CN104780624B - 针对快速控制系统的ieee802.15.4新协议设计方法 - Google Patents

针对快速控制系统的ieee802.15.4新协议设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104780624B
CN104780624B CN201510148032.0A CN201510148032A CN104780624B CN 104780624 B CN104780624 B CN 104780624B CN 201510148032 A CN201510148032 A CN 201510148032A CN 104780624 B CN104780624 B CN 104780624B
Authority
CN
China
Prior art keywords
data
coordinator
terminal device
time
node
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510148032.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104780624A (zh
Inventor
夏元清
詹玉峰
蒲钒
娜茜泰
孙中齐
闫莉萍
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN201510148032.0A priority Critical patent/CN104780624B/zh
Publication of CN104780624A publication Critical patent/CN104780624A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104780624B publication Critical patent/CN104780624B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L69/00—Network arrangements, protocols or services independent of the application payload and not provided for in the other groups of this subclass
    • H04L69/30—Definitions, standards or architectural aspects of layered protocol stacks
    • H04L69/32—Architecture of open systems interconnection [OSI] 7-layer type protocol stacks, e.g. the interfaces between the data link level and the physical level
    • H04L69/322—Intralayer communication protocols among peer entities or protocol data unit [PDU] definitions
    • H04L69/324—Intralayer communication protocols among peer entities or protocol data unit [PDU] definitions in the data link layer [OSI layer 2], e.g. HDLC
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W80/00—Wireless network protocols or protocol adaptations to wireless operation
    • H04W80/02—Data link layer protocols

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Small-Scale Networks (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明提出一种针对快速控制系统的IEEE 802.15.4新协议设计方法，克服标准IEEE 802.15.4协议最低时延为15.36ms的局限性，能够达到快速控制系统对实时性的严格要求。步骤一、修改MAC数据帧格式；步骤二、将MAC层定时器由与任务管理系统共用定时器2改变为使用定时器1，通过使用协调器和一个普通通信节点的终端设备，测试节点中的数据从准备就绪到传送到缓冲区中总共花费时间，并根据步骤一修改的数据帧格式计算数据长度，通过该数据长度计算从缓冲区发送出去离开节点花费时间，以此计算出协调器和终端设备的工作时隙；步骤三、设计基于TDMA的MAC层接入方案。

Description

针对快速控制系统的IEEE802.15.4新协议设计方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及一种无线通信MAC层信道接入协议的分析、设计以及实现方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，无线网络控制系统由于其在调试以及维护方面的方便些已经得到越来越多的重视。很多工业自动化系统对传感器以及执行器的数据更新的时延有很严格的要求。IEEE802.15.4协议在其设计之初其一大特性就是能够应用于控制系统当中。但是其存在严重不足，如对于某些快速控制系统，采样周期需要低于10ms，这种情况下其满足不了。
发明内容
本发明是针对目前标准IEEE 802.15.4协议的不足，提出一种针对快速控制系统的IEEE 802.15.4新协议设计方法，克服标准IEEE 802.15.4协议最低时延为15.36ms的局限性，能够达到快速控制系统对实时性的严格要求。
本发明通过以下技术方案实现：
一种针对快速控制系统的IEEE 802.15.4新协议设计方法，包括以下步骤：
步骤一、修改MAC数据帧格式，使MAC层数据帧达到最小，减少每个终端发送数据的时间；
步骤二、将MAC层定时器由与任务管理系统共用定时器2改变为使用定时器1，通过使用协调器和一个普通通信节点的终端设备，测试节点中的数据从准备就绪到传送到缓冲区中总共花费时间，并根据步骤一修改的数据帧格式计算数据长度，通过该数据长度计算从缓冲区发送出去离开节点花费时间，以此计算出协调器和终端设备的工作时隙；
步骤三、设计基于TDMA的MAC层接入方案：通过步骤二计算出的协调器和终端设备的工作时隙，给协调器以及终端设备安排固定时隙，最大化信道利用率以及最小化时延；通过协调器创建网络，占用一个工作周期的第一个时隙，后续每一个终端节点加入网络，按照步骤二计算的工作时隙长度加入到网络当中，完成新协议设计方法。
上述新协议的设计在TI公司CC2530设备以及配套代码包上实现。
附图说明
图1.IEEE802.15.4超帧结构；
图2.无线控制系统拓扑结构
图3.IEEE802.15.4MAC数据结构；
图4.改进MAC协调器数据结构；
图5.改进MAC终端节点数据结构；
图6.协调器和终端节点数据处理时隙图；
图7.新协议超帧时隙结构；
图8.TDMA下Sniffer抓取的数据。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步介绍。
一、IEEE 802.15.4标准协议中，我们针对的是快速控制系统的应用场景，所以对于图1的超帧结构中，去除不活跃时隙。既有信标间隔等于超帧间隔。即SD＝BI(SD为超帧时隙间隔，BI为信标帧间间隔)，由
SD＝aBaseSuperframeDuration×2SO
得当SO＝0时，超帧间隔最小，为SD＝0.96*16＝15.36ms。
其中aBaseSuperframeDuration为超帧的基本时隙间隔，最短情况下为15.36ms。SO为Superframe Order(超帧级数)。
因此无论终端设备工作与CSMA/CA竞争接入信道还是工作于无竞争接入时隙(CFP)工作模式下，最短采样周期为15.36ms，达不到我们设计的最短采样周期为10ms的控制系统的需求，拓扑结构如图2所示。基于此我们设计了一种新型改进协议。
二、终端设备发送从准备数据到发送数据需要经历三个过程。第一侦听到协调器发送的信标帧，对其数据进行分析，花费时间T1；第二终端设备将待发送的数据从应用层调度到发送缓冲区，花费时间T2；第三终端设备将发送缓冲区中的数据发送到无线信道上，花费时间为T3。总的时间花费为Ttotal＝T1+T2+T3。
其中时间T3我们可以计算得到，但是T1和T2只能通过实验来得到。为了验证我们的新协议，我们采用的是TI公司的CC2530及其代码包对其进行实验测试。
三、如图3所示为标准协议下的MAC数据帧结构，但是我们为了减少时间消耗，对MAC层数据帧进行压缩，得到图4所示的协调器数据帧以及图5所示的终端设备的数据帧。
四、为了得到T1和T2，我们采用两个CC2530模块，其中一个为协调器，另外一个为终端设备，如图6所示为其工作时隙图。让协调器和终端设备各自发送500次数据，进行500组数据实验得到如下实验数据
表一
协调器的T3＝TSHR+TPHR+TPSDU+TCCA，根据标准协议可得物理层的数据帧为MAC层帧加上6B的数据头，所以
终端设备的T3为
五、下面对协调器以及终端节点的时隙分别进行计算
(1)协调器：协调器是工作于每个超帧时隙的开始，其消耗总时间为
(2)终端节点1：终端节点1等待接收协调器信标帧，等到接收到信标帧，执行中断处理函数消耗时间，将待发送数据调度到发送缓冲区消耗时间，数据从节点传输到无线信道上传输消耗的时间。总时间为：
同时相邻两数据帧如果都能被准确接收到，相邻两数据帧之间必须有时间间隔，叫帧间时间。分为长数据帧间隔和短数据帧间隔。本文中设定MAC层只发送15比特数据，所以需要短数据帧间隔。根据IEEE 802.15.4协议标准，短数据帧间隔为0.192ms。所以节点1消耗的总时间为：
(1.635～1.835)+0.192＝(1.827～2.027)ms
(3)终端节点2：对于节点2，在节点1发送数据的时候，它不能发送数据。但是其可以将内部数据调度到发送缓冲区中。也就是说在节点1执行一次数据发送流程中，节点2可以提前0.75～0.9ms将数据调度到发送缓冲区中，但是为了确保无冲突，本文研究在最差的情况，即节点2只能提前0.75ms将数据调度到缓冲区。
2.027-0.75-0.085＝1.192ms
0.085+1.192+(0.75～0.95)+0.192＝(3.019～3.219)ms
即理论上最差情况下，节点1和节点2占据时间为3.019～3.219ms。
(4)终端节点3：其计算过程如节点2的计算过程，可得：
3.219-0.085-0.75＝2.384ms
0.085+2.384+(0.75～0.95)+0.80+0.192＝(4.211～4.411)ms
理论上最差情况下，节点1、2和3占据时间为4.211～4.411ms。同理可得节点1、2、3和4占据时间为5.403～5.603ms，节点1、2、3、4和5占据时间为6.595～6.765ms节点1、2、3、4、5和6占据时间为7.787～7.987ms。加上协调器总共消耗时间为
通过以上分析，我们修改了TI公司IEEE802.15.4代码包，使其工作于TDMA信道接入模式下。使用定时器2将协调器以及终端节点在超帧中的时隙预先设置好，其时隙图如图7所示。设置完成后，创建网络，创建过程如下：
1、协调器创建网络，发送信标帧给周围终端设备；
2、终端设备接收信标帧，发送请求加入网络命令。协调器接收加入网络命令，在尚未超出本身资源允许情况下接受请求发送确认请求给终端设备。
3、网络组建完成，终端节点发送传感器数据给协调器，网络稳定工作。
使用Sniffer抓取数据如图8所示，其显示出我们设计的新协议完全能够使得整个网络的采样周期保持在10ms范围内，从而使得采样周期在10ms的控制系统同样能够采用基于IEEE802.15.4的无线通信网络作为其数据传输媒介。

Claims (3)

1.一种针对快速控制系统的IEEE 802.15.4新协议设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、修改MAC数据帧格式，对MAC层数据帧进行压缩，减少每个终端发送数据的时间；
步骤二、根据步骤一修改的数据帧计算数据长度，通过该数据长度计算从缓冲区发送出去离开节点花费的时间；将MAC层定时器由与任务管理系统共用第二定时器改变为使用第一定时器，使用协调器和一个普通通信节点的终端设备测试数据发送过程中每个阶段的时延，其中终端设备数据发送分为三个阶段：第一：侦听到协调器发送的信标帧，对其数据进行分析，花费时间T1；第二：终端设备将待发送的数据从应用层调度到发送缓冲区，花费时间T2；第三：终端设备将发送缓冲区中的数据发送到无线信道上，花费时间为T3，总的时间花费为Ttotal＝T1+T2+T3；
步骤三、设计基于TDMA的MAC层接入方案：通过步骤二计算出的协调器和终端设备的工作时隙，给协调器以及终端设备安排固定时隙；通过协调器创建网络，占用一个工作周期的第一个时隙，后续每一个终端节点加入网络，按照步骤二计算的工作时隙长度加入到网络当中，完成新协议设计方法。
2.如权利要求1所述的一种针对快速控制系统的IEEE 802.15.4新协议设计方法，其特征在于，所述的创建网络采用以下方法：
(1)、协调器创建网络，发送信标帧给周围终端设备；
(2)、终端设备接收信标帧，发送请求加入网络命令，协调器接收加入网络命令，在尚未超出本身资源允许情况下接受请求发送确认请求给终端设备；
(3)、网络组建完成，终端节点发送传感器数据给协调器，网络稳定工作。
3.如权利要求1或2所述的一种针对快速控制系统的IEEE 802.15.4新协议设计方法，其特征在于，上述新协议的设计在TI公司CC2530设备以及配套代码包上实现。
CN201510148032.0A 2015-03-31 2015-03-31 针对快速控制系统的ieee802.15.4新协议设计方法 Active CN104780624B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510148032.0A CN104780624B (zh) 2015-03-31 2015-03-31 针对快速控制系统的ieee802.15.4新协议设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510148032.0A CN104780624B (zh) 2015-03-31 2015-03-31 针对快速控制系统的ieee802.15.4新协议设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104780624A CN104780624A (zh) 2015-07-15
CN104780624B true CN104780624B (zh) 2019-05-21

Family

ID=53621767

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510148032.0A Active CN104780624B (zh) 2015-03-31 2015-03-31 针对快速控制系统的ieee802.15.4新协议设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104780624B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019153360A1 (zh) * 2018-02-12 2019-08-15 Oppo广东移动通信有限公司 无线通信的方法和终端设备

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101425948A (zh) * 2008-10-23 2009-05-06 上海大学 工业无线网接入工业以太网和现场总线的多协议网关及协议转换方法
CN102026099A (zh) * 2010-11-16 2011-04-20 西安电子科技大学 无线体域网中自适应低时延媒体接入控制方法
CN102342135A (zh) * 2009-03-04 2012-02-01 富士通株式会社 对体域网的改进

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG129309A1 (en) * 2005-07-14 2007-02-26 Matsushista Electric Ind Co Lt Method and system of wireless communication between devices

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101425948A (zh) * 2008-10-23 2009-05-06 上海大学 工业无线网接入工业以太网和现场总线的多协议网关及协议转换方法
CN102342135A (zh) * 2009-03-04 2012-02-01 富士通株式会社 对体域网的改进
CN102026099A (zh) * 2010-11-16 2011-04-20 西安电子科技大学 无线体域网中自适应低时延媒体接入控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于IEEE802.15.4的GTS调度算法优化;谢琦等;《计算机工程与设计》;20111116;全文

Also Published As

Publication number Publication date
CN104780624A (zh) 2015-07-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102752040B (zh) 一种基于无线与电力线载波的混合组网与通信的方法
WO2013019287A1 (en) Extended discontinuous reception cycle for wireless devices
Chebrolu et al. Esense: Energy sensing-based cross-technology communication
KR20210020783A (ko) 통신 시스템에서 사이드링크 자원의 설정 방법
CN114245972A (zh) 在支持侧链通信的通信系统中发送和接收harq响应的方法和装置
US20230164873A1 (en) Method and device for paging in sidelink communication based on drx
Bloessl et al. mSync: Physical layer frame synchronization without preamble symbols
Lin et al. A survey on drx mechanism: Device power saving from lte and 5g new radio to 6g communication systems
CN104780624B (zh) 针对快速控制系统的ieee802.15.4新协议设计方法
Zhao et al. Dynamic and non-centric networking approach using virtual gateway platforms for low power wide area systems
EP4231737A1 (en) Method and device for paging in sidelink communication
Liu et al. DCP DRX: An enhanced power saving mechanism in NR
Khamayseh et al. Evolutionary Algorithm for Scheduling in Wireless Sensor Networks.
WO2011044726A1 (zh) 用于分布式网络的频谱共享方法及设备
WO2020147086A1 (zh) 一种信号传输方法、相关设备及系统
EP4294097A1 (en) Method and device for resource sensing and selection in sidelink communication supporting drx operation
EP4290939A1 (en) Drx-based communication method for power saving in sidelink communication
Li et al. Survey on 5G Network Expansion Methods
US20230371116A1 (en) Sl drx-based operation method for sidelink communication
EP4290963A1 (en) Sl drx-based operation method for sidelink communication
EP4297502A1 (en) Method and device for resource sensing and selection for one or more links in communication system supporting drx operation
US20230363045A1 (en) Signaling method for sidelink communication drx operation
EP4231738A1 (en) Method and device for paging in sidelink communication
Dave et al. Comparative analysis between IEEE 802.11 and S-MAC
US20230292290A1 (en) Method and device for paging in sidelink communication

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
EXSB Decision made by sipo to initiate substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant