CN101490993A - 低功率媒体访问控制协议 - Google Patents

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CN101490993A
CN101490993A CNA2007800261480A CN200780026148A CN101490993A CN 101490993 A CN101490993 A CN 101490993A CN A2007800261480 A CNA2007800261480 A CN A2007800261480A CN 200780026148 A CN200780026148 A CN 200780026148A CN 101490993 A CN101490993 A CN 101490993A
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D·K·阿文德
黄开庄
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Abstract

一种在非同步、ad－hoc、低功率、无线网络中从发射机向接收机传送数据的方法，包括：创建包括报头和数据的分组；以及连续地重传相同的创建的分组多次。

Description

低功率媒体访问控制协议
技术领域
本发明的实施方式涉及低功率媒体访问控制(MAC)协议。特别是，它们涉及在非同步、ad-hoc、低功率无线网络中使用的低功率MAC协议。
背景技术
超低功率MAC协议在2004年11月的由Polastre、J.Hill和D.Culler在第二ACM SensSys的论文集中的“Versatile low power mediaaccess for wireless sensor networks”中进行了描述。
该协议(B-MAC协议)描述了一种不需要节点同步的随机访问MAC协议。
源节点在通信信道中发送具有持续时间Tpreamble的长前导码，其后是数据分组。周期性地(每Tinterval)，可能的目的地节点针对活动来监听通信信道。如果没有检测到活动，则目的地节点持续监听直到超时周期已经过期。如果检测到活动，则目的地节点打开接收机，该接收机在数据分组已经被接收或在超时周期之后被关闭。周期Tpreamble大于周期Tinterval。
本领域技术人员必然理解前导码是固定的预定比特序列(通常为重复的01)，其由相关器检测器用于异步检测。这样，前导码本身不传达信息，因为其是固定且预定的。
期望提供一种更具有能量效率的MAC协议。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，提供一种在非同步、ad-hoc、低功率、无线网络中从发射机向接收机传送数据的方法，包括：创建包括地址和数据的分组；以及连续地重传相同的创建的分组多次。
当被传送时，“相同的”创建的分组将传达相同的信息内容，即，分组在信息上是冗余的，然而，根据实现，分组的确切物理内容可以依分组而改变。
根据本发明的一个实施方式，提供一种用于使用非同步、ad-hoc、低功率、无线网络来向接收机传送数据的电子通信设备，该设备包括：用于创建包括地址和数据的分组的装置；以及用于连续地重传相同的创建的分组多次的装置。
根据本发明的一个实施方式，提供一种在非同步、ad-hoc、低功率、无线网络中接收从发射机传送的数据的方法，该方法包括：根据第一调度开启接收机；检测在没有调度的情况下传送的分组的接收；从接收到的分组提取数据；以及关闭接收机直到其下次被调度而开启。
根据本发明的一个实施方式，提供一种在非同步、ad-hoc、低功率、无线网络中接收从发射机传送的数据的电子通信设备，该设备包括：接收机，其用于检测在没有调度的情况下传送的分组的接收；以及处理电路，其用于根据第一调度开启接收机，从接收到的分组提取数据，以及关闭接收机直到其下次被调度而开启。
根据本发明的一个实施方式，提供一种接收从发射机传送的数据的方法，该方法包括：根据第一调度开启接收机；检测在没有调度的情况下传送的信息分组的接收；从接收到的分组提取时间数据；将接收机关闭由时间数据所确定的持续时间并且继而开启该接收机；以及检测在没有调度的情况下传送的数据分组的接收。
可以接着从接收到的分组提取数据；并且继而关闭接收机直到其下次被调度而开启。
通过将通信的能量消耗主要布置到发射机上，本发明的实施方式保持了网络的能量资源。这就使得本发明的实施方式特别适用于其中低数据通信速率和/或分组被广播的情况，从而一个发射机与许多接收机通信。
通过使用多个冗余分组重传，将能量消耗转移到发射机。
附图说明
为了更好的理解本发明，现在将仅通过示例参考附图，附图中：
图1示意性示出节点的网络；
图2更为详细地示意性示出网络的各个节点；
图3A示意性示出数据分组；
图3B示意性示出信息分组；
图4A示出根据第一实施方式的数据传输；
图4B示出根据第一实施方式的数据接收的方法；
图4C示出根据第一实施方式的接收机的状态图；
图5A示出根据第二实施方式的数据传输；
图5B示出根据第二实施方式的数据接收的方法；以及
图5C示出根据第二实施方式的接收机的状态图。
具体实施方式
图1示意性示出节点10的网络2。在图2中示出单独的节点10。
图2中的节点10是小型电子通信设备12，其包括组件：处理电路14；存储器电路16；无线收发器18以及可选地，传感器20。每个节点10也具有能量源22，其例如可以是电池。
组件可以是分离的组件或者可以被集成进例如集成电路芯片的单个设备中。
由发明人针对设备12所造的术语是“斑点”，因为期望设备12将在纳米或微米级别上制造。斑点可以喷洒到表面上，在那里它们创建共享资源的网络2。网络可以用于分布式的应用，例如感应、处理等。此类的斑点将通过将功能嵌入进例如衣物、纤维等其他物体内而支持普遍存在或普遍深入的计算。
处理电路14可以例如是可编程微处理器单元或专用集成电路。其被设置用于从存储器16读取以及写入到存储器16，从传感器20(如果有的话)以及从无线收发器18接收输入，以及将输出提供给无线收发器18。
无线收发器18通常是以低传输功率(例如，在-35dBm到-15dBm的范围中，在一个125dBm级别例子中)操作的无线收发器。根据应用，这等同于几厘米或几十厘米的通信范围。收发器包括用于发射的发射机部分和用于接收的接收机部分。
存储器电路16可以是任意合适的存储器。其可以包括一个或多个分离的单元并且其一些或所有可以与处理电路14集成。存储器16存储用于传送的数据和经由无线收发器接收到的数据。如果处理电路14是可编程处理器，则存储器16也可以存储计算机程序指令24。
当加载进可编程处理器14时，计算机程序指令24控制电子通信设备12的操作。计算机程序指令24提供用于使得电子设备12执行图4A-4C和图5A-5C中所示的方法的逻辑和例程。
计算机程序指令可以经由电磁载波信号或从物理实体4复制而到达电子通信设备10，物理实体4诸如计算机程序产品、存储器设备或例如CD-ROM或DVD的记录介质。
传感器20感应或检测设备12所处的环境的参数。网络中没有、所有或一些节点10可以包括传感器描述为可选的。如果网络的一些节点包括集成的传感器，则网络2也是传感网络。网络2用于分发测量的参数。
正如D.K.Arvind、K.J.Wong在IEEE International Symposium onConsumer Electronics，(U.K.)2004年9月的论文集第334-338页的“Speckled Computing：Disruptive Technology for NetworkedInformation Appliances”中所描述的，处理器可以是CY8C29666可编程片上系统(SoC)，无线收发器可以是具有板上天线的CC2420无线芯片。
因此将理解到节点10将具有用于与其他节点通信的装置和用于处理用于传送的数据和已经接收到的数据的装置。
网络2在这种意义上是ad-hoc网络，即其不具有节点的正式设置而是在网络启动时以节点的临时设置来形成。该设置可以在网络的生命期期间的任意时刻改变。节点可以在非预定的时刻离开和加入网络。
节点10能够建立与网络2中的其他节点的一个或多个通信链路。由于无线收发器18通常是低功率的，因此无线链路具有有限的范围，从而节点仅可以与该范围内的节点形成链路。
通过发送寻址到特定节点的传输，节点10可以形成与该节点的链路，或者通过发送作为广播传输寻址到范围内的多个节点的传输而可以一次形成与该多个节点的链路。
节点10可以是移动的，从而节点的设置可以随时间变化并且节点间的链路可以在节点移动进范围和移动出范围时随时间变化。
网络2被设置为端到端(P2P)网络，其中每个节点在网络内是平等的并且没有基站、主设备和从设备等。网络的组织和管理因此如同没有领导者那样分布。
网络2是非同步的，其中没有由所有的节点所共享的公共时间帧。然而，每个节点10将具有用作本地时间参考的时钟。
由于网络2是非同步的，在一个节点处的传输和在另一个节点处的接收是不协调的。节点10以随机访问的方式进行传输，即，其按需传送而没有使用传输调度。
节点10的网络2是处理和存储器资源以及可选地传感器资源的集合。这些资源由网络作为整体使用设备间无线通信链路以相互协调的方式来使用。
网络2可以是密集的但对于节点间的链路而言具有低的数据速率。网络2使用媒体访问控制(MAC)协议，该协议具有与接收的传输关联的更大的能量消耗。
图3A示意性示出数据分组40并且图3B示意性示出信息分组50。每个分组从发射机向接收机传达信息，并且取决于环境，信息内容将是不同的，即，其不是固定的。
数据分组40具有多个字段41-49并且信息分组具有多个字段41-46和52。
对于两种类型的分组公共的字段41-46包括：短前导码字段41；帧起始(SOF)定界符字段42；分组结束标识符字段43；分组类型字段44；目的地地址字段45；以及检错(CRC)字段46。
每个分组具有报头部分，包括：短前导码字段41；帧起始(SOF)定界符字段42；分组长度字段43；分组类型字段44；以及一个或多个地址字段45、47。
字段具有预定的固定大小。短前导码41允许接收节点与分组的开始同步。SOF42标识剩余字段的开始。这允许剩余字段的内容被提取。
分组长度43允许具有分组何时开始知识的接收机确定分组何时结束。
类型字段44区分不同的分组类型。例如，其将分组标识为数据分组40或信息分组50。
目的地地址45是分组发送到的地址。例如，其可以是广播地址，其指示其引起可以接收其的任意节点的注意。可选地，地址可以是节点特定地址或特定于一组节点的地址。
检错字段46可以是任意合适的字段，其使得接收节点能够确认已经正确地接收到分组的内容。在该例子中，字段是循环冗余校验(CRC)，但例如其他形式的校验和也是可以使用的。
数据分组40附加地具有字段47-49：数据净荷字段49；源地址字段47；以及序列号字段48。
数据净荷49包含在节点之间进行传送的数据。其例如可以是由传感器20所产生的感应数据。其例如可以是作为分布的计算处理的中间结果或最终结果而产生的处理的数据。
数据净荷49可以包括更大数据分段的一部分，其已经被划分成用于传输的单独的净荷。单独的净荷分配有序列号，该序列号对更大的数据分段中的部分进行排序。
源地址47和序列号48因此允许接收节点10来唯一识别接收到的每个分组。这可以用于确保分组不被多于一次的接收。其也可以用于按正确的顺序将接收到的净荷49进行连接以再生数据分段。
信息分组50附加地具有唤醒时间字段52。该字段规定了接收节点将唤醒以接收数据分组40的未来时间。
图4A示出了根据第一实施方式的数据传输。在该实施方式中，使用数据分组40而不使用信息分组50。
源节点S首先在通信信道中进行监听60。该定时没有被调度并且通常称为随机访问。如果信道是空闲的，则源节点开始传输数据分组40的连接的序列62。相同的数据分组40被相继地重复传输N次。值N是常数并且数据分组40的大小也是常数，从而连接的序列的大小也是预定的和恒定的。选择间隔Tinterval使得其小于传输连接的序列62所需的时间。如果连接的序列62的大小是S个字节并且传输速率是R字节每秒，则Tinterval<S*R。
在图4A中也示出了发生在目的地节点D处的处理，但该方法附加地在图4B中示出并且在图4C中示出转移状态图。
在块70处，目的地节点D处于休眠状态100中。在该例子中，休眠状态表示这样一种状态，其中收发器18和处理器14两者都处于低能耗状态。收发器18通常被关闭。将理解到收发器18可以在已经接收到分组后进入到低能耗状态，而处理器14则可以在已经处理了分组的内容后进入低能耗状态。由于分组的接收可以在分组内容的处理之前，因此可能在两个阶段的处理中进入到休眠状态，其中当接收到分组时，收发器18首先进入到低能耗状态，并接着当分组的内容已经被处理时处理器14进入到低能耗状态。
在其他的实现中，休眠状态可以是这样的一种状态，其中仅收发器18处于低能耗状态，其通常被关闭。
在块71处，目的地节点D在由预定义的调度所规定的时间处唤醒。调度控制收发器18周期性地每Tinterval秒唤醒。在唤醒时，目的地节点D进入101“监听和检测”状态102。
在“监听和检测”状态102中，在块72处的收发器18监听以检测通信信道中的活动。如果收发器18在超时周期78内没有检测到活动，则重新进入103到休眠状态100。当在块73处检测到活动时，在块74处进入113“检测分组”状态108。
在块74处，收发器18检测分组40的短前导码41和SOF 42。此后接收到的数据被存储到存储器16。如果收发器18在超时周期79内没有检测到SOF 42，则重新进入115休眠状态100。在检测到SOF 42后，处理器14接着在块75处处理分组内容。在该阶段，收发器18可以关闭。
检错字段46的内容被提取并被用于检测接收到的数据分组40的完整性。这确保数据分组40未被破坏并且已经被正确地接收。如果数据分组40已经被破坏，则目的地节点D返回117到块72并且尝试接收分组序列62中的下一分组40。
提取目的地地址字段45的内容并且与目的地节点的地址进行比较。如果其匹配，则处理继续。如果不匹配，则节点返回115到休眠状态100。
由于仅使用一种类型的分组，随着处理的进行，进入105“数据”状态104。
在数据状态104中，在块76处提取数据净荷49。也提取源地址47和序列号48并且在块77处根据该顺序信息来对接收到的数据净荷进行排序。目的地节点D接着返回107到休眠状态100，在该状态中，处理器14可以进入低能耗状态。
可以对第一实施方式进行修改。例如，数据分组40的每个可以被修改为附加地包括传输结束字段(未示出)。如图4A中所示，源节点传送N个修改的数据分组40的连接的序列62，并且传输结束字段规定修改的数据分组40的连接的序列62结束的时间。可以选择N的值，使得重传(N-1)个修改的数据分组所需的时间大于Tinterval。如果修改的数据分组30的大小是s字节并且传输速率是每秒R个字节，则Tinterval<((N-1)*s*R)。在数据状态104中，从接收到的修改的数据分组中提取传输结束信息。其可以用于调整调度，从而目的地节点D将仅在修改的数据分组的当前连接的序列62已经结束后退出休眠状态70。
图5A示出根据第二实施方式的数据传输。在该实施方式中，使用数据分组40和信息分组50。
源节点S首先在通信信道中监听60。其定时没有被调度并且通常称为随机访问。如果信道是空闲的，则源节点S开始传输分组40的连接的序列62。序列是相同的信息分组50，该信息分组50被相继重复地传输N次，以形成序列63的第一部分并且接着传送数据分组40以完成连接的序列62。
信息分组50是“相同的”，其中它们传送相同的信息内容，但不必因为它们包含相同的物理内容而相同。例如，取决于实现，唤醒时间字段52可以以绝对格式来指定唤醒时间，在该情形中，将期望连接的序列62中的信息分组50将是相同的。然而，唤醒时间52也可以以相对格式来指定，例如在X秒后唤醒，并且在这样的情景中，信息内容X将随序列62中的每个信息分组50而变化(减小)，但传送的信息将是相同的，即唤醒并接收数据分组的时间。术语“相同的分组”应该被解释成意味着传送相同的信息(即，逻辑内容)，但不必具有完全相同的物理内容。相同消息的同义词将是“冗余消息”，因为在消息中的信息内容是相同的，从而从信息角度来看，如果两个信息分组50都被接收，则序列62中的两个信息分组50之一对于接收机来说是冗余的。
在一个实现中，值N是常数的并且数据分组40的大小也是常数的，并且信息分组50的大小也是常数，从而连接的序列62的大小也是预定的和恒定的。选择间隔Tinterval使得其小于传输连接的序列62所需的时间。如果连接的序列62的大小是S个字节并且传输速率是R字节每秒，则Tinterval<S*R。
在另一个实现中，值N是常数的并且信息分组50的大小也是常数，从而序列62的第一部分的大小也是预定的和恒定的。选择间隔Tinterval使得其小于传输序列62的第一部分所需的时间。如果序列62的第一部分的大小是S’个字节并且传输速率是R字节每秒，则Tinterval<S’*R。
在图5A中也示出发生在目的地节点D处的处理，但在图5B中也附加地示出该方法并且在图5C中示出转移状态图。
在某些方面，附图类似于图4B和图4C。主要区别在于，该实施方式使用两个分组类型-数据分组40和信息分组50。状态转移图具有额外的信息状态106，在该状态处，接收到的信息分组50被处理。接收到的信息分组50允许唤醒调度以被增加，从而目的地节点D在周期Tinterval已经到期之前唤醒以接收数据分组40。在休眠状态100和监听和检测分组状态102之间的转移条件因此是不同的并且因此被标记为101’。
在块70处，目的地节点D处于休眠状态100。在该例子中，休眠状态100表示这样一种状态，其中收发器18和处理器14都处于低能耗状态。收发器18通常被关闭。将理解到收发器18可以在已经接收到分组后进入到低能耗状态，而处理器14则可以在已经处理了分组的内容后进入低能耗状态。由于分组的接收可以在分组内容的处理之前，因此可能在两个阶段的处理中进入到休眠状态，其中当接收到分组时，收发器18首先进入到低能耗状态，并接着当分组的内容已经被处理时处理器14进入到低能耗状态。
在其他的实现中，休眠状态可以是这样的一种状态，其中仅收发器18处于低能耗状态，其通常被关闭。
在块71处，目的地节点D在由预定的调度所规定的时间处唤醒。调度至少控制收发器18周期性地每Tinterval秒唤醒。然而，调度也可以经由信息状态106增加。在唤醒时，目的地节点D进入101’“监听和检测”状态102。
在“监听和检测”状态102中，在块72处的收发器18监听以检测通信信道中的活动。如果收发器18在超时周期78内没有检测到活动，则重新进入103休眠状态100。当在块73处检测到活动时，在块74处，处理移动到检测分组状态108。
在块74处，收发器18检测分组40、50的短前导码41和SOF43。此后接收到的数据被存储到存储器16。如果收发器18在超时周期79内没有检测到SOF43，则重新进入115休眠状态100。在检测到SOF43后，处理器14接着在块75处处理分组内容。在该阶段，收发器18可以关闭。
检错字段46的内容被提取并被用于检测接收到的分组40、50的完整性。这确保数据分组40未被破坏并且已经被正确地接收。如果信息分组50已经被破坏，则目的地节点D返回到块72并且尝试接收分组序列62中的下一分组50。如果数据分组40已经被破坏，则目的地节点D丢弃分组并且返回到块70。
提取目的地地址字段45的内容并且与目的地节点的地址进行比较。如果其匹配，则处理继续。如果不匹配，则节点返回115到休眠状态100。
在块75A处，也提取分组类型字段44的内容。如果接收到的分组类型是“数据”，则随着处理进行，进入105“数据”状态104。如果接收到的分组类型是“信息”，则随着处理进行，进入109“信息”状态106。
在数据状态104中，在块76处提取数据净荷49。也提取源地址47和序列号48，并且在块77处根据顺序信息来对数据净荷进行排序。节点接着返回107到休眠状态100，其中处理器可以进入到低能耗状态。
在信息状态106中，在块80处提取时间字段52。该时间字段指示何时将传送序列62中的后续数据分组40。用于在块71处唤醒目的地节点的调度在块82处被增加以包括时间，并且目的地节点接着返回111到休眠状态100，其中处理器进入到低能耗状态。
尽管在前面的段落中参考各种例子已经描述了本发明的实施方式，但应该理解对给定例子的修改可以在不脱离所要求保护的本发明的范围下做出。
尽管力图在前述说明书中引起对于那些认为是特别重要的本发明特征的注意，但是应该理解申请人要求在任何专利性特征或此前参考和/或在附图中示出的特征的组合方面的保护，而不论是否对其进行了特别的强调。

Claims (33)

1.一种在非同步、ad-hoc、低功率、无线网络中从发射机向接收机传送数据的方法，包括：
创建包括报头和数据的分组；以及
连续地重传相同的创建的分组多次。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在相同通信信道内的分组的连接的序列中传送所述分组。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述连接的序列具有预定义的恒定长度。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述序列的开始是非调度的。
5.根据权利要求2、3或4所述的方法，其中所述序列的开始是随机的。
6.根据任一在前权利要求所述的方法，其中所述分组包括使得接收机能够确定序列何时结束的字段。
7.根据任一在前权利要求所述的方法，其中所述分组包括使得接收机能够确定分组何时结束的字段。
8.根据任一在前权利要求所述的方法，其中所述分组包括使得接收机能够确定是否已经正确接收分组的至少一个字段。
9.根据任一在前权利要求所述的方法，其中所述数据是从排序的多个数据净荷形成的更大的数据段的一部分。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述分组包括使得多个净荷能够被排序的字段。
11.根据任一在前权利要求所述的方法，其中所述分组包括源地址和分组序列号。
12.根据权利要求1到8中任意一项所述的方法，其中所述分组是包括时间字段的信息分组。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述分组不包括数据净荷。
14.根据权利要求1到8或12或13中的任意一项所述的方法，其中在相同的通信信道内的分组的连接的序列中传送分组，并且所述连接的序列包括数据分组。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述数据分组终止所述序列。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述数据分组包括数据净荷。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述数据净荷是从排序的多个数据净荷形成的更大的数据段的一部分。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述数据分组包括使得多个净荷能够被排序的字段。
19.一种使用非同步、ad-hoc、低功率、无线网络向接收机传送数据的电子通信设备，所述设备包括：处理电路，其用于创建包括报头和数据的分组；以及收发器，用于连续地重传相同的创建的分组多次。
20.一种在非同步、ad-hoc、低功率、无线网络中接收从发射机传送的数据的方法，所述方法包括：
根据第一调度开启接收机；
检测在没有调度的情况下传送的分组的接收；
从接收到的分组提取数据；以及
关闭所述接收机直到其下次被调度而开启。
21.根据权利要求20所述的方法，其中检测分组的接收包括检测分组的正确接收。
22.根据权利要求20所述的方法，其中检测分组的接收包括识别包含在所述分组中的地址。
23.根据权利要求20、21或22所述的方法，其中所述第一调度是周期性的。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述第一调度是周期性的但可随附加的唤醒时间而增加。
25.根据权利要求20、21或22所述的方法，其中所述第一调度取决于接收到的分组。
26.根据权利要求23、24或25中的任意一项所述的方法，其中所述接收到的分组是分组的连接的序列的一部分，并且其中所述周期小于所述连接的序列的长度。
27.根据权利要求20或26中的任意一项所述的方法，其中提取的数据用于在下次调度的唤醒前增加所述第一调度以包括新的唤醒时间，并且其中所述接收机被关闭直到新的调度的唤醒时间。
28.根据权利要求27所述的方法，其中在所述新的调度的唤醒时间处接收数据分组。
29.根据权利要求20到28中的任意一项所述的方法，其中所述接收机是电池操作的。
30.一种在非同步、ad-hoc、低功率、无线网络中接收从发射机传送的数据的电子通信设备，所述设备包括：
接收机，其用于检测在没有调度的情况下传送的分组的接收；以及
处理电路，其用于根据第一调度开启接收机，从接收到的分组提取数据，以及关闭所述接收机直到其下次被调度而开启。
31.一种接收从发射机传送的数据的方法，所述方法包括：
根据第一调度开启接收机；
检测在没有调度的情况下传送的信息分组的接收；
从接收到的分组提取时间数据；
将接收机关闭由所述时间数据所确定的持续时间，以及继而开启所述接收机；以及
检测在没有调度的情况下传送的数据分组的接收。
32.一种包括程序指令的计算机程序，用于使得计算机来执行根据权利要求1到18、20到29或31中的任意一项所述的方法。
33.一种包括程序指令的计算机程序，当加载进处理电路时，控制并且支持根据权利要求19或30所述的处理电路的操作。
CNA2007800261480A 2006-05-12 2007-05-11 低功率媒体访问控制协议 Pending CN101490993A (zh)

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