面向無(wú)線體域網(wǎng)的可控時(shí)延多頻道m(xù)ac協(xié)議的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)線體域網(wǎng)技術(shù)，尤其是涉及一種面向無(wú)線體域網(wǎng)的可控時(shí)延多頻道MAC協(xié)議。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)線體域網(wǎng)在工業(yè)和醫(yī)療方面都有著非常廣泛的應(yīng)用，隨著社會(huì)老齡化的發(fā)展，隨之而來(lái)的對(duì)于各種慢性疾病的診療需要隨時(shí)隨地的醫(yī)療檢測(cè)和服務(wù)。在各種醫(yī)療機(jī)構(gòu)，尤其是在醫(yī)院中需要對(duì)老年患者及其他病患進(jìn)行監(jiān)測(cè)以為后續(xù)治療提供數(shù)據(jù)依據(jù)，在另一方面，對(duì)于某些慢性疾病，需要對(duì)患者進(jìn)行居家觀測(cè)和治療，也要求對(duì)能反映患者身體狀況的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并為后續(xù)治療提供依據(jù)?；跓o(wú)線通信的傳感器技術(shù)能夠通過(guò)代價(jià)最小的方式滿足各種醫(yī)療監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求。因此無(wú)線體域網(wǎng)MAC層協(xié)議作為實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)外都對(duì)此開(kāi)展了很多相關(guān)研究。
[0003]無(wú)線體域網(wǎng)一般采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌贛AC層協(xié)議的設(shè)計(jì)中有一些特殊的要求。其中之一是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗性能。無(wú)線體域網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)由于應(yīng)用條件的限制，往往由體積較小的低容量電池供電，因此為了提高網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的工作占空比，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間和總時(shí)間的比值，對(duì)降低其功耗尤為重要。另一個(gè)要求是無(wú)線體域網(wǎng)的工作可靠性。由于無(wú)線體域網(wǎng)具有和其他網(wǎng)絡(luò)共享無(wú)線信道的特性，容易受到來(lái)自于其他無(wú)線設(shè)備的干擾的特點(diǎn)。例如，隱藏節(jié)點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送的碰撞，來(lái)自于其他網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的爭(zhēng)用等。甚至是主動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的阻塞攻擊，比如對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送持續(xù)不斷主動(dòng)發(fā)送的干擾信號(hào)，以阻塞其他節(jié)點(diǎn)使用該頻道的可能性。干擾也會(huì)來(lái)自于其他的方面，例如來(lái)自同樣工作于2.4GHz的W1-Fi信號(hào)的干擾。目前，使用單信道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的MAC層協(xié)議，面對(duì)這些干擾和阻塞攻擊網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)大大下降。
[0004]近年來(lái)提出的藍(lán)牙4.0中的BLE是一個(gè)非常典型的無(wú)線體域網(wǎng)方案，其藍(lán)牙的跳頻機(jī)制，具有較好的抗干擾特性，同時(shí)具有非常卓越的低功耗性能，但是其缺陷為，在一個(gè)微微網(wǎng)中一個(gè)主節(jié)點(diǎn)只能至多同時(shí)連接7個(gè)從節(jié)點(diǎn)，其無(wú)法滿足在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)連接較多從節(jié)點(diǎn)的情況下工作。另外IEEE 802.15.4也被認(rèn)為是較適合于此項(xiàng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，IEEE802.15.4是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其包含了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層，但是其可靠性和能耗方面都存在一些不足。
[0005]中國(guó)專利CN102119575A公開(kāi)了一種用于在網(wǎng)絡(luò)中控制對(duì)于無(wú)線介質(zhì)的接入的方法。所述方法包括:將對(duì)于無(wú)線介質(zhì)的接入時(shí)間分為固定的和重復(fù)的時(shí)間循環(huán)，其中每個(gè)時(shí)間循環(huán)包括多個(gè)超幀，每個(gè)超幀包括固定數(shù)量的時(shí)隙；在時(shí)間循環(huán)內(nèi)分配全局信標(biāo)周期；以及在每個(gè)超幀內(nèi)預(yù)約子幀，其中主設(shè)備能夠至少在所預(yù)約的子幀期間接入無(wú)線介質(zhì)。由于在2.4GHz的頻段上，存在著較多的干擾，使用單一頻道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可能會(huì)帶來(lái)沖突和干擾的問(wèn)題，該專利所描述的無(wú)線介質(zhì)的接入方法即使用單一頻道，有類似的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種面向無(wú)線體域網(wǎng)的可控時(shí)延多頻道MAC協(xié)議，能夠解決無(wú)線體域網(wǎng)在2.4GHz頻段可靠低功耗工作的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)低功耗和可靠數(shù)據(jù)傳輸，且超幀頻率自適應(yīng)。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0008]—種面向無(wú)線體域網(wǎng)的可控時(shí)延多頻道MAC協(xié)議，無(wú)線體域網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能角色分為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，
[0009]a.該協(xié)議將時(shí)間劃分為多個(gè)超幀的序列，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)在超幀內(nèi)進(jìn)行通信，且主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)以超幀為時(shí)間單位周期性地切換通信的頻道；
[0010]b.主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方法包括以下步驟:
[0011 ] I)主節(jié)點(diǎn)基于一個(gè)偽隨機(jī)序列在各頻道發(fā)送信標(biāo)幀；
[0012]2)當(dāng)從節(jié)點(diǎn)需要與主節(jié)點(diǎn)連接時(shí)，從節(jié)點(diǎn)從睡眠狀態(tài)喚醒并開(kāi)啟頻道來(lái)監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)幀；
[0013]3)從節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)幀后，根據(jù)接收的信標(biāo)幀完成與主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和頻道同步，并根據(jù)自身的QoS需求向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙分配請(qǐng)求，主節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)隙分配請(qǐng)求得到時(shí)隙分配結(jié)果，此超幀內(nèi)傳輸結(jié)束，等待下一個(gè)超幀；
[0014]4)主節(jié)點(diǎn)將時(shí)隙分配結(jié)果連同下一個(gè)超幀的信標(biāo)幀發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)幀并根據(jù)時(shí)隙分配結(jié)果向主節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)接收完從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的傳輸數(shù)據(jù)后，向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收完成信號(hào)，從節(jié)點(diǎn)接收到接收完成信號(hào)后重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
[0015]所述步驟2)中從節(jié)點(diǎn)從睡眠狀態(tài)喚醒后，開(kāi)啟設(shè)定的初始頻道來(lái)監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)幀，若該初始頻道在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未接受到信標(biāo)幀，則從節(jié)點(diǎn)切換頻道來(lái)監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)幀，直到接收到?目標(biāo)幀O
[0016]所述信標(biāo)幀的內(nèi)容包括當(dāng)前超幀內(nèi)主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和主節(jié)點(diǎn)工作的頻道，所述從節(jié)點(diǎn)根據(jù)信標(biāo)幀的內(nèi)容得到下一個(gè)超幀內(nèi)主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和主節(jié)點(diǎn)工作的頻道，進(jìn)而完成與主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和頻率同步。
[0017]所述主節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張時(shí)隙分配表，所述步驟3)中主節(jié)點(diǎn)根據(jù)從節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配請(qǐng)求得到時(shí)隙分配結(jié)果的過(guò)程為:主節(jié)點(diǎn)判斷時(shí)隙分配表中是否有可用時(shí)隙，若否，則主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)返回失敗信息，此超幀內(nèi)傳輸結(jié)束，跳轉(zhuǎn)步驟I)，若是，主節(jié)點(diǎn)基于時(shí)隙分配表中可用時(shí)隙得到時(shí)隙分配結(jié)果。
[0018]所述步驟3)中主節(jié)點(diǎn)還根據(jù)時(shí)隙分配請(qǐng)求檢查自身的超幀頻率是否滿足從節(jié)點(diǎn)的QoS需求，若不能滿足，則增大主節(jié)點(diǎn)的超幀頻率，直至主節(jié)點(diǎn)的超幀頻率滿足從節(jié)點(diǎn)的QoS需求。
[0019]所述主節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張工作頻道記錄表，所述工作頻道記錄表上記錄從節(jié)點(diǎn)重傳數(shù)據(jù)時(shí)的頻道和各頻道的重傳次數(shù)，主節(jié)點(diǎn)根據(jù)重傳次數(shù)得到各頻道的數(shù)據(jù)傳輸成功率，并以數(shù)據(jù)傳輸成功率作為頻道評(píng)估指標(biāo)對(duì)低質(zhì)量的頻道進(jìn)行屏蔽。
[O O 2 O ]所述時(shí)隙分配請(qǐng)求包括從節(jié)點(diǎn)的ID、所需要的時(shí)隙數(shù)量和從節(jié)點(diǎn)的Q ο S需求等級(jí)
?目息O
[0021 ]單個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)采用星型拓?fù)溥B接。
[0022]所述主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)通信的頻道為利用ΙΕΕΕ802.15.4物理層定義的2.4GHz頻段下的16個(gè)頻道。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0024]I)本發(fā)明中主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)根據(jù)超幀進(jìn)行通信，且主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)以超幀為時(shí)間單位周期性地切換通信的頻道，則每個(gè)超幀完畢主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)偽隨機(jī)序列跳頻機(jī)制切換到不同的頻率進(jìn)行通信，此頻率切換不需要額外的握手，也不需要特定的控制頻道交換控制信息，避免由于在控制頻道上具有干擾或阻塞信號(hào)而影響網(wǎng)絡(luò)的整體工作，從而提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。
[0025]2)本發(fā)明中信標(biāo)幀的內(nèi)容包括當(dāng)前超幀內(nèi)主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和主節(jié)點(diǎn)工作的頻道，使得從節(jié)點(diǎn)能根據(jù)信標(biāo)幀的內(nèi)容得到下一個(gè)超幀內(nèi)主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和主節(jié)點(diǎn)工作的頻道，即從節(jié)點(diǎn)得到超幀交匯的時(shí)間點(diǎn)和頻道，實(shí)現(xiàn)了主從節(jié)點(diǎn)的工作交匯，在前一個(gè)超幀結(jié)束后，主從節(jié)點(diǎn)通過(guò)互相事先約定的跳頻規(guī)則即可在下一時(shí)刻在另一個(gè)頻道完成交匯，進(jìn)而在超幀內(nèi)完成收發(fā)，實(shí)現(xiàn)主從節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)順利傳輸。
[0026]3)本發(fā)明中每個(gè)從節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)QoS屬性，QoS屬性對(duì)應(yīng)QoS需求，通過(guò)引入可控時(shí)延機(jī)制，主節(jié)點(diǎn)根據(jù)從節(jié)點(diǎn)的QoS需求規(guī)劃自身的超幀發(fā)送間隔，從而控制網(wǎng)絡(luò)的平均端到端時(shí)延，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)超幀頻率使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在性能和能耗上達(dá)成一個(gè)平衡。
[0027]4)本發(fā)明通過(guò)在線對(duì)網(wǎng)絡(luò)所使用的頻道上的數(shù)據(jù)傳輸成功率的方式評(píng)估信道質(zhì)量，不影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行且不添加額外的數(shù)據(jù)負(fù)載，同時(shí)通過(guò)以數(shù)據(jù)傳輸成功率作為頻道評(píng)估指標(biāo)對(duì)低質(zhì)量的頻道進(jìn)行屏蔽，大大降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出錯(cuò)率。
[0028]5)本發(fā)明綜合利用IEEE802.15.4物理層定義的16個(gè)頻道通過(guò)動(dòng)態(tài)切換的方法來(lái)解決2.4GHz ISM頻段復(fù)雜無(wú)線環(huán)境下對(duì)無(wú)線體域網(wǎng)通信的干擾問(wèn)題，特別適用于無(wú)線體域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1為本發(fā)明中主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方法的流程圖；
[0030]圖2為本發(fā)明MAC協(xié)議的一種工作狀態(tài)示意圖；
[0031 ]圖3為實(shí)施例中MAC協(xié)議組網(wǎng)過(guò)程流程圖；
[0032]圖中:Master表示主節(jié)點(diǎn)，Slave表示從節(jié)點(diǎn)，Superframe表示超幀。
【具體實(shí)施方式】
[0033]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(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0034]—種面向無(wú)線體域網(wǎng)的可控時(shí)延多頻道MAC協(xié)議，無(wú)線體域網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能角色分為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，單個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)采用星型拓?fù)溥B接，其中:
[0035]a.該協(xié)議將時(shí)間劃分為多個(gè)超幀的序列，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)在超幀內(nèi)進(jìn)行通信，且主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)以超幀為時(shí)間單位周期性地切換通信的頻道；
[0036]b.如圖1所示，主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方法包括以下步驟:
[0037]I)主節(jié)點(diǎn)信標(biāo)幀發(fā)送:主節(jié)點(diǎn)基于一個(gè)偽隨機(jī)序列在各頻道發(fā)送信標(biāo)幀，信標(biāo)幀的內(nèi)容包括當(dāng)前超幀內(nèi)主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和主節(jié)點(diǎn)工作的頻道；
[0038]2)從節(jié)點(diǎn)喚醒及監(jiān)聽(tīng):當(dāng)從節(jié)點(diǎn)需要與主節(jié)點(diǎn)連接時(shí)，從節(jié)點(diǎn)從睡眠狀態(tài)喚醒并開(kāi)啟頻道來(lái)監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)幀，具體為:從節(jié)點(diǎn)從睡眠狀態(tài)喚醒后，開(kāi)啟設(shè)定的初始頻道來(lái)監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)幀，若該初始頻道在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未接受到信標(biāo)幀，則從節(jié)點(diǎn)切換頻道來(lái)監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)幀，直到接收到信標(biāo)幀；
[0039]3)基于CSMA/CA的方式的控制信息交換:從節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)幀后，從節(jié)點(diǎn)根據(jù)信標(biāo)幀的內(nèi)容得到下一個(gè)超幀內(nèi)主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和主節(jié)點(diǎn)工作的頻道，進(jìn)而從節(jié)點(diǎn)完成與主節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和頻率同步，并根據(jù)