CN109768848B - 一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信机制 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信机制，包括在邻节点发现协议的活跃时隙到达之后，立即发送一个信标，该发送采用退避机制来避免发送冲突。本发明的有益效果是：本发明的快速应答通信机制的通用灵活主要表现在适用于各种基于时隙的邻节点发现协议，并且可以作为一个通用的邻节点发现协议通信机制，在减少信道中的冗余信标的同时，相比于原有的通信机制，能在对称和非对称占空比的情况下降低发现延迟。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体为一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信机制。
背景技术
不断发展的制作工艺生产了诸多小型、低成本、多功能的设备。这样的发展趋势催生了无线传感网络(Wireless Sensor Network，WSN)的广泛运用。无线传感器网络由部署在网络中的成千上万的传感节点构成，负责采集被监控区域的声音、压力波、温度等物理或环境信息，并将采集到的信息通过单跳或多跳的形式传到汇节点/基站，然后由汇节点/基站通过互联网传送给用户，便于用户根据获取的信息做出相应决策。WSN由被监测区域、传感器以及终端用户这三个要素组成，其中传感器又有传感器节点和汇节点这两种类型。终端用户可以经由手机、浏览器等多种方式随时配置和管理WSN，向节点发布监测任务以及汇总节点采集到的信息。
现有的基于时隙的确定型邻节点发现协议(如Disco、U-Connect、Hello等)虽然能够提供最大延迟的保证发现，但是它们存在如下的一些问题：1)、这些协议均采用时隙的开始和结尾发送一个信标的办法来保证两个节点的活跃时隙相遇时可以相互发现对方，但是这种方法过于理想化。理论上在采用时隙首尾发送信标的通信机制可以保证在两节点活跃时隙相遇时，便能够完成节点间的相互发现，但在实际的发送过程中，由于节点通常工作在半双工模式下，会遇到节点间的发送冲突以及活跃时隙重叠发过少等问题，导致节点无法完成相互发现，而只是一方节点发现了另一方，另一方需要在之后的某次活跃时隙相遇时才能够完成发现对方；2)、活跃时隙的首尾都发送信标，会造成信标的冗余发送，信道中过多的信标会导致节点间发送冲突的增加，从而增大实际网络中的发现延迟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信机制，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信机制，包括在邻节点发现协议的活跃时隙到达之后，立即发送一个信标，该发送采用退避机制来避免发送冲突。
优选的，所述快速应答机制采用快速回复ACK的技术，节点在接收到信标之后，只是解析帧头部的信标帧控制域的部分比特位，便立即进行应答，能够比普通回复ACK技术节省约1.5毫秒的时间。
优选的，所述在收听到邻节点的信标之后，要动态地延长时隙长度，保证在活跃时隙结束时也能够完成快速应答并继续解析信标的操作。
与现有技术相比，具备以下有益效果：本发明的快速应答通信机制的通用灵活主要表现在适用于各种基于时隙的邻节点发现协议，并且可以作为一个通用的邻节点发现协议通信机制，在减少信道中的冗余信标的同时，相比于原有的通信机制，能在对称和非对称占空比的情况下降低发现延迟，同时，快速应答通信机制应能够对活跃时隙长度进行动态调整，即如果某节点在其活跃时隙结尾处收到一个信标，需适当的延迟关闭射频的时间，保证信标接收完整，以及有足够的时间发送ACK，这种动态调整的方式可以较小的能量增加的代价来保证节点间的快速发现。
附图说明
图1为本发明的一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信机制的示意图；
图2为本发明的一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信机制的快速应答机制示意图；
图3为本发明的一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信机制的当前基于时隙的邻节点发现协议普遍使用通信机制示意图；
图4为本发明的一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信机制的本协议所述快速应答通信机制具体流程示意图；
图5为本发明的一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信机制的在节点中所测5％占空比Disco协议发现延迟累计分布函数图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信机制，包括在邻节点发现协议的活跃时隙到达之后，立即发送一个信标，该发送采用退避机制来避免发送冲突。
退避机制首先检测信道是否被占用，若没有被占用则立即发送信标。若信道被占用，则进行初始退避和拥塞退避。
在活跃时隙余下的时间段内，若接收到邻节点的信标，在解析完帧控制域的部分比特位后，立即组织应答包发送到邻居节点，之后再继续解析所收到的信标，若未接收到信标，则在活跃时隙结束后关闭射频，进入休眠状态。
进一步的，快速应答机制采用快速回复ACK的技术，节点在接收到信标之后，只是解析帧头部的信标帧控制域的部分比特位，便立即进行应答，能够比普通回复ACK技术节省约1.5毫秒的时间。
快速回复ACK技术的原理是，节点在收到数据后，首先解析帧控制域的部分比特位，若发现收到信标帧，在修改少量TXFIFO中的字节后，立即触发选通命令STXON，快速回复ACK。
实验测得，采用快速回复ACK机制，从节点开始接收信标到节点准备发送ACK的时间为0.5毫秒，采用普通回复ACK机制，从节点开始接收信标到节点准备发送ACK的时间为2毫秒。
进一步的，在收听到邻节点的信标之后，要动态地延长时隙长度，保证在活跃时隙结束时也能够完成快速应答并继续解析信标的操作。
实施例1
请参阅图2，节点2在活跃时隙开始处给节点1发送一个信标，节点1收到信标之后立即解析帧控制域的部分比特位，若确认发现收到是信标帧，快速回复ACK给节点2。节点2在收到节点1发送的ACK后，完成两节点间的双向发现。
信标发送时段为图2中的T1时段，包括信标在Mac层组包、传输到底层直到信标发出的过程，其大小在2毫秒左右。
接收信标并快速回复ACK的时间段为图2中的T3，其大小为0.5毫秒左右。接收ACK的时间段为图2中的T2，其大小为1毫秒左右。
因此，在快速应答通信机制下，要完成节点双方的相互发现，两个节点至少需要重叠的时隙长度是T1加T3的时间，即2.5毫秒。
实施例2
请参阅图3，在节点的活跃时隙开始和结尾处发送信标。节点2在活跃时隙开始处给节点1发送一个信标，用时T1；节点1接收信标用时T2；之后节点1又给节点2发送信标，节点2接收到信标后，两节点完成相互发现。
接收信标的时间为图3中的T2时段，大小为1毫秒左右。
因此，在活跃时隙首尾发送的通信机制下，要完成两节点的相互发送，节点的活跃时隙至少要重叠两个T1时间加一个T2时间的大小，也就是5毫秒。
分析快速应答通信机制下两个节点活跃时隙相遇时能够完成相互发现的概率，假设两个节点的活跃时隙的重叠时间长度是均匀变化的，也就是活跃时隙的重叠时长可以是0毫秒，也可以是整个活跃时隙的长度，根据经验值时隙长度选择10毫秒。要在一次活跃时隙重叠时就完成相互发现，快速应答机制的时隙重叠长度是从10毫秒到7.5毫秒，也就是说有75％的可能性完成相互发现。
分析活跃时隙首尾发送信标的通信机制下，节点活跃时隙相遇要完成节点的相互发现的概率，假设两个节点的活跃时隙的重叠时间长度是均匀变化的，当重叠时隙的长度是10毫秒到5毫秒之间时，节点能够完成相互发现。也就是有50％的可能性完成相互发现。
快速应答通信机制相较于首尾发送的机制提升了25％的可能性完成双向发现。所以快速应答通信机制提升了协议的平均发现延迟。
实施例3
请参阅图5，所做实验时在5％占空比下，两节点运行Disco协议，输入500组数据，得到每组数据的发现延迟。图示结果表明快速应答通信机制相较于时隙首尾发送的机制，可以提高协议的平均发现延迟。
分析快速应答机制与首尾发送信标机制相比另一个改善的性能，节点运行在单双工模式，如果发送信标就不能接收数据，节点发送信标占用的时间越多，侦听的时间就会减少，对于同样的协议运行同样的时间，首尾发送信标的机制在每个活跃时隙都会发送两个信标，而快速应答的机制在周围没有邻节点时，每个活跃时隙只发送一个信标，只有在发现邻节点的情况下才会额外发送一个ACK，这样可以减少信道中的信标，从而减少了信标的冗余发送，也降低了节点间信标冲突的概率。
本实施例的工作原理：该基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信机制，首先通过邻节点发现协议的活跃时隙到达之后，立即发送一个信标，且该发送采用退避机制来避免发送冲突，同时，通过退避机制的作用，能够首先检测信道是否被占用，若没有被占用则立即发送信标，若信道被占用，则进行初始退避和拥塞退避，然后，在活跃时隙余下的时间段内，若接收到邻节点的信标，在解析完帧控制域的部分比特位后，立即组织应答包发送到邻居节点，之后再继续解析所收到的信标，若未接收到信标，则在活跃时隙结束后关闭射频，进入休眠状态，而在节点在接收到信标之后，只是解析帧头部的信标帧控制域的部分比特位，便立即进行应答，并且在收听到邻节点的信标之后，要动态地延长时隙长度，保证在活跃时隙结束时也能够完成快速应答并继续解析信标的操作。
在收听到邻节点的信标之后，要动态地延长时隙长度，保证在活跃时隙结束时也能够完成快速应答并继续解析信标的操作。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信方法，其特征在于，包括在邻节点发现协议的活跃时隙到达之后，立即发送一个信标，该发送采用退避机制来避免发送冲突，快速应答方法采用快速回复ACK的技术，节点在接收到信标之后，只是解析帧头部的信标帧控制域的部分比特位，便立即进行应答，能够比普通回复ACK技术节省约1.5毫秒的时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于时隙邻节点发现协议中的快速应答通信方法，其特征在于：在收听到邻节点的信标之后，要动态地延长时隙长度，保证在活跃时隙结束时也能够完成快速应答并继续解析信标的操作。
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