一种用于无线个人网的带宽预留式介质访问控制方法.pdf

1、  一种用于无线个人网的带宽预留式介质访问控制方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：
(1)将无线个人网中服务质量需求节点上的信息库中空闲时接收机开机标志设置为真；
(2)上述服务质量需求节点在网络上层的请求下发起扩展数据传输请求，中心节点接收到该请求命令后，根据网络上层协议对扩展的传输保障时隙进行分配，将分配信息添加到待发的信标帧中，并在扩展的传输保障时隙开始时发送传输保障时隙分配命令帧；
(3)上述服务质量需求节点接收上述信标帧，若在信标帧中包含有分配给本节点的扩展的传输保障时隙信息，则该服务质量需求节点在扩展的传输保障时隙开始时等待接收传输保障时隙分配命令帧，若在连续多个信标帧以后仍未包含有分配给本节点的扩展的传输保障时隙信息，则向网络上层报告扩展数据传输请求失败；
(4)当分配给上述服务质量需求节点的扩展的传输保障时隙开始时，发起请求的服务质量需求节点与该节点数据的目的节点接收来自中心节点的传输保障时隙分配命令帧；
(5)无线个人网络中接收到上述传输保障时隙分配命令帧的所有节点，根据命令帧中的信息将传输保障时隙分成多组子时隙，并在中心节点转发的情况下根据每组子时隙规定的传输方向进行双向或单向数据传输；若进行双向数据传输，则每个子时隙组以四个子时隙为一组，每组中四个子时隙的方向分别为：发起请求节点到中心节点、中心节点到目的节点、目的节点到中心节点与中心节点到发起请求节点；若进行单向数据传输，则每个子时隙组以两个子时隙为一组，每组中两个子时隙的方向分别为：发起请求的节点到中心节点与中心节点到目的节点。

2、  如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的扩展数据传输请求命令帧的格式定义为：

  媒体访问控  制层信头域  控制帧标识  传输保障时隙特征  子时隙长度  目的地址

3、  如权利要求2所述的方法，其特征在于其中所述的传输保障时隙特征域格式为：  传输保障  时隙长度  传输保障  时隙方向  特征  类型  是否为扩展的  传输保障时隙  是否在非活动  周期传输

4、  如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的传输保障时隙分配命令帧的格式定义为：  媒体访问控  制层信头域  控制帧标识  扩展的传输保  障时隙特征  子时隙长度  发起请求  节点地址

5、  如权利要求4所述的方法，其特征在于其中所述的扩展的传输保障时隙特征域格式为：  子时隙长度  是否为双向传输

6、  如权利要求1所述的方法，其特征在于该方法还包括：
若中心节点在发送方向为发起请求节点到中心节点的子时隙中没有收到发起请求节点的数据，则中心节点在随后的子时隙结束之前发送传输保障时隙分配命令帧；当进行双向数据传输，若中心节点在发送方向为目的节点到中心节点的子时隙中没有接收到目的节点的数据，则中心节点在随后的子时隙结束之前重新发送传输保障时隙分配命令帧；当进行单向数据传输时，若中心节点发向目的节点的数据包连续三次未接收到确认帧，则中心节点在随后的一个子时隙组的第二个子时隙结束之前重新发送传输保障时隙分配命令帧。

一种用于无线个人网的带宽预留式介质访问控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于无线个人网的带宽预留式介质访问控制方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
无线通信网络系统使用电磁波传输数据。由于无线介质的开放性，网络中各个节点共享无线信道传输数据。此时，不同节点所同时传输的数据就有可能互相干扰，最终导致传输失败。为了避免这种情况出现，计算机网络协议栈中的介质访问控制协议(以下简称MAC)负责控制节点对无线信道的访问，即规定节点何时可以向信道中发射信号，何时需要接收信道中的信息等，以达到避免或减少节点间互相干扰的目的。
不同类型的无线网络所使用的介质访问控制协议也有所不同。在存在基站或中心节点的网络中，通常采用固定分配式或者中心分配式的介质访问控制协议。这些协议将无线信道划分为子信道并让不同的节点在不同的子信道中工作，能达到保证数据帧服务质量(Quality of Service，以下简称QoS)的目的。如电信网中常用的时分多址、码分多址等。而在没有基站或者中心控制节点的网络，包括无线个人网在内的各种计算机网络使用基于随机访问的介质访问控制协议。其中基于载波侦听技术的介质访问控制协议被广泛应用于无线网络中。这一类协议利用节点探测信道状态的能力，根据节点探测信道的结果来决定何时向信道中传输数据帧。由于无线信道的不可靠性，在这种方法中，数据帧需要和其他节点间竞争信道访问权限，其QoS很难保证。
在短程无线网络领域中的IEEE 802.15.4-2006标准可以在无中心节点和有中心节点两种条件下进行传输。在无中心节点的条件下，IEEE 802.15.4-2006协议使用非时隙的带有冲突避免的载波侦听多址访问协议，其QoS难以保证。在有中心节点的条件下，IEEE802.15.4-2006协议可以在竞争周期中的间接传输模式和竞争空闲周期中的传输保障时隙(Guarantee Time Slot，以下简称GTS)中进行传输。在竞争周期中的间接传输模式下，由信标携带转发信息，当发送信标的频率较慢(即超帧长度较长)时会引入非常大的时延，导致数据帧传输的时延特性不能满足QoS要求。
而竞争空闲周期中的GTS传输方式，实质上是一种带宽预留的介质访问控制方式，网络带宽要求通常可以满足。但根据IEEE 802.15.4-2006标准规定，GTS的个数最多只有7个，且其方向(上行或下行)固定。以完成两个普通节点间的双向通信为例，则需要4个GTS时隙完成一组双向传输。若考虑到两个节点之间通信的公平性，一个超帧内最多设置一组传输，则数据只能在某一个特定GTS中发送。由此，GTS时隙本身的时长、超帧非活动周期和竞争周期的时长都会转移到数据传输的时延和时延抖动中去。
通过研究和仿真实验分析得到，在现有IEEE 802.15.4-2006标准所采用的传输方式中，只有使用非竞争周期中的GTS传输方式来传输对QoS有较高要求的语音流数据时，其时延特性可以在一定的超帧参数条件下(超帧长度较短，且没有非活动周期)能满足要求。但对于一些能量有效性较高超帧配置(超帧长度较长，有非活动周期)，往往无法完成传输语音的任务。这样，为了满足一些节点具有较高的QoS特性的要求，就必要牺牲其他无QoS要求节点的能量有效性特性。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于无线个人网的带宽预留式介质访问控制方法，对IEEE 802.15.4-2006标准中的介质访问控制协议进行改进，以提高IEEE 802.15.4-2006标准的灵活性，在保证无服务质量需求的节点高能耗有效性的前提下，提高服务质量需求节点的性能。
本发明提出的用于无线个人网的带宽预留式介质访问控制方法，包括以下各步骤：
(1)将无线个人网中服务质量需求节点上的信息库中空闲时接收机开机标志设置为真；
(2)上述服务质量需求节点在网络上层的请求下发起扩展数据传输请求，中心节点接收到该请求命令后，根据网络上层协议对扩展的传输保障时隙进行分配，将分配信息添加到待发的信标帧中，并在扩展的传输保障时隙开始时发送传输保障时隙分配命令帧；
(3)上述服务质量需求节点接收上述信标帧，若在信标帧中包含有分配给本节点的扩展的传输保障时隙信息，则该服务质量需求节点在扩展的传输保障时隙开始时等待接收传输保障时隙分配命令帧，若在连续多个信标帧以后仍未包含有分配给本节点的扩展的传输保障时隙信息，则向网络上层报告扩展数据传输请求失败；
(4)当分配给上述服务质量需求节点的扩展的传输保障时隙开始时，发起请求的服务质量需求节点与该节点数据的目的节点接收来自中心节点的传输保障时隙分配命令帧；
(5)无线个人网络中接收到上述传输保障时隙分配命令帧的所有节点，根据命令帧中的信息将传输保障时隙分成多组子时隙，并在中心节点转发的情况下根据每组子时隙规定的传输方向进行双向或单向数据传输；若进行双向数据传输，则每个子时隙组以四个子时隙为一组，每组中四个子时隙的方向分别为：发起请求节点到中心节点、中心节点到目的节点、目的节点到中心节点与中心节点到发起请求节点；若进行单向数据传输，则每个子时隙组以两个子时隙为一组，每组中两个子时隙的方向分别为：发起请求的节点到中心节点与中心节点到目的节点。
上述方法中的扩展数据传输请求命令帧的格式定义为：

媒体访问控            控制帧标识  传输保障时隙特征  子时隙长度  目的地址制层信头域
其中的传输保障时隙特征域格式为：  传输保障  传输保障  特征  是否为扩展的  是否在非活动  时隙长度  时隙方向  类型  传输保障时隙  周期传输
上述方法中的传输保障时隙分配命令帧的格式定义为：
媒体访问控              扩展的传输保            发起请求            控制帧标识               子时隙长度制层信头域              障时隙特征              节点地址
其中的扩展的传输保障时隙特征域格式为：子时隙长度  是否为双向传输
上述方法还可以包括以下步骤：
若中心节点在发送方向为发起请求节点到中心节点的子时隙中没有收到发起请求节点的数据，则中心节点在随后的子时隙结束之前发送传输保障时隙分配命令帧；当进行双向数据传输，若中心节点在发送方向为目的节点到中心节点的子时隙中没有接收到目的节点的数据，则中心节点在随后的子时隙结束之前重新发送传输保障时隙分配命令帧；当进行单向数据传输时，若中心节点发向目的节点的数据包连续三次未接收到确认帧，则中心节点在随后的一个子时隙组的第二个子时隙结束之前重新发送传输保障时隙分配命令帧。
本发明提出的用于无线个人网的带宽预留式介质访问控制方法，设计了一种在GTS中进行数据传输的新模式，并定义这种GTS为扩展的GTS(进行有QoS保障传输的GTS，以下简称EGTS)。在该模式下，中心节点可以经过较短的子时隙快速地转发给目的节点，从而降低了网络传输时延；因此在与原IEEE 802.15.4-2006标准的GTS传输中使用相同的超帧配置情况下，本发明的网络传输时延得到降低，但并不降低网络吞吐量；由于网络的时延会随着超帧配置变大而增加，所以与原IEEE 802.15.4-2006标准的GTS传输中时延相同的情况下，本发明可使用更大的超帧配置，即扩大了超帧配置范围。同时，该模式可以允许GTS传输在超帧的非活动周期中进行，以保证网络中不进行GTS传输的节点进入可以节能的非活动周期，因此在与原IEEE 802.15.4-2006标准的GTS传输中达到相同吞吐量和网络时延性能时，本发明能保证其他节点节省更多的能量。最后，该方法添加和修改各一个命令帧，实现简单，并且能与现有标准能够较好兼容。
附图说明
图1是本发明方法的时序图。
图2是本发明方法中双向传输时的EGTS分配图。
图3是本发明方法中单向传输时的EGTS分配图。
图4是本发明方法中支持扩展的GTS请求命令格式。
图5是本发明方法中支持扩展的GTS特征域格式。
图6是本发明方法中EGTS分配命令的帧格式。
图7是本发明方法中EGTS特征。
图8是IEEE 802.15.4-2006标准中GTS传输时时延抖动随着超帧长度指数变化的性能曲线。
图9是本发明方法中的EGTS传输时延抖动随着超帧活动周期指数变化的性能曲线。
具体实施方式
本发明提出的用于无线个人网的带宽预留式介质访问控制方法，其时序图如图1所示，首先将无线个人网中服务质量需求节点上的信息库中空闲时接收机开机标志设置为真，该标志设置为真后，个人网节点在没有数据传输任务时将保持接收机开启状态以接收信道中传输的信息；上述服务质量需求节点在网络上层的请求下发起扩展数据传输请求，中心节点接收到该请求命令后，根据网络上层协议对扩展的传输保障时隙进行分配，将分配信息添加到待发的信标帧中，并在扩展的传输保障时隙开始时发送传输保障时隙分配命令帧；上述服务质量需求节点接收上述信标帧，若在信标帧中包含有分配给本节点的扩展的传输保障时隙信息，则该服务质量需求节点在扩展的传输保障时隙开始时等待接收传输保障时隙分配命令帧，若在连续多个信标帧以后仍未包含有分配给本节点的扩展的传输保障时隙信息，则向网络上层报告扩展数据传输请求失败；当分配给上述服务质量需求节点的扩展的传输保障时隙开始时，发起请求的服务质量需求节点与该节点数据的目的节点接收来自中心节点的传输保障时隙分配命令帧；无线个人网络中接收到上述传输保障时隙分配命令帧的所有节点，根据命令帧中的信息将传输保障时隙分成多组子时隙，并在中心节点转发的情况下根据每组子时隙规定的传输方向进行双向或单向数据传输；若进行双向数据传输，则每个子时隙组以四个子时隙为一组，每组中四个子时隙的方向分别为：发起请求节点到中心节点、中心节点到目的节点、目的节点到中心节点与中心节点到发起请求节点；若进行单向数据传输，则每个子时隙组以两个子时隙为一组，每组中两个子时隙的方向分别为：发起请求的节点到中心节点与中心节点到目的节点。
上述扩展数据传输请求命令帧的格式定义为：媒体访问控           控制帧标识  传输保障时隙特征  子时隙长度  目的地址制层信头域
其中的传输保障时隙特征域格式为：  传输保障  传输保障  特征  是否为扩展的  是否在非活动  时隙长度  时隙方向  类型  传输保障时隙  周期传输
上述传输保障时隙分配命令帧的格式定义为：媒体访问控              扩展的传输保            发起请求           控制帧标识               子时隙长度制层信头域              障时隙特征              节点地址
其中扩展的传输保障时隙特征域格式为：子时隙长度  是否为双向传输
上述方法还可以包括：
若中心节点在发送方向为发起请求节点到中心节点的子时隙中没有收到发起请求节点的数据，则中心节点在随后的子时隙(即发送方向为中心节点到目的节点的子时隙)结束之前发送传输保障时隙分配命令帧；当进行双向数据传输，若中心节点在发送方向为目的节点到中心节点的子时隙中没有接收到目的节点的数据，则中心节点在随后的子时隙(即发送方向为中心节点到发起请求节点的子时隙)结束之前重新发送传输保障时隙分配命令帧；当进行单向数据传输时，若中心节点发向目的节点的数据包连续三次未接收到确认帧，则中心节点在随后的一个子时隙组的第二个子时隙(即发送方向为中心节点到目的节点的子时隙)结束之前重新发送传输保障时隙分配命令帧。
本发明是一种适合在传输保障时隙中进行的传输方法，该传输方法中主要分为信道分配请求和EGTS维护两个部分，以下对此两部分进行描述：
信道分配请求：服务质量需求节点(也称作请求EGTS的节点)首先使用扩展数据传输请求命令帧向中心节点申请EGTS，在该命令帧中包含有目的节点的地址。中心节点在接收到扩展数据传输请求命令后，会立即回执确认命令帧，并将携带目的节点地址等信息的扩展数据传输请求信息向邻近上层报告，且请求EGTS的方向均为下行。如果该扩展数据传输请求被上层响应，则中心节点会在信标帧格式(参见IEEE802.15.4-2006标准的相关规定)里的GTS列表域参数中给请求EGTS的节点和目的节点分配相同EGTS，并按照普通GTS的处理方式(例如IEEE802.15.4-2006标准所规定的方法，这里的普通GTS即指IEEE802.15.4-2006标准所定义的传输保障时隙)在信标帧格式中标识GTS和EGTS的分配情况。当请求EGTS的节点发现分配给本节点的EGTS后，也将在该EGTS开始前打开接收机接收。目的节点在与信标同步的过程中发现分配给自己的下行EGTS后，也将在相应EGTS开始前打开接收机接收。
中心节点在分配EGTS时应试图将EGTS放在所有普通GTS的最后，即让EGTS与非活动周期相邻。这样可以根据发起请求节点的要求决定是否在非活动周期中继续进行传输。
GTS维护：当EGTS开始时，请求EGTS的节点(节点A)和目的节点(节点B)都处于接收状态。此时EGTS中的第一个帧由中心节点(节点C)发出，该帧为EGTS分配命令帧，用于通知双方节点该传输保障时隙为EGTS，以方便节点A和节点B进行同步。
当节点A和节点B收到EGTS分配命令帧后，各自经过来算并将整个EGTS被分配为若干个子时隙组。如果该EGTS为双向传输，那么每个子时隙组以4个子时隙一组，每组中四个子时隙方向别为A—>C，C—>B，B—>C，C—>A；如果该EGTS为单向传输，那么每个子时隙组以2个子时隙一组，每组中两个子时隙方向别为A—>C，C—>B。若EGTS时间还有剩余，则继续依次按照上述顺序分配子时隙。双向传输和单向传输的EGTS分配图参见图2和图3。
如果数据传输过程中节点可能没收到EGTS分配命令帧，则规定：
(1)当进行双向数据传输时，如果在子时隙1(如图2所示)结束之后没有收到发起请求节点(A)的数据，中心节点(C)将在接下来的子时隙2结束之前重新发送传输保障时隙分配命令帧。同样地，如果中心节点(C)在子时隙3结束之后没有收到目的节点(B)的数据，也将在接下来子时隙4结束之前重新发送传输保障时隙分配命令帧。
(2)当进行单向数据传输时，如果在子时隙1(见图3所示)结束之后没有收到发起请求节点(A)的数据，中心节点(C)将在接下来的子时隙2结束之前重新发送传输保障时隙分配命令帧。如果中心节点发向目的节点的数据包连续三次没收到确认帧，中心节点将在接下来一个子时隙组的子时隙2结束之前重新发送该命令。
在一个EGTS内，节点A和节点B第一次收到EGTS分配命令帧即可进行子时隙的计算和分配，之后收到的EGTS分配命令帧将被忽略。
以下是本发明方法在IEEE 802.15.4-2006标准下的一个应用实例：
(1)对IEEE 802.15.4-2006标准中的GTS请求命令帧格式的修改。
为了能够支持EGTS，可以在802.15.4-2006标准中的GTS请求命令帧格式基础上添加了子时隙长度和目的节点的地址，修改后的GTS请求命令帧格式如图4所示。并将802.15.4-2006标准中的GTS特征域中的两个比特预留位，分别用于表示是否为扩展GTS和是否在非活动周期传输，修改后的GTS特征域格式如图5所示。
其中，子时隙长度表示扩展GTS中分配的每个子时隙长度，以退避时隙单元(aUnitBackoffPeriod)为单位。目的地址表示发出GTS请求命令的节点邀请进行通信节点的地址。是否为扩展GTS比特位表示请求的GTS命令是否为EGTS。是否在非活动周期传输比特位表示是否请求中心节点在批准GTS的同时进行节能配置。如果在GTS特征域中的是否为扩展GTS比特位设为1，其中GTS方向将被忽略。
针对与802.15.4-2006标准向后兼容性问题，作以下规定：如果节点需要发送符合IEEE 802.15.4-2006标准的GTS请求命令时，可以将支持扩展的GTS请求命令中的子时隙长度和目的地址域信息忽略。并在GTS特征域中的是否为扩展GTS比特位设为0，是否在非活动周期传输比特位设为0。
(2)对IEEE 802.15.4-2006标准中GTS显示原语进行修改。
为了将支持EGTS请求命令中的子时隙长度和目的地址通告给上层，可以在GTS显示原语中添加两项参数：发起请求节点地址和子时隙。GT8显示原语中新添参数的描述见表1。
                                  表1  名称  类型  取值范围  描述  发起请求节点地  址  节点  地址  0x0000-  0xfffd  16比特节点短地址来自己分配或已取  消一个GTS的目的节点。  子时隙  整数  0-15  表示扩展GTS中分配的每个子时隙长  度，以aUnitBackoffPeriod为单位。
(3)添加EGTS分配命令帧。
当进入已分配的EGTS时，中心节点需要通知已分配到EGTS的节点，进行EGTS传输，这时中心节点会发送EGTS分配命令帧。EGTS分配命令帧包括媒体访问控制层信头域、控制帧标识、EGTS特征、子时隙长度和发起请求节点地址五个部分，其帧格式参见图6。
a.媒体访问控制层信头域
参见IEEE 802.15.4-2006标准中对媒体访问控制层信头域的定义，这里只需要对EGTS分配命令帧中的媒体访问控制层信头域中的帧控制域、源个人网标识和源地址域进行定义。
在媒体访问控制层信头域的帧控制域中，目的地址模式子域将设为0；源地址模式子域设为2；帧控制域的帧未处理子域0，接收时忽略；确认请求子域设为0。
源个人网标识等于个人网标识符(即标准中定义的参量macPANId)，源地址域将等于节点短地址(即标准中定义的参量macShortAddress)。
b.控制帧标识：该控制帧标识为0x0a。
c.EGTS特征
EGTS特征域的格式包括两个参数：子时隙长度、是否为双向传输比特位，各占4比特和1比特，剩下部分为预留位，可以参见图7。其中子时隙长度表示分配子时隙的长度，以aUnitBackoffPeriod为单位。是否为双向传输比特位表示在EGTS中进行传输是否为两个节点之间的双向传输，1表示为双向传输，0表示为单向传输。
d.发起请求节点地址
发起请求节点地址表示发起EGTS传输节点的16比特短地址。
图8是IEEE 802.15.4-2006标准中GTS传输方法的网络时延抖动与超帧长度(其中B0决定超帧长度)之间的关系。图8中横坐标为B0，该参数可以决定超帧的长度。图8中纵坐标为时延抖动，即所有数据包的端到端时延中的最大差值。针对上述80ms时延上限，在IEEE802.15.4-2006标准中GTS传输语音时，S0和B0组合的取值范围为S0＜B0≤2。
图9是本发明EGTS传输方法的网络时延抖动与活动周期(其中S0决定活动周期长度)之间的关系。图9中横坐标为S0，该参数可以决定超帧中活动周期的长度。以对QoS有较高要求的语音数据为例，ITU.G.729和GSM标准对语音传输的网络时延抖动参数的设定为＜80ms，因此使用本发明方法传输语音时，S0和B0组合的取值范围为S0＜5，B0＜15。可以明显看出在传输具有较高QoS要求数据时，本发明的方法扩大了超证配置的范围，从而可以保证能源受限节点低能耗的前提下，提高非能源受限节点的QoS。