CN102548001B

CN102548001B - Wia-pa网络与ieee 802.15.4网络的一种共存方法

Info

Publication number: CN102548001B
Application number: CN201210051230.1A
Authority: CN
Inventors: 王恒; 唐帅; 王平; 向敏; 代庆超
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: CN102548001A

Abstract

本发明请求保护WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络的一种共存方法，涉及工业无线传感器网络。WIA-PA网络中的网关设备通过侦听IEEE 802.15.4干扰网络发送的信标帧，学习获取IEEE 802.15.4网络发送数据包周期；WIA-PA网络***管理器通过重新分配网络资源，调整本网络设备的调度时间，避免干扰。该共存方法能充分利用网络的频谱资源，有效地提高WIA-PA网络通信的可靠性和稳定性。

Description

WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络的一种共存方法

技术领域

本发明涉及工业无线传感器网络技术领域，具体涉及WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络的共存方法。

背景技术

工业无线传感器网络已经成为工业控制领域发展的一个热门方向，也是工业自动化产品未来的新增长点。目前，工业无线标准制定成为工业无线技术竞争的焦点。在工业界，如果使用有线传感器网络，成本较高且实现起来困难，工业无线传感器网络的引入解决了工业现场布线困难、安装维护成本高等问题。工业无线传感器网络以其低功耗，低成本的特点，已成为工业自动化领域的又一发展趋势。工业环境下建立具有高可靠性的无线传感器网络已成为一个迫切的需求。

WIA-PA是基于IEEE STD 802.15.4-2006标准的用于工业过程测量、监视与控制的无线网络***，WIA-PA工业无线技术是一种面向设备间信息交互的无线通信技术，是对现有工业通信技术在工业应用方向上的功能扩展，引领工业自动化***向着低成本、高可靠、高灵活的方向发展。WIA-PA还有一些关键技术难题正在逐步突破，特别是WIA-PA网络与其它无线网络的共存问题。工业无线网络的数据在发送、接收的过程中容易受到干扰，影响设备的通信性能。因此增强WIA-PA无线网络的抗干扰性，实现与其它无线网络的共存极为重要。WIA-PA、ZigBee和其他基于IEEE 802.15.4的***都工作在2.4G频段，工业无线传感器网络为了防止其他网络的同频干扰，提供了多种抗干扰技术。正如申请号为：200810070072.8，名称为工业无线网络中跳信道抗射频干扰方法的中国专利申请文中所指出的，自适应跳信道技术是工业无线传感器网络中主要的抗干扰方式，它通过周期性地评估信道质量，将被干扰的差信道进行屏蔽，使在同一射频范围内的工业无线网络之间能够有效避免射频干扰。文中给出的自适应跳信道方案屏蔽差的信道，降低了网络的频谱利用率，但不能有效避免数据包的碰撞冲突，不能解决针对IEEE 802.15.4网络之间的干扰问题。由于WIA-PA是低速率、低功耗和低成本设备使用的短距离无线通信规范，因此低能耗是其网络性能重要参数之一。而数据包碰撞冲突，导致发送数据失败，造成重新发送这些数据包的能量浪费。

本发明提出一种基于信标帧调度的WIA-PA与IEEE 802.15.4网络共存方法，能有效避免数据包的冲突，解决两个网络之间的共存问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为，针对现有技术采用跳信道技术不能解决IEEE 802.15.4网络之间的干扰问题，在IEEE 802.15.4无线网络的干扰下，WIA-PA网络根据IEEE 802.15.4网络发送的数据周期，计算出两个网络之间的冲突域时间周期，WIA-PA网络网关***管理器通过调整网络设备发送数据的周期，避免在IEEE 802.15.4网络冲突的时间周期内工作。

本发明解决上述问题的技术方案是，提出一种基于信标帧调度的WIA-PA与IEEE 802.15.4网络共存方法，WIA-PA网络的网关设备周期性侦听IEEE 802.15.4网络发送的信标帧，解析IEEE 802.15.4网络信标帧的MAC帧头，判断IEEE 802.15.4网络网络采用安全模式还是非安全模式，网络管理器计算安全模式和非安全模式对应的冲突域时间周期；***管理器根据冲突域时间周期重新分配网络的时隙资源，调整发送帧的周期，避免网络间的干扰。具体为：

1. WIA-PA网络的网关设备周期性侦听IEEE 802.15.4网络发送的信标帧；

2. WIA-PA网络的网关设备解析IEEE 802.15.4网络信标帧的MAC帧头，判断该网络是否工作于安全模式：

3. IEEE 802.15.4网络工作在非安全模式

如果IEEE 802.15.4网络MAC层采用非安全模式，网关设备继续解析信标帧获取信标帧载荷的超帧描述信息，主要包括信标帧序列、超帧序列、最终CAP 时隙子字段长度等参数信息。由超帧描述信息计算信标帧时间周期，时隙长度和竞争接入时间周期。WIA-PA网络网关设备中的网络管理者根据以上信息计算IEEE 802.15.4网络发送信标帧周期和发送数据周期，即冲突域时间周期。

4. IEEE 802.15.4网络工作在安全模式

如果IEEE 802.15.4网络MAC层采用安全模式，WIA-PA网络不能从侦听到的信标帧中获取干扰网络的超帧信息，WIA-PA网络网关设备记录收到信标帧的时间，计算信标帧的周期时间；在收到信标帧之后，继续侦听数据帧，记录并更新每次收到的数据帧时间，学习一段时间之后，WIA-PA网关设备的网络管理者计算网络冲突域的时间周期。

5. 网络管理者将计算的冲突域时间周期通知给***管理者，***管理者根据冲突域时间周期重新分配网络的时隙资源，调整发送帧的周期，从而避免IEEE 802.15.4网络的干扰。

IEEE 802.15.4网络工作在非安全模式，WIA-PA网络网关设备根据公式计算WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络的冲突域时间周期。进一步根据公式确定WIA-PA网络受到IEEE 802.15.4网络干扰的冲突域时间T；IEEE 802.15.4网络工作在安全模式，首先获取协调器发送信标帧之间的间隔（i=1,2……n）,根据公式计算IEEE 802.15.4网络发送信标帧的周期，实时更新IEEE 802.15.4设备发送信标帧与数据帧的时间差，根据公式计算WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络的冲突域时间周期。进一步根据公式确定WIA-PA网络受到IEEE 802.15.4网络干扰的冲突域时间T。

相对于现有抗干扰技术，本发明的共存方法考虑到基于IEEE 802.15.4的网络具有低功耗特点，设备长期处于休眠状态，发送数据的周期比较短，WIA-PA***只要避免在有可能产生数据冲突的时间周期内发送数据，就可以实现网络的共存。因此本发明的共存方法既满足了WIA-PA***的抗干扰性又可以充分利用网络的信道资源，同时具有动态自适应性，减少了数据重传，降低了网络的额外功耗，提高了WIA-PA工业无线传感器网络的可靠性。

附图说明

图1 WIA-PA网络调整网络调度流程图；

图2 WIA-PA超帧结构图；

图3 IEEE 802.15.4超帧结构图；

图4 WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络（非安全模式）共存图；

图5 WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络（安全模式）共存图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明：

WIA-PA协议的MAC层与物理层基于IEEE 802.15.4标准，因此，通过WIA-PA网络识别IEEE 802.15.4网络的数据包。如图1所示为基于信标帧调度的WIA-PA与IEEE 802.15.4网络共存方法流程图。具体为：

如果WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络相互干扰下进行无线通信。WIA-PA网络的网关设备周期性侦听IEEE 802.15.4网络发送的信标帧，并解析IEEE 802.15.4网络信标帧的MAC帧头，判断IEEE 802.15.4网络是否工作于安全模式；如果IEEE 802.15.4网络MAC层采用非安全模式，WIA-PA网络的网关设备继续解析信标帧获取信标帧载荷的超帧描述信息，主要包括信标帧序列、超帧序列、最终CAP 时隙子字段长度等参数信息。根据超帧描述信息计算出信标帧的时间周期，时隙长度和竞争接入时间周期。WIA-PA网络网关设备中的网络管理者根据以上信息获知IEEE 802.15.4网络发送信标帧周期和发送数据周期，即冲突域时间周期；当IEEE 802.15.4网络工作在安全模式，WIA-PA网络不能从侦听到的信标帧中获取干扰网络的超帧信息，WIA-PA网络的网关设备记录收到信标帧的时间，计算信标帧的周期时间；在收到信标帧之后，继续侦听数据帧，记录并更新每次收到的数据帧时间，学习一段时间之后，WIA-PA网络网关设备中的网络管理器计算网络冲突域的时间周期；***管理者根据冲突域时间周期重新分配整个网络的时隙资源，调整发送帧的周期，从而避免IEEE 802.15.4网络的干扰。

在WIA-PA网络中，所有现场设备间数据通信都是基于超帧结构的，如图2所示，超帧是一组循环出现的时隙集合，超帧长度就是时隙的数目，决定了超帧循环的速度。WIA-PA超帧主要分为信标、竞争访问时段（CAP）、非竞争访问时段（CFP）、簇内通信、簇间通信和休眠这几个阶段。其中CAP阶段主要用于设备加入，簇内管理和重传，CFP阶段用于移动设备与簇首间的通信。网络管理者负责为每个设备生成一个WIA-PA超帧，超帧中的时隙类型包括共享时隙和专用时隙，其中共享时隙用于簇间非周期性数据的传输，专用时隙用于簇内通信段和簇间通信段周期性数据的传输。

IEEE 802.15.4网络的超帧结构如图3所示，超帧按通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。在不活跃期间，PAN网络中的设备不会相互通信，从而可以进入休眠状态以节省能量。超帧在活跃期间划分为三个阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段。超帧的活跃部分被划分为16个等长的时隙，每个时隙的长度、竞争访问时段包含的时隙数等参数，都由协调器设定，并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络。

IEEE 802.15.4信标帧结构如表1所示。

表1：

IEEE 802.15.4网络协调器通过发送信标帧实现对超帧限定，在信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，执行相应的任务，然后进入休眠状态直到该超帧结束。

当WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络工作在相互干扰的区域时，若IEEE 802.15.4网络MAC层采用非安全模式，MAC层将不提供安全服务，发送的帧没有进行任何数据加密算法。在这种情况下，WIA-PA网络网关设备通过侦听并解析IEEE 802.15.4网络发送的信标帧，计算干扰网络发送数据的周期时间，然后调整本网络设备的调度时间，避免设备之间发送数据的时间冲突，从而实现网络之间的良好共存。

信标帧中的超帧描述子域如表2所示。

表2：

信标帧序列()子字段长度为4 个比特位，用来指定信标帧的传输间隔。超帧间隔()和信标帧序列()之间的关系如下：

(1)

其中表示超帧序列()为0时，组成超帧的符号数，为信标帧序列。

超帧序列()子字段长度为4个比特位，指定了超帧为活跃状态的时间段（如接收机接收期间），该时段包括信标帧的传输时间。超帧序列()和超帧间持续期（）之间的关系如下：

(2)

表示超帧序列为0时，组成超帧的符号数；表示超帧序列为0时，组成超帧的时隙符号数，默认值为60，IEEE802.15.4规范定义2.4GHz物理层的符号速率为62.5千符号/秒，因此一个符号速率为16；表示任何超帧中包含的时隙数，默认值为16，它们之间的关系如下：

(3)

超帧中每个时隙的长度（）定义如下：

(4)

其中, 为超帧持续时间，表示任何超帧中包含的时隙数，为组成超帧的时隙符号数，为超帧基本时隙间隔。

最终CAP 时隙子字段长度为4个比特位，指定了竞争接入期所使用的超帧时隙数目（）。此子字段表示竞争接入期的持续时间。在为了满足执行保护时隙维护需要的情况下，可适当地暂时增加信标帧的长度。

WIA-PA与工作在非安全模式下的IEEE 802.15.4网络共存时隙分配如图4所示，IEEE 802.15.4网络发送信标占1个时隙，设置GTS为0，则调用如下公式计算两个网络的发送数据冲突域时间周期：

(5)

其中，为网络超帧时隙长度，为IEEE 802.15.4设备在信标帧之后的竞争接入时期周期。

WIA-PA设备接收到来自干扰设备发送的信标帧后，立即记录下接收信标帧的当前时间为，根据公式：

(6)

其中，为干扰网络的信标帧和数据帧初始时间差值，i、n和N均为自然数，为干扰网络信标帧和数据帧之间的时间偏移。

获取WIA-PA网络受到IEEE 802.15.4网络干扰的时间T（冲突域），其中，N为自然数。

假设IEEE 802.15.4网络发送的信标帧中超帧描述子域的参数配置如下：，，；按照式(1)-式(5)可分别计算出以下参数,,,。WIA-PA网络管理者根据式(6)可以计算出每个冲突域的时间段，若网络中的设备在该时间周期内有发送/接收数据的任务，则***管理器重新分配这些设备的通信资源，使它们在非干扰的时间周期内进行通信，从而提高网络的抗干扰性。

当IEEE 802.15.4网络中的设备采用安全模式进行通信时，WIA-PA网络设备不能从侦听到的信标帧中获取MAC有效载荷信息，因此不能按照上述方法直接计算出冲突域的时间范围。图5所示为WIA-PA网络与安全模式下的IEEE 802.15.4网络共存情况，其中，，和分别表示第1、2、n个IEEE 802.15.4网络信标帧与前一个信标帧的间隔时间，,和分别表示WIA-PA设备与其他IEEE 802.15.4网络的第1、2、n个超帧周期冲突域时间。IEEE 802.15.4网络周期性发送信标帧，在信标帧之后发送数据，WIA-PA网络按照以下方法计算网络的冲突域时间周期：

(1) WIA-PA网络中的网关设备负责侦听IEEE 802.15.4干扰网络设备发送的数据包，由于MAC帧头没有进行加密，因此WIA-PA网关设备可以判断接收到数据包的帧类型，当收到其他IEEE 802.15.4网络协调器发送的信标帧时，记录下当前时间；

(2) 由于IEEE 802.15.4网络的设备会在信标之后马上发送数据，因此WIA-PA网关设备的接收机一直设置为接收打开状态，当在信标帧之后捕获到对方发送的数据帧时，记录下时间，然后继续侦听，若接收到IEEE 802.15.4网络的数据包，立即更新当前时间；

(3) 初始化WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络的冲突域时间周期（）为：；

(4) 当WIA-PA网关设备侦听到下一个信标帧时，记录时间为，则计算两个信标帧间的间隔为，然后按照方法2侦听IEEE 802.15.4设备发送的数据帧，更新收到数据帧的时间，当信标帧与数据帧的时间差（）大于时，设置，为时间偏移，由WIA-PA网络管理者设置；

(5) WIA-PA网关设备每次记录下收到IEEE 802.15.4网络发送信标帧的时间，并计算IEEE 802.15.4网络信标帧之间的当前帧间隔时间，（i=1,……n），学习一段时间后，根据获取的一系列帧间隔时间，计算干扰网络发送信标帧周期为：

(7)

其中，为第i+1个IEEE 802.15.4信标帧发送的时刻，为第i个IEEE 802.15.4信标帧发送的时刻，为第i个IEEE 802.15.4网络信标帧与前一个信标帧的间隔时间，i和n均为自然数。

(6) WIA-PA网关设备不断学习IEEE 802.15.4设备发送信标帧与数据帧的时间差，如果它们的时间差大于之前的值，则更新，WIA-PA设备与其他IEEE 802.15.4网络的冲突域时间可定义为：

(8)

(7) 当计算出信标帧的帧间隔，冲突域时间周期之后，WIA-PA网络受到IEEE 802.15.4网络干扰的冲突域时间T按照式(6)计算得出：

(9)

其中，为WIA-PA设备接收到干扰网络信标帧的时刻，为干扰网络协调器发送信标帧的周期，为干扰网络信标帧和数据帧初始时间差值，为干扰网络信标帧和数据帧之间的时间偏移，N为自然数。

WIA-PA是低速率、低功耗和低成本设备使用的短距离无线通信规范，因此低能耗是其网络性能重要参数之一。而数据包碰撞冲突，导致发送数据失败，造成重新发送这些数据包的能量浪费，因此实现WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络共存，避免网络发送数据的时间冲突，可以很大程度上减小网络的能量消耗，并可以充分使用网络的信道资源，提高了网络的频谱利用率和吞吐量。

Claims

1.WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络共存的方法，其特征在于，WIA-PA网络的网关设备周期性侦听IEEE 802.15.4网络发送的信标帧，解析IEEE802.15.4网络信标帧的MAC帧头，判断IEEE 802.15.4网络采用安全模式还是非安全模式，网络管理器计算安全模式和非安全模式对应的冲突域时间周期；在非安全模式下，根据公式CT＝(1+CAPSlotNum)×TimeSlot计算冲突域时间周期CT，在安全模式下，获取当前两信标帧之间的时间间隔BI_i(i＝1,2……n)，根据公式计算IEEE 802.15.4网络发送信标帧的周期BI，实时更新IEEE 802.15.4设备发送信标帧与数据帧的时间差，根据公式CT＝CT₁+(N-1)×△T计算WIA-PA网络与IEEE 802.15.4网络的冲突域时间周期CT；***管理器根据冲突域时间周期重新分配网络的时隙资源，调整发送帧的周期，避免网络间的干扰，其中，TimeSlot为网络超帧时隙长度，CAPSlotNum为IEEE 802.15.4设备在信标帧之后的竞争接入时期周期，CT₁为干扰网络的信标帧和数据帧初始时间差值，i、n和N均为自然数，△T为干扰网络信标帧和数据帧之间的时间偏移。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如采用非安全模式，IEEE802.15.4网络网关设备解析信标帧获取信标帧载荷的超帧描述信息，计算信标帧时间周期，网络超帧时隙长度和竞争接入时间周期，根据以上信息计算IEEE 802.15.4网络冲突域时间周期；如采用安全模式，WIA-PA网络网关设备记录收到信标帧的时间，计算信标帧的周期时间，记录每次收到的数据帧时间，计算IEEE 802.15.4网络冲突域时间周期。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步根据公式

T &Element; [T_{B}^{1} + (N - 1) \times BI, T_{B}^{1} + C T_{1} + (N - 1) \times ΔT + (N - 1) \times BI]

确定WIA-PA网络受到IEEE802.15.4网络干扰的冲突域时间T，其中，为WIA-PA设备接收到干扰网络信标帧的时刻，BI为干扰网络协调器发送信标帧的周期，CT₁为干扰网络信标帧和数据帧初始时间差值，△T为干扰网络信标帧和数据帧之间的时间偏移，N为自然数。