一种基于优先级的双信道介质访问控制方法技术

本发明专利技术涉及本发明专利技术涉及无线网络技术，具体是一种基于优先级的双信道介质访问控制方法。本发明专利技术方法结合TDMA调度与信道抢占机制，使得不同优先级数据在尽可能短的时间内获得接入信道的机会。对于周期性监测数据，网络采用TDMA调度的方法。节点在分配时隙的信道抢占阶段，如果侦听到产生高优先级数据的节点在数据信道或控制信道上是活跃的，则进行休眠。同时，对于非周期的高优先级数据，本发明专利技术还针对不同的信道侦听结果设计了不同的信道抢占策略。本发明专利技术通过增加一个窄带控制信道，实现了数据报文和抢占开销报文的分离，显著提升了网络的实时性和信道抢占效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于优先级的双信道介质访问控制方法
本专利技术涉及无线网络技术，具体是一种基于优先级的双信道介质访问控制方法。
技术介绍
工业无线传感器网络是一类特殊的无线传感器网络，主要用于恶劣的工业现场环境下的工业过程感知与控制。相比于传统的无线传感器网络，工业无线传感器网络需要满足工业测控应用的高实时、高可靠、低能耗等指标要求。根据数据的紧急程度，可以将工业无线传感器网络中的数据分为三类：安全类、闭环控制类和周期性监测类。安全类数据指的是紧急数据信息，因此优先级最高，要求同时满足最高可靠和最低时延的需求。控制类数据的优先级仅次于安全类数据。周期性监测类数据的优先级最低。多种优先级数据的实时、可靠传输关键是设计具有优先级意识的介质访问控制(MediaAccessControl，MAC)方法。现有的工业无线传感器网络MAC，主要分为基于调度的MAC和基于竞争的MAC两类。在基于调度的MAC中，网关给每个节点分配固定时隙，节点按照预分配的时隙唤醒，可以保证传输的可靠性。但是，这种MAC无法保证高优先级数据(产生的时间和位置均难以预测)的实时介入。在基于竞争的MAC中，节点通过载波侦听和退避等措施可以实现高优先级数据的优先传输，但是随着网络规模的增大，传输冲突加剧，网络的接入时延和可靠性明显恶化。本专利技术综合上述两种MAC的优点，提出一种基于优先级的双信道介质访问控制方法，能保证所有优先级数据的实时、可靠接入。
技术实现思路
本专利技术提出的一种基于优先级的双信道介质访问控制方法，是在充分考虑不同监测数据的优先级要求提出的，仅需要通过增加一个窄带控制信道，即可实现不同优先级数据的实时、可靠传输。本专利技术采用技术方案如下：一种基于优先级的双信道介质访问控制方法，网关和各传感节点都具有双信道；各传感节点产生不同类型的数据，根据数据优先级的不同，分别在数据信道和控制信道中进行抢占接入和发送数据的操作。所述双信道包括控制信道和数据信道；控制信道与数据信道完全正交，带宽为数据信道带宽的用于传输信道抢占包；数据信道用于节点传输数据以及接收网关回复的ACK。所述数据包括A优先级数据、B优先级数据、C优先级数据；A优先级数据为最高优先级，用于传输与系统安全数据；B优先级数据为第二优先级，用于传输闭环控制的实时数据；C优先级数据为最低优先级，用于传输周期性的监测数据。所述通过双信道进行信道接入并发送数据具体为：4.1产生C优先级数据的节点根据网关所广播的信标中包含的时隙调度表进行唤醒；在其所分配的时隙内，首先侦听tc时间，tc为周期性数据预留给高优先级数据的抢占时间，如果控制信道和数据信道都没有被占用，就发送数据，并接收网关回复的确认ACK；否则，转为休眠状态，直至下一个唤醒时隙；4.2产生A优先级数据的节点，首先进行tCCA时间的空闲信道评估，tCCA>tg，tg为间隔时间；如果数据信道空闲，则立即发送A优先级数据给网关；否则，在控制信道中连续发送信道抢占包；4.3产生B优先级数据的节点在接入数据信道前，继续侦听tBw时间，Dw为节点从唤醒侦听到接收到网关给其他节点回复的ACK之间的时间；进行接入策略。所述接入策略包括以下步骤：步骤1，产生B优先级数据的节点分别在数据信道和控制信道上进行tCCA时间的空闲信道评估；步骤2，根据两信道状态的不同组合情况，分别定义相应的接入策略：2.1)数据信道空闲、控制信道空闲：产生B优先级数据的节点在数据信道上进行tBw时间的侦听操作，并在控制信道上间断发送信道抢占包；若侦听tBw的时间内，数据信道为空闲，则执行步骤3，否则，返回步骤1；2.2)数据信道空闲、控制信道忙：产生B优先级数据的节点保持侦听操作，当控制信道为空闲时，节点在控制信道上间断发送信道抢占包，当接收到网关节点回复的ACK后，执行2.1)的操作；2.3)数据信道忙、控制信道空闲：产生B优先级数据的节点保持侦听操作，直到接收到网关节点回复的ACK，对其解析得到冲突标志位为1，则执行2.1)的操作；冲突标志位为0，节点认为在抢占信道的过程中发生了冲突，此时，节点随机选择侦听时间tBw∈[tCCA,e-Dw]，执行2.1)的操作；2.4)数据信道忙、控制信道忙：产生B优先级数据的节点持续侦听两信道状态，直到信道状态发生变化，再根据两信道状态分别执行2.1)、2.2)、2.3)的操作。步骤3，产生B优先级数据的节点接入数据信道，在控制信道上停止发送信道抢占包，在数据信道上向网关传输数据。所述信道抢占包中包含信息的优先级和需要发送报文的长度；每个信道抢占包的时长为tq；A优先级的信道抢占包是连续发送的，B优先级的信道抢占包是间隔发送的，并在间隔时间tg内侦听控制信道的状态，tg<tq。在数据信道上网关回复的ACK数据部分包含两个比特信息，第一个比特表示网关是否成功接收节点发送的数据，若成功接收则为1，否则为0；第二个比特为冲突标志位，表示网关是否成功解码控制信道中的信道抢占包；若网关成功解码，则冲突标志位为1；如果网关解码失败或者没有接收到信道抢占包，则冲突标志位为0。本方明的优点具体表现在：1.本专利技术方法充分考虑不同优先级数据的实时性需求，并给出其对应的接入策略。高优先级通过推迟较低优先级的方法，保证在低优先级数据延时允许范围内，在最短的时间内获得接入信道的机会，显著提升了数据传输的实时性。2.本专利技术方法在考虑优先级的同时，还考虑同一优先级数据的公平性。即，对于同一优先级数据，本专利技术方法保证先产生的数据会先得到接入机会。3.本专利技术对于周期性数据采用TDMA调度方法，给每个周期性数据分配固定的传输时隙；针对非周期的高优先级数据，采用信道抢占的方法，相比于传统预留时隙的介质访问控制方法，可显著提升频谱利用率。附图说明图1网络拓扑结构图；图2超帧结构示意图；图3数据信道忙—A优先级数据传输情况示意图；图4数据信道空闲、控制信道忙—B优先级数据示意图；图5数据信道空闲、控制信道忙—B优先级数据发送情况1示意图；图6数据信道忙、控制信道空闲—B优先级数据发送情况2示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术考虑一个星型工业无线传感器网络，网络拓扑结构如图1所示。网关由固定电源进行供电，负责接收传感节点的周期性监测数据(C类优先级数据)和非周期性的高优先级数据(A或B类优先级数据)。网关和所有传感节点都配备两根天线，分别对应控制信道和数据信道，并假定节点在控制信道和数据信道之间切换所用时间忽略不计。所有传感节点的本地时钟与网关同步。网络的传输由网关集中调度，网络时间被分成等长的周期。网络的超帧格式如图2所示，网关在每个周期的开始阶段发送信标帧，信标帧为每个传感节点分配了C类优先级数据的传输时隙。同时，在每个超帧时隙中预留了“抢占阶段”，还设计了基于优先级的信道接入策略，以保证高优先级数据的实时接入。一种基于优先级的双信道介质访问控制方法，是一种适用于双信道时钟同步的介质访问控制方法；充分考虑不同优先级数据的实时性需求，针对不同优先级数据，给出其对应的接入策略；对于产生高优先级数据的节点，利用在控制信道上发送“信道抢占包”的方法，可有效地推迟低优先级数据的传输；对于产生周期性数据的节点，采用TDMA调度方法，给每本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于优先级的双信道介质访问控制方法，其特征在于：网关和各传感节点都具有双信道；各传感节点产生不同类型的数据，根据数据优先级的不同，分别在数据信道和控制信道中进行抢占接入和发送数据的操作。

【技术特征摘要】
1.一种基于优先级的双信道介质访问控制方法，其特征在于：网关和各传感节点都具有双信道；各传感节点产生不同类型的数据，根据数据优先级的不同，分别在数据信道和控制信道中进行抢占接入和发送数据的操作。2.根据权利要求1所述的一种基于优先级的双信道介质访问控制方法，其特征在于所述双信道包括控制信道和数据信道；控制信道与数据信道完全正交，带宽为数据信道带宽的用于传输信道抢占包；数据信道用于节点传输数据以及接收网关回复的ACK。3.根据权利要求1所述的一种基于优先级的双信道介质访问控制方法，其特征在于，所述数据包括A优先级数据、B优先级数据、C优先级数据；A优先级数据为最高优先级，用于传输与系统安全数据；B优先级数据为第二优先级，用于传输闭环控制的实时数据；C优先级数据为最低优先级，用于传输周期性的监测数据。4.根据权利要求1所述的一种基于优先级的双信道介质访问控制方法，其特征在于，所述通过双信道进行信道接入并发送数据具体为：4.1产生C优先级数据的节点根据网关所广播的信标中包含的时隙调度表进行唤醒；在其所分配的时隙内，首先侦听tc时间，如果控制信道和数据信道都没有被占用，就发送数据，并接收网关回复的确认ACK；否则，转为休眠状态，直至下一个唤醒时隙；4.2产生A优先级数据的节点，首先进行tCCA时间的空闲信道评估，tCCA>tg，tg为间隔时间；如果数据信道空闲，则立即发送A优先级数据给网关；否则，在控制信道中连续发送信道抢占包；4.3产生B优先级数据的节点在接入数据信道前，继续侦听tBw时间，Dw为节点从唤醒侦听到接收到网关给其他节点回复的ACK之间的时间；进行接入策略。5.根据权利要求4所述的一种基于优先级的双信道介质访问控制方法，其特征在于，所述接入策略包括以下步骤：步骤1，产生B优先级数据的节点分别在数据信道和控制信道上进行tCCA时间的空闲信道评估；步骤2，根据两信道状态的...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁炜，张嘉麟，郑萌，彭士伟，苑旭东，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21