CN101500314B - 工业无线网络的多发多收通信调度方法 - Google Patents

Abstract

一种工业无线网络的多发多收通信调度方法，涉及工业自动控制领域，本发明针对现有工业无线网络超帧时隙利用率不高的问题，根据IEEE802.15.4标准，重新定义超帧结构，在超帧结构中定义信标时段簇内时段申请时段答复时段空闲时段簇间时段检测时段，根据超帧结构控制节点间的通信调度；采用时隙内多发多收的技术在时隙内两个设备间多次来往通信，解决了基于TDMA的时隙使用率低的问题，使网络协议简单可靠，可广泛适用于工业无线控制网络。

Description

工业无线网络的多发多收通信调度方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种工业无线网络的多发多收通信调度方法。

背景技术

工业无线技术是一种面向设备间信息交互的无线通信技术，是对现有工业通信技术在工业应用方向上的功能扩展和提升，将引发传统工业测控模式的变革，引领工业自动化系统向着低成本、高可靠、高灵活的方向发展。随着无线热潮的到来，工业无线通信技术得到快速发展，802.11b、ZigBee、蓝牙、IEEE 802.15.4等技术逐渐被应用到工业现场。这些无线通信技术的引入解决了工业现场布线困难、安装维护成本高等问题。

IEEE 802.15.4标准作为一个低功耗、低速率的PHY/MAC标准，定义网络具有节能的特点，适合于工业无线网络，被ISA100.11a、无线Hart、WIA-PA等采用作为底层标准。

IEEE 802.15.4支持可选的超帧结构，超帧以网络协调器发出信标帧为开始，信标帧可以用来同步网络中的设备并且描述超帧结构，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中普通设备接收到超帧开始的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务。该超帧结构的格式由协商者来定义，绑定了网络信标帧。IEEE802.15.4超帧将通信时间划分为活跃和不活跃的两个部分，活跃期划分为三个阶段：信标发送阶段、竞争访问阶段(CAP)、非竞争访问阶段(CFP)，超帧的活跃部分被划分为16个等长的时隙，每个时隙的长度、每个时段包含的时隙等参数，都由协调器设定，并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络。在超帧的竞争访问阶段，设备使用带时槽的CSMA-CA访问机制，并且任何通信都必须在竞争访问时段结束前完成。在非竞争时段，协调器根据上一个超帧PAN网络中设备申请FTS的情况，将非竞争时段划分成若干个GTS(guaranteed time slot)。每个GTS由若干个时槽组成，时槽数目在设备申请GTS时指定。每个GTS中的时槽都指定分配了时槽申请设备，因而不需要竞争信道。在不活跃期间，PAN网络中的设备不会相互通信。不活跃期间跟在活跃期间的后面。

IEEE 802.15.4定义时隙的信标具有节能的特点，但时隙的利用率却不高，它规定在一个时隙内只能有一个指定的设备发送，一个指定的设备接收，两个设备不能来往通信。当发送设备的数据发送完毕，而时隙仍然可能存在剩余的时间。这样，整个网络的时隙利用率就比较低，不能充分利用时间轴的资源。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种工业无线网络的多发多收通信调度方法，使之能满足工业应用的实时性、可靠性以及低功耗等要求，该方法根据IEEE802.15.4标准，重新定义超帧结构，根据超帧结构控制节点间的通信调度；并且采用时隙内多发多收的技术在时隙内两个设备间多次来往通信，解决了基于TDMA的时隙使用率低的问题，使网络协议简单可靠。

本发明解决上述技术问题的具体方案是：根据IEEE 802.15.4标准，重新定义超帧结构(超帧为两次相邻信标之间的时段，网络中所有路由都在超帧开始时刻，同时在簇信道上发送信标，也就是说，网络中所有路由使用统一的超帧长度；)，在超帧结构中定义信标时段、簇内时段、申请时段、答复时段、空闲时段、簇间时段、检测时段，同时将调度与多发多收相结合，规范星型网络节点的接入以及网状网络的簇间通信机制；超帧以信标帧开始，跟随的是簇内时段、申请时段、答复时段、空闲时段、簇间时段、检测时段。

其中，在簇内时段，每个接入点在分配到的簇内时隙中与簇首通信；在申请时段，允许接入点申请加入网络、申请分配通信资源等，申请时段采用时隙的CSMA/CA(载波监听多路接入/冲突避免)算法；在答复时段，簇首不断发送对请求帧的回复，不能在此时段答复的请求将被丢弃，收到答复的设备将分配到簇内时隙；在空闲时段，簇首和接入点通过休眠节省能量；在簇间时段，两两簇首在所分配到的信道与时隙内进行通信；在检测时段，完成网络检测、全网扫描。

在网关开始运行时，对时隙长度进行配置，可以根据网络负载的实际情况来设置时隙的长度，时隙长度应大于4.096ms；在信标时段的开始，簇首发送信标，它不与其他数据进行竞争，在信表帧中包含了超帧序列、信标序列以及超帧的各个阶段的长度等相关信息。一个完整的信标帧还包括调度信息和时间同步信息等关键信息。只有路由，即簇首可以发送信标帧；在簇内时段，每个接入点在所申请到的相应的时隙中与簇首通信，一个接入点可以占用多个时隙，在此时段的一个时隙中，只有两个设备相互通信；簇间通信的分配需要知道全网状网的信息，所以由网关统一分配，簇间时段使用所有信道，同时每个信道使用TDMA的时分多址技术，此时段的一个时隙中，在某个信道上只有两个设备相互通信；检测时段至少包含1个时隙，网络检测的时隙数至多3个。

上述方案由于相邻路由使用不同的信道，因此信标不会相互干扰。路由(包括网关路由)总是等时间间隔发送信标，新设备可以从接收到的信标中获得网络相关参数。只有路由可以发送信标，接入点只接收信标。当超帧开始时，路由总是在自己的信道上(簇信道)发送信标。从信标时段到答复时段，都是使用的同一信道，即簇信道。簇间通信使用所有信道，同时对每个信道进行TDMA的时分多址技术进行通信。

当接入点要接入网络的时候，在申请时段接入信道，使用CSMA/CA的竞争机制发送接入请求帧，然后在答复时段侦听并判断是否申请成功，如果申请成功，接入点在所申请到的簇内时段的某个时隙内发送数据。如果没有成功，则在下一个申请时段继续以CSMA/CA机制发送接入请求。当路由接收到接入点发来的接入请求帧时，将会在答复时段不断发送对这些加入请求的答复。收到答复的设备将分配到簇内时段的时隙，在下一超帧开始就可以在簇内时段中指定的时隙内通信了。簇间时段是网状网络中各路由即簇首通信的时段，簇间通信的分配需要知道全网状网的信息，所以由网关统一分配。簇间时段的上一时隙总是和下一时隙使用不同的信道，这是为了避免信道的干扰。最后的检测时段用于网络检测，在这些时隙中，所有路由在相同的检测信道上轮流发送检测信号，未发送的路由则接收。通过接收到的信号，就可及时知道邻居信息并向网关汇报，从而网关可及时调整簇间通信资源的分配。

簇内时段和簇间时段的长度是可以动态调节的。簇内时段总是从超帧的第二个时隙开始。簇内通信后依次是请求和答复两个时段。簇间通信总是结束于网络检测前一个时隙。答复和簇间通信之间是空闲时段，设备在这一时段中可以休眠以节省能量。这类似于堆与栈的结构，簇内时段随着接入点以及簇内通信的增加，长度相应增加，簇间时段随着簇的增加以及簇间通信的增加，长度也相应增加，而空闲时段就相应减少，整个超帧长度在系统运行时不可改变。簇内时段和簇间时段的通信是需要应答的，即有发送就有应答以确定数据是否正确、可靠的到达。

重新定义超帧结构之后，结合时隙内多发多收技术实施全网的通信调度解决了超帧的时隙利用率低的问题。在一个时隙中，只有两个设备相互通信。两个设备之间可以多次来往进行通信，总是由发起者先向接收者发送，例如状态汇报等，然后，你来我往，直到双方都无话可说或时隙行将结束。每次计算待发数据所需发送时间，再判断时隙的剩余时间是否满足所需发送时间来决定是否进行此次发送。如果没有要发送的帧，则只需发送一个空白命令帧来继续对话。对方如果收到空白命令帧也没有数据要发送，则结束此时隙的通信。这样，就对时隙进行充分的利用，在一次发送、接收的基础上还可以继续来往通信，使得整个网络系统实时、可靠。

附图说明

图1为超帧结构图

图2为簇网状网示意图

本发明的优点是：

本发明针对现有工业无线网络的超帧的时隙利用率不高的问题，根据IEEE802.15.4标准，重新定义超帧结构，在超帧结构中定义信标时段、簇内时段、申请时段、答复时段、空闲时段、簇间时段、检测时段，根据超帧结构控制节点间的通信调度；并且采用时隙内多发多收的技术在时隙内两个设备间多次来往通信。通过将调度与多发多收相结合，有效的解决了超帧的时隙利用率低的问题。

本调度方法使星型网络节点的信道接入机制以及网状网络簇首间通信机制更加规范，使得网内数据无干扰，提高了数据发送的效率；也解决了超帧的时隙利用率低的问题，实现了全网的实时通信调度。这样就更好的满足了工业无线网络中应用的实时性、稳定性、可 靠性和低功耗等要求。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。本发明在遵循IEEE 802.15.4标准的基础上，通过修改IEEE 802.15.4的超帧结构，在超帧结构中定义信标时段、簇内时段、申请时段、答复时段、空闲时段、簇间时段和检测时段。同时将调度与多发多收相结合，有效解决了超帧的时隙利用率不高的问题，使得时隙能够充分利用，提高吞吐量，使得网络中的数据能够实时的传输。

实施例1：超帧结构定义

本发明通过MAC子层超帧(Superframe)结构来规定网络中节点的信道接入控制。下面对本发明的超帧结构进行具体描述。如图1所示为根据IEEE 802.15.4标准修改的超帧结构。超帧以信标帧开始，跟随的是簇内时段、申请时段、答复时段、空闲时段、簇间时段、检测时段。其中，在簇内时段，每个接入点在分配到的簇内时隙中与簇首通信；在申请时段，允许接入点申请加入网络、申请分配通信资源等，申请时段采用时隙的CSMA/CA(载波监听多路接入/冲突避免)算法；在答复时段，簇首不断发送对请求帧的回复，不能在此时段答复的请求将被丢弃，收到答复的设备将分配到簇内时隙；在空闲时段，簇首和接入点通过休眠节省能量；在簇间时段，两两簇首在所分配到的信道与时隙内进行通信；在检测时段，完成网络检测、全网扫描。

1)时隙

在网关开始运行时，对时隙长度进行配置，可以根据网络负载的实际情况来设置时隙的长度。由于2.4GHz的数据传输率为250kbps，而IEEE 802.15.4规定的最长数据包为128字节，所以发送数据需要的最长时间需要4.096ms。因此，时隙长度应大于4.096ms。

2)信标时段

在信标时段的开始，簇首发送信标，它不与其他数据进行竞争。在信表帧中包含了超帧序列、信标序列、是否允许加入以及超帧的各个阶段的长度等相关信息。一个完整的信标帧还包括调度信息和时间同步信息等关键信息。只有路由，即簇首可以发送信标帧，当发送信标帧时，它的子设备，即接入点必须醒来接收信标帧并解析，以得到上述相关信息。在此时隙中，该路由还可发送其他信息。

3)簇内时段

在簇内时段，每个接入点在申请时段申请到的相应的时隙中与簇首通信，一个接入点可以占用多个时隙。在此时段的一个时隙中，只有两个设备相互通信。总是由指定的发起者先向指定的接收者发送，例如状态汇报、数据帧、命令帧等。然后，你来我往直到双方都无话可说或时隙即将结束。如果没有要发送的帧，则只需要发送一个空白命令帧来继续对话。如果接受方收到空白命令帧而没有数据要发送，则结束此时隙的通信。每次设备收到一个帧后，需要对收到的帧进行答复(空白帧除外)，答复帧包括收到帧的序号，如果有数据要发送，则可把答复帧附加在数据帧的后面一起发送。待发送方在发送之前计算待发数据所需发送时间，再判断时隙的剩余时间是否满足所需时间，如果能够满足则进行此次发送，如不满足，则等到下次分配的时隙再发送。否则，如果超过时隙的时间，将自动切断通信，这将导致最后一个发送的帧无法收到回复，避免了重发。

4)申请时段

在申请时段，不在网接入点可以向簇首发送加入请求，临时断开的在网接入点也可以在此时段向簇首发送重加入请求，簇首在此时段只接收。而发送请求的设备应先检测信道是否空闲，采用时隙的CSMA/CA(载波监听多路接入/冲突避免)算法。

CSMA/CA算法的大致流程如下：每一个发送结点在发送帧之前需要先侦听信道，如果信道空闲，结点可以发送帧；发送节点在发送完一帧之后，必须再等待一个短的时间间隔，检查接收站是否发回帧的确认ACK，如果接收到确认，则说明此次发送没有出现冲突，发送成功；如果在规定的时间内没有接收到确认，表明出现冲突，发送失败，重发该帧。直到在规定的最大重发次数之内，发送成功。

5)答复时段

在答复时段，发送过加入请求或重加入请求的接入点应只接收，簇首不断发送对这些请求的答复，不能在此时段答复的请求将被丢弃，收到答复的设备将分配到簇内时隙，这意味着此设备已经暂时入网，在下一超帧开始就可以在簇内时段中的指定时隙联网通信了。需要注意的是，这种暂时入网事实上是在等待进一步验证，验证失败时将会被通知离网。簇首将会向网关报告这一暂时入网事件。没有收到答复的设备只能在下一个超帧的申请时段重新竞争。

6)空闲时段

在答复时段与簇间时段之间如果还有空余的时隙，簇首和接入点都可以在此时段休眠以节省能量。

7)簇间时段

簇间时段是网状网络中各路由，即簇首之间通信的时段，簇间通信的分配需要知道全网状网的信息，所以由网关统一分配，不同路由有可能簇间时段长度不一样。簇间时段两设备通信的上一时隙总是和下一时隙使用不同的信道，这是为了避免信道的干扰。

此时段的一个时隙中，在某个信道上只有两个设备相互通信。总是由指定的发起者先向指定的接收者发送，例如状态汇报、数据帧、命令帧等。然后，你来我往直到双方都无话可说或时隙即将结束。如果没有要发送的帧，则只需要发送一个空白命令帧来继续对话。如果接受方收到空白命令帧而没有数据要发送，则结束此时隙的通信。每次设备收到一个帧后，需要对收到的帧进行应答(空白帧除外)，应答帧包括收到帧的序号，如果有数据要发送，则可把应答帧附加在数据帧的后面一起发送。待发送方在发送之前计算待发数据所需发送时间，再判断时隙的剩余时间是否满足所需时间，如果能够满足则进行此次发送，如不满足，则等到下次分配的时隙再发送。否则，如果超过时隙的时间，将自动切断通信，这将导致最后一个发送的帧无法收到回复，避免了重发。

8)检测时段

每个超帧的最后几个时隙用于网络检测，检测时段至少包含1个时隙。在这些时隙中，所有路由在相同的检测信道上轮流发送检测信号，未发送的路由则接收。通过接收到的信号，就可及时知道邻居信息并向网关汇报，从而网关可及时调整簇间通信资源的分配。网络检测的时隙数至多3个。网络变化小时，网络检测可短一些；网络变化大、干扰大时，网络检测应长一些，提高网络自适应调节的响应速度。

在一个超帧中的检测时段，不需要整个网络中的路由都能够发送。网关向各路由发送管理信息时将通知路由何时发送。检测信号数据量很小，因此发送时刻可按毫秒对齐。

实施例2：簇内调度分配

接入点在请求时段竞争的发送加入/重加入请求，簇首收到请求帧后就对其进行处理，对申请加入/重加入请求的接入点分配簇内时隙。接入点就可在下一超帧的相应的簇内时隙中发送数据。

1)加入/重加入请求

加入/重加入请求帧用来管理接入点加入网络的情况。接入点可以用该命令来请求加入网络并获得簇内通信时隙。加入请求包括本接入点的基本信息，包括IEEE地址等。重加入请求则带有原先入网时的相关参数，如簇内地址、簇内时隙等。

2)请求帧的处理

当簇首收到接入点的加入请求帧时，申请分配簇内时隙。簇首收到请求时判断是新接入点的加入还是以前在网接入点的重加入，如果是新接入点则查找空时隙分配给新接入点，如果是以前在网接入点，则首先判断原有簇内时隙是否已回收，如果没有回收，则分配其以前的时隙，如果已经回收，则重新查找空时隙并分配。在超帧的答复时隙填上申请接入点的信息并发送答复，使接入点收到答复时能够判断是否已分配到簇内时隙以及分配到哪个簇内时隙。

3)信标帧的形成与解析

根据信标帧中簇内时段信息判断是否有本设备的通信时隙，如果有则在该时隙内发送或者接收数据，否则将不会发送或者接收数据。

簇首在超帧的第一个时隙会形成并发送信标帧。信标帧的形成需要先确认各个阶段的长度、已经分配的簇内时隙、下一超帧簇首使用的信道等信息。

设备在超帧的第一个时隙都会醒来并侦听信标帧。当解析信标帧在簇内时段有本地的通信时隙时，设备会记录下来所分配的时隙数和时隙序号。如果有本地的通信时隙，则在通信时隙内发送或接收数据，否则将不会发送或接收数据。

实施例3：簇间调度分配

簇间时段用于相邻簇首之间的数据通信。簇间时段的分配要根据全网状网的信息，由网关统一分配。簇间时段使用所有信道，同时每个信道使用TDMA的时分多址技术。两个相邻簇首在某个信道上某个时隙内进行发送或者接收数据。簇间时段采用时隙跳频技术，一个时隙改变一次信道，这样避免了其他网络的干扰。

如图2所示为簇网状网络内接入点N需要经过簇首R3发送数据给簇首R5，其中N为R3的接入点，R5为R3的邻居簇首。

簇间通信过程如下：

首先，接入点侦听网络中的信标帧。根据接收到的信标设置设备网络参数，启动时钟。假设接收到R3的信标。在信标中指定的申请时段向簇首发送申请，然后在答复时段等待簇首的答复。簇首的答复中包含了分配的时隙，在下一个超帧的此时隙中发起通信，向簇首发送数据包，其目的地址为R5，R3只起转发的功能。当R3收到数据包后，在网关分配给R3发送R5接收的这条链路的簇间时隙内使用指定的信道转发数据包到R5。这样，通过两跳通信，就完成了接入点N到簇首R5的通信，满足了网络间的所有通信。

以上只是本发明的实例说明，本发明的保护范围基于本领域技术人员的理解结合权利要求书进行限定。

Claims (2)

1.一种工业无线网络的多发多收通信调度方法，其特征在于，根据IEEE 802.15.4标准，重新定义超帧结构，在超帧结构中定义信标时段、簇内时段、申请时段、答复时段、空闲时段、簇间时段、检测时段，同时将调度与多发多收相结合，规范星型网络节点的接入以及网状网络的簇间通信机制；超帧以信标帧开始，跟随的是簇内时段、申请时段、答复时段、空闲时段、簇间时段、检测时段；网络中所有路由使用统一的超帧长度，在簇内时段，每个接入点在分配到的簇内时隙中与簇首通信；在申请时段，允许接入点申请加入网络、申请分配通信资源，申请时段采用时隙的CSMA/CA算法；在答复时段，簇首不断发送对请求帧的回复，不能在此时段答复的请求将被丢弃，收到答复的设备将分配到簇内时隙；在空闲时段，簇首和接入点通过休眠节省能量；在簇间时段，两两簇首在所分配到的信道与时隙内进行通信；在检测时段，完成网络检测、全网扫描；

CSMA/CA为载波监听多路接入/冲突避免算法。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在网关开始运行时，根据网络负载的实际情况来设置时隙的长度，时隙长度大于4.096ms，检测时段至少包含1个时隙，网络检测的时隙数至多3个。

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