CN106603215A - 一种基于ZigBee非公平网络信道资源共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ZigBee非公平网络信道资源共享方法，包括以下步骤：(1)系统执行当前任务，进入步骤(2)；(2)倘若有新任务生成，进入步骤(3)，否则返回步骤(1)；(3)计算新任务与当前任务的优先级，倘若新任务优先级更高，抢占执行，结束；否则返回步骤(1)。本发明通过在协议栈中引入一种调度算法，综合考虑系统稳定性、任务执行紧迫性、任务执行过程中的生存率、价值收益，实现价值收益与执行生存率的提高。本发明的反应性抢占信道方法，增加紧急任务及时获得信道的概率，从而实现了系统稳定，增加了任务执行生存率。

Description

一种基于ZigBee非公平网络信道资源共享方法

技术领域

本发明属于无线传感网络领域，涉及一种基于ZigBee非公平网络信道资源共享方法。

背景技术

随着无线传感网络的广泛应用，在ZigBee网络的应用在智能家居系统中，考虑将来家庭中联网电器的增加，各种的任务不断地出现，在信道资源较缺乏的情况下，这些都会导致通信量的增大，造成网络协调器及网络总线负载率增大，出现较多准备传输的数据无法发送的问题。基于CSMA-CA载波监听协议虽然能够避免发射冲突，但是很难解决有效利用信道的问题，因此有效无线信道资源共享方式也成为当前关注热点。

为了合理利用信道资源，目前针对网络ZigBee的调度有基于轮询调度算法、基于令牌机制的ZigBee网络调度，基于轮询的调度算法中，协调器通过不断询问周边节点的是否有数据进行发送，若有则发送数据，没有则轮询下一个节点。虽然采用这种方法可以合理利用信道，但是当轮询一个终端节点恰好有数据发送给协调器时，协调器会开始接收终端发送的数据，但是当有其他节点想发送数据时，就必须等待正在发送数据的节点发送完成，如果前面有很多节点的话，即使任务比较紧迫，依然会优先完成前面节点所需要发送的任务，这样就存在非常不合理的调度问题。

基于令牌机制的ZigBee网络调度算法类似于轮询策略，要求获得虚拟令牌的才具有发送数据的资格，因此令牌在整个网络中要求是唯一的。协调器具有周期性生成令牌的功能，防止令牌在传递过程中丢失，协调器将令牌轮流递给周围节点，节点获得协调器发送的令牌后，检查本节点是否需要发送数据，一旦有数据发送，则会将数据发送给相应的节点，在接收节点接受完数据后，将令牌返回给协调器，协调器在接收到令牌后再次将令牌发送给下一个节点，如果在节点传递过程中由于信道环境问题丢失令牌，整个网络就会形成令牌真空环境，协调器在等待一段时间后就会自动生成令牌以解决这类问题。基于令牌机制的调度策略依然无法应对和轮询调度同样的问题，即无法处理突发性事件，在本节点发送数据过程中，其他节点存在紧急事务，由于没有令牌而无法发送数据，因此只能等待到本节点及其它节点发送完，如果是较为紧急的节点任务就会由于无法及时得到处理从而产生重大损失，因此调度系统需要具备抢占信道功能来处理突事务。

在目前具有优先级调度策略当中存在从价值优先、最短执行时间、剩余空闲时间、截止期等方面来考虑，在不同的应用场景当中采用不同的调度策略，以达到特定的性能指标，如抢占次数、价值积累、截止期错误率等，这些方法设定了调度决策，决定了发生突发事件时，根据价值、执行时间、剩余执行时间、截止期等来查看是由哪个事件获得执行权，但是没有考虑到随着连续丢弃执行任务越多，新执行任务的优先级没有得到补偿增加，在有另外任务抢占时依然可能抢占成功，因此存在浪费系统资源、提高抢占次数、减少价值收益、增加截止期错误率问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于ZigBee非公平网络信道资源共享方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于ZigBee非公平网络信道资源共享方法，包括以下步骤：

(1)系统执行当前任务，进入步骤(2)；

(2)判断是否有新任务生成，倘若有，进入步骤(3)，否则返回步骤(1)；

(3)计算新任务与当前任务的优先级，倘若新任务优先级更高，抢占执行，结束；否则返回步骤(1)。

优选的，步骤(3)具体包括：

(31)根据每个节点承载的不同任务价值，为其分配相应的权重价值，权重价值是未执行任务的影响节点获得信道资源优先级的一个重要初期参考因素，而设置价值生成指数是考虑执行过程中任务的执行程度，价值在任务执行过程中遇到抢占任务时根据执行程度选择抢占与否；

(32)将决策算法写入协议栈MAC层及应用层中，在高优先级节点遇到紧急事件时，倘若低优先级任务节点正在发射信号，在高优先级节点监控低优先级任务发射完成情况，得出两者的优先级，如果高优先级节点任务低于正在执行任务优先级则抢占信道，如果高于正在执行任务的优先级，则发送“抢占长帧”用来和低优先级节点发射的信号碰撞导致CRC校验失败，而后被抢占信道节点会在继续发送时检测忙状态后停止发送，信道空闲后高优先级任务发送本节点的服务信号进而完成发射。

进一步优选的，步骤(31)的具体方法是：采用实时调度系统模型，首先将无线网络中的节点分为两种，承载高价值任务的节点为抢占节点，承载低价值任务的节点为可被抢占节点；然后对每个节点承载的任务进行定性，定义任务生成时间s、价值v、执行时间e、绝对截止时间d、缓冲时间d-e-s、即时价值生成加速指数p、执行强度指数q，其中d＝s+α×(1-E^-β×e)，E为自然常数2.718，t表示当前时刻，α与β为调节参数，经时间研究分析，α设置为4，β设置为0.9；对于任务x，根据完成程度，其瞬时积累价值IV_x(t)表达式为：

式(1)中，τ表示已经执行完的时间，随着τ变大，瞬时积累价值IV_x(t)就会越来越大，但是增长的价值并不是已经提交给协调器的价值，只有全部执行完成提交才能作为有效的价值，如果在执行过程中被抢占执行，那么之前耗费的系统资源生成的瞬时积累价值就会被丢弃。

每个任务都有其固有属性，当系统正在执行任务x，那么该任务开始执行时剩余价值密度为v_x/e_x，随着执行时间变长其剩余价值密度RVD_x(t)越来越大，当其它节点生成任务y后，虽然v_y/e_y大于v_x/e_x时，但是这属于任务固有属性，并不能反映动态变化过程，随着任务x执行一段时间后或者接近完成剩余价值密度会大于或远大于v_x/e_x，最后趋近最大值p_xv_x/e_x，而执行紧迫强度会由于所需的执行时间变少、相对的缓冲时间变多因而减小，因此同时兼顾了任务价值、截止期与空余时间。

为了体现出剩余价值与剩余执行时间因素对优先级的影响，计算任务x剩余价值密度RVD_x(t)，其表达式为：

式(2)中，e_x表示任务x的总的执行时间，v_x表示任务x的价值，p_x为任务x执行时即时价值生成加速指数；当p_x为定值时，RVD_x(t)随τ变大而变大，那么最大值为其极值H(τ)，表达式为：

求导后得到：

式(22)的分母大于零，对于分子正负无法判断，进一步令：

求导后得到:

由于p_x大于或等于1以及执行完成时间τ小于或等于任务x总执行时间，因此f(τ)小于0，F(τ)为递减函数，F(e_x)等于0，在τ小于e_x的时候F(τ)大于0，故h(τ)大于0，得到H(τ)为递增函数，进而RVD_x(t)为递增函数，因而在任务执行接近完成时RVD_x(e_x)为最大值。

为了得到剩余价值密度增长率，定义增长比如下：

根据式(25)可以看出，p_x对比率增长的影响，在其它因素不变的情况下，p_x越大，Ratio_x也会随之变大，因此p_x对执行优先级影响也较为明显。在τ增大时，Ratio_x变大，当τ为e_x时，会增长为最大值max Ratio_x(τ)，表达式如下：

进一步变化得到如下：

由式(27)可得剩余价值密度的变化区间为[RVD_x(0),p_xRVD_x(e_x)]。

在任务执行得越接近完成时间剩余价值密度就会越大，尽管有些任务价值较高，但是由于低价值任务执行完成度较高，因此高价值任务反而无法抢占，因此保护了正在执行的任务，这对整个系统而言是非常重要的，这样减少了对资源的浪费，也提高了任务执行成功率，改善了价值收益；

由于在无线网络任务当中很多任务存在时间要求，因此任务完成存在时间约束性问题，根据任务完成需要的执行时间、剩下的空闲时间、任务截止期、当前时间等综合因素形成一个新的指标，任务完成紧迫系数其表达式为：

在任务在无线网络中的状态也许是等待、执行，由于在等待过程中，任务并没有执行，而是等待执行，完成时间τ保持不变，e_x-τ在等待过程中保持不变，而时间t变大的情况下，如果一直等下去会出现d_x-t小于e_x-τ，一旦出现这种情况意味着剩余时间已经满足不了完成这些任务所需要的时间，因此此时需要将其丢弃，因此最大值就是q_x，而当执行完成后变为零，正说明任务执行完成并不紧迫，符合任务实际状态。根据任务剩余价值与剩余执行时间得出剩余价值密度，根据任务的空余时间与完成截止期得出执行的紧迫系数，接着综合考虑系统的价值收益与任务完成的成功率，考虑指标PR_x(t)，其表达式为：

进一步优选的，步骤(32)的具体方法是：在协议栈IEEE802.15.4-2006MAC层与应用层添加算法程序，存在于MCU与无线RF之间的运行CSMA-CA算法的处理器CSP，用于提供MCU与无线RF之间的通信；应用层数据命令通过APS层与网络层到达MAC层；在MAC层中，根据从应用层中传递下来的命令选择无CSMA-CA模式还是非时隙CSMA-CA模式以及时隙CSMA-CA模式，在根据应用层的命令选定CSMA-CA的工作模式后，将“数据发射控制命令”预先存储到CSP中，并在ISSTART写入RFST后开始运行CSP中程序，在运行到STXON时，开始发送抢占数据。

更进一步优选的，步骤(32)包括：

(32-1)设计非时隙无CSMA-CA抢占算法函数：首先在MAC层添加抢占发射的处理函数，由于在MAC层只存在基于时隙与非时隙的CSMA-CA以及基于时隙的无CSMA-CA的碰撞避免，并没有基于非时隙无CSMA-CA函数，因此需要设计非时隙无CSMA-CA抢占算法函数，并在macTxframe()函数里面添加执行，而函数中主要牵涉到WAITX、WEVENT1、SKIP、STXON、INT、DECZ、SSTOP等命令。这些命令当中WAITX主要使发射前退避x个单位退避周期，用以防止首次发送冲突；WEVENT1命令用来跟随WAITX之后执行，用以等待内部退避计数器达到指定的值；SKIP命令表示如果在参数命令为真，则跳过下一条命令，为假则执行SSTOP，触发终端执行macCspTxStopisr函数；STXON用来启动天线发射数据，用于在STXON写入RFST中后进入发射进程；INT命令用来记录发送时间戳，在SFD高位发射数据时触发此中断；DECZ用以指示Z寄存器递减，改变算法流程走向。

(32-2)将步骤(32-1)设计好的基于非时隙无CSMA-CA函数置于与macTxframe相同文件的位置，在执行macTxframe时决定是否调用：在更改完善的macTxframe中首先判断高优先级任务是否已经进行过初次发射，如果没有，则调用基于非时隙的CSMA-CA函数；如果进行过初次发射，则调用基于非时隙无CSMA-CA函数；最终将发射时的预处理命令存储到CSP中，并在进入到txgo处理历程中通过命令ISSTART启动CSP从第一个指令开始运行；

(32-3)根据每个节点控制设备的不同，在应用层建立不同的任务，并绑定这些任务，在各节点管理下的设备触发任务的执行后，各个节点任务竞争信道资源发送信号：当有节点生成新任务需要获得信道资源时，新节点对比在发送时和正在发送任务的优先级，如果新任务的执行优先级值减去正在执行的任务优先级值所获得的结果大于随抢占次数递增的而递增的动态门限值，则标志寄存器，进入抢占发送信号状态；如果新任务的执行优先级值减去正在执行的任务优先级值所获得的结果小于随抢占次数递增的而递增的门限值，则退避等待。而在抢占发送过程中，抢占发送信息的节点由于事先发送干扰帧并在其它节点退避情况下将信息发送出去，而被抢节点在发送信息时的信息与抢占节点发送的命令信息发生碰撞，导致无法在规定的时间内接收ACK信息，因此在ACK_Time_Out情况下尝试再次发送，而在准备发送信息前将扫描信道，在检测到信道忙状态时将进行二进制指数随机退避算法；抢占节点任务在发送完成后，抢占节点检测到信道空闲之后再进行发送之前没有发送成功的数据。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在协议栈中引入一种调度算法，综合考虑系统稳定性、任务执行紧迫性、任务执行过程中的生存率、价值收益，实现价值收益与执行生存率的提高。本发明的反应性抢占信道方法，增加紧急任务及时获得信道的概率，从而实现了系统稳定，增加了任务执行生存率。

本发明根据有线布局方式调度给无线节点部署带来的限制，提出基于无线调度算法；并根据之前调度算法的不足，提出动态难度的抢占调度算法。本发明不仅避开了传统的有线控制布局带来的瓶颈，并且将提高任务执行的成功率。在以往的ZigBee节点间的信息交互研究中，基本采用基于轮询的调度方式，这就意味着处理一个事务完成后才能去处理突发事务，造成突发事务不能得到及时处理，与此同时基于抢占方式的调度算法并未考虑到在抢占时随着抢占任务数越多系统的代价开销也会越大。基于无线动态难度的抢占调度算法，具有更好的实用性，同时减少重负载任务的负担，增加任务成功执行率与价值收益。

本发明能显著地节省系统资源，提高价值收益，同时降低截止期错误率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明提供的连续性抢占的系统调度模型图；

图2为调度系统示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例：

1、系统调度模型

图1示出了多次连续抢占发送场景，在时序段为1时，承载着低任务价值的D节点响应请求进行数据发射，而在相同的时序段t₁时刻，节点号为4的节点由于其管理下的设备感应到紧急事务，触发4号节点进入调度算法进程。在进程调度当中，4号节点根据监控的D节点执行程度，对比执行优先级PR₄(0)与PR_D(t₁)，考虑场景分析为多次连续抢占，因此PR₄(0)大于PR_D(t₁)。

其中PR₄(0)与PR_D(t₁)的表达式如下：

4号节点在发送次序确定后，则进入到抢占发送进程。由于抢占进程为本发明方法添加，与非抢占进程同为两种工作模式，所以需要在APP应用层标志寄存器。当成功标志寄存后，在通过调用AF_DataRequest请求进入发送进程，数据到达MAC层时通过如下命令控制发送过程：

cspPrepForTxProgram()；

RFST＝WAITX；

RFST＝WEVENT1；

RFST＝STXON；

RFST＝WHILE(C_SFD_IS_ACTIVE)；

RFST＝WHILE(C_SFD_IS_INACTIVE)；

RFST＝INT；

RFST＝WHILE(C_SFD_IS_ACTIVE)；

RFST＝DECZ；

RFST＝SSTOP；

在如上这些命令当中，首先通过cspPrepForTxProgram()来完成检测当前CSP是否运行，并设定“发送指示状态RF寄存器CSPZ”为信道忙。如果检测到CSP正在运行上一次装载的发射程序则中断退出，初始化OSAL系统；如果上一次装载的发射程序运行结束，则退避CSPX个MAC计时器溢出数的时间准备执行下一条指令；通过STXON选通TX，在192us后开始传输帧引导序列，当帧引导序列开始传输时通过指令INT来记录数据发送的时间。当数据发送完成后，通过DECZ命令将寄存器CSPZ减1，使Z寄存器变成0，Z寄存器0值指示发射完成。CSPZ寄存器值作用主要是负责在触发SSTOP中断时，中断处理时根据CSPZ的指示值调用不同的处理过程。如果CSPZ为1，则进行信道状态忙时的处理，即再次尝试退避、检测后重发数据；如果CSPZ为0，则表明数据全部发送完成，并更新信道与功率。

2、多次连续抢占调度模型

在图1当中，4号节点抢占D节点发送单元后，在发送数据时的2号时序段内，1号节点检测到紧急任务，根据之前监控的4号节点的发射执行状态，同时将系统连续抢占任务都考虑在内来进行执行优先级的判断，这是因为之前被丢弃执行的任务都是为了现在的任务能够有充分时间完成，因此需要将丢弃的价值补偿到正在执行的任务当中去，这就体现了系统丢弃执行的任务越多，那么就越需要保护系统正在执行的任务。在任务之间互相争抢系统执行权时，如果仅凭优先级的高低来判断，将会在负载较高时造成任务执行成功率、价值收益偏低，为了解决这个问题，将之前丢弃执行的任务考虑在内，设定动态的优先级差值门阀。被抢占任务价值的丢弃会反应到动态门限当中，抢占任务数变多后，门限值将会变得越大，后期抢占执行也变得更加难。在节点判断执行优先级小于当前任务优先级与门限值之和时，将退避等待当前任务执行完成后再进行执行。

生成新任务的节点将进行如下判断：

在上式中PR_min(t_n)代表从t₁到t_n时刻最近连续丢弃任务的最小优先级，PR_max(t_n)代表从t₁到t_n时刻最近连续丢弃任务的最大优先级，PR_cur(t_n)代表当前正在执行的任务，PR_new(t_n)代表当前时刻生成新的预执行任务，n为大于1的整数，n的最大值等于系统任务数。从上式中可以看在执行任务不断被抢占的情况下，丢弃的任务被收集存储在结构体数组当中，每加入一个任务就将丢弃任务的优先级值与库存里面的最小与最大优先级值进行对比，更新最小或最大丢弃优先值。

系统调度主要过程如图2所示，在网络当中，第一次任务开始占用信道资源后，系统进入的监控新任务生成当中。如果没有新任务生成则占用当前信道资源的节点继续使用，新任务生成后，那么生成任务的节点将会计算当前任务与新任务的执行优先级，通过对比优先级值来决定是否抢占网络信道资源。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于ZigBee非公平网络信道资源共享方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)系统执行当前任务，进入步骤(2)；

(2)判断是否有新任务生成，倘若有，进入步骤(3)，否则返回步骤(1)；

(3)计算新任务与当前任务的优先级，倘若新任务优先级更高，抢占执行，结束；否则返回步骤(1)。

2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee非公平网络信道资源共享方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：

(31)根据每个节点承载的不同任务价值，为其分配相应的权重价值；

(32)将决策算法写入协议栈MAC层及应用层中，在高优先级节点遇到紧急事件时，倘若低优先级任务节点正在发射信号，在高优先级节点监控低优先级任务发射完成情况，得出两者的优先级，如果高优先级节点任务低于正在执行任务优先级则抢占信道，如果高于正在执行任务的优先级，则发送“抢占长帧”用来和低优先级节点发射的信号碰撞导致CRC校验失败，而后被抢占信道节点会在继续发送时检测忙状态后停止发送，信道空闲后高优先级任务发送本节点的服务信号进而完成发射。

3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee非公平网络信道资源共享方法，其特征在于，步骤(31)的具体方法是：采用实时调度系统模型，首先将无线网络中的节点分为两种，承载高价值任务的节点为抢占节点，承载低价值任务的节点为可被抢占节点；然后对每个节点承载的任务进行定性，定义任务生成时间s、价值v、执行时间e、绝对截止时间d、缓冲时间d-e-s、即时价值生成加速指数p、执行强度指数q，其中d＝s+α×(1-E^-β×e)，E为自然常数2.718，t表示当前时刻，α与β为调节参数，经时间研究分析，α设置为4，β设置为0.9；对于任务x，根据完成程度，其瞬时积累价值IV_x(t)表达式为：

${\mathrm{IV}}_x\left(t\right)=\frac{v_x\×{\mathrm{\τ}}^{p_x}}{e_x^{p_x}}---\left(1\right)$

式(1)中，τ表示已经执行完的时间，为了体现出剩余价值与剩余执行时间因素对优先级的影响，计算任务x剩余价值密度RVD_x(t)，其表达式为：

${\mathrm{RVD}}_x\left(t\right)=\frac{v_x-{\mathrm{IV}}_x\left(t\right)}{e_x-\mathrm{\τ}}=\frac{(e_x^{p_x}-{\mathrm{\τ}}^{p_x})\×v_x}{e_x^{p_x}\×(e_x-\mathrm{\τ})}---\left(2\right)$

式(2)中，e_x表示任务号为x的总的执行时间，v_x表示任务号为x的价值，p_x为任务执行时即时价值的生成的加速指数；当p_x为定值时，RVD_x(t)随τ变大而变大；

由于在无线网络任务当中很多任务存在时间要求，因此任务完成存在时间约束性问题，根据任务完成需要的执行时间、剩下的空闲时间、任务截止期、当前时间等综合因素形成一个新的指标，任务完成紧迫系数其表达式为：

根据任务剩余价值与剩余执行时间得出剩余价值密度，根据任务的空余时间与完成截止期得出执行的紧迫系数，接着综合考虑系统的价值收益与任务完成的成功率，考虑指标PR_x(t)，其表达式为：

${\mathrm{PR}}_x\left(t\right)=\frac{v_x-{\mathrm{IV}}_x\left(t\right)}{e_x-\mathrm{\τ}}\×q_x^{\frac{e_x-\mathrm{\τ}}{d_x-t}}---\left(4\right)$

4.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee非公平网络信道资源共享方法，其特征在于，步骤(32)的具体方法是：在协议栈IEEE802.15.4-2006MAC层与应用层添加算法程序，存在于MCU与无线RF之间的运行CSMA-CA算法的处理器CSP，用于提供MCU与无线RF之间的通信；应用层数据命令通过APS层与网络层到达MAC层；在MAC层中，根据从应用层中传递下来的命令选择无CSMA-CA模式还是非时隙CSMA-CA模式以及时隙CSMA-CA模式，在根据应用层的命令选定CSMA-CA的工作模式后，将“数据发射控制命令”预先存储到CSP中，并在ISSTART写入RFST后开始运行CSP中程序，在运行到STXON时，开始发送抢占数据。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于ZigBee非公平网络信道资源共享方法，其特征在于，步骤(32)包括：

(32-1)设计非时隙无CSMA-CA抢占算法函数；

(32-2)将步骤(32-1)设计好的基于非时隙无CSMA-CA函数置于与macTxframe相同文件的位置，在执行macTxframe时决定是否调用；

(32-3)根据每个节点控制设备的不同，在应用层建立不同的任务，并绑定这些任务，在各节点管理下的设备触发任务的执行后，各个节点任务竞争信道资源发送信号。