CN102624608A - 一种提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法，所述方法包括：判断智能传感系统节点所处的优先级阶段，初始化优先级阶段节点对应的参数；监听信道状态，信道空闲则发送数据，信道忙则继续监听信道；在发送数据过程中检测是否发生数据冲突；数据冲突时，高优先级阶段节点、低优先级阶段节点分别以各自的退避方法增大竞争窗口，并计算、配置退避时间及执行退避，之后返回监听信道、发送数据；发送数据成功时，高优先级阶段节点、低优先级阶段节点分别以各自的退避方法减小竞争窗口。本方法实时动态设置传感系统节点不同阶段及载荷情况下的接入等级，减少智能传感器即插即用过程中数据传输的时延，提高智能传感器即插即用的速度。

Description

一种提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法

技术领域

本发明涉及数据冲突退避方法，尤其涉及一种提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法。

背景技术

智能化、网络化、标准化是现代传感技术的发展方向。IEEE 1451网络化智能传感器具有即插即用、互换性、兼容性等优势，在业测控、智能建筑、环境监测等领域具有广阔的应用前景。IEEE 1451网络化智能传感器由变换器接口模块(Trasducer Interface Module，TIM)和网络适配处理器模块(NetworkCapable Application Processor，NCAP)构成，通过标准接口及变换器电子数据表格(Transducers Electronic Data Sheet，TEDS)实现传感器即插即用。即插即用可以实现快速构建智能传感系统并根据需要动态增减传感节点。提高IEEE 1451智能传感器的即插即用速度可以提高其智能化性能，同时提高整个传感网络的构建速度。

IEEE 1451智能传感器的一对多通信标准接口包括ZigBee、BlueTooth、WiFi、UART、CANopen等，这些接口通信协议采用的数据冲突退避机制大多是二进制指数退避算法(binary backoff algorithm，BEB)或BEB的改进算法(如倍数增线性减退避算法MILD、指数增指数减退避算法EIED等)。但是，这些方法应用在IEEE 1451传感系统中存在以下问题与不足：(1)未能提高IEEE1451智能传感器的即插即用速度；(2)IEEE 1451传感系统中，传感数据冗余性大、信息量小，实时性要求较低，而传感器即插即用过程的TEDS数据、控制命令是突发性数据，信息量大，实时性要求较高；(3)未利用到TEDS的有用信息。

发明内容

为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种多接入等级动态退避方法，通过多等级区分接入实现合理退避，提高IEEE 1451智能传感器的即插即用速度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法，包括：

判断智能传感系统节点所处的优先级阶段，初始化优先级阶段节点对应的参数；

监听信道状态，信道空闲则发送数据，信道忙则继续监听信道；

在发送数据过程中检测是否发生数据冲突；

数据冲突时，高优先级阶段节点和低优先级阶段节点分别以各自的退避方法增大竞争窗口，并计算、配置退避时间及执行退避，之后返回监听信道、发送数据；

发送数据成功时，高优先级阶段节点和低优先级阶段节点分别以各自的退避方法减小竞争窗口。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

将IEEE 1451智能系统中的节点在即插即用及传输传感数据不同过程中分别设置为高优先级阶段、低优先级阶段，同时配合TEDS中相关信息，实时动态设置传感系统节点不同阶段及载荷情况下的接入等级，可以减少智能传感器即插即用过程中数据传输的时延，提高智能传感器即插即用的速度，增大整个传感系统的吞吐量。

附图说明

图1是提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法流程图；

图2是提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避流程结构图；

图3是基于多接入等级动态退避的IEEE 1451智能传感器功能模块架构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的详细描述：

参见图1和图2为提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法流程图及流程结构图，IEEE 1451智能传感器在即插即用过程中将其设置为高优先级阶段(i＝1)，在发送传感数据时将其设置为低优先级阶段(i＝2)。该方法包括以下步骤：

步骤10判断智能传感系统节点所处的优先级阶段，初始化优先级阶段节点对应的参数。

NCAP发送控制命令及应答帧，处于高优先级阶段(i＝1)；TIM在即插即用过程中处于高优先级阶段(i＝1)，在发送传感数据时处于低优先级阶段(i＝2)。

初始化优先级阶段节点对应的参数时，高优先级阶段节点和低优先级阶段节点的退避阶数j均为零，对应的最小竞争窗口、最大竞争窗口分别为iCW_min、iCW_max，对应的竞争窗口CW⁽ⁱ⁾为：

CW⁽ⁱ⁾＝iCW_min    (1)

高优先级阶段节点(i＝1)参数初始化时：最大竞争窗口iCW_max＝CW_max＝512，最小竞争窗口iCW_min＝CW_min＝16，竞争窗口CW⁽ⁱ⁾＝CW_min＝16，最大退避阶数m₁＝8，退避阶数j＝0。

低优先级阶段节点(i＝2)参数初始化时：最大竞争窗口iCW_max＝2CW_max＝1024，最小竞争窗口iCW_min＝2CW_min＝32，竞争窗口CW⁽ⁱ⁾＝iCW_min＝32，最大退避阶数m₂＝8，退避阶数j＝0，β＝16。

由上述优先级阶段节点参数初始化可以看出，高优先级阶段节点的最小竞争窗口、最大竞争窗口均为低优先级阶段节点的使得高优先级阶段节点的竞争窗口的取值范围小于低优先级阶段节点。

步骤20节点发送数据前监听信道状态，信道空闲则发送数据，信道忙则继续监听信。

步骤30在发送数据过程中检测是否发生数据冲突。

节点在发送数据过程中检测是否发生数据冲突，如果发生数据冲突，则执行步骤40；如果不发生数据冲突，说明发送数据成功，则执行步骤60。

步骤40数据冲突时，高优先级阶段节点和低优先级阶段节点分别以各自的退避方法增大竞争窗口。

上述数据冲突时，高优先级阶段节点和低优先级阶段节点对应的CW⁽ⁱ⁾以各自的系数α_i乘性增加(如式(2))，同时对应的退避阶数j加1，其中，α₂＞α₁＞1。如果连续发生数据冲突，则连续执行上述乘性增加CW⁽ⁱ⁾的步骤直至数据发送成功、退避阶数j达到最大值m_i或者CW⁽ⁱ⁾达到对应最大竞争窗口iCW_max。上述高优先级阶段节点和低优先级阶段节点在数据冲突时乘性增加CW⁽ⁱ⁾以快速脱离冲突区域，但高优先级阶段节点的竞争窗口乘性增大系数、最大竞争窗口均小于低优先级阶段节点，保持着接入优势。

CW⁽ⁱ⁾＝min(α_iCW⁽ⁱ⁾，iCW_max)，α₂＞α₁＞1    (2)

上述高优先级阶段节点在发生数据冲突时，具体执行如下：

退避阶数j＝j+1，如果j达到最大退避阶数m₁，则j＝0且CW⁽¹⁾保持不变，进入步骤50；如果j小于最大退避阶数m₁，则设置α₁，同时如式(2)所示设置CW⁽¹⁾＝α₁CW⁽¹⁾(α₁CW⁽¹⁾≤CW_max)或CW⁽¹⁾＝CW_max(α₁CW⁽¹⁾＞CW_max)。所述α₁设置的规则：NCAP传输控制命令及应答帧，一直处于高优先级阶段，α₁＝a，具有最高接入等级；TIM节点的α₁设置如式(3)，α₁由各种TEDS(包括Meta-TEDS、Channel-TEDS等)的长度L_X-TEDS与IEEE 1451.x接口(速率为R)在单位时间内发送数据量的大小关系决定，当某个TEDS的长度大于接口在单位时间内发送的数据量时，α₁＝a，具有最高接入等级，否则α₁＝b，具有次高接入等级。

上述低优先级阶段节点发生数据冲突时，具体执行如下：

退避阶数j＝j+1。如果j达到最大退避阶数m₂，则j＝0且放弃该帧数据的发送，此时如果还有其他数据发送则进入步骤50，否则暂停发送数据；如果j小于最大退避阶数m₂，则设置α₂，同时如式(2)所示设置CW⁽²⁾＝α₂CW⁽²⁾(α₂CW⁽²⁾≤2CW_max)或CW⁽²⁾＝2CW_max(α₁CW⁽²⁾＞2CW_max)。所述α₂设置的规则(式(6))：α₂由所有启动通道的Channel-TEDS中通道数据模型长度L_dm、通道采样周期T_sp的比值之和

与IEEE 1451.x接口速率R的大小关系决定，当

时，α₂＝2.5，具有次低接入等级，否则α₂＝3，具有最低接入等级。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1=\left\{\begin{array}{cc}a& (L_{X-\mathrm{TEDS}}>R\×1s)\\ b& (L_{X-\mathrm{TEDS}}\≤R\×1s)\end{array}\right.\\ {\mathrm{\α}}_2=\left\{\begin{array}{cc}c& (\mathrm{\Σ}{L}_{\mathrm{dm}}/T_{\mathrm{sp}}>R)\\ d& (\mathrm{\Σ}{L}_{\mathrm{dm}}/T_{\mathrm{sp}}\≤R)\end{array}\right.\end{array}\right.---\left(3\right)$

所述α_i≤4，且其取值a、b、c、d的关系是1＜a＜b＜c＜d，分别对应最高接入优先等级、次高接入优先等级、次低接入优先等级、最低接入优先等级四个接入优先等级。本实施中取a＝1.5、b＝2、c＝2.5、d＝3。

如果节点的退避阶数j达到最大值m_i，其竞争窗口CW⁽ⁱ⁾保持不变，退避阶数j＝0。此时，如果是低优先级阶段节点则放弃该帧数据发送，如果是高优先级阶段节点则以该退避方法继续竞争信道发送该帧数据。

所述多接入等级动态退避方法中，TIM需要结合TEDS信息设置接入等级，在所述TIM的核心处理模块中设有TEDS解析功能模块和接入等级设置功能模块(图3)。TIM通过TEDS解析功能模块对各种TEDS进行解析，并将接入等级设置所需的各种参数输入到接入等级设置功能模块中，接入等级设置功能模块在即插即用过程中利用各种TEDS的长度配置TIM的接入等级，在传感数据传输过程中利用各个启动通道的Channel-TEDS的通道数据模型长度、通道采样周期配置TIM的接入等级。

步骤50计算、配置退避时间及执行退避，之后返回监听信道、发送数据。所述退避时间T_BO如式(4)。

其中表示小于等于x的最大整数，random()表示均匀分布于[0，1]之间的伪随机数，T_slot是时隙时间，是物理层特征值，其大小由收发器决定。

步骤60发送数据成功时，高优先级阶段节点和低优先级阶段节点分别以各自的退避方法减小竞争窗口。

上述高优先级阶段节点和低优先级阶段节点在发送数据成功时的竞争窗口CW⁽ⁱ⁾为：

${\mathrm{CW}}^{\left(i\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{iCW}}_{\min },& i=1\\ \max ({\mathrm{CW}}^{\left(i\right)}-\mathrm{\β},i{\mathrm{CW}}_{\min }),& i=2\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，β为低优先级阶段节点的竞争窗口CW⁽²⁾线性减小的步长。

上述高优先级阶段节点发送数据成功时，其竞争窗口CW⁽¹⁾直接减至其最小竞争窗口CW_min，退避阶数j＝0，这使得节点在即插即用过程中能以更高的接入等级接入系统，提高即插即用速度。

上述低优先级阶段节点发送数据成功时，其竞争窗口CW⁽²⁾以β(β取值不宜过大，本实施的β＝16)步长线性减小，退避阶数j＝0。如果线性递减后的竞争窗口CW⁽²⁾小于最小竞争窗口2CW_min，则CW⁽²⁾＝CW⁽²⁾-β(α₂CW⁽²⁾-β≥2CW_min)或CW⁽²⁾＝2CW_min(CW⁽²⁾-β＜2CW_min)。

本实施的基于多接入等级动态退避的IEEE 1451智能传感器功能模块架构图参阅图3，TIM的核心处理模块中设有TEDS解析功能模块和接入等级设置模块。TIM通过TEDS解析功能模块对各种TEDS进行解析，并将接入等级设置所需的各种参数输入到接入等级设置功能模块中，接入等级设置功能模块在即插即用过程中利用各种TEDS的长度配置TIM的接入等级，在传感数据传输过程中利用各个启动通道的Channel-TEDS的通道数据模型长度、通道采样周期配置TIM的接入等级。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法，其特征在于，所述方法包括：

判断智能传感系统节点所处的优先级阶段，初始化优先级阶段节点对应的参数；

监听信道状态，信道空闲则发送数据，信道忙则继续监听信道；

在发送数据过程中检测是否发生数据冲突；

数据冲突时，高优先级阶段节点和低优先级阶段节点分别以各自的退避方法增大竞争窗口，并计算、配置退避时间及执行退避，之后返回监听信道、发送数据；

发送数据成功时，高优先级阶段节点和低优先级阶段节点分别以各自的退避方法减小竞争窗口。

2.根据权利要求1所述的提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法，其特征在于，将不同接入阶段下的IEEE 1451传感系统节点设置为不同的优先级阶段i，所述IEEE 1451传感器系统节点包括TIM和NCAP，所述优先级阶段包括：

传感系统节点在即插即用过程中处于高优先级阶段，该优先级阶段参数i＝1；

传感系统节点在发送传感数据过程中处于低优先级阶段，该优先级阶段参数i＝2；

所述高优先级阶段和低优先级阶段节点的竞争窗口CW⁽ⁱ⁾为：

式中，iCW_min、iCW_max分别为高优先级阶段节点和低优先级阶段节点对应的最小竞争窗口、最大竞争窗口，α_i为高优先级阶段节点和低优先级阶段节点发生数据冲突时竞争窗口CW⁽ⁱ⁾乘性增大的系数，β为低优先级阶段节点发送数据成功时竞争窗口CW⁽ⁱ⁾线性减小的步长。

3.根据权利要求1或2所述的提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法，其特征在于，所述高优先级阶段节点参数、低优先级阶段节点参数在初始化时，退避阶数j＝0，CW⁽ⁱ⁾分别为各自的最小竞争窗口CW_min和2CW_min。

4.根据权利要求1或2所述的提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法，其特征在于，发生数据冲突时，所述高优先级阶段节点、低优先级阶段节点的CW⁽ⁱ⁾以各自的系数α_i乘性增加，同时高优先级阶段节点和低优先级阶段节点的退避阶数j加1，其中，α₂＞α₁＞1；所述NCAP的CW⁽ⁱ⁾的乘性系数为α₁＝a，TIM的CW⁽ⁱ⁾的乘性系数α_i为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1=\left\{\begin{array}{cc}a& (L_{X-\mathrm{TEDS}}>R\×1s)\\ b& (L_{X-\mathrm{TEDS}}\≤R\×1s)\end{array}\right.\\ {\mathrm{\α}}_2=\left\{\begin{array}{cc}c& (\mathrm{\Σ}{L}_{\mathrm{dm}}/T_{\mathrm{sp}}>R)\\ d& (\mathrm{\Σ}{L}_{\mathrm{dm}}/T_{\mathrm{sp}}\≤R)\end{array}\right.\end{array}\right.$

式中，α_i≤4且1＜a＜b＜c＜d，L_X-TEDS是各种TEDS的长度，R是IEEE 1451.x接口的速率，L_dm、T_sp分别是启动通道的Channel-TEDS中通道数据模型长度、通道采样周期。

5.根据权利要求1或2所述的提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法，其特征在于，在连续发生数据冲突时，连续执行所述乘性增加CW⁽ⁱ⁾的步骤直至数据发送成功、j达到最大退避阶数m_i或者CW⁽ⁱ⁾达到iCW_max。

6.根据权利要求4所述的提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法，其特征在于，所述TIM的核心处理模块中设有TEDS解析功能模块和接入等级设置功能模块。

7.根据权利要求1或2所述的提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法，其特征在于，发送数据成功时，高优先级阶段节点的CW⁽¹⁾直接减至CW_min且j＝0；低优先级阶段节点的CW⁽²⁾以β步长线性减小且j＝0，所述线性递减后的CW⁽²⁾如果小于2CW_min，则CW⁽²⁾＝2CW_min。

8.根据权利要求2所述的提高智能传感器即插即用速度的多接入等级动态退避方法，其特征在于，j＝m_i时CW⁽ⁱ⁾保持不变且设置j＝0，所述低优先级阶段节点放弃该帧数据发送，所述高优先级阶段节点以所述退避方法继续竞争信道发送该帧数据。

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