CN102263682B - 一种数字家庭网络操控技术的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字家庭网络操控技术的实现方法，包括首先建立具有设备操控能力的无线传感器网络实验平台；其次针对服务分级需要设计出优先级分类的优化方法；然后针对移动性需要设计出基于状态估计的移动性支持方法；最后在试验床上验证优化过的MAC层协议的正确性。通过本发明为数字家庭网络测试提供全面、科学的测试方法，通过该测试平台，可以很好的完成对新研制的MAC优化协议的正确性的验证。该平台的一致性与普遍适应性，为理论研究提供了很好的实践平台。
Description
技术领域
本发明涉及数字家庭网络技术领域，尤其涉及一种数字家庭网络操控技术的实现方法。
背景技术
数字家庭网络中存在着较多的低智能设备。所谓低智能设备是指设备本身不具有交互或者通信能力，组建网络需要对其进行一定的改造，而传统的信息通信终端本身具备通信能力，比如电脑和手持PDA会以WLAN进行通信，蓝牙耳机和手机可以用蓝牙方式通信等等。而低智能设备，比如空调，洗衣机，微波炉，冰箱等等，要想加入数字通信大家庭，必须首先具备组网的能力。这就使得可塑性较强且较为廉价的无线传感器网络作为操控低智能设备以及采集触觉、视觉、味觉、听觉等传感信息的首选。
在无线传感网络中进行点对点和点对多点进行通信的时，需要设计可靠的通信链路协议，主要由介质访问控制(MAC)组成。MAC协议分3类：确定性分配、竞争占用和随机访问。考虑到无线传感网络的节能要求，采用随机介质访问模式比较适合。
当前主流的无线网络技术是蜂窝电话网络、Ad-hoc和蓝牙技术，但它们各自的MAC协议不适合无线传感器网络。GSM和CDMA中的介质访问控制主要关心如何满足用户的QoS要求和节省带宽资源，功耗是第二位的；Ad-hoc网络则考虑如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链接，同时兼顾一定的QoS要求，功耗也不是其首要关心的；而蓝牙采用了主从式的星型拓扑结构，这本身就不适合传感器网络自组织的特点。
基于以上各方面的原因，需要为传感器网络设计新型的MAC协议。
MAC层协议的优化分为多方面，多层次的优化，现有MAC层协议基本上是对竞争协议、调度器策略、重传与应答机制、有效解决隐藏终端与暴露终端机制、自适应多速率传输、节能模式吞吐量最大化、路由量度、多路径路由等进行优化与设计。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种数字家庭网络操控技术的实现方法，就可以使家庭网络中的各种不同优先级的业务有效的分级，人性化的服务于用户。
一种数字家庭网络操控技术的实现方法，首先建立具有设备操控能力的无线传感器网络实验平台；其次针对服务分级需要设计出优先级分类的优化方法；然后针对移动性需要设计出基于状态估计的移动性支持方法；最后在试验床上验证优化过的MAC层协议的正确性。
优选地，在实验平台搭建方面，首先建立以数字电视网络为基础，包括前端、媒资库、分前端、传输网络、终端，融合多网技术、设备和前端，配置家庭、办公和公共场所等与数字家庭相关的应用平台，能够为数字家庭终端产品制造商、内容提供商、业务运营商等提供包括互联互通、互操作、应用、业务、内容等各环节产品和技术的兼容性、完整性、安全性等系统试验和检测服务，进行综合应用环境下的融合和应用试验的系统性试验；需要搭建的测试系统分四个部分：家庭控制子网设备通信接口性能测试子系统；家庭控制子网协议一致性测试子系统；家庭主网设备通信接口性能测试子系统；家庭主网协议一致性测试子系统。
优选地，基于优先级和虚拟碰撞的服务分级技术的方法主要实现步骤如下：
将不同的应用和网络分成不同的优先级队列，分别在自适应接入点AAP中缓存；
当有不同优先级的指令同时到达造成冲突时，按照优先级的高低是指令执行退避；高优先级的指令退避时间短，这样他就有更多的传输机会，反之，低优先级的指令需要等待更多的时间；
如果碰巧高优先级的队列和经过了等待的低优先级队列同时进行了传输，则再进行一次虚拟碰撞分解，高优先级队列先传输，低优先级的队列依然采用以上退避算法向后推后一个延迟。
优选地，使用基于状态估计的移动性支持方法进行网络节点的定位的主要步骤如下：
群首获取群内随机分配的节点；
群内节点向被测节点提供RSSI数值，当有3个节点向被测节点提供RSSI数值时，通过使用RSSI定位就可以限定出被测点的位置，RSSI数值是在任何数据和控制分组中都存在的，并不需要额外开销；
节点通过周期广播信息使群首获知其是否仍在群中或者已经漫游到了其他群，并在广播信息中piggyback捎带位置信息；
群首利用节点的历史和当前位置信息，即可预测出下一周期节点的位置；
该群首告知其他群首，为下面的设备发现和服务更新提供依据，并节省网络内部的广播开销。
优选地，还能够通过在处理器系统中加入双处理器分开对传送来的数据进行处理，处理后的数据送入缓存进行下一步处理，从而加快了对视频数据的处理速度。
本发明的有益效果：
通过本发明构建了一个规范的通信测试系统，为数字家庭网络测试提供全面、科学的测试方法，通过该测试平台，可以很好的完成对新研制的MAC优化协议的正确性的验证。该平台的一致性与普遍适应性，为理论研究提供了很好的实践平台。
在MAC协议的优化方面，更是带来了以下的两点好处：
提出了服务分级技术，很好的解决了优先级传输的问题。使得需要优先处理的的业务能够提前得到响应，优先传输高优先级的业务内容。
解决了数字家庭网络中节点的移动性问题。随着无线和自动化技术的发展，移动家电越来越多的进入千家万户，因此，设备的移动性支持越发显得重要。设备的移动性必然造成家庭无线网络的重新划分；同时其移动也将会导致网络的拓扑变化；此外，网络的自适应接入点的移动，更加加剧了网络拓扑的动态性。传统的方案并未对此给出解决方案。而本方案通过基于状态估计的方法预测出节点未来的位置，比较好的解决了上述问题。
虚拟碰撞的服务分级技术的实现中，在遇到指令碰撞时，原方案采用的是根据优先级进行退避，优先级越高退避的时间越短，优先级越低退避的时间越长。这样可以保障高优先级的指令完全优先执行，但可以造成低优先级的指令一直得不到执行，处于一种饥饿的状态。故可采用另外一种替代办法，就是让需要退避的低优先级指令退避一个随机的时间，随机的时间由随机数产生，这样就可以使得低优先级指令能够在一段时间都得到响应，但这使得高优先级指令优先处理不能完全满足。两种方法各有利弊，可根据实际需要进行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的数字家庭网络操控技术的实现流程图；
图2是本发明中数字家庭网络系统结构图；
图3是本发明中基于虚拟碰撞和优先级队列的分级技术的流程图；
图4是本发明中数字家庭网络中传感网络架构图；
图5是本发明中基于状态估计的移动性支持方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种数字家庭网络操控技术的实现方法，通过建立具有设备操控能力的无线传感器网络实验平台，并对其中的服务分级技术和移动性支持技术展开研究，设计出支持QoS和强移动性的并能够在试验平台上进行验证的MAC层协议，以解决在数字家庭网络中关于优先级传输和智能设备的移动性支持等问题，构建一个更加高效便捷的数字家庭网络。
数字家庭网络操控技术的的实现主要分为测试平台的搭建、针对要求设计出符合要求的MAC优化协议、验证协议的正确性等几个方面，最终实现符合要求的支持QoS和强移动性的MAC层协议，实现步骤如图1所示：
首先建立具有设备操控能力的无线传感器网络实验平台；其次针对服务分级需要设计出优先级分类的优化方法；然后针对移动性需要设计出基于状态估计的移动性支持方法；最后在试验床上验证优化过的MAC层协议的正确性。
在实验平台搭建方面，首先建立以数字电视网络为基础，包括前端、媒资库、分前端、传输网络、终端，融合多网技术、设备和前端，配置家庭、办公和公共场所等与数字家庭相关的应用平台，能够为数字家庭终端产品制造商、内容提供商、业务运营商等提供包括互联互通、互操作、应用、业务、内容等各环节产品和技术的兼容性、完整性、安全性等系统试验和检测服务，进行综合应用环境下的融合和应用试验的系统性试验。为此，需要搭建的测试系统分四个部分：
家庭控制子网设备通信接口性能测试子系统；
家庭控制子网协议一致性测试子系统；
家庭主网设备通信接口性能测试子系统；
家庭主网协议一致性测试子系统。
通过以上的细分，设计出如图2所示的一个数字家庭网络的系统结构图，在用户家庭的内部，使用IPv6协议使各家庭智能设备，如电冰箱、照明、安防、洗衣机、三表的互联起来，通过家庭网关与外部网络连接起来。其中家庭网关由三部分组成：运行维护信息采集部分、本地存储部分、SNMP代理部分。家庭内部网通过SNMP与Internet连接起来。家庭网络管理服务器也是分布在家庭网络外部，根据业务处理的不同分布于不同的地区。如水厂的管理服务器用于处理水表的相关信息，燃气公司的管理服务器用于处理燃气表的相关信息。
同时通过研制标准，收集了大量的技术文献，在数字家庭无线网络若干重要理论研究上取得了进展，已搭建了数字家庭网络仿真环境，并具备了电磁兼容检测试验环境。
通过以上搭建的实验平台，就使新的MAC优化协议有了实践的平台。
针对优先级传输的问题，设计出了一种基于优先级和虚拟碰撞的服务分级技术的方法，具体如图3所示，该方法的主要实现步骤如下：
将不同的应用和网络分成不同的优先级队列，分别在自适应接入点AAP中缓存。
当有不同优先级的指令同时到达造成冲突时，按照优先级的高低是指令执行退避。高优先级的指令退避时间短，这样他就有更多的传输机会，反之，低优先级的指令需要等待更多的时间。
如果，碰巧高优先级的队列和经过了等待的低优先级队列同时进行了传输，则再进行一次虚拟碰撞分解，高优先级队列先传输，低优先级的队列依然采用以上退避算法向后推后一个延迟。
这样，就可以使家庭网络中的各种不同优先级的业务有效的分级，人性化的服务于用户。
针对家庭网络中的移动性问题，提出了一种基于状态估计的移动性支持方法。首先将移动设备都看作节点，并且将网络刻画成分簇的形式，AAP担当群首或者簇首。
整个传感网络的架构如图4所示。
使用基于状态估计的移动性支持方法进行网络节点的定位的主要步骤如下：
群首获取群内随机分配的节点
群内节点向被测节点提供RSSI数值，当有3个节点向被测节点提供RSSI数值时，通过使用RSSI定位就可以限定出被测点的位置(RSSI数值是在任何数据和控制分组中都存在的，并不需要额外开销)。
节点通过周期广播信息使群首获知其是否仍在群中或者已经漫游到了其他群，并在广播信息中piggyback(捎带)位置信息。
群首利用节点的历史和当前位置信息，即可预测出下一周期节点的位置。
该群首告知其他群首，为下面的设备发现和服务更新提供依据，并节省网络内部的广播开销。
具体实现流程图如图5所示。
本发明的有益效果：
通过本发明构建了一个规范的通信测试系统，为数字家庭网络测试提供全面、科学的测试方法，通过该测试平台，可以很好的完成对新研制的MAC优化协议的正确性的验证。该平台的一致性与普遍适应性，为理论研究提供了很好的实践平台。
在MAC协议的优化方面，更是带来了以下的两点好处：
提出了服务分级技术，很好的解决了优先级传输的问题。使得需要优先处理的的业务能够提前得到响应，优先传输高优先级的业务内容。这样，就可以使家庭网络中的各种不同优先级的业务有效的分级，人性化的服务于用户。
解决了数字家庭网络中节点的移动性问题。随着无线和自动化技术的发展，移动家电越来越多的进入千家万户，因此，设备的移动性支持越发显得重要。设备的移动性必然造成家庭无线网络的重新划分；同时其移动也将会导致网络的拓扑变化；此外，网络的自适应接入点的移动，更加加剧了网络拓扑的动态性。传统的方案并未对此给出解决方案。而本方案通过基于状态估计的方法预测出节点未来的位置，比较好的解决了上述问题。
虚拟碰撞的服务分级技术的实现中，在遇到指令碰撞时，原方案采用的是根据优先级进行退避，优先级越高退避的时间越短，优先级越低退避的时间越长。这样可以保障高优先级的指令完全优先执行，但可以造成低优先级的指令一直得不到执行，处于一种饥饿的状态。故可采用另外一种替代办法，就是让需要退避的低优先级指令退避一个随机的时间，随机的时间由随机数产生，这样就可以使得低优先级指令能够在一段时间都得到响应，但这使得高优先级指令优先处理不能完全满足。两种方法各有利弊，可根据实际需要进行。
在本发明中还可以通过在处理器系统中加入双处理器分开对传送来的数据进行处理，处理后的数据送入缓存进行下一步处理，从而加快了对视频数据的处理速度。
以上对本发明实施例所提供的一种数字家庭网络操控技术的实现方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种数字家庭网络操控技术的实现方法，其特征在于，首先建立具有设备操控能力的无线传感器网络实验平台；其次针对服务分级设计出优先级分类的优化方法；然后针对移动性设计出基于状态估计的移动性支持方法；最后在试验床上验证优化过的MAC层协议的正确性，其中，使用基于状态估计的移动性支持方法进行网络节点的定位的主要步骤如下：
群首获取群内随机分配的节点；
群内节点向被测节点提供RSSI数值，当有3个节点向被测节点提供RSSI数值时，通过使用RSSI定位就可以限定出被测点的位置，RSSI数值是在任何数据和控制分组中都存在的，并不需要额外开销；
节点通过周期广播信息使群首获知其是否仍在群中或者已经漫游到了其他群，并在广播信息中捎带位置信息；
群首利用节点的历史和当前位置信息，即可预测出下一周期节点的位置；
该群首告知其他群首，为下面的设备发现和服务更新提供依据，并节省网络内部的广播开销。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在实验平台搭建方面，首先建立以数字电视网络为基础，包括前端、媒资库、分前端、传输网络、终端，融合多网技术、设备和前端，配置家庭、办公和公共场所与数字家庭相关的应用平台，能够为数字家庭终端产品制造商、内容提供商、业务运营商提供包括互联互通、互操作、应用、业务、内容各环节产品和技术的兼容性、完整性、安全性系统试验和检测服务，进行综合应用环境下的融合和应用试验的系统性试验；需要搭建的测试系统分四个部分：家庭控制子网设备通信接口性能测试子系统；家庭控制子网协议一致性测试子系统；家庭主网设备通信接口性能测试子系统；家庭主网协议一致性测试子系统。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于优先级和虚拟碰撞的服务分级技术的方法主要实现步骤如下：
将不同的应用和网络分成不同的优先级队列，分别在自适应接入点AAP中缓存；
当有不同优先级的指令同时到达造成冲突时，按照优先级的高低使指令执行退避；高优先级的指令退避时间短，这样他就有更多的传输机会，反之，低优先级的指令需要等待更多的时间；
如果碰巧高优先级的队列和经过了等待的低优先级队列同时进行了传输，则再进行一次虚拟碰撞分解，高优先级队列先传输，低优先级的队列依然采用以上退避算法向后推后一个延迟。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还能够通过在处理器系统中加入双处理器分开对传送来的数据进行处理，处理后的数据送入缓存进行下一步处理，从而加快了对视频数据的处理速度。
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