一种基于信标网络的时隙预估方法与流程

1.本发明属于通信技术领域，涉及一种基于信标网络的时隙预估方法。


背景技术：

2.宽带微功率无线通信技术应用于智能电网用户用电信息的采集，是一种由多个无线节点自动组网进行通信的分布式无线网络。网络中的节点具有自组织、自管理和自维护的功能，每个节点可以以直接通信的方式与其通信范围内其他节点进行信息交互，并且可以利用一个或多个中继节点与通信范围外的节点进行通信，这样节点间形成了一个无线多跳网络。整个网络形成一个树状的拓扑，结构如图1所示。
3.与集中器相连的通信模块为主通信模块，称为中央协调器cco(central coordinator)，负责集中器和采集器或者集中器和电能表之间数据的收发，它还具有组网控制、网络维护管理等功能。采集器或者电能表连接的通信模块，按照在网络中的角色，分为代理协调器pco(proxy coordinator)和站点sta(station)。最外层的节点没有中继功能，称为站点sta(station)，而充当中继功能的节点称为代理协调器pco(proxy coordinator)。由于网络拓扑结构的变化，pco和sta的角色可以互相转换。
4.宽带微功率通信网络使用了基于信标帧的信道访问机制，cco周期性地发送信标帧，信标帧中包含了cco分配的信标周期内的信标时隙，tdma时隙，csma时隙，绑定csma时隙等时隙的规划信息。网络中的子节点，必须遵循cco分配的时隙，进行信道访问。一般的，信标时隙和tdma时隙等明确分配给cco或具体sta使用的时隙，统称为非竞争时隙(tdma时隙)；csma时隙和绑定csma时隙等未指明使用者的时隙，需要由有需求的sta竞争使用的时隙，统称为竞争时隙(csma时隙)。信标周期时隙划分如图2所示。
5.在实际的智能电网中用户用电信息数据采集应用中，时隙划分如图3所示。网络中的节点在tdma时隙中，可能会因为上层节点或者自身状态异常，导致本节点没有收到任何信标帧。如果本节点是sta，两个路由周期内都无法获得时隙信息，将导致本节点发生代理变更，重新选择代理节点。如果本节点是pco，两个路由周期内没有获得时隙信息将无法发送信标帧，本节点下层的节点将发起代理变更。当网络规模变大，异常出现时整个网络中将会出现大量的代理变更、代理确认报文，大量报文的发送争夺有限的时隙资源，增大了传输失败概率，又进一步导致更多的重传报文，严重影响其他正常业务的执行效率。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于信标网络的时隙预估方法，当节点入网后使用信标帧中的特定字段，在tdma时隙接收信标帧同步时隙信息，在csma时隙根据本周期的时隙参数预估下一周期的时隙信息。当进入下一周期时，如果在tdma时隙内接收到信标帧，则擦除上一周期预估时隙信息，使用信标帧中携带的时隙信息进行同步。如果在tdma时隙因为网络异常未接收到信标帧，则使用上一周期的时隙预估信息，通过在预估的csma时隙内发送发现列表报文暂时维持网络，等待异常解除或者进入离线流程。
7.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种基于信标网络的时隙预估方法，该方法包括以下步骤：
9.s1：节点上电组网；
10.s2：tdma时隙分割；
11.s3：当进入tdma时隙内，分析上层结点的信标帧；
12.s4：节点依据本周期的时隙信息预估下一周期的时隙划分；
13.s5：判断一帧是否能够在csma时隙内发送完成。
14.可选的，所述s1具体为：中心控制器cco通过安排中央信标、代理信标、发现信标的发送，触发逐层级的sta的网络接入请求，来完成整个组网过程；节点间形成多层级的树状网络。
15.可选的，所述s2中，cco为全网节点动态的分配时隙；cco在一个周期内分配时隙时，分为tdma时隙和csma时隙；tdma时隙中最前面的是中央信标时隙，其次是代理信标时隙，代理信标时隙的次序依据层级排序，同一层级不分前后，最后是发现信标时隙；信标时隙后是csma时隙。
16.可选的，所述s3中，当进入tdma时隙内，如果pco/sta接收端接收到信标帧，则删除上一周期时隙预估信息，并根据信标帧内的时隙信息同步新一轮正常时隙；用于时隙同步的信标帧是上层的中央信标帧、代理信标帧或发现信标帧；
17.如果因为上层结点或者自身状态异常，导致自身节点本周期内未收到任何信标帧，节点无法获取新一轮的时隙划分信息，为保证正常的通信并维持本节点下方的子网络，使用上一周期的预估时隙信息；
18.如果两个路由周期未收到上层节点的信标帧，开始代理变更，更换代理节点；在代理变更期间，需要通过在预估csma时隙内发送发现列表报文维持住下方网络，当代理变更完成时下方节点跟随代理节点一起变更。
19.可选的，所述s4中，时隙预估是在csma时隙内完成的，节点依据本周期的时隙信息预估下一周期的时隙划分；为保证时隙预估的正确性，定义：
20.t
tdma
＝0.2t
period
21.t
csma
＝0.8t
period
22.其中，t
period
是一个信标周期长度，可以根据网络规模调整大小；t
tdma
是tdma时隙长度，占信标周期的百分之二十；t
csma
是csma时隙长度，占信标周期的百分之八十。
23.可选的，所述s5中，在csma时隙中发送的报文，在相应的csma时隙中传送完成，不能跨越时隙；不能跨越到信标时隙和tdma时隙等非竞争时隙中；在csma时隙内竞争发送数据帧时，判断一帧是否能够在csma时隙内发送完成；若无法在csma时隙内完成传输，需加入缓存区等待到下一个csma时隙内优先处理未完成发送的数据。
24.本发明的有益效果在于：
25.1.在系统实际的运行中，由于工作环境的限制，节点通常放在电井室中，无法保证网络时刻处于高质量通信的状态。当节点状态异常无法正确接收信标帧，为了保持正常通信过程，可使用时隙预估信息进行安全性处理。
26.2.时隙预估使用信标帧中特定的字段，无需额外的报文传输。当正常接收到信标帧后，节点可以删除预估信息，不影响正常流程。
27.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
28.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
29.图1为本宽带微功率网络拓扑结构；
30.图2为标准时隙划分示意图；
31.图3为系统运行时隙划分示意图；
32.图4为tdma时隙分割示意图；
33.图5为时隙保护流程图；
34.图6为信标帧结构图；
35.图7为物理块格式；
36.图8为关联入网管理报文交互流程图；
37.图9为时隙预估图；
38.图10为时隙预估整体流程图。
具体实施方式
39.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
40.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
41.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
42.实施例1：
43.信标帧帧格式
44.cco将tdma信标时隙分为中央信标时隙、代理信标时隙、发现信标时隙。cco、pco、
sta三个角色对于信标时隙的管理保持一致。cco将信标周期中的时隙分配，填充到信标中的时隙分配条目，通过信标发送，通知给pco和sta等站点。信标帧结构如图6所示。
45.mpdu的帧控制字段长度为16字节。mpdu帧控制字段的格式如表1所示。其中，“定界符类型”用于指示帧的类型帧类型不同，可变区域也不同。信标帧的“定界符类型”为0。
46.表1 mpdu帧控制字段
[0047][0048][0049]
信标帧用于cco进行网络管理。信标帧的可变区域的格式如0所示。信标时间戳是发送信标的设备在发送信标时标记的网络基准时间，网络基准时间由cco维护，全网节点需要和cco的网络基准时间保持同步。
[0050]
表2信标帧的可变区域
[0051][0052]
载荷的物理块格式有4种，物理块的大小可选为72/136/264/520字节。信标帧的载荷只支持一个物理块。物理块格式如图7所示。
[0053]
信标帧载荷格式如表3所示。其中，“信标类型”1表示代理信标，2表示发现标。“信标管理信息”包含具体信标条目数以及各信标条目头，信标条目长度及具体信标条目内容。
[0054]
表3信标帧载荷字段
[0055][0056][0057]
时隙分配条目中携带cco安排的时隙信息，如表4所示。
[0058]
表4时隙分配条目格式
[0059][0060][0061]
实施例2：
[0062]
节点上电组网
[0063]
cco上电后，首先进行一段时间的公共频点监听，以便发现是否存在邻居网络。如果监听的时间内，接收到邻居网络的网络通知报文，解析报文内容并选择一个没有被使用的工作频点，选择成功后在工作频点周期性发送信标帧，启动组网。如果监听的时间段内没有接收到邻居网络信息，则监听结束后在设定的工作频点上周期性发送中央信标。
[0064]
cco在公共频点周期性发送网络通知报文，用于告知其它网络此工作频点正在使用。
[0065]
sta上电后，首先扫描公共频点寻找网络，可能会收到多个网络通知报文，选择初次发现网络的工作频点继续扫描，直到收到信标帧。收到信标帧后，依据帧内容的“开始关联标志位”发起关联请求。sta在接入网络时，首先需要通过网络报文的接收和评估，选定其代理站点，这个代理站点可以是cco，也可以是其他sta站点。选择代理站点的原则一般是信道质量较好。
[0066]
cco收到关联请求后，对请求接入的节点进行白名单认证，之后cco在csma时隙中，将关联请求的处理结果，通过发送关联确认报文告知sta。通过cco直接入网的节点为第一层级。节点入网后，cco安排新入网节点发送信标，触发新入网节点周围的节点发起入网。通过第一层级节点加入网络的新节点成为第二层级，中继节点升级成pco。如此循环，直到所有节点加入网络。cco为0级，sta最大层级支持到15级，最终形成树状网络拓扑。
[0067]
关联入网管理报文的交互过程如图8所示。
[0068]
实施例3：
[0069]
时隙分配
[0070]
在每个信标周期开始时，cco发送中央信标。中央信标中携带本周期所有节点时隙分配信息，时隙分配要求如下：
[0071]
1.sta每170秒内至少发送两次发现信标。
[0072]
2.pco每周期必须发送代理信标。
[0073]
3.信标tdma时隙总时长不超过信标周期的20％。
[0074]
4.优先安排新入网节点发送信标，加速网络稳定。
[0075]
5.在节点较少时，cco为所有节点安排时隙后，信标时隙总长仍不超过周期的20％，则为所有节点安排时隙。
[0076]
6.当节点较多，cco为所有节点安排时隙后，信标时隙总长超过周期的20％，则按照“sta每170秒内至少发送两次发现信标”的要求安排时隙。每个周期时隙总数n为：
[0077][0078]
其中，num
sta
为sta数目，num
pco
为pco数目，t
period
为信标周期长度。
[0079]
实施例4：
[0080]
时隙同步与预估
[0081]
在tdma时隙内，如果pco/sta接收端接收到信标帧，则删除上一周期时隙预估信息,并根据信标帧内的时隙信息同步新一轮正常时隙。
[0082]
t
tdma_end
＝bpst
cur
btsl*(non_slot_num 1)
[0083]
t
csma_end
＝t
tdma_end
csmatsl
[0084]
其中，t
tdma_end
表示当前周期的tdma时隙结束时间，t
csma_end
表示当前周期的csma时隙结束时间，bpst
cur
表示本轮信标周期起始时间，btsl表示信标时隙长度，non_slot_num表示非中央信标时隙总数，csmatsl表示csma时隙长度。
[0085]
如果因节点异常，pco/sta无法接收到信标帧，为了暂时保持网络稳定，需使用上一周期的预估信息进行本周期时隙划分。
[0086]
t
tdma_end
＝t
tdma_est
[0087]
t
csma_end
＝t
csma_est
[0088]
其中，t
tdma_est
表示预估的tdma时隙结束时间，t
csma_est
表示预估的csma时隙结束时间
[0089]
当前周期时隙划分完成之后，计算下一信标周期起始时间：
[0090]
bpst
next
＝bpst
cur
t
period
10ms
[0091]
其中，bpst
next
表示下一轮信标周期起始时间，10ms表示周期保护间隔10毫秒时间。
[0092]
时隙预估是在csma时隙内完成的，节点依据本周期的时隙信息预估下一周期的时隙划分。为了保证时隙预估的正确性，定义：
[0093]
t
tdma
＝0.2t
period
[0094]
t
csma
＝0.8t
period
[0095]
其中，t
period
是一个信标周期长度，可以根据网络规模调整大小。t
tdma
是tdma时隙长度，占信标周期的百分之二十。t
csma
是csma时隙长度，占信标周期的百分之八十。
[0096]
则tdma和csma时隙预估时间：
[0097]
t
tdma_est
＝bpst
next
0.2t
period
[0098]
t
csma_est
＝t
tmda_est
0.8t
period
[0099]
预估时隙如图9所示。
[0100]
时隙预估整体流程如图10所示。
[0101]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。