CN101959311B - 无线通信装置和无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线通信装置和无线通信方法。该无线通信装置利用无线电帧与另一无线通信装置进行通信，包括：退避次数获取单元，获得无线通信装置按照第一帧长度的无线电帧与该另一无线通信装置通信时进行竞争访问所遭受的退避次数；比较单元，将退避次数与阈值进行比较；存储单元，存储延迟索引；状态索引调整单元，当退避次数大于阈值时，增加存储的状态索引；发送单元，向该另一无线通信装置发送增加后的状态索引；接收单元，接收指示第二帧长度的信息和延迟索引；减法器，将延迟索引与存储的状态索引相减；以及竞争访问调整单元，根据减法的结果，确定帧定时并确定第二帧长度，指示退避次数获取单元按照第二帧长度和所确定的帧定时工作。

Description

无线通信装置和无线通信方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信技术，尤其涉及无线通信网络的节能。

技术背景

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)是一种由大量低复杂度的传感器节点通过自组织方式形成的无线网络，每个网络节点由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成，完成数据采集、数据收发、数据转发三项基本功能。无线传感器网络具有可靠性高、易部署和可扩展等特点。新一代更小、更廉价的低功耗设备的产生、分布式计算带来的数据计算与处理能力的提高以及微机电系统的发展使得发展低成本、低功耗、小体积短距离通讯的多功能传感器成为可能，奠定了无线传感器网络的产生和发展的基础。无线传感器网络不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、建筑、仓储、智能家居、环保等领域，引起了人们广泛关注。

介质访问控制(MAC)协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源。节能、高效是无线传感器网络MAC层协议研究的重要目标之一。

低速无线个人区域网络(low-rate wireless personal area network，LR-WPAN)是无线传感器网络的类型之一。IEEE 802.15.4是IEEE标准化协会针对LR-WPAN制定的标准，是目前无线传感器网络最重要的协议之一。信标管理和信道访问控制是IEEE802.15.4MAC子层的二个重要功能，这些功能可以通过超帧实现。信标帧用于划分超帧的边界、描述超帧的结构和实现网络协调器(PAN coordinator)与普通节点(device)之间的同步，信道访问控制用于实现信道资源的划分。

在LR-WPAN中，可使用信标使能通信(beacon-enabled)这种通信模式。在该模式中，网络中的各设备通过网络协调器发送的周期性信标帧(beacon)保持同步，通过时隙CSMA/CA算法进行信道访问控制。在信标使能模式中，超帧将通信时间划分为活跃期(active portion)和不活跃期(inactive portion)两个部分。活跃期划分为三个阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段(contention access period，CAP)和非竞争访问时段(contention-free period，CFP)，CAP用于节点通过时隙CSMA/CA算法竞争信道资源并发送数据；CFP用于为特定应用分配特定的信道资源，主要是为了满足对通信时延和带宽要求较高的应用。在不活跃期，网络中的设备不会相互通信，将进入低功耗的休眠状态以节省能量。

在超帧结构中，信标的发送周期(beacon interval，BI)定义为两个连续信标帧之间的时间间隔，其时间长度由信标级数(beacon order，BO)决定，二者满足如下关系，即：BI＝aBaseSuperframeDuration×2^BO symbols；超帧中的活跃期长度定义为超帧持续时间(superframe duration，SD)，其时间长度可由超帧级数(superframe order，SO)决定，二者满足如下关系，即SD＝aBaseSuperframeDuration×2^SOsymbols。其中aBaseSuperframeDuration为MAC协议信息数据库中的一个常量值，它是当超帧级数为0时形成一个超帧所占的符号数。

占空比(duty cycle，DC)被定义为信标发送周期中活跃期长度SD与其当前整个信标间隔周期长度BI的比值。DC由BO和SO的差值决定，即： $\mathrm{DC}=\frac{\mathrm{SD}}{\mathrm{BI}}=2^{\mathrm{SO}-\mathrm{BO}}.$

在目前无线传感器网络MAC层节能研究中，基于占空比的自适应调节是一种常见的思路，目前已经提出了几种基于IEEE 802.15.4的节点占空比自适应方法，比如文献“DCA：用于IEEE 802.15.4信标使能网络的占空比自适应算法”(“DCA：Duty-Cycle Adaptation Algorithm for IEEE802.15.4 Beacon-Enabled Networks”，JEON J，LEE J W，HA J Y，et al.Proceedings of IEEE 65th Vehicular Technology Conference(VTC).2007.110-113.)通过固定参数BO而调节参数SO来实现节点占空比的自适应调整。参数BO的固定使得网络内所有节点的信标间隔周期是一定的，即所有节点接收信标帧的频率是一定的；文献“一种新型的用于IEEE802.15.4网络的信标指数自适应算法”(“A New Beacon Order AdaptationAlgorithm for IEEE 802.15.4 Networks”，NEUGEBAUER M，

J，KABITZSCH K.Proceedings of 2nd European Workshop on Wireless SensorNetworks(EWSN).2005.302-311.)提出了相反的方法，通过固定参数SO而调节参数BO来实现节点占空比的自适应调整的。上述方法只是利用了网络占空比的自适应调节来变更节点的休眠时间以实现节能，由于各占空比都由网络协调器统一调整，并不能有效降低由于多节点发送产生碰撞和数据重传发送带来的能量消耗。

网络吞吐量的提升一般都是以更多的能量消耗为代价，在保证网络吞吐量性能的前提下，尽可能降低系统的能量消耗是一个无线传感器网络MAC层节能研究中的重要课题。另外，电池的节能问题也是设计各无线通信网络的移动台(如手机等)要考虑的重要问题。

发明内容

本发明的实施方式鉴于现有技术的上述问题作出，用于消除或缓解现有技术的一个或更多个问题，至少提供一种有益的选择。

为了实现本发明的目的，本发明提供了以下方面。

方面1、一种无线通信装置，该无线通信装置利用无线电帧与另一无线通信装置进行通信，其特征在于，所述无线通信装置包括：退避次数获取单元，用于获得所述无线通信装置按照第一帧长度的所述无线电帧与所述另一无线通信装置通信时进行竞争访问所遭受的退避次数；比较单元，用于将所述退避次数获取单元所获取的退避次数与冲突控制阈值进行比较；存储单元，用于存储状态索引；延迟索引调整单元，当所述比较单元确定所述退避次数获取单元所获取的退避次数大于所述冲突控制阈值时，所述延迟索引调整单元增加所述存储单元中存储的所述状态索引；发送单元，向所述另一无线通信装置发送增加后的所述状态索引；接收单元，所述接收单元接收指示第二帧长度的信息和延迟索引；减法器，用于将所述接收单元所接收的延迟索引与所述存储单元中存储的所述状态索引相减；以及竞争访问调整单元，用于根据所述减法器所进行的相减的结果，确定帧定时，并根据指示第二帧长度的信息确定第二帧长度，并指示所述退避次数获取单元按照所述第二帧长度和所确定的帧定时工作。

方面2、根据方面1所述的无线通信装置，其特征在于，该无线通信装置还包括计时单元，所述计时单元对所述延迟索引调整单元调整了所述延迟索引后经过的时间进行计时；其中，所述当所述比较单元确定所述退避次数获取单元所获取的退避次数不大于所述冲突控制阈值，并且所述计时单元的计时大于预定阈值时，所述延迟索引调整单元降低所述存储单元中存储的所述状态索引。

方面3、根据方面1所述的无线通信装置，其特征在于，所述无线通信装置根据IEEE 802.15.4协议进行操作。

方面4、根据方面3所述的无线通信装置，其特征在于，所述发送单元在待发数据帧的帧头中的预留字段中发送所述状态索引。

方面5、根据方面3所述的无线通信装置，其特征在于，所述指示第二帧长度的信息为信标级数。

方面6、一种无线通信装置，所述无线通信装置利用无线电帧与另一无线通信装置进行通信，其特征在于，所述无线通信装置包括：接收单元，接收至少一个状态索引；存储单元，用于保存延迟索引；比较单元，用于确定所述接收单元所接收的所述至少一个状态索引中的最大值，并将所述接收单元所接收的所述至少一个状态索引中的最大值与所述存储单元中保持的延迟索引进行比较；帧长度调整单元，用于在所述接收单元所接收的所述至少一个状态索引中的最大值大于所述存储单元中保持的延迟索引时，改变所述无线电帧的帧长度，并增加所述存储单元中保持的延迟索引；发送单元，将指示所述无线电帧的改变后的帧长度的信息以及所述延迟索引发送给所述另一无线通信装置。

方面7、根据方面6所述的无线通信装置，其特征在于，所述无线通信装置还包括计时单元，所述计时单元计时所述帧长度调整单元更新了所述存储单元中保持的延迟索引之后经过的时间，当所述接收单元所接收的所述至少一个状态索引中的最大值不大于所述存储单元中保持的延迟索引，并且所述计时单元的计时大于预定阈值时，所述整长度调整单元降低所述存储单元中保持的延迟索引。

方面8、依据方面6或7所述的无线通信装置，其特征在于，所述无线通信装置根据IEEE 802.15.4协议进行操作，所述发送单元利用信标帧中的预留位发送所述延迟索引。

方面9、一种无线通信系统，所述无线通信系统包括第一无线通信装置和至少一个利用无线电帧与所述第一无线通信进行通信的第二无线通信装置，其中，所述第一无线通信装置包括：第一接收单元，接收来自所述至少一个所述第二无线通信装置的至少一个状态索引；第一存储单元，用于保存延迟索引；第一比较单元，用于确定所述第一接收单元所接收的所述至少一个状态索引中的最大值，并将所述第一接收单元所接收的所述至少一个状态索引中的最大值与所述存储单元中保持的延迟索引进行比较；调整单元，用于在所述第一接收单元所接收的所述至少一个状态索引中的最大值大于所述第一存储单元中保持的延迟索引时，改变所述无线电帧的帧长度，并增加所述第一存储单元中保持的延迟索引；第一发送单元，将指示所述无线电帧的改变后的帧长度的信息以及所述延迟索引发送给所述第二无线通信装置；各所述第二无线通信装置包括：退避次数获取单元，用于获得所述无线通信装置按照第一帧长度的所述无线电帧与所述第一无线通信装置通信时进行竞争访问所遭受的退避次数；第二比较单元，用于将所述退避次数获取单元所获取的退避次数与冲突控制阈值进行比较；第二存储单元，用于存储状态索引；状态索引调整单元，当所述第一比较单元确定所述退避次数获取单元所获取的退避次数大于所述冲突控制阈值时，所述状态索引调整单元增加所述第二存储单元中存储的所述延迟索引；第二发送单元，向所述第一无线通信装置发送经所述状态索引调整单元调整过的状态索引；第二接收单元，所述第二接收单元接收来自所述第一无线通信装置的指示第二帧长度的信息和延迟索引；减法器，用于将所述接收单元所接收的延迟索引与所述第二存储单元中存储的状态索引相减；以及帧调整单元，用于根据所述减法器所进行的相减的结果，确定帧定时，并根据所述指示第二帧长度的信息确定第二帧长度，并指示所述退避次数获取单元按照所述第二帧长度和所确定的帧定时工作。

方面10、一种无线通信方法，第一无线通信装置使用该无线通信方法利用无线电帧与第二无线通信装置进行通信，其特征在于，所述无线通信方法包括以下步骤：退避次数获取步骤，用于获得所述第一无线通信装置与所述第二无线通信装置通信时进行竞争访问时所遭受的退避次数；比较步骤，用于将所述退避次数与冲突控制阈值进行比较；延迟索引调整步骤，当所述退避次数大于所述冲突控制阈值时，增加存储单元中存储的状态索引；发送步骤，向所述第二无线通信装置发送增加后的状态索引；接收步骤，接收指示帧长度的信息和延迟索引；减法步骤，用于将所接收的延迟索引与所述存储单元中存储的所述状态索引相减；以及竞争访问调整步骤，用于根据相减的结果，确定帧定时，并根据指示帧长度的信息确定帧长度，将所述第一无线通信装置与所述第二无线通信装置通信时进行通信时所采用的帧长度改变为所述帧长度。

方面11、一种无线通信方法，第一无线通信装置使用该无线通信方法利用无线电帧与第二无线通信装置进行通信，其特征在于，所述无线通信方法包括以下步骤：接收步骤，接收至少一个状态索引；比较步骤，确定所接收的所述至少一个状态索引中的最大值，并将所接收的所述至少一个状态索引中的最大值与保持的延迟索引进行比较；调整步骤，用于在所接收的所述至少一个状态索引中的最大值大于所保持的延迟索引时，改变所述无线电帧的帧长度，并增加所保持的延迟索引；发送步骤，将指示所述无线电帧的改变后的帧长度的信息以及所述延迟索引发送给所述第二无线通信装置。

另外，根据本发明的实施方式，所述第一帧长度满足以下的条件：在一个帧长度中，可以允许所有节点成功传输一次数据，并且帧中数据发送时段的时长与该帧长度的比应大于等于预定的值。

参照后文的说明和附图，本发明的这些和进一步的方面和特征将变得更加清楚。在所述的说明和附图中，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

图1示出了可以应用本发明各实施方式的一种无线通信网络的示意图。

图2示出了在依据本发明实施方式的无线通信网络中，各子节点与中心节点通信时采用的帧结构的示意图。

图3示出了依据本发明一种实施方式的子节点的示意性方框图。

图4示出了依据本发明一种实施方式的中心节点的示意性方框图。

图5示出了依据本发明的另一实施方式的中心节点的示意性方框图。

图6示出了依据本发明另一实施方式的子节点的示意性方框图。

图7A到图7E示出了依据本发明的实施方式的帧长度变化的示意图。

图8示出了依据本发明实施方式的子节点中采用的通信方法的示意性流程图。

图9示出了依据本发明实施方式的中心节点中采用的通信方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明。

图1示出了可以应用本发明各实施方式的一种无线通信网络的示意图。如图1所示，可以应用本发明各实施方式的无线通信系统包括一个中心节点(节点0)以及多个子节点(子节点1-8)。应该注意的是，虽然在图中仅示出了一个中心节点和8个子节点，但这只是示例性的，可以有更多的中心节点，也可以有更多或更少的子节点。在本发明实施方式的场景中，中心节点具有大的处理能力和良好的电力供应，而子节点具有有限的处理能力和较差的电力供应。

图2示出了在依据本发明实施方式的无线通信网络中，各子节点与中心节点通信时的帧结构示意图。

如图2所示，依据本发明实施方式的场景，各子节点与中心节点的通信时间(帧长度)被分为信令接收时段、竞争访问时段、数据发送时段和休眠时段。信令接收时段用于接收来自中心节点的指令帧，该指令帧中可包括指定帧长度的指令(帧长度又可称为指令帧发送时间间隔或信令发送间隔)。例如，在根据IEEE 802.15.4协议的无线通信网络中，该信令接收时段即接收信标帧的时段，因而在这种情况下，该信令接收时段也可称为信标接收时段。数据发送时段用于由子节点分配资源和发送数据。虽然在根据IEEE 802.15.4协议的无线通信网络中，此处的数据发送时段和竞争访问时段被统称为竞争访问时段CAP，但为了说明的方便，在本发明的实施方式中，将它们分开描述。休眠时段是该子节点不进行工作的时段。可以将信令接收时段、竞争访问时段和数据发送时段统称为工作时段。

图3示出了依据本发明一种实施方式的子节点的示意性方框图。如图3所示，依据本发明一种实施方式的子节点包括退避次数获取单元301、比较单元302、存储单元303、减法器304、竞争访问调整单元305、发送单元306以及接收单元307、状态索引调整单元308。此外，还包括本领域技术人员所知的其它单元(如电池单元309、竞争访问单元(未示出)等)。

图4示出了依据本发明一种实施方式的中心节点的示意性方框图。如图4所示，依据本发明一种实施方式的中心节点包括：比较单元401、存储单元402、信令间隔调整单元403、发送单元404、接收单元405、以及对这些单元进行供电的电池单元406等。

下面结合图3和图4对各单元的操作和功能进行介绍。

首先，退避次数获取单元301确定该子节点(例如该子节点的进行竞争访问的单元，未示出)在依据第一帧长度工作时，进行竞争访问时所遭受的退避次数。应该注意，虽然在图中将退避次数获取单元301示出为与发送单元和接收单元相独立的模块，但应该明白，退避次数获取单元也可以是发送单元的一部份，也可以是接收单元的一部分。另选地，退避次数获取单元可以一部分位于接收单元中，另一部分位于发送单元中。

中心节点可以根据如下的两个准则确定最初的帧长度。

(1)在一个帧长度中，可以允许所有节点成功传输一次数据。即考虑最坏情况，所有节点同时竞争信道资源的情况下，所有节点都可通过竞争取得一次成功传输数据的机会。

例如在根据IEEE 802.15.4协议的无线通信网络中，如果设定L_i为设备i的数据包大小，则超帧级数SO的取值应使得下面的不等式成立： ${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{L}_i\≤\mathrm{aBaseSuperframeDuration}\×2^{\mathrm{SO}}\mathrm{symbols}\×250\×{10}^3,$ 250×10³为IEEE802.15.4规定的通信速率，n是子节点的个数。

(2)数据发送时段与该帧长度的比(吞吐量)或工作时段与该帧长度的比(占空比)应大于等于预定的值。例如，在根据IEEE 802.15.4协议的无线通信网络中，如果设定T_min为吞吐量要求，则DC的取值应使得下面的不等式成立：T_min≤DC×250×10³，250×10³为IEEE 802.15.4规定的通信速率。

然后，比较单元302将退避次数获取单元301所获得退避次数与冲突控制阈值相比较，并将比较结果发送给状态索引调整单元308。如果退避次数获取单元301所获得的退避次数大于冲突控制阈值，则状态索引调整单元308增加从存储单元303中读取的MAC层状态索引(也称状态索引，在本实施方式中，其初始值例如为0)，例如加1，并保存在存储单元303中，同时，状态索引调整单元308将加1后的MAC层状态索引(SIMAC)传送给发送单元306，由发送单元306发送给中央节点。如果退避次数不大于冲突控制阈值，则从存储单元中读取MAC层状态索引，不做处理地传送给发送单元，由发送单元发送给中央节点。

在根据IEEE 802.15.4协议的无线通信网络中，该MAC层状态索引通过待发数据帧中设定的帧信息字段(取帧控制域中预留的三位，第7-9位)传送。

在其它通信系统中，可以利用各自的待发数据帧的帧头中的相应预留位来传送该MAC层状态索引。

另外，该MAC层状态索引也可以作为数据，在帧的有效负荷部分中传送。

中心节点的接收单元405接收到来自各子节点的MAC层状态索引后，将所接收的各子节点的MAC层状态索引传送给比较单元401，比较单元401确定这些MAC层状态索引的最大值(称为接收的最大值)，将该接收的最大值与存储单元402中存储的活跃期延时时间索引(DIAT，也称为延迟索引，初始值例如为0)相比较，将比较结果发送给信令间隔调整单元(帧长度调整单元)403。如果接收的MAC层状态索引的最大值大于存储的活跃期延时时间索引，则信令间隔调整单元403更新该活跃期延时时间索引，确定新的帧长度，并将关于该新的帧长度的信息和更新后的活跃期延时时间索引传送给发送单元404，由发送单元404发送给各子节点。发送单元404将该关于该新的帧长度的信息和更新后的该活跃期延时时间索引发送给各子节点后，按照新的帧长度(指令帧发送时间间隔)发送指令帧。如果接收的MAC层状态索引的最大值不大于存储的活跃期延时时间索引，则信令间隔调整单元403将关于原来的帧长度的信息和存储的活跃期延时时间索引发送给发送单元。在另选的方案中，如果该接收的最大值不大于存储的活跃期延时时间索引，则信令间隔调整单元403不进行任何工作。

在根据IEEE 802.15.4协议的无线通信网络中，该活跃期延时时间索引通过信标帧中帧控制域(第7-9位)广播发送给各子节点。

例如，在根据IEEE 802.15.4协议的无线通信网络中，中心节点可以将信标帧级数BO减1后发送给子节点，以通知帧(超帧)长度的调整情况。在这种情况下，信标帧级数BO即关于新的帧长度的信息或关于原来的帧长度的信息。在BO减少1的情况是将超帧长度减少了一半的情况。

回到图3，子节点的接收单元307收到中心节点发送来的活跃期延时时间索引之后，将该接收到的活跃期延时时间索引传送给减法器304，另一方面，所述接收单元307将所接收到的指示帧长度的信息发送给竞争访问调整单元305。减法器304将该接收到的活跃期延时时间索引与存储单元303中保存的MAC层状态索引相减，并将相减结果通知竞争访问调整单元305。竞争访问调整单元305根据该相减结果确定指令帧接收定时，根据所接收的指示帧长度的信息确定新的帧长度(第二帧长度)，并将该指令帧接收定时和帧长度指示给退避次数获取单元301，退避次数获取单元301获得该子节点(竞争访问单元)根据第二帧长度进行竞争访问时所遭受的退避次数。如此反复。

例如，在根据IEEE 802.15.4协议的无线通信网络中，各子节点根据其自身发送的MAC层状态索引(SIMAC)和接收到活跃期延时时间索引(DIAT)计算作为指令帧接收定时的活跃期延时时间(DAT)，DAT的计算公式为：

${\mathrm{DAT}}_i=2^{\mathrm{DIAT}}-2^{\mathrm{DIAT}-{\mathrm{SIMAC}}_i}$

上式中，DAT_i表示节点i的活跃期延时时间，该延时时间用接收到相同帧间隔的信标帧的个数表示。即通过计信标帧的个数来确定延时时间。

比如说DIAT＝(001)₂，2^DIAT＝2¹＝2，SIMAC＝(001)₂，2^SIMAC＝2¹＝2，2^DIAT-SIMAC＝2^2-2＝1，DAT＝2^DIAT-2^DIAT-SIMAC＝2-1＝1。1就是这个个数。

比如说DIAT＝(010)₂，2^DIAT＝2²＝4，SIMAC＝(001)₂，2^SIMAC＝2¹＝2，2^DIAT-SIMAC＝2²-2＝2，DAT＝2^DIAT-2^DIAT-SIMAC＝4-2＝2。2就是这个个数。

个数从第一次收到使用新的帧间隔的超帧的信标帧开始计数。但要注意，计数是从0开始计起的。

上式中的DAT可以称为帧定时。

图5示出了依据本发明的另一实施方式的中心节点的示意性方框图。如图5所示，依据本发明另一实施方式的中心节点相对于图4所示的中心节点增加了计时单元407。信令间隔调整单元403根据比较单元401的比较结果，当发现接收的MAC层状态索引的最大值大于存储的活跃期延时时间索引时，复位计时单元407，使其从0重新开始计时。同时，信令间隔调整单元403降低帧长度(例如，在根据IEEE 802.15.4协议的无线通信网络中，使BO＝BO-1)。另一方面，信令间隔调整单元403根据比较单元的比较结果，当发现接收的MAC层状态索引的最大值不大于存储的活跃期延时时间索引时，判断计时单元407的计数值是否大于预定值，如果大于预定值，则复位计时单元407并延长帧长度(例如，在根据IEEE 802.15.4协议的无线通信网络中，使BO＝BO+1)。其它单元的操作与前面的实施方式相同，在此不予赘述。

另外，虽然以上的描述中，以固定的步长逐渐减少或增加存储单元中存储的最大值，但根据实际应用，也可以直接将该存储的活跃期延时时间索引调整为所接收的MAC层状态索引的最大值。

图5所示的中心节点可以和图3所示的子节点协同工作。

图6示出了依据本发明另一实施方式的子节点的示意性方框图。如图6所示，与图3所示的子节点相比，增加了计时单元310。

比较单元302将退避次数获取单元301所获得的退避次数与冲突控制阈值相比较，将比较结果发送给状态索引调整单元308。如果退避次数获取单元301所获得的退避次数大于冲突控制阈值，则状态索引调整单元308增加从存储单元303中读取的MAC层状态索引(例如加1)，并保存在存储单元303中，同时，状态索引调整单元308将加1后的MAC层状态索引传送给发送单元306，由发送单元306发送给中央节点。与此同时，状态索引调整单元308还将计时单元310复位，使其从0重新开始计时。另一方面，如果退避次数获取单元301所获得的退避次数不大于冲突控制阈值，则状态索引调整单元308从存储单元中读取MAC层状态索引，同时检查计时单元310的计数值是否大于预定值，如果大于预定值，则减少MAC层状态索引(例如减1)，存入存储单元，复位计时单元310，并将减1后的MAC层状态索引传送给发送单元306，由发送单元306发送给中央节点。

图6所示的子节点可以和图4和图5的中心节点相配合地使用。

图7A到图7E示出了依据本发明的实施方式的帧长度变化的示意图。

下面结合图7A到图7E，针对根据IEEE 802.15.4协议的无线通信网络，对本发明的实施方式的优点进行简要的介绍。

如图7A所示，首先，在周期(1)，中心节点根据系统吞吐量要求和各节点数据包大小，设定最坏情况(即所有节点同时发送数据)的情况下的初始的超帧长度。然后，各子节点根据该初始的超帧长度进行工作。这种情况对应于现有技术的方法。从图中可以看出，作为整体，这些节点用于竞争访问的时间很长，浪费电力。

然后，如图7B所示，在周期(2)、(3)，假定中心节点根据各子节点的数据帧中帧控制域(第7-9位)中的反馈信息，发现部分子节点冲突次数超过预设门限值上限，则取延时时间索引值DIAT等于所传送来的MAC层状态索引的最大值。确定BO值，并将该BO和延时时间索引值例如通过信标帧中帧控制域(第7-9位)广播发送给各子节点。因此如图中所示出的第二个周期、第三个周期的占空比基本不变，但各节点数据包发送的时间依据信标帧进行区分，系统吞吐量基本没变(一般情况下会稍大一些)，但数据发送冲突较多的节点在其它节点数据发送的时间区间内可以进行休眠，并进而降低信道侦听的时间和减少数据发送退避的次数，从而可以达到节能的效果。

在无线传感器网络中采用CSMA/CA方式来使用共享的无线信道，多节点发送时产生的检测、退避和数据重传消耗节点较多的能量。如图所示，根据本发明的实施方式，可以减少冲突访问所带来的能量消耗。

如图7C所示，在周期(4)、(5)、(6)、(7)，超帧在进行了上述调节后，若仍有数据发送的退避数量超过门限值，则取活跃期延时时间索引值DIAT等于所传送来的MAC层状态索引的最大值。进一步缩短超帧长度，从而进一步降低每个周期内信道侦听的时间和减少数据发送退避的次数。

如图7D所示，在周期(8)、(9)，超帧在进行了上述调节后，若在一定时间内数据发送的退避数量都未超过门限值，则确定新的超帧长度，并广播发送给各子节点；

如图7E所示，在周期(10)，超帧在进行了上述调节后，若数据发送退避的数量不超过门限值的时间超过规定时间区，则再次确定新的超帧长度，并广播发送给各子节点。

应该注意，虽然图7中，周期10和周期8-9中示出的竞争期比周期4-7中的多，但这是在假定系统中总数据量一定的情况下画出的，实际上相当长的时间内未发生超过冲突阈值的冲突可以表明系统内的数据量在减少，因而恢复出较长的超帧更可能更加节能。

图8示出了依据本发明实施方式的子节点中采用的通信方法的流程图。图9示出了依据本发明实施方式的中心节点中采用的通信方法的流程图。

如图8所示，首先在步骤801，获取该子节点(或其竞争访问单元)按照第一帧长度进行竞争访问所遭受的退避次数。然后在步骤802，比较单元302将退避次数与预定阈值(冲突控制阈值)进行比较，状态索引调整单元308根据比较结果，判断该退避次数是否大于预定阈值。如果大于预定阈值，则状态索引调整单元308在步骤803重置计时器，并在步骤804增加存储单元中存储的MAC层状态索引。随后，在步骤805，发送单元306将调整后的MAC层状态索引发送给中心节点。

另一方面，如果在步骤802判断出退避次数不大于预定阈值，则在步骤806，状态索引调整单元308判断计时器的计时是否大于阈值，如果大于阈值，则在步骤807，重置计时器，并在步骤808降低存储单元中存储的MAC层状态索引，然后在步骤805，由发送单元发送调整后的MAC层状态索引。如果在步骤806中，状态索引调整单元308判断出计时器的计时不大于阈值，则发送单元直接发送未经改变的MAC层状态索引(步骤805)。

另一方面，当接收到来自中心节点的活跃期延时时间索引和指示第二帧长度的信息(例如BO)时(步骤809)，竞争访问调整单元305确定帧定时和帧长度(步骤810)，并设定帧定时和帧长度，指示退避次数获取单元按照新的帧定时和帧长度进行操作(步骤811)，即对该子节点(竞争访问模块)按照新的帧长度进行竞争访问所遭受的退避次数进行计数。

如图9所示，在中心节点中，首先，在步骤901，接收来自至少一个子节点的MAC层状态索引，然后，在步骤902，利用比较单元，确定所接收的这些MAC层状态索引中的最大值。然后在步骤903，判断所接收的MAC层状态索引中的最大值是否大于存储单元中所存储的活跃期延时时间索引(该活跃期延时时间索引最初设置为0)。如果大于该最大值，则在步骤904，重置计时器，并在步骤905，调整帧长度，并增加存储单元中存储的活跃期延时时间索引(例如将该活跃期延时时间索引改为所接收的MAC层状态索引中的最大值)。然后在步骤906，发送单元发送指示新的帧长度的信息和所接收的活跃期延时时间索引中的最大值。

另一方面，如果所接收的MAC层状态索引中的最大值不大于存储单元中存储的延迟索引的最大值(步骤903，否)，则在步骤907判断计时单元的计时是否大于预定值，如果大于预定值(步骤907，是)，则重置计时器(步骤908)，并在步骤909，增加帧长度，减少存储单元中存储的活跃期延时时间索引(例如将该活跃期延时时间索引改为所接收的MAC层状态索引中的最大值，或减去固定值)。

如果计时器的计时不大于阈值(步骤907，否)，则直接在步骤906发送所接收的延迟索引中的最大值和指示帧长度的信息。

以上对方法的说明只是示例性的，本领域技术人员应该意识到，能够基于前面所述的内容和具体的应用要求进行各种变型。例如省去与计时器相关的各步骤(例如步骤904、907-909)。

本发明的实施方式考虑了网络的功率消耗和吞吐量两者之间的相互矛盾，提出了一种有效的无线通信网络(尤其是无线传感器网络)帧(超帧)自适应调节的方法。采用该方法，可以在保证网络吞吐量的条件下，使得网络中心控制节点(例如网络协调器)能够独立地根据从各子节点收到的数据帧中的发送退避信息并利用指令帧(如信标帧)对信标间隔周期和各节点占空比同时进行自适应地调节。从而在各普通设备(子节点)数据流量较大的情况下，通过缩短通信帧的长度(例如等分超帧来缩短网络的信标间隔周期)，并为各节点设定活跃期延时时间而降低了同一时间竞争信道资源的节点数量，延长了设备休眠时间进而降低设备功率消耗。另一方面，在普通设备(子节点)数据发送产生碰撞和数据重传次数较少的情况下，本发明通过增加帧长度(例如通过融合超帧，即延长网络的信标间隔周期)，减少了子节点用于信令帧(信标帧)接收的功率消耗。

根据本发明的实施方式，由于可以进行合理的超帧配置，所以可以降低多节点发送产生碰撞和数据重传的概率，减少节点参与信道资源竞争的时间，增加节点的休眠时间以更有效节省能量。

本发明的实施方式通过引入最坏情况下的网络吞吐量保证了网络吞吐量要求。另外，本发明的实施方式采用子节点发送各自的延迟索引，中心节点向所有节点发送所接收的延迟索引的最大值，使得中心节点可以通过多播的方式通知各子节点自身的帧定时，简化了中心节点向各边缘节点通知帧定时的处理，避免了单播发送，节省了能量。

本发明实施方式的帧长度自适应调节能够平衡网络系统的能量消耗和吞吐量性能。

本发明以上的装置和方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文所述的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文所述的各种方法或步骤。本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash等。

以上结合具体的实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本发明保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本发明的精神和原理对本发明做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种无线通信装置，该无线通信装置利用无线电帧与另一无线通信装置进行通信，其特征在于，所述无线通信装置包括：

退避次数获取单元，用于获得所述无线通信装置按照第一帧长度的所述无线电帧与所述另一无线通信装置通信时进行竞争访问所遭受的退避次数；

比较单元，用于将所述退避次数获取单元所获取的退避次数与冲突控制阈值进行比较；

存储单元，用于存储状态索引；

状态索引调整单元，当所述比较单元确定所述退避次数获取单元所获取的退避次数大于所述冲突控制阈值时，所述状态索引调整单元增加所述存储单元中存储的所述状态索引；

发送单元，向所述另一无线通信装置发送增加后的所述状态索引；

接收单元，所述接收单元接收指示第二帧长度的信息和延迟索引；

减法器，用于将所述接收单元所接收的延迟索引与所述存储单元中存储的所述状态索引相减；以及

竞争访问调整单元，用于根据所述减法器所进行的相减的结果，确定帧定时，并根据指示第二帧长度的信息确定第二帧长度，并指示所述退避次数获取单元按照所述第二帧长度和所确定的帧定时工作。

2.根据权利要求1所述的无线通信装置，其特征在于，该无线通信装置还包括计时单元，所述计时单元对所述状态索引调整单元调整了所述状态索引后经过的时间进行计时；

其中，当所述比较单元确定所述退避次数获取单元所获取的退避次数不大于所述冲突控制阈值，并且所述计时单元的计时大于预定阈值时，所述状态索引调整单元降低所述存储单元中存储的所述状态索引。

3.根据权利要求1所述的无线通信装置，其特征在于，所述无线通信装置根据IEEE 802.15.4协议进行操作。

4.根据权利要求3所述的无线通信装置，其特征在于，所述发送单元在待发数据帧的帧头中的预留字段中发送所述状态索引。

5.根据权利要求3所述的无线通信装置，其特征在于，所述指示第二帧长度的信息为信标级数。

6.一种无线通信装置，所述无线通信装置利用无线电帧与另一无线通信装置进行通信，其特征在于，所述无线通信装置包括：

接收单元，接收至少一个状态索引；

存储单元，用于保存延迟索引；

比较单元，用于确定所述接收单元所接收的所述至少一个状态索引中的最大值，并将所述接收单元所接收的所述至少一个状态索引中的最大值与所述存储单元中保持的延迟索引进行比较；

帧长度调整单元，用于在所述接收单元所接收的所述至少一个状态索引中的最大值大于所述存储单元中保持的延迟索引时，改变所述无线电帧的帧长度，并增加所述存储单元中保持的延迟索引；

发送单元，将指示所述无线电帧的改变后的帧长度的信息以及所述延迟索引发送给所述另一无线通信装置。

7.根据权利要求6所述的无线通信装置，其特征在于，所述无线通信装置还包括计时单元，所述计时单元计时所述帧长度调整单元更新了所述存储单元中保持的延迟索引之后经过的时间，当所述接收单元所接收的所述至少一个状态索引中的最大值不大于所述存储单元中保持的延迟索引，并且所述计时单元的计时大于预定阈值时，所述帧长度调整单元降低所述存储单元中保持的延迟索引。

8.依据权利要求6或7所述的无线通信装置，其特征在于，所述无线通信装置根据IEEE 802.15.4协议进行操作，所述发送单元利用信标帧中的预留位发送所述延迟索引。

9.一种无线通信方法，第一无线通信装置使用该无线通信方法利用无线电帧与第二无线通信装置进行通信，其特征在于，所述无线通信方法包括以下步骤：

退避次数获取步骤，用于获得所述第一无线通信装置与所述第二无线通信装置通信时进行竞争访问时所遭受的退避次数；

比较步骤，用于将所述退避次数与冲突控制阈值进行比较；

延迟索引调整步骤，当所述退避次数大于所述冲突控制阈值时，增加存储单元中存储的状态索引；

发送步骤，向所述第二无线通信装置发送增加后的状态索引；

接收步骤，接收指示帧长度的信息和延迟索引；

减法步骤，用于将所接收的延迟索引与所述存储单元中存储的所述状态索引相减；以及

竞争访问调整步骤，用于根据相减的结果，确定帧定时，并根据指示帧长度的信息确定帧长度，将所述第一无线通信装置与所述第二无线通信装置进行通信时所采用的帧长度改变为所确定出的帧长度。

10.一种无线通信方法，第一无线通信装置使用该无线通信方法利用无线电帧与第二无线通信装置进行通信，其特征在于，所述无线通信方法包括以下步骤：

接收步骤，接收至少一个状态索引；

比较步骤，确定所接收的所述至少一个状态索引中的最大值，并将所接收的所述至少一个状态索引中的最大值与保持的延迟索引进行比较；

调整步骤，用于在所接收的所述至少一个状态索引中的最大值大于所保持的延迟索引时，改变所述无线电帧的帧长度，并增加所保持的延迟索引；

发送步骤，将指示所述无线电帧的改变后的帧长度的信息以及所述延迟索引发送给所述第二无线通信装置。

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