一种基于信标指示的TDMA时隙划分方法与流程

一种基于信标指示的tdma时隙划分方法
技术领域
1.本发明涉及无线传感网络通信技术的领域，具体涉及一种基于时分多址tdma的时隙划分方法。


背景技术：

2.目前，随着物联网技术的发展，无线通信技术得到了广泛的应用，如智能家居、智慧城市、智慧消防等领域。在无线通讯系统的介质访问(mac)层，通常有两种方案，一种是基于载波监听csma的方案，另一种就是时分多址tdma方案。这两种方案具有不同的优缺点，至于选用哪种方案，往往要根据实际的使用场景及射频芯片功能来权衡。
3.低功耗、大容量、快响应，是衡量一个无线通信系统可靠性的重要指标，而无线通信mac层的实现方案将决定着这些指标的达成。tdma方案由于其原理较简单、对底层射频芯片要求低等优点，成为很多应用场景的首选。但要设计一个优秀的tdma时隙划分方法，以满足各方面的性能要求并不是一个简单的事，往往满足了一个指标，就降低了另一个指标。所以，一个好的时隙划分方法，用来达到各个指标的平衡至关重要。


技术实现要素：

4.本发明针对市面上现有方案的不足，提出一种新的tdma时隙划分的方法，通过该方法可以使无线通信系统，在保证低功耗的前提下，能够达到较大的网络容量和较低的通信延迟。
5.需要说明的是，该方法仅适用于星型网络拓扑，采用主从结构，包含1个主站节点和多个从站节点，并且从站节点按功能分为两类：传感器类节点和控制器类节点。两者的区别主要为：传感器节点大多数情况下只能上报数据，只有特殊情况下才接收控制指令，而控制器节点可随意接收控制指令和上报数据。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种基于信标指示的tdma时隙划分方法，其特征在于：基于tdma原理，将整个时间维度以多个单位时隙的组合划分，每个单位时隙宽度为515毫秒，每个组合包含至少1个单位时隙，且至多8个单位时隙，编号为0到7，实际数量将根据网络节点数量动态调整；将单位时隙进一步细分为五个部分，即信标时隙、巡检上报时隙、竞争上报时隙、命令下发时隙、状态上报时隙。
8.其中，信标时隙宽度共15毫秒，在该时隙中，主站下发信标指示数据，用于从站节点进行时钟同步和时隙对齐等操作；巡检上报时隙宽度共120毫秒，再平均细分为8小块，每块15毫秒，在每小块时隙中，传感器类从站节点根据实际情况上报监测数据或心跳数据；竞争上报时隙宽度共100毫秒，再平均细分为5小块，每块20毫秒，在每小块时隙中，所有从站节点根据实际情况竞争该时隙来上报报警类紧急消息，提高系统的快速响应能力。命令下发时隙宽度共120毫秒，再平均细分为6小块，每块20毫秒，在每小块时隙中，主站根据情况下发控制指令数据给控制器类从站节点。状态上报时隙宽度共160毫秒，再平均细分为8小
块，每块20毫秒，在每小块时隙中，控制器类从站节点根据实际情况上报状态数据或控制回复。
9.根据各部分时隙划分，细分后的小块时隙即为某个节点单独占有的时间段，每个单位时隙最多容纳8个传感器节点和8个控制器节点，可算出该网络最多能够容纳64个传感器类设备加64个控制器类设备，即单网络容量为128个节点，这个容量可满足大多数应用场景。
10.不同节点需要根据一定的规则来匹配对应的小块时隙，设计的规则如下：同一类别的从站节点会分配序号0到n，单位时隙会分配序号0到k，单位时隙中各部分再次细分的小块时隙也分别分配序号0到m；将节点的序号n除以8取商数q即为该节点所在的单位时隙序号；将节点的序号n除以各部分的小块时隙总数m 1取余数r即为分配给该节点的小块时隙的序号。需要注意的是，为节省时隙空间，竞争上报时隙和命令下发时隙的小块时隙数量设计为小于8，所以按照该规则为节点分配的时隙序号有可能会重叠。考虑到节点上报报警类消息的频次较低，时隙冲突的概率并不高，如果发生冲突，即节点上报数据后收不到ack，则随机退避到下一个竞争上报小时隙重发上报数据；而节点控制指令数据是由主站统一按顺次下发的，自然可以避免命令下发小时隙的冲突。
11.本发明的有益效果是：按该方法划分tdma时隙，既保证了节点之间互不冲突，提高了通信可靠性，又保证了报警类紧急消息能够及时响应，降低了通信延迟，由于节点在通信时不需要做载波监听，而且在非本节点时隙时，节点可进入休眠状态，大大降低了功耗，而网络的容量也达到了一个较高的水平。所以该方法一定程度上能够满足无线通信系统的各项指标，具有很高的实用价值。
附图说明
12.图1为本发明所述时间维度的整体划分示意图。
13.图2为本发明所述单位时隙的整体划分示意图。
14.图3为本发明所述巡检上报时隙的划分示意图。
15.图4为本发明所述竞争上报时隙的划分示意图。
16.图5为本发明所述命令下发时隙的划分示意图。
17.图6为本发明所述状态上报时隙的划分示意图。
具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
19.如图1所示，将整个时间维度划分为一个个的单位时隙组合，每个单位时隙组合里包含若干个单位时隙，具体有多少个要根据网络设备总数来动态调整，当较多的单一类型的节点数不足8个时，时隙组合里只有1个单位时隙。以此类推，当节点数达到满容量(128)时，单位时隙也达到最多的8个。
20.如图2所示，单位时隙由五部分构成，即信标时隙、巡检上报时隙、竞争上报时隙、命令下发时隙、状态上报时隙，分别用于不同的通信场景。其中，信标时隙不再进一步细分，
在该时隙内，主站下发信标数据，从站接收进行时钟同步等操作；其他时隙还会进一步细分为若干个小块时隙，每个小时隙将被一个节点完全占有，用于主从站之间的交互通信。
21.信标时隙在本发明方法中具有重要意义，主要有两点原因：第一，由于各节点使用的时钟多少都会有不同偏差，运行时间长了必定产生时钟误差，所以各节点之间的时隙就不能保持同步，必须通过信标指示定期校准时钟偏差；第二，出于降低功耗的考虑，有些节点大多数情况下出于休眠状态，射频收发器关闭，网络当前时隙状态也就不可能知道，当节点有通讯需求而醒来时，必须通过信标指示迅速获取当前时隙分配情况，进而实现通信。
22.图3到图6，是各部分时隙的细分示意图，在逻辑上会给每小块时隙从0开始递增编号，以便节点根据规则完成动态匹配。这个匹配规则算法在发明内容中已说明，这里不再赘述，仅举例说明：假设网络中有10个传感器节点(编号0～9)和3个控制器节点(编号0～2)，那么根据规则可得出时隙组合中将包含2个单位时隙(编号0～1)；传感器0～7将占有单位时隙0的巡检上报时隙的0～7号小时隙，以及单位时隙0的竞争上报时隙的0～4号小时隙，如果竞争时隙冲突则随机退避到临近竞争上报时隙；传感器8～9将占有单位时隙1的巡检上报时隙的0～1号小时隙，以及单位时隙1的竞争上报时隙的0～1号小时隙；控制器0～2将占有单位时隙0的命令下发时隙的0～2号小时隙，以及单位时隙0的状态上报时隙的0～2号小时隙。
23.在节点间进行数据交互时，有些场景需要设计有ack机制，以便通信冲突时择机重发，比如竞争上报时隙和命令下发时隙中的通信，其他时隙可根据实际情况灵活增加该机制。
24.上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。