CN102752720A - 一种短距离无线接入冲突的避让方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于无线跳频理论和TDMA的思想，针对一类小数据量、子站随机访问的短距离无线通信业务，公开了一种短距离无线接入冲突的避让方法，包括：无线主站发送命令帧，寻呼从地址的一部分来筛选避让无线子站的接入，所述从地址的一部分是指最先体现无线子站从地址差异的最低几位站号，所述无线主站发送命令帧由控制信道专门发送，所述无线子站的数据由数据信道承载，所述无线子站在控制信道侦听到无线主站寻呼的命令帧时，跳到数据信道发送数据，而后转回控制信道接收无线主站发送的确认帧。本发明有效地提高了无线通信的可靠性，减轻了网络的负担，提高了子站无线接入的效率。

Description

一种短距离无线接入冲突的避让方法

技术领域

本发明属于信息控制调节领域，特别涉及一种短距离无线接入冲突的避让方法。

背景技术

短距离无线通信系统是指依靠无线通信技术可在最远达100米的有效范围内实现数据传输的解决方案。它与有线通信系统相比主要有成本低、移动方便、不用布线等优点，可以为移动用户提供各种服务，例如远程数据采集系统、远程信号监控系统、门禁系统的身份卡识别系统、高速公路不停车收费系统等。而方便、快捷的无线接入是进行无线网络互联的前提条件。因此怎样使多个移动的无线子站都能及时、顺利地与一个固定的无线接入主站建立通信连接而尽量少地产生冲突是无线通信技术在实际应用中需要解决的一个关键问题。

不同的短距离无线通信业务具有不同的应用特点，它们在无线接入的具体要求、需要传输的数据量等方面有很大的差异。其中有一类业务具有接入请求随机出现、数据量较小的特点，例如，运输管理部门的不停车收费系统、企业内部的无线物流管理系统、智能小区的无线抄表系统、传感器网络无线监控系统、野生动物监控系统、门禁处的身份识别登记系统等，在这些业务中，系统主要具有以下应用特征：

(1)子站必须与主站及时、正确地建立连接，双方握手的时间不能太长。如果子站在敏感区内滞留很长时间，那么直接影响了后继子站的进入。

(2)一次连接建立之后，子站与主站之间传输的数据量较少。因此如果等待接入的时间数十倍于有效数据的通信时间，那么系统的通信效率很低。

(3)子站的到来是随机的、断断续续的。

(4)因为短距离无线通信系统中使用的无线通信装置的发射功率有限，所以在100米的通信敏感区内同时出现的子站数量不会太多。

目前，解决无线接入冲突的机制主要分为两种：

第一种是基于竞争的接入方式：如802.11协议中采用的载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)机制，通过测试天线口能量来评估接收信号的强度(RSSI)从而控制子站发送接入请求的时间，CSMA/CA还使用RTS，CTS，ACK等显式管理帧来减少冲突。

第二种是无竞争的接入方式：由无线接入主站来集中控制。如蓝牙协议中采用点对点的寻呼方式，一个微网中通过主单元对子单元的统一管理来避免竞争冲突。

基于竞争的接入方式需要较多的开销，从子站有接入请求时开始启动RSSI到它真正获得信道使用权需要较长的时间，并且子站获取信道发送数据的时间很随机，不能保证所有提出接入请求的子站均能及时与主站建立连接，所以在短距离的无线通信业务中并不适用；在传输大的数据报时，使用RTS、CTS等显式的管理帧能有效地减少因为冲突而引起的数据重传，但它们同时也加重了网络的负担，因此在数据量较小的业务中并不适用；在无竞争的接入方式中，点对点的寻呼能有效地避免多个子站的无线接入冲突，使每个子站都能与主站建立连接，但是这种方式要求主站在寻呼之前知道子站的确切从地址，并且主站发送一次广播消息最多只能与一个子站建立连接。在子站只是陆续出现并且出现的时间很随机的情况下，主站不能知道任意时刻出现在敏感区内的子站的确切从地址，因此它不能通过点对点的呼叫来集中控制子站的无线接入。

综上所述，本发明针对一类小数据量、子站随机出现的短距离无线通信业务，公开了一种解决多点无线接入冲突的方法。

发明内容

本发明基于无线跳频理论和TDMA的思想，针对一类小数据量、子站随机访问的短距离无线通信业务，提出了一种解决短距离无线接入冲突的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种短距离无线接入冲突的避让方法，其特征在于，包括：无线主站发送命令帧寻呼从地址的一部分筛选避让无线子站的接入，所述从地址的一部分是指最先体现无线子站从地址差异的最低几位站号。

所述的避让方法还包括：控制信道和数据信道，所述无线主站发送命令帧由控制信道专门发送，所述无线子站的数据由数据信道承载，所述无线子站在控制信道侦听到无线主站寻呼的命令帧时，跳到数据信道发送数据，而后转回控制信道接收无线主站发送的确认帧。

所述无线主站时钟为唯一系统时钟，无线子站调整自己的本地时钟与无线主站时钟同步。

所述的避让方法还包括以下步骤：

1)主站寻呼广播，子站进入敏感区，子站开始监听；

2)子站符合校验特征；

3)子站传送数据；

4)所有子站收到主站ACK信号，子站离开敏感区；

5)其他子站时隙计数器减1；

6)判断时隙计数器是否变为0，如果结果为否直接执行步骤8)；

7)该子站发送数据；

8)等待下一个时隙再判断。

所述步骤2)还包括以下步骤：

2.1)没有一个子站符合校验特征，执行步骤2.3)-2.4)；

2.2)有多个子站符合校验特征，执行步骤2.5)-2.8)；

2.3)主站广播发送NULL信息；

2.4)执行步骤5)；

2.5)主站从地址的校验特征向上扩展1位，广播发送RETRY信息，建立冲突二叉树；

2.6)等待ACK的子站校验地址的扩展位特征，其他子站停止时隙记数，等待新的广播命令，当广播命令为1时执行步骤2.8)；

2.7)重发；

2.8)等待下一个时隙再发送。

所述无线主站和无线子站由一个前端的射频模块和一个后端的主控构成，无线主站与计算机通过RS-485有线连接。

所述主控晶振频率：4MHz；工作电压：3.3V；控制信道频点：915MHz；数据信道频点：920MHz；射频发射电流：48mA；射频接收电流：12mA；输出发射功率：+15dbm；灵敏度：-113dbm；频偏：40kHz；无线通信速率：7.8kbit/s；子站的从地址长度：3bytes；基本接收时隙的划分：8个/次；基本接收时隙的长度：3ms。

本发明所阐述的短距离无线接入冲突的方法具有以下优点：

1)将控制信道与数据信道分开，并采用简短的显式管理帧，有效地提高了无线通信的可靠性。

2)将一个接收阶段分为多个时隙，用很短的ACK，NULL，RETRY信号替代了多次的点对点广播命令帧，发送一次广播命令可以与多个子站建立连接，有效地减轻了网络的负担。

3)根据体现子站地址差异先后的权重不同，要求子站校验从地址的低位部分，出现冲突时再逐步往高位扩展，这有效地缓解了主站寻呼的压力，也提高了子站无线接入的效率。

本发明基于无线跳频技术和TDMA的思想，根据体现设备地址差异先后的权重不同，主站只寻呼从地址的一部分来筛选无线接入的子站，同时为了提高无线通信的可靠性，建立连接的过程中采用了简短的显式确认帧来进行管理。

说明书附图

图1：系统总体结构图。

图2：无线主站硬件结构图。

图3：无线子站硬件结构图。

图4：通信时序图。

图5：冲突二叉树。

图6：无线主站工作流程图。

图7：方法流程图。

具体实施方式

以下结合一个高速公路不停车收费系统的具体实施例对本发明做进一步描述：

在高速公路不停车收费系统中，将无线接入主站固定在收费站的关卡处，收费站前100米的地方设置一个唤醒站。因此从唤醒站到收费站100米的范围为通信敏感区。无线子站只有进入通信敏感区时才会由唤醒装置唤醒单片机，其他情况下，单片机均处于休眠模式。当车辆进入敏感区时，车载子站系统被唤醒，它必须在车辆通过这100米的时间内与无线接入主站建立连接，将子站的信息数据通过主站传到后台计算机的数据库，完成缴费并更新自己的数据。见图1。

主站与计算机通过RS-485进行有线连接，它负责与进入无线通信敏感区的移动子站建立连接，双方同步后接收子站数据并上传给后台的计算机处理，同时也将计算机的处理结果和命令下传给子站。当有多个子站同时进入通信敏感区并提出无线接入的请求时，便出现冲突，信道中传输的数据不再有效。这时主站必须通过一定的仲裁机制使得多个子站均正确接入，与之建立可靠连接。

本实施例中，主控采用TI公司的超低功耗16位单片机MSP430混合信号处理器，采用XEMICS公司的多频点可跳频单片收发ICXE1202无线收发模块作为RF前端模块。如图2、图3。

RF模块XE1202主要有以下特点：

1)低电压、低功耗、高灵敏度、高RF输出；

2)工作在915M/869M/434M的国际通用IMS频段，多频点可跳频；

3)宽带工作模式(带宽为400kHz时，速率可达76.8kb/s和窄带工作模式(带宽为25kHz时，速率为4.8kb/s)可以自由切换；

4)用内置锁相环(PLL)频率合成器，稳定性极好；

5)可直接与单片机串口连接，无需任何编码，控制简单；

6)内置位同步器，抗干扰能力强；

7)内置RSSI(Received Signal Strength Indicator)和FEI(FrequencyError Indicator)等功能模块；

8)多个参数可由软件设置，如工作频点、输出功率、速率和带宽等。

基于XE1202的性能特点，整个通信系统设置了两个信道：控制信道和数据信道。控制信道专门用于发送主站命令，数据信道专门用于发送子站数据。因此主站发送的任何命令帧只会在控制信道中出现，而在数据信道只承载子站数据。子站进入敏感区后就一直在控制信道侦听主站的命令，只有检测到主站寻呼自己时才跳到数据信道去发送数据，发送完数据后马上回到控制信道去接收主站返回的ACK，因此主站发送的任何命令帧都会被进入敏感区的子站在控制信道侦听到。这种显式的控制帧有利于子站与主站保持严格的时间同步，更好地协调各个子站及时、顺利地接入系统。在该系统中，实行主站集中控制，通信仅存在于主站与一个或多个子站之间。主站与子站通信时，时隙交替使用。主站时钟为唯一的系统时钟，各个子站均调整自己的本地时钟与之同步。

在任意时刻，主站不知道进入敏感区的子站的确切地址，因此它就根据最先体现子站从地址差异的最低几位站号来寻呼。实验中，主站发送一次广播命令后，将接收数据的阶段分为8个是时隙，分别在不同的时隙中顺序接收从地址最低3位从000到111的子站发送的数据。而所有接收到广播命令的子站根据命令帧中的从地址校验信息来对照自己的从地址，计算属于自己发送数据的时隙并启动计数器。然后子站继续在控制信道侦听，并根据侦听到的确认帧(ACK)、空帧(NULL)或重传帧(RETRY)来修改自己的时隙计数器，当计数器为0时就跳到数据信道去发送数据。

每个定义了从地址校验特征的接收时隙会出现以下三种情况：

1、有且仅有一个符合校验特征的子站侦听到了主站发送的广播命令。那么主站便能正确收到与时隙定义的从地址校验特征相符的子站信息，因此主站会发送一个确认帧(ACK)。发送数据的子站收到ACK后，知道通信成功，便可以离开敏感区；其他子站侦听到ACK，将自己的时隙计数器减1，时隙计数器变为0的子站随即切换到数据信道去发送数据。

2、没有与校验特征相符的子站侦听到主站的广播命令，那么该时隙没有子站响应，主站在定义的时间内就不会收到任何信息，此时主站便发送一个空帧(NULL)，表示此时隙为空，后继子站可以发送数据。侦听到NULL的各子站便将自己的时隙计数器减1，时隙计数器变为0的子站便跳到数据信道发送数据。

例如，主站发送一次广播命令Broadcast(000，3)，表示主站要求子站校验从地址的最低3位，而起始时隙的校验特征为从地址最低3位为000。这时主站将接收分8个时隙，分别顺序接收从地址最低3位从000到111的子站信息。假如此时共有5个子站在敏感区内，它们分别是：xxxxx000，xxxxx011，xxxxx100，xxxxx101和xxxxx111。收到广播命令后，xxxxx000计算出自己将在第1个接收时隙发送数据，同理，xxxxx011将在第4个时隙发送数据，xxxxx100将在第5个时隙发送数据，xxxxx101将在第6个时隙发送数据，xxxxx111将在第8个时隙发送数据。8个时隙接收完毕，主站再发送新一轮的广播命令。主从双方的通信时序如图4所示。这样，主站只发送1次广播命令便可以接收到5个子站的信息，有效地减轻了网络的负担。

3、有多个与校验特征相符的子站侦听到主站的广播命令，那么它们均会在同一个接收时隙发送数据，于是便发生冲突，从而导致主站收到的数据与时隙定义的从地址校验特征不符。此时主站便将从地址的校验特征向上扩展1位，发送一个要求重传的命令帧(RETRY)，同时以冲突时隙的校验特征为父结点，扩展位分别为0或1的特征为子结点构建一棵冲突二叉树。RETRY命令将接收时段分为两个时隙，分别接收扩展位为0或1的子站信息。侦听到RETRY命令后，其他子站便停止时隙记数，等待新的广播命令，而正在等待ACK的子站就知道自己发送的数据已经发生冲突，它们便分别校验自己从地址的扩展位特征，如果为0，就马上重传数据；如果为1，便等待一个时隙再发送。如此类推，一旦有冲突发生，主站就将从地址的校验特征位依次向上扩展，同时不断地增加冲突二叉树中的特征结点，直到主站正确地区分出其中的两个子站为止。实际上，这两个子站便是发生冲突的子站中从地址差异最大的两个子站。随后，主站以当前时隙的校验特征结点为起点，回溯冲突二叉树，将所有已经标注了特征却没有寻呼到的时隙寻呼完整。当回溯到二叉树的根结点时，主站便与在该时隙中所有发生冲突的子站一一建立了连接。这样主站又可以发送新的一轮广播命令了。例如，当从地址分别为XXX00000，XX010000，XX110000，XXX11000的子站同时侦听到主站的广播命令时，它们均会在校验特征为000的时隙发送数据，这样便会发生冲突。在解决冲突的过程中，主站会构建一棵如图5所示的冲突二叉树。图6为主站工作流程图。

经过本发明设计的避让方法设计的高速公路不停车收费系统，测试结果对于3条车道的收费关卡，100米的通信敏感区范围内最多可同时出现60个子站，假设汽车在敏感区内以80km/h的速度行驶，那么一辆汽车通过敏感区的时间为4.5s。理想情况下，如果没有冲突发生，则子站顺利接入无线网络的平均时间为15ms；最严重的情况下，60个子站均发生不同程度的冲突，那么主站使其全部顺利接入无线网络的平均时间为500ms；通常情况下，一般流量时子站与主站正确建立连接的平均时间为300ms，正确接入率均为100％。

以上是对本发明的具体描述，很显然，如果子站数量过多，测试方案可以作以下改进：可以将广播命令后最初的接收阶段分为更多的时隙，比如16个时隙，即要求子站校验从地址的最低4位。出现冲突时，将从地址的校验特征扩展多位，比如第一次重传将需要校验的从地址特征向上扩展3位，第二次重传扩展2位，第三次重传扩展1位，这样根据出现冲突的概率越来越小才逐步减小扩展校验特征位的步长。所以在本方案的发明构思下所做出的任何改变都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种短距离无线接入冲突的避让方法，其特征在于，包括：无线主站发送命令帧，寻呼从地址的一部分筛选避让无线子站的接入，所述从地址的一部分是指最先体现无线子站从地址差异的最低几位站号。

2.根据权利要求1所述的避让方法，其特征在于，还包括：控制信道和数据信道，所述无线主站发送命令帧由控制信道专门发送，所述无线子站的数据由数据信道承载，所述无线子站在控制信道侦听到无线主站寻呼的命令帧时，跳到数据信道发送数据，而后转回控制信道接收无线主站发送的确认帧。

3.根据权利要求2所述的避让方法，其特征在于，所述无线主站时钟为唯一系统时钟，无线子站调整自己的本地时钟与无线主站时钟同步。

4.根据权利要求1所述的避让方法，其特征在于，还包括以下步骤：

1)主站寻呼广播，子站进入敏感区，子站开始监听；

2)子站符合校验特征；

3)子站传送数据；

4)所有子站收到主站ACK信号，子站离开敏感区；

5)其他子站时隙计数器减1；

6)判断时隙计数器是否变为0，如果结果为否直接执行步骤8)；

7)该子站发送数据；

8)等待下一个时隙再判断。

5.根据权利要求4所述的避让方法，其特征在于，所述步骤2)还包括以下步骤：

2.1)没有一个子站符合校验特征，执行步骤2.3)-2.4)；

2.2)有多个子站符合校验特征，执行步骤2.5)-2.8)；

2.3)主站广播发送NULL信息；

2.4)执行步骤5)；

2.5)主站从地址的校验特征向上扩展1位，广播发送RETRY信息，建立冲突二叉树；

2.6)等待ACK的子站校验地址的扩展位特征，其他子站停止时隙记数，等待新的广播命令，当广播命令为1时执行步骤2.8)；

2.7)重发；

2.8)等待下一个时隙再发送。

6.根据权利要求1所述的避让方法，其特征在于，所述无线主站和无线子站由一个前端的射频模块和一个后端的主控构成，无线主站与计算机通过RS-485有线连接。

7.根据权利要求6所述的避让方法，其特征在于，所述主控晶振频率：4MHz；工作电压：3.3V；控制信道频点：915MHz；数据信道频点：920MHz；射频发射电流：48mA；射频接收电流：12mA；输出发射功率：+15dbm；灵敏度：-113dbm；频偏：40kHz；无线通信速率：7.8kbit/s；子站的从地址长度：3bytes；基本接收时隙的划分：8个/次；基本接收时隙的长度：3ms。

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