一種微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播通信方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播通信方法，針對(duì)微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播通信的特點(diǎn)和存在的問題，采用CSMA-CA算法和TDMA算法相結(jié)合的技術(shù)，可以在充分提升廣播通信可靠性的情況下提高通信效率。在TDMA基礎(chǔ)上提出了時(shí)隙同步算法，使得節(jié)點(diǎn)具有唯一的時(shí)隙。廣播數(shù)據(jù)采用時(shí)隙同步算法，使得子節(jié)點(diǎn)在廣播數(shù)據(jù)幀接收結(jié)束時(shí)啟動(dòng)時(shí)隙定時(shí)器，為轉(zhuǎn)發(fā)廣播數(shù)據(jù)幀的時(shí)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確同步。從而最大限度避免了數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的沖突。
【專利說明】一種微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微功率無線自組網(wǎng)通信領(lǐng)域，具體是一種微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播通信方法。本發(fā)明用于解決微功率無線自組網(wǎng)廣播通信的問題。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在電力集抄、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，微功率無線自組網(wǎng)通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得到越來越多客戶的認(rèn)識(shí)，使用也越來越廣泛。
[0003]在低壓電力集抄領(lǐng)域，微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)低壓電力用戶用電信息匯聚、傳輸、交互的通信網(wǎng)絡(luò)。覆蓋范圍有限，發(fā)射功率受到國家無線電管理的嚴(yán)格限制，子節(jié)點(diǎn)位置固定，通信鏈路相對(duì)穩(wěn)定。
[0004]微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)包括兩種通信設(shè)備，如圖1所示，一種是安裝在集中器的中心節(jié)點(diǎn)模塊，以下簡稱中心節(jié)點(diǎn)，另一種是安裝在電表或者采集器的子節(jié)點(diǎn)模塊，以下簡稱子節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間可以通信。子節(jié)點(diǎn)之間相互不能直接通信，但可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
[0005]微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)可組成星型網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)或者M(jìn)ESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的具體構(gòu)架由中心節(jié)點(diǎn)確定。
[0006]缺點(diǎn):在電力集抄領(lǐng)域，有時(shí)需要進(jìn)行廣播校時(shí)等廣播通信。目前，網(wǎng)絡(luò)建立以后的鏈路層通信，無線廣播通信特點(diǎn)使得鏈路層廣播通信不可靠。容易產(chǎn)生廣播風(fēng)暴，或者無法對(duì)廣播進(jìn)行回復(fù)，存在效率低、可靠性差的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播通信的特點(diǎn)和存在的問題，提出一種采用CSMA-CA算法和TDMA算法相結(jié)合的廣播通信方法。
[0008]技術(shù)方案:一種微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播通信方法，其特征在于介質(zhì)訪問控制層(MAC)在進(jìn)行廣播通信時(shí)，采用時(shí)分多址(TDMA)和帶沖突避免的載波偵聽多址訪問(CSMA-CA)相結(jié)合的優(yōu)化算法:
[0009]介質(zhì)訪問控制層(MAC)采用時(shí)分多址(TDMA)時(shí)隙分配算法進(jìn)行廣播數(shù)據(jù)發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)，子節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行傳輸時(shí)，等到節(jié)點(diǎn)自身的時(shí)隙后，先隨機(jī)延遲0-7個(gè)字節(jié)發(fā)送的時(shí)間Tr，然后在Tc的時(shí)間內(nèi)通過帶沖突避免的載波偵聽多址訪問(CSMA-CA)算法進(jìn)行檢測(cè)判斷是否有時(shí)隙碰撞，如果檢測(cè)到?jīng)]有碰撞則進(jìn)行傳輸，其中:
[0010]Tr: (O?7隨機(jī)數(shù))X8X (I/空中波特率)；
[0011]Tc:帶沖突避免的載波偵聽多址訪問(CSMA-CA)算法檢測(cè)時(shí)間；
[0012]如果檢測(cè)到有時(shí)隙碰撞，數(shù)據(jù)沒有發(fā)送成功，那么子節(jié)點(diǎn)等待下一輪時(shí)隙，重復(fù)檢測(cè)過程。
[0013]所述子節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配算法為:
[0014]通過式子n=mod (MID, m)計(jì)算序列數(shù)η,得到時(shí)間片Tn,節(jié)點(diǎn)在時(shí)間片Tn有權(quán)進(jìn)行傳輸，式中:
[0015]MID:子節(jié)點(diǎn)地址的低兩個(gè)字節(jié)數(shù)值；
[0016]m:網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。
[0017]所述帶沖突避免的載波偵聽多址訪問(CSMA-CA)算法步驟包括:
[0018]a、介質(zhì)訪問控制層(MAC)在隨機(jī)延時(shí)一定時(shí)間后，執(zhí)行空閑信道評(píng)估(CCA)；
[0019]b、如果評(píng)估信道空閑狀態(tài)，則立即進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；
[0020]C、如果評(píng)估信道為占用狀態(tài)，則不能進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。需要回到步驟a，進(jìn)行隨機(jī)延時(shí)；
[0021]d、在設(shè)備接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀而需要響應(yīng)確認(rèn)幀的時(shí)候，確認(rèn)幀緊跟著接收幀發(fā)送。
[0022]更優(yōu)的，步驟a和步驟c中所述隨機(jī)延時(shí)通過退避周期算法計(jì)算。
[0023]更優(yōu)的，各個(gè)子節(jié)點(diǎn)在廣播數(shù)據(jù)幀接收結(jié)束時(shí)啟動(dòng)一個(gè)時(shí)隙定時(shí)器進(jìn)行準(zhǔn)確同
止/J/ O
[0024]有益效果:鏈路層通信采用CSMA-CA算法和TDMA算法相結(jié)合的技術(shù)，解決了廣播傳輸和對(duì)廣播的單個(gè)回復(fù)等問題。鏈路層采用TDMA算法為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)設(shè)備在自己的時(shí)隙進(jìn)行廣播傳輸和數(shù)據(jù)響應(yīng)。在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)通過CSMA-CA算法提高了發(fā)送成功率。這樣可以在充分提升廣播通信可靠性的情況下提高通信效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
[0026]圖2是CSMA-CA算法流程圖
[0027]圖3是時(shí)隙同步機(jī)制結(jié)構(gòu)圖
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0029]如圖2所示，鏈路層發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要使用CSMA-CA算法，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀和命令幀之前都需要使用CSMA-CA算法來訪問信道。未來減少通信量，確認(rèn)幀不需要使用CSMA-CA算法。
[0030]CSMA-CA算法的實(shí)現(xiàn)要用到稱作“退避周期”的單位時(shí)間，一個(gè)退避周期BackoffPeriod定義為一段隨機(jī)產(chǎn)生的時(shí)間，單位是毫秒(ms)。
[0031]數(shù)據(jù)鏈路層在每次嘗試發(fā)送時(shí)都需要維護(hù)2個(gè)變量:NB和BE。NB是嘗試當(dāng)前幀發(fā)送過程中CSMA-CA算法執(zhí)行隨機(jī)退避的次數(shù)。在每個(gè)新的CSMA-CA算法開始，準(zhǔn)備發(fā)送之前NB應(yīng)初始化為O。BE是退避指數(shù)，數(shù)據(jù)鏈路在評(píng)估信道是否空閑前，退避的時(shí)間通過BE進(jìn)行隨機(jī)數(shù)計(jì)算產(chǎn)生。BE的值初始化為aMinBE。
[0032]數(shù)據(jù)鏈路層首先初始化變量NB和BE，然后數(shù)據(jù)鏈路層延遲隨機(jī)數(shù)時(shí)間長度的退避周期BackofTPeriod后，請(qǐng)求物理層開始執(zhí)行空閑信道評(píng)估(CCA)。退避周期隨機(jī)數(shù):
[0033]random (2BE-1)
[0034]取值范圍是O?2be_1。
[0035]如果信道評(píng)估結(jié)果為占用，則變量NB和BE都加1，并保證BE不超過常量aMaxBE。[0036]BE=min (BE+1, aMaxBE)。
[0037]如果變量NB的值小于或等于設(shè)定的最大嘗試次數(shù)，則算法跳轉(zhuǎn)到CSMA-CA算法第①步(延時(shí)random(2be-1)個(gè)回退周期)；否則CSMA-CA算法結(jié)束，信道訪問失敗。如果信道評(píng)估結(jié)果為空閑，則MAC層將立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，CSMA-CA算法流程結(jié)束。
[0038]在微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)存在將數(shù)據(jù)廣播傳輸?shù)骄W(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的需求。本發(fā)明針對(duì)無線廣播數(shù)據(jù)的傳輸特征和面臨的問題，提出了采用基于TDMA的時(shí)隙分配算法和CSMA-CA沖突避免算法相結(jié)合的雙重保障機(jī)制，保證了廣播通信的可靠性和通信效率。
[0039]如圖3所示，微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)在組網(wǎng)過程中以及數(shù)據(jù)廣播過程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間采用基于TDMA的時(shí)隙同步算法進(jìn)行鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送。
[0040]TDMA 算法
[0041]I)時(shí)隙(Tb)的定義:一個(gè)時(shí)隙是分配給一個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送廣播幀的固定時(shí)間，總計(jì)為Tb,具體定義如圖3所示。
[0042]說明:
[0043]Tb固定為一個(gè)時(shí)間段，例如300ms，其中包括信號(hào)發(fā)射時(shí)間Ts (例如200ms)和保護(hù)時(shí)隙Tp (例如100ms)。
[0044]2)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙定位
[0045]節(jié)點(diǎn)時(shí)隙定位是將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的子節(jié)點(diǎn)分配到不同的時(shí)隙內(nèi)，盡可能的使多個(gè)子節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙離散，以減少其在傳輸時(shí)沖突的概率。時(shí)隙定位計(jì)算的方式是:
[0046]計(jì)算序列數(shù)n，得到時(shí)間片Tn，節(jié)點(diǎn)在時(shí)間片Tn有權(quán)進(jìn)行傳輸。序列數(shù)η計(jì)算公式為:
[0047]n=mod (MID, m)；
[0048]其中:
[0049]MID:子節(jié)點(diǎn)地址的低兩個(gè)字節(jié)數(shù)值；
[0050]m:網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。
[0051]子節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行傳輸時(shí)，等到節(jié)點(diǎn)自身的時(shí)隙后，先隨機(jī)延遲0-7個(gè)字節(jié)發(fā)送的時(shí)間Tr，然后在Tc的時(shí)間內(nèi)判斷是否有時(shí)隙碰撞(CSMA-CA沖突避免算法進(jìn)行檢測(cè))，如果檢測(cè)到?jīng)]有碰撞則進(jìn)行傳輸，其中:
[0052]Tr: (O?7隨機(jī)數(shù))X8X (I/空中波特率)；
[0053]Tc: CSMA-CA沖突避免算法檢測(cè)時(shí)間。
[0054]如果檢測(cè)到有時(shí)隙碰撞，數(shù)據(jù)沒有發(fā)送成功，那么子節(jié)點(diǎn)等待下一輪時(shí)隙重復(fù)這個(gè)過程。網(wǎng)絡(luò)組建完成后，因?yàn)橛辛宋ㄒ坏臅r(shí)隙，不需要隨機(jī)等待時(shí)間Tr。
[0055]節(jié)點(diǎn)具有唯一的時(shí)隙。廣播數(shù)據(jù)采用時(shí)隙同步算法，使得子節(jié)點(diǎn)在廣播數(shù)據(jù)幀接收結(jié)束時(shí)啟動(dòng)時(shí)隙定時(shí)器，為轉(zhuǎn)發(fā)廣播數(shù)據(jù)幀的時(shí)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確同步。從而最大限度避免了數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的沖突。
[0056]盡管本發(fā)明已經(jīng)參照附圖和優(yōu)選實(shí)例進(jìn)行了說明，但是，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。本發(fā)明的各種更改、變化，和等同物有所附的權(quán)利要求書的內(nèi)容涵蓋。
[0057]本發(fā)明未涉及技術(shù)均與現(xiàn)有技術(shù)相同，或可采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播通信方法，其特征在于介質(zhì)訪問控制層(MAC)在進(jìn)行廣播通信時(shí)，采用時(shí)分多址(TDMA)和帶沖突避免的載波偵聽多址訪問(CSMA-CA)相結(jié)合的優(yōu)化算法: 介質(zhì)訪問控制層(MAC)采用時(shí)分多址(TDMA)時(shí)隙分配算法進(jìn)行廣播數(shù)據(jù)發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)，子節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行傳輸時(shí)，等到節(jié)點(diǎn)自身的時(shí)隙后，先隨機(jī)延遲0-7個(gè)字節(jié)發(fā)送的時(shí)間Tr，然后在Tc的時(shí)間內(nèi)通過帶沖突避免的載波偵聽多址訪問(CSMA-CA)算法進(jìn)行檢測(cè)判斷是否有時(shí)隙碰撞，如果檢測(cè)到?jīng)]有碰撞則進(jìn)行傳輸，其中: Tr: (O?7隨機(jī)數(shù))X8X (I/空中波特率)； Tc:帶沖突避免的載波偵聽多址訪問(CSMA-CA)算法檢測(cè)時(shí)間； 如果檢測(cè)到有時(shí)隙碰撞，數(shù)據(jù)沒有發(fā)送成功，那么子節(jié)點(diǎn)等待下一輪時(shí)隙，重復(fù)檢測(cè)過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播通信方法，其特征在于所述子節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配算法為: 通過式子n=mod (MID, m)計(jì)算序列數(shù)η,得到時(shí)間片Tn,節(jié)點(diǎn)在時(shí)間片Tn有權(quán)進(jìn)行傳輸，式中: MID:子節(jié)點(diǎn)地址的低兩個(gè)字節(jié)數(shù)值； m:網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播通信方法，其特征在于所述帶沖突避免的載波偵聽多址訪問(CSMA-CA)算法步驟包括: a、介質(zhì)訪問控制層(MAC)在隨機(jī)延時(shí)一定時(shí)間后，執(zhí)行空閑信道評(píng)估(CCA)； b、如果評(píng)估信道空閑狀態(tài)，則立即進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送； C、如果評(píng)估信道為占用狀態(tài)，則不能進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。需要回到步驟a，進(jìn)行隨機(jī)延時(shí)； d、在設(shè)備接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀而需要響應(yīng)確認(rèn)幀的時(shí)候，確認(rèn)幀緊跟著接收幀發(fā)送。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播通信方法，其特征在于步驟a和步驟c中所述隨機(jī)延時(shí)通過退避周期算法計(jì)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微功率無線自組織網(wǎng)絡(luò)廣播通信方法，其特征在于各個(gè)子節(jié)點(diǎn)在廣播數(shù)據(jù)幀接收結(jié)束時(shí)啟動(dòng)一個(gè)時(shí)隙定時(shí)器進(jìn)行準(zhǔn)確同步。
【文檔編號(hào)】H04W74/02GK103826316SQ201410062676
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】薛軍, 陸寒熹 申請(qǐng)人:江蘇林洋電子股份有限公司, 南京林洋電力科技有限公司