CN105722228A - 面向无线体域网的可控时延多频道mac协议 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，该协议将时间划分为多个超帧的序列，主节点和从节点在超帧内进行通信；主节点与从节点数据传输方法包括以下步骤：1)主节点在各频道发送信标帧；2)从节点开启频道来监听信标帧；3)从节点根据接收的信标帧完成与主节点的时间和频道同步，并向主节点发送时隙分配请求，主节点根据时隙分配请求得到时隙分配结果；4)主节点将时隙分配结果在下一个超帧的信标帧中发送给从节点，从节点接收信标帧并根据时隙分配结果向主节点传输数据。与现有技术相比，本发明具有高可靠性、低功耗、超帧频率自适应等优点。

Description

面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议

技术领域

本发明涉及无线体域网技术，尤其是涉及一种面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议。

背景技术

无线体域网在工业和医疗方面都有着非常广泛的应用，随着社会老龄化的发展，随之而来的对于各种慢性疾病的诊疗需要随时随地的医疗检测和服务。在各种医疗机构，尤其是在医院中需要对老年患者及其他病患进行监测以为后续治疗提供数据依据，在另一方面，对于某些慢性疾病，需要对患者进行居家观测和治疗，也要求对能反映患者身体状况的数据进行监测并为后续治疗提供依据。基于无线通信的传感器技术能够通过代价最小的方式满足各种医疗监测的应用需求。因此无线体域网MAC层协议作为实现此项应用的关键技术，国内外都对此开展了很多相关研究。

无线体域网一般采用星型网络拓扑，在MAC层协议的设计中有一些特殊的要求。其中之一是网络节点的低功耗性能。无线体域网的节点由于应用条件的限制，往往由体积较小的低容量电池供电，因此为了提高网络的生存时间，优化网络的工作占空比，即网络节点的工作时间和总时间的比值，对降低其功耗尤为重要。另一个要求是无线体域网的工作可靠性。由于无线体域网具有和其他网络共享无线信道的特性，容易受到来自于其他无线设备的干扰的特点。例如，隐藏节点对现有节点数据发送的碰撞，来自于其他网络的传感器节点对信道的争用等。甚至是主动对网络进行的阻塞攻击，比如对网络发送持续不断主动发送的干扰信号，以阻塞其他节点使用该频道的可能性。干扰也会来自于其他的方面，例如来自同样工作于2.4GHz的Wi-Fi信号的干扰。目前，使用单信道进行数据交换的MAC层协议，面对这些干扰和阻塞攻击网络性能会大大下降。

近年来提出的蓝牙4.0中的BLE是一个非常典型的无线体域网方案，其蓝牙的跳频机制，具有较好的抗干扰特性，同时具有非常卓越的低功耗性能，但是其缺陷为，在一个微微网中一个主节点只能至多同时连接7个从节点，其无法满足在一个主节点连接较多从节点的情况下工作。另外IEEE802.15.4也被认为是较适合于此项技术的标准和技术，IEEE802.15.4是一个无线网络标准，其包含了物理层和数据链路层的MAC子层，但是其可靠性和能耗方面都存在一些不足。

中国专利CN102119575A公开了一种用于在网络中控制对于无线介质的接入的方法。所述方法包括：将对于无线介质的接入时间分为固定的和重复的时间循环，其中每个时间循环包括多个超帧，每个超帧包括固定数量的时隙；在时间循环内分配全局信标周期；以及在每个超帧内预约子帧，其中主设备能够至少在所预约的子帧期间接入无线介质。由于在2.4GHz的频段上，存在着较多的干扰，使用单一频道进行数据传输可能会带来冲突和干扰的问题，该专利所描述的无线介质的接入方法即使用单一频道，有类似的缺点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，能够解决无线体域网在2.4GHz频段可靠低功耗工作的问题，实现低功耗和可靠数据传输，且超帧频率自适应。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，无线体域网中网络节点根据功能角色分为主节点和从节点，

a.该协议将时间划分为多个超帧的序列，主节点和从节点在超帧内进行通信，且主节点和从节点以超帧为时间单位周期性地切换通信的频道；

b.主节点与从节点数据传输方法包括以下步骤：

1)主节点基于一个伪随机序列在各频道发送信标帧；

2)当从节点需要与主节点连接时，从节点从睡眠状态唤醒并开启频道来监听信标帧；

3)从节点接收到信标帧后，根据接收的信标帧完成与主节点的时间和频道同步，并根据自身的QoS需求向主节点发送时隙分配请求，主节点根据时隙分配请求得到时隙分配结果，此超帧内传输结束，等待下一个超帧；

4)主节点将时隙分配结果连同下一个超帧的信标帧发送给从节点，从节点接收信标帧并根据时隙分配结果向主节点传输数据，主节点接收完从节点发送的传输数据后，向从节点发送接收完成信号，从节点接收到接收完成信号后重新进入睡眠状态。

所述步骤2)中从节点从睡眠状态唤醒后，开启设定的初始频道来监听信标帧，若该初始频道在设定时间内未接受到信标帧，则从节点切换频道来监听信标帧，直到接收到信标帧。

所述信标帧的内容包括当前超帧内主节点的时间和主节点工作的频道，所述从节点根据信标帧的内容得到下一个超帧内主节点的时间和主节点工作的频道，进而完成与主节点的时间和频率同步。

所述主节点维护一张时隙分配表，所述步骤3)中主节点根据从节点的时隙分配请求得到时隙分配结果的过程为：主节点判断时隙分配表中是否有可用时隙，若否，则主节点向从节点返回失败信息，此超帧内传输结束，跳转步骤1)，若是，主节点基于时隙分配表中可用时隙得到时隙分配结果。

所述步骤3)中主节点还根据时隙分配请求检查自身的超帧频率是否满足从节点的QoS需求，若不能满足，则增大主节点的超帧频率，直至主节点的超帧频率满足从节点的QoS需求。

所述主节点维护一张工作频道记录表，所述工作频道记录表上记录从节点重传数据时的频道和各频道的重传次数，主节点根据重传次数得到各频道的数据传输成功率，并以数据传输成功率作为频道评估指标对低质量的频道进行屏蔽。

所述时隙分配请求包括从节点的ID、所需要的时隙数量和从节点的QoS需求等级信息。

单个主节点和多个从节点采用星型拓扑连接。

所述主节点和从节点通信的频道为利用IEEE802.15.4物理层定义的2.4GHz频段下的16个频道。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明中主节点与从节点根据超帧进行通信，且主节点和从节点以超帧为时间单位周期性地切换通信的频道，则每个超帧完毕主节点和从节点可以根据伪随机序列跳频机制切换到不同的频率进行通信，此频率切换不需要额外的握手，也不需要特定的控制频道交换控制信息，避免由于在控制频道上具有干扰或阻塞信号而影响网络的整体工作，从而提高网络***的可靠性。

2)本发明中信标帧的内容包括当前超帧内主节点的时间和主节点工作的频道，使得从节点能根据信标帧的内容得到下一个超帧内主节点的时间和主节点工作的频道，即从节点得到超帧交汇的时间点和频道，实现了主从节点的工作交汇，在前一个超帧结束后，主从节点通过互相事先约定的跳频规则即可在下一时刻在另一个频道完成交汇，进而在超帧内完成收发，实现主从节点之间数据顺利传输。

3)本发明中每个从节点维护一个QoS属性，QoS属性对应QoS需求，通过引入可控时延机制，主节点根据从节点的QoS需求规划自身的超帧发送间隔，从而控制网络的平均端到端时延，通过自适应调节超帧频率使得整个网络在性能和能耗上达成一个平衡。

4)本发明通过在线对网络所使用的频道上的数据传输成功率的方式评估信道质量，不影响网络的正常运行且不添加额外的数据负载，同时通过以数据传输成功率作为频道评估指标对低质量的频道进行屏蔽，大大降低网络***的出错率。

5)本发明综合利用IEEE802.15.4物理层定义的16个频道通过动态切换的方法来解决2.4GHzISM频段复杂无线环境下对无线体域网通信的干扰问题，特别适用于无线体域网的数据传输。

附图说明

图1为本发明中主节点与从节点数据传输方法的流程图；

图2为本发明MAC协议的一种工作状态示意图；

图3为实施例中MAC协议组网过程流程图；

图中：Master表示主节点，Slave表示从节点，Superframe表示超帧。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，无线体域网中网络节点根据功能角色分为主节点和从节点，单个主节点和多个从节点采用星型拓扑连接，其中：

a.该协议将时间划分为多个超帧的序列，主节点和从节点在超帧内进行通信，且主节点和从节点以超帧为时间单位周期性地切换通信的频道；

b.如图1所示，主节点与从节点数据传输方法包括以下步骤：

1)主节点信标帧发送：主节点基于一个伪随机序列在各频道发送信标帧，信标帧的内容包括当前超帧内主节点的时间和主节点工作的频道；

2)从节点唤醒及监听：当从节点需要与主节点连接时，从节点从睡眠状态唤醒并开启频道来监听信标帧，具体为：从节点从睡眠状态唤醒后，开启设定的初始频道来监听信标帧，若该初始频道在设定时间内未接受到信标帧，则从节点切换频道来监听信标帧，直到接收到信标帧；

3)基于CSMA/CA的方式的控制信息交换：从节点接收到信标帧后，从节点根据信标帧的内容得到下一个超帧内主节点的时间和主节点工作的频道，进而从节点完成与主节点的时间和频率同步，并根据自身的QoS需求向主节点发送时隙分配请求，时隙分配请求包括从节点的ID、所需要的时隙数量和从节点的QoS需求等级信息，主节点根据时隙分配请求得到时隙分配结果，此超帧内传输结束，等待下一个超帧；

4)数据传输及主节点应答：主节点将时隙分配结果连同下一个超帧的信标帧发送给从节点，从节点接收信标帧并根据时隙分配结果向主节点传输数据，主节点接收完从节点发送的传输数据后，向从节点发送接收完成信号，从节点接收到接收完成信号后重新进入睡眠状态。

通过以上步骤，从节点实现同主节点的时间和频道同步，在之后的超帧中，按照步骤4)主节点分配给从节点的超帧进行数据通信。因此，超帧的时间分配可分为信标帧区、控制信息区、TDMA数据发送区及组应答区。信标帧区中，主节点发送信标帧，以其标志超帧的起始；从节点在控制信息区通过CSMA/CA的方式交换控制信息，包括从节点的时隙分配请求的发送；在数据传输区，从节点根据主节点分配的时隙，在时隙中发送接受数据；在组应答区，主节点应答来自于从节点的数据。

主节点维护一张时隙分配表，步骤3)中主节点根据从节点的时隙分配请求得到时隙分配结果的过程为：主节点判断时隙分配表中是否有可用时隙，若否，则主节点向从节点返回失败信息，此超帧内传输结束，跳转步骤1)，若是，主节点基于时隙分配表中可用时隙得到时隙分配结果。步骤3)中主节点还根据时隙分配请求检查自身的超帧频率是否满足从节点的QoS需求，若不能满足，则增大主节点的超帧频率，直至主节点的超帧频率满足从节点的QoS需求。

主节点维护一张工作频道记录表，工作频道记录表上记录从节点重传数据时的频道和各频道的重传次数，主节点根据重传次数得到各频道的数据传输成功率，并以数据传输成功率作为频道评估指标对低质量的频道进行屏蔽。

主节点和从节点通信的频道为利用IEEE802.15.4物理层定义的2.4GHz频段下的16个频道，采用伪随机序列跳频的方式，加上对频道质量的评估，避开干扰频道的数据传输，能够有效的提高数据传输的可靠性。

以一从节点与主节点连接为例，如图2所示，从节点Slave入网后与主节点Master完成网络的时间T和频道i、j、k同步，其中：

在T＝m时刻，从节点了解根据自身的网络QoS需求在m时刻被唤醒，在频道i等待来自主节点的信标帧，在此信标帧标志的超帧Superframe中完成数据传输并进入睡眠状态；

在T＝m+1时刻，主节点根据调节到新的工作频道j，发送新的信标帧标志超帧起始，从节点在m+1时刻根据自身的QoS需求判断自己是否需要响应此超帧，此时从节点判断无需打开射频RF响应此时刻的超帧，从节点继续保持睡眠状态；

在T＝m+2时刻，主从节点共同调节到工作频道k，从节点根据自己的QoS需求判断此时需要响应此超帧，于是在频道k上响应超帧进行数据传输。

如图3所示，从节点Slave与主节点Master传输一次数据的具体过程如下：

1、主节点周期性地在不同的频道发送信标帧标志主节点的存在，频道切换顺序为频道j→频道i→频道k→频道j；

2、从节点开启后固定在某一初始频道监听来自主节点的信标帧，收到信标帧后运行入网过程，如在此初始频道没有收到主节点的信标帧，从节点转换到另一频道监听信标帧；

3、当主节点在频道i发送信标帧时，从节点对应开启的频道i收到来自于主节点的信标帧，通过信标帧，了解主节点的时间以及此时的工作频道，即可完成与主节点的时间、频道同步，即其后主节点的工作时间及工作频道；

4、从节点向主节点发送时隙分配请求，包括从节点的ID、所需要的时隙数量和从节点的QoS需求等级信息；

5、主节点根据从节点的时隙分配请求进行处理：

A、主节点维护一张时隙分配表，主节点根据从节点的需求分配时隙的数量查询时隙分配表是否还有可用时隙，如果表中无可用时隙，主节点向从节点返回失败，如果表中有可用时隙，则分配在一个超帧内的若干个时隙，用以从节点传输数据；

B、主节点根据从节点的QoS需求等级信息对应的QoS需求，检查本身的超帧频率能否满足从节点的QoS需求，如果不能，增大主节点的超帧频率，用以满足从节点的QoS需求；

6、主节点将时隙分配请求的结果在下一个信标帧中发送给从节点；

7、从节点根据主节点的时隙分配结果，包括自身的时隙等信息，完成对应频道的入网，在超帧中的相应时隙中进行数据传输；

8、主节点接收数据完成后反馈回ACK信号，ACK信号即接收完成信号，使得从节点重新进入睡眠状态。

综上，本发明通过有效的利用IEEE802.15.4定义的16个频道，在工作中随时间动态快速的切换工作频道，并根据实时的频道状态评价，屏蔽一些在较低质量的频道，避免在其上进行数据传输，能够有效的提高数据传输的可靠性。这种信道切换不需要特定的控制信道传输控制信息，避免由于在控制频道上具有干扰或阻塞信号而影响网络的整体工作，从而提高***的健壮性，同时引入可控时延机制，根据从节点的网络需求调节超帧频率，控制网络时延，解决网络性能与功耗的平衡问题。

Claims (9)

1.一种面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，无线体域网中网络节点根据功能角色分为主节点和从节点，其特征在于，

a.该协议将时间划分为多个超帧的序列，主节点和从节点在超帧内进行通信，且主节点和从节点以超帧为时间单位周期性地切换通信的频道；

b.主节点与从节点数据传输方法包括以下步骤：

1)主节点基于一个伪随机序列在各频道发送信标帧；

2)当从节点需要与主节点连接时，从节点从睡眠状态唤醒并开启频道来监听信标帧；

3)从节点接收到信标帧后，根据接收的信标帧完成与主节点的时间和频道同步，并根据自身的QoS需求向主节点发送时隙分配请求，主节点根据时隙分配请求得到时隙分配结果，此超帧内传输结束，等待下一个超帧；

4)主节点将时隙分配结果连同下一个超帧的信标帧发送给从节点，从节点接收信标帧并根据时隙分配结果向主节点传输数据，主节点接收完从节点发送的传输数据后，向从节点发送接收完成信号，从节点接收到接收完成信号后重新进入睡眠状态。

2.根据权利要求1所述的面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，其特征在于，所述步骤2)中从节点从睡眠状态唤醒后，开启设定的初始频道来监听信标帧，若该初始频道在设定时间内未接受到信标帧，则从节点切换频道来监听信标帧，直到接收到信标帧。

3.根据权利要求1所述的面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，其特征在于，所述信标帧的内容包括当前超帧内主节点的时间和主节点工作的频道，所述从节点根据信标帧的内容得到下一个超帧内主节点的时间和主节点工作的频道，进而完成与主节点的时间和频率同步。

4.根据权利要求1所述的面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，其特征在于，所述主节点维护一张时隙分配表，所述步骤3)中主节点根据从节点的时隙分配请求得到时隙分配结果的过程为：主节点判断时隙分配表中是否有可用时隙，若否，则主节点向从节点返回失败信息，此超帧内传输结束，跳转步骤1)，若是，主节点基于时隙分配表中可用时隙得到时隙分配结果。

5.根据权利要求1所述的面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，其特征在于，所述步骤3)中主节点还根据时隙分配请求检查自身的超帧频率是否满足从节点的QoS需求，若不能满足，则增大主节点的超帧频率，直至主节点的超帧频率满足从节点的QoS需求。

6.根据权利要求1所述的面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，其特征在于，所述主节点维护一张工作频道记录表，所述工作频道记录表上记录从节点重传数据时的频道和各频道的重传次数，主节点根据重传次数得到各频道的数据传输成功率，并以数据传输成功率作为频道评估指标对低质量的频道进行屏蔽。

7.根据权利要求1所述的面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，其特征在于，所述时隙分配请求包括从节点的ID、所需要的时隙数量和从节点的QoS需求等级信息。

8.根据权利要求1所述的面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，其特征在于，单个主节点和多个从节点采用星型拓扑连接。

9.根据权利要求1所述的面向无线体域网的可控时延多频道MAC协议，其特征在于，所述主节点和从节点通信的频道为利用IEEE802.15.4物理层定义的2.4GHz频段下的16个频道。