7.5 ms中包含發(fā)送端1 ms時(shí)間空白保護(hù)窗，其余6.5 ms可確保一次通信傳輸?shù)耐瓿?。在?shù)據(jù)傳輸周期的預(yù)約時(shí)隙無數(shù)據(jù)待發(fā)時(shí)，此7.5 ms時(shí)隙電臺(tái)若執(zhí)行空白操作，則導(dǎo)致網(wǎng)內(nèi)信道7.5 ms無數(shù)據(jù)空窗期，造成信道與時(shí)隙的浪費(fèi)；尤其當(dāng)實(shí)際運(yùn)用中網(wǎng)內(nèi)部分電臺(tái)通信頻率低（通信次數(shù)少）的時(shí)候，更是造成網(wǎng)內(nèi)長時(shí)間的時(shí)隙浪費(fèi)現(xiàn)象，使網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)無法高效傳輸有用信息。我們假設(shè)主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)1無待發(fā)數(shù)據(jù)，不需要預(yù)約數(shù)據(jù)互傳時(shí)隙。當(dāng)不開啟時(shí)隙切換功能時(shí)，一個(gè)組網(wǎng)傳輸周期內(nèi)有M個(gè)時(shí)隙，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)1無數(shù)據(jù)需要發(fā)送，仍需保持兩個(gè)7.5 ms空白無操作等待時(shí)隙，即造成兩個(gè)時(shí)隙的浪費(fèi)。當(dāng)網(wǎng)內(nèi)開啟時(shí)隙切換功能時(shí)，主節(jié)點(diǎn)識(shí)別本節(jié)點(diǎn)循環(huán)隊(duì)列內(nèi)無待發(fā)數(shù)據(jù)，則發(fā)送時(shí)隙切換命令幀，從節(jié)點(diǎn)收到此時(shí)隙命令切換幀后切至下一時(shí)隙，縮短主節(jié)點(diǎn)預(yù)約時(shí)隙空白等待時(shí)間。鑒于完成一次時(shí)隙命令切換幀傳輸需要時(shí)間較短，整體1次時(shí)隙切換操作可近似縮短傳輸周期1個(gè)時(shí)隙的時(shí)間長度。這種時(shí)隙切換方法優(yōu)點(diǎn)是可快速消減網(wǎng)內(nèi)無操作的空白等待時(shí)隙，加速網(wǎng)絡(luò)周期內(nèi)有效數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)可根據(jù)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸情況靈活優(yōu)化周期時(shí)隙結(jié)構(gòu)，使動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)方案更加滿足其動(dòng)態(tài)和高效靈活的特點(diǎn)。

4? 動(dòng)態(tài)組網(wǎng)數(shù)據(jù)通信幀

上一章節(jié)主要介紹了動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)協(xié)議的設(shè)計(jì)，包括初始同步及數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段的時(shí)序工作圖，其網(wǎng)內(nèi)信息及數(shù)據(jù)傳輸方式是通過不同通信幀進(jìn)行傳輸?shù)?。本章?jié)主要介紹其組網(wǎng)傳輸?shù)耐ㄐ艓墓δ芗案袷?，在上述組網(wǎng)過程中主要應(yīng)用了五種通信幀：初始同步時(shí)間幀、勤務(wù)同步及遲入網(wǎng)時(shí)間幀、時(shí)隙切換命令幀、時(shí)隙預(yù)約幀、數(shù)據(jù)傳輸幀。

4.1? 初始同步時(shí)間幀

在動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)設(shè)計(jì)中，主節(jié)點(diǎn)在初始同步階段通過發(fā)送初始同步時(shí)間幀來完成網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的同步入網(wǎng)過程。待入網(wǎng)電臺(tái)收到此初始同步時(shí)間幀后，讀取時(shí)間信息并進(jìn)行本節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘更新替換，達(dá)到時(shí)間與時(shí)隙的對(duì)齊，然后讀取起始頻點(diǎn)，進(jìn)入跳頻圖案為下一時(shí)隙跳頻做好準(zhǔn)備。

4.2? 勤務(wù)同步及遲入網(wǎng)時(shí)間幀

網(wǎng)內(nèi)數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段后，主節(jié)點(diǎn)電臺(tái)在第一時(shí)隙廣播發(fā)送勤務(wù)同步及遲入網(wǎng)時(shí)間幀，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)電臺(tái)時(shí)間同步及網(wǎng)外電臺(tái)遲入網(wǎng)功能。

4.3? 時(shí)隙切換命令幀

當(dāng)網(wǎng)內(nèi)的某節(jié)點(diǎn)無數(shù)據(jù)待發(fā)時(shí)，則向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送時(shí)隙切換命令幀，網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)收到此通信幀后，進(jìn)行相應(yīng)時(shí)隙切換。當(dāng)網(wǎng)內(nèi)某節(jié)點(diǎn)識(shí)別本節(jié)點(diǎn)循環(huán)隊(duì)列內(nèi)無待發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，向網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)發(fā)送此幀，網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)收到此幀后，識(shí)別時(shí)隙切換命令及切換時(shí)隙信息，將時(shí)隙計(jì)時(shí)器清空，根據(jù)時(shí)隙號(hào)進(jìn)行切換以實(shí)現(xiàn)時(shí)隙切換的目的。

4.4? 時(shí)隙預(yù)約幀

網(wǎng)內(nèi)電臺(tái)識(shí)別循環(huán)隊(duì)列內(nèi)有上位機(jī)待發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行廣播發(fā)送時(shí)隙預(yù)約幀進(jìn)行發(fā)送時(shí)隙預(yù)約。當(dāng)網(wǎng)內(nèi)某節(jié)點(diǎn)讀到其循環(huán)隊(duì)列內(nèi)有上位機(jī)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，則在自己的預(yù)約時(shí)隙向網(wǎng)內(nèi)廣播發(fā)送時(shí)隙預(yù)約幀信息，網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)收到此時(shí)隙預(yù)約幀后，識(shí)別預(yù)約命令及預(yù)約時(shí)隙，將此節(jié)點(diǎn)的預(yù)約的發(fā)送時(shí)隙預(yù)留，便于此節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無沖突數(shù)據(jù)發(fā)送。

4.5? 數(shù)據(jù)傳輸幀

當(dāng)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙預(yù)約幀完成預(yù)約后，在預(yù)約好的時(shí)隙發(fā)送攜帶有效傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸幀。節(jié)點(diǎn)在預(yù)約好的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙讀取循環(huán)隊(duì)列數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，當(dāng)循環(huán)隊(duì)列內(nèi)數(shù)據(jù)長度小于N時(shí)，有多少數(shù)據(jù)則打包發(fā)送多少數(shù)據(jù)；當(dāng)數(shù)據(jù)長度大于N時(shí)則打包N字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)，并將預(yù)約信息放入數(shù)據(jù)傳輸幀進(jìn)行下一時(shí)隙預(yù)約發(fā)送數(shù)據(jù)；網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)收到此數(shù)據(jù)傳輸幀，進(jìn)行幀頭及預(yù)約信息識(shí)別，當(dāng)無預(yù)約信息時(shí)，其余節(jié)點(diǎn)只需處理數(shù)據(jù)，通過串口上傳至上位機(jī)；若數(shù)據(jù)傳輸幀幀頭包含預(yù)約信息時(shí)，其后續(xù)節(jié)點(diǎn)需執(zhí)行退避操作，將此節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙后一時(shí)隙進(jìn)行退避空出，留給此節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，直到網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到不含預(yù)約信息的數(shù)據(jù)傳輸幀時(shí)，則可繼續(xù)按序進(jìn)行其余預(yù)約或切換等操作。

5? 傳輸性能測(cè)試

測(cè)試環(huán)境：野外空曠環(huán)境，主節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)1，從節(jié)點(diǎn)2與從節(jié)點(diǎn)3、從節(jié)點(diǎn)4、從節(jié)點(diǎn)5電臺(tái)之間距離為1千米。

電臺(tái)參數(shù)：電臺(tái)時(shí)隙7.5 ms，輸出功率30 dBm

（1 W），中心頻率500 MHz，串口波特率115.2 kbit/s，空中速率115.2 kbit/s，組網(wǎng)時(shí)間為30 mins左右，發(fā)送間隔為300 ms，跳頻電臺(tái)發(fā)送不同長度數(shù)據(jù)，主機(jī)發(fā)射87字節(jié)、從機(jī)1至從機(jī)6發(fā)射分別為44字節(jié)、129字節(jié)、160字節(jié)、206字節(jié)、215字節(jié)。測(cè)試效果良好，其中一組測(cè)試數(shù)據(jù)情況如表1所示。

表1? 動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)通信數(shù)據(jù)

電臺(tái)編號(hào) 發(fā)送量 接收量 丟失數(shù) 誤碼數(shù) 丟失率 誤碼率

主節(jié)點(diǎn) 497 727 4 316 428 0 0 0 0

從節(jié)點(diǎn)1 251 768 4 562 387 0 0 0 0

從節(jié)點(diǎn)2 738 138 4 076 017 0 0 0 0

從節(jié)點(diǎn)3 915 840 3 898 315 0 0 0 0

從節(jié)點(diǎn)4 1 178 732 3 635 423 0 0 0 0

從節(jié)點(diǎn)5 1 231 950 3 582 205 0 0 0 0

其中，主節(jié)點(diǎn)應(yīng)接收數(shù)據(jù)為：從節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)+從節(jié)點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)+從節(jié)點(diǎn)3發(fā)送數(shù)據(jù)+從節(jié)點(diǎn)4發(fā)送數(shù)據(jù)+從節(jié)點(diǎn)5發(fā)送數(shù)據(jù)= 251 768 + 738 138 + 915 840 + 1 178 732 + 1 231 950 = 4 316 428字節(jié)；此數(shù)值與主節(jié)點(diǎn)實(shí)際接收數(shù)據(jù)量相同，故跳頻主節(jié)點(diǎn)此次測(cè)試無丟包無亂碼。同樣的計(jì)算方法可得出其余從節(jié)點(diǎn)1至從節(jié)點(diǎn)5亦無丟包無亂碼。

項(xiàng)目反復(fù)多次測(cè)試驗(yàn)證了在無特殊干擾的通信環(huán)境內(nèi)，本組網(wǎng)模型數(shù)據(jù)傳輸情況較好，誤碼率和丟包率在理想環(huán)境近乎為0，無丟包無亂碼，驗(yàn)證了傳輸數(shù)據(jù)長度的動(dòng)態(tài)可變性能和傳輸穩(wěn)定性。

6? 組網(wǎng)方式性能比對(duì)

由于本組網(wǎng)模型動(dòng)態(tài)時(shí)隙傳輸?shù)奶刭|(zhì)，結(jié)合實(shí)際傳輸性能測(cè)試結(jié)果，本組網(wǎng)模型在信道利用率、系統(tǒng)開銷、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和應(yīng)用環(huán)境方面都更具優(yōu)勢(shì)，如表2所示。

表2? 組網(wǎng)綜合性能比較表

組網(wǎng)方式 信道利用率 系統(tǒng)開銷 網(wǎng)絡(luò)規(guī)格 應(yīng)用環(huán)境

TDMA固定

時(shí)隙分配組網(wǎng) 低 很小 小規(guī)模組網(wǎng) 小規(guī)模行動(dòng)

動(dòng)態(tài)時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)分配組網(wǎng) 較高 大 大規(guī)模組網(wǎng) 小規(guī)模行動(dòng)

本文設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng) 高 大 大規(guī)模組網(wǎng) 大規(guī)模行動(dòng)

由表2可比較得出：固定時(shí)隙分配組網(wǎng)適合由小規(guī)模組網(wǎng)及小規(guī)模活動(dòng)，其系列開銷很小但是信道利用率低，實(shí)際應(yīng)用中組網(wǎng)效率差；對(duì)比前者，傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)隙競(jìng)爭(zhēng)分配組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的信道利用率，但是其實(shí)現(xiàn)方法都是基于復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)沖突算法機(jī)制進(jìn)行時(shí)隙預(yù)約，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，時(shí)隙預(yù)約成功率低，組網(wǎng)通信性能差。與此同時(shí)，伴隨著目前軍事及民事領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)長度及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等指標(biāo)要求的提高，傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙顯然無法達(dá)到此種高標(biāo)準(zhǔn)。本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)，不僅能夠進(jìn)一步提高信道利用率和整體網(wǎng)絡(luò)鏈路速率，同時(shí)因其基于TDMA技術(shù)的時(shí)隙模型，還能確保其組網(wǎng)穩(wěn)定性更好，更適用于大規(guī)模的環(huán)境，實(shí)用性更高。

7? 結(jié)? 論

此基于時(shí)分多址技術(shù)動(dòng)態(tài)時(shí)隙組網(wǎng)方式，解決了算法本身問題，更貼近于實(shí)際運(yùn)用環(huán)境中跳頻組網(wǎng)特點(diǎn)。該協(xié)議在主從模式網(wǎng)絡(luò)中，可根據(jù)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)長度進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配，避免通信碰撞的同時(shí)，使網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同傳輸數(shù)據(jù)長度有效的分配地址。當(dāng)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，無須等待數(shù)據(jù)完全寫入便可進(jìn)行時(shí)隙預(yù)約，即只需根據(jù)循環(huán)隊(duì)列內(nèi)已有數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)逐一時(shí)隙預(yù)約，可節(jié)省由于串口波特率和硬件限制導(dǎo)致的延遲時(shí)間。此組網(wǎng)方式還可將時(shí)隙預(yù)約信息寫入數(shù)據(jù)通信時(shí)幀內(nèi)，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙內(nèi)對(duì)下一傳輸時(shí)隙的預(yù)約，減少預(yù)約交互次數(shù)，整體提高網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸速率和無線信道有效利用率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顧建峰，陳立強(qiáng)，王坡.無線通信抗干擾技術(shù)研究 [J].中國高新科技，2023（7）：133-135.

[2] 何委林，都明，韓誠亮，等.跳頻通信技術(shù)研究及仿真分析 [J].無線電工程，2021，51（4）：264-270.

[3] 柏春雷，張文學(xué).一種實(shí)時(shí)自組網(wǎng)波形TDMA幀結(jié)構(gòu)與跳頻抗干擾設(shè)計(jì) [J].中國新通信，2021，23（16）：70-75.

[4] 趙佳明，郭肅麗，楊健.一種面向飛行自組網(wǎng)應(yīng)用的動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議 [J].電子測(cè)量技術(shù)，2020，43（23）：133-138.

[5] 牟晉勇.高吞吐量的分布式TDMA協(xié)議時(shí)隙調(diào)度算法研究和開發(fā) [D].西安：西安電子科技大學(xué)，2018.

[6] 鐘明祥.TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)的路徑級(jí)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配算法研究 [D].西安：西安電子科技大學(xué)，2019.

[7] 呂隆飛.JTIDS通信中動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配技術(shù)研究 [D].鄭州：鄭州大學(xué)，2018.

[8] 范真真，張笑宇.一種跳頻電臺(tái)組網(wǎng)中跳頻圖案的同步方法 [J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2021，41（6）：67-70.

[9] 趙洋，劉偉，趙曉紅，等.可信WLAN無線接入技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析 [J].山東電力技術(shù)，2023，50（2）：33-38.

[10] 王浩.正交跳頻序列生成及多址接入同步技術(shù)研究 [D].西安：西安電子科技大學(xué)，2022.

作者簡(jiǎn)介：李雨汝（1994.03—），女，漢族，河南永城人，通信中級(jí)工程師，碩士，研究方向：無線電檢測(cè)技術(shù)研究、無線電管理政策研究；劉月坤（1980.03—），女，漢族，北京人，部門主任，本科，研究方向：人力資源基礎(chǔ)理論與基本技能、人才戰(zhàn)略規(guī)劃、培訓(xùn)與人力資源開發(fā)、勞動(dòng)關(guān)系管理、薪酬管理等。