CN102104522B - 面向信息--物理融合系统的实时通信优化方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种面向信息--物理融合系统的实时通信优化方法及设备，所述方法包括：读取信标帧，进入CAP阶段；判断超帧的CAP阶段是否结束；判断节点设备缓存区是否有数据等待发送；帧优先级设定；当缓存区无数据需要发送，则转入空闲模式；CAP阶段结束后，进入到超帧的CFP阶段；节点设备将转入带碰撞避免的GTS保障时隙分配；判断数据传输是否成功；节点进入休眠期，等到下一个超帧的到来；节点将向协调器发出警告信息，通知“发送失败”的消息。所述设备包括帧优先级设定模块和碰撞避免分配模块。本发明通过解决碰撞问题，再次提高了GTS机制的表现性能，最终提高了GTS利用率，满足了实时性要求较高的应用。

Description

面向信息--物理融合系统的实时通信优化方法及设备

技术领域

本发明涉及一种信息-物理融合系统中信息获取和实时通信的时隙保障机制相关技术，尤其是针对有实施性要求较高的信息-物理融合系统中的传感器节点通信的时隙保障机制（GTS）时隙性能优化方法和设备。

背景技术

随着国发（2010）32号文件《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》将物联网等新一代信息技术产业列为国家战略性新兴产业，信息-物理融合系统越来越多被应用到社会生产生活中。信息-物理融合系统的应用一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。信息-物理融合系统可以应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域，以及监测和控制家庭的安全系统、照明、空调系统和其他基础设施，甚至在环境监测和保护领域发挥作用。

信息-物理融合系统（Cyber-Physical Systems，简称CPS系统）是一种融合计算、通信与控制的新型复杂嵌入式系统，系统中计算过程和物理过程在开放环境下持续交互、深度融合，一体化地实现开放嵌入式计算、网络化实时通信与远程精确控制等先进功能。信息-物理融合系统中的信息融合方法主要涉及网络信息的获取和传输以及融合方法的建立。信息融合中信息可能具有不同的特征：可能是实时信息，也可能是非实时信息；可能是快变的或瞬变的，也可能是缓变的；可能是模糊的，也可能是确定的；可能是相互支持或互补，也可能互相矛盾或竞争。传感器将各自获得的信息传至融合中心通过一定的融合算法以获得被测对象的一致性解释或描述。信息融合使用的主要方法有概率论、推理网络、模糊理论和神经网络等，近几十年来，随机集理论作为传统概率和集合理论相结合的一个重要的新的数学分支，被认为是一种系统的、完善的多源信息融合方法。具体有关信息融合理论方法的介绍可以参见：潘泉等人于2003年在《自动化学报》上发表的论文“信息融合理论的基本方法与进展”；徐晓滨等人于2008年在《电子学报》上发表的论文“基于随机集理论的多源信息统一表示与建模方法”等论文。为了满足在信息-物理融合系统中网络的通信要求，需要选用合适的通讯协议传输网络中的数据。

IEEE802.15.4标准是由国际电信联盟制定的，适用于短距离，低功耗无线设备之间进行数据传输和通信的协议，它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备(固定、便携或可移动的)之间进行低数据率的传输，传输距离为10米至100米。802.15.4可以用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域；还可以用于家庭自动化、安全和交互式玩具。监测和控制家庭的安全系统、照明、空调系统和其他设施。802.15.4 提供了一个低成本的用于数据采集和传输的网状网络，网络上每个监测点只需在有限的时间内发送几个比特的数据，数据流是异步的，并在数据等待时间上限制极小，这些因素利于电池使用寿命的延长。

IEEE802.15.4协议的MAC子层提供了在物理层（PHY）和网络更高层协议之间的接口。可由协议器节点选择两种工作模式：信标使能、非信标使能模式。信标使能模式中，节点工作在超帧机制（如图1）下，协调器广播信标帧，设备节点既可以在竞争访问时段（CAP），通过载波侦听多点接入/冲突避免（CSMA/CA）机制进行信道竞争，也可以在实时性要求较高的情况下通过非竞争访问时段（CFP）在为设备节点分配好的保障时隙（GTS）内无竞争地使用信道，一个超帧结构中可以包含多个GTS，最大GTS数为7。一个GTS长度也可以包含超过一个的时隙。超帧的结构还包括休眠期（Inactive Period）。非信标使能模式的网络中，不存在以组播形式广播信标帧的节点，但节点仍可向协调器节点发出信标请求的命令，此时协调器节点将以单播的形式向该节点发送信标。信标使能模式的信标组播模式使其被更广泛地应用于无线网络的应用和研究中。

经过对现有技术文献的检索发现，Sheu等人于2005在第61届车载技术会议论文集中发表的《基于IEEE802.15.4无线个域网的自适应IAS机制》中，提出了自适应GTS机制根据设备请求信息的反馈来确定优先级，并且根据优先级给设备分配相应GTS；Ko等人在2007年的无线通信与网络体系会议上发表的《基于GTS机制的新型多信标超帧结构在无线个域网中的应用》中，提出了一种期望GTS机制，研究了用一个多重信标超帧结构来解决带宽问题，同时运用期望GTS算法来解决GTS的分配问题；Song等人在2007年的电子消费产品年会发表的《基于QoS保障实时应用的动态GTS分配算法》一文中提出了一种动态分配GTS机制中，设计了一个动态GTS请求帧，该帧中包含了节点发送消息的周期和消息大小，当协调器节点收到请求帧时，协调器判断是否能处理该请求；刘培等人在2007年的发明专利《一种时隙保障机制时隙分配方法和设备》中提出了一种共享式GTS分配方法和设备，该方法能够实现高效、合理地分配GTS时隙资源，从而达到提高GTS利用率的目的。

现有的IEEE802.15.4协议MAC层机制是将GTS请求命令帧和同时期CAP阶段的数据帧置于完全相同的模式下竞争信道的使用权，在这种情况下，GTS请求命令帧的竞争成功概率及其发送成功概率会随着网络规模的增大而减小。除此之外，当前GTS机制的应用大多时候被置于星形拓扑结构中研究，而在树形拓扑结构的网络应用中，由于其拓扑结构的特殊性，拓扑结构是总线型结构的扩展，它是在总线网上加上分支形成的，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路，也可以把它看成是星型结构的叠加，可能会产生星形拓扑结构中所不存在的“GTS碰撞现象”。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提，提高802.15.4现有技术中GTS请求命令帧的竞争成功概率及其发送成功概率，提供一种时隙保障机制的性能优化方法和设备，并将其推广应用到树形拓扑结构网络中。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明实时通信时隙保障机制优化方法包括如下步骤：

步骤101：在一个超帧持续时间内，节点设备首先接收到协调器广播的信标帧，节点设备和协调器节点完成设备关联后，进入CAP阶段；

步骤102：判断超帧的CAP阶段是否结束，如果结束，则转入步骤106；否则，进入步骤103判断节点设备缓存区的待发送数据状态；

步骤103：判断节点设备缓存区是否有数据等待发送，如果有，则转入步骤104，在CSMA/CA机制下竞争信道的使用，而后进入到帧优先级设定模块；否则，转入步骤105，进入空闲模式；

步骤104：帧优先级设定；

步骤105：当缓存区无数据需要发送，则转入空闲模式；

步骤106：CAP阶段结束后，进入到超帧的CFP阶段；

步骤107：节点设备将转入带碰撞避免的GTS保障时隙分配；

步骤108：判断数据传输是否成功，如果成功，则转入步骤109,；否则转入步骤110；

步骤109：节点进入休眠期，等到下一个超帧的到来；

步骤110：节点将向协调器发出警告信息，通知“发送失败”的消息。

所述帧优先级设定的方法如下：

步骤401：帧到达优先级设定模块，帧优先级设定模块接受两种帧结构：数据帧和GTS请求命令帧； 

步骤402：初始化帧的参数NB，NB记录尝试接入信道的失败次数，其初值为0，最大值为4；当帧到达时，NB初值置0；

步骤403：读取到达的帧，依据帧类型域进行类型判断，如果是数据帧，则转入步骤404；如果是GTS请求命令帧，则转入步骤405；

步骤404：对数据帧进行参数设定；

步骤405：对GTS命令帧进行参数设定。

所述对数据帧进行参数设定的方法如下：

步骤501：CW表示传输数据之前需要进行空闲信道检测的次数，即后退延迟时间的长度。其最小值为0，最大值为31，CW的单位为backoff， backoff为“后退周期”，设置数据帧的CW1=3；BE表示后退指数，取值范围为0-5，设置数据帧的BE1=2；

步骤502：在完成对CW1和BE1 的参数初始设置后，节点设备等待下一个backoff边缘的来临；

步骤503：节点在等待到了下一个随机延迟边缘的来临后，将随机延迟一定数量的Backoff；

步骤504：当节点完成随机延迟后，判断信道是否空闲，如果空闲，则转入步骤507；否则转入步骤505；

步骤505：信道繁忙时，将NB1值自动加1；

步骤506：判断NB1的值是否大于最大值4，如果大于，则转入表明帧发送失败，否则转入到步骤503；

步骤507：信道处于空闲状态，CW1值减少1；

步骤508：判断CW1的值是否为0，如果等于0，则转入步骤509；否则，转入步骤504；

步骤509：CW1=0，则占用信道发送数据帧。

所述对GTS命令帧进行参数设定的方法如下：

步骤601：设定GTS请求命令帧对应的参数CW2为2，设置GTS请求命令帧BE2=0；

步骤602：在完成对CW1和BE1 的参数初始设置后，节点等待下一个backoff边缘的来临；

步骤603：节点在等待到了下一个backoff边缘的来临后，将随机延迟一定数量的Backoff；

步骤604：当节点完成随机延迟后，判断信道是否空闲，如果空闲，则转入步骤607；否则转入步骤605；

步骤605：信道繁忙时，将NB1值自动加1；

步骤606：判断NB1的值是否大于最大值4，如果大于，则转入表明帧发送失败，否则转入到步骤603；

步骤607：信道处于空闲状态，CW1值减少1；

步骤608：判断CW1的值是否为0，如果等于0，则转入步骤609；否则，转入步骤604；

步骤609：CW1=0，则占用信道发送GTS请求命令帧。

所述带碰撞避免的GTS保障时隙分配方法如下：

步骤1101：Device3（即节点设备3）向Device2（即节点设备2）节点发送GTS时隙分配请求命令，此命令帧为：GTS请求命令帧1；

步骤1102：Device2响应请求命令，为其分配相应的保障时隙GTS1；

步骤1103：Device2节点向Device1节点发送GTS请求命令帧2；

步骤1104：Device1（节点设备1）节点响应Device2的请求命令，为其分配保障时隙GTS2；

步骤1105：判断是否产生GTS碰撞现象，若GTS1=GTS2，则转入步骤1107；否则，转入步骤1106；

步骤1106：若GTS1和GTS2分配的信息不同，则表明此时不会发生GTS碰撞，那么Device2和Device3节点在各自申请到的GTS时隙内进行传输数据；

步骤1107：如果GTS1=GTS2，即发生了GTS碰撞现象，进而判断CAP阶段是否结束，如果结束，则转入步骤1109；否则，转入步骤1108；

步骤1108：CAP阶段未结束，Device2重新向Device1节点发起GTS请求命令帧3；

步骤1109：CAP阶段已结束， Device2将放弃发送数据帧的动作，即放弃在第一次申请到的GTS2保障时隙内向Device1发送数据帧，而只是接收由Device3发给它的数据帧；Device2将在下一个超帧中向它的协调器Device1重新发送GTS请求命令。

GTS机制性能优化设备包括如下两个模块：

（1）帧优先级设定模块，用于对GTS请求命令帧和数据帧的优先级区别设置，提高GTS请求过程中的帧发送成功概率；

（2）碰撞避免分配模块，用于有效解决GTS分配过程中产生的碰撞问题，提高网络整体性能。

本发明中实时通信优化方法，主要针对实时通信中的时隙保障机制（GTS）进行性能优化，通过下述步骤来实现：

节点设备接受协调器广播的信标帧，和协调器节点完成设备关联，进入竞争访问时段（CAP），为GTS请求命令帧设置较高的优先级，通过改变帧优先级提高GTS请求命令帧的发送成功概率，从而提高了非竞争访问时段（CFP）阶段的GTS分配性能。

具体地说，本发明所述的设备由CC2430芯片及其外围电路组成，其中外围电路由晶振电路、电源退藕和滤波、稳压器、偏置电阻器、射频输入/输出匹配电路及复位电路六部分组成。所述的外围电路晶振电路、电源退藕和滤波、稳压器、偏置电阻器、射频输入/输出匹配电路及复位电路分别连接到CC2430芯片。

晶振电路包括了主晶振电路和备选晶振电路,备选晶振电路在CC2430芯片处于低功耗应用时休眠模式使用。退藕和滤波电路实现电路的退藕和滤波。偏置电阻器为CC2430芯片的晶体振荡器设置精密偏置电流和为RF的基准电流发生器提供精确电阻。复位电路实现芯片的上电复位以及按键复位。

本发明首先通过提高GTS请求命令帧申请概率，提高了GTS分配性能，在GTS分配阶段，通过解决碰撞问题，再次提高了GTS机制的表现性能，最终提高了GTS利用率。满足了实时性要求较高的应用。

附图说明

图1是节点设备超帧机制工作流程。

图2是使能模式下超帧CAP阶段数据传输模型。

图3是使能模式下超帧CFP阶段数据传输模型。

图4是CAP阶段帧优先级设定总流程。

图5是数据帧参数设定流程。

图6是GTS请求命令帧参数设定流程。

图7是有无优先级设置下帧发送成功概率对比图。

图8是有无优先级设置下网络能量消耗对比。

图9是树状网络拓扑图。

图10是GTS碰撞现象。

图11是带碰撞避免的GTS保障时隙分配模块流程图。

图12是GTS请求命令帧1、2及GTS特征域字段。

图13是GTS请求命令帧3的特征域字段。

图14是GTS性能优化设备框图。

图15是 GTS性能优化设备。

图16是MAC协议模型。

图17是核心硬件应用电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

图1为节点设备超帧机制工作流程，该流程包括以下步骤：

步骤101：在一个超帧持续时间内，节点设备首先接收到协调器广播的信标帧，和协调器节点完成设备关联后，进入CAP阶段。

步骤102：判断超帧的CAP阶段是否结束，如果结束，则转入步骤106；否则，进入步骤103判断节点设备缓存区的待发送数据状态。

步骤103：判断节点设备缓存区是否有数据等待发送，如果有，则转入步骤104，在CSMA/CA机制下竞争信道的使用，而后进入到帧优先级设定模块；否则，转入步骤105，进入空闲模式。

步骤104：帧优先级设定模块。本模块的详细流程见图4。

步骤105：当缓存区无数据需要发送，为了节省能量节点则转入空闲模式。

步骤106：CAP阶段结束后，进入到超帧的CFP阶段。

步骤107：对于实时性要求较高的应用，节点设备将在申请到的GTS保障时隙内进行无信道竞争的数据传输方式。此时，为了避免特定拓扑结构下GTS碰撞现象的发生，节点将转入带碰撞避免的GTS保障时隙分配模块。本模块的详细流程见图11。

步骤108：判断数据传输是否成功，如果成功，则转入步骤109,；否则转入步骤110。

步骤109：节点进入休眠期，等到下一个超帧的到来。

步骤110：节点将向协调器发出警告信息，通知“发送失败”的消息。

图2是信标使能模式下超帧机制CAP阶段的数据传输模型。在CAP阶段的数据传输是基于CSMA/CA竞争机制的，协调器节点首先向子节点广播信标帧，而后设备节点在信道竞争模式下向协调器传输数据帧，协调器节点在收到数据帧时向设备节点回复确认帧，也可以不回复。

图3是信标使能模式下超帧机制CFP阶段节点间数据传输模型。在CFP阶段的数据传输是基于GTS非竞争机制的，设备节点若想以此机制传输数据，首先要向协调器发出GTS请求命令，而后在下一个超帧的CAP阶段，协调器节点收到请求命令后，分配相应的时隙起始时间和时隙数给请求节点，并将包含了此类消息的信息包含在信标帧中，向请求节点广播。请求节点收到包含了GTS分配信息的信标帧后，在此超帧的后续CFP阶段，在为其分配好的专属时隙内传输数据，是一种非信道竞争模式的数据传输。

GTS请求命令的数目取决于设备节点需要发送给PAN协调器的实时数据帧的数目。由于GTS请求命令帧是在基于竞争机制的CAP阶段进行的，竞争的存在致使GTS请求命令帧会出现丢失的情况。因而，CFP阶段GTS机制配置的性能取决于CAP阶段协调器成功接收到的GTS请求的数目。基于上述理论，提出了一种基于优先级的帧设定方法，其工作流程见图4。

图4是帧优先级设定模块的工作总流程，对于通过载波侦听多点接入/冲突避免（CSMA/CA）机制来说，有三个重要的参数用于度量节点接入信道这一过程：后退次数（Number of backoffs, NB）、传输数据之前需要进行空闲信道检测的次数（Content Window Length, CW）、后退指数（Backoff Exponent, BE）。其工作流程如下：

步骤401：帧到达优先级设定模块，帧优先级设定模块接受两种帧结构：数据帧和GTS请求命令帧。 

步骤402：初始化帧的参数NB。NB记录尝试接入信道的失败次数，其初值为0，最大值为4。当帧到达时，NB初值置0。

步骤403：读取到达的帧，依据帧类型域进行类型判断，如果是数据帧，则转入步骤404；如果是GTS请求命令帧，则转入步骤405。

步骤404：对数据帧进行参数设定，参数设定的详细流程见图5。

步骤405：对GTS命令帧进行参数设定，参数设定的详细流程见图6。

图5是数据帧参数设定流程。其设定流程如下：

步骤501：CW表示传输数据之前需要进行空闲信道检测的次数，CW的单位为backoff，最大值为31，设置数据帧的CW1=3。BE表示后退指数，取值范围为0-5，在电池充足的情况下，BE=macMinBE，设置数据帧的BE1=2。

步骤502：在完成对CW1和BE1 的参数初始设置后，节点等待下一个backoff边缘的来临。

步骤503：节点在等待到了下一个backoff边缘的来临后，将随机延迟一定数量的Backoff，与可能正在占用信道发送数据的某节点避免碰撞。

步骤504：当节点完成随机延迟(Backoff)后，判断信道是否空闲，如果空闲，则转入步骤507；否则转入步骤505。

步骤505：信道繁忙时，将NB1值自动加1。

步骤506：判断NB1的值是否大于最大值4，如果大于，则转入表明帧发送失败，否则转入到步骤503。

步骤507：信道处于空闲状态，CW1值减少1。

步骤508：判断CW1的值是否为0，如果等于0，则转入步骤509,；否则，转入步骤504。

步骤509：CW1=0，则占用信道发送数据帧。

图6是GTS请求命令帧的参数设置流程。其设置流程如下：

步骤601：设定GTS请求命令帧对应的参数CW2为2，对比图5中的步骤501，令CW1>CW2，其目的在于增加数据帧发送前的空闲信道检测的次数，减小数据帧的发送概率。设置GTS请求命令帧BE2=0，对比图5步骤502，令BE1>BE2，其目的在于增加节点发送数据帧的平均延时，从而进一步减小其进入信道的概率。

步骤602—步骤609，与图5对应的步骤（步骤502—步骤509）相同。

步骤602：在完成对CW1和BE1 的参数初始设置后，节点等待下一个backoff边缘的来临。

步骤603：节点在等待到了下一个backoff边缘的来临后，将随机延迟一定数量的Backoff，与可能正在占用信道发送数据的某节点避免碰撞。

步骤604：当节点完成随机延迟(Backoff)后，判断信道是否空闲，如果空闲，则转入步骤607；否则转入步骤605。

步骤605：信道繁忙时，将NB1值自动加1。

步骤606：判断NB1的值是否大于最大值4，如果大于，则转入表明帧发送失败，否则转入到步骤603。

步骤607：信道处于空闲状态，CW1值减少1。

步骤608：判断CW1的值是否为0，如果等于0，则转入步骤609,；否则，转入步骤604。

步骤609：CW1=0，则占用信道发送GTS请求命令帧。

图7是帧发送成功概率对比曲线图，其中实线表示的是GTS请求命令帧发送成功的概率，虚线为数据帧发送成功概率。曲线C1为存在优先级差别时，命令帧发送成功概率，对比曲线C2无优先级差别的情况，GTS请求命令帧的发送成功概率随着网络负载的加大，一直保持在90%以上的概率。远远高于存在优先级差别时的数据帧（即曲线D1）的发送概率。

图8是网路能量消耗对比图，其中曲线L2为优先级场景下网络能耗情况，对比L1，可以看出设置帧优先级可以减小网络能耗，提高网络整体性能。

图9是树状拓扑图。其中PAN协调器作为中心节点，负责向网络其他节点组播信标帧等信息，其余节点沿着拓扑线路，向中心PAN节点传送信息，或与非PAN节点之间互相传输信息。GTS的性能大多情况都是置于星型拓扑情景下研究的，而在点对点多跳树状拓扑网络中，由于一个节点既可能是其它设备的子节点，又可能成为另一设备的协调器，如图9中的节点Device2。在这种情况下，Device2可能出现同时扮演分配GTS和申请GTS的双重角色，当Device2所申请的GTS保障时隙和被分配的保障时隙重叠时，就会出现GTS碰撞的问题，见图10。

图10是GTS碰撞现象图。GTS的碰撞现象会导致网络性能的下降和802.15.4协议的失效。为了避免GTS碰撞的产生，一个既存在协调器又有它的子设备的节点（Device2）是能起到调节作用的关键节点。

图11为带碰撞避免的GTS保障时隙分配模块的流程图，其详细流程如下：

步骤1101：Device3向Device2节点发送GTS时隙分配请求命令，此命令帧为：GTS请求命令帧1。

步骤1102：Device2响应请求命令，为其分配相应的保障时隙GTS1。

步骤1103：Device2节点向Device1节点发送GTS请求命令帧2，希望得到Device1为其分配的保障时隙GTS2。

步骤1101和步骤1103中的GTS请求命令帧格式见图12。

步骤1104：Device1节点响应Device2的请求命令，为其分配保障时隙GTS2。

步骤1105：判断是否产生GTS碰撞现象，若GTS1=GTS2，则转入步骤1107；否则，转入步骤1106。

步骤1106：若GTS1和GTS2分配的信息不同，则表明此时不会发生GTS碰撞，那么Device2和Device3节点在各自申请到的GTS时隙内进行传输数据。

步骤1107：如果GTS1=GTS2，即发生了GTS碰撞现象，进而判断CAP阶段是否结束，如果结束，则转入步骤1109,；否则，转入步骤1108。

步骤1108：CAP阶段未结束，Device2重新向Device1节点发起GTS请求命令帧3，其格式见图13。

步骤1109：CAP阶段已结束，为了避免碰撞的产生，Device2将放弃发送数据帧的动作，即放弃在第一次申请到的GTS2保障时隙内向Device1发送数据帧，而只是接收由Device3发给它的数据帧。Device2将在下一个超帧中向它的协调器Device1重新发送GTS请求命令。

图12是GTS请求命令帧1、2及GTS特征域字段示意图，其中，GTS请求命令帧的GTS特征信息域包含了包括GTS所占时隙的长度、GTS方向、特征类型和保留位等信息。

图13是GTS请求命令帧3的特征域字段示意图，其中包含了之前的请求帧中所没有的信息，即：Device2为Device3节点已分配的保障时隙GTS1信息，Device1在收到请求命令后，会为Device2分配与GTS1不冲突的保障时隙，GTS碰撞问题成功解决。

图14是本发明设备实施例结构示意图，如图14所示，该设备包括两个优化模块：

（1）帧优先级设定模块。用于区别GTS请求命令帧和数据帧的优先级，提高GTS请求命令帧的发送成功概率；

（2）带碰撞避免的GTS保障时隙分配模块。用于有效解决树状拓扑网络中GTS分配过程中产生的碰撞问题，提高网络整体性能。

图15为本实施例所述的GTS性能优化电路示意图，其核心硬件是采用TI公司的CC2430-F32芯片来实现。

帧优先级设定模块是在超帧结构的CAP阶段完成的，CAP阶段的两种帧进入信道以及参数设定流程是在CSMA/CA算法控制下完成的，CC2430内部拥有一个CSMA/CA协处理器，它为CPU和无线模块之间提供了控制接口；CC2430内部存在一个16位的MAC定时器，用来为CSMA/CA算法提供定时；CSMA/CA协处理器的程序执行模式与MAC定时器配合，允许协处理器自动进行CSMA/CA算法执行。程序执行模式的执行需要CPU将程序存储器或指令内存中的程序段下载到CSMA/CA协调器中，再由CPU通知协调器去执行具体的程序段。

带碰撞避免的GTS保障时隙分配模块的实现基于协议栈模型的MAC层，CC2430芯片内部的8051CPU内核处理器可以作为处理模块实现MAC层功能。本模块中提出的GTS请求信息是以MAC层请求命令帧的形式实现，GTS分配信息被包含在PAN协调器节点向设备节点广播的超帧结构的信标帧中。

图16为MAC层协议的参考模型，在概念上，MAC层包括一个称之为MLME的MAC层管理实体，这个实体通过调用层管理功能模块来提供服务接口；MAC 层还包括一个称之为MCPS的数据实体，通过数据实体服务接入点在上层和MAC之间传输数据命令，提供数据服务。

MLME服务接入点支持GTS管理原语MLME-GTS，其定义了GTS的请求和维护，GTS性能优化方法中设备节点向PAN协调器节点发出GTS请求命令是通过MLME-GTS.request原语实现的；PAN协调器在收到GTS请求命令后，为设备节点分配GTS保障时隙，是通过广播信标帧实现，MAC层管理实体MLME提供MLME-START原语来完成信标帧的发送。

此外，由于IEEE802.15.4协议栈只能实现基本的星型网络拓扑，而带碰撞避免的GTS保障时隙分配模块中涉及到的树状拓扑结构需要协议栈上层即网络层协议来定义和实现。

图17为本实施例所使用的核心硬件应用电路原理图，其主要由CC2430芯片及其外围电路组成，其中外围电路由晶振电路、电源退藕和滤波、稳压器、偏置电阻器、射频输入/输出匹配电路及复位电路六部分组成。

晶振电路包括了主晶振电路和备选晶振电路。其中主晶振电路由32MHz晶振Y1和负载电阻器C1、C2共同组成，晶振Y1的一端和CC2430的XOSC_Q1端口相连，并通过负载电阻器C2接地，晶振的另一端和CC2430芯片XOSC_Q2端口相连，并通过负载电阻器C1接地；备选晶振电路在CC2430芯片处于低功耗应用时休眠模式使用，由32.768KHz晶振Y2与负载电阻器C3、C4构成，晶振Y2的一端连接至CC2430芯片的P2_3/XOSC_Q1端口，并通过C3接地，另一端和芯片的P2_4/XOSC_Q2端口相连，通过负载电阻器C4接地。

退藕和滤波电路包括了由电容C7、C8、C9和C11、C12、C13、C14组成的两部分并联电路。其中，3.3V外部电源通过电容C7、C8、C9组成的并联电路滤波后，与CC2430芯片的AVDD_DREG、DVDD、AVDD_SOC、AVDD_RREG端口相连，为芯片提供3.3V工作电压；并联的电容C7、C8、C9实现退藕和滤波对工作于1.8V的电源的CC2430芯片的引脚AVDD_IF1、AVDD_CHP、VCO_GUARD、AVDD_VCO、AVDD_PRE、AVDD_PF1、AVDD_SW、AVDD_RF2、AVDD_IF2、AVDD_ADC、DVDD_ADC、AVDD_DGUARD，CC2430芯片通过RREG_OUT引脚为上述芯片引脚提供1.8V工作电压，并通过并联的C11、C12、C13、C14实现电源的退藕和滤波。电容器C5、C6一端接地，另一端分别和CC2430芯片的DCOUPL、RREG_OUT端口相连，起到保证片上稳压器稳定运行的作用。

偏置电阻器包括电阻R1和R2，其中，R1和芯片RBLAS1端口相连接，用于为32MHz晶体振荡器设置精密偏置电流；R2连接芯片RBLAS2端口，用于RF的基准电流发生器，提供精确电阻。

连接至芯片端口RF_P、TXRX_SWITCH、RF_N所组成的电路为射频输入/输出匹配电路，整个射频输入/输出匹配电路包含三个部分：包含L1和L3的阻抗匹配模块、L2为射频模块和由C10组成的直流偏置模块。除了上述四个独立的元件外，为了确保射频信号的相位正确，在设计中采用1/2波长传输线和70Ω23°传输线，用于实现阻抗匹配。

复位电路由按键S1、电容C15及电阻R3、R4组成，按键S1、电容C15并联，一端接地，另一端与电阻R3、R4连接，电阻R3的另一端连接电源，电阻R4的另一端连接到芯片CC2430的RESET_N端口，实现芯片的上电复位以及按键复位；剩余未连接的CC2430引脚作为21个可编程I/O口预留引脚，通过软件设定SFR寄存器的位和字节，可使I/O引脚作为通常的I/O口或连接外围设备使用。CC2430内部的CSMA/CA协处理器通过SFR寄存器以及RF寄存器与芯片内部的8051CPU联系，CSMA/CA协处理器向CPU发出中断请求。此外，CSMA/CA协处理器与CC2430内部MAC计数器联系，接收MAC计数器的溢出事件。

Claims (3)

1.一种面向信息--物理融合系统的实时通信优化方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤101：在一个超帧持续时间内，节点设备首先接收到协调器广播的信标帧，节点设备和协调器节点完成设备关联后，进入CAP阶段；

步骤102：判断超帧的CAP阶段是否结束，如果结束，则转入步骤106；否则，进入步骤103判断节点设备缓存区的待发送数据状态；

步骤103：判断节点设备缓存区是否有数据等待发送，如果有，则转入步骤104，在CSMA/CA机制下竞争信道的使用，而后进入到帧优先级设定模块；否则，转入步骤105，进入空闲模式；

步骤104：帧优先级设定；

步骤105：当缓存区无数据需要发送，则转入空闲模式；

步骤106：CAP阶段结束后，进入到超帧的CFP阶段；

步骤107：节点设备将转入带碰撞避免的GTS保障时隙分配；

步骤108：判断数据传输是否成功，如果成功，则转入步骤109,；否则转入步骤110；

步骤109：节点进入休眠期，等到下一个超帧的到来；

步骤110：节点将向协调器发出警告信息，通知“发送失败”的消息；

上述步骤104所述帧优先级设定的方法如下：

步骤401：帧到达优先级设定模块，帧优先级设定模块接受两种帧结构：数据帧和GTS请求命令帧； 

步骤402：初始化帧的参数NB，NB记录尝试接入信道的失败次数，其初值为0，最大值为4；当帧到达时，NB初值置0；

步骤403：读取到达的帧，依据帧类型域进行类型判断，如果是数据帧，则转入步骤404；如果是GTS请求命令帧，则转入步骤405；

步骤404：对数据帧进行参数设定；

步骤405：对GTS命令帧进行参数设定；

上述步骤404所述的对数据帧进行参数设定的方法如下：

步骤501：CW表示传输数据之前需要进行空闲信道检测的次数，即后退延迟时间的长度，其最小值为0，最大值为31，CW以backoff为单位，backoff称为“后退周期”，设置数据帧的CW1=3；BE表示后退指数，取值范围为0-5，设置数据帧的BE1=2；

步骤502：在完成对CW1和BE1 的参数初始设置后，节点设备等待下一个backoff边缘的来临；

步骤503：节点设备在等待到了下一个随机延迟边缘的来临后，将随机延迟一定数量的Backoff；

步骤504：当节点完成随机延迟后，判断信道是否空闲，如果空闲，则转入步骤507；否则转入步骤505；

步骤505：信道繁忙时，将NB值自动加1；

步骤506：判断NB的值是否大于最大值4，如果大于，则转入表明帧发送失败，否则转入到步骤503；

步骤507：信道处于空闲状态，CW1值减少1；

步骤508：判断CW1的值是否为0，如果等于0，则转入步骤509；否则，转入步骤504；

步骤509：CW1=0，则占用信道发送数据帧；

上述步骤405所述的对GTS命令帧进行参数设定的方法如下：

步骤601：设定GTS请求命令帧对应的参数CW2为2，设置GTS请求命令帧BE2=0；

步骤602：在完成对CW2和BE2 的参数初始设置后，节点等待下一个backoff边缘的来临；

步骤603：节点在等待到了下一个backoff边缘的来临后，将随机延迟一定数量的Backoff；

步骤604：当节点完成随机延迟后，判断信道是否空闲，如果空闲，则转入步骤607；否则转入步骤605；

步骤605：信道繁忙时，将NB值自动加1；

步骤606：判断NB的值是否大于最大值4，如果大于，则转入表明帧发送失败，否则转入到步骤603；

步骤607：信道处于空闲状态，CW2值减少1；

步骤608：判断CW2的值是否为0，如果等于0，则转入步骤609；否则，转入步骤604；

步骤609：CW2=0，则占用信道发送GTS请求命令帧。

2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于所述带碰撞避免的GTS保障时隙分配方法如下：

步骤1101：节点设备3向节点设备2发送GTS时隙分配请求命令，此命令帧为：GTS请求命令帧1；

步骤1102：节点设备2响应请求命令，为其分配相应的保障时隙GTS1；

步骤1103：节点设备2向节点设备1节点发送GTS请求命令帧2；

步骤1104：节点设备1响应节点设备2的请求命令，为其分配保障时隙GTS2；

步骤1105：判断是否产生GTS碰撞现象，若GTS1=GTS2，则转入步骤1107；否则，转入步骤1106；

步骤1106：若GTS1和GTS2分配的信息不同，则表明此时不会发生GTS碰撞，那么节点设备2和节点设备3在各自申请到的GTS时隙内进行传输数据；

步骤1107：如果GTS1=GTS2，即发生了GTS碰撞现象，进而判断CAP阶段是否结束，如果结束，则转入步骤1109；否则，转入步骤1108；

步骤1108：CAP阶段未结束，节点设备2重新向节点设备1发起GTS请求命令帧3，返回步骤1104；

步骤1109：CAP阶段已结束，节点设备2将放弃发送数据帧的动作，即放弃在第一次申请到的GTS2保障时隙内向节点设备1发送数据帧，而只是接收由节点设备3发给它的数据帧；节点设备2将在下一个超帧中向它的协调器节点设备1重新发送GTS请求命令。

3.一种实现权利要求1所述的方法的设备，其特征是由CC2430芯片、晶振电路、电源退藕和滤波、稳压器、偏置电阻器、射频输入/输出匹配电路及复位电路组成；晶振电路、电源退藕和滤波、稳压器、偏置电阻器、射频输入/输出匹配电路及复位电路分别连接到CC2430芯片；

晶振电路包括主晶振电路和备选晶振电路：其中主晶振电路由32MHz晶振Y1和负载电阻器C1、C2共同组成，晶振Y1的一端和CC2430的XOSC_Q1端口相连，并通过负载电阻器C2接地，晶振的另一端和CC2430芯片XOSC_Q2端口相连，并通过负载电阻器C1接地；备选晶振电路由32.768KHz晶振Y2与负载电阻器C3、C4构成，晶振Y2的一端连接至CC2430芯片的P2_3/XOSC_Q1端口，并通过C3接地，另一端和芯片的P2_4/XOSC_Q2端口相连，通过负载电阻器C4接地；

退藕和滤波电路包括由电容C7、C8、C9和C11、C12、C13、C14组成的两部分并联电路；其中，3.3V外部电源通过电容C7、C8、C9组成的并联电路滤波后，与CC2430芯片的AVDD_DREG、DVDD、AVDD_SOC、AVDD_RREG端口相连；

工作于1.8V的电源的CC2430芯片引脚AVDD_IF1、AVDD_CHP、VCO_GUARD、AVDD_VCO、AVDD_PRE、AVDD_PF1、AVDD_SW、AVDD_RF2、AVDD_IF2、AVDD_ADC、DVDD_ADC、AVDD_DGUARD同时与CC2430芯片的RREG_OUT引脚相连，并与并联的C11、C12、C13、C14连接；电容器C5、C6一端接地，另一端分别和CC2430芯片的DCOUPL、RREG_OUT端口相连；

偏置电阻器由电阻R1和R2构成，其中，R1和芯片RBLAS1端口相连接，R2连接芯片RBLAS2端口；

CC2430芯片端口RF_P、TXRX_SWITCH、RF_N连接到射频输入/输出匹配电路，射频输入/输出匹配电路由L1和L3的阻抗匹配模块、L2为射频模块和由C10组成的直流偏置模块组成；

复位电路由按键S1、电容C15及电阻R3、R4组成，按键S1、电容C15并联，一端接地，另一端与电阻R3、R4连接，电阻R3的另一端连接电源，电阻R4的另一端连接到芯片CC2430的RESET_N端口。

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