基于TDMA技术的动态时隙跳频组网的研究

李雨汝 刘月坤

收稿日期：2023-08-11

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.010

摘  要：文章充分调研了截至目前跳频组网国内外的发展现状，并结合我国跳频电台对组网动态调整发送数据长度的实际需求，开展了一种基于TDMA技术的动态时隙跳频组网方式的研究，该跳频组网方式区别于时分多址固定时隙组网，能够使网内节点根据发送数据长度合理有效分配时隙地址，真正做到网络节点发送数据长度灵活可变，实现跳频电台根据数据长度动态分配时隙，合理减少了时隙地址浪费，有效提高整体数据传输速率。

关键词：TDMA；跳频；组网；动态时隙

中图分类号：TN914    文献标识码：A  文章编号：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

作為信息时代发展史上重要的标志，无线通信技术[1]的高速发展带动着各行各业革命性的变革。伴随着无线通信技术的广泛运用，其带来的干扰日益严重。跳频无线通信技术作为一种具有截获概率低、抗衰减能力强、保密性强的新型抗干扰技术，迅速风靡军事及民用领域[2]。伴随着无线通信时代的飞速发展，人们对无线通信需求也是日益增强，无线跳频网络因其移动性、灵活性以及良好的扩展性被广泛运用[3]。传统跳频组网无法适应通信新需求，多种可变跳频组网模式的研究迫在眉睫。

1  研究现状及背景

跳频组网是一种可以自行组成网络并按照频谱图案进行跃变的多跳网络通信方式，其跳频方式在提高单跳网络受限因素的前提下，同时增强了通信传输的有效可靠性。跳频组网在军事领域，因其快速建网、抗毁性强的特点，常运用于野外突发数据传输、群组通信、无人机数据传输，成为一种数字化战争的关键技术；在民事领域，在室内办公、室外活动、紧急报警、医疗监护以及城市生命线方面都有重要应用前景。无线跳频组网的通信优势可满足用户随时随地进行信息交换的通信指标，已成为通信网络技术主流的发展方向。

时分多址TDMA技术是一种基于时隙划分概念的组网技术，即将时间划分为不同时隙，分配给网内不同的节点，让网内节点占据不同时隙共享信道通信[4]。随着网内节点数量增加，节点数据传输需求增多，固定时隙时分多址技术无法根据节点灵活业务进行功能变更，造成网内时间周期变长及时隙浪费，导致数据链路传输层传输速率降低[5]，数据拆分发送以及数据发送时延大等现象，直接限制了跳频组网中数据传输速率及数据完整性，严重影响网络性能。

与此不同，动态时隙时分多址组网技术能根据本网内节点需求动态调整时隙，实时监测网内节点数据通信情况，对数据传输周期内时隙动态预约和分配，能够增加信道利用率[6]。但随着网内节点大批量增多，常见传统动态时隙竞争分配组网，常会出现竞争混乱现象，传输误码率提高，影响网络性能，因此，本文基于传统竞争的动态时隙组网方式提出一种新型的组网方式。

本文提及的基于时分多址（TDMA）技术的动态时隙组网方法是在时帧和时隙概念基础上进行设计的，即一个阶段可分为多个传输时帧周期，每个时帧周期又可划分为多个时隙，每个时隙在组网协议方法中被动态赋予不同的状态执行不同的传输指令[7]。

2  国内外发展现状

跳频技术作为通信最重要的常规技术，其发展过程非常精彩，发展速度也相当迅速。跳频技术的发展可以概括为：五十年代开展了理论研究，六七十年代研发了技术指标，八九十年代以后推广使用[8]，如今的跳频电台更是在基于单片机、FPGA、DSP的硬件控制平台上实现了高要求高指标高性能的要求。

组网能力作为无线跳频通信技术的基本要求之一，其发展更是备受世人關注。WLAN组网作为一种常见的单跳组网，其抗噪声能力、数据传输速率及距离都很受限[9]，跳频是常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的频率按照预定规律和图案进行离散变化的通信方式，这种工作方式合理有效地增强了通信传输有效可靠性[10]。

目前在研究领域有多种动态时隙分配算法，一种是利用主节点发送时隙更新表方式进行时隙预约，时隙预约灵活性强，但算法运行复杂度高与跳频电台瑞萨单片机处理运算能力不匹配；还有一种是利用发送节点握手方式实现时隙预约，可有效避免预约冲突，但当跳频电台连续进行长包数据预约时，导致预约次数及预约时隙占用过多，数据传输延迟大，使动态时隙组网性能几乎降低到固定时隙组网，严重降低数据传输速率。

3  动态时隙组网时序结构设计

本动态时隙组网方案的网络结构为点对多点（PMP）结构，网内节点可划分为主节点和从节点两种身份，网内一个主节点和多个从节点可彼此进行多对多数据通信。组网方式是基于时分多址技术进行研究的，时分多址技术是一种基于时隙划分概念的组网技术，网内节点可占据不同时隙共享信道通信。本章节主要介绍动态时隙组网的具体结构及协议设计内容，此通信组网方法包括初始同步入网和数据传输两个阶段，同时数据传输阶段包括四个过程：时隙预约及数据传输过程、时隙切换过程、勤务同步及迟入网过程，动态时隙组网初始时序结构图如图1所示。

初始同步入网包括初始同步和跳频初始预约两个阶段，具体过程如下。

初始同步过程：由主节点在f1固定频点周期性广播时间同步帧，从节点收到时间同步帧后对齐本地时钟，并在各自固定时隙应答反馈帧，两个周期内完成同步入网，此时同步周期时隙数目Num与网内节点数目相同。

跳频初始预约阶段：完成初始同步入网后，进入跳频初始预约阶段，初始预约阶段默认为网内节点皆无数据传输，传输周期由网内节点对应预约时隙组成。在此阶段每个时隙传输频点可根据跳频图案进行跳变，跳频频点的切换频率与组网时隙的切换频率相同，保证每一个组网周期内的时隙具有不同的频点fi。跳频初始预约周期时隙数S与网内节点数Num具体关系为：

S = TNum + 1

完成时隙预约后进入数据传输阶段，动态时隙数据传输时序图如图2所示。

勤务同步迟入网过程：此勤务同步及迟入网方法是在同步字头和独立信道法基础上进行改进的方法。以主节点为网络数据传输过程中时钟中心，将勤务同步功能和迟入网功能合二为一，优化软件运行结构，既能实现网内电台节点的时间勤务同步，同时能够保证网外待入网电台成功入网，实现迟入网功能。

时隙预约及数据传输过程：此过程包括时隙预约和数据互传两个实现过程。时隙预约过程即网内节点识别循环队列内有待发送数据时，发送时隙预约帧进行网内时隙预约的过程。数据互传过程即为网内节点在预约的时隙进行数据发送的过程，其中数据以数据传输帧的形式进行传输。

如图2所示，主节点在第2个时隙进入预约时隙，判断循环队列内是否有需要发送传输的数据，当有数据则发送时隙预约帧进行预约3时隙，网内从节点收到此时隙预约帧后，进行时隙退让，将自己对应的预约时隙进行顺延一个；继而主节点在网内节点退让出的3时隙读取此时循环队列内数据长度，若数据长度大于射频模块单包传输数据最大字节数，则将预约信息放在数据传输帧进行发送，网内节点识别数据传输帧预约信息后，可自行进行时隙退让，即主节点又成功预约4时隙，主节点在4时隙读取循环队列内无数据，则此数据传输帧帧头不包含预约信息，网内节点收到此数据传输帧后，只需处理数据，无须退避时隙。此时从节点1的预约时隙由原来的3时隙退避为5时隙，继而重复上述时隙预约和数据互传过程。

若在同一周期，网内多个节点都需发送数据，则按照节点优先级依次发送，节点优先级按照节点ID大小排序，主节点为最高优先级，从节点1优先级大于从节点2，依次排序。其中，M值与通信组网中节点个数Num及节点发送的数据长度有关。

时隙切换过程：当网内节点在预约时隙判断本节点无数据待发时，向网内发送时隙切换帧，进行网内时隙切换的过程。若时隙长度选取为7.5 ms，7.5 ms中包含发送端1 ms时间空白保护窗，其余6.5 ms可确保一次通信传输的完成。在数据传输周期的预约时隙无数据待发时，此7.5 ms时隙电台若执行空白操作，则导致网内信道7.5 ms无数据空窗期，造成信道与时隙的浪费；尤其当实际运用中网内部分电台通信频率低（通信次数少）的时候，更是造成网内长时间的时隙浪费现象，使网内其余节点无法高效传输有用信息。我们假设主节点和从节点1无待发数据，不需要预约数据互传时隙。当不开启时隙切换功能时，一个组网传输周期内有M个时隙，主节点和从节点1无数据需要发送，仍需保持两个7.5 ms空白无操作等待时隙，即造成两个时隙的浪费。当网内开启时隙切换功能时，主节点识别本节点循环队列内无待发数据，则发送时隙切换命令帧，从节点收到此时隙命令切换帧后切至下一时隙，缩短主节点预约时隙空白等待时间。鉴于完成一次时隙命令切换帧传输需要时间较短，整体1次时隙切换操作可近似缩短传输周期1个时隙的时间长度。这种时隙切换方法优点是可快速消减网内无操作的空白等待时隙，加速网络周期内有效数据传输速率，同时可根据网内节点数据传输情况灵活优化周期时隙结构，使动态时隙组网方案更加满足其动态和高效灵活的特点。

4  动态组网数据通信帧

上一章节主要介绍了动态时隙组网协议的设计，包括初始同步及数据传输两个阶段的时序工作图，其网内信息及数据传输方式是通过不同通信帧进行传输的。本章节主要介绍其组网传输的通信帧的功能及格式，在上述组网过程中主要应用了五种通信帧：初始同步时间帧、勤务同步及迟入网时间帧、时隙切换命令帧、时隙预约帧、数据传输帧。

4.1  初始同步时间帧

在動态时隙组网设计中，主节点在初始同步阶段通过发送初始同步时间帧来完成网内节点的同步入网过程。待入网电台收到此初始同步时间帧后，读取时间信息并进行本节点实时时钟更新替换，达到时间与时隙的对齐，然后读取起始频点，进入跳频图案为下一时隙跳频做好准备。

4.2  勤务同步及迟入网时间帧

网内数传电台进入数据传输阶段后，主节点电台在第一时隙广播发送勤务同步及迟入网时间帧，来实现网内电台时间同步及网外电台迟入网功能。

4.3  时隙切换命令帧

当网内的某节点无数据待发时，则向网络内其余节点广播发送时隙切换命令帧，网内其余节点收到此通信帧后，进行相应时隙切换。当网内某节点识别本节点循环队列内无待发数据时，向网内其余节点发送此帧，网内其余节点收到此帧后，识别时隙切换命令及切换时隙信息，将时隙计时器清空，根据时隙号进行切换以实现时隙切换的目的。

4.4  时隙预约帧

网内电台识别循环队列内有上位机待发数据时，进行广播发送时隙预约帧进行发送时隙预约。当网内某节点读到其循环队列内有上位机需要发送的数据时，则在自己的预约时隙向网内广播发送时隙预约帧信息，网内其余节点收到此时隙预约帧后，识别预约命令及预约时隙，将此节点的预约的发送时隙预留，便于此节点进行无冲突数据发送。

4.5  数据传输帧

当网内节点发送时隙预约帧完成预约后，在预约好的时隙发送携带有效传输数据的数据传输帧。节点在预约好的数据传输时隙读取循环队列数据进行打包，当循环队列内数据长度小于N时，有多少数据则打包发送多少数据；当数据长度大于N时则打包N字节数数据，并将预约信息放入数据传输帧进行下一时隙预约发送数据；网内其余节点收到此数据传输帧，进行帧头及预约信息识别，当无预约信息时，其余节点只需处理数据，通过串口上传至上位机；若数据传输帧帧头包含预约信息时，其后续节点需执行退避操作，将此节点发送时隙后一时隙进行退避空出，留给此节点进行数据传输，直到网内节点收到不含预约信息的数据传输帧时，则可继续按序进行其余预约或切换等操作。

5  传输性能测试

测试环境：野外空旷环境，主节点，从节点1，从节点2与从节点3、从节点4、从节点5电台之间距离为1千米。

电台参数：电台时隙7.5 ms，输出功率30 dBm

（1 W），中心频率500 MHz，串口波特率115.2 kbit/s，空中速率115.2 kbit/s，组网时间为30 mins左右，发送间隔为300 ms，跳频电台发送不同长度数据，主机发射87字节、从机1至从机6发射分别为44字节、129字节、160字节、206字节、215字节。测试效果良好，其中一组测试数据情况如表1所示。

表1  动态时隙组网通信数据

电台编号 发送量 接收量 丢失数 误码数 丢失率 误码率

主节点 497 727 4 316 428 0 0 0 0

从节点1 251 768 4 562 387 0 0 0 0

从节点2 738 138 4 076 017 0 0 0 0

从节点3 915 840 3 898 315 0 0 0 0

从节点4 1 178 732 3 635 423 0 0 0 0

从节点5 1 231 950 3 582 205 0 0 0 0

其中，主节点应接收数据为：从节点1发送数据+从节点2发送数据+从节点3发送数据+从节点4发送数据+从节点5发送数据= 251 768 + 738 138 + 915 840 + 1 178 732 + 1 231 950 = 4 316 428字节；此数值与主节点实际接收数据量相同，故跳频主节点此次测试无丢包无乱码。同样的计算方法可得出其余从节点1至从节点5亦无丢包无乱码。

项目反复多次测试验证了在无特殊干扰的通信环境内，本组网模型数据传输情况较好，误码率和丢包率在理想环境近乎为0，无丢包无乱码，验证了传输数据长度的动态可变性能和传输稳定性。

6  组网方式性能比对

由于本组网模型动态时隙传输的特质，结合实际传输性能测试结果，本组网模型在信道利用率、系统开销、网络规模和应用环境方面都更具优势，如表2所示。

表2  组网综合性能比较表

组网方式 信道利用率 系统开销 网络规格 应用环境

TDMA固定

时隙分配组网 低 很小 小规模组网 小规模行动

动态时隙竞争分配组网 较高 大 大规模组网 小规模行动

本文设计动态时隙组网 高 大 大规模组网 大规模行动

由表2可比较得出：固定时隙分配组网适合由小规模组网及小规模活动，其系列开销很小但是信道利用率低，实际应用中组网效率差；对比前者，传统动态时隙竞争分配组网的优点是具有较高的信道利用率，但是其实现方法都是基于复杂的竞争冲突算法机制进行时隙预约，在实际网络应用中，时隙预约成功率低，组网通信性能差。与此同时，伴随着目前军事及民事领域对网络节点传输数据长度及网络规模等指标要求的提高，传统的动态时隙显然无法达到此种高标准。本文设计的动态时隙组网，不仅能够进一步提高信道利用率和整体网络链路速率，同时因其基于TDMA技术的时隙模型，还能确保其组网稳定性更好，更适用于大规模的环境，实用性更高。

7  结  论

此基于时分多址技术动态时隙组网方式，解决了算法本身问题，更贴近于实际运用环境中跳频组网特点。该协议在主从模式网络中，可根据各节点数据长度进行动态时隙分配，避免通信碰撞的同时，使网内节点根据不同传输数据长度有效的分配地址。当网内节点接收上位机发送数据时，无须等待数据完全写入便可进行时隙预约，即只需根据循环队列内已有数据实现逐一时隙预约，可节省由于串口波特率和硬件限制导致的延迟时间。此组网方式还可将时隙预约信息写入数据通信时帧内，实现在数据传输时隙内对下一传输时隙的预约，减少预约交互次数，整体提高网络内数据传输速率和无线信道有效利用率。

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作者简介：李雨汝（1994.03—），女，汉族，河南永城人，通信中级工程师，硕士，研究方向：无线电检测技术研究、无线电管理政策研究；刘月坤（1980.03—），女，汉族，北京人，部门主任，本科，研究方向：人力资源基础理论与基本技能、人才战略规划、培训与人力资源开发、劳动关系管理、薪酬管理等。