一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法
【專利摘要】一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，涉及一種媒介訪問控制方法，該方法根據(jù)物理層的流量狀況的進行節(jié)能的MAC協(xié)議，即TAE-MAC；TAE-MAC采用了RTS/CTS預(yù)約機制，構(gòu)造數(shù)據(jù)幀DS完成和實現(xiàn)RTS/CTS預(yù)約和確認，方法采用了非競爭的TDMA協(xié)議來實現(xiàn)無線信道接入的控制，無線節(jié)點的運行機制分為活動時期和不活動時期兩個部分，在傳輸DS數(shù)據(jù)幀完成握手時，節(jié)點采用了TAE-MAC協(xié)議去實現(xiàn)節(jié)點的無線信道訪問控制。該發(fā)明針對無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)特點，可以有效地解決工業(yè)環(huán)境中無線節(jié)點的節(jié)能問題，可以有效地延長無線控制網(wǎng)絡(luò)的生命周期，緩解能量問題使無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用受阻的情況。
【專利說明】一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種媒介訪問控制方法，特別是涉及一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今，隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，無線控制網(wǎng)絡(luò)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中，而無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的問題也日益突出。由于工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性與多變性，此外，工業(yè)無線節(jié)點的能量的有限性，這些因素都使得節(jié)能問題成為了無線節(jié)點能否暢通通信的關(guān)鍵因素。特別是無線通信節(jié)點的能耗問題，由于控制網(wǎng)絡(luò)中無線通信節(jié)點的能量消耗是由電池的能量所決定的，而過于頻繁的電池更換也是會極大阻礙無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)自動化的應(yīng)用。如果不能很好解決控制網(wǎng)絡(luò)中通信節(jié)點的能量問題，將不利于整個自組網(wǎng)絡(luò)長期穩(wěn)定的通信。節(jié)點的能量多少直接關(guān)系到節(jié)點的生命周期，也關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的生命周期。同時，MAC協(xié)議作為信道訪問的控制協(xié)議，合理的控制和優(yōu)化信道的訪問權(quán)是有重要意義的。因此，對于能耗問題，也成為了工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計首先考慮的關(guān)鍵因素之一。然而，現(xiàn)有的媒介訪問方法并沒能夠很好地滿足無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，因此我們發(fā)明了一種適合無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特點的專用流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，該發(fā)明針對無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)特點，可以有效地解決工業(yè)環(huán)境中無線節(jié)點的節(jié)能問題，可以有效地延長無線控制網(wǎng)絡(luò)的生命周期，緩解能量問題使無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用受阻的情況。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，該方法根據(jù)物理層的流量狀況的進行節(jié)能的MAC協(xié)議，即TAE-MAC ；TAE-MAC采用了 RTS/CTS預(yù)約機制，構(gòu)造數(shù)據(jù)幀DS完成和實現(xiàn)RTS/CTS預(yù)約和確認，所述方法采用了非競爭的TDMA協(xié)議來實現(xiàn)無線信道接入的控制，TAE-MAC協(xié)議工作狀況如下:
(1)首先，將TDMA的時隙片劃分為發(fā)送時隙片、接收時隙片、偵聽時隙片和休眠時隙片，構(gòu)造新的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)DS ；DS數(shù)據(jù)幀主要包括RTS部分、CTS部分、目的地址部分、源地址部分、ACK部分和數(shù)據(jù)部分；
(2)當(dāng)節(jié)點A要發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點B時，節(jié)點A首先會在偵聽時隙片上使用MLPD技術(shù)偵聽無線信道的狀況，同時，其他節(jié)點也會偵聽信道；當(dāng)信道忙時，節(jié)點會立即關(guān)閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)；
(3)當(dāng)節(jié)點A發(fā)現(xiàn)信道空閑時，它會在偵聽DIFS時間間隔，如果信道空閑時，節(jié)點A會在發(fā)送時隙片上發(fā)送DS中的RTS部分，等待B中的確認CTS ；
(4)經(jīng)過SIFS后，節(jié)點B檢查DS中的目的地址與自己的一致，則發(fā)送CTS確認和接收數(shù)據(jù)DS，直至接收完畢；轉(zhuǎn)入休眠機制。如果與自己的不一致，同樣進入休眠狀態(tài)，等待下一時隙的喚醒；
無線節(jié)點的運行機制分為活動時期和不活動時期兩個部分，在傳輸DS數(shù)據(jù)幀完成握手時，節(jié)點采用了 TAE-MAC協(xié)議去實現(xiàn)節(jié)點的無線信道訪問控制。
[0005]所述的一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，所述在活動時期，進行RTS/CTS握手和數(shù)據(jù)傳輸，在不活動時期，無線節(jié)點進入休眠狀態(tài)。
[0006]所述的一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，所述在活動時期時，首先節(jié)點會進行多用戶低功率偵聽檢測信道，獲取物理層的相關(guān)流量信息；當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，節(jié)點A首先偵聽了時間間隔DIFS，如果信道仍然空閑時，則節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)DS幀，數(shù)據(jù)DS包含了 RTS請求部分，其他節(jié)點偵聽到有數(shù)據(jù)DS，則不再進行信道偵聽。
[0007]所述的一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，所述節(jié)點會檢查DS中的目的地址與自己的是否一致，如果一致，則發(fā)送CTS并接受數(shù)據(jù)，否則進入休眠狀態(tài)。
[0008]所述的一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，所述在無線控制網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點是相互獨立的，都采用多用戶低功率偵聽機制來完成信道的偵聽。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點與效果是:
1.傳統(tǒng)的無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，采用的媒介訪問控制方法沒能夠很好地解決工業(yè)中無線節(jié)點的能量受限的問題。而采用多用戶低功率偵聽方式的流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，來改善無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量受限問題和延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。
[0010]2.為了改善和提高無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量和延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，針對無線控制網(wǎng)絡(luò)的能量損耗問題，盡量地減少空閑偵聽和增加節(jié)點的休眠。在發(fā)送和接收時隙片下，盡量提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，減少數(shù)據(jù)的重傳的機率。因此在物理層提出了多用戶低功率偵聽檢測手段，通過這種MLPD技術(shù)，可以有效地減少節(jié)點的過度空閑偵聽，減少節(jié)點之間競爭和沖突的發(fā)生機率。最終達到了減少節(jié)點能量損耗。
[0011]3.為了實現(xiàn)無線信道資源利用的合理化，利用了構(gòu)造了新的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)DS，利用DS數(shù)據(jù)幀可以完成RTS/CTS握手和數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省了協(xié)議開銷，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β室赃_到節(jié)能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明MLPD數(shù)據(jù)包格式示意圖；
圖2為本發(fā)明控制方法運行流程圖；
圖3為本發(fā)明TAE-MAC協(xié)議時序圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖所示實施例，對本發(fā)明作進一步詳述。
[0014]本發(fā)明在物理層運用了多用戶低功率偵聽技術(shù)MLPD(Multi_user Low PowerDictation)。多用戶低功率偵聽檢測是為了減少沖突和節(jié)能而設(shè)計。在無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，每個無線通信節(jié)點都有4種狀態(tài)。分別是發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、偵聽狀態(tài)和休眠狀態(tài)。研究表明無線通信節(jié)點的主要能量損耗是在無線通信模塊的發(fā)送狀態(tài)上，其次是接收狀態(tài)和空閑偵聽的能量損耗，休眠狀態(tài)的能量損耗最少。因此在設(shè)計通信節(jié)點的工作狀態(tài)時，盡量采用低功率偵聽信道和降低發(fā)送功率，以達到節(jié)能和減少信號的干擾的目的。通過多用戶低功率偵聽手段可以高效地減少能量損耗。
[0015]多用戶低功率偵聽技術(shù)(MLPD)的基本原理:在無線控制網(wǎng)絡(luò)中，各個無線通信節(jié)點是相互獨立的，每個節(jié)點都會通過多用戶偵聽手段來獲得無線信道的訪問權(quán)限。多用戶偵聽手段有利于各個節(jié)點了解到信道的使用情況，減少了不必要的沖突，從而達到節(jié)能的目的。低功率偵聽減少了信道之間信號的干擾，如果在無線控制網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送，它會先偵聽無線信道，如果信道空閑，它會發(fā)送RTS/CTS申請預(yù)約信道的使用權(quán)。但是如果信道繁忙，節(jié)點會關(guān)閉射頻信號和通信模塊，轉(zhuǎn)入到休眠狀態(tài)，等待信道空閑時，再試圖接入和訪問信道。為了讓無線節(jié)點減少不必要長時間的空閑偵聽，在多用戶低功率偵聽的包格式的前導(dǎo)碼中添加了偵聽時間序列，如圖1所示。從而達到節(jié)約能量。多用戶低功率偵聽技術(shù)MLPD不僅僅可以減少發(fā)送節(jié)點之間的串音干擾，而且減少了空閑偵聽的機率。
[0016]如圖1所示,低功率偵聽LPL(Low Power Listening)的前導(dǎo)碼主要包含目的地址、前導(dǎo)碼序列號和普通LPL的前導(dǎo)碼P。然而，MLPD的運行機制是將LPL中的前導(dǎo)碼劃分為η片段，前面的η-1片段中包含了目的地址和前導(dǎo)碼的序列號和偵聽時間序列。最后一個片段是普通LPL的前導(dǎo)碼P。第二個部分是起始字符，第三個部分是MAC層的數(shù)據(jù)部分。周圍的節(jié)點會進行偵聽信道，并解析發(fā)送MLPD的前導(dǎo)碼PP中的目的地址，如果與自己的地址一致，則開始接收數(shù)據(jù)。如果目的地址與自己的地址不一致，則關(guān)閉自己的射頻模塊，轉(zhuǎn)入到休眠狀態(tài)，從而節(jié)約能量。其他節(jié)點根據(jù)MLPD中的偵聽時間序列可以得知空閑節(jié)點偵聽和發(fā)送的時間，等待一段時間，再試圖接入信道進行訪問。從而避免了串音干擾。
[0017]此外，在無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的能量大多數(shù)消耗在數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。而MAC協(xié)議作為信道訪問的控制協(xié)議，直接控制著數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。因而MAC協(xié)議對于節(jié)省無線控制網(wǎng)絡(luò)能量是很重要的。為了實現(xiàn)無線節(jié)點對無線信道的有效地接入和無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的能量的進一步優(yōu)化，在MAC層上提出了一種高效節(jié)能的媒介訪問控制方法，即根據(jù)物理層的流量狀況的進行節(jié)能的MAC協(xié)議，即TAE-MAC (Traffic AdaptiveEnergy-saving MAC)。TAE-MAC 主要采用了 RTS/CTS 預(yù)約機制，構(gòu)造數(shù)據(jù)幀 DS (DataStructure)來完成和實現(xiàn)RTS/CTS預(yù)約和確認的功能。通過這種DS數(shù)據(jù)巾貞可以有效地緩解協(xié)議開銷所帶來的能量損耗。采用了新的休眠策略，以達到減少節(jié)能。
[0018]TAE-MAC協(xié)議具體運行機制:采用多用戶低功率偵聽方式的流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法運行流程如圖2所示。
[0019]為了減少競爭沖突的發(fā)生，采用了非競爭的TDMA協(xié)議來實現(xiàn)無線信道接入的控制，進而達到減少能耗，TAE-MAC協(xié)議其工作狀況如下:
(I)首先，將TDMA的時隙片劃分為發(fā)送時隙片、接收時隙片、偵聽時隙片和休眠時隙片。構(gòu)造新的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)DS (Data Structure)0 DS數(shù)據(jù)幀主要包括RTS部分、CTS部分、目的地址部分、源地址部分、ACK部分和數(shù)據(jù)部分。
[0020](2)當(dāng)節(jié)點A要發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點B時，節(jié)點A首先會在偵聽時隙片上使用MLPD技術(shù)偵聽無線信道的狀況，同時，其他節(jié)點也會偵聽信道。當(dāng)信道忙時，節(jié)點會立即關(guān)閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)。
[0021](3)當(dāng)節(jié)點A發(fā)現(xiàn)信道空閑時，它會在偵聽DIFS時間間隔，如果信道空閑時，節(jié)點A會在發(fā)送時隙片上發(fā)送DS中的RTS部分，等待B中的確認CTS。
[0022](4)經(jīng)過SIFS后，節(jié)點B檢查DS中的目的地址與自己的一致，則發(fā)送CTS確認和接收數(shù)據(jù)DS，直至接收完畢。轉(zhuǎn)入休眠機制。如果與自己的不一致，同樣進入休眠狀態(tài)，等待下一時隙的喚醒。
[0023]如圖3所示，無線節(jié)點的運行機制分為活動時期和不活動時期兩個部分，在傳輸DS數(shù)據(jù)幀完成握手時，節(jié)點采用了 TAE-MAC協(xié)議去實現(xiàn)節(jié)點的無線信道訪問控制。在無線控制網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點是相互獨立的，都采用多用戶低功率偵聽機制來完成信道的偵聽，減少節(jié)點的過度空閑偵聽造成的能量浪費。在活動時期，進行RTS/CTS握手和數(shù)據(jù)傳輸。在不活動時期，無線節(jié)點進入休眠狀態(tài)，以達到進一步減少節(jié)點能量損耗。
[0024]如TAE-MAC時序圖3所示，在活動時期時，首先節(jié)點會進行多用戶低功率偵聽檢測信道，獲取物理層的相關(guān)流量信息。當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，節(jié)點A首先偵聽了時間間隔DIFS，如果信道仍然空閑時，則節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)DS幀，數(shù)據(jù)DS包含了 RTS請求部分，其他節(jié)點偵聽到有數(shù)據(jù)DS，則不再進行信道偵聽。節(jié)點會檢查DS中的目的地址與自己的是否一致，如果一致，則發(fā)送CTS并接受數(shù)據(jù)，否則進入休眠狀態(tài)，節(jié)省了能量消耗。RTS/CTS的交互都是在DS數(shù)據(jù)中發(fā)生的。這樣減少了協(xié)議開銷和控制幀的沖突。節(jié)省了無線控制網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。在不活動時期，節(jié)點都會進入休眠狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，該方法根據(jù)物理層的流量狀況的進行節(jié)能的MAC協(xié)議，即TAE-MAC ；TAE-MAC采用了 RTS/CTS預(yù)約機制，構(gòu)造數(shù)據(jù)幀DS完成和實現(xiàn)RTS/CTS預(yù)約和確認，其特征在于，所述方法采用了非競爭的TDMA協(xié)議來實現(xiàn)無線信道接入的控制，TAE-MAC協(xié)議工作狀況如下: (O首先，將TDMA的時隙片劃分為發(fā)送時隙片、接收時隙片、偵聽時隙片和休眠時隙片，構(gòu)造新的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)DS ；DS數(shù)據(jù)幀主要包括RTS部分、CTS部分、目的地址部分、源地址部分、ACK部分和數(shù)據(jù)部分； (2)當(dāng)節(jié)點A要發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點B時，節(jié)點A首先會在偵聽時隙片上使用MLPD技術(shù)偵聽無線信道的狀況，同時，其他節(jié)點也會偵聽信道；當(dāng)信道忙時，節(jié)點會立即關(guān)閉通信模塊，進入休眠狀態(tài)； (3)當(dāng)節(jié)點A發(fā)現(xiàn)信道空閑時，它會在偵聽DIFS時間間隔，如果信道空閑時，節(jié)點A會在發(fā)送時隙片上發(fā)送DS中的RTS部分，等待B中的確認CTS ； (4)經(jīng)過SIFS后，節(jié)點B檢查DS中的目的地址與自己的一致，則發(fā)送CTS確認和接收數(shù)據(jù)DS，直至接收完畢；轉(zhuǎn)入休眠機制；如果與自己的不一致，同樣進入休眠狀態(tài)，等待下一時隙的喚醒； 無線節(jié)點的運行機制分為活動時期和不活動時期兩個部分，在傳輸DS數(shù)據(jù)幀完成握手時，節(jié)點采用了 TAE-MAC協(xié)議去實現(xiàn)節(jié)點的無線信道訪問控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，其特征在于，所述在活動時期，進行RTS/CTS握手和數(shù)據(jù)傳輸，在不活動時期，無線節(jié)點進入休眠狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，其特征在于，所述在活動時期時，首先節(jié)點會進行多用戶低功率偵聽檢測信道，獲取物理層的相關(guān)流量信息；當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，節(jié)點A首先偵聽了時間間隔DIFS，如果信道仍然空閑時，則節(jié)點A發(fā)送數(shù)據(jù)DS幀，數(shù)據(jù)DS包含了 RTS請求部分，其他節(jié)點偵聽到有數(shù)據(jù)DS，則不再進行信道偵聽。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，其特征在于，所述節(jié)點會檢查DS中的目的地址與自己的是否一致，如果一致，則發(fā)送CTS并接受數(shù)據(jù)，否則進入休眠狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種流量自適應(yīng)節(jié)能媒介訪問控制方法，其特征在于，所述在無線控制網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點是相互獨立的，都采用多用戶低功率偵聽機制來完成信道的偵聽。
【文檔編號】H04W52/02GK103813425SQ201410059133
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月21日
【發(fā)明者】王軍, 逄玉俊, 王健, 姚曉旦, 孫浩 申請人:沈陽化工大學(xué)