CN107172692A - 低时延保障时隙分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低时延保障时隙分配方法。其方案为：1.将超帧结构调整为以非竞争时段、非活跃时段和竞争访问时段排列的顺序；2.PAN协调器在调整后的超帧开始时刻广播信标帧；3.信标帧发送结束后各节点进入非竞争时段，申请了保障时隙的普通节点在该时段内传输GTS业务；4.非竞争时段结束后各节点进入非活跃时段，该时段内所有节点保持休眠状态；5.非活跃时段结束后各节点进入竞争访问时段，有GTS业务待发送的普通节点在该时段内向PAN协调器发送GTS请求，申请保障时隙；6.竞争访问时段结束后当前超帧结束，各节点进入下一超帧。本发明减小了GTS业务的传输时延，提高了保障时隙分配的准确性，可用于无线个域网。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种保障时隙GTS的分配方法，可用于对IEEE802.15.4通信标准的改进。
背景技术
IEEE 802.15.4通信标准是针对低速率无线个域网WPAN设计的，它把低成本、低功耗和易于安装作为主要的关注对象，旨在为个人或者室内环境内不同设备之间，提供一个灵活可靠的低速无线网络标准。
IEEE 802.15.4将网络中的无线设备按功能划分为两类：PAN协调器和普通节点。其中PAN协调器作为整个网络的中心控制节点，且每个IEEE 802.15.4网络只能有一个PAN协调器。某些普通节点可以作为一般协调器关联其他节点。
IEEE 802.15.4支持星型和对等型两种基本类型的拓扑结构，每种拓扑结构均支持两种工作模式：信标使能模式和非信标使能模式。在非信标使能模式下，网络中所有的节点是通过非时隙载波监听多点接入/冲突避免算法竞争信道，非信标使能模式能够灵活的组建网络，但无法提供实时性保证和良好服务质量保证。
在信标使能模式下，PAN协调器将信道在时间轴上划分为连续且互不重叠的时间段，每个时间段称为一个超帧，如图4所示。超帧由活跃时段和非活跃时段组成，其中活跃时段包括信标发送时段、竞争访问时段CAP和非竞争时段CFP；非活跃时段所有节点进入休眠状态，不发送数据以降低能耗。
PAN协调器在每个超帧起始时刻向与之关联的普通节点广播信标帧，发布当前超帧的起止时刻以及该超帧内的信道分配方案。PAN协调器通过周期性的发送信标帧实现与周围节点的同步，因此通信的实时性和服务质量可以得到更好的保障。
IEEE 802.15.4标准提供了保障时隙GTS机制，以满足对时延敏感或对带宽有要求的业务需求。GTS机制是一种无冲突的接入方案，普通节点可向PAN协调器申请一定的保障时隙，作为自己的专用传输时隙，该保障时隙位于非竞争时段内。在保障时隙内节点无需通过竞争方式接入信道来获取业务传输机会，而可以直接与PAN协调器进行业务交互。
当普通节点需要保障时隙时，可在竞争访问时段内向PAN协调器发送GTS请求，PAN协调器则根据当前的资源分配情况决定是否给发送了GTS请求的节点分配保障时隙。对于已分配的保障时隙，普通节点可以请求撤销，PAN协调器也可以主动撤销。GTS有下面几条使用规则：
(1)GTS只能由PAN协调器分配，用于PAN协调器和其所关联的普通节点之间进行通信；
(2)PAN协调器在每个超帧中最多给7个普通节点分配保障时隙；
(3)保障时隙只能用于数据帧的传输。
当IEEE 802.15.4应用于无线个域网时，虽然超帧结构中的非竞争时段能保证时延敏感业务的低时延特性，而且非活跃时段的休眠策略也有利于降低网络中节点的能耗，但该标准仍然存在以下两方面的不足：
1)GTS业务存在固有时延
如图4所示，普通节点在第n个超帧的竞争访问时段中发送GTS请求，需要等到当前超帧结束、第n+1个超帧的信标帧时刻才能得到GTS时隙的分配结果，且要等到第n+1个超帧的非竞争时段内才能传输GTS业务，这样使得GTS业务存在一定的固有时延，影响了时延敏感业务的服务质量；
2)无法保证GTS分配的准确性
因为PAN协调器无法及时响应节点的GTS请求，经过长时间等待后节点的业务状况可能已经发生改变，此时原始的分配方案已无法反映节点的实际业务需求，影响了GTS分配的准确性。
发明内容
本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种低时延保障时隙分配方法，以缩短GTS业务的固有等待时延，提高保障时隙分配的准确性，更好地满足有低时延需求或固定带宽需求的业务。
本发明通过对超帧结构进行调整，使得普通节点可以在发送GTS请求后及时获得保障时隙的分配结果，并随即开始GTS业务的传输，其实现方案如下：
技术方案1：
一种无线个域网中低时延保障时隙分配方法，其特征在于：按如下顺序进行：
(1)对超帧结构进行调整，即将原协议中以竞争访问时段、非竞争时段和非活跃时段排列的顺序调整为以非竞争时段、非活跃时段和竞争访问时段排列的顺序；
(2)PAN协调器在调整后的第n个超帧的起始时刻广播信标帧，各普通节点接收信标帧，并将协议参数记录在本地缓存；
(3)信标发送结束后各节点进入非竞争时段，PAN协调器判断各普通节点是否有GTS业务待发送：若普通节点有GTS业务需要发送，且在当前超帧之前已成功获得保障时隙，则在非竞争时段内与PAN协调器进行业务交互；若普通节点无GTS业务发送，则当前超帧内不包含非竞争时段；
(4)非竞争时段结束后各节点进入非活跃时段，非活跃时段内所有节点处于休眠状态；
(5)非活跃时段结束后，所有节点进入竞争访问时段，在此阶段若普通节点需要保障时隙来发送有时延要求的业务，则通过时隙CSMA/CA机制接入信道,并向PAN协调器发送GTS请求，申请保障时隙；
(6)PAN协调器根据超帧内的资源状况对接收到的GTS请求予以分配，并将分配结果在第n+1个超帧的信标帧中广播给各普通节点；
(7)竞争访问时段结束后第n个超帧结束，PAN协调器和各普通节点进入第n+1个超帧，并转入步骤(1)。
技术方案2：
一种无线个域网中低时延保障时隙分配方法，其特征在于：按如下顺序进行：
1)对超帧结构进行调整，即将原协议中以竞争访问时段、非竞争时段和非活跃时段排列的顺序调整为以非竞争时段、竞争访问时段和非活跃时段排列的顺序；
2)PAN协调器在调整后的第n个超帧的起始时刻广播信标帧，各普通节点接收信标帧，并将协议参数记录在本地缓存；
3)信标发送结束后各节点进入非竞争时段，PAN协调器判断各普通节点是否有GTS业务待发送：若普通节点有GTS业务需要发送，且在当前超帧之前已成功获得保障时隙，则在非竞争时段内与PAN协调器进行业务交互；若普通节点无GTS业务发送，则当前超帧内不包含非竞争时段；
4)非竞争时段结束后，所有节点进入竞争访问时段，在此阶段若普通节点需要保障时隙来发送有时延要求的业务，则在竞争访问时段中通过时隙CSMA/CA机制接入信道，并向PAN协调器发送GTS请求，申请保障时隙；
5)PAN协调器根据超帧内的资源状况对接收到的GTS请求予以分配，并将分配结果在第n+1个超帧的信标帧中广播给各普通节点；
6)竞争访问时段结束后各节点进入非活跃时段，该期间所有节点处于休眠状态；
7)非活跃时段结束后，第n个超帧结束。PAN协调器和各普通节点进入第n+1个超帧，并转入步骤1)。
本发明具有如下优点：
第一，降低了GTS业务的时延。
原协议中，普通节点在当前超帧的竞争访问时段内发送GTS请求，需要等到下一超帧的非竞争时段内才能开始传输GTS业务，这使得GTS业务的固有时延较大。本发明采用的调整后的超帧结构，可以明显降低GTS业务的时延；
第二，提高了保障时隙分配的准确性。
原协议中，GTS请求发送与GTS业务传输之间存在一定的固有时延，而IEEE802.15.4协议规定，对于准备在保障时隙中传输的GTS业务，若申请的保障时隙还未到达，普通节点仍可在竞争访问时段中传输该业务。由于节点在等待时间内可能已传输部分GTS业务，或是又产生了新的GTS业务，使得当保障时隙到达时，节点的业务缓存状况发生改变，造成之前所申请的保障时隙长度与此刻要发送的业务量并不匹配。
而本发明使用的调整后的超帧结构则可以使得普通节点发送GTS请求后随即开始GTS业务的传输，因此提高了GTS时隙分配的准确性以及保障时隙资源的利用率。
附图说明
图1是本发明实施例的使用场景图；
图2是本发明技术方案1的实现流程图；
图3是本发明技术方案2的实现流程图；
图4是IEEE 802.15.4协议中的超帧结构示意图；
图5是本发明技术方案1调整后的超帧结构示意图；
图6是本发明技术方案2调整后的超帧结构示意图；
图7是本发明使用的信标帧超帧配置字段结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细阐述。
参照图1，本实例采用的拓扑结构为星型拓扑，所有普通节点均只与PAN协调器有业务交互，普通节点之间无数据传输；网络采用信标使能模式。
实施例一：
参照图2，本实例的具体实施步骤描述如下：
步骤一，调整超帧结构。
对超帧结构进行调整，即将原协议中以竞争访问时段、非竞争时段和非活跃时段排列的顺序调整为以非竞争时段、非活跃时段和竞争访问时段排列的顺序。原超帧结构如图4所示，调整后的超帧结构如图5所示；
调整后的超帧结构使得普通节点在上一超帧的竞争访问时段内发送GTS请求后，能立即通过当前超帧的信标帧获得保障时隙分配结果，并随即在当前超帧的非竞争时段内开始GTS业务传输。
步骤二，发送信标帧。
PAN协调器在调整后的第n个超帧的开始时刻t0构造并广播信标帧，各普通节点接收信标帧，读取其中的协议参数并记录在本地缓存中。
所述信标帧，是对原协议信标帧进行了改进，即将超帧配置字段中的竞争访问时段结束时隙改为竞争访问时段开始时隙，如图7所示。
步骤三，非竞争时段内普通节点传输GTS业务。
信标帧发送结束后,各节点进入非竞争时段，即t1至t2时间段；
申请了保障时隙的节点可在该时段内无竞争地传输GTS业务，PAN协调器首先判断各普通节点是否有GTS业务待发送：
若普通节点有GTS业务需要发送且在当前超帧之前已成功获得保障时隙，则可在信标帧指定的保障时隙内传输GTS业务；
若普通节点没有GTS业务或是有GTS业务但未获得保障时隙分配，则该普通节点进入休眠状态；
若第n-1个超帧中无任何普通节点发送GTS请求，或是之前分配的保障时隙都已被撤销，则当前超帧内不包含非竞争时段。
步骤四，非活跃时段各节点进入休眠状态。
非竞争时段结束后各节点进入非活跃时段，即t2至t3时间段，该期间所有节点处于休眠状态，引入非活跃时段是一种低功耗策略，通过调整非活跃时段的长度可调整传输占空比。
需要说明的是：若当前超帧内不包含非竞争时段，则信标帧发送结束后所有节点直接进入非活跃时段。
步骤五，竞争访问时段内普通节点发送GTS请求。
非活跃时段结束后，所有节点进入竞争访问时段，即t3至t4时间段，在此阶段若普通节点有GTS业务需要发送，则通过时隙CSMA/CA机制接入信道，并向PAN协调器发送GTS请求，申请保障时隙；
PAN协调器收到普通节点发来的GTS请求后，向该普通节点回复ACK予以确认。
步骤六，GTS时隙分配过程。
PAN协调器根据超帧内的资源状况对接收到的GTS请求予以分配：
首先，检查当前已被分配保障时隙的节点数目是否达到7个：若节点数目已达到7，则PAN协调器拒绝该GTS请求；若未达到，则继续向下判断；
然后，检查超帧活跃时段中是否有足够的空间来分配此GTS请求：IEEE 802.15.4协议规定竞争访问时段的最小长度为440symbols，所以PAN协调器需要判断为该GTS请求分配了保障时隙后，是否会将竞争访问时段的长度降低至440symbols以下：若会，则PAN协调器拒绝该GTS请求；若不会，则该GTS请求满足分配条件；
最后，对于满足以上分配条件的GTS请求，PAN协调器将该请求的分配结果放入第n+1个超帧的信标帧中，以待广播给各普通节点。
步骤七，t4时刻竞争访问时段结束后，则当前超帧结束，PAN协调器和各普通节点进入第n+1个超帧，并返回步骤一。
实施例二：
参照图3，本实例的具体实施步骤描述如下：
步骤一，调整超帧结构。
对超帧结构进行调整，即将原协议中以竞争访问时段、非竞争时段和非活跃时段排列的顺序调整为以非竞争时段、竞争访问时段和非活跃时段排列的顺序。原超帧结构如图4所示，调整后的超帧结构如如图6所示；
普通节点在上一超帧的竞争访问时段内发送GTS请求，并等到非活跃时段结束后，即可通过当前超帧的信标帧获得保障时隙分配结果，并随即在当前超帧的非竞争时段内开始GTS业务传输。
步骤二，发送信标帧。
PAN协调器在调整后的第n个超帧的开始时刻t0构造并广播信标帧，各普通节点接收信标帧，读取其中的协议参数并记录在本地缓存中。
所述信标帧，是对原协议信标帧进行了改进，即将超帧配置字段中的竞争访问时段结束时隙改为竞争访问时段开始时隙，如图7所示。
步骤三，非竞争时段内普通节点传输GTS业务。
信标帧发送结束后,各节点进入非竞争时段，即t1至t2时间段；
申请了保障时隙的节点可在该时段内无竞争地传输GTS业务，PAN协调器首先判断各普通节点是否有GTS业务待发送：
若普通节点有GTS业务需要发送且在当前超帧之前已成功获得保障时隙，则可在信标帧指定的保障时隙内传输GTS业务；
若普通节点没有GTS业务或是有GTS业务但未获得保障时隙分配，则该普通节点进入休眠状态；
若第n-1个超帧中无任何普通节点发送GTS请求，或是之前分配的保障时隙都已被撤销，则当前超帧内不包含非竞争时段。
步骤四，竞争访问时段内普通节点发送GTS请求。
非竞争时段结束后各节点进入竞争访问时段，即t2至t3时间段，在此阶段若普通节点有GTS业务需要发送，则通过时隙CSMA/CA机制接入信道，并向PAN协调器发送GTS请求，申请保障时隙；
PAN协调器收到普通节点发来的GTS请求后，向该普通节点回复ACK予以确认。
需要说明的是：若当前超帧内不包含非竞争时段，则信标帧发送结束后所有节点直接进入竞争访问时段。
步骤五，GTS时隙分配过程。
PAN协调器根据超帧内的资源状况对接收到的GTS请求予以分配：
首先，检查当前已被分配保障时隙的节点数目是否达到7个：若节点数目已达到7，则PAN协调器拒绝该GTS请求；若未达到，则继续向下判断；
然后，检查超帧活跃时段中是否有足够的空间来分配此GTS请求：IEEE 802.15.4协议规定竞争访问时段的最小长度为440symbols，所以PAN协调器需要判断为该GTS请求分配了保障时隙后，是否会将竞争访问时段的长度降低至440symbols以下：若会，则PAN协调器拒绝该GTS请求；若不会，则该GTS请求满足分配条件；
最后，对于满足以上分配条件的GTS请求，PAN协调器将该请求的分配结果放入第n+1个超帧的信标帧中，以待广播给各普通节点。
步骤六，非活跃时段各节点进入休眠状态。
竞争访问时段结束后，各节点进入非活跃时段，即t3至t4时间段，该期间所有节点处于休眠状态，引入非活跃时段是一种低功耗策略，通过调整非活跃时段的长度可调整传输占空比。
步骤七，t4时刻非活跃时段结束，当前超帧结束，PAN协调器和各普通节点进入下一超帧，并返回步骤一。
以上描述仅是本发明的两个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种无线个域网中低时延保障时隙分配方法，其特征在于：按如下顺序进行：
(1)对超帧结构进行调整，即将原协议中以竞争访问时段、非竞争时段和非活跃时段排列的顺序调整为以非竞争时段、非活跃时段和竞争访问时段排列的顺序；
(2)PAN协调器在调整后的第n个超帧的起始时刻广播信标帧，各普通节点接收信标帧，并将协议参数记录在本地缓存；
(3)信标发送结束后各节点进入非竞争时段，PAN协调器判断各普通节点是否有GTS业务待发送：若普通节点有GTS业务需要发送，且在当前超帧之前已成功获得保障时隙，则在非竞争时段内与PAN协调器进行业务交互；若普通节点无GTS业务发送，则当前超帧内不包含非竞争时段；
(4)非竞争时段结束后各节点进入非活跃时段，非活跃时段内所有节点处于休眠状态；
(5)非活跃时段结束后，所有节点进入竞争访问时段，在此阶段若普通节点需要保障时隙来发送有时延要求的业务，则通过时隙CSMA/CA机制接入信道,并向PAN协调器发送GTS请求，申请保障时隙；
(6)PAN协调器根据超帧内的资源状况对接收到的GTS请求予以分配，并将分配结果在第n+1个超帧的信标帧中广播给各普通节点；
(7)竞争访问时段结束后第n个超帧结束，PAN协调器和各普通节点进入第n+1个超帧，并转入步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)所述的信标帧，是对原协议信标帧进行了改进，即将超帧配置字段中的竞争访问时段结束时隙改为竞争访问时段开始时隙。
3.一种无线个域网中低时延保障时隙分配方法，其特征在于：按如下顺序进行：
1)对超帧结构进行调整，即将原协议中以竞争访问时段、非竞争时段和非活跃时段排列的顺序调整为以非竞争时段、竞争访问时段和非活跃时段排列的顺序；
2)PAN协调器在调整后的第n个超帧的起始时刻广播信标帧，各普通节点接收信标帧，并将协议参数记录在本地缓存；
3)信标发送结束后各节点进入非竞争时段，PAN协调器判断各普通节点是否有GTS业务待发送：若普通节点有GTS业务需要发送，且在当前超帧之前已成功获得保障时隙，则在非竞争时段内与PAN协调器进行业务交互；若普通节点无GTS业务发送，则当前超帧内不包含非竞争时段；
4)非竞争时段结束后，所有节点进入竞争访问时段，在此阶段若普通节点需要保障时隙来发送有时延要求的业务，则在竞争访问时段中通过时隙CSMA/CA机制接入信道，并向PAN协调器发送GTS请求，申请保障时隙；
5)PAN协调器根据超帧内的资源状况对接收到的GTS请求予以分配，并将分配结果在第n+1个超帧的信标帧中广播给各普通节点；
6)竞争访问时段结束后各节点进入非活跃时段，该期间所有节点处于休眠状态；
7)非活跃时段结束后，第n个超帧结束。PAN协调器和各普通节点进入第n+1个超帧，并转入步骤1)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤2)所述的信标帧，是对原协议信标帧进行了改进，即将超帧配置字段中的竞争访问时段结束时隙改为竞争访问时段开始时隙。
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