一種無線控制網絡的媒介訪問控制方法
【專利摘要】一種無線控制網絡的媒介訪問控制方法，涉及一種網絡控制方法，該方法是針對無線工業(yè)控制網絡MAC層可靠性傳輸?shù)囊环N專用方法，它采用的是一種特有的插入可靠性保護時隙RPTS的超幀結構，在競爭時期和非競爭時期分別利用了雙信道CSMA/CA機制和帶RTS/CTS預約時隙的TDMA機制。其兼顧了工業(yè)控制網絡中的周期和非周期性通信任務，提高了不同時期階段的通信質量，也使該媒介訪問控制方法在無線工業(yè)控制網絡中應用的傳輸可靠性得到有效提高。這種媒介訪問控制方法大大地改善了工業(yè)無線ad-hoc網絡的整體性能，從而有效地提高了數(shù)據的可靠性傳輸。
【專利說明】—種無線控制網絡的媒介訪問控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種網絡控制方法，特別是涉及一種無線控制網絡的媒介訪問控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著無線網絡的快速發(fā)展，無線ad-hoc網絡被廣泛的應用在工業(yè)領域。然而，無線工業(yè)控制網絡的可靠性傳輸問題卻日益突出。由于復雜的工業(yè)環(huán)境和射頻環(huán)境，如無線電磁波的反射和遮擋，信道惡化和隨機衰落等，這些因素都會極大的影響無線工業(yè)控制網絡的可靠性。為此，無線工業(yè)控制網絡的媒介訪問控制方法，即MAC協(xié)議，直接關系到工業(yè)網絡化控制生產中的每一個環(huán)節(jié)，甚至是工業(yè)生產安全。
[0003]在傳統(tǒng)的無線工業(yè)控制網絡里，MAC層使用CSMA/CA協(xié)議和TDMA協(xié)議進行訪問控制，存在許多問題，如傳統(tǒng)單行道的隱藏終端和暴露終端的問題、吞吐量較低，時延長、通信效率不高和能量損耗大等問題。這些問題的存在都會給無線工業(yè)控制網絡中數(shù)據傳輸?shù)目煽啃詭聿涣加绊?。針對這些問題，改善無線工業(yè)控制網絡的性能，特別是提高無線工業(yè)控制網絡的可靠性。因此本發(fā)明提出了一種面向無線工業(yè)控制網絡的帶可靠性保護時隙(Reliability Protection Time Slot，以下縮寫為RPTS)和RTS/CTS時隙預約與雙信道機制的媒介訪問控制方法。該方法是針對無線工業(yè)控制網絡MAC層可靠性傳輸?shù)囊环N專用方法，它采用的是一種特有的插入可靠性保護時隙RPTS的超幀結構，在競爭時期和非競爭時期分別利用了雙信道CSMA/CA機制和帶RTS/CTS預約時隙的TDMA機制。其兼顧了工業(yè)控制網絡中的周期和非周期性通信任務，提高了不同時期階段的通信質量，也使該媒介訪問控制方法在無線工業(yè)控制網絡中應用的傳輸可靠性得到有效提高。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種無線控制網絡的媒介訪問控制方法，該方法是一種在具有可靠性保護時隙RPTS的超幀結構下的帶雙信道CSMA/CA機制和RTS/CTS時隙預約TDMA機制的媒介訪問控制方法，它面向無線工業(yè)控制網絡這一特定的應用領域來緩解無線工業(yè)控制網絡中MAC層中數(shù)據傳輸?shù)目煽啃院筒糠謱崟r性問題。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
無線控制網絡的媒介訪問控制方法，所述方法包括通信機制在非競爭訪問階段，即CFP時期，數(shù)據傳輸采用RTS/CTS預約時隙的TDMA機制，用RTS/CTS進行時隙預約申請發(fā)送數(shù)據；媒介訪問控制層使用TDMA實現(xiàn)信道的分配，進入TDMA時隙分配階段時，首先，TDMA的時隙片被分割成固定時隙片，控制時隙片、競爭時隙片和用戶時隙片四個部分；在競爭訪問階段，即CAP時期，數(shù)據傳輸采用了雙信道CSMA/CA機制，在CAP階段使用雙信道CSMA/CA機制；機制數(shù)據信道采用RTS/CTS預約機制的CSMA/CA+ACK的確認機制；在控制信道上發(fā)送忙音信號和接收忙音信號，發(fā)送忙音BT和接收忙音BR上有區(qū)別的定義兩種波形忙音類型，在接收忙音上有BRTS和BDATA兩種，而接收忙音上有BRCTS和BRDATA兩種忙音，在滿足定時和同步的條件下，各節(jié)點在各自的時隙中接收發(fā)送來的數(shù)據且互相不干擾，節(jié)點接收到RTS請求后發(fā)送數(shù)據幀時，根據信道的狀況決定發(fā)送CTS，然后，進入TDMA時隙機制分配時隙資源，同時，當信道中由于存在誤比特造成的信息重傳問題時，也通過RTS/CTS時隙來進行申請TDMA分配時隙資源。
[0006]所述的一種無線控制網絡的媒介訪問控制方法，所述TDMA機制是為每個無線節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據發(fā)送或接收的時隙，而節(jié)點在其他空閑時隙內轉入睡眠狀態(tài)。
[0007]所述的一種無線控制網絡的媒介訪問控制方法，所述TDMA機制是無線網絡通信時無競爭機制下的MAC協(xié)議，TDMA是將時間片劃分為固定的時間片，讓每個節(jié)點在固定的時間片發(fā)送信息。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點與效果是:
1.該方法是針對無線工業(yè)控制網絡MAC層可靠性傳輸?shù)囊环N專用方法，它采用的是一種特有的插入可靠性保護時隙RPTS的超幀結構，在競爭時期和非競爭時期分別利用了雙信道CSMA/CA機制和帶RTS/CTS預約時隙的TDMA機制。其兼顧了工業(yè)控制網絡中的周期和非周期性通信任務，提高了不同時期階段的通信質量，也使該媒介訪問控制方法在無線工業(yè)控制網絡中應用的傳輸可靠性得到有效提高。
[0009]2.工業(yè)無線ad-hoc網絡的超幀結構，在超幀結構機制插入了保障時隙，保障時隙可以有效地對數(shù)據傳輸進行檢錯、糾錯和重傳，提高了數(shù)據傳輸?shù)目煽啃?。此外，對非競爭時期和競爭時期的運用了新的媒介訪問控制訪問機制，在非競爭時期，運用了 RTS/CTS預約時隙的TDMA機制，可以有效地提高時隙資源的利用率。在競爭時期，運用了雙信道CSMA/CA機制，提高了無線信道的利用率。這種媒介訪問控制方法大大地改善了工業(yè)無線ad-hoc網絡的整體性能，從而有效地提高了數(shù)據的可靠性傳輸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明提出的媒介訪問控制方法中的超幀結構示意圖；
圖2為本發(fā)明帶RTS/CTS預約時隙的TDMA機制的幀結構圖；
圖3為本發(fā)明雙信道CSMA/CA機制圖。
【具體實施方式】
[0011]下面結合附圖所示實施例，對本發(fā)明作進一步詳述。
[0012]本發(fā)明針對無線工業(yè)控制網絡通信任務的復雜性，根據IEEE802.15.4的超幀結構進行設計，傳統(tǒng)的超幀結構劃分為信標幀時期、競爭時期、非競爭時期和靜止區(qū)間。為了改善和提高無線工業(yè)控制網絡的性能，設計了一種特有的插入可靠性保護時隙RPTS的超幀結構。該超幀結構分為四個部分，分別是信標幀時期，競爭時期CAP，非競爭時期CFP和可靠性保護時隙RPTS (Reliability Protection Time Slot)。信標巾貞的開始標志著超巾貞結構的開始。信標幀主要包括超幀持續(xù)的時間和時間分配情況。CAP主要是完成工業(yè)環(huán)境下非周期的通信任務所分配的時隙階段。在本發(fā)明中采用了雙信道CSMA/CA機制。CFP主要是完成工業(yè)環(huán)境下周期的通信任務而設置的時隙階段。本發(fā)明中采用了 RTS/CTS預約時隙的TDMA機制?？煽啃员Ｗo時隙RPTS主要是為提高無線工業(yè)控制網絡的可靠性而設置的時隙階段，該階段主要完成數(shù)據的重傳，檢錯和糾錯。對于該階段分配多余的時隙片段作為下一時期的時隙使用。
[0013]圖1是本發(fā)明提出的媒介訪問控制方法中的超幀結構示意圖。
[0014]從圖可以得知，本發(fā)明提出的媒介訪問控制方法中的超幀結構不同于IEEE802.15.4的超幀結構，為了提高無線工業(yè)控制網絡的數(shù)據傳輸?shù)目煽啃?，設置了可靠性保護時隙RPTS片，不僅可以用來數(shù)據傳輸?shù)臋z測，即檢測每個CFP和CAP時期的數(shù)據傳輸?shù)牟铄e，而且還可用來減少數(shù)據傳輸之間不正當?shù)母偁幒蜎_突。
[0015]在數(shù)據傳輸階段，首先通信控制器根據將信標幀發(fā)送到整個無線網絡中，通信控制器根據感知層的通信任務進行分配通信周期，信標幀占用一個通信時隙片，根據無線工業(yè)控制網絡節(jié)點發(fā)送情況，每個CFP和CAP時隙片之后，都會利用分配的可靠性保護時隙RPTS片對傳輸?shù)臄?shù)據進行差錯檢測。如果發(fā)送數(shù)據存在差錯或者丟失等情況，數(shù)據都會利用可靠性保護時隙RPTS進行重傳，直到數(shù)據發(fā)送成功。如果可靠性保護時隙RPTS沒有用完，為了提高時隙資源的利用率，下一個周期也會充分利用時隙資源進行數(shù)據發(fā)送。通過可靠性保護時隙RPTS進一步提高了數(shù)據傳輸?shù)目煽啃?，減少了數(shù)據重傳占用周期通信任務和通信非周期通信任務的時隙資源。
[0016]本發(fā)明通信機制在非競爭訪問階段，即CFP時期，數(shù)據傳輸采用RTS/CTS預約時隙的TDMA機制。媒介訪問控制層使用TDMA實現(xiàn)信道的分配。TDMA機制是為每個無線節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據發(fā)送或接收的時隙，而節(jié)點在其他空閑時隙內轉入睡眠狀態(tài)。TDMA機制沒有競爭機制下碰撞重傳的問題。數(shù)據傳輸不需要過多的控制信息，節(jié)點在空閑時進入睡眠狀態(tài)。TDMA機制是無線網絡通信時無競爭機制下的MAC協(xié)議，TDMA是將時間片劃分為固定的時間片，讓每個節(jié)點在固定的時間片發(fā)送信息。在滿足定時和同步的條件下，各節(jié)點在各自的時隙中接收發(fā)送來的數(shù)據且互相不干擾。當網絡負載小的情況下，就會造成資源浪費。當網絡負載大時，就會造成網絡擁塞。所以固定的時隙對于網絡信道的利用率的提高和能源的節(jié)省是沒有好處的。針對無線工業(yè)控制網絡對于可靠性、實時性及能耗等要求較高的特點，在非競爭時期采用了帶RTS/CTS時隙預約的TDMA機制。為了改善傳統(tǒng)TDMA中數(shù)據由于誤比特造成的重傳問題(重傳就會增加傳送數(shù)據量和網絡傳輸實時性)利用RTS/CTS進行時隙預約申請發(fā)送數(shù)據，減少了數(shù)據不必要的時間延遲。節(jié)點接收到RTS請求后發(fā)送數(shù)據幀時，根據信道的狀況決定發(fā)送CTS。然后，進入TDMA時隙機制分配時隙資源。同時，當信道中由于存在誤比特造成的信息重傳問題時，也可以通過RTS/CTS時隙來進行申請TDMA分配時隙資源，減少不必要的等待。當進入TDMA時隙分配階段時，首先，TDMA的時隙片被分割成固定時隙片，控制時隙片、競爭時隙片和用戶時隙片四個部分。固定時隙片主要用于每個節(jié)點爭用競爭時隙片所使用傳播時隙片，當節(jié)點有數(shù)據要發(fā)送時可以使用固定時隙片爭廣播自己發(fā)送數(shù)據的請求?？刂茣r隙片是在每一幀第一個時隙，主要負責網絡管理與同步、發(fā)送數(shù)據消息的管理、固定時隙片內節(jié)點數(shù)據發(fā)送請求和時隙片的占用情況。同時，它可以通知爭用時隙的節(jié)點是否可以使用競爭時隙片。這樣可以減少節(jié)點對時隙片的隨意使用，減少了網絡之間數(shù)據沖突和擁塞的發(fā)生概率。競爭時隙片主要是用于各個節(jié)點的動態(tài)時隙資源分配。用戶時隙是用于各個節(jié)點發(fā)送數(shù)據信息的時隙片。其次，該節(jié)點先在固定時隙片上向主節(jié)點發(fā)送申請數(shù)據發(fā)送報文，即請求發(fā)送數(shù)據爭用競爭時隙片。主節(jié)點在控制時隙片上根據信道的使用情況和競爭時隙片的使用情況，發(fā)送控制信息決定請求發(fā)送節(jié)點是否可以占用競爭時隙片發(fā)送數(shù)據。同時，如果發(fā)送節(jié)點已經競爭到競爭時隙片，在發(fā)送完數(shù)據之后，到下個固定時隙片時，仍然要廣播其信道使用情況并且發(fā)送自己用戶時隙的使用情況。如果發(fā)送的節(jié)點發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點也正在申請競爭時隙片時，發(fā)送節(jié)點會根據自身的時隙片占用情況，確定是否有冗余。如有冗余，則釋放多余的時隙資源，用于其它節(jié)點爭用。主節(jié)點也會根據競爭時隙片的使用情況，決定在控制時隙片上向其它節(jié)點發(fā)送控制信息。未爭用到業(yè)務時隙片的節(jié)點會在下個固定的時隙繼續(xù)廣播其申請數(shù)據發(fā)送報文和爭用業(yè)務時隙片的消息，直到爭用到競爭時隙片的使用權。最后，當用戶請求時隙資源分配時，信道狀態(tài)滿足要求則繼續(xù)TDMA的時隙資源分配。否則，則進行載波調整。為用戶選擇其他的載波信道。直至數(shù)據發(fā)送成功為止。
[0017]圖2為帶RTS/CTS預約時隙的TDMA機制的幀結構圖。
[0018]在競爭訪問階段，即CAP時期，數(shù)據傳輸采用了雙信道CSMA/CA機制，傳統(tǒng)的雙信道分為數(shù)據信道和控制信道兩個部分，數(shù)據信道進行數(shù)據的傳輸，控制信道進行控制幀的傳輸，這種雙信道機制會造成信道資源的浪費。如果RTS數(shù)據報文在控制信道上傳輸，那么數(shù)據信道會空閑，在RTS和CTS握手交互時，數(shù)據信道也是空閑的。同時，發(fā)送忙音和接收忙音是定義在不同的頻率段上，也占用了信道帶寬資源。為了改善和提高無線工業(yè)控制網絡的數(shù)據傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，本發(fā)明采用了在CAP階段使用雙信道CSMA/CA機制。該機制在數(shù)據信道上不僅僅發(fā)送數(shù)據DATA，而且傳輸控制幀RTS，清除發(fā)送幀CTS和確認幀ACK。數(shù)據信道采用RTS/CTS預約機制的CSMA/CA+ACK的確認機制。增加了確認機制有利于數(shù)據的可靠性傳輸，避免了數(shù)據重發(fā)產生碰撞的問題。為了提高信道的利用率和服務質量，而在控制信道上發(fā)送忙音信號和接收忙音信號。在發(fā)送忙音BT和接收忙音BR上有區(qū)別的定義兩種波形忙音類型。在接收忙音上有BRTS和BDATA兩種，而接收忙音上有BRCTS和BRDATA兩種忙音。忙音主要是為了讓其他節(jié)點知道信道的使用情況和減少數(shù)據幀之間的沖突。
[0019]假如節(jié)點A有數(shù)據要發(fā)送給節(jié)點B，節(jié)點A首先偵聽控制信道和數(shù)據信道是否空閑。如信道空閑后，節(jié)點A等待一個DIFS幀間間隔后，如信道仍然空閑，則節(jié)點A在數(shù)據信道上發(fā)送RTS幀。此時，直到RTS數(shù)據幀發(fā)送完畢之前一直在控制信道上發(fā)送BRTS忙音信號。當節(jié)點B等待一個SIFS幀間間隔后，在發(fā)送CTS幀，同時，在控制信道上發(fā)送BRCTS忙音信號，直到節(jié)點A等待一個SIFS幀間間隔后，開始發(fā)送數(shù)據DATA，數(shù)據發(fā)送的同時在控制信道發(fā)送數(shù)據忙音信號BRDATA。節(jié)點B在接收完信號，等待了一個SIFS幀間間隔后，發(fā)送ACK幀。完成了節(jié)點A發(fā)送過程。其他節(jié)點有數(shù)據要發(fā)送時，也會偵聽信道的空閑狀態(tài)，當數(shù)據信道和控制信道有一個信道繁忙時，其他節(jié)點都會采用退避機制進行退避，防止數(shù)據幀之間的沖突。當網絡分配矢量NAV為O時，節(jié)點采用進行信道競爭。當NAV不為O時，它會通過有限個DIFS幀間間隔且信道空閑機制來遞減NAV，直到為O后競爭信道的使用權，最終完成數(shù)據的可靠性傳輸。圖3為雙信道CSMA/CA機制圖。
【權利要求】
1.無線控制網絡的媒介訪問控制方法，其特征在于，所述方法包括通信機制在非競爭訪問階段，即CFP時期，數(shù)據傳輸采用RTS/CTS預約時隙的TDMA機制，用RTS/CTS進行時隙預約申請發(fā)送數(shù)據；媒介訪問控制層使用TDMA實現(xiàn)信道的分配，進入TDMA時隙分配階段時，首先，TDMA的時隙片被分割成固定時隙片，控制時隙片、競爭時隙片和用戶時隙片四個部分；在競爭訪問階段，即CAP時期，數(shù)據傳輸采用了雙信道CSMA/CA機制，在CAP階段使用雙信道CSMA/CA機制；機制數(shù)據信道采用RTS/CTS預約機制的CSMA/CA+ACK的確認機制；在控制信道上發(fā)送忙音信號和接收忙音信號，發(fā)送忙音BT和接收忙音BR上有區(qū)別的定義兩種波形忙音類型，在接收忙音上有BRTS和BDATA兩種，而接收忙音上有BRCTS和BRDATA兩種忙音，在滿足定時和同步的條件下，各節(jié)點在各自的時隙中接收發(fā)送來的數(shù)據且互相不干擾，節(jié)點接收到RTS請求后發(fā)送數(shù)據幀時，根據信道的狀況決定發(fā)送CTS，然后，進入TDMA時隙機制分配時隙資源，同時，當信道中由于存在誤比特造成的信息重傳問題時，也通過RTS/CTS時隙來進行申請TDMA分配時隙資源。
2.根據權利要求1所述的一種無線控制網絡的媒介訪問控制方法，其特征在于，所述TDMA機制是為每個無線節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據發(fā)送或接收的時隙，而節(jié)點在其他空閑時隙內轉入睡眠狀態(tài)。
3.根據權利要求2所述的一種無線控制網絡的媒介訪問控制方法，其特征在于，所述TDMA機制是無線網絡通信時無競爭機制下的MAC協(xié)議，TDMA是將時間片劃分為固定的時間片，讓每個節(jié)點在固定的時間片發(fā)送信息。
【文檔編號】H04L29/06GK103747006SQ201410024184
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權日:2014年1月20日
【發(fā)明者】王軍, 王健 申請人:沈陽化工大學