CN101978760A - 在包括协调器节点和一组叶节点的网络中进行通信的方法 - Google Patents

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CN101978760A CN2009801093195A CN200980109319A CN101978760A CN 101978760 A CN101978760 A CN 101978760A CN 2009801093195 A CN2009801093195 A CN 2009801093195A CN 200980109319 A CN200980109319 A CN 200980109319A CN 101978760 A CN101978760 A CN 101978760A
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Abstract

一种在包括协调器节点和一组叶节点的网络中进行通信的方法，该方法从协调器节点向该一组叶节点周期性地发送限定超帧的信标，其中所述超帧包括活动时段和休眠时段，并且其中，活动时段包括第一竞争访问时段、第一免竞争时段、第一组确认、第二免竞争时段、第二组确认、以及第二竞争访问时段，并且其中，各个免竞争时段都包括分配给各叶节点的保护时隙。接着，各叶节点仅在各免竞争时段中分配给叶节点的保护时隙中向协调器节点进行发送。

Description

在包括协调器节点和一组叶节点的网络中进行通信的方法
技术领域
本发明总体上涉及无线通信，更具体地，涉及低功率收发器的ad-hoc网络中的信道访问和传输调度。
背景技术
介质访问控制(MAC)试图避免无线通信网络中的冲突。通常，MAC指定、安排并且管理多个无线设备或节点的并发传输。
已知多种MAC，包括载波侦听多址访问(CSMA：carrier sense multipleaccesses)、时分多址(TDMA：time division multiple access)、码分多址(CDMA：code division multiple access)以及跳频(FH：frequencyhopping)。混合MAC使用CSMA、TDMA和FH的组合。
IEEE 802.15.4标准规定了这样的网络的下层。该标准规定了低速率无线个域网(LR-WPAN)的物理层和介质访问控制。该标准是ZigBee、蓝牙(Bluetooth)、无线HART以及MiWi规范的基础。该网络可以包括簇-树网络拓扑中的主协调器和从属的叶节点。
该标准定义了两种类型的网络节点。全功能设备(FFD)充当个域网的协调器节点，而简化功能设备(RFD)或者叶节点具有非常适度的资源和通信要求。
图1示出根据IEEE 802.15.4标准的超帧160。横轴105表示时间。网络中的各个协调器都周期性发送信标100。信标用于进行同步和资源分配。两个连续的信标之间的间隔是信标间隔120或者周期时间。
超帧包括使用CSMA的竞争访问时段(CAP)150和其后使用TDMA的免竞争时段(CFP)。CFP 140包括保护时隙(GTS：guaranteed time slot)145。将各个时隙145分配给需要对信道进行免竞争访问的网络设备(节点)，以将该设备的传输与其它传输发生冲突的可能性减少到最小。通常，CFP用于必须及时到达的较重要的业务。
CAP 150和CFP 140形成了超帧160的活动时段110，随后是长得多的休眠时段130。其它协调器可以使用此休眠时段，同时本超帧的协调器节点空闲并且针对其它协调器的传输而对信道进行监听。子协调器11可以在其父协调器10的超帧160的休眠时段130中启动该子协调器的超帧170。叶节点仅在其父协调器10的超帧160的活动时段110中与其父协调器进行通信。休眠时段可以是几秒钟。
以上设计存在若干个问题。
首先，活动时段从CAP开始。与CFP时段相比，在CAP中更可能出现传输冲突。如果一个节点的传输与另一个节点的传输冲突，则需要进行重传。在此情况下，在CAP 150中，该节点继续与其它节点就信道访问进行竞争以进行重传。如果重传在CAP中继续失败，则该节点必须一直等待下一个超帧以完成传输。这增加了网络的等待时间，往往将业务在时间上压后。
其次，CFP中的传输失败也是可能的(例如，由于快速衰落、衰减、多径失真以及频率失配)。在这些情况下，重传将必须等待下一个超帧中的CAP，这增加了更重要的按需(on-demand)业务的等待时间。可以将当前超帧中的GTS重新分配给失败的消息，然而，这将降低优先业务的吞吐量。
第三，基于每个GTS来处理对成功传输的确认(或者不确认)。也就是说，在接收到每个GTS后，接收机必须切换到发送模式以发送ACK，而发送机必须切换到接收模式以接收该ACK，接着再次切换回发送模式以用于下一个GTS。进行模式切换花费时间，消耗稀缺的功率资源，增加了等待时间，并且降低了吞吐量。
第四，信标中的信息具有时效性。这意味着随着时间的推移，在超帧起始时进行的资源分配可能变得不好。这对频率分配而言尤其真实。因而，重要但稍晚的CFP业务的信息的可靠性比稍早的CAP中的非主要但稍早的业务的可靠性低。
第五，信标的周期性相对较低(例如，每两秒一个信标)。这影响了节点进行同步和分配资源的能力。如果节点错过了一个信标，则该节点必须为下一个信标等待相当长的时间。
第六，活动时段中的频率分配是固定的。已知无线通信对于频率敏感。因此不太希望固定的频率分配。
第七，当前的标准没有规定子协调器在休眠时段中何时开始它们的超帧。休眠时段实质上使用基于竞争的访问。这增加了子节点的超帧之间发生冲突的可能性，并且降低了网络的整体性能。
图2示出了另一种混合信道访问方法的帧结构，其中在信标200之间具有信标间隔220。沿着时间线205，超帧260包括CFP-A 270，随后是CAP 250，接着是CFP-B 240以及休眠时段230。竞争访问时段是跳频时段。与图1中的结构一样，CFP-A和CFP-B包括保护时隙275。TDMA时隙被分配给具有重复带宽要求的业务、和周期性的协调器信标。CAP250可以用于重传、未经调度的告警、以及对TDMA带宽的请求。CFP-B240包括ad-hoc TDMA时隙245。这些时隙245可用于未经调度的带宽、和高优先级的按需且低等待时间的突发模式(burst mode)业务。对超帧260进行集中调度。超帧260内的TDMA时隙分配由协调器管理，协调器控制该超帧。此结构仅仅部分地解决了与CFP-A的重传相关联的问题。然而，其它所有问题仍然存在。
图3沿着时间线305示出了时间同步网状协议(TSMP：timesynchronized mesh protocol)的帧结构。TSMP是基于分组的协议，其中，每次传输都包含单个分组，并且在接收到分组后立即发送确认。所有使用TSMP的节点对节点的通信都在特定的时隙320中处理。
时隙320的序列包括帧300。帧长度330以时隙为单位计算，并且是可配置的参数。TSMP节点能够针对不同的任务同时参与多个帧。TSMP不使用信标。针对各个时隙，使用跳频来降低干扰。跳变顺序和时隙分配被集中管理。
此结构解决了与图1和图2的结构相关的重传的等待时间长的问题。然而，此结构需要中央化的网络管理。这意味着协调器节点处的局部故障能够导致整个网络被关闭。并且，故障恢复需要花费很长时间。
发明内容
一种访问多节点的无线网络中的信道的方法和系统。协调器周期性发送信标，其中，两个连续信标之间的时间构成信标间隔。
协调器和叶节点在信标间隔期间收发超帧，其中，超帧从活动时段开始，随后紧跟着休眠时段，并且其中，活动时段从免竞争时段(CFP)开始，随后紧跟着竞争访问时段(CAP)，其后紧接着的是休眠时段。
附图说明
图1到图3是现有技术的超帧的框图；
图4A是本发明实施方式所使用的网络拓扑的框图；
图4B是根据本发明实施方式的超帧结构的框图；
图5是图4B的超帧的休眠时段的时隙划分的框图；
图6是根据本发明实施方式的子超帧和父超帧的相对定时的框图；
图7是根据本发明实施方式的信标的结构的框图；
图8是根据本发明实施方式的第一组确认(GACK-1)的结构的框图；
图9是根据本发明实施方式的第二组确认(GACK-2)的框图；
图10是根据本发明实施方式的协调器和叶节点之间的消息交换的时序图；以及
图11到12是根据本发明实施方式的具有扩展的免竞争时段的超帧的框图。
具体实施方式
如图4A所示，本发明的实施方式使用的网络可以是节点(收发机设备)101构成的簇-树，其具有单个个域网(PAN)协调器102、父簇协调器103、子协调器104以及叶节点105。
帧结构
图4B沿着时间线405示出了根据本发明实施方式的超帧470的结构。根据本发明实施方式的超帧降低了功率，提高了可靠性，并且支持低等待时间的应用。还说明了混合MAC方法。
在信标间隔425期间，由信标400对超帧进行同步。各个协调器节点周期性地发送信标。该超帧具有活动间隔415和休眠间隔430。在一个实施方式中，以相同的信道频率发送全部信标。在另一个实施方式中，信标使用跳频(FH)。
应当注意，图中没有按比例表示时间。休眠时段(以秒计)的持续时间远远长于活动时段(以毫秒计)。
MAC超帧470包括(第一)CFP-A 435中的受到保护的时分多址(TDMA)时隙(GTS)445、(第二)CFP-B 455中用于重传的经过调度的TDMA时隙450、用于等待时间容许传输的码分多址(CDMA)时段(CAP)460。
针对延迟敏感的业务的传输而分配CFP内部的各GTS。协调器节点可以向节点分配超过一个GTS。该分配还指示GTS期间的业务的方向，即，该节点是进行发送还是接收。因此，节点在活动间隔期间进行收发。
应当注意，频率(子载波)可以单独地分配给GTS和CAP，使得在整个活动间隔中出现跳频。
与现有技术的帧结构相比，根据本实施方式的超帧将整个免竞争时段设置在超帧的开始处，随后是竞争访问时段。这样减轻了第一个、第二个和第四个问题。
针对第一CFP-A中的传输，在CFP的结束处发送了(第一)组确认消息(GACK)401。GACK可以包括用于指示传输失败的告警消息。这解决了第三个问题。常规CFP中的每次传输都被单独地确认。由于本发明将所有确认作为一组而同时进行发送，因此节点不需要在发送模式和接收模式之间进行切换，这降低了功率消耗和等待时间。
尤其在快速衰落信道中，GACK还可以为后续的重传充当辅助信标，改善了同步和频率分配。这解决了第四个、第五个以及第六个问题。
如果CFP-A中的数据传输失败，则可能以不同的频率在第二CFP-B中重传该数据。由GACK指示该不同的频率，以实现频率分集的增加。频率分集提高了成功重传的概率。已知衰落、衰减、冲突以及多径失真在无线信道中是高度频率敏感的。因此，频率分集的任何提高都是有利的。并且，由于GACK中的频率分配是最近做出的，因此与在超帧开始时在信标中进行的分配相比，GACK中的频率分配可能更加准确。
如果在CFP-B中重传再次失败，则在CAP中进行另一次尝试。第二GACK-2402指示将要在CAP中使用的频率。第二GACK还可以用于同步和更新频率分配。因而，根据本发明实施方式的两个GACK显著提高了网络的整体性能，并且解决了与常规的帧相关的多个问题。
如果CFP-A中的所有传输都成功，则不需要重传，且CAP具有时段465。
MAC方法
根据本发明实施方式的MAC方法使低等待时间的业务优先。必要时，此业务可以立即在超帧中具有两次重传机会。图4B所示的超帧的结构使这变得可能。如果高优先级的业务不要求重传，则可以将可用的频带分配给CSMA传输。如果节点错过了信标400，则该节点可以利用GACK或者GACK-2来恢复信道信息并同步定时。
如上所述，协调器节点在CFP-A的尾部发送第一GACK-1，在CFP-B的尾部发送第二GACK-2。GACK在CFP中利用位图(bit map)来确认成功的接收(和失败)。针对CFP中的各个GTS，在GACK中分配一个比特。例如，如果CFP中有七个GTS，则GACK包括七比特位图。图中的每个比特表示在相应的GTS内消息接收成功还是失败。协调器对GTS分配和取消分配进行管理。因此，协调器预先知道GTS时隙和GACK的结构。如果GTS传输失败，则传输源可以检查该位图的对应比特。
如图5所示，根据本发明实施方式的超帧470的休眠间隔430被划分为休眠时隙565。这样的时隙的数量是网络规定参数。每个休眠时隙都包括主间隔545和保护间隔555。子协调器在其父协调器的超帧的休眠间隔的可用休眠时隙565的主间隔中开始发送它的超帧。这使得休眠时隙不能被其它子协调器所使用。因此，根据本发明实施方式，子节点以免竞争的方式有效地启动超帧。这解决了第七个问题。可以以任意顺序用完可用的主间隔。
图6示出了M个休眠时隙564。如图6所示，主间隔和保护间隔的合起来的持续时间比超帧470的活动时段415长，以防止父超帧470的活动时段415和子协调器的超帧的活动时段615之间的潜在交迭。
图7示出了父协调器700和两个叶节点701和702之间的传输。叶节点701和702在父超帧的CFP 435内向父协调器700发送数据(分组)710和720。
GACK 401用来对这两次传输710和720进行确认。如果GACK中的告警消息指出数据传输710或720中的任一次传输失败，则在CFP-B455中执行重传。
信标
根据本发明实施方式的信标400包括如下字段：帧控制705；序号715，其唯一地标识各个信标400；源ID 725，其标识信标400的源节点(例如，父协调器700的ID)；PAN ID 735，其标识信标400的源节点700的网络；信标间隔745，其指示信标间隔425的长度；超帧间隔755，其指示超帧间隔415的长度；CFP-B信道索引765，其指示CFP-B时段的信道索引；CAP信道索引775，其标识CAP的信道索引。
空闲超帧时隙/索引列表785指示或列出了超帧470的休眠时段430内的可用主时隙545。此字段在活动间隔430中实质上实现了免竞争访问。
信标还包括：扩展列表标记795，其指示GACK中给出了空闲超帧时隙/索引列表的延续；GTS设备列表796，其列出被分配了GTS 445的节点；GTS索引797，其按照与GTS设备列表796相同的顺序列出了各个已得到分配的节点的GTS索引；以及GTS方向798，其指示GTS 445是用于GTS设备列表796中的节点的发送还是接收。
图8示出了GACK 401的字段：源ID 810，其标识GACK的源(例如，父协调器700)；组ACK标记820，其指示在对应的GTS内接收的传输是否成功；CAP信道索引830，其指示用于CAP时段的信道的频率；扩展的空闲超帧时隙索引/列表840，其指示信标中的空闲超帧时隙785的延续；以及CFP-B信道索引850，其指示用于CFP-B 455的信道的频率。
GACK用于如下目的。GACK为CFP中的一组传输提供确认。由于协调器不需要在各个GTS中在发送模式和接收模式之间进行切换，因此GACK降低了功耗。节点利用CFP-B信道索引850指示的频率在CFP-B455内进行重传。这降低了每一跳的等待时间，并减少了干扰。父协调器可以合并来自CFP 435和CFP-B 455的错误传输，并应用混合ARQ方案(例如，chase组合)以对数据进行解码。GACK还可以用于同步。
图9示出GACK-2402的内容。GACK-2包括如下字段：源ID 910，其标识GACK-2的源节点；组ACK标记920，其指示CFP-B 455内用于重传的ACK标记；以及CAP信道索引930，其指示用于CAP时段456的信道的索引。
如图10所示，父协调器700可以在其自己的超帧470的CFP 435和CAP 456期间从叶子节点701和702接收消息。针对在CFP 435期间接收的消息1010和1020，父协调器700发送单个组确认401。针对在其自己的超帧470的CAP 456期间接收的消息1030，父协调器700发送单个确认1040。
如果父协调器700在其超帧470的休眠时段430中从子协调器703接收消息1050，则父协调器发回确认1060。类似地，如果父协调器700在其超帧470的休眠时段430中和在子协调器703的超帧的CAP 456中从子协调器703接收消息1070，则父协调器700发回确认1080。
具有扩展的免竞争访问时段的超帧
如上所述，根据IEEE 802.15.4MAC标准的超帧具有被称为活动时段和休眠时段的两个部分。活动时段又包括(1)信标帧、(2)竞争访问时段(CAP)、以及(3)免竞争时段(CFP)。节点仅在活动时段中与相邻节点进行通信。在休眠时段中，节点限制发送，并且能够切换到休眠(或低功率)模式以节省电池电力并且避免干扰其它节点之间的通信。
通过遵循CSMA/CA协议以访问通信信道，所有相邻节点都被允许与节点(即，超帧的拥有者节点)进行通信。通过向请求节点预先分配特定的时隙(称为保护时隙(GTS))，在CFP中允许免除竞争。仅当GTS被分配给节点时，该节点才在该GTS中进行通信。
存在关于该帧结构的几个问题。GTS时隙的数量受限(最多为七个)。如果GTS传输失败，则只能在下一个超帧中尝试重传。这导致了严重的延迟。因此，该帧结构不能满足如无线传感器网络的工业部署的很多应用中对可靠性和等待时间的严格要求。
为了补救IEEE 802.15.4超帧中的一些问题，描述了一种新的超帧结构，其在当前超帧中为失败的GTS帧提供了多次重传机会。这降低了系统的等待时间并提高了系统的可靠性性能。
然而，如上所述，该结构缺乏被认为对于IEEE标准非常关键的一种重要性质。具体而言，以上的帧结构不能向后兼容其它IEEE标准，具体而言，不能向后兼容IEEE 802.15.4标准。因此，描述了一种向后兼容的新的帧结构。
如图11和图12所示，超帧470包括限定了活动时段415和休眠时段430的信标1101。该活动时段包括第一竞争访问时段(CAP-1)1102、第一免竞争时段(CFP-1)1131、第一组确认(GACK-1)1133、第二免竞争时段(CFP-2)、第二组确认(GACK-2)、以及第二免竞争时段(CAP-2)111105。CFP-1、GACK-1、CFP-2和GACK-2一起形成了综合免竞争时段(CCFP-2)。第二CCFP2是可选的。
各个CFP都包括可变数量个保护时隙(GTS)1135。第一GACK-11133指示CFP-1中的哪个GTS传输失败或者成功。此字段是可选的。第二CFP-21132为CFP-1中的失败帧提供保护时隙以供重传。此字段是可选的。GACK-2 1134指示CFP-2中的哪个GTS传输失败或者成功。此字段也是可选的。为提高可靠性，还可以在CAP-2后包含第三个可选的CFP-31206。
以上描述了解决了向后兼容问题同时提供非常有效和可靠的性能的结构。
常规节点接收信标，并确定CAP和CFP(在本文的结构中为CAP-1和CFP-1)的起始时间点，并按照当前的IEEE 802.15.4标准中的规定使用这两个时段。
考虑到常规节点认为它们的休眠时段在CFP后立即开始(即，当GACK开始的时刻)，因此常规节点忽略了GACK-1、CFP-2、GACK-2、CAP-2以及CCFP-2。而对于与本文所述的结构相容的节点而言，CAP1、CFP1、GACK、CFP2、GACK2、CAP2以及CCFP2都具有实际意义并且被用于提高系统性能。这些节点具有相对短的休眠时段。

Claims (8)

1.一种在包括协调器节点和一组叶节点的网络中进行通信的方法，该方法包括以下步骤：
从所述协调器节点向所述一组叶节点周期性地发送限定超帧的信标，其中，所述超帧包括活动时段和休眠时段，并且其中，所述活动时段包括第一竞争访问时段、第一免竞争时段、第一组确认、第二免竞争时段、第二组确认、以及第二竞争访问时段，并且其中，各个免竞争时段都包括分配给各叶节点的保护时隙；和
各叶节点仅在各个免竞争时段中被分配给该叶节点的保护时隙中向所述协调器节点进行发送。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组确认指示在所述第一免竞争时段中所述保护时隙中的哪次发送失败或者成功，并且所述第二组确认指示在所述第二免竞争时段中所述保护时隙中的哪次发送失败或者成功。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二免竞争时段为失败的发送提供保护时隙。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，当所述第一免竞争时段中存在失败的发送时，所述第二免竞争时段为告警消息提供所述保护时隙。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述活动时段还包括第三免竞争时段和第三组确认。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，信标发送的周期等于超帧间隔的整数倍。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超帧活动间隔包括多个竞争访问时段间隔。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述超帧活动间隔包括多个综合免竞争时段间隔。
CN2009801093195A 2008-03-18 2009-03-18 在包括协调器节点和一组叶节点的网络中进行通信的方法 Pending CN101978760A (zh)

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