针对快速控制系统的IEEE802154新协议设计方法.pdf

本发明提出一种针对快速控制系统的IEEE 802.15.4新协议设计方法，克服标准IEEE 802.15.4协议最低时延为15.36ms的局限性，能够达到快速控制系统对实时性的严格要求。步骤一、修改MAC数据帧格式；步骤二、将MAC层定时器由与任务管理系统共用定时器2改变为使用定时器1，通过使用协调器和一个普通通信节点的终端设备，测试节点中的数据从准备就绪到传送到缓冲区中总共花费时间，并根据步骤一修改的数据帧格式计算数据长度，通过该数据长度计算从缓冲区发送出去离开节点花费时间，以此计算出协调器和终端设备的工作时隙；步骤三、设计基于TDMA的MAC层接入方案。

权利要求书1.  一种针对快速控制系统的IEEE 802.15.4新协议设计方法，其特征在于， 包括以下步骤： 步骤一、修改MAC数据帧格式，使MAC层数据帧达到最小，减少每个终端 发送数据的时间； 步骤二、将MAC层定时器由与任务管理系统共用定时器2改变为使用定时 器1，通过使用协调器和一个普通通信节点的终端设备，测试节点中的数据从准 备就绪到传送到缓冲区中总共花费时间，并根据步骤一修改的数据帧格式计算 数据长度，通过该数据长度计算从缓冲区发送出去离开节点花费时间，以此计 算出协调器和终端设备的工作时隙； 步骤三、设计基于TDMA的MAC层接入方案：通过步骤二计算出的协调器和 终端设备的工作时隙，给协调器以及终端设备安排固定时隙，最大化信道利用 率以及最小化时延；通过协调器创建网络，占用一个工作周期的第一个时隙， 后续每一个终端节点加入网络，按照步骤二计算的工作时隙长度加入到网络当 中，完成新协议设计方法。 2.  如权利要求1所述的一种针对快速控制系统的IEEE 802.15.4新协议 设计方法，其特征在于，所述的创建网络采用以下方法： (1)、协调器创建网络，发送信标帧给周围终端设备； (2)、终端设备接收信标帧，发送请求加入网络命令，协调器接收加入网 络命令，在尚未超出本身资源允许情况下接受请求发送确认请求给终端设备； (3)、网络组建完成，终端节点发送传感器数据给协调器，网络稳定工作。 3.  如权利要求1或2所述的一种针对快速控制系统的IEEE 802.15.4新协议 设计方法，其特征在于，上述新协议的设计在TI公司CC2530设备以及配套代码 包上实现。

说明书针对快速控制系统的IEEE802.15.4新协议设计方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及一种无线通信MAC层信道接入协议的分析、 设计以及实现方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，无线网络控制系统由于其在调试以及维护方面 的方便些已经得到越来越多的重视。很多工业自动化系统对传感器以及执行器 的数据更新的时延有很严格的要求。IEEE802.15.4协议在其设计之初其一大特 性就是能够应用于控制系统当中。但是其存在严重不足，如对于某些快速控制 系统，采样周期需要低于10ms，这种情况下其满足不了。
发明内容
本发明是针对目前标准IEEE 802.15.4协议的不足，提出一种针对快速控 制系统的IEEE 802.15.4新协议设计方法，克服标准IEEE 802.15.4协议最低 时延为15.36ms的局限性，能够达到快速控制系统对实时性的严格要求。
本发明通过以下技术方案实现：
一种针对快速控制系统的IEEE 802.15.4新协议设计方法，包括以下步骤：
步骤一、修改MAC数据帧格式，使MAC层数据帧达到最小，减少每个终端 发送数据的时间；
步骤二、将MAC层定时器由与任务管理系统共用定时器2改变为使用定时 器1，通过使用协调器和一个普通通信节点的终端设备，测试节点中的数据从准 备就绪到传送到缓冲区中总共花费时间，并根据步骤一修改的数据帧格式计算 数据长度，通过该数据长度计算从缓冲区发送出去离开节点花费时间，以此计 算出协调器和终端设备的工作时隙；
步骤三、设计基于TDMA的MAC层接入方案：通过步骤二计算出的协调器和 终端设备的工作时隙，给协调器以及终端设备安排固定时隙，最大化信道利用 率以及最小化时延；通过协调器创建网络，占用一个工作周期的第一个时隙， 后续每一个终端节点加入网络，按照步骤二计算的工作时隙长度加入到网络当 中，完成新协议设计方法。
上述新协议的设计在TI公司CC2530设备以及配套代码包上实现。
附图说明
图1.IEEE802.15.4超帧结构；
图2.无线控制系统拓扑结构
图3.IEEE802.15.4MAC数据结构；
图4.改进MAC协调器数据结构；
图5.改进MAC终端节点数据结构；
图6.协调器和终端节点数据处理时隙图；
图7.新协议超帧时隙结构；
图8.TDMA下Sniffer抓取的数据。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步介绍。
一、IEEE 802.15.4标准协议中，我们针对的是快速控制系统的应用场景， 所以对于图1的超帧结构中，去除不活跃时隙。既有信标间隔等于超帧间隔。 即SD＝BI(SD为超帧时隙间隔，BI为信标帧间间隔)，由
SD＝aBaseSuperframeDuration×2SO
得当SO＝0时，超帧间隔最小，为SD＝0.96*16＝15.36ms。
其中aBaseSuperframeDuration为超帧的基本时隙间隔，最短情况下为15.36ms。 SO为Superframe Order(超帧级数)。
因此无论终端设备工作与CSMA/CA竞争接入信道还是工作于无竞争接入时 隙(CFP)工作模式下，最短采样周期为15.36ms，达不到我们设计的最短采样 周期为10ms的控制系统的需求，拓扑结构如图2所示。基于此我们设计了一种 新型改进协议。
二、终端设备发送从准备数据到发送数据需要经历三个过程。第一侦听到 协调器发送的信标帧，对其数据进行分析，花费时间T1；第二终端设备将待发送 的数据从应用层调度到发送缓冲区，花费时间T2；第三终端设备将发送缓冲区 中的数据发送到无线信道上，花费时间为T3。总的时间花费为Ttotal＝T1+T2+T3。
其中时间T3我们可以计算得到，但是T1和T2只能通过实验来得到。为了验证 我们的新协议，我们采用的是TI公司的CC2530及其代码包对其进行实验测试。
三、如图3所示为标准协议下的MAC数据帧结构，但是我们为了减少时间 消耗，对MAC层数据帧进行压缩，得到图4所示的协调器数据帧以及图5所示 的终端设备的数据帧。
四、为了得到T1和T2，我们采用两个CC2530模块，其中一个为协调器，另 外一个为终端设备，如图6所示为其工作时隙图。让协调器和终端设备各自发 送500次数据，进行500组数据实验得到如下实验数据

表一
协调器的T3＝TSHR+TPHR+TPSDU+TCCA，根据标准协议可得物理层的数据帧为MAC 层帧加上6B的数据头，所以
T C , 3 = ( 17 + 6 ) × 8 250 × 10 3 + 0.128 = 0.864 ms ]]>
终端设备的T3为
T E , 3 = ( 15 + 6 ) × 8 250 × 10 3 + 0.128 = 0.8 ms ]]>
五、下面对协调器以及终端节点的时隙分别进行计算
(1)协调器：协调器是工作于每个超帧时隙的开始，其消耗总时间为
T C total = T C , 1 + ( T C , 2 min , T C , 2 max ) + T C , 3 ]]>
T C total = 0.085 + ( 0.75 ~ 0.95 ) + 0.864 = ( 1.699 ~ 1 . 899 ) ms ]]>
(2)终端节点1：终端节点1等待接收协调器信标帧，等到接收到信标 帧，执行中断处理函数消耗时间，将待发送数据调度到发送缓冲区消耗时间， 数据从节点传输到无线信道上传输消耗的时间。总时间为：
T E , 1 total = T E , 1 + ( T E , 2 min , T E , 2 max ) + T E , 3 ]]>
T E , 1 total = 0.085 + ( 0.75 ~ 0.95 ) + 0.80 = ( 1.635 ~ 1 . 835 ) ms ]]>
同时相邻两数据帧如果都能被准确接收到，相邻两数据帧之间必须有时间 间隔，叫帧间时间。分为长数据帧间隔和短数据帧间隔。本文中设定MAC层只 发送15比特数据，所以需要短数据帧间隔。根据IEEE 802.15.4协议标准，短 数据帧间隔为0.192ms。所以节点1消耗的总时间为：
(1.635～1.835)+0.192＝(1.827～2.027)ms
(3)终端节点2：对于节点2，在节点1发送数据的时候，它不能发送数 据。但是其可以将内部数据调度到发送缓冲区中。也就是说在节点1执行一次 数据发送流程中，节点2可以提前0.75～0.9ms将数据调度到发送缓冲区中，但 是为了确保无冲突，本文研究在最差的情况，即节点2只能提前0.75ms将数据 调度到缓冲区。
2.027-0.75-0.085＝1.192ms
0.085+1.192+(0.75～0.95)+0.192＝(3.019～3.219)ms
即理论上最差情况下，节点1和节点2占据时间为3.019～3.219ms。
(4)终端节点3：其计算过程如节点2的计算过程，可得：
3.219-0.085-0.75＝2.384ms
0.085+2.384+(0.75～0.95)+0.80+0.192＝(4.211～4.411)ms
理论上最差情况下，节点1、2和3占据时间为4.211～4.411ms。同理可得 节点1、2、3和4占据时间为5.403～5.603ms，节点1、2、3、4和5占据时间 为6.595～6.765ms节点1、2、3、4、5和6占据时间为7.787～7.987ms。加上协 调器总共消耗时间为
T = T C total + Σ i = 1 6 T E , i total = ( 1.699 ~ 1.899 ) + ( 7.787 ~ 7.987 ) = ( 9.486 ~ 9.886 ) ms ]]>
通过以上分析，我们修改了TI公司IEEE802.15.4代码包，使其工作于TDMA 信道接入模式下。使用定时器2将协调器以及终端节点在超帧中的时隙预先设 置好，其时隙图如图7所示。设置完成后，创建网络，创建过程如下：
1、协调器创建网络，发送信标帧给周围终端设备；
2、终端设备接收信标帧，发送请求加入网络命令。协调器接收加入网络命 令，在尚未超出本身资源允许情况下接受请求发送确认请求给终端设备。
3、网络组建完成，终端节点发送传感器数据给协调器，网络稳定工作。
使用Sniffer抓取数据如图8所示，其显示出我们设计的新协议完全能够 使得整个网络的采样周期保持在10ms范围内，从而使得采样周期在10ms的控 制系统同样能够采用基于IEEE802.15.4的无线通信网络作为其数据传输媒介。