CN101369884B - 一种基于时隙内自适应跳信道的工业无线通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种基于时隙内自适应跳信道的通信方法，属于工业无线通信技术领域。针对现有技术不能在分配时隙内实现自适应跳信道，本发明在分配时隙内实现从受干扰的首选信道自适应切换到备用信道，发送方采用CCA机制监测通信信道，如果首选信道受到干扰，将不发送数据，在本时隙的规定CCA监测时间后，自动切换到备用信道发送数据，接收方经过一个接收等待时间后还没有收到发送方的数据，在本时隙内从首选信道跳到备用信道等待接收数据。同时可根据是否进行了自适应跳信道，可在首选信道或备用信道进行时间同步。本发明能充分提高信道利用率和成功率；提高数据通信的可靠性和实时性；减少数据重传，降低网络额外负载；满足工业无线通信领域的需要。
Description
技术领域
本发明属于无线网络通信技术领域，涉及一种工业无线网络中的通信方法，尤其是一种基于时隙内自适应跳信道的工业无线通信方法，该方法尤其适用于工业无线网络。
背景技术
目前，工业无线通信被称为工业控制领域的革命性技术，是继现场总线之后工业控制领域的又一个热点技术，是降低自动化成本、提高自动化系统应用范围的最有潜力的技术，也是未来几年工业自动化仪器仪表新的增长点。国际上引起广泛关注的工业无线系统(如无线HART和ISA100.11a)通常都采用TDMA和FDMA技术，即如果两个无线节点要进行数据通信，系统会为这两个节点分配一个通信链路(Link)，每个通信链路都包含通信信道(Channel)和时隙(Slot)，通信双方在规定的时隙时间内按给定信道完成通信，即时隙间跳信道技术，而并没有考虑时隙内跳信道技术。全球移动通信系统(GSM)、蜂窝数字分组数据(CDPD)、蓝牙(Bluetooth)等无线通信系统都广泛地使用了跳频技术以提高通信的稳定性和可靠性，然而这些系统主要实现的是基于TDMA的时隙间跳频(跳信道)，基本没有涉及自适应跳信道技术。
现有时隙内通信机制：发送方和接收方都会在时隙开始点调整到给定通信信道上，发送方在发送数据之前通过CCA监测信道，如果信道忙，那么有可能是信道被干扰或者被其他节点占用，如果这个时候依然发送数据的话将必然产生冲突，因此通常情况下发送方会放弃这个通信时隙的随后时间。接受方在一个接受等待时间内没有收到发送方发送过来的信息，那么它也将放弃这个通信时隙的随后时间。通信双方在这个通信时隙内没有成功完成通信，只能等到下一个分配时隙再重传，这样会导致抗干扰性不强、可靠性不高、通信信道利用率不高，传输延时等缺点。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种高可靠性、实时性的时隙内自适应跳信道的工业无线通信方法，该方法具有自适应、高可靠性、实时性强、效率高等特点。该方法对于一些综合要求很高的应用(如工业监控领域)，采用时隙内自适应跳信道技术可以进一步提高无线通信的可靠性，保证数据传输的实时性和确定性。此外，针对该工业无线时隙通信方法，本发明相应的提出了一种基于接收方的时间同步方法及算法，该方法具有高效、时间简单、系统资源消耗小、降低功耗等优点。
对于无线网络中每个通信链路，系统为其分配给两个(或更多)通信信道，一个是首选信道，另外一个是备用信道，在首选信道或备用信道进行时间同步，时隙通信开始之前协商好时隙内CCA检测时间长度和接收数据的等待时间长度。给定通信时隙开始时，发送方和接收方都选择首选信道进行通信，如果该通信信道收到干扰，那么发送方在发送数据之前先通过CCA机制监测信道是否空闲，如果信道忙则认为通信信道受到干扰而不发送数据，当CCA监测时间超时作为判决条件产生并执行信道切换控制命令；接收方一直监听该信道，如果在规定的接收等待时间内还没有收到来自发送方的数据，当接收等待时间超时作为判决条件认定该信道受到干扰而自行产生并执行信道切换控制命令。经过协商确定的数据接收等待时间长度后，发送方和接收方各自不约而同地跳到备用信道，经历一个信道切换周期后，开始新一轮通信过程。发送方优选在备用信道上再次进行信道监测，如果信道没有受到干扰就使用备用信道进行通信。如果该信道也受到干扰只能放弃这次通信时隙。所有这个过程都可在分配的时隙内完成，而不需要再额外占用其它时隙。信道切换的控制命令由通信双方自行产生并执行，而不是由一方发送控制命令给另一方，从而实现双方独立自主的自适应跳信道。
本方法还支持给通信链路分配多个备用信道方式，如果前两个信道都受干扰而不可用，可继续跳到后续信道进行通信，以进一步提高通信的可靠性和成功率。所有这个过程都在分配的时隙内完成，而不需要再占用额外其它时隙。如果某备用信道被选用了，那么在以后的这条链路中该备用信道就可变成首选信道，这样可更灵活、动态的自适应抗干扰，也可进一步提高效率、可靠性和实时性。
因此，本方法通过自适应跳信道的方式，能够自动抵抗网络通信中信道干扰等问题，具有以下几个主要方面优点：1、灵活性、动态自适应性；2、能充分提高通信信道利用率和成功率；3、提高数据通信的可靠性和实时性；4、减少了数据重传此时，降低网络额外负载；
此外，现有工业无线网络系统为了提高信道的利用率，通信时隙长度通常刚好满足一次完整的通信，而要实现本发明专利的方法，必须在短时间内为第二次通信预留时间。在现有时隙长度中，可以通过以下两种主要方法节省时间：(1)尽量减少时间误差；(2)缩短等待接受数据时间。而这两种措施都需要基于一种精确、高效的时间同步方法，为此，本发明提出了针对时隙内自适应跳信道通信的基于接收方的时间同步方法。该方法中，发送方在发送时不需要记时间戳后再无线发送给对方，这样可以减少数据传输量从而降低功耗。
本发明不足之处是需要为每个链路分配备用信道，这样会减少整个网络系统的容量和带宽，从某种意义上是以牺牲网络容量换取链路通信的高可靠性和实时性。这对于网络容量较小，而可靠性、实时性和确定性要求高的一些无线网络系统(如工业无线监控网络)，本发明提供的这种时隙内自适应跳信道的无线通信方法特别适用，满足了工业无线通信中的一些关键技术，将会对工业无线网络的性能提高以及实际应用起到强有力的推动作用。此外，本发明提出的基于时隙内自适应跳信道的接收方的时间同步方法为本发明的实现提供了强有力的技术支撑，部分解决了本时隙内自适应跳信道通信方法面临的关键问题。
附图说明
图1：时隙内自适应跳信道的工业无线时隙通信模型示意图
图2：发送方处理流程图
图3：接收方处理流程图
具体实施方式
工业无线通信系统为每个通信链路分配给两个(或更多)通信信道，一个作为首选信道，另外一个作为备用信道，在一个通信时隙内同时协商好双方的接收等待时间长度。如图1所示，给定通信时隙开始时，发送方和接收方都选择首选信道进行通信，如果该通信信道受到干扰，那么发送方在发送数据之前先通过CCA机制监测信道是否空闲，如果信道忙则认为通信信道受到干扰而不发送数据，当CCA监测时间超时，发送方自适应产生并执行信道切换控制命令；接收方一直监听该信道，如果在时隙内规定的接收等待时间内还没有收到来自发送方的数据，则通信的接收方认定该信道受到干扰而立即产生并执行信道切换控制命令，将通信从首选信道切换到备用信号，发送方和接收方各自不约而同地跳到备用信道，经历一个信道切换周期后，开始新一轮通信过程。发送方将在备用信道上再次进行信道监测，如果备用信道没有受到干扰就立即通过备用信道发送数据，完成通信；如果该信道也受到干扰只能放弃这次时隙的通信。上述信道检测及信道切换是在分配的一个时隙内完成，而不需要再额外占用其它时隙。信道切换的控制命令由通信双方自行产生并执行，而不是由一方发送控制命令给另一方，从而实现双方独立自主的自适应跳信道。
为使本发明的技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
IEEE 802.15.4标准是一个低功耗、低速率的PHY/MAC标准。IEEE802.15.4物理层提供了清除信道评估(CCA，Clear ChannelAssessment)功能。在IEEE 802.15.4物理层标准协议中，定义了如下三种模式进行清除信道评估：CCA模式1：超出阀值的能量，当CCA检测到一个超出能量检测的阀值能量时，给出一个忙的信息。CCA模式2：载波判断，当CCA检测到一个具有IEEE 802.15.4标准特性的扩展调制信号时，给出一个忙的信息。CCA模式3：带有超出阀值能量的载波判断，当CCA检测到一个具有IEEE 802.15.4标准特性并超出阀值能量的扩展调制信号时，给出一个忙的信息。因此IEEE802.15.4的CCA机制可以用来在发送数据之间进行信道检测以确认信道是否受到干扰。本实施实例以工作于CCA模式1为例。
IEEE 802.15.4标准规定了在2.4GHz有编号从11到26的16个信道。符合IEEE802.15.4标准的通信双方可以从这16个信道中选取某个信道进行数据通信。本实施实例以工作于2.4GHz频段的符合IEEE 802.15.4标准的无线设备为例进行如下详细说明：
现有工业无线网络系统为了提高信道的利用率，通信时隙长度通常刚好满足一次完整的通信，而要实现本发明的方法，必须在短时间内为第二次通信预留时间。在现有时隙长度中，可以通过以下两种主要方法节省时间：(1)减少时间误差；(2)缩短等待接收数据时间。而这两种措施都需要基于一种精确、高效的时间同步方法，为此，本发明提出了针对时隙内自适应跳信道通信的基于接收方的时间同步方法。该方法中，发送方在发送时候不需要记时间戳后再无线发送给对方，这样可以减少数据传输量从而降低功耗。根据时隙长度结构TSlot、第一个比特到达接收方的时间TArrival以及发送发送偏移量TTxOffset1、TTxOffset2，算法模块调用公式一确定下一个时隙的开始时间，以实现时间的同步。
如图1所示，如果时隙内通信的发送方是时钟源，则对于每一个到达的数据帧，接收方记录第一个比特到达的时间(TArrival)并按照公式一推算出下一个时隙(Next Slot)的开始时间(TNextslot)，从而实现时隙通信的时间同步。由于工业无线网络严格的时隙长度结构(TSlot)，接收方能够根据数据帧到达时间，依据以下公式开始确认下一个时隙的起始，其中可设置发送偏移量TTxOffset1为1和发送偏移量TTxOffset2为2等固定值。如果时隙通信双方未发生自适应跳信道，则公式一中取值TTxOffset1；如果发生了信道切换，则公式一中取值TTxOffset2。时间同步不仅发生在节点的正常数据通信过程，也可以在新节点加入过程。本发明遵循如图1所示的通信时隙模型。在信道受到干扰情况下，发送方执行以下功能子时隙：CCA误差、CCA监测、空闲、信道切换、CCA监测、发送数据、等待、接收ACK。接收方在以下功能子时隙内完成相应功能：等待接收数据、信道切换、等待接收数据、读数据、数据处理及校验、发送ACK。时隙内等待接收数据时间由发送数据长度确定，时间误差时间须保持在规定的范围之内。
本发明可以基于多种不同的物理频段和标准，本实施实例以标准IEEE 802.15.4物理层中2.4GHz频段为例进行说明，但不局限于此。
在通信之前为本次通信时隙分配了两个通信信道(假如信道13#作为首选信道，信道20#作为备用信道)。发送方和接收方在数据通信之前，在CCA监测时隙发送方先通过CCA检测首选信道13#是否受到干扰，如果在规定的CCA检测时间(TsCCA)内检测该信道一直为忙信号，则发送方认为信道受到干扰。在本实施实例中假设信道13#受到了干扰，因此发送方不发送数据，并自动进行信道切换，切换到信道20#，然后再次进行CCA检测，检测信道20#是否可通信，也如该信道可用即从CCA检测状态转换到发送状态，准备发送数据，随后通信双方就在这个备用信道20#上进行数据通信了。
接收方在规定的数据接收等待时间内都没有收到发送方发送过来的数据，则也认定信道13#可能受到干扰而不可用，接收方自动将信道切换到备用信道20#继续等待接受数据。接收方在备用信道上正常接收到数据后，读取数据并进行处理和校验，完成后向发送方发送ACK。上述所有过程都在分配的时隙内完成，而不需要再额外占用其它时隙。信道切换的控制命令由通信双方根据信道状态自行判断，并在规定时间内产生并执行，而不是由一方发送控制命令给另一方，从而实现真正意义上的双方自主的自适应跳信道。
该通信双方在以后的通信时隙，可以将通信切换回到首选信道，利用首选信道进行通信，继续优先使用首选信道13#，按照上述方法如果检测该信道收到干扰就自适应跳到信道20#进行数据通信。另外一种方法是：该通信双方在以后的通信时隙，将不再优先使用信道13#，而是优先使用信道20#，即信道20#变成了首选信道而信道13#变成备用信道。
发送方处理流程图如图2所示。时隙通信开始时，发送方首先执行CCA检测信道是否空闲，如果信道空闲，发送方切换到发送状态准备发送数据；如果信道忙，则表明该信道上可能有其他干扰信号，那么发送方自行产生并执行信道切换控制命令，切换到新信道后继续执行CCA检测信道是否空闲。如果信道仍然不空闲，则放弃通信进入休眠状态以节省功耗；如果信道此时空闲，则切换到发送状态准备发送数据，数据发送完后休眠等待一段时间以便对方处理数据，最后发送方醒来接收确认帧。
接收方处理流程图如图3所示。时隙通信开始时，接收方首先侦听信道查询是否接收到数据，如果有则持续接收数据直至完毕，然后进行数据处理和校验，并发送确认帧给发送方；如果没有收到数据，则继续侦听信道，在给定的接收等待时间内仍然没有接收到数据则认为该信道受到干扰，自行产生并执行信道切换控制命令，切换到新信道继续开始侦听信道，并作好接收数据的准备，在第二个等待接收数据时间内，如果接收到数据，那么就执行数据处理及校验，并返回确认帧给发送方；如果仍然没有接收到数据，则放弃通信进入休眠状态直至时隙结束。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的方法和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于时隙内自适应跳信道的工业无线通信方法，为每个通信链路分配首选信道和备用信道，其特征在于，在首选信道或备用信道根据时隙长度结构TSlot、第一个比特到达接收方的时间TArrival以及发送偏移量TTxOffset1、TTxOffset2，算法模块调用公式一确定下一个时隙的开始时间进行时间同步，
公式一
时隙通信开始之前协商好时隙内清除信道评估CCA检测时间长度和接收数据的等待时间长度，发送方采用CCA机制监测通信信道，如果首选信道受到干扰而导致在本时隙的CCA监测时间内该信道一直为忙，自动切换到备用信道发送数据，接收方在规定的等待时间后没有收到发送方的数据，自动在本时隙内从首选信道跳到备用信道等待接收数据，其中，如果时隙通信双方未发生自适应跳信道，则公式一中取值TTxOffset1，如果发生了信道切换，则公式一中取值TTxOffset2。
2.根据权利要求1所述的工业无线通信方法，其特征在于，在完成跳信道随后的通信时隙，优先使用上次通信成功的备用信道作为当前首选信道，同一时隙内通信双方可根据环境变化而实现适应性的选择信道。
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