一种基于超帧的无线中继方法、节点和网络
技术领域
本发明涉及无线通讯的技术领域，具体涉及一种基于超帧的无线中继方法、节点和网络。
背景技术
移动通信系统按其所服务的范围来分，可以分为专用移动通信系统和公用通信通信系统，公共移动通信是一种包含很广的移动通信系统，具有多种体制，其中最重要的是蜂窝移动通信系统；而专用移动通信系统最早由对讲机发展而来的，后来把对讲机的频率集中起来为更多的用户共用。
窄带信号的无线通信网系统为一种专用移动通信系统，一般应用于语音传输。无线通信网络存在的高数据率带宽和高可靠性的矛盾，既要保证用户有足够高的数据率带宽，又要满足传输距离和覆盖效果的要求，而对于语音传输而言，因为语音带宽较小，高数据速率带宽并不是自组网的主要性能指标；而网络传输的高可靠性和通信覆盖范围才是自组网设计中的首要考虑因素。
目前很多自组网系统是有中心节点的集群通信系统，主要应用于大的企业、团体、单位，需要建设大量的基础通信设施，费用也非常昂贵。整个网络基于该中心进行同步，路由协调等操作。另外整个系统都要时刻保持同步状态，每个节点都要保证基于中心节点进行同步，中心节点丢失或断线将使整个网络瘫痪。
中继是作为扩大通信覆盖范围的主要手段之一。传统自组网中，传统无线通信电台一般不具备中继功能，已有的中继功能的无线通信电台是一个网络层的多跳单点线状中继，通过网络层协议来选择路由线路进行中继。同时，中继网络一般会有控制节点，用于控制中继节点的选择方式与路由方式，当控制节点出现故障或离开网络时，系统会无法正常运行。中继节点的随机移动、节点的随时开机和关机、无线发信装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰以及地形等综合因素的影响，终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的，降低了系统的可靠性与覆盖效果。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于超帧的无线中继方法、节点和网络，具有高可靠性和通信覆盖范围的特点。
一种基于超帧的无线中继方法，所述方法包括：在物理层对接收到的无线信号进行解码，根据解码得到的信道编码信息对解码进行检测或纠正，获得数据帧，所述数据帧的控制信息包括目标节点、已转发跳数、总跳数和信道编码信息；判断当前节点与数据帧的目标节点是否匹配；若是，处理所述数据帧；若否，判断数据帧是否满足转发条件，所述转发条件包括：已转发跳数小于总跳数；若满足，修改已转发跳数，编码后转发所述数据帧，当前节点在超帧的剩余时间内进入睡眠模式。
优选的，所述数据帧的控制信息还包括速率匹配的信息，发送节点通过所述速率匹配的信息调节所述数据帧的帧长。
优选的，所述控制信息还包括加扰信息，发送节点为数据帧建立加优信息，接收节点将所述加扰信息进行解扰。
优选的，所述控制信息还包括第一循环冗余检验的信息，所述节点校验所述第一循环冗余检验的信息，所述转发条件还包括第一循环冗余校验的信息检验成功。
优选的，无线信号解码的方法包括：解码无线信号中的控制信息，所述控制信息还包括数据信息的长度；根据信道编码信息对解码进行检测或纠正；通过第一循环冗余检验的信息判断控制信息是否解码成功；若是，利用数据信息的长度解码数据信息，获得数据帧。
优选的，所述数据帧的数据信息包括第二循环冗余检验的信息，所述节点校验所述第二循环冗余检验的信息，所述转发条件还包括第二循环冗余检验的信息校验成功。
优选的，所述数据帧还包括前导序列、接入码和尾序列，根据所述前导序列检测信号强度；根据所述接入码识别数据帧的帧头位置；所述尾序列的信息设置在所述控制信息和接入码之间。
本发明还提供一种基于超帧的无线中继节点，包括第一接收模块、发送模块、解码模块、第一判断模块、第二判断模块、处理模块、信道编码模块、编码模块、修改模块和超帧调节模块；所述第一接收模块用于在物理层接收无线信号；所述解码模块用于无线信号的解码并获得数据帧，所述数据帧的控制信息包括目标节点、已转发跳数、总跳数和信道编码信息；所述信道编码模块用于根据信道编码信息检测或纠正所述数据帧或解码；所述第一判断模块用于判断当前节点与数据帧的目标节点是否匹配；所述第二判断模块用于判断数据帧是否满足转发条件，所述转发条件包括：已转发跳数小于总跳数；处理模块用于处理数据帧；所述修改模块用于修改已转发跳数；所述编码模块用于数据帧的编码；所述发送模块用于发送数据帧的无线信号；超帧调节模块用于调节当前节点在超帧的剩余时间内进入睡眠模式。
本发明还提供一种基于超帧的无线中继网络，包括发送节点和中继节点，所述发送节点用于发送数据帧的无线信号；所述中继节点用于在物理层对接收到的无线信号解码，根据解码得到的信道编码信息对解码进行检测或纠正，并获得数据帧，所述数据帧的控制信息包括目标节点、已转发跳数、总跳数和信道编码信息；若所述中继节点为数据帧的目标节点，处理所述数据帧；若所述中继节点不是数据帧的目标节点，且数据帧满足转发条件，修改已转发跳数、编码后转发数据帧，且在超帧的剩余时间内进入睡眠模式，所述转发条件包括：已转发跳数小于总跳数。
优选的，所述控制信息还包括第一循环冗余检验的信息，发送节点为数据帧建立第一循环冗余检验的信息，所述中继节点校验所述第一循环冗余检验的信息，所述转发条件包括所述第一循环冗余检验的信息校验成功。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
节点转发或发送数据帧后，进入睡眠模式，一方面节约能源，另一方面防止数据帧逆向传输；其中，总跳数用于控制数据帧的生命周期，已转发跳数达到总跳数时，停止转发；通过信道编码信息检测或纠正数据帧，以提高数据帧的高可用性和接收灵敏度，避免数据帧重发对信道容量生产影响；节点在物理层对接收的无线信号解码，利于提高数据帧的解码速率。
附图说明
图1是本发明的基于超帧的无线中继方法流程图；
图2是数据帧时隙示意图；
图3是无线信号中继网络示意图；
图4是源数据传输示意图；
图5是利用第一循环冗余检验的信息控制无线信号解码的方法流程图；
图6是本发明的基于超帧的无线中继节点的逻辑框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
一种基于超帧的无线中继方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤101：在物理层对接收到的无线信号进行解码，根据解码得到的信道编码信息对解码进行检测或纠正，获得数据帧，所述数据帧的控制信息包括目标节点、已转发跳数、总跳数和信道编码信息。可以在解码的过程中进行检测或纠正，也可以在解码结束后进行检测或纠正。
步骤102：判断当前节点与数据帧的目标节点是否匹配；
若是，执行步骤103：处理所述数据帧；
若否，执行步骤104：判断数据帧是否满足转发条件，所述转发条件包括：已转发跳数小于总跳数；
步骤104判断结果为否，则不转发；
步骤104判断结果为是，执行步骤105：修改已转发跳数，编码后转发所述数据帧，当前节点在超帧的剩余时间内进入睡眠模式。节点转发或发送数据帧后，进入睡眠模式，不再接收信号，一方面节约能源，另一方面防止数据帧逆向传输。其中，总跳数用于控制数据帧的生命周期，已转发跳数达到总跳数时，停止转发。
超帧分为两个时间段，活跃时间段和睡眠时间段；相应的，节点设有活跃模式和睡眠模式，节点在活跃模式下参与数据帧的转发，睡眠模式下不进行数据帧的收发处理。
数据帧基于源数据生成，数据帧中设有控制信息，根据控制信息中的目标节点、已转发跳数和总跳数控制中继节点转发、接收或停止转发的操作，以提高无线通信的覆盖范围，通过信道编码信息检测或纠正数据帧，以提高数据帧的高可用性和接收灵敏度，避免数据帧重发对信道容量生产影响。节点在物理层对接收的无线信号解码，利于提高数据帧的解码速率。
在转发过程中，通过已转发跳数和总跳数控制是否进行中继转发，控制中继转发的次数。
实施例1
如图2所示，每个超帧长60ms，每个超帧包含4个时隙，每个时隙长度为15ms。其中4个时隙可以产生3个总跳数，可以通过调节时隙的数量调节总跳数。数据帧在时隙开始时进行发送，可以在时隙剩余时间(Gap)执行本发明的无线信号中继的方法，判断是否转发或是否处理数据帧。处理数据帧是指将数据帧从物理层上报给Mac层，以及Mac层对数据帧进行的处理。
根据数据帧的发送次数，分为第i+1数据帧，i为跳数。
时隙0(ST0)：发送节点发送第一数据帧。
时隙i(STi):第i级节点转发第i+1数据帧。例如，正确收到第一数据帧的节点为一级节点，在时隙1转发第二数据帧。
时隙结束时，即数据帧生命周期结束时，不再转发数据帧；接收节点接收到数据帧时，也不进行转发。
实施例2
图3示出了无线信号中继网络示意图，图4示出了源数据传输示意图。
所述中继网络包括发送节点和中继节点，所述发送节点用于发送数据帧的无线信号；所述中继节点用于在物理层对接收到的无线信号解码，根据解码得到的信道编码信息对解码进行检测或纠正，并获得数据帧，所述数据帧的控制信息包括目标节点、已转发跳数、总跳数和信道编码信息；若所述中继节点判断当前节点为数据帧的目标节点，处理所述数据帧；若所述中继节点不是数据帧的目标节点，且数据帧满足转发条件，修改已转发跳数,编码后转发数据帧，且在超帧的剩余时间内进入睡眠模式，所述转发条件包括：已转发跳数小于总跳数且未发送过所述数据帧。
图3中，N为中继节点的级数，M为中继节点的序列号，如2-1为序号为1的2级中继节点。
如图4，在时隙0，发送节点0发送第一数据帧(源数据DATA0或DATA1)的无线信号，中继节点1-0和中继节点1-1接收到该无线信号。
在时隙1，中继节点1-0和中继节点1-1进行中继转发，它们的发射信号是同步的，中继节点2-0、中继节点2-1和中继节点2-2接收到中继节点1-0和/或中继节点1-1的转发信号；根据解码判断进行转发时，根据第一数据帧生成第二数据帧，并进行转发，形成有效路径。其中，发送节点0发送过数据帧后，进入睡眠模式，因此在超帧的剩余时间里不再接收数据帧、为无效路径。其中，中继节点2-0同时接收到中继节点1-0和1-1的第一数据帧，只转发其中一个第一数据帧，可以选择信号强的一个进行转发。
在时隙2，中继节点2-0、中继节点2-1和中继节点2-2进行转发，中继节点3-0同时接收到中继节点2-0、中继节点2-1和中继节点2-2的转发信号，判断进行转发时，生成第三数据帧发送给下一级中继节点3-0。其中，中继节点1-0和1-1发送过数据帧，在超帧的剩余时间里进入休眠，不再接收数据帧，因此为无效路径。
在时隙3，中继节点3-0进行转发时，生成第四数据帧并转发下一级中继节点。
在时隙N，中继节点N-M，判断第N数据帧的目标地址为当前节点，中继节点N-M接收该数据帧。将接收数据帧的中继节点定义为接收节点。
在一个具体实施例中，发送节点采用高斯最小频移键控(GMSK，GaussianFiltered Minimum Shift Keying)的方式进行调制，调制因子为0.5，经射频发送无线信号。
实施例3
所述控制信息还包括速率匹配的信息、加扰信息、循环冗余检验的信息(CRC)。
其中，发送节点通过所述速率匹配的信息调节所述数据帧的帧长，易于适应各种系统的帧长需求。
发送节点为数据帧建立加优信息，接收节点或中继节点将所述加扰信息进行解扰，以提高数据或网络的鲁棒性。
发送节点基于一种算法生成第一循环冗余检验的信息，中继节点根据该算法生成第三循环冗余检验的信息，并检验第一循环冗余检验的信息和第三循环冗余检验的信息，可以用来判断是否解码正确，对于解码错误的数据帧不进行转发。
在一个具体实施例中，如图5所示，利用第一循环冗余检验的信息控制无线信号解码：
步骤501：解码无线信号中的控制信息，所述控制信息还包括数据信息的长度。
步骤502：根据信道编码信息对解码进行检测或纠正。可以在解码过程中，同步进行检测或纠正，也可以在解码后进行检测或纠正。
步骤503：根据第一循环冗余检验的信息判断控制信息是否解码成功。
若是，执行步骤504：利用数据信息的长度解码数据信息，获得数据帧。在控制信息解码成功后，根据控制信息中的长度解码所述数据信息，利于提高解码的有效率，控制信息解码不成功时，不进行数据信息的解码和数据帧的转发，即转发条件还包括控制信息解码成功，使转发的数据帧具有高可用性。步骤503判断为否时，可以不解码数据信息，也不转发数据帧。
本发明还可以包括校验数据信息的方法：
所述数据信息包括第二循环冗余检验的信息，所述中继节点通过校验所述第二循环冗余检验的信息，判断数据信息是否解码成功，所述转发条件还包括第二循环冗余检验的信息校验成功。通过校验数据信息，提高数据帧的高可用性。数据信息包括第二循环冗余检验的信息和源数据。
接收节点也可以通过校验第一循环冗余检验的信息和第二循环冗余检验的信息，判断是否处理数据帧。即不处理解码错误的数据帧，可以请求发送节点重发数据帧。
数据帧中还可以包括前导序列、接入码和尾序列，根据所述前导序列检测信号强度；根据所述接入码识别数据帧的帧头位置；所述尾序列的信息设置在所述控制信息的前侧。
在一个具体实施例中，中继节点2-0同时接收到中继节点1-0和1-1的第二数据帧的无线信号，根据前导序列检测信号强度，选择信号强度高的一个进行转发。
其中，前导序列、接入码、尾序列、控制信息和数据信息组成帧结构，数据信息包括第一循环冗余检验的信息和源数据。
前导序列是一段固定的序列，可以通过RSSI(Received Signal StrengthIndication)检测信号强度，具体的，使用比特流[0 1 0 1 0 1 0 1]。
接入码使用一段自相关性比较好的序列，用于作帧同步，可以使用比特流[0 1 10 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1]；即为0x8E89BED6。
尾序列设置在所述控制信息和接入码之间，用于接入码和控制信息的过度，给帧同步给出富裕的时间，可以使用的比特流为[0 1 0 1 0 1 0 1]。
实施例4
本实施例提供一种基于超帧的无线中继节点，如图6所示，包括第一接收模块1、发送模块2、解码模块3、第一判断模块4、第二判断模块5、处理模块6、信道编码模块7、编码模块8、修改模块9和超帧调节模块10；第一接收模块1用于在物理层接收无线信号；解码模块3用于无线信号的解码并获得数据帧，数据帧的控制信息包括目标节点、已转发跳数、总跳数和信道编码信息；信道编码模块7用于根据信道编码信息检测或纠正所述数据帧或解码；第一判断模块4用于判断当前节点与数据帧的目标节点是否匹配；第二判断模块5用于判断数据帧是否满足转发条件，所述转发条件包括：已转发跳数小于总跳数；处理模块6用于处理数据帧；修改模块9用于修改已转发跳数；编码模块8用于数据帧的编码；发送模块2用于发送数据帧的无线信号；超帧调节模块10用于调节当前节点在超帧的剩余时间内进入睡眠模式。
所述控制信息还包括循环冗余检验的信息，所述发送节点为数据帧建立第一循环冗余检验的信息，所述中继节点校验所述第一循环冗余检验的信息，所述转发条件还包括所述第一循环冗余检验的信息校验成功。
以上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。
