CN102946631A - 一种基于信标帧同步和通信异步的mac层节点调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于信标帧同步和通信异步相结合的侦听周期动态调整的MAC层节点调度方法，涉及无线通信技术领域，主要解决当无线传感网应用于通信次数少、数据流量低、网络规模小的实时监控场景中时，降低网络通信和控制能耗、降低通信冲突率和提高网络对节点的管理能力等问题。在本发明实施例中，协调器周期性的向节点发送信标帧并建立新型超帧及全网同步，在新型超帧期间，各节点分别以不同的周期在睡眠/侦听状态间转换，协调器器与节点通过异步唤醒的方式进行数据通信和控制命令帧的收发。本发明实施例可应用于基于无线传感器网络的智能抄表、智能家居系统。

Description

一种基于信标帧同步和通信异步的MAC层节点调度方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体提供一种适用于网络规模较小、通信次数不频繁、数据量小、下行数据为主且不同节点的功能存在差异性的无线传感器网络系统中的MAC层节点调度方法。

背景技术

如本领域所一般公知的，无线传感器网络中的协调器与各节点采用无线的方式连接，网络设备(即协调器与节点)之间使用同一种信道接入和节点调度策略，以实现多个节点共用无线通信资源。该调度策略由位于无线传感器网络协议底层的介质访问控制层(mediumaccess control，MAC)决定；在协议的具体实现过程中，协调器其主要作用。

一般来说，衡量MAC层协议性能的好坏，会主要考虑以下几个方面：

(1)节点的能耗。传感器网络节点的供电方式一般以干电池、纽扣电池为主，难以做到实时更换。为了保证网络能够长期正常工作，应在满足功能要求的基础上，尽可能降低节点各方面的能耗。另外，一般情况下，协调器的供电方式为可外接的交流电供电，所以可以不考虑其能耗问题。

(2)数据通信的时延。无线传感器网络一般应用于数据收集和监测等场景，此类应用对于数据的实时性有一定要求，即无线网络应尽可能降低通信时延。

(3)信道使用效率。信道使用效率为多个网络设备共用一个信道时，单位时间内传输的有用数据量。为提高信道使用效率，应尽可能的降低协调器与节点之间收发单位数据包时对信道的占用时长。

(4)其他衡量网络性能的要素还有网络的吞吐量、公平性等。在本发明所涉及的无线传感器网络系统中，由于网络规模较小、通信次数不频繁、数据量小，所以网络的吞吐量不是影响网络性能主要矛盾；另外，由于不同节点的功能存在差异性，所以网络的公平性也可不必作为设计的要求。

鉴于以上4个方面的介绍，在设计无线传感器网络的MAC层协议时，应尽可能避免导致上述网络性能降低的现象出现，一般主要关注以下几个现象：

1)数据碰撞。若节点采用竞争方式共享无线信道，则多个节点在发送数据的过程中，就有可能发生碰撞，并引发数据重传，进而导致消耗节点能耗、增加通信时延等现象。

2)节点接收及处理非有用数据。称为为“串音”现象，会造成节点能量的浪费。

3)节点对信道进行不必要的空闲侦听。同样，会造成节点能量的浪费。

4)设备占用信道时间过长。协调器或节点为了与对方建立连接，有可能会长时间的占用信道，影响其他节点对信道的竞争，降低信道使用效率、增加网络通信时延。

5)协调器与节点之间过多的管理与控制信息。为保证网络的正常运行及功能实现，协调器与其节点之间通过MAC层的管理消息进行网络维护和实时调整，但若管理消息过多也将会造成节点能量的浪费和信道使用效率的降低。

MAC层协议设计的主要目标就是尽可能避免上述现象的出现，以提高网络的综合性能。现有的MAC层协议可分为异步和同步两类分别讨论。

在异步类MAC层协议中，所有节点维持自己独立的睡眠侦听周期，节点醒来后随即参与信道竞争。在该类协议中由于收发双方不同步，因而发送设备(协调器或节点)发出数据时接收设备可能正处于睡眠状态，所以在发送数据前，需要使用一种前导序列技术来唤醒接收设备。

按照通信发起者的不同，异步类协议的调度模式可分为“发送设备发起”和“接收设备发起”两种调度模式。在本发明所涉及的网络系统中，“接收设备发起”的调度模式实际上是将协调器在唤醒操作中的一部分能耗改由节点来承担。这一点不符合减少节点能耗的设计原则，所以本发明所涉及的异步类调度模式仅限于“发送设备发起”模式。

在“发送节点发起”的异步调度模式中，现有技术(1)为Wise-MAC【1】协议；现有技术(2)为X-MAC【2】协议。

现有技术(1)：Wise-MAC协议的核心思想是让发送设备知道接收设备何时唤醒，因而发送设备只需要在接收设备醒来之前开始发送极短的前导序列就可以发起通信。Wise-MAC中将接收设备的调度信息嵌入在确认包中，在每次数据发送完毕发回给发送设备。但是在网络流量较小时，Wise-MAC协议需要在前导序列中对时钟漂移进行补偿，反而导致前导序列过长，当网络负载很小时，其前导序列长度几乎等于节点的侦听间隔。

现有技术(2)：X-MAC协议改进了前导序列过长的问题，其将整个前导序列分割成许多闪频序列，在每个闪频序列中嵌入目的地址信息。X-MAC在发送两个相邻的闪频序列之间插入一个侦听信道的间隔，用以侦听接收设备的唤醒标识。接收设备如果侦听到闪频序列就会给发送设备发回一个确认包，表明自己已经被唤醒可以进行数据交换。X-MAC最大的优点是不再需要发送一个完整长度的前导序列来唤醒接收设备，因：而发送延时和收发能耗都比较小；节点只需串听一个闪频前导就能转入睡眠，串听功耗有了显著改善。但是X-MAC中节点每次醒来探测信道的时间却有所增加，这使得协议在低负载网络中能耗仍比较大。

综上所述，现有技术(1)和现有技术(2)主要有以下两方面优点：A、不需要维持设备的全网同步，协调器与节点之间的管理与控制信息较少；B、节点接收及处理非有用数据量较少，串音现象发生概率较低。因此，在现有技术(1)和现有技术(2)中，节点能耗能够得到有效的节省。

然而，现有技术(1)和现有技术(2)的缺点也十分明显：A、没有对数据碰撞现象给出合理的避免机制；B、由于没有实现同步，节点对信道进行不必要的空闲侦听时间较长；C、协调器在发送前导序列时，占用信道时间过长。因此，从网络性能角度综合来看，现有技术(1)和现有技术(2)中的数据通信时延较长、信道使用效率也很低。

在同步类MAC层协议中，协议将时间划分为若干个时间帧，在每一帧中又划分为一个工作时间段和一个休眠时段。节点在工作时段唤醒射频模块以收发数据，在休眠时段关闭射频模块以节约能源。这类协议的一个特点就是要求所有节点同步到一个共同的时间，这样网络中所有节点在相同时间唤醒并竞争使用信道。

同步类协议的现有技术(3)为GB/T 15629.15-2010【3】标准中MAC层协议针对星型拓扑网络所采用的超帧结构。其中，活跃期划分为三个阶段：信标帧发送期、竞争访问周期(CAP)和非竞争周期(CFP)。信标期期间，协调器向全网广播同步和超帧参数；CAP期间，节点采用CSMA-CA算法竞争信道；CFP期间，节点按分配的固定时隙发送数据。

现有技术(3)的优点有：A、实现节点的全网同步，节点对信道侦听时间较短；B、通过TDMA技术在CAP期间和CFP期间对超帧时隙进行划分，并事先规定不同时隙的接入模式，降低了协调器与节点、节点与节点之间收发数据的碰撞概率；C、对协调器和节点占用信道的时间进行了合理的限制。因此，从网络性能角度来看，现有技术(3)能够使网络获得较小的通信时延和较高的信道使用效率。

然而，现有技术(3)在实现网络同步的同时也付出了一定的代价：A、协调器与节点之间的管理与控制信息很多；B、节点接收及处理非有用数据量较大，串音现象难以避免。因此，现有技术(3)的总体能耗将远远高于异步类协议，且其中管理能耗占比例较大，不适用于本发明所涉及的网络规模较小、通信次数不频繁、数据量小的无线传感器网络。

另外，现有技术(1)、现有技术(2)和现有技术(3)均未能考虑无线传感器网络中各节点可能在功能和性能需求上存在差异性这一特点，即在调度机制中对所有网内节点采用同一个标准(在向下兼容的原则指导下，网络只能以性能要求最高的节点的需求作为最低标准)，这就导致网络在能耗和时延等方面付出了多余的代价。

【引用文献及标准】

【1】EI-Hoiydi A.，Decotignie J.，Hernandez J.Low power MAC protocols forinfrastructure wireless sensor networks[A].In Proceedings of the 9th IEEE Symposiumon Computers and Communications[C].2004，1：244-251.

【2】Buettner M.，Yee G.，Anderson E.，et al.X-MAC：a short preamble MAC protocolfor duty-cycled wireless sensor networks [A].In Proceedings of the FourthInternational Conference on Embedded Networked Sensor Systems[C].2006，307-320.

【3】GB/T 15629.15-2010.中国.信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第15部分：低速无线个域网(WPAN)媒体访问控制和物理层规范.国家质检总局(CN-GB).2010-09-02

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有异步类和同步类MAC协议在网络规模较小、通信次数不频繁、数据量小且不同节点的功能存在差异性的无线传感器网络中难以实现低能耗、低时延和低信道使用效率等问题，从而提出一种基于信标帧同步和通信异步的MAC层节点调度方法。

为实现上述目的，本发明所提出的方法将异步协议和同步协议的特点与优势相结合，并兼顾不同节点的差异性需求。该方法通过协调器周期性的发送信标帧来建立新型超帧及全网同步，在新型超帧期间，各节点分别以不同的周期在睡眠/侦听状态间转换，协调器与节点新型超帧内通过异步唤醒的方式进行数据通信和控制命令帧的收发。所述方法包含：

将相邻两个信标帧之间所形成的新型超帧时长划分为信标期、异步传输期和汇报期三个部分。

所述方法中，在超型帧期间，协调器与节点通过异步传输模式进行数据通信，相比于现有技术(3)可有效降低协调器与节点之间过多的管理与控制信息收发次数，进而降低管理能耗。

所述新型超帧的三个部分中各自执行操作如下：

在所述信标期内，协调器向网内节点广播信标帧以实现全网同步，并规定本新型超帧内异步传输期和汇报期的时长。所述信标帧中还包含各节点的侦听睡眠周期，即各节点的侦听睡眠周期由协调器根据各节点的功能和性能的需求统一进行分配，由此可知，协调器也能够掌握各个节点在异步传输期内从睡眠状态进入侦听状态的时刻(前提是全网同步的建立)。所述信标帧中也包含各节点在汇报期内可独立占用时隙的分配信息。

在所述异步传输期内，多个节点分别以不同的侦听睡眠周期在睡眠和侦听状态之间进行转换，所述的不同侦听睡眠周期可使各节点醒来的时刻互不相同。所述异步传输期内的数据交互按照通信方向可分为两种：协调器至节点的下行通信，节点至协调器的上行通信。

在本发明所涉及的网络中，所述的协调器至节点的下行通信为数据量最大、最主要的通信方式。

在所述的协调器至节点的下行通信方式中，所述方法中协调器执行操作及优势如下：鉴于协调器已掌握的目的节点进入侦听状态的时刻，欲发起通信的协调器在目的节点进入侦听状态之后发送一个短的前导序列来唤醒目的节点并建立连接。所述方法不必长时间的占用信道以发送长的前导序列，相比于现有技术(1)和现有技术(2)提高了信道的使用效率。

在所述的协调器至节点的下行通信方式中，所述方法中节点执行操作及优势如下：网内节点在进入侦听状态之后侦听时间需大于短前导序列的时长，所述侦听时长内，节点随时侦听协调器发来的段前导序列以等待建立连接。所述方法中节点的侦听时长不必大于整个侦听睡眠周期，即可确保能够与协调器有效的建立连接，相比于现有技术(1)和现有技术(2)减少了不必要的空闲侦听时间，同时相比于现有技术(3)降低了节点接收及处理非有用数据的概率，节省了节点的能耗。

在所述的协调器至节点的下行通信方式中，不同节点被分配不同的侦听睡眠周期，并在不同时刻、相互交错的进入侦听状态。所述方法中协调器和节点之间可以进行时间精确的唤醒与被唤醒，相比于现有技术(1)和现有技术(2)可降低数据碰撞的概率，即降低网络的平均通信时延。

在所述的节点至协调器的上行通信方式中，通信消息多为报警信息，所述方法中协调器执行操作及优势如下：源节点需跳出自身的侦听睡眠周期的循环，并在信道空闲时向协调器发送消息，通信完毕后，等待下一个信标帧并重新进入侦听睡眠周期。所述方法相比于现有技术(1)和现有技术(2)可降低节点报警时的时延。

在所述汇报期内，各节点按照协调器分配的各自的独立时隙，以TDMA方式与协调器建立连接，并进行数据收发。节点在各自时隙结束后进入睡眠状态，并在下一个信标帧到来前再次进入侦听状态。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1为本发明实施例的网络拓扑结构；

附图2为本发明实施例的新型超帧结构；

附图3为本发明实施例的信标帧格式；

附图4为本发明实施例的信标帧中的超帧规范字段格式；

附图5为本发明实施例的信标帧中的信标有效负荷字段格式；

附图6为本发明实施例中异步传输阶段内协调器与节点的数据交互过程。

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。

本发明实现的具体实施例提供一种基于信标帧同步和通信异步的MAC层节点调度方法。实施例适用于网络规模较小、通信次数不频繁、数据量小、下行数据为主且不同节点的功能存在差异性的无线传感器网络系统，相比于现有技术，可降低网络能耗、通信时延，并提高信道使用效率。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例所涉及的无线传感器网络的拓扑结构100为星型拓扑，如图1所示：协调器150具有与其它设备进行无线通信的能力，负责控制和调度网内其它无线设备进行工作、收集其它设备的数据及信息；节点110、节点120、节点130和节点140具有与协调器150进行无线通信的能力，受协调器150控制和调度，可主动发送数据至协调器150，也可相应协调器150发来的数据请求并发送数据。节点110、节点120、节点130和节点140在功能和性能需求上存在差异性，对时延要求依次降低、对节能要求依次升高。

图2是本发明实施例的新型超帧结构200示意图。如图1所示，节点A110、节点B120、节点C130、节点D140和协调器150同处一个新型超帧结构200中，并由协调器150向各节点(110-140)发送信标帧215进而建立新型超帧200和全网同步。

新型超帧结构200的时长为两个相邻信标期210的周期间隔。新型超帧结构200由三部分组成，分别是信标期210、异步传输期220和汇报期230。

在信标期210中，各节点(110-140)均处于活动状态，等待接收并处理协调器150发来的信标帧215，协调器150向各节点(110-140)广播信标帧215，收到信标帧215的各节点(110-140)实现全网同步，并与协调器150建立新型超帧结构200。除GB/T 15629.15-2010【3】标准中MAC层协议的信标帧原有的帧内容之外，新型超帧结构200的信标帧215包含如下信息，信标帧格式300如图3所示：

(1)异步传输期220和汇报期230的时长，该时长信息位于超帧规范字段310内。超帧规范字段310如图4所示，CAP的最后一个时隙410负责定义异步传输期220和汇报期230的时长。

(2)各节点(110-140)的侦听睡眠周期，也即各节点(110-140)的侦听睡眠周期由协调器150根据各节点(110-140)的功能和性能的需求进行统一分配。由此可知，在建立了全网同步的前提下，协调器150也能够掌握各个节点(110-140)在异步传输期220内从睡眠状态进入侦听状态的时刻。各节点(110-140)的侦听睡眠周期信息位于信标有效负荷330字段，信标有效负荷330字段如图5所示：

节点个数500为网内需要分配侦听睡眠周期的节点个数；

设备A短地址510为节点A110在网内的短地址，设备A侦听睡眠时长515为协调器100分配给节点A110的侦听睡眠周期的长度，如图2所示，设备A侦听睡眠时长515为2个单位时隙长度241；

设备B短地址520为节点B120在网内的短地址，设备B侦听睡眠时长525为协调器100分配给节点B120的侦听睡眠周期的长度，如图2所示，设备B侦听睡眠时长525为3个单位时隙长度251；

设备C短地址530为节点C130在网内的短地址，设备C侦听睡眠时长535为协调器100分配给节点C130的侦听睡眠周期的长度，如图2所示，设备C侦听睡眠时长535为5个单位时隙长度261；

设备D短地址540为节点D140在网内的短地址，设备D侦听睡眠时长545为协调器100分配给节点D140的侦听睡眠周期的长度，如图2所示，设备D侦听睡眠时长545为7个单位时隙长度271。

(3)各节点(110-140)在汇报期230内独立的占用时隙的分配信息，该分配信息位于汇报期字段320内。

在一个新型超帧200持续时间内，各节点(110-140)的侦听睡眠周期保持不变。信标期210结束后，网络进入异步传输期220。

在异步传输期220中，各个节点(110-140)分别以不同的侦听睡眠周期在睡眠和侦听状态之间进行转换，且按照上述为各节点分配的侦听睡眠周期长度，各节点进入侦听状态的时刻一般互不相同、互相交错(240、250、260和270)，也即协调器100可在不同时刻精确地唤醒不同节点，如图2所示。

在异步传输期220中，本发明实施例所涉及的通信方式按照数据传输的方向，可分为协调器至节点的下行通信、节点至协调器的上行通信两种。其中，协调器至节点的下行通信为主要的通信模式。

在协调器至节点的下行通信模式中，以图2中协调器150与节点C130之间的通信为例。由于协调器150掌握了节点C130进入侦听状态的时刻，所以协调器150可发送短的前导序列280以唤醒节点C130，后者与协调器150进行数据传输290。详细的通信过程如图6所示。节点C130在11号时隙开始时进入侦听状态610，等待被协调器150唤醒以建立连接，且侦听时间只需大于短前导序列的时长；欲与节点C130建立通信的协调器150向节点C130发送短的前导序列280以实现精确的唤醒；收到短的前导序列280的节点C130向协调器150发送确认帧630；随后，协调器150向节点C130发出数据请求640，后者再次回发确认帧650，并随之发出数据帧290。收到数据帧290的协调器150向节点C130发出确认帧670，并结束本次通信。

在节点至协调器的上行通信模式中，通信的消息一般为各节点(110-140)向协调器150发送的报警信息，通信过程为：报警节点跳出自身的侦听睡眠周期的循环，并在监测到信道空闲时向协调器150发送数据，通信完毕后，等待下一个信标帧210并重新进入侦听睡眠周期。

在汇报期230中，各节点(110-140)按照协调器150所分配的独立时隙，以TDMA方式与协调器150建立连接，并进行数据收发。节点在各自时隙结束后进入睡眠状态，并在下一个信标帧210到来前再次进入侦听状态。如图2所示，节点A被分配在n-3号时隙与协调器150进行数据交互245；节点B被分配在n-2号时隙与协调器150进行数据交互255；节点C被分配在n-1号时隙与协调器150进行数据交互265；节点D被分配在n号时隙与协调器150进行数据交互275。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于信标帧同步和通信异步的MAC层节点调度方法，该方法适用于网络规模较小、通信次数不频繁、数据量小、下行数据为主且不同节点的功能存在差异性的无线传感器网络系统，所述方法包含： 

协调器周期性的发送信标帧来建立新型超帧及全网同步，其特征在于，新型超帧分为信标期、异步传输期和汇报期三个部分，新型超帧内，协调器与节点采用同步与异步相结合的方式进行数据传输。 

2.根据权利要求1所述的信标期，其特征在于，协调器在此期间所广播的信标帧中包含各节点在超帧内的侦听睡眠周期，周期的长度取决于所述节点的功能与性能需求。 

3.根据权利要求1所述的异步传输期，提供一种提出一种基于时间同步的异步唤醒的通信连接方法，其特征在于： 

多个节点分别以不同的侦听睡眠周期在睡眠和侦听状态之间进行转换，各节点进入侦听状态的时刻互不相同，侦听时长只需大于短前导序列的时长； 

通过时间同步，协调器已知各节点进入侦听状态的时刻，且在目的节点进入侦听状态后发送短前导序列来唤醒目的节点并建立连接。 

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