CN115315007A - 一种基于WiFi平台的TDMA双向通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于WiFi平台的TDMA双向通信方法，包括以下步骤：S1：进行时间划分，得到若干个超帧周期，并将超帧周期分割为若干个时隙；S2：根据若干个时隙，利用接入点设备和客户端设备进行无线发包和无线收包，完成TDMA双向通信。本发明提出了基于TDMA方式的双向数据通信协议方法，该方法采用免争用的无线介质服务，解决了无线信道信号干扰，信道争用带来的信道获取失败率高，数据传输吞吐率不稳定，数据报文延迟时间不确定等问题。
Description
技术领域
本发明属于TDMA通信技术领域，具体涉及一种基于WiFi平台的TDMA双向通信方法。
背景技术
WiFi是当下人们生活中最常见的无线局域网连接技术，WiFi主用采用802.11系列的无线通信协议标准，因此人们逐渐习惯用WiFi来称呼802.11协议。从20世纪90年代的第一代WiFi标准的诞生发展至今的WiFi 7技术，当今WiFi依然是个人无线局域网标准的主流技术，WiFi技术向高速率和高带宽的发展趋势越来越明显，对无线信号的干扰也越来越敏感。
WiFi使用带有冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)机制作为无线介质访问技术，是一种通过竞争方式获得无线信道使用权的技术。该技术采用了802.11协议定义分布式协调功能，无线设备在传输数据之前，先检查无线链路是否处于空闲状态，如果处于空闲状态才能占用无线信道来发送数据。为了避免冲突发生，当某个传送者占据频道时，要发送数据的工作站会随机选定一段延后时间后再探测无线信道是否空闲。在某些情况之下，分布式协调功能还可利用CTS/RTS帧探测或净化无线信道，进一步减少碰撞发生的可能性。
随着无线技术的快速发展，大量的无线设备和WiFi设备都工作在ISM频段下，使得无线信道访问更加拥塞，加剧了无线信号之间相互干扰碰撞，使得WiFi设备在工作时不仅受到同类WiFi设备的信道竞争，还受到非WiFi设备的无线信道干扰，在干扰严重的情况下WiFi依靠信道竞争机制很难及时竞争获取信道进行传输数据，导致无线数据传输速率不稳定，报文时延过大、传输报文错误等问题日益突出，以至于无法稳定的提供无线传输服务，导致服务中断等问题发生。
发明内容
本发明的目的是为了解决WiFi标准采用CSMA/CA机制带来信道竞争带来的时延不确定问题，提出了一种基于WiFi平台的TDMA双向通信方法。
本发明的技术方案是：一种基于WiFi平台的TDMA双向通信方法包括以下步骤：
S1：进行时间划分，得到若干个超帧周期，并将超帧周期分割为若干个时隙；
S2：根据若干个时隙，利用接入点设备和客户端设备进行无线发包和无线收包，完成TDMA双向通信。
进一步地，各个所述超帧周期内包括信标信道、接入信道、触发信道、资源信道、数据信道和保护信道。
上述进一步方案的有益效果是：超帧内划分了多个信道来实现了协议控制和数据传输通道，且每个信道宽度可以动态调整，实现了接入点设备对客户端设备集中式管理，实现了精准的时隙调度分配策略。接入点设备根据***的缓存数据帧、设备数量、传输时延需求等指标参数动态调整超帧周期时间，达到对***中数据传输效率和数据传输时延的动态兼顾，实现不同场合下对报文时延和报文吞吐率等性能指标的要求。
进一步地，所述信标信道用于进行时间同步管理，具体方法为：利用接入点设备通过广播的方式向客户端设备发送信标帧，利用客户端设备接收信标帧，并将信标帧的基准时间作为客户端设备的TDMA基准时间，完成时间同步管理。
进一步地，接入信道用于进行客户端设备接入管理，包括以下子步骤：
A21：在接入信道宽度范围内，由客户端设备利用随机数算法向接入点设备发送关联认证请求帧；
A22：在接入信道宽度范围内，由接入点设备接收并处理关联认证请求帧，将允许接入的接入点设备添加至认证列表中；
A23：在超帧周期内，根据认证列表对接入点设备在数据信道中的调度进行认证请求应答，完成客户端设备接入管理。
上述进一步方案的有益效果是：超帧周期中设计了接入信道，且接入信道可以按需动态***到不同的超帧周期中和动态调整接入信道的信道宽度，当接入设备较少时可以减少***接入信道的频率和接入信道的信道宽度，达到信道资源的最大化利用；当接入设备较多时可以增加***接入信道的频率和接入信道的信道宽度，实现客户端设备的快速上线请求处理，提高客户端设备接入速度。
进一步地，触发信道用于进行上传管理，具体方法为：利用接入点设备向客户端设备发送设备资源数据，获取触发帧，完成资源获取触发操作；
所述触发帧包括客户端设备标识符、客户端设备将设备资源数据上传至资源信道的资源信道编码方法和上传方法。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，接入点设备通过触发信道发送触发帧可以分批、集中地对客户端设备发起缓存数据探测请求，能够及时地获取客户端设备数据缓存大小，实现了在数据信道中对客户端设备上下行数据传输的精确的调度管理。
进一步地，触发信道中，利用客户端设备将设备资源数据上传至资源信道的上传方法包括时隙方式和OFDMA方式；
其中，时隙方式具体为：通过客户端设备在所分配的不同时隙中上传设备资源数据；
OFDMA方式具体为：由客户端设备利用接入点设备所分配的OFDMA上行编码方法对设备资源数据进行OFDMA上行编码，向接入点设备发送OFDMA上行编码的编码数据。
进一步地，资源信道用于缓存管理；具体方法为：若触发信道的触发帧指示采用时隙方式，则利用客户端设备在对应的时隙将设备缓存信息上传至接入点设备，若触发信道的触发帧指示采用OFDMA方式，则利用客户端设备在对应的OFDMA资源块中编码设备缓存信息，并上传至接入点设备。
上述进一步方案的有益效果是：资源信道利用OFDMA上行技术，实现多个设备同时使用OFDMA资源块进行编码，同时上报数据实现资源信道传输不同设备缓存大小数据，达到了资源信道频谱资源的最大化利用。
进一步地，数据信道用于进行上下行通道数据收发管理，具体方法为：利用接入点设备向客户端设备发送下行报文，利用客户端设备向接入点设备发送上行报文。
上述进一步方案的有益效果是：数据信道由接入点设备发起调度请求，可以实现下行报文和上行报文的单个或多个连续传输，实现了对客户端设备上下行数据突发传输，达到了灵活可变的优先级调度效果。
进一步地，下行报文包含下行报文管理帧、下行数据帧和下行复合帧；发送下行报文的具体方法为：根据接入点设备为所有客户端设备所缓存的数据数量、时间和优先级以及下行通道资源数量进行策略调度，生成下行调度规则，由接入点设备根据下行调度规则向客户端设备发送下行报文；
所述上行报文包含上行数据帧和上行复合帧；发送上行报文的具体方法为：由接入点设备根据所获取的所有客户端设备上行缓存数据数量、时间和优先级以及上行信道资源数量进行策略调度，生成上行调度规则，由接入点设备根据上行调度规则向客户端设备发送上行数据请求控制帧，由客户端设备根据上行请求控制帧所包含的物理层参数和数据数量向接入点设备发送上行报文。
进一步地，保护信道用于进行时隙调度管理，具体方法为：在保护信道上，在上一个超帧周期结束和下一个超帧周期开始之间设置空闲时隙。
上述进一步方案的有益效果是：保护信道宽度可以动态调整，在实现保护超帧信标信道的同时，实现了超帧内信道资源的最大利用率。
本发明的有益效果是：本发明专利提出了基于TDMA双向通信协议方法，该方法采用免竞争无线服务，解决了无线信道竞争访问带来时延不固定问题，采用TDMA双向通信协议通过接入点设备实现***内设备统一时隙分配和调度，达到了无竞争的信道资源访问，实现双向数据通信报文延迟时间固定，满足特定场合下对时延要求较高的应用。在现有WiFi硬件平台上运行TDMA双向通信协议，使WiFi设备信道访问工作在非竞争机制下，保障了无线传输服务时延，同时又能兼顾了WiFi平台无线高速率的硬件特性，适用于对无线传输时延要求较高和具有较高传输速率要求的无线应用场景。
附图说明
图1为基于WiFi平台的TDMA双向通信方法的流程图；
图2为TDMA双向通信协议的无线***无线组网拓扑图；
图3为OFDMA资源块示意图；
图4为采用时隙方式上传缓存信息示意图；
图5为采用OFDMA上行方式上传缓存信息示意图；
图6为发送上下行报文示意图；
图7为复合报文示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
超帧：在PAN网络中，协调器可以使用超帧结构来限定设备对信道的访问时间。通过发送信标帧就能实现超帧限定。超帧分为两个时间段：活跃期和非活跃期。在非活跃期内，协调器进入低功耗模式(即睡眠模式)。
随机数算法：利用数学的方法产生随机数的优点具有速度快、可对模拟问题进行复算检查、具有较好的统计特性。
如图1所示，本发明提供了一种基于WiFi平台的TDMA双向通信方法，包括以下步骤：
S1：进行时间划分，得到若干个超帧周期，并将超帧周期分割为若干个时隙；
S2：根据若干个时隙，利用接入点设备和客户端设备进行无线发包和无线收包，完成TDMA双向通信。
基于现有WiFi硬件平台设计的TDMA双向数据通信协议，利用了硬件的高速率、多种硬件编码的特性实现了信道免竞争访问机制，实现了高速率无竞争的数据传输***。基于WiFi平台的TDMA双向通信协议的无线***由TDMA无线接入点设备(简称接入点)和TDMA客户端设备(简称客户端)组成，接入点负责对所有的客户端接入认证请求，并运行TDMA双向通信协议实现信道访问调度功能，运行客户端设备上下行传输信道分配策略，所有客户端设备按照调度协议统一工作，从而实现对无线信道的免竞争使用，达到无线传输时延相对固定的要求。TDMA双向通信协议的无线***无线组网拓扑如图2所示。
为了实现基于WiFi平台的无竞争访问机制，TDMA双向通信协议采用时分多址复用的机制，把时间分割成周期性的帧进行管理，周期性的帧称为超帧，每个超帧中根据实际报文传送大小和无线速率等参数，再分割成若干个时隙，接入点设备和客户端设备使用这些时隙进行无线发包和收包，实现***时间同步管理、时隙调度管理、下行通道数据收发管理、上行通道数据收发管理和客户端设备接入管理等功能。
在本发明实施例中，各个所述超帧周期内包括信标信道、接入信道、触发信道、资源信道、数据信道和保护信道。
超帧周期反应了接入点设备轮询所有信道的快慢，周期时间越长轮询时间间隔越长，数据传输时间延迟越大，数据帧占比越多，***整体数据传输效率越高；周期时间越短轮询越快，调度间隔时间越短，数据帧占比越少，***整体数据传输效率越低。超帧周期时间时间根据***硬件平台性能和应用需求可以自由设置，推荐最小单位为1ms，可以是手动配置的固定时间，也可以设置为自动模式。超帧周期为自动模式下时，接入点设备根据当前客户端设备数据缓存大小动态计算超帧周期，确保整个***在任意时刻的TDMA调度算法都工作在最佳状态下。
在本发明实施例中，所述信标信道用于进行时间同步管理，具体方法为：利用接入点设备通过广播的方式向客户端设备发送信标帧，利用客户端设备接收信标帧，并将信标帧的基准时间作为客户端设备的TDMA基准时间，完成时间同步管理。
信标信道用于发送信标帧，信标帧标识一个新的超帧的开始，由接入点设备通过广播的方式向客户端设备发送，所有客户端设备都将接收和解析信标帧的内容。信标帧的内容由接入点设备根据具体需要确定，通常应包含TDMA协议调度信息和其他信息，主要有基准对时信息、射频器件收发参数、超帧周期时间、接入信道开始和结束时隙、触发信道开始和结束时隙等参数。客户端设备接收到信标帧后，将自己的TDMA基准时间设置为信标帧的基准时间，实现TDMA***中所有设备时间同步，从而实现精确的时隙分配和使用。
在本发明实施例中，接入信道用于进行客户端设备接入管理，包括以下子步骤：
A21：在接入信道宽度范围内，由客户端设备利用随机数算法向接入点设备发送关联认证请求帧；
A22：在接入信道宽度范围内，由接入点设备接收并处理关联认证请求帧，将允许接入的接入点设备添加至认证列表中；
A23：在超帧周期内，根据认证列表对接入点设备在数据信道中的调度进行认证请求应答，完成客户端设备接入管理。
接入信道用于未上线的客户端设备向接入点设备发送关联认证请求帧，客户端设备在接入信道宽度范围内采用随机数算法，以竞争的方式获得信道中的某一个时隙发送报文，接入点设备收到接入请求后，将允许接入的设备将该设备添加到认证中列表中，在后续的超帧周期中按TDMA协议进行时隙调度，并在本周期的数据信道中优先分配调度时隙，对认证中设备做接入认证请求应答。接入信道在超帧周期中是可选的，超帧中是否包含接入信道以及接入信道的宽度是由接入点设备来分配，可以是每个超帧都有接入信道，也可以是几个超帧周期中只有一个接入信道。接入信道间隔周期和信道时间宽度可以是手动配置为固定值，也可以设置为自动模式，由接入点设备根据当前***繁忙程度动态分配。
在本发明实施例中，触发信道用于进行上传管理，具体方法为：利用接入点设备向客户端设备发送设备资源数据，获取触发帧，完成资源获取触发操作；
所述触发帧包括客户端设备标识符、客户端设备将设备资源数据上传至资源信道的资源信道编码方法和上传方法。
在本发明实施例中，触发信道中，利用客户端设备将设备资源数据上传至资源信道的上传方法包括时隙方式和OFDMA方式；
其中，时隙方式具体为：通过客户端设备在所分配的不同时隙中上传设备资源数据；
OFDMA方式具体为：由客户端设备利用接入点设备所分配的OFDMA上行编码方法对设备资源数据进行OFDMA上行编码，向接入点设备发送OFDMA上行编码的编码数据。
触发信道用于接入点设备向所有的客户端设备发送设备资源，获取触发帧，缓存资源触发帧包含了要查询的客户端设备标识符，以及客户端设备在资源信道上传数据缓存信息帧信道资源分配算法，可以是每个设备独占一部分时隙，即每个设备在资源信道中使用不同的时隙上传资源数据。对于硬件支持OFDMA上行技术***，也可以使用上行OFDMA技术让所有的设备使用不同的OFDMA资源块进行OFDMA上行编码后，同时向接入节点设备发送OFDMA编码数据，这种方式需要定义每个设备在OFDMA频谱资源中使用资源块的位置和数量，发送速率，发射功率等参数。OFDMA是基于OFDM的物理层技术，其将频谱资源分割成多个频谱资源块，分配给多个节点同时使用。OFDMA中的资源是时频资源，横坐标是时间轴，表示OFDM符号，纵坐标是频谱轴，表示OFDM子载波，然后按照网格划分成多个资源块RU，资源块根据需求被分配到不同的用户上，OFDMA资源块如图3所示。
在本发明实施例中，资源信道用于缓存管理；具体方法为：若触发信道的触发帧指示采用时隙方式，则利用客户端设备在对应的时隙将设备缓存信息上传至接入点设备，若触发信道的触发帧指示采用OFDMA方式，则利用客户端设备在对应的OFDMA资源块中编码设备缓存信息，并上传至接入点设备。
资源信道用于客户端设备向接入点设备上传缓存信息，根据触发信道触发帧所指示的资源信道编码和使用方法，如果是采用时隙方式，各个客户端设备将在自己的时隙上传缓存信息；如果是OFDMA方式，各个客户端设备将在自己的资源块中编码缓存信息并发送。采用时隙方式上传缓存信息如图4所示，采用OFDMA上行方式上传缓存信息如图5所示。
在本发明实施例中，数据信道用于进行上下行通道数据收发管理，具体方法为：利用接入点设备向客户端设备发送下行报文，利用客户端设备向接入点设备发送上行报文。
数据信道用于接入点设备与客户端设备之间的双向数据传输，包含接入点设备向客户端设备发送数据的下行报文，和客户端设备向接入点设备发送数据的上行报文。上行报文或下行报文根据接入点设备对时隙分配的控制报文的指示有多种组合方式，可以是单个也可以是多个，如：单个下行和单个上行，多个下行和单个上行，单个下行和多个上行，多个下行和多个上行等组合，如图6所示。上行报文或下行报文所传输的数据内容可以单功能报文，也可以多功能报文，即由多种类型报文组合成的复合报文，以实现对时隙资源的最大效率地使用，复合报文根据当前***需要传输数据需求的可以自由组合，复合报文中所包含的报文类型、顺序、数量在***能够承载的情况下不受限制，如图7所示。
在本发明实施例中，下行报文包含下行报文管理帧、下行数据帧和下行复合帧；发送下行报文的具体方法为：根据接入点设备为所有客户端设备所缓存的数据数量、时间和优先级以及下行通道资源数量进行策略调度，生成下行调度规则，由接入点设备根据下行调度规则向客户端设备发送下行报文；
所述上行报文包含上行数据帧和上行复合帧；发送上行报文的具体方法为：由接入点设备根据所获取的所有客户端设备上行缓存数据数量、时间和优先级以及上行信道资源数量进行策略调度，生成上行调度规则，由接入点设备根据上行调度规则向客户端设备发送上行数据请求控制帧，由客户端设备根据上行请求控制帧所包含的物理层参数和数据数量向接入点设备发送上行报文。
在本发明实施例中，保护信道用于进行时隙调度管理，具体方法为：在保护信道上，在上一个超帧周期结束和下一个超帧周期开始之间设置空闲时隙。该时隙宽度由接入点设备根据***超帧差错率自动控制。
保护信道是可选的，对于高精度***保护信道的宽度可以适当减小，对于计时精度较低的***保护信道宽度可以适当加大，如果宽度为0表示当前周期内没有保护信道。
本发明的有益效果为：本发明专利提出了基于TDMA双向通信协议方法，该方法采用免竞争无线服务，解决了无线信道竞争访问带来时延不固定问题，采用TDMA双向通信协议通过接入点设备实现***内设备统一时隙分配和调度，达到了无竞争的信道资源访问，实现双向数据通信报文延迟时间固定，满足特定场合下对时延要求较高的应用。在现有WiFi硬件平台上运行TDMA双向通信协议，使WiFi设备信道访问工作在非竞争机制下，保障了无线传输服务时延，同时又能兼顾了WiFi平台无线高速率的硬件特性，适用于对无线传输时延要求较高和具有较高传输速率要求的无线应用场景。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于WiFi平台的TDMA双向通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：进行时间划分，得到若干个超帧周期，并将超帧周期分割为若干个时隙；
S2：根据若干个时隙，利用接入点设备和客户端设备进行无线发包和无线收包，完成TDMA双向通信。
2.根据权利要求1所述的基于WiFi平台的TDMA双向通信方法，其特征在于，各个所述超帧周期内包括信标信道、接入信道、触发信道、资源信道、数据信道和保护信道。
3.根据权利要求2所述的基于WiFi平台的TDMA双向通信方法，其特征在于，所述信标信道用于进行时间同步管理，具体方法为：利用接入点设备通过广播的方式向客户端设备发送信标帧，利用客户端设备接收信标帧，并将信标帧的基准时间作为客户端设备的TDMA基准时间，完成时间同步管理。
4.根据权利要求2所述的基于WiFi平台的TDMA双向通信方法，其特征在于，所述接入信道用于进行客户端设备接入管理，包括以下子步骤：
A21：在接入信道宽度范围内，由客户端设备利用随机数算法向接入点设备发送关联认证请求帧；
A22：在接入信道宽度范围内，由接入点设备接收并处理关联认证请求帧，将允许接入的接入点设备添加至认证列表中；
A23：在超帧周期内，根据认证列表对接入点设备在数据信道中的调度进行认证请求应答，完成客户端设备接入管理。
5.根据权利要求2所述的基于WiFi平台的TDMA双向通信方法，其特征在于，所述触发信道用于进行上传管理，具体方法为：利用接入点设备向客户端设备发送设备资源数据，获取触发帧，完成资源获取触发操作；
所述触发帧包括客户端设备标识符、客户端设备将设备资源数据上传至资源信道的资源信道编码方法和上传方法。
6.根据权利要求5所述的基于WiFi平台的TDMA双向通信方法，其特征在于，所述触发信道中，利用客户端设备将设备资源数据上传至资源信道的上传方法包括时隙方式和OFDMA方式；
其中，时隙方式具体为：通过客户端设备在所分配的不同时隙中上传设备资源数据；
OFDMA方式具体为：由客户端设备利用接入点设备所分配的OFDMA上行编码方法对设备资源数据进行OFDMA上行编码，向接入点设备发送OFDMA上行编码的编码数据。
7.根据权利要求2所述的基于WiFi平台的TDMA双向通信方法，其特征在于，所述资源信道用于缓存管理；具体方法为：若触发信道的触发帧指示采用时隙方式，则利用客户端设备在对应的时隙将设备缓存信息上传至接入点设备，若触发信道的触发帧指示采用OFDMA方式，则利用客户端设备在对应的OFDMA资源块中编码设备缓存信息，并上传至接入点设备。
8.根据权利要求2所述的基于WiFi平台的TDMA双向通信方法，其特征在于，所述数据信道用于进行上下行通道数据收发管理，具体方法为：利用接入点设备向客户端设备发送下行报文，利用客户端设备向接入点设备发送上行报文。
9.根据权利要求8所述的基于WiFi平台的TDMA双向通信方法，其特征在于，所述下行报文包含下行报文管理帧、下行数据帧和下行复合帧；发送下行报文的具体方法为：根据接入点设备为所有客户端设备所缓存的数据数量、时间和优先级以及下行通道资源数量进行策略调度，生成下行调度规则，由接入点设备根据下行调度规则向客户端设备发送下行报文；
所述上行报文包含上行数据帧和上行复合帧；发送上行报文的具体方法为：由接入点设备根据所获取的所有客户端设备上行缓存数据数量、时间和优先级以及上行信道资源数量进行策略调度，生成上行调度规则，由接入点设备根据上行调度规则向客户端设备发送上行数据请求控制帧，由客户端设备根据上行请求控制帧所包含的物理层参数和数据数量向接入点设备发送上行报文。
10.根据权利要求2所述的基于WiFi平台的TDMA双向通信方法，其特征在于，所述保护信道用于进行时隙调度管理，具体方法为：在保护信道上，在上一个超帧周期结束和下一个超帧周期开始之间设置空闲时隙。
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2022
- 2022-08-08 CN CN202210946200.0A patent/CN115315007A/zh active Pending
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