CN103826316A - 一种微功率无线自组织网络广播通信方法 - Google Patents

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JIANGSU LINYANG ELECTRONICS CO Ltd
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Abstract

本发明公开了一种微功率无线自组织网络广播通信方法，针对微功率无线自组织网络广播通信的特点和存在的问题，采用CSMA-CA算法和TDMA算法相结合的技术，可以在充分提升广播通信可靠性的情况下提高通信效率。在TDMA基础上提出了时隙同步算法，使得节点具有唯一的时隙。广播数据采用时隙同步算法，使得子节点在广播数据帧接收结束时启动时隙定时器，为转发广播数据帧的时机进行准确同步。从而最大限度避免了数据发送时的冲突。

Description

一种微功率无线自组织网络广播通信方法
技术领域
本发明属于微功率无线自组网通信领域，具体是一种微功率无线自组织网络广播通信方法。本发明用于解决微功率无线自组网广播通信的问题。
背景技术
目前，在电力集抄、智能家居、物联网等领域，微功率无线自组网通信技术的优势得到越来越多客户的认识，使用也越来越广泛。
在低压电力集抄领域，微功率无线自组织网络是实现低压电力用户用电信息汇聚、传输、交互的通信网络。覆盖范围有限，发射功率受到国家无线电管理的严格限制，子节点位置固定，通信链路相对稳定。
微功率无线自组织网络包括两种通信设备，如图1所示，一种是安装在集中器的中心节点模块，以下简称中心节点，另一种是安装在电表或者采集器的子节点模块，以下简称子节点。中心节点与子节点之间可以通信。子节点之间相互不能直接通信，但可以转发数据。
微功率无线自组织网络可组成星型网络、树形网络或者MESH网状网络，网络的具体构架由中心节点确定。
缺点：在电力集抄领域，有时需要进行广播校时等广播通信。目前，网络建立以后的链路层通信，无线广播通信特点使得链路层广播通信不可靠。容易产生广播风暴，或者无法对广播进行回复，存在效率低、可靠性差的问题。
发明内容
本发明针对微功率无线自组织网络广播通信的特点和存在的问题，提出一种采用CSMA-CA算法和TDMA算法相结合的广播通信方法。
技术方案：一种微功率无线自组织网络广播通信方法，其特征在于介质访问控制层（MAC）在进行广播通信时，采用时分多址（TDMA）和带冲突避免的载波侦听多址访问（CSMA-CA）相结合的优化算法：
介质访问控制层（MAC）采用时分多址（TDMA）时隙分配算法进行广播数据发送和转发，子节点在进行传输时，等到节点自身的时隙后，先随机延迟0-7个字节发送的时间Tr，然后在Tc的时间内通过带冲突避免的载波侦听多址访问（CSMA-CA）算法进行检测判断是否有时隙碰撞，如果检测到没有碰撞则进行传输，其中：
Tr:(0～7随机数)×8×(1/空中波特率)；
Tc:带冲突避免的载波侦听多址访问（CSMA-CA）算法检测时间；
如果检测到有时隙碰撞，数据没有发送成功，那么子节点等待下一轮时隙，重复检测过程。
所述子节点时隙分配算法为：
通过式子n=mod（MID,m）计算序列数n，得到时间片Tn，节点在时间片Tn有权进行传输，式中：
MID：子节点地址的低两个字节数值；
m:网络规模。
所述带冲突避免的载波侦听多址访问（CSMA-CA）算法步骤包括：
a、介质访问控制层（MAC）在随机延时一定时间后，执行空闲信道评估（CCA）；
b、如果评估信道空闲状态，则立即进行数据发送；
c、如果评估信道为占用状态，则不能进行数据发送。需要回到步骤a，进行随机延时；
d、在设备接收到数据帧或命令帧而需要响应确认帧的时候，确认帧紧跟着接收帧发送。
更优的，步骤a和步骤c中所述随机延时通过退避周期算法计算。
更优的，各个子节点在广播数据帧接收结束时启动一个时隙定时器进行准确同步。
有益效果：链路层通信采用CSMA-CA算法和TDMA算法相结合的技术，解决了广播传输和对广播的单个回复等问题。链路层采用TDMA算法为每个网络节点分配独立的时隙，节点设备在自己的时隙进行广播传输和数据响应。在数据发送时通过CSMA-CA算法提高了发送成功率。这样可以在充分提升广播通信可靠性的情况下提高通信效率。
附图说明
图1是微功率无线自组织网络拓扑结构
图2是CSMA-CA算法流程图
图3是时隙同步机制结构图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明：
如图2所示，链路层发送数据时需要使用CSMA-CA算法，在发送数据帧和命令帧之前都需要使用CSMA-CA算法来访问信道。未来减少通信量，确认帧不需要使用CSMA-CA算法。
CSMA-CA算法的实现要用到称作“退避周期”的单位时间，一个退避周期BackoffPeriod定义为一段随机产生的时间，单位是毫秒(ms)。
数据链路层在每次尝试发送时都需要维护2个变量：NB和BE。NB是尝试当前帧发送过程中CSMA-CA算法执行随机退避的次数。在每个新的CSMA-CA算法开始，准备发送之前NB应初始化为0。BE是退避指数，数据链路在评估信道是否空闲前，退避的时间通过BE进行随机数计算产生。BE的值初始化为aMinBE。
数据链路层首先初始化变量NB和BE，然后数据链路层延迟随机数时间长度的退避周期BackoffPeriod后，请求物理层开始执行空闲信道评估（CCA）。退避周期随机数：
random(2BE-1)
取值范围是0～2BE-1。
如果信道评估结果为占用，则变量NB和BE都加1，并保证BE不超过常量aMaxBE。
BE=min(BE+1,aMaxBE)。
如果变量NB的值小于或等于设定的最大尝试次数，则算法跳转到CSMA-CA算法第①步（延时random(2BE-1)个回退周期）；否则CSMA-CA算法结束，信道访问失败。如果信道评估结果为空闲，则MAC层将立即开始发送数据帧，CSMA-CA算法流程结束。
在微功率无线自组织网络存在将数据广播传输到网内所有节点的需求。本发明针对无线广播数据的传输特征和面临的问题，提出了采用基于TDMA的时隙分配算法和CSMA-CA冲突避免算法相结合的双重保障机制，保证了广播通信的可靠性和通信效率。
如图3所示，微功率无线自组织网络在组网过程中以及数据广播过程中，各个节点之间采用基于TDMA的时隙同步算法进行链路数据发送。
TDMA算法
1）时隙(Tb)的定义:一个时隙是分配给一个子节点设备发送广播帧的固定时间，总计为Tb，具体定义如图3所示。
说明：
Tb固定为一个时间段，例如300ms，其中包括信号发射时间Ts（例如200ms）和保护时隙Tp（例如100ms）。
2）节点时隙定位
节点时隙定位是将网络内的子节点分配到不同的时隙内，尽可能的使多个子节点的时隙离散，以减少其在传输时冲突的概率。时隙定位计算的方式是：
计算序列数n，得到时间片Tn，节点在时间片Tn有权进行传输。序列数n计算公式为：
n=mod（MID,m）；
其中：
MID：子节点地址的低两个字节数值；
m:网络规模。
子节点在进行传输时，等到节点自身的时隙后，先随机延迟0-7个字节发送的时间Tr，然后在Tc的时间内判断是否有时隙碰撞（CSMA-CA冲突避免算法进行检测），如果检测到没有碰撞则进行传输，其中：
Tr:(0～7随机数)×8×(1/空中波特率)；
Tc:CSMA-CA冲突避免算法检测时间。
如果检测到有时隙碰撞，数据没有发送成功，那么子节点等待下一轮时隙重复这个过程。网络组建完成后，因为有了唯一的时隙，不需要随机等待时间Tr。
节点具有唯一的时隙。广播数据采用时隙同步算法，使得子节点在广播数据帧接收结束时启动时隙定时器，为转发广播数据帧的时机进行准确同步。从而最大限度避免了数据发送时的冲突。
尽管本发明已经参照附图和优选实例进行了说明，但是，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。本发明的各种更改、变化，和等同物有所附的权利要求书的内容涵盖。
本发明未涉及技术均与现有技术相同，或可采用现有技术实现。

Claims (5)

1.一种微功率无线自组织网络广播通信方法，其特征在于介质访问控制层（MAC）在进行广播通信时，采用时分多址（TDMA）和带冲突避免的载波侦听多址访问（CSMA-CA）相结合的优化算法：
介质访问控制层（MAC）采用时分多址（TDMA）时隙分配算法进行广播数据发送和转发，子节点在进行传输时，等到节点自身的时隙后，先随机延迟0-7个字节发送的时间Tr，然后在Tc的时间内通过带冲突避免的载波侦听多址访问（CSMA-CA）算法进行检测判断是否有时隙碰撞，如果检测到没有碰撞则进行传输，其中：
Tr:(0～7随机数)×8×(1/空中波特率)；
Tc:带冲突避免的载波侦听多址访问（CSMA-CA）算法检测时间；
如果检测到有时隙碰撞，数据没有发送成功，那么子节点等待下一轮时隙，重复检测过程。
2.根据权利要求1所述的一种微功率无线自组织网络广播通信方法，其特征在于所述子节点时隙分配算法为：
通过式子n=mod（MID,m）计算序列数n，得到时间片Tn，节点在时间片Tn有权进行传输，式中：
MID：子节点地址的低两个字节数值；
m:网络规模。
3.根据权利要求1所述的一种微功率无线自组织网络广播通信方法，其特征在于所述带冲突避免的载波侦听多址访问（CSMA-CA）算法步骤包括：
a、介质访问控制层（MAC）在随机延时一定时间后，执行空闲信道评估（CCA）；
b、如果评估信道空闲状态，则立即进行数据发送；
c、如果评估信道为占用状态，则不能进行数据发送。需要回到步骤a，进行随机延时；
d、在设备接收到数据帧或命令帧而需要响应确认帧的时候，确认帧紧跟着接收帧发送。
4.根据权利要求3所述的一种微功率无线自组织网络广播通信方法，其特征在于步骤a和步骤c中所述随机延时通过退避周期算法计算。
5.根据权利要求1所述的一种微功率无线自组织网络广播通信方法，其特征在于各个子节点在广播数据帧接收结束时启动一个时隙定时器进行准确同步。
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