CN109639537A - 一种tdma自动协商速率的高速数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种TDMA自动协商速率的高速数据传输方法，TDMA网关以预定时间间隔向TDMA设备发送beacon报文；TDMA设备在收到beacon报文后，立即向TDMA网关发送keepalive报文；TDMA网关在单位时间内对所述keepalive报文的每一帧数据进行正确性检验，并实时统计TDMA网关和TDMA设备之间通信数据的误码率；单位时间内TDMA网关统计网络中每个TDMA设备发送的keepalive报文的个数，并计算出网络此时的丢包率；当TDMA网关收到TDMA设备的keepalive报文时，读取每个keepalive报文的信号强度指示RSSI；评估网络当前的通信质量；调整通信速率。本发明既可以提高网络传输大数据的能力，同时也可以保证网络的稳定性和可靠性。

Description

一种TDMA自动协商速率的高速数据传输方法

技术领域

本发明涉及TDMA数据传输技术领域，具体的说是一种基于WIFI硬件平台的TDMA自动协商速率的高速数据传输方法。

背景技术

随着物联网和智能家居的发展，传统的IEEE 802.11无线局域网WiFi，因其基于CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)载波侦听多路访问/冲突避免机制的多址接入协议，因为组网复杂，系统资源占用较多，协议栈复杂，开发周期长，产品需要WiFi联盟认证，一个网络节点可带的子设备数量有限(例如一个路由器下最多能带几十个手机或PC或其他无线AP)。同时WiFi协议专利大多数被欧美国家占有，我国的企业使用受限于人，由此产生诸多不便，对我国智能家居事业也有不小的限制。

现有物联网无线通信方案，如ZigBee，MacBee等物联网网络协议一旦开发完成，网络的通信速率都是固定不变的，无论是在无线网络通信质量好，还是通信质量差的情况下，网络的通信速率始终不变。那么在这种网络环境中就会出现，当网络环境状况好的时候，此时通信质量好，由于速率固定单位时间内能够传输的数据也是固定的，没有充分利用网络的通信能力，造成了网络资源的浪费，在大数据传输时，这种浪费显得非常突出，加大了数据传输的时间，降低了用户的体验。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明在使用原有WiFi硬件平台的基础上，提出了全新的TDMA(Time Division Multiple Access)时分多址无线控制协议的无线物联网通信方案。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种TDMA自动协商速率的高速数据传输方法，所述传输方法用于包括TDMA设备、TDMA网关和路由器的网络，所述路由器通过HTTP协议与一个或若干个TDMA网关通讯，所述每个TDMA网关通过TDMA物联网协议与一个或若干个TDMA设备通讯，所述传输方法包括以下步骤：

TDMA网关以预定时间间隔向TDMA设备发送beacon报文；

TDMA设备在收到beacon报文后，立即向TDMA网关发送keepalive报文；

TDMA网关在单位时间内对所述keepalive报文的每一帧数据进行正确性检验，并实时统计TDMA网关和TDMA设备之间通信数据的误码率；

单位时间内TDMA网关统计网络中每个TDMA设备发送的keepalive报文的个数，并计算出网络此时的丢包率；

当TDMA网关收到TDMA设备的keepalive报文时，读取每个keepalive报文的信号强度指示RSSI；

评估网络当前的通信质量；

通信速率调整：当通信质量低于或等于当前速率下预定的下线临界值时，降低通信速率；当通信质量高于或等于当前速率下预定的上线临界值时，提高通信速率；当通信质量介于上线临界值和下线临界值之间时，保持当前通信速率不变。

所述beacon报文中包括当前网络通信信道和当前网络数据通道工作通信速率。

所述正确性检验采用CRC16算法。

所述TDMA网关和TDMA设备之间通信数据的误码率为单位时间内收到报文校验出错的报文个数除以单位时间收到总的报文个数。

所述丢包率为单位时间内TDMA网关收到keepalive报文的数量除以单位时间内TDMA网应收到的keepalive报文的数量。

所述评估网络当前的通信质量，具体为：

那么其网络通信质量NQ计算如下：

其中，NQ为通信质量，R为RSSI，L为丢包率，C为误码率，n为当前TDMA网关连接的TDMA设备的数量。

所述降低通信速率、提高通信速率，包括：

TDMA网关下发的beacon报文中含有数据通道的通信速率，TDMA设备收到beacon报文之后解析出所述通信速率，并调整数据通道的通信速率为解析出的所述通信速率。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明物联网的组网灵活，方便，占用系统资源小，单一网络节点下，接入的子设备数最多可达65535个。

2、本发明传输数据的带宽宽，传输速率高，传输延迟小，反应灵敏，可进行大数据传输，为物联网的大力发展提供了无限可能。

3、本发明是基于WiFi硬件平台的TDMA技术通过实时监测网络的丢包率，误码率，和RSSI评估网络质量(NQ)。在发生网络质量变差或者网络拥塞的情况下自动协商无线通信速率，将网络通信速率降低，提高无线通信的稳定性和可靠性。当网络质量比较好时，如果此时通信速率比较低，TDMA网络可以协商提高网络通信的速率，保证数据通信的效率，从而提升用户的网络使用体验。

附图说明

图1为整个TDMA物联网网络的工作模型图；

其中1为HTTP协议，2为TDMA物联网协议；

图2为本发明方法中故障先兆判定模型的构造过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示的整个TDMA物联网网络的工作模型，TDMA网关和TDMA设备是运行在基于WiFi平台的硬件上，所以TDMA网络继承了WiFi网络的带宽宽的特性，单位时间内比ZigBee和Z-wave等传统物联网能够传输更大的数据量。本发明实施例的TDMA物联网协议只是使用了现有WiFi网络中的硬件平台，软件协议是全新设计，和现有WiFi协议并无任何交集。

TDMA网关和TDMA设备之间运行的是本发明的TDMA物联网协议，TDMA网关和路由器直接运行的是传统的HTTP协议。TDMA网关以预定时间间隔(在本发明的实施例中，预定时间间隔为200ms)向TDMA设备发送beacon报文，TDMA设备在收到beacon报文的时候，会在自己的时隙立即向TDMA网关发送keepalive报文。TDMA网关会在单位时间内通过CRC校验算法对TDMA设备发送的保活数据keepalive每一帧数据进行检验，检验数据的正确性，并实时统计TDMA网关和TDMA设备之间通信数据的误码率。单位时间内TDMA网关会统计网络中每个TDMA设备发送的keepalive报文个数，并计算出网络此时的丢包率。同时当TDMA网关收到TDMA设备的keepalive报文时，读取每个报文的RSSI，查看每个TDMA设备的信号强度。此时TDMA网关会实时根据丢包率和误码率以及RSSI评估此时网络的通信质量。当网络的通信质量低于了规定的临界值时，TDMA网关会向TDMA设备提出降低网络速率的请求。当网络通信质量指标高于当前通信速率规定的指标时，TDMA网关可以向TDMA设备协商提高通信速率。

单位时间(本发明的一个实施例中为180s)内正常情况下TDMA网关可以收到7个keepalive报文(180/25.6＝7)如果TDMA网关只收到5个keepalive报文，那么丢包率＝(7-5)/7＝28.5％。

在本发明的实施例中，一般基于IEEE 802.11硬件平台的TDMA网络支持的通信速率在(1Mbps-65Mbps)。TDMA网络不是在WIFI协议框架下开发的网络，而是一种全新的宽带物联网通信网络，只不过TDMA使用的硬件平台是802.11WIFI网络的硬件平台。本实施例采用的是基于IEE802.11硬件平台的2.4G无线通信方式，其可能会被其他频段的通信方式所替换，产品外观、整个系统的软件联动工作方式可能会在本发明启发下提出其他系统方案，但均应该为本发明的保护范围之内。

整个TDMA网络分为协议通道和数据通道，本发明要提升通信速率的是数据通道。协议通道的通信速率是固定的。协议通道只发送beacon报文和接收keepalive报文。beacon报文的速率是固定1Mbps，beacon报文包含有网关当前工作的通信信道，通信速率等信息。所以TDMA网关可以通过beacon报文下发降低速率后的数据通道速率，所有TDMA设备收到beacon报文之后，解析出TDMA网关的数据通道速率。然后切换自己的数据通道速率，与TDMA网关的数据通道速率一致即可。

表1 beacon报文格式

如表1所示，cmd:TDMA网络协议命令号，timestamp：beacon报文的时间偏移，seq:报文序号，ver：版本号，ch:当前网络通信信道，ppdu：本周期内协议数据单元最大长度，rate:当前网络数据通道工作通信速率，sw：本周期除了beacon发送时隙和beacon回复时隙之外用于数据收发时隙的宽度(当beacon周期大于标准周期200ms时，可以通过设置sw来成倍增加数据收发时隙的宽度)，bi：网关beacon报文间隔(省电设备可以根据该设置自动调整监听周期Listen-Interval(LI))，dtc：DTM倒计数是指经过多少个beacon周期后，下一个beacoan将会是DTM类型(省电设备才会休眠，省电设备可以根据该值动态计算休眠时间，在指定的周期醒来获取数据上报时隙)，bid：数据传输时隙类型，CRC16：整个报文的校验和，len：定义为ID元素的长度。现有技术中，beacon报文中一般只包含有命令号，时间戳和客户ID，而TDMA网络协议中的beacon报文包含通信速率，通信信道等等更多信息，在设备处理过程中会显得更加灵活。

如图2所示，TDMA协议会周期性的网关每200ms给两个设备发送beacon报文，设备1在收到TDMA网关发送的beacon之后，会在自己的时隙内回复网关保活即keepalive报文。在此期间网关会计算设备1的信号强度得到R1，同时会校验报文的正确性，和统计收到的报文个数，分别统计出设备1的误码率C1和丢包率L1。依次统计出TDMA网关下，设备2的R2,C2,L2.直到统计完TDMA网关所有设备的Rn,Cn,Ln，假如网络中有N个子设备，那么其网络通信质量(NQ)计算如下：

其中，NQ为网络质量，R为RSSI，L为丢包率，C为误码率，n为当前TDMA网关连接的TDMA设备的数量(即网络中的设备数)。

TDMA网关每200ms给两个设备发送beacon报文，每个设备收到自己的beacon的间隔是25.6秒。而beacon报文是在固定的1Mbps速率下发送的(备注：改变的只是数据通信速率，协议beacon速率固定为1Mbps)，同时beacon报文信息中携带有数据通道的速率(TDMA网关每次发送beacon报文中都包含数据通道的通信速率)。当TDMA网关统计的NQ低于本速率下的NQ下限阈值时，如图2当此时NQ值低于48Mbps速率下网络质量的下限阈值X1时，网络中的TDMA网关在beacon报文中带上最新的数据通信速率，比如16Mbps。当TDMA网关下所有设备收到此beacon报文之后，提取出beacon报文中的通信速率，当网络通信速率与自己本身的通信速率不一样时，切换自己的通信速率至网关下发的通信速率。这样网关和设备之前速率才匹配，两者之间才可以任意收发数据。以此来提高网络通信的稳定性和可靠性。反之当网络通信质量NQ高于该通信速率的上限阈值时，TDMA网关会主动发起提升网络通信速率，以此来提升数据通信的效率。

TDMA网络是一个动态的通信网络，网络质量差时，降低网络速率，保证系统工作的稳定性和可靠性。网络质量较好时，提升网络的通信速率，以此提高网络的通信效率。本发明旨在解决无线网络使用的可靠性稳定性和流畅性，提升用户对TDMA物联网的使用感。

本发明的TDMA网关会实时统计网络的丢包率，误码率，RSSI实时评估网络质量(NQ)。当丢包率较低，误码率较低，RSSI较强，通过相应的算法评估出网络质量较好时，TDMA网关使用相应算法主导整个无线网络提升通信速率。对于大数据传输时能够做到高效的实时性。提高了数据的传输效率，提升了用户体验。相反当网络质量很差，丢包率及误码率很高的情况下，此时整个网络系统可以通过降低数据的传输速率，来改善丢包率和误码率。以此来提升整个系统的稳定性和可靠性。防止网络通信能力瘫痪，保证系统稳定流畅的运行。当TDMA网关检测到网络质量改善时，网关主导再次提高网络的通信速率。通过上述方法，既可以提高网络传输大数据的能力，同时也可以保证网络的稳定性和可靠性。

Claims (7)

1.一种TDMA自动协商速率的高速数据传输方法，其特征在于，所述传输方法用于包括TDMA设备、TDMA网关和路由器的网络，所述路由器通过HTTP协议与一个或若干个TDMA网关通讯，所述每个TDMA网关通过TDMA物联网协议与一个或若干个TDMA设备通讯，所述传输方法包括以下步骤：

TDMA网关以预定时间间隔向TDMA设备发送beacon报文；

TDMA设备在收到beacon报文后，立即向TDMA网关发送keepalive报文；

TDMA网关在单位时间内对所述keepalive报文的每一帧数据进行正确性检验，并实时统计TDMA网关和TDMA设备之间通信数据的误码率；

单位时间内TDMA网关统计网络中每个TDMA设备发送的keepalive报文的个数，并计算出网络此时的丢包率；

当TDMA网关收到TDMA设备的keepalive报文时，读取每个keepalive报文的信号强度指示RSSI；

评估网络当前的通信质量；

通信速率调整：当通信质量低于或等于当前速率下预定的下线临界值时，降低通信速率；当通信质量高于或等于当前速率下预定的上线临界值时，提高通信速率；当通信质量介于上线临界值和下线临界值之间时，保持当前通信速率不变。

2.根据权利要求1所述的一种TDMA自动协商速率的高速数据传输方法，其特征在于，所述beacon报文中包括当前网络通信信道和当前网络数据通道工作通信速率。

3.根据权利要求1所述的一种TDMA自动协商速率的高速数据传输方法，其特征在于，所述正确性检验采用CRC16算法。

4.根据权利要求1所述的一种TDMA自动协商速率的高速数据传输方法，其特征在于，所述TDMA网关和TDMA设备之间通信数据的误码率为单位时间内收到报文校验出错的报文个数除以单位时间收到总的报文个数。

5.根据权利要求1所述的一种TDMA自动协商速率的高速数据传输方法，其特征在于，所述丢包率为单位时间内TDMA网关收到keepalive报文的数量除以单位时间内TDMA网应收到的keepalive报文的数量。

6.根据权利要求1所述的一种TDMA自动协商速率的高速数据传输方法，其特征在于，所述评估网络当前的通信质量，具体为：

那么其网络通信质量NQ计算如下：

其中，NQ为通信质量，R为RSSI，L为丢包率，C为误码率，n为当前TDMA网关连接的TDMA设备的数量。

7.权利要求1所述的一种TDMA自动协商速率的高速数据传输方法，其特征在于，所述降低通信速率、提高通信速率，包括：

TDMA网关下发的beacon报文中含有数据通道的通信速率，TDMA设备收到beacon报文之后解析出所述通信速率，并调整数据通道的通信速率为解析出的所述通信速率。