CN103873195A - 一种适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法 - Google Patents

一种适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法，定义各种帧类型和格式，新节点加入网络，构建邻居节点信息表，通信时实时更新邻居节点信息表，运用前导码技术和激活唤醒时刻估计技术，即通过更加丰富的邻居节点信息，在本地计算宿端节点激活唤醒时刻，源端根据此时刻传输数据，这样有效降低无效数据传输，减少数据冲突，提高链路利用率，同时可以有效降低网络功耗。

Description

一种适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法
技术领域
本发明涉及一种介质访问控制方法，特别涉及一种适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法。
背景技术
电力线通信技术以其成本低、见效快、与电网建设同步等优点，在很多领域得到广泛应用。完整的电力线通信架构体系是由物理层、介质访问控制层、逻辑链路层等构成。其中，介质访问控制层功能的进一步优化对降低电力线通信网络中的数据冲突，提高链路利用率，提高电力线通信网络的可靠性和稳定性有着重要意义。
发明内容
本发明针对家庭电力线网络介质访问控制层数据冲突，链路低效等问题，提出一种适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法，进一步降低家庭电力线网络中的数据冲突，提高链路利用率，降低网络能耗。
本发明的技术方案为：一种用于家庭电力线网络的介质访问控制方法，具体包括如下步骤：
1）定义各种帧类型和格式：
第一前导帧，帧格式包括：帧类型RTS标识、宿端地址、源端地址、源端下一次激活唤醒时间、当前数据发送持续时间、校验码；
第二前导帧，帧格式包括：帧类型CTS标识、宿端地址、源端地址、源端下一次激活唤醒时间、当前数据发送持续时间、校验码；
数据帧，帧格式包括：帧类型DATA标识、宿端地址、源端地址、数据、CRC校验码；
确认帧，帧格式包括：帧类型ACK标识、宿端地址、源端地址、源端下一次激活唤醒时间、当前数据发送持续时间、校验码；
广播帧，帧格式包括：帧类型BCM标识、宿端地址、源端地址、源端下一次激活唤醒时间、当前数据发送持续时间、校验码；
2）每个节点加入网络时，构建一个邻居节点信息表，所述邻居节点信息表字段包括：邻居节点地址ID、该邻居节点再过多少时间会激活唤醒To、更新To的本地时刻；
3）正常通信过程，包括；
Ⅰ：正常通信时，源端节点发送一个RTS帧序列，以唤醒宿端节点；
Ⅱ：宿端节点激活唤醒后，接收RTS帧，立刻回复CTS帧，随后源端节点开始发送数据，当数据传输完毕后，宿端节点向源端节点返回ACK帧；
Ⅲ：非宿端节点激活唤醒时，根据邻居节点信息表的RTS帧、CTS帧、ACK帧中的源端地址更新邻居节点信息表，同时进入睡眠模式。
所述校验码为CRC校验码。
进一步的，所述每个节点加入网络时，构建一个邻居节点信息表包括以下步骤：
（1）新节点加入网络时，一直保持信道监听状态，接收邻近节点发出的RTS帧、CTS帧、ACK帧和BCM帧，新节点据此创建自己的邻居节点信息表，这个过程持续2个唤醒周期；
（2）当新节点监听到信道空闲时，新节点广播BCM帧序列，各邻居节点接收到新节点的BCM帧，在自己的邻居节点信息表中添加这个新节点条目，随后进入睡眠状态。
优选的，新节点广播BCM帧序列的持续时间要大于2个唤醒周期，确保每个邻居节点都可以检测到新节点。
更优的，所述正常通信时，源端节点发送一个RTS帧序列的时间是在该源端节点的RTS发送起始时刻到达后。
所述源端节点的RTS发送起始时刻的计算方法如下：
查询根据所述源端节点的邻居节点信息表，
A）定义To表示宿端节点再过多少时间会激活唤醒，Tr表示更新To的本地时刻，Td表示数据到达时刻，Tw表示激活唤醒周期；
B）定义Te表示宿端节点再次激活唤醒时刻：
Figure BDA0000473363120000031
C）定义θ为晶振漂移误差，则RTS帧序列需要覆盖晶振漂移误差Tq：
Tq=min[4θ(Te-Tr),Tw]
D）定义T1表示一个RTS帧的持续时间，T2表示相邻2个RTS帧之间的时间间隔，则RTS帧序列起始发送时刻要提前Tp以保证在宿端节点激活唤醒之前：
Tp=T1+T2+R
其中，R是一个均匀分布的随机数以保证介质访问控制算法的公平性；
E）定义
Figure BDA0000473363120000032
则RTS帧序列的起始发送时刻Ts计算如下：
当T-Td≥0时，Ts=T+Tw；
当T-Td<0时，Ts=T。
本发明的有益效果在于：本发明适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法，运用前导码技术和激活唤醒时刻估计技术，有效提高了链路利用率，降低了通信能耗。
附图说明
图1为本发明正常通信过程中帧发送序列示意图；
图2为本发明新节点加入网络，构建邻居节点信息表的流程图；
图3为本发明正常通信过程，更新邻居节点信息表的流程图；
图4为本发明实施例试验拓扑示意图；
图5为使用本发明链路利用率试验结果示意图；
图6为使用本发明数据帧长度试验结果示意图。
具体实施方式
如图1所示正常通信过程中帧发送序列示意图，本发明适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法包含以下几个步骤：
步骤1：定义2个前导帧、1个数据帧、1个确认帧和1个广播帧。
（1）定义2个前导帧RTS和CTS、1个数据帧DATA、1个确认帧ACK和1个广播帧BCM。
（2）前导帧RTS格式依次包括：帧类型0xF0、宿端地址、源端地址、源端下一次激活唤醒时间、当前数据发送持续时间、CRC校验码。
（3）前导帧CTS格式依次包括：帧类型0xF1、宿端地址、源端地址、源端下一次激活唤醒时间、当前数据发送持续时间、CRC校验码。
（4）数据帧DATA格式依次包括：帧类型0xF2、宿端地址、源端地址、数据、CRC校验码。
（5）确认帧ACK格式依次包括：帧类型0xF3、宿端地址、源端地址、源端下一次激活唤醒时间、当前数据发送持续时间、CRC校验码。
（6）广播帧BCM格式依次包括：帧类型0xF4、宿端地址、源端地址、源端下一次激活唤醒时间、当前数据发送持续时间、CRC校验码。
步骤2：新节点加入网络，构建邻居节点信息表，如图2所示流程图。
（1）每个节点维护一个邻居节点信息表，其内容依次包括：邻居节点地址ID、该邻居节点再过多少时间会激活唤醒To（本地时间）、更新To的本地时刻。
（2）当一个新节点加入网络，此新节点一直保持信道监听状态，接收邻近节点发出的RTS帧、CTS帧、ACK帧和BCM帧，新节点据此创建自己的邻居节点信息表，这个过程持续2个唤醒周期。
（3）然后，当信道空闲时，新节点广播BCM帧序列，各邻居节点接收到新节点的BCM帧，在自己的邻居节点信息表中添加这个新节点条目，随后进入睡眠状态。
（4）BCM帧序列广播持续时间要大于2个唤醒周期，确保每个邻居节点都可以检测到新节点。
步骤3：正常通信过程，更新邻居节点信息表，如图3所示流程图。
（1）正常通信时，该算法需要发送一个RTS帧序列，以唤醒宿端节点。
（2）根据邻居节点信息表，该算法首先要估计RTS帧序列的起始发送时刻，而不是一有数据就发送RTS帧序列，即源端节点一直处于睡眠模式直到估计的RTS帧序列的起始发送时刻到达。RTS帧序列的起始发送时刻估计方法如下：
A：定义To表示宿端节点再过多少时间会激活唤醒，Tr表示更新To的本地时刻，Td表示数据到达时刻，Tw表示激活唤醒周期。
B：定义Te表示宿端节点再次激活唤醒时刻：
Figure BDA0000473363120000051
C：定义θ为晶振漂移误差，则RTS帧序列需要覆盖晶振漂移误差Tq：
Tq=min[4θ(Te-Tr),Tw]
D：定义T1表示一个RTS帧的持续时间，T2表示相邻2个RTS帧之间的时间间隔，则RTS帧序列起始发送时刻要提前Tp以保证在宿端节点激活唤醒之前：
Tp=T1+T2+R
其中，R是一个均匀分布的随机数以保证介质访问控制算法的公平性。
E：定义
Figure BDA0000473363120000052
则RTS帧序列的起始发送时刻Ts计算如下：
Figure BDA0000473363120000061
当T-Td≥0时，Ts=T+Tw；
Figure BDA0000473363120000062
当T-Td<0时，Ts=T；
（3）宿端节点激活唤醒后，接收RTS帧后立刻回复CTS帧，随后源端开始发送数据，当数据传输完毕后，宿端节点返回ACK帧，确保可靠性。
（4）非宿端节点激活唤醒时，根据RTS帧、CTS帧、ACK帧中的源端地址更新邻居节点信息表，同时进入睡眠模式。
在图4所示的试验拓扑中，终端节点数为16，当发送数据的源端从1增加到8时，链路利用率从90%增加到98%，如图5所示链路利用率试验结果示意图，说明本发明有很高的链路利用率。其次，在试验中考察数据帧长度对链路吞吐量的影响。如图6所示数据帧长度试验结果示意图，当数据帧长度增大时，链路吞吐量显著增加。
本发明突出的区别技术特征有两个：（1）使用前导码技术；（2）使用激活唤醒时刻估计技术。而前导码技术和激活唤醒时刻估计技术的运用时建立在邻居节点信息表构建的基础上，即通过更加丰富的邻居节点信息，在本地计算宿端节点激活唤醒时刻，源端根据此时刻传输数据，这样有效降低无效数据传输，减少数据冲突，提高链路利用率，同时可以有效降低网络功耗。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而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 (6)

1.一种适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）定义介质访问帧类型和格式，包括：
第一前导帧，帧格式包括：帧类型RTS标识、宿端地址、源端地址、源端下一次激活唤醒时间、当前数据发送持续时间、校验码；
第二前导帧，帧格式包括：帧类型CTS标识、宿端地址、源端地址、源端下一次激活唤醒时间、当前数据发送持续时间、校验码；
数据帧，帧格式包括：帧类型DATA标识、宿端地址、源端地址、数据、CRC校验码；
确认帧，帧格式包括：帧类型ACK标识、宿端地址、源端地址、源端下一次激活唤醒时间、当前数据发送持续时间、校验码；
广播帧，帧格式包括：帧类型BCM标识、宿端地址、源端地址、源端下一次激活唤醒时间、当前数据发送持续时间、校验码；
2）每个节点加入网络时，构建一个邻居节点信息表，所述邻居节点信息表字段包括：邻居节点地址ID、该邻居节点再过多少时间会激活唤醒To、更新To的本地时刻；
3）正常通信过程，包括；
Ⅰ：正常通信时，源端节点发送一个RTS帧序列，以唤醒宿端节点；
Ⅱ：宿端节点激活唤醒后，接收RTS帧，立刻回复CTS帧，随后源端节点开始发送数据，当数据传输完毕后，宿端节点向源端节点返回ACK帧；
Ⅲ：非宿端节点激活唤醒时，根据邻居节点信息表的RTS帧、CTS帧、ACK帧中的源端地址更新邻居节点信息表，同时进入睡眠模式。
2.根据权利要求1所述适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法，其特征在于，所述每个节点加入网络时构建邻居节点信息表，包括以下步骤：
（1）新节点加入网络时，一直保持信道监听状态，接收邻近节点发出的RTS帧、CTS帧、ACK帧和BCM帧，新节点据此创建自己的邻居节点信息表，这个过程持续2个唤醒周期；
（2）当新节点监听到信道空闲时，新节点广播BCM帧序列，各邻居节点接收到新节点的BCM帧，在自己的邻居节点信息表中添加这个新节点条目，随后进入睡眠状态。
3.根据权利要求2所述适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法，其特征在于，
新节点广播BCM帧序列的持续时间要大于2个唤醒周期，确保每个邻居节点都可以检测到新节点。
4.根据权利要求1所述适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法，其特征在于，
所述正常通信时，源端节点发送一个RTS帧序列的时间是在该源端节点的RTS发送起始时刻到达后。
5.根据权利要求4所述适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法，其特征在于，所述源端节点的RTS发送起始时刻的计算方法如下：
查询根据所述源端节点的邻居节点信息表，
A）定义To表示宿端节点再过多少时间会激活唤醒，Tr表示更新To的本地时刻，Td表示数据到达时刻，Tw表示激活唤醒周期；
B）定义Te表示宿端节点再次激活唤醒时刻：
C）定义θ为晶振漂移误差，则RTS帧序列需要覆盖晶振漂移误差Tq：
Tq=min[4θ(Te-Tr),Tw]
D）定义T1表示一个RTS帧的持续时间，T2表示相邻2个RTS帧之间的时间间隔，则RTS帧序列起始发送时刻要提前Tp以保证在宿端节点激活唤醒之前：
Tp=T1+T2+R
其中，R是一个均匀分布的随机数以保证介质访问控制算法的公平性；
E）定义
Figure FDA0000473363110000031
则RTS帧序列的起始发送时刻Ts计算如下：
当T-Td≥0时，Ts=T+Tw；
当T-Td<0时，Ts=T。
6.根据权利要求1所述适用于家庭电力线网络的介质访问控制方法，其特征在于，所述校验码为CRC校验码。
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