CN103813425A

CN103813425A - 一种流量自适应节能媒介访问控制方法

Info

Publication number: CN103813425A
Application number: CN201410059133.6A
Authority: CN
Inventors: 王军; 逄玉俊; 王健; 姚晓旦; 孙浩
Original assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Current assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2014-05-21

Abstract

一种流量自适应节能媒介访问控制方法，涉及一种媒介访问控制方法，该方法根据物理层的流量状况的进行节能的MAC协议，即TAE-MAC；TAE-MAC采用了RTS/CTS预约机制，构造数据帧DS完成和实现RTS/CTS预约和确认，方法采用了非竞争的TDMA协议来实现无线信道接入的控制，无线节点的运行机制分为活动时期和不活动时期两个部分，在传输DS数据帧完成握手时，节点采用了TAE-MAC协议去实现节点的无线信道访问控制。该发明针对无线工业控制网络特点，可以有效地解决工业环境中无线节点的节能问题，可以有效地延长无线控制网络的生命周期，缓解能量问题使无线网络在工业控制领域应用受阻的情况。

Description

一种流量自适应节能媒介访问控制方法

技术领域

本发明涉及一种媒介访问控制方法，特别是涉及一种流量自适应节能媒介访问控制方法。

背景技术

当今，随着工业网络的迅速发展，无线控制网络被广泛地应用于工业环境中，而无线工业控制网络的问题也日益突出。由于工业环境的复杂性与多变性，此外，工业无线节点的能量的有限性，这些因素都使得节能问题成为了无线节点能否畅通通信的关键因素。特别是无线通信节点的能耗问题，由于控制网络中无线通信节点的能量消耗是由电池的能量所决定的，而过于频繁的电池更换也是会极大阻碍无线网络在工业自动化的应用。如果不能很好解决控制网络中通信节点的能量问题，将不利于整个自组网络长期稳定的通信。节点的能量多少直接关系到节点的生命周期，也关系到网络的生命周期。同时，MAC协议作为信道访问的控制协议，合理的控制和优化信道的访问权是有重要意义的。因此，对于能耗问题，也成为了工业无线网络MAC协议设计首先考虑的关键因素之一。然而，现有的媒介访问方法并没能够很好地满足无线工业控制网络的应用需求，因此我们发明了一种适合无线工业控制网络环境特点的专用流量自适应节能媒介访问控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流量自适应节能媒介访问控制方法，该发明针对无线工业控制网络特点，可以有效地解决工业环境中无线节点的节能问题，可以有效地延长无线控制网络的生命周期，缓解能量问题使无线网络在工业控制领域应用受阻的情况。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种流量自适应节能媒介访问控制方法，该方法根据物理层的流量状况的进行节能的MAC协议，即TAE-MAC；TAE-MAC采用了RTS/CTS预约机制，构造数据帧DS完成和实现RTS/CTS预约和确认，所述方法采用了非竞争的TDMA协议来实现无线信道接入的控制，TAE-MAC协议工作状况如下：

（1）首先，将TDMA的时隙片划分为发送时隙片、接收时隙片、侦听时隙片和休眠时隙片，构造新的数据帧结构DS；DS数据帧主要包括RTS部分、CTS部分、目的地址部分、源地址部分、ACK部分和数据部分；

（2）当节点A要发送数据给节点B时，节点A首先会在侦听时隙片上使用MLPD技术侦听无线信道的状况，同时，其他节点也会侦听信道；当信道忙时，节点会立即关闭通信模块，进入休眠状态；

（3）当节点A发现信道空闲时，它会在侦听DIFS时间间隔，如果信道空闲时，节点A会在发送时隙片上发送DS中的RTS部分，等待B中的确认CTS；

（4）经过SIFS后，节点B检查DS中的目的地址与自己的一致，则发送CTS确认和接收数据DS，直至接收完毕；转入休眠机制。如果与自己的不一致，同样进入休眠状态，等待下一时隙的唤醒；

无线节点的运行机制分为活动时期和不活动时期两个部分，在传输DS数据帧完成握手时，节点采用了TAE-MAC协议去实现节点的无线信道访问控制。

所述的一种流量自适应节能媒介访问控制方法，所述在活动时期，进行RTS/CTS握手和数据传输，在不活动时期，无线节点进入休眠状态。

所述的一种流量自适应节能媒介访问控制方法，所述在活动时期时，首先节点会进行多用户低功率侦听检测信道，获取物理层的相关流量信息；当节点有数据要发送时，节点A首先侦听了时间间隔DIFS，如果信道仍然空闲时，则节点A发送数据DS帧，数据DS包含了RTS请求部分，其他节点侦听到有数据DS，则不再进行信道侦听。

所述的一种流量自适应节能媒介访问控制方法，所述节点会检查DS中的目的地址与自己的是否一致，如果一致，则发送CTS并接受数据，否则进入休眠状态。

所述的一种流量自适应节能媒介访问控制方法，所述在无线控制网络中，各个节点是相互独立的，都采用多用户低功率侦听机制来完成信道的侦听。

本发明的优点与效果是：

1.传统的无线工业控制网络中，采用的媒介访问控制方法没能够很好地解决工业中无线节点的能量受限的问题。而采用多用户低功率侦听方式的流量自适应节能媒介访问控制方法，来改善无线工业控制网络中节点的能量受限问题和延长网络的寿命。

2.为了改善和提高无线工业控制网络的服务质量和延长网络的生命周期，针对无线控制网络的能量损耗问题，尽量地减少空闲侦听和增加节点的休眠。在发送和接收时隙片下，尽量提高数据传输的成功率，减少数据的重传的机率。因此在物理层提出了多用户低功率侦听检测手段，通过这种MLPD技术，可以有效地减少节点的过度空闲侦听，减少节点之间竞争和冲突的发生机率。最终达到了减少节点能量损耗。

3.为了实现无线信道资源利用的合理化，利用了构造了新的数据帧结构DS，利用DS数据帧可以完成RTS/CTS握手和数据传输，节省了协议开销，提高了数据传输的成功率以达到节能。

附图说明

图1为本发明MLPD数据包格式示意图；

图2为本发明控制方法运行流程图；

图3为本发明TAE-MAC协议时序图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例，对本发明作进一步详述。

本发明在物理层运用了多用户低功率侦听技术MLPD(Multi-user Low Power Dictation)。多用户低功率侦听检测是为了减少冲突和节能而设计。在无线工业控制网络中，每个无线通信节点都有4种状态。分别是发送状态、接收状态、侦听状态和休眠状态。研究表明无线通信节点的主要能量损耗是在无线通信模块的发送状态上，其次是接收状态和空闲侦听的能量损耗，休眠状态的能量损耗最少。因此在设计通信节点的工作状态时，尽量采用低功率侦听信道和降低发送功率，以达到节能和减少信号的干扰的目的。通过多用户低功率侦听手段可以高效地减少能量损耗。

多用户低功率侦听技术（MLPD）的基本原理：在无线控制网络中，各个无线通信节点是相互独立的，每个节点都会通过多用户侦听手段来获得无线信道的访问权限。多用户侦听手段有利于各个节点了解到信道的使用情况，减少了不必要的冲突，从而达到节能的目的。低功率侦听减少了信道之间信号的干扰，如果在无线控制网络中，节点有数据要发送，它会先侦听无线信道，如果信道空闲，它会发送RTS/CTS申请预约信道的使用权。但是如果信道繁忙，节点会关闭射频信号和通信模块，转入到休眠状态，等待信道空闲时，再试图接入和访问信道。为了让无线节点减少不必要长时间的空闲侦听，在多用户低功率侦听的包格式的前导码中添加了侦听时间序列，如图1所示。从而达到节约能量。多用户低功率侦听技术MLPD不仅仅可以减少发送节点之间的串音干扰，而且减少了空闲侦听的机率。

如图1所示，低功率侦听LPL(Low Power Listening)的前导码主要包含目的地址、前导码序列号和普通LPL的前导码P。然而，MLPD的运行机制是将LPL中的前导码划分为n片段，前面的n-1片段中包含了目的地址和前导码的序列号和侦听时间序列。最后一个片段是普通LPL的前导码P。第二个部分是起始字符，第三个部分是MAC层的数据部分。周围的节点会进行侦听信道，并解析发送MLPD的前导码PP中的目的地址，如果与自己的地址一致，则开始接收数据。如果目的地址与自己的地址不一致，则关闭自己的射频模块，转入到休眠状态，从而节约能量。其他节点根据MLPD中的侦听时间序列可以得知空闲节点侦听和发送的时间，等待一段时间，再试图接入信道进行访问。从而避免了串音干扰。

此外，在无线工业控制网络中，节点的能量大多数消耗在数据的发送和接收。而MAC协议作为信道访问的控制协议，直接控制着数据的发送和接收。因而MAC协议对于节省无线控制网络能量是很重要的。为了实现无线节点对无线信道的有效地接入和无线工业控制网络的能量的进一步优化，在MAC层上提出了一种高效节能的媒介访问控制方法，即根据物理层的流量状况的进行节能的MAC协议，即TAE-MAC（Traffic Adaptive Energy-saving MAC）。TAE-MAC主要采用了RTS/CTS预约机制，构造数据帧DS（Data Structure）来完成和实现RTS/CTS预约和确认的功能。通过这种DS数据帧可以有效地缓解协议开销所带来的能量损耗。采用了新的休眠策略，以达到减少节能。

TAE-MAC协议具体运行机制：采用多用户低功率侦听方式的流量自适应节能媒介访问控制方法运行流程如图2所示。

为了减少竞争冲突的发生，采用了非竞争的TDMA协议来实现无线信道接入的控制，进而达到减少能耗，TAE-MAC协议其工作状况如下：

（1）首先，将TDMA的时隙片划分为发送时隙片、接收时隙片、侦听时隙片和休眠时隙片。构造新的数据帧结构DS（Data Structure）。DS数据帧主要包括RTS部分、CTS部分、目的地址部分、源地址部分、ACK部分和数据部分。

（2）当节点A要发送数据给节点B时，节点A首先会在侦听时隙片上使用MLPD技术侦听无线信道的状况，同时，其他节点也会侦听信道。当信道忙时，节点会立即关闭通信模块，进入休眠状态。

（3）当节点A发现信道空闲时，它会在侦听DIFS时间间隔，如果信道空闲时，节点A会在发送时隙片上发送DS中的RTS部分，等待B中的确认CTS。

（4）经过SIFS后，节点B检查DS中的目的地址与自己的一致，则发送CTS确认和接收数据DS，直至接收完毕。转入休眠机制。如果与自己的不一致，同样进入休眠状态，等待下一时隙的唤醒。

如图3所示，无线节点的运行机制分为活动时期和不活动时期两个部分，在传输DS数据帧完成握手时，节点采用了TAE-MAC协议去实现节点的无线信道访问控制。在无线控制网络中，各个节点是相互独立的，都采用多用户低功率侦听机制来完成信道的侦听，减少节点的过度空闲侦听造成的能量浪费。在活动时期，进行RTS/CTS握手和数据传输。在不活动时期，无线节点进入休眠状态，以达到进一步减少节点能量损耗。

如TAE-MAC时序图3所示，在活动时期时，首先节点会进行多用户低功率侦听检测信道，获取物理层的相关流量信息。当节点有数据要发送时，节点A首先侦听了时间间隔DIFS，如果信道仍然空闲时，则节点A发送数据DS帧，数据DS包含了RTS请求部分，其他节点侦听到有数据DS，则不再进行信道侦听。节点会检查DS中的目的地址与自己的是否一致，如果一致，则发送CTS并接受数据，否则进入休眠状态，节省了能量消耗。RTS/CTS的交互都是在DS数据中发生的。这样减少了协议开销和控制帧的冲突。节省了无线控制网络的能量消耗。在不活动时期，节点都会进入休眠状态。

Claims

1.一种流量自适应节能媒介访问控制方法，该方法根据物理层的流量状况的进行节能的MAC协议，即TAE-MAC；TAE-MAC采用了RTS/CTS预约机制，构造数据帧DS完成和实现RTS/CTS预约和确认，其特征在于，所述方法采用了非竞争的TDMA协议来实现无线信道接入的控制，TAE-MAC协议工作状况如下：

（4）经过SIFS后，节点B检查DS中的目的地址与自己的一致，则发送CTS确认和接收数据DS，直至接收完毕；转入休眠机制；如果与自己的不一致，同样进入休眠状态，等待下一时隙的唤醒；

2.根据权利要求1所述的一种流量自适应节能媒介访问控制方法，其特征在于，所述在活动时期，进行RTS/CTS握手和数据传输，在不活动时期，无线节点进入休眠状态。

3.根据权利要求2所述的一种流量自适应节能媒介访问控制方法，其特征在于，所述在活动时期时，首先节点会进行多用户低功率侦听检测信道，获取物理层的相关流量信息；当节点有数据要发送时，节点A首先侦听了时间间隔DIFS，如果信道仍然空闲时，则节点A发送数据DS帧，数据DS包含了RTS请求部分，其他节点侦听到有数据DS，则不再进行信道侦听。

4.根据权利要求3所述的一种流量自适应节能媒介访问控制方法，其特征在于，所述节点会检查DS中的目的地址与自己的是否一致，如果一致，则发送CTS并接受数据，否则进入休眠状态。

5.根据权利要求4所述的一种流量自适应节能媒介访问控制方法，其特征在于，所述在无线控制网络中，各个节点是相互独立的，都采用多用户低功率侦听机制来完成信道的侦听。