CN103327638A - 一种超窄带通信模式的无线媒体接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超窄带通信模式的无线媒体接入控制方法。根据现有的无线个域网标准，在其物理层添加超窄带高效调制方式，提供四种不同速率，有效提高频谱利用率。在媒体接入控制层，分为竞争（CAP）阶段和非竞争（CFP）阶段，分别设计信道接入控制方法。本发明公开的基于EBPSK的GTS分配调度协议，利用基于速率优先级的方式按需分配和调度GTS，大大改善了GTS机制的灵活性，在CFP阶段大幅提高网络吞吐量、能耗以及延时性能。本发明实施例的仿真结果表明，所述方案能够支持节点密集部署情况下的高能效、高负载、低延时应用场景。

Description

一种超窄带通信模式的无线媒体接入控制方法

发明领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种超窄带通信模式的无线媒体接入控制方法。 

发明背景

IEEE 802.15.4工作组开发的低速率无线个域网（Low-Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN）标准规范旨在提供一种具备低速率、低复杂度、低功耗以及短距离传输特征的无线个人通信解决方案，能在固定、便携或可移动设备之间进行低速率的数据传输。由于其设备具有实现成本小、复杂度低、功耗低（电池寿命数月至数年）等特点，已经成为无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）的主流标准。

2011年发布的最新版IEEE Std 802.15.4-2011标准文档《Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)[S]. IEEE Std 802.15.4-2011 (Revision of IEEE Std 802.15.4-2006). 2011》，对迄今为止所有无线个域网标准修订版及修正案进行总结归纳，包含一种MAC层标准和多种物理层可选标准：O-QPSK-PHY、BPSK-PHY、ASK-PHY、CSS-PHY、UWB-PHY、GFSK-PHY。上述物理层调制方案的关键技术表现为扩频技术，通过使用宽带的信号，减小窄带噪声和干扰的效应，对于无线系统的多径效应具有更好的稳健性。然而，其代价为频谱利用率极低，接收系统复杂度较高。 

为了提高频谱利用率，避免ISM免许可频段内的干扰日益严重，美国的H.R. Walker工程师提出了超窄带的概念，发表了四项美国专利US4742532B1、US5185765B1、US5930303B1、US6445737B1。超窄带高效调制技术尽可能在满足部分功率保留带宽（即-20dB带宽）内高速有效地传输数据从而达到高频谱利用率的目标。 

东南大学的吴乐南教授提出了扩展的二元相移键控（ExtendedBinaryPhaseShiftKeying，EBPSK）调制方式(中国专利CN200610040767.2)，作为一种典型的超窄带高效调制方式，其涵盖了传统的BPSK以及美国专利提出的3PRK、MCM等调制方式，又潜在着前人未曾发现的新的调制方式。假设载波频率为ω_c，数据信息的符号宽度（即码元周期）T持续了N≥1个载波周期，即T=2πN/ω_c，调制区间τ持续了K个载波周期，即τ=2πK/ω_c，且K≤N（K和N均为正数），在调制区间τ内发生θ相移（0≤θ≤π）。则EBPSK调制方式的数学表达式可以表示为： 

$\begin{array}{cc}{f}_0\left(t\right)=A\sin {\mathrm{\&omega;}}_{C}t,& 0\&le;t<T\\ f_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}B\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{C}t+\mathrm{\&theta;}),\\ A\sin {\mathrm{\&omega;}}_{C}t,\end{array}\right.& \begin{array}{c}0\&le;t<\mathrm{\&tau;},0\&le;\mathrm{\&theta;}\&le;\mathrm{\&pi;}---\left(1\right)\\ \mathrm{\&tau;}\&le;t<T\end{array}\end{array}$

其中f₀(t)和f₁(t)分别表示发送比特“0”和比特“1”的调制波形。码率R=f_c/N，K、N和θ构成了改变信号传输码率、带宽和解调性能的调制指数。将τ/T=K/N称为调制占空比，对于调制占空比和相位的合理选择可以组合成一系列的调制方式。显而易见，当τ=T且θ=π时即为传统的BPSK调制方式。在解调方面，使用专利CN101599754A提出的冲击滤波器包含一对共轭零点和至少两对共轭极点，利用陷波选频特性把EBPSK信号的调制角度变化突出为输出信号的幅度跳变，通过门限检测器对幅度跳变进行高低电平判决，从而解调EBPSK信号。 

LR-WPAN中定义了两种设备：全功能设备（Full-FunctionDevice，FFD）和精简功能设备（Reduced-FunctionDevice，RFD）。其中通信能力较强的FFD作为网络协调器组织整个PAN。标准提供了两种可选择的通信模式：信标模式和无信标模式。在无信标模式下，设备采用无时隙CSMA/CA算法访问信道。在信标模式下，采用超帧表示网络通信时间的逻辑结构，其定义包含在信标帧中，由协调器广播至全网。超帧结构如图1所示，每个超帧分为活跃阶段和非活跃阶段，所有设备工作在活跃阶段。而活跃阶段等分为16个等宽时隙，第0时隙发送信标帧，信标帧间隔BI和超帧长度SD分别由SO和BO指数确定，标准规定0≤SO≤BO≤14，其中aBaseSuperframeDuration常量为960symbols（1symbol=4bits）。活跃阶段又分为竞争访问阶段（ContentionAccessPeriod，CAP）和非竞争访问阶段（Contention-freePeriod，CFP），CAP阶段设备通过时隙CSMA/CA算法或ALOHA机制竞争访问信道，而CFP阶段协调器只允许与申请时隙保障机制（GuaranteedTimeSlot，GTS）的设备通信。为了保证只在CAP内传输的MAC控制帧能够正确传输，标准规定CAP≥aMinCAPLength=440symbols，即当SO=0时CAP至少占有7.33个时隙。每个时隙内又划分为若干个退避时隙，用于时隙CSMA/CA算法中定位到退避时隙边界以保持与超帧时隙边界对齐。CFP阶段内最多支持7个GTSs，每个GTS可占有多个时隙。 

目前IEEE Std 802.15.4-2011标准使用三种信道接入机制：时隙CSMA/CA、非时隙CSMA/CA、ALOHA。前两种CSMA/CA算法流程图如图2所示。每个采用CSMA/CA信道接入机制的设备需要维护三个变量：NB、CW和BE。NB记录当前帧开始传输时已经退避的次数，初始值为0，每退避一次加一；CW记录竞争窗口的尺寸，初始值为CW0（日本频带CW0=1，其他情况设为2），需要连续CW0次检测到信道空闲后方能发送数据；BE是退避指数，当发生冲突后再次开始检测信道前（或首次访问前）需要等待的时间为2BE-1个退避时隙，初始化为macMinBE（默认值为3）。在信道访问期间，由于CCA检测要求将射频收发器置为接收状态，这时候将直接忽略接收到的数据。 

按上述要求初始化成功后，对于时隙CSMA/CA算法，先定位到退避时隙边界，等待指定时间开始CCA信道检测，连续CW0次检测信道空闲则发送数据。考虑到CAP和CFP的边界，发送程序必须确保当前数据的发送可以在CAP阶段内完成，否则将保存到下一个超帧再发送。在非时隙CSMA/CA算法中没有竞争窗口的概念，检测到信道空闲即可发送。在竞争接入阶段，若检测信道多次都一直为忙，即NB>macMaxCSMABackoffs=0~5（默认为4），则发送失败交由上层处理。 

UWB-PHY支持突发数据传输，速率以Mbps衡量，因此作为例外，采用ALOHA方式接入信道，即在发送之前无需侦听载波和随机退避，可以直接发送。ALOHA协议适用于轻载型网络，在数据碰撞概率很小的情况下性能较好。另外，标准规定应答帧和紧接在数据请求帧之后的数据帧可以直接发送。 

LR-WPAN标准支持星型网络与点对点网络两种拓扑结构，面向低能耗，低吞吐量的无线应用环境，目前诸多WSN应用皆参考该标准物理层和MAC层标准。但是，对于大多数WSN应用来说，往往需要支持大量节点密集部署，特别是在军用通信、应急监测、医疗监控等应用领域，对网络吞吐量和延迟性能的服务质量（Quality of Service，Qos）需求苛刻，而LR-WPAN标准在此等应用下表现出的不足之处可以分下述几方面考虑。 

整体性能分析 

LR-WPAN标准支持一定的灵活性，对于密集节点部署可以考虑点对点类型的簇树网络拓扑结构，然而复杂网络拓扑会带来网络建立、设备关联解关联等同步时间过长，对于节点移动性支持不足。因此，考虑提升最基本的星型拓扑结构的网络性能方为治本之策，而密集部署的网络可以采取基于星型分簇结构的分布式网络。

CAP阶段性能分析 

CAP阶段设计初衷是为了支持低吞吐量和低延迟的数据交互，包括所有控制帧的交互都是在此阶段完成的，因此该阶段必不可少（标准规定了最小持续时间）。当需要节点密集部署或是网络负载较大时，使用CSMA/CA信道接入算法会出现大量数据包碰撞的情况，成为标准的瓶颈。CSMA/CA算法规定每次发送数据之前需要进行至少一次随机退避时延和CW0次CCA检测，在进行CCA检测时会忽略接收到的数据包，造成能量浪费；另外，标准还规定若在当前超帧的CAP阶段无法完成数据传输需要保存至下一超帧再进行CSMA/CA竞争接入传输。这两方面叠加的延迟对于实时性要求较高的应用来说无疑是致命的硬伤，而在CAP阶段若出现大多数数据延迟发送的情况，则会加大再次发送时的碰撞概率，造成丢包而严重影响网络吞吐量。若是关键的控制帧无法正常发送（例如申请GTS的请求包），还会对后续阶段网络的正常运行造成较大影响。

CFP阶段性能分析 

CFP阶段对于该标准来说作为可选项，但对于实时性要求较高的应用来说，节点需要在CAP阶段申请GTS预留时隙，以保证数据的实时传输。标准规定CFP阶段最多支持7个GTS，因此一个星型网络中最多能支持7个节点同时申请GTS，而标准支持的设备数多达255个，必须通过分层结构组网才能支持更多设备的GTS需求，造成网络设计的复杂性和网络开销的浪费。考虑极端情况，当SO=BO=0，按照标准规定的常量，可以计算出每个时隙发送的比特数为240bits，按照物理层250kbps的速率，时隙持续长度为0.96ms。若此时有7个GTS请求，CAP的长度将被压缩到最小，很可能造成GTS请求发送失败的情况。在该情况下，每个GTS只能持续1个时隙，即在一个超帧内有实时性需求的数据只能发送240bit，这240bit只是PPDU的大小，按标准中各层帧格式的规定，真正可以传输的MAC服务数据单元（MAC Service Data Unit，MSDU）即应用层数据可由式计算得88bits。此负载量还是在忽略帧间隔和ACK确认帧等待时间的情况下计算的，实际可传输的应用层数据量还会更小，因此只能满足很小数据量的实时应用需求。若要加大负载量必须加大超帧持续长度，相应增加两次超帧传输间隔，从而影响实时性能。因此时延和负载要求需要进行折中。

PPDU=SHR+PHR+PSDU    (SHR+PHR=6Octets=48bits) 

MPDU=MHR+MSDU+MFR   (MHR+MFR=13Octets=104bits)   (2) 

PSDU=MPDU 

总之，固定的时隙宽度和申请GTS的个数以及GTS先到先服务（FirstComeFirstService，FCFS）顺序很大程度上限制了标准的灵活性。就整体性能而言，CFP阶段的存在也会影响CAP阶段数据传输性能，这是因为没有申请GTS需求的节点只能等到下一次CAP阶段才能发送数据，白白浪费了本次超帧内的CFP阶段。 

目前，已有一些文献研究如何改善GTS机制灵活性的方案。文献（Koubaa A, Alves M, Tovar E. i-GAME: an implicit GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4 for time-sensitive wireless sensor networks[C].  18th Euromicro Conference On Real-Time Systems, 2006. 183-192）提出了一种命名为iGAME的隐式GTS分配机制，允许以GTS共享的方式提高时隙利用率，但其忽略了GTS请求的数据优先级，只是单纯平等共享GTS时隙。同样为了提升GTS时隙利用率，文献（Liang C, Bourgeois A G, Xin Z. A new GTS allocation scheme for IEEE 802.15.4 networks with improved bandwidth utilization[C].  International Symposium on Communications and Information Technologies, ISCIT '07, 2007. 1143-1148）将CFP阶段划分为更小的16个等宽时隙独立于CAP阶段，改善了原标准的灵活性。文献（Chen J, Ferreira L L, Tovar E. An Explicit GTS allocation algorithm for IEEE 802.15.4[C].  2011 IEEE 16th Conference on Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA), 2011. 1-8）参考文献（Liang C, Bourgeois A G, Xin Z. A new GTS allocation scheme for IEEE 802.15.4 networks with improved bandwidth utilization[C].  International Symposium on Communications and Information Technologies, ISCIT '07, 2007. 1143-1148）将CFP阶段进一步分块，每个块内分为多个节点的GTS时隙，支持多于7个节点同时申请GTS，并且可以满足时延小于BI的数据实时传输要求。但其分配调度算法过于复杂，对标准作出了较大的改动。文献（Huang Y-K, Pang A-C, Hung H-N. An adaptive GTS allocation scheme for IEEE 802.15. 4[J]. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, 2008, 19(5): 641-651）和文献（Xia F, Hao R, Cao Y, et al. ART-GAS: An adaptive and real-time GTS allocation scheme for IEEE 802.15.4[C].  7th Asian Internet Engineering Conference. Bangkok, Thailand: Association for Computing Machinery, 2011. 96-103）根据数据优先级以及过去GTS申请成功率的反馈进行GTS分配和调度，对于时延性能和公平性有所提升，但无法突破7个GTS的限制。文献（Ding Y, Hong S H. CFP scheduling for real-time service and energy efficiency in the industrial applications of IEEE 802.15.4[J]. Journal of Communications and Networks, 2013, 15(1): 87-101）基于现场总线网络的窗口调度算法（Window Scheduling Algorithm，WSA）提出一种CFP调度机制，以满足工业自动化应用中的实时业务要求。根据WSA算法的多次迭代可以决定最优的SO/BO值以及GTS分配方案，但是仅适用于周期性数据并且时延需求已定量给出的情况下，其算法需要多次迭代，复杂度较高。 

发明内容

本发明在LR-WPAN物理层采用超窄带高效调制方案的反相调制（Phase Reversal Modulation，PRM）信号，可以支持250kbps、500kbps、1Mbps和2Mbps四种速率。由于超窄带高效调制技术的优越性，在提高速率的同时仍能具备高频谱效率和抗干扰性能，因此可以考虑提高LR-WPAN标准中物理层的速率标准。 

本发明提出了一种超窄带通信模式的无线媒体接入控制方法，包括以下步骤： 

步骤（1）在无线个域网使用超窄带高效反相调制，并使工作频段为ISM2.4GHz，取调制指数N分别为9600,4800,2400,1200，分别得到速率R为250kbps,500kbps,1000kbps,2000kbps;

步骤（2）使用新的物理层协议数据单元PPDU帧格式，该帧结构分为同步头SHR、物理帧头PHR和物理层PHY负载三部分；

步骤（3）在竞争访问CAP阶段，各节点采用载波侦听多址接入CSMA/冲突避免CA方式竞争接入信道，将竞争窗口初始值CW0设为1，BE初始值设为0，各节点发送数据前根据读取到的应用层包优先级速率值R，分别采用步骤（1）所述四种不同速率发送数据，若需要发送的数据为GTS请求帧，则需要计算GTS优先级，将计算结果：高级因素PR值，其取值范围00~11，分别代表步骤（1）中的四种速率；低级因素Pr值，其取值范围0~2047；以及上次GTS时隙结束时刻，通过GTS请求控制帧发送给协调器；

步骤（4）在非竞争访问CFP阶段阶段，各节点根据协调器所分配的保障时隙GTS优先级顺序采用可变时隙长度与协调器通信，协调器不限制最大可分配GTS个数，但需要保证CAP最小时间长度。

其中，步骤（3）中各节点请求GTS的优先级顺序按照如下步骤确定： 

（a1）节点同步完毕后，初始化三个变量：PR=0，PacketNumInBuffer=0，Last_GTS_EndTime=0。其中PR表示优先级的高级因素，PacketNumInBuffer表示目前缓存内的包个数，Last_GTS_EndTime表示上次分配的GTS时隙结束时刻；

（a2）等待上层包到达，进入GTS缓存，判断缓存是否溢出，若是，PR值自增1，否则PacketNumInBuffer值自增1，读取该包的优先级速率值R，比较PR和R，取两者中较大值作为新的PR值；

（a3）判断CAP阶段是否到来：若是，转步骤（a4）；否则，转步骤（a1）；

（a4）判断缓存利用率是否大于50%：若是，则计算优先级低级因素Pr值；否则，PR值自减1；

（a5）发送包含PR、Pr和Last_GTS_EndTime值的GTS请求帧给协调器；

（a6）判断上次GTS请求是否成功：若是，转步骤（a7）；否则，转步骤（a8）；

（a7）开始本次CFP阶段，在本次CFP阶段的GTS时隙结束后，更新Last_GTS_EndTime值；

（a8）结束本次超帧，开始下一超帧，返回步骤（a2）进行周期性工作。

其中，步骤（4）中协调器如何分配和调度各节点的GTS请求，该步骤具体包括： 

（b1）协调器同步完毕开始工作，在CAP阶段内接收各节点发来的GTS请求帧；

（b2）判断CAP阶段是否结束：若是，根据各节点GTS请求帧中的PR和Pr值进行优先级排序，首先根据PR值由高到低进行GTS分配排序，相同的PR值优先级内再根据Pr值优先级由高到低排序。

（b3）首先将超帧结束时刻作为最低优先级GTS的当前时隙结束时刻，计算该GTS请求时隙的持续时间长度T(i)|_i=LAST，其中i代表GTS优先级序列号。从而确定下一待分配GTS时隙的结束时刻，所述结束时刻紧挨着前一分配GTS时隙的起始时刻，以此类推直至所有待分配GTS时隙的T(i)值都计算完毕； 

（b4）判断当前剩余CAP持续长度是否大于CAP最小时间长度，若是，则转步骤（b5），否则取消最低优先级的GTS请求，将整个CFP阶段向后移，重复步骤（b4）；

（b5）结束GTS分配，生成信标帧，在下一超帧开始时将信标帧广播至各节点，返回步骤（b1）周期性工作。

在本发明的CAP阶段，若物理层速率使用500kbps，可以提高突发通信能力，减小同时竞争接入的碰撞概率，因此只需考虑改动原标准的相关参数即能提高吞吐量、能耗、延时等相关指标。比如将竞争窗口初始值CW0改为1，BE初始值改为0，或是在物理层提供2Mbps的情况下，可以采用非时隙CSMA/CA方式接入。另外，由于超窄带高效反相调制方式的变码率通信能力，物理层标准完全可以支持更高的速率，此时采用ALOHA竞争接入方式亦能满足网络性能要求。因此，本发明主要考虑CFP阶段的性能提高。综合考虑现有技术的优劣，本发明的CFP阶段将摒弃7个GTS限制以及16个等宽时隙的方式，利用基于速率优先级的方式更灵活地分配和调度GTS。 

  

本发明在LR-WPAN物理层加入超窄带高效反相调制技术，不改变调制方式、只改变调制指数N和K，即可在码率、带宽和信噪比等方面任意组合，具备一定的通用性。由于调制占空比较小，具备天生的码元保护间隔，降低发生码间干扰（Intersymbol Interference，ISI）的可能，抵抗无线通信环境下的多径效应。通过改变N的值可以实现变码率通信，提高猝发通信能力。

本发明在单纯提高速率和精简CSMA/CA协议参数的情况下，无线个域网性能与速率的提升成正比。因此，本发明在CAP阶段下能够支持节点密集部署的高负载低延迟WSN应用场景。 

本发明解除了原标准最多支持7个GTS的限制，允许多个节点同时请求GTS，只要满足CAP阶段最小持续时间的要求，请求节点即可分配到GTS。为了最大化GTS时隙利用率，本发明取消了16个等宽的时隙分配机制，采用可变时隙长度进行按需分配，并且以贪婪算法分配各个节点请求的时隙长度，保证数据传输的可靠性和实时性。为了提高原标准GTS分配机制的灵活性，支持高吞吐量低延时应用，本发明不使用FCFS调度机制，而是根据节点的GTS优先级，基于高级因素和低级因素进行优先级排序，综合利用数据速率优先级、过去GTS分配行为和本地数据到达率计算分配GTS的优先级，可以支持周期性数据和突发性数据的实时传输，而可变的物理层速率还能支持高吞吐量的应用，动态自适应于网络流量。  

附图说明

图1为现有技术中LR-WPAN中的超帧结构示意图； 

图2为现有技术中CSMA/CA算法流程图；

图3为本发明中PRM调制信号波形图；

图4为本发明中PRM信号功率谱密度图；

图5为本发明中高级因素状态转移图；

图6（a）为与本发明实施例一致的节点GTS请求工作流程图；

图6（b）为与本发明实施例一致的协调器GTS分配调度工作流程；

图7（a）为本发明实施例与WPAN标准在不同网络负载下CAP推迟发送次数对比；

图7（b）为本发明实施例与WPAN标准在不同网络负载下CAP阶段的节点能量消耗对比；

图7（c）为本发明实施例与WPAN标准在不同网络负载下CAP阶段的节点平均吞吐量对比；

图7（d）为本发明实施例与WPAN标准在不同网络负载下CAP阶段的平均端到端延时及MAC接入延时对比；

图8（a）为本发明实施例与WPAN标准在不同负载下CFP阶段的网络平均吞吐量对比；

图8（b）为本发明实施例与WPAN标准在不同负载下CFP阶段的平均端到端延时对比；

图8（c）为本发明实施例与WPAN标准在不同负载下CFP阶段的节点平均能耗对比；

图8（d）为本发明实施例与WPAN标准在不同负载下CFP阶段的平均时隙利用率对比。

具体实施例

本发明参考EBPSK高效调制解调技术，令式(1)中B=A=1，θ=π得到反相调制信号： 

$\begin{array}{cc}{f}_0\left(t\right)=\sin {\mathrm{\&omega;}}_{C}t,& 0\&le;t<T\\ f_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}-\sin {\mathrm{\&omega;}}_C,t\\ \sin {\mathrm{\&omega;}}_{C}t,\end{array}\right.& \begin{array}{c}0\&le;t<\mathrm{\&tau;}\\ \mathrm{\&tau;}\&le;t<T\end{array}\end{array}---\left(3\right)$

令其工作于ISM2.4GHz频段，取码元周期T持续N=4800个载波周期，调制区间τ持续K=2个载波周期，码率R=f_c/N=500kbps。其调制信号波形如图3所示，用welch估计法得出的功率谱密度如图4所示。 

为了将超窄带高效反相调制物理层添加至WPAN标准中，并且通过改变N值提供不同的速率。本发明参考IEEE Std802.15.4-2011版标准的PPDU帧格式设计准则，将物理层采用PRM调制方式的物理层帧格式设计为如表1所示的PPDU格式。 

PPDU帧格式分为同步头（SHR）、物理帧头（PHR）和PHY负载三部分。其中SHR域又分为前导码（Preamble）和帧开始符（SFD）两部分，前导码将根据PHR域里的相应比特位进行设置，参见表1。由于实测PRM调制速率为1Mbps时使用的同步头不超过30bit，因此前导码长度与数据速率相对应设置，并且采用全1表示，SFD使用16bit的[1111 0011 1010 0000]，最低位最先发送。PHR域中采用2bit表示4种数据速率，采用2bit表示4种前导码长度，7bit无符号整数表示PSDU的长度，以字节为单位。按上述PPDU帧格式的规定可以与最新版WPAN标准兼容，而本发明设计的PPDU帧格式的特征在于可通过改变PRM调制方式的N值提供不同速率。 

表1 本发明的物理层帧格式 

表2 PHR域比特格式

表3 PHR各域代表的参数值

本发明设计的GTS优先级主要由两种因素确定：高级因素和低级因素。高级因素是指基于上层服务所划分的数据优先级，比如紧急事件的发生，异常数据的检测等，本发明并不关心具体数据优先级的划分。但上层会将高级因素划分为四个等级，要求物理层分别用四种不同的速率进行传输。速率越高表示高级因素优先级越高。根据每个进入GTS缓存包的优先级决定高级因素P_R值，始终取最高优先级以保证紧急数据的传输。低级因素取决于节点过去GTS的分配行为以及本地数据到达速率，以P_r值表示。这两项因素将会通过GTS请求帧发送给协调器。协调器首先根据P_R值由高到低进行GTS分配排序，相同的P_R值优先级内再根据P_r值优先级由高到低排序，从而完成GTS的分配与调度。

高级因素主要取决于上层数据的QoS需求，以所需物理层速率表明数据的紧急程度，将其划分为四种状态：低级状态P_L、中级状态P_M、高级状态P_H和超高级状态P_VH，以00~11的取值范围决定P_R值，如图5所示。 

考虑到GTS分配的公平性以及本地数据到达率，高级因素优先级状态可能由于低级因素的动态变化导致高级因素状态之间的转换。低级因素P_r值将通过式(4)计算，该值表示本地数据到达率，取值范围为0～2047。以当前GTS缓存内包个数比上当前请求GTS的时刻与上次GTS时隙结束时刻之差，对计算结果进行上取整得到P_r值。在计算P_r之前，若检测到GTS缓存溢出的情况，则高级因素状态升一级；若缓存利用率不到50%，则高级因素状态降一级。 

各节点在请求GTS之前先根据上述原理计算自身优先级，然后在CAP阶段使用各自P_R值规定的速率将P_R、P_r、以及上次GTS时隙结束时刻通过GTS请求控制帧发送给协调器。为了支持上述优先级数据的传递，需要修改原标准中GTS请求控制帧的格式，修改后的GTS请求控制帧格式如表4和表5所示。每个节点的GTS请求工作流程如图6(a)所示。 

表4GTS请求控制帧格式 

表5GTS特征域格式 

协调器在收到所有GTS请求帧之后，首先根据高级因素的高低排序，同等高级因素的情况下根据低级因素的高低排序。排序完毕以后首先计算最低优先级的GTS时隙持续时间T(i)|_i=LAST，其中i表示GTS优先级序列号。将最低优先级的本次GTS时隙结束时刻设为超帧结束时刻，根据P_r值计算该节点上次GTS时隙结束时刻到本次GTS时隙结束时刻这一时间段内需要传输的包个数，考虑到这只是预测数据，因此以最大MSDU长度，长帧间隔，不使用ACK帧来计算所需GTS时隙持续时间，计算方法如式(5)所示。 

$T\left(i\right)=\frac{p_r\left(i\right)*\&lsqb;\mathrm{Current}\_\mathrm{GTS}\_\mathrm{EndTime}\left(i\right)-\mathrm{Last}\_\mathrm{GTS}\_\mathrm{EndTime}\left(i\right)\&rsqb;*(\mathrm{PPDU}+\mathrm{LIFS})}{P_R\left(i\right)}---\left(5\right)$

其中，参考表1至表3的PPDU格式，前导码字段的取值根据P_R值的不同而不同，长帧间隔（LongInterframeSpacing，LIFS）取标准规定的40symbol。计算完T(i)|_i=LAST以后就能获取下一待分配GTS时隙的结束时刻（该时刻紧挨着前一分配GTS时隙的起始时刻），其余 节点的T(i)值计算以此类推。全部计算完毕以后检查剩余时间是否满足CAP所要求的最小时间。根据本发明计算的CAP最小时间如式(6)所示。 

$\mathrm{aMinCAPLength}=440\mathrm{symbols}=\frac{440\mathrm{bits}}{250\mathrm{kbps}}=1.76\mathrm{ms}---\left(6\right)$

由于物理层采用PRM信号，式(6)中1symbol=1bit，采用最低速率250kbps为标准以此最大化aMinCAPLength的值，保证CAP阶段的可靠传输。若剩余时间不满足aMinCAPLength值，则协调器取消最低优先级的GTS分配，将整个CFP阶段向后移，直至保证CAP阶段的最小持续时间。 

协调器的GTS分配调度工作流程如图6(b)所示，最终通过信标帧将GTS分配信息广播至各节点。因此，需要修改信标帧的GTS域以满足上述算法要求，修改完的格式如表6和表7所示。 

实施例一： 

采用OPNET网络仿真软件实现本发明在CAP阶段的性能提升仿真。原标准和本发明的仿真参数几乎一致，都使用星型网络拓扑，包含一个协调器和15个节点。具体参数如表8所示。

本实施例仅将物理层速率提高一倍，设为500kbps，当然在更高的速率下，性能提升更为明显。仿真结果如图7所示。以发包间隔指示网络负载的变化，衡量网络节点的CAP推迟次数、平均能耗、吞吐量和端到端延时性能。限制CAP阶段性能的主要原因是竞争接入延时以及CAP发送推迟次数。图7（a）显示了节点在CAP阶段发送推迟的次数随着网络负载增大（即发包间隔减小）而变化的情况。本发明的节点发送推迟次数要少于原标准，在高负载的情况下（比如发包间隔为0.1s）性能提升最明显；相对应的节点能耗减小一倍，如图7（b）所示；而平均吞吐量提高一倍，如图7（c）所示，并且能耗与吞吐量性能也是在高负载的情况下提升更为明显；图7（d）对比了本发明与原标准的平均端到端延时和MAC接入延时，本发明对于时延指标的提升超过原标准一倍以上。根据上述仿真结果对比，足以验证在单纯提高速率和改动CSMA/CA协议参数的情况下，本发明性能就能提升一倍，与速率的提升成正比。因此，本发明在CAP阶段下能够支持节点密集部署的高负载低延迟WSN应用场景。 

实施例二： 

采用OPNET网络仿真软件实现本发明在CFP阶段的性能提升仿真。文献[15]进行了原标准GTS机制的吞吐量和时延性能仿真，得出当SO=BO=2时可以提供最佳吞吐量和时延性能的结论，因此仿真原标准CFP阶段性能时采用表9的参数以最大化原标准性能。另外，为了体现本发明对于周期性数据和突发性数据皆有较好的动态自适应传输能力，将MSDU包大小设置为1~912bit内均匀分布，其中912bit为标准所规定的最大MSDU值；将同时申请GTS的节点数目设为15个，以体现本发明突破7个GTS限制，提高网络吞吐量和GTS时隙利用率的性能。

仿真结果如图8所示，考虑不同网络负载情况下（以发包间隔变化为参量），对比本发明与原标准在CFP阶段下网络平均吞吐量、平均端到端延时、节点平均能耗以及平均时隙利用率这四项关键性能指标。图8（a）表明，当发包间隔小于0.3s时，原标准最多支持7个GTS，可能存在大量GTS缓存溢出或是所分配的1slot长度的GTS时隙不够发送大数据量负载，因此导致网络吞吐量无法提升。而本发明基于速率优先级的GTS分配调度机制能够支持15个节点同时成功申请GTS，动态调整优先级速率。若发送缓存溢出则提高PR优先级，并且根据Pr优先级按需分配GTS时隙长度，因此能够自适应网络负载量，随负载量增加而提升吞吐量。由于本发明摒弃了FCFS机制，采用优先级分配调度方式，节点根据速率优先级以250~2000kbps的速率发送数据包。因此减小了平均端到端延时以及节点平均能耗，分别如图8（b）和图8（c）所示。 

图8（d）分析了节点的平均GTS时隙利用率，原标准的平均GTS时隙利用率由式(7)定义。 

${\mathrm{GTS}}_{\mathrm{utility}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\mathrm{GTS}\_\mathrm{ppdu}\left(i\right)}{\mathrm{GTS}\_\mathrm{length}\left(i\right)*\mathrm{ST}\_\mathrm{SlotDuration}}}{N}---\left(7\right)$

其中，GTS_ppdu(i)表示第i个节点在CFP阶段总共发送的PPDUs，GTS_length(i)表示第i个节点申请GTS的时隙个数，SF_SlotDuration表示当前超帧每个时隙持续长度，成功申请到GTS的节点数为N。 

在本发明中，GTS时隙长度是按需分配、长度可变的。因此适当修改式(7)的平均GTS时隙利用率，如式(8)所示。 

${\mathrm{UNB}\_\mathrm{GTS}}_{\mathrm{utility}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\mathrm{GTS\_ppdu}\left(i\right)}{T\left(i\right)}}{N}\text{---}\left(8\right)$

由图8（d）结果可以得出，本发明的平均时隙利用率比原标准提升了大约8倍，结合图8（a）可以看出本发明的节点GTS平均时隙利用率并不会因为网络吞吐量增大而发生明显波动，体现了基于超窄带高效反相调制的GTS分配调度协议根据速率优先级按需分配GTS的灵活性以及稳健性。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

缩略语和关键术语定义

Claims (3)

1.一种超窄带通信模式的无线媒体接入控制方法，包括以下步骤： 

步骤（1）在无线个域网使用超窄带高效反相调制，并使工作频段为ISM2.4GHz，取调制指数N分别为9600,4800,2400,1200，分别得到速率R为250kbps,500kbps,1000kbps,2000kbps; 

步骤（2）使用新的物理层协议数据单元PPDU帧格式，该帧结构分为同步头SHR、物理帧头PHR和物理层PHY负载三部分； 

步骤（3）在竞争访问CAP阶段，各节点采用载波侦听多址接入冲突避免（CSMA/CA）方式竞争接入信道，将竞争窗口初始值CW₀设为1，BE初始值设为0，各节点发送数据前根据读取到的应用层包优先级速率值R，分别采用步骤（1）所述四种不同速率发送数据，若需要发送的数据为GTS请求帧，则需要计算GTS优先级，将计算结果：高级因素P_R值，其取值范围00～11，分别代表步骤（1）中的四种速率；低级因素P_r值，其取值范围0～2047；以及上次GTS时隙结束时刻，通过GTS请求控制帧发送给协调器； 

步骤（4）在非竞争访问CFP阶段阶段，各节点根据协调器所分配的保障时隙GTS优先级顺序采用可变时隙长度与协调器通信，协调器不限制最大可分配GTS个数，但需要保证CAP最小时间长度。 

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中各节点请求GTS的优先级顺序按照如下步骤确定： 

（a1）节点同步完毕后，初始化三个变量：P_R=0，PacketNumInBuffer=0，Last_GTS_EndTime=0。其中P_R表示优先级的高级因素，PacketNumInBuffer表示目前缓存内的包个数，Last_GTS_EndTime表示上次分配的GTS时隙结束时刻； 

（a2）等待上层包到达，进入GTS缓存，判断缓存是否溢出，若是，P_R值自增1，否则PacketNumInBuffer值自增1，读取该包的优先级速率值R，比较P_R和R，取两者中较大值作为新的P_R值； 

（a3）判断CAP阶段是否到来：若是，转步骤（a4）；否则，转步骤（a1）； 

（a4）判断缓存利用率是否大于50%：若是，则计算优先级低级因素P_r值；否则，P_R值自减1； 

（a5）发送包含P_R、P_r和Last_GTS_EndTime值的GTS请求帧给协调器； 

（a6）判断上次GTS请求是否成功：若是，转步骤（a7）；否则，转步骤（a8）； 

（a7）开始本次CFP阶段，在本次CFP阶段的GTS时隙结束后，更新Last_GTS_EndTime值； 

（a8）结束本次超帧，开始下一超帧，返回步骤（a2）进行周期性工作。 

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）中协调器如何分配和调度各节点的GTS请求，该步骤具体包括： 

（b1）协调器同步完毕开始工作，在CAP阶段内接收各节点发来的GTS请求帧； 

（b2）判断CAP阶段是否结束：若是，根据各节点GTS请求帧中的P_R和P_r值进行优先级排序，首先根据P_R值由高到低进行GTS分配排序，相同的P_R值优先级内再根据P_r值优先级由高到低排序。 

（b3）首先将超帧结束时刻作为最低优先级GTS的当前时隙结束时刻，计算该GTS请求时隙的持续时间长度T(i)|_i=LAST，其中i代表GTS优先级序列号。从而确定下一待分配GTS时隙的结束时刻，所述结束时刻紧挨着前一分配GTS时隙的起始时刻，以此类推直至所有待分配GTS时隙的T(i)值都计算完毕； 

（b4）判断当前剩余CAP持续长度是否大于CAP最小时间长度，若是，则转步骤（b5），否则取消最低优先级的GTS请求，将整个CFP阶段向后移，重复步骤（b4）； 

（b5）结束GTS分配，生成信标帧，在下一超帧开始时将信标帧广播至各节点，返回步骤（b1）周期性工作。 

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