CN104968029A - 一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法，网络中的基站根据信标周期T定时广播发送信标帧，节点定时或由突发事件唤醒等待接收信标帧，节点在收到信标帧时进行时间同步，并将工作时间按照信标周期T分割成周期性互不重叠的时间段，再将每个时间段划分成若干时隙；未加入网络基站的节点自动搜索切换频点在第一个空闲时隙加入基站的网络，由基站分配网络编号；而已入网号的节点，根据自身所分配网络时隙内向基站上报数据，并接收基站的回复。该方法实现了同步机制和时分多址技术的融合，可提高无线传感网络的准确性、可靠性、网络容纳性和低功耗性能。

Description

一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法

技术领域

本发明涉及一种同步时分多址方法，尤其涉及的是一种适用于无线传感网的同步时分多址接入方法。

背景技术

在节点众多，通讯传输范围较大的低功耗无线传感网络中，由于无线信道的共享特性，当相邻的链路上同时进行数据通讯时，链路之间易相互干扰，产生冲突。无线网络中通道防冲突的能力直接依赖于媒体接入控制协议(Medium AccessControl,MAC)如何管理信道资源。为了实现整个网络能够长期有效的工作，如何在为节点提供足够的、长期的能量的前提下进行防冲突设计成为重中之重。

时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)技术，是把通信系统的工作时间分割成周期性互不重叠的时间段，再将每个时间段的时间划分成若干个小段，每小段称为一个时隙，每一个用户都在指定的时隙里接通信道，其他的用户在另外的所指定的时隙里接通信道。TDMA方式最初用于卫星通信中，现在也逐渐使用于其它的各种通信场合，可大大提高网络的通讯速率，可靠性和网络容纳量。

在低功耗的MAC协议设计中，为减少能量的消耗，通常是通过调节占空比来实现TDMA调度算法的，但需要参与通讯的双方首先实现时间同步，并且同步精度越高，防护频带越小，相应的功耗也越低，在无线传感网的分布式系统中，时间同步是一项关键的支撑技术，国内外专家学者对无线传感网络时间同步进行了很多研究，相继提出了RBS、DMTS、TPSN、FTSP、MINI/IINI-SYNC、LTS和HRTS等协议算法。这些协议算法主要针对能耗、精度和扩展性三个方面有不同的侧重点，而不同的传感网络和不同的应用场合对时间同步的要求也不同，从能耗上讲，有的要求可以牺牲同步精度而保证能量，而有的场合更加重视同步精度；从精度上讲，有的要求达到微秒级的同步，而有的应用环境只需达到毫秒级的同步即可；而从可扩展性来说，无线传感网是有大量的传感器节点组成，为了保证网络的鲁棒性和稳定性，时间同步需要适用于可扩展的网络等。

所以，如何轻松组建一个功耗低同时又能保证系统的稳定性、准确性、容纳性和实时性良好的网络是工程师们重点研究的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种既能降低节点模块的功耗，又能获得了良好稳定性、准确性、容纳性和实时性的无线传感网络系统。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法，无线传感网络中的基站根据信标周期T定时广播发送信标帧，节点定时醒来或由突发事件唤醒等待接收信标帧，节点在收到基站信标帧时进行时间同步，将工作时间按照基站信标周期T分割成周期性互不重叠的时间段，再将每个时间段划分成若干时隙；未加入基站网络的节点自动搜索切换频点在第一个空闲时隙加入基站网络，并由基站分配网络编号；已入网分配过网络编号的节点，根据自身所分配网络编号在固定时隙内向基站上报数据，并接收网络基站的回复。

优选的，未入网的节点在收到基站网络信标时进行时间同步，在判断该网络基站容纳量未满和RSSI合适时，在信标周期的第一个空闲时隙，即接到网络信标的第一时间发送入网帧给网络基站，网络基站接收到未入网的节点的入网帧后，分配网络编号发送给未入网的节点，未入网的节点接收到分配给自身的网络编号，完成入网环节，成为新入网节点。

优选的，所述新入网的节点定时从低功耗醒来或由突发事件唤醒等待上报数据，在接收到网络基站的信标帧时进行同步，在自身网络编号的时隙内将数据上报，并等待网络基站的回复。

优选的，所述新入网的节点的上报机制使用时分多址技术，即节点将工作时间按信标帧周期分割成周期性的时间段，再将每个时间段划分成若干时隙，时隙的多少由基站网络容纳的节点个数决定，每个时隙对应一个网络编号，网络内的节点上报数据按照自身的网络编号对应的时隙进行上报数据。

优选的，新入网的节点在完成系统初始化后，就进入低功耗模式，所有同网络基站的同步时分多址通讯均是在秒中断和时隙中断的定时器中断中实现的，节点绝大多数时间都处于低功耗的状态下。

优选的，节点从低功耗醒来后进入节点的定时器中断流程，所述定时器中断的具体流程如下：

步骤101，节点进入定时器中断服务子程序，然后执行步骤102；

步骤102，节点打开全局总中断，然后执行步骤103；

步骤103，判断节点当前的状态，即是否加入某个网络基站的网络，若为是，执行步骤104；否则，执行步骤105；

步骤104，节点已入网进入正常工作状态，判断是否到了网络基站定时上报数据的时间，若为是，执行步骤106；否则，执行步骤121；

步骤105，节点处于搜索网络的状态，判断是否到了搜索网络基站的时间，若为是，执行步骤115；否则，执行步骤117；

步骤106，节点等待接收网络信标，判断是否接收网络信标，若为是，则执行步骤107，否则执行步骤108；

步骤107，节点接收到网络信标后，并不是立即上报数据，而是等待自身网络编号所对应的时隙到的时候才上报数据，在步骤107中判断网络时隙时间是否到；若为是，执行109；否则，继续等待网络时隙即执行步骤107；

步骤108，判断节点等待网络信标是否超时，若为是，则执行步骤110，否则，继续等待接收网络信标即执行步骤106；

步骤109，节点接收到网络后，向网络基站上报数据；然后执行步骤111；

步骤110，节点接收网络信标超后，将退出该网络基站的网络，清除入网标志位，然后执行步骤121；

步骤111，节点向网络基站上报数据后，等待网络基站的回复，判断是否接收到网络基站的回复，若为是，执行步骤112；否则执行步骤113；

步骤112，节点上报成功后，将清零定时上报计数器，然后执行步骤121；

步骤113，判断节点等待接收网络基站回复是否超时，若为是，执行步骤114；否则，执行步骤111继续等待网络基站的回复；

步骤114，节点接收网络基站回复等待超时后，将退出基站的网络，清掉入网的标志，然后执行步骤121；

步骤115，搜索网络时间到后，节点判断是否接收到合适的网络基站发送的网络信标，若成功，则执行步骤116；失败，则执行步骤117；

步骤116，节点向网络基站发送入网数据帧，然后执行步骤118；

步骤117，判断节点等待接收合适网络基站的网络信标是否超时，若为是，执行步骤121，否则，继续等待网络信标即执行步骤115；

步骤118，判断节点是否接收到网络基站对入网帧的回复，若为是，执行步骤119，否则，执行步骤120；

步骤119，节点保存由网络基站分配的网络编号，并置位入网标志，表示已成功加入网络，然后执行步骤121；

步骤120，节点判断接收网络基站对入网帧的回复是否超时，若为是，执行步骤121；否则，继续等待网络基站的回复即执行步骤118；

步骤121，节点退出定时器中断服务子程序。

优选的，整个无线传感网络中有若干网络基站存在，并且每个网络基站的频点不同，未入网的节点通过跳频的方式搜索加入对自身最有利的基站。

优选的，所述网络基站工作的主流程如下：

步骤201，网络基站上电，然后执行步骤202；

步骤202，网络基站完成系统和外围设备的初始化，然后执行步骤203；

步骤203，网络基站按照信标周期T广播发送网络信标帧，然后执行204；

步骤204，网络基站发送完网络信标后，判断是否接收到节点的入网帧，若为是，执行步骤205；否则，执行步骤206；

步骤205，网络基站保存入网的节点的ID号，并将给节点分配的网络编号发送给节点，然后执行步骤206；

步骤206，判断网络基站是否接收到网内节点上报的数据，若为是，执行步骤207；否则，执行步骤208；

步骤207，保存节点上报的数据，并给节点进行回复，然后继续执行步骤206；

步骤208，网络基站根据信标周期判断是否到了发送网络信标的时间，若为是，执行步骤203；否则，继续等待节点上报数据执行步骤206。

本发明适用于包含基站和节点，并且节点众多，通讯范围较大的低功耗无线传感网络。本发明相比现有技术具有以下优点：可轻松组建一个无线自组网传感网络；实现微秒级的时间同步精度，网络基站和节点之间采用局部按需同步；降低节点的功耗；获得良好的网络稳定性；提高网络容纳性；提高系统的实时性。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的网络结构图；

图2是本发明的网络基站同节点时分多址通讯的示意图；

图3是本发明的节点主流程图；

图4是本发明的节点同步时分多址的工作流程图；

图5是本发明的网络基站工作主流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-5所示，一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法，无线传感网络中的基站根据信标周期T定时广播发送信标帧，节点定时醒来或由突发事件唤醒等待接收信标帧，节点在收到基站信标帧时进行时间同步，将工作时间按照基站信标周期T分割成周期性互不重叠的时间段，再将每个时间段划分成若干时隙；未加入基站网络的节点自动搜索切换频点在第一个空闲时隙加入基站网络，并由基站分配网络编号；已入网分配过网络编号的节点，根据自身所分配网络编号在固定时隙内向基站上报数据，并接收网络基站的回复。

未入网的节点在收到基站网络信标时进行时间同步，在判断该网络基站容纳量未满和RSSI合适时，在信标周期的第一个空闲时隙，即接到网络信标的第一时间发送入网帧给网络基站，网络基站接收到节点的入网帧后，分配网络编号发送给节点，节点接收到分配给自身的网络编号，完成入网环节，成为新入网节点。新入网的节点，定时从低功耗醒来或突发事件唤醒等待上报数据，在接收到网络基站的信标帧时进行同步，在自身网络编号的时隙内将数据上报，并等待网络基站的回复。

整个无线传感网络中有若干网络基站存在，并且每个网络基站的频点不同，未入网的节点通过跳频的方式搜索加入对自身最有利的基站。如图1所示，是无线网络的系统结构图，该无线网络由多个网络基站和节点所构成，采用星形拓扑结构进行连接；系统中可设置多个基站，每个基站的无线通讯的频段不同，节点可通过扫频的方式搜索加入到合适的基站网络，每个由不同频段基站组建的通讯网络互不干扰。

所述节点的上报机制使用时分多址技术，如图2所示，其具体过程是：基站定时向外广播发送一帧网络信标(周期为T)，根据时分多址将信标周期T等分为n个网络时隙，每个网络时隙为Δt，将第一个网络时隙Δt预留下来给未入网的节点入网交互，其余的Δt分配给已加入网络分配有网络编号的节点根据自身网络编号(网络编号是在节点加入基站网络时，基站所分配的)进行数据交互。

图3是节点主流程图，如图所示节点在完成系统初始化后，就进入低功耗模式。所有的处理都是在秒中断、无线接收中断和时隙定时器中断子程序中进行的，节点绝大多数时间都处于低功耗的状态下，这样可以大大降低节点的功耗。

图4是节点具体实现同网络基站进行时分多址通讯的定时器中断流程图，图5是网络基站的工作主流程图。

本发明的工作过程如下：

本发明的工作过程将根据下面的图4和图5的介绍展开描述：

在节点如图3所示初始化完成后，进入低功耗状态后，当定时器中断发生时，如图4所示节点将从低功耗醒来进入步骤101；

在步骤101中，节点进入定时器中断服务子程序，然后执行步骤102；

在步骤102中，节点打开全局总中断，然后执行步骤103；

在步骤103中，判断节点当前的状态，即是否加入某个网络基站的网络，若为是，执行步骤104；否则，执行步骤105；

在步骤104中，节点已入网进入正常工作状态，判断是否到了网络基站定时上报数据的时间，若为是，执行步骤106；否则，执行步骤121；

在步骤105中，节点处于搜索网络的状态，判断是否到了搜索网络基站的时间，若为是，执行步骤115；否则，执行步骤117；

在步骤106中，节点等待接收网络信标，判断是否接收网络信标，若为是，则执行步骤107，否则执行步骤108；

在步骤107中，节点接收到网络信标后，并不是立即上报数据，而是等待自身网络编号所对应的时隙到的时候才上报数据，在步骤107中判断网络时隙时间是否到；若为是，执行109；否则，继续等待网络时隙即执行步骤107；

在步骤108中，判断节点等待网络信标是否超时，若为是，则执行步骤110，否则，继续等待接收网络信标即执行步骤106；

在步骤109中，节点接收到网络后，向网络基站上报数据，然后执行步骤111；

在步骤110中，节点接收网络信标超后，将退出该网络基站的网络，清除入网标志位，然后执行步骤121；

在步骤111中，节点向网络基站上报数据后，等待网络基站的回复，判断是否接收到网络基站的回复，若为是，执行步骤112，否则执行步骤113；

在步骤112中，节点上报成功后，将清零定时上报计数器，然后执行步骤121；

在步骤113中，判断节点等待接收网络基站回复是否超时，若为是，执行步骤114；否则，执行步骤111继续等待网络基站的回复；

在步骤114中，节点接收网络基站回复等待超时后，将退出基站的网络，清掉入网的标志，然后执行步骤121；

在步骤115中，搜索网络时间到后，节点判断是否接收到合适的网络基站发送的网络信标，若成功，则执行步骤116；失败，则执行步骤117；

在步骤116中，节点向网络基站发送入网数据帧，然后执行步骤118；

在步骤117中，判断节点等待接收合适网络基站的网络信标是否超时，若为是，执行步骤121，否则，继续等待网络信标即执行步骤115；

在步骤118中，判断节点是否接收到网络基站对入网帧的回复，若为是，执行步骤119，否则，执行步骤120；

在步骤119中，节点保存由网络基站分配的网络编号，并置位入网标志，表示已成功加入网络，然后执行步骤121；

在步骤120中，节点判断接收网络基站对入网帧的回复是否超时，若为是，执行步骤121；否则，继续等待网络基站的回复即执行步骤118；

在步骤121中，节点退出定时器中断服务子程序。

以上是节点的定时器中断的流程分析，所有同网络基站的同步时分多址通讯均是在秒中断和时隙中断的定时器中断中实现的，图4中的定时器中断是同时综合了秒中断和时隙中断。

如图5所示为网络基站的主流程图，流程分析如下：

在流程的最开始先执行步骤201，网络基站上电，然后执行步骤202；

在步骤202中，网络基站完成系统和外围设备的初始化，然后执行步骤203；

在步骤203中，网络基站按照信标周期T(根据实际需要确定)广播发送网络信标帧，然后执行204；

在步骤204中，网络基站发送完网络信标后，判断是否接收到节点的入网帧，若为是，执行步骤205；否则，执行步骤206；

在步骤205中，网络基站保存入网的节点的ID号，并将给节点分配的网络编号发送给节点；然后执行步骤206；

在步骤206中，判断网络基站是否接收到网内节点上报的数据；若为是，执行步骤207；否则，执行步骤208；

在步骤207中，保存节点上报的数据，并给节点进行回复，然后继续执行步骤206；

在步骤208中，网络基站根据信标周期判断是否到了发送网络信标的时间，若为是，执行步骤203；否则，继续等待节点上报数据执行步骤206。

经过测试和实验表明：使用该方法搭建的无线传感网络，不仅可以大大降低节点模块的功耗，而且在系统的稳定性、准确性、容纳性和实时性也获得了良好的应用效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法，其特征在于，无线传感网络中的基站根据信标周期T定时广播发送信标帧，节点定时醒来或由突发事件唤醒等待接收信标帧，节点在收到基站信标帧时进行时间同步，将工作时间按照基站信标周期T分割成周期性互不重叠的时间段，再将每个时间段划分成若干时隙；未加入基站网络的节点自动搜索切换频点在第一个空闲时隙加入基站网络，并由基站分配网络编号；已入网分配过网络编号的节点，根据自身所分配网络编号在固定时隙内向基站上报数据，并接收网络基站的回复。

2.根据如权利要求1所述的一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法，其特征在于，未入网的节点在收到基站网络信标时进行时间同步，在判断该网络基站容纳量未满和RSSI合适时，在信标周期的第一个空闲时隙，即接到网络信标的第一时间发送入网帧给网络基站，网络基站接收到未入网的节点的入网帧后，分配网络编号发送给未入网的节点，未入网的节点接收到分配给自身的网络编号，完成入网环节，成为新入网节点。

3.根据如权利要求2所述的一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法，其特征在于，所述新入网的节点定时从低功耗醒来或由突发事件唤醒等待上报数据，在接收到网络基站的信标帧时进行同步，在自身网络编号的时隙内将数据上报，并等待网络基站的回复。

4.根据如权利要求3所述的一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法，其特征在于，所述新入网的节点的上报机制使用时分多址技术，即节点将工作时间按信标帧周期分割成周期性的时间段，再将每个时间段划分成若干时隙，时隙的多少由基站网络容纳的节点个数决定，每个时隙对应一个网络编号，网络内的节点上报数据按照自身的网络编号对应的时隙进行上报数据。

5.根据如权利要求4所述的一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法，其特征在于，新入网的节点在完成系统初始化后，就进入低功耗模式，所有同网络基站的同步时分多址通讯均是在秒中断和时隙中断的定时器中断中实现的，节点绝大多数时间都处于低功耗的状态下。

6.根据如权利要求5所述的一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法，其特征在于，节点从低功耗醒来后进入节点的定时器中断流程，所述定时器中断的具体流程如下：

步骤101，节点进入定时器中断服务子程序，然后执行步骤102；

步骤102，节点打开全局总中断，然后执行步骤103；

步骤103，判断节点当前的状态，即是否加入某个网络基站的网络，若为是，执行步骤104；否则，执行步骤105；

步骤104，节点已入网进入正常工作状态，判断是否到了网络基站定时上报数据的时间，若为是，执行步骤106；否则，执行步骤121；

步骤105，节点处于搜索网络的状态，判断是否到了搜索网络基站的时间，若为是，执行步骤115；否则，执行步骤117；

步骤106，节点等待接收网络信标，判断是否接收网络信标，若为是，则执行步骤107，否则执行步骤108；

步骤107，节点接收到网络信标后，并不是立即上报数据，而是等待自身网络编号所对应的时隙到的时候才上报数据，在步骤107中判断网络时隙时间是否到；若为是，执行109；否则，继续等待网络时隙即执行步骤107；

步骤108，判断节点等待网络信标是否超时，若为是，则执行步骤110，否则，继续等待接收网络信标即执行步骤106；

步骤109，节点接收到网络后，向网络基站上报数据；然后执行步骤111；

步骤110，节点接收网络信标超后，将退出该网络基站的网络，清除入网标志位，然后执行步骤121；

步骤111，节点向网络基站上报数据后，等待网络基站的回复，判断是否接收到网络基站的回复，若为是，执行步骤112；否则执行步骤113；

步骤112，节点上报成功后，将清零定时上报计数器，然后执行步骤121；

步骤113，判断节点等待接收网络基站回复是否超时，若为是，执行步骤114；否则，执行步骤111继续等待网络基站的回复；

步骤114，节点接收网络基站回复等待超时后，将退出基站的网络，清掉入网的标志，然后执行步骤121；

步骤115，搜索网络时间到后，节点判断是否接收到合适的网络基站发送的网络信标，若成功，则执行步骤116；失败，则执行步骤117；

步骤116，节点向网络基站发送入网数据帧，然后执行步骤118；

步骤117，判断节点等待接收合适网络基站的网络信标是否超时，若为是，执行步骤121，否则，继续等待网络信标即执行步骤115；

步骤118，判断节点是否接收到网络基站对入网帧的回复，若为是，执行步骤119，否则，执行步骤120；

步骤119，节点保存由网络基站分配的网络编号，并置位入网标志，表示已成功加入网络，然后执行步骤121；

步骤120，节点判断接收网络基站对入网帧的回复是否超时，若为是，执行步骤121；否则，继续等待网络基站的回复即执行步骤118；

步骤121，节点退出定时器中断服务子程序。

7.根据如权利要求1所述的一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法，其特征在于，整个无线传感网络中有若干网络基站存在，并且每个网络基站的频点不同，未入网的节点通过跳频的方式搜索加入对自身最有利的基站。

8.根据如权利要求7所述的一种适用于无线传感网络的同步时分多址接入方法，其特征在于，所述网络基站工作的主流程如下：

步骤201，网络基站上电，然后执行步骤202；

步骤202，网络基站完成系统和外围设备的初始化，然后执行步骤203；

步骤203，网络基站按照信标周期T广播发送网络信标帧，然后执行204；

步骤204，网络基站发送完网络信标后，判断是否接收到节点的入网帧，若为是，执行步骤205；否则，执行步骤206；

步骤205，网络基站保存入网的节点的ID号，并将给节点分配的网络编号发送给节点，然后执行步骤206；

步骤206，判断网络基站是否接收到网内节点上报的数据，若为是，执行步骤207；否则，执行步骤208；

步骤207，保存节点上报的数据，并给节点进行回复，然后继续执行步骤206；

步骤208，网络基站根据信标周期判断是否到了发送网络信标的时间，若为是，执行步骤203；否则，继续等待节点上报数据执行步骤206。