專(zhuān)利名稱(chēng)：面向信息--物理融合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信優(yōu)化方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信息-物理融合系統(tǒng)中信息獲取和實(shí)時(shí)通信的時(shí)隙保障機(jī)制相 關(guān)技術(shù)，尤其是針對(duì)有實(shí)施性要求較高的信息-物理融合系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)通信的時(shí)隙 保障機(jī)制(GTS)時(shí)隙性能優(yōu)化方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著國(guó)發(fā)(2010) 32號(hào)文件《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》 將物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)列為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，信息-物理融合系統(tǒng)越來(lái)越多 被應(yīng)用到社會(huì)生產(chǎn)生活中。信息-物理融合系統(tǒng)的應(yīng)用一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié) 約成本；另一方面可以為全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇提供技術(shù)動(dòng)力。信息-物理融合系統(tǒng)可以應(yīng)用于 工業(yè)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域，以及監(jiān)測(cè)和控制家庭的安全系統(tǒng)、照明、空調(diào)系統(tǒng) 和其他基礎(chǔ)設(shè)施，甚至在環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮作用。信息-物理融合系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems,簡(jiǎn)稱(chēng)CPS系統(tǒng))是一種融合計(jì)算、 通信與控制的新型復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)中計(jì)算過(guò)程和物理過(guò)程在開(kāi)放環(huán)境下持續(xù)交互、 深度融合，一體化地實(shí)現(xiàn)開(kāi)放嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)通信與遠(yuǎn)程精確控制等先進(jìn)功能。信 息-物理融合系統(tǒng)中的信息融合方法主要涉及網(wǎng)絡(luò)信息的獲取和傳輸以及融合方法的建 立。信息融合中信息可能具有不同的特征可能是實(shí)時(shí)信息，也可能是非實(shí)時(shí)信息；可能是 快變的或瞬變的，也可能是緩變的；可能是模糊的，也可能是確定的；可能是相互支持或互 補(bǔ)，也可能互相矛盾或競(jìng)爭(zhēng)。傳感器將各自獲得的信息傳至融合中心通過(guò)一定的融合算法 以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。信息融合使用的主要方法有概率論、推理網(wǎng)絡(luò)、模糊 理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，近幾十年來(lái)，隨機(jī)集理論作為傳統(tǒng)概率和集合理論相結(jié)合的一個(gè)重要 的新的數(shù)學(xué)分支，被認(rèn)為是一種系統(tǒng)的、完善的多源信息融合方法。具體有關(guān)信息融合理論 方法的介紹可以參見(jiàn)潘泉等人于2003年在《自動(dòng)化學(xué)報(bào)》上發(fā)表的論文“信息融合理論的 基本方法與進(jìn)展”；徐曉濱等人于2008年在《電子學(xué)報(bào)》上發(fā)表的論文“基于隨機(jī)集理論的 多源信息統(tǒng)一表示與建模方法”等論文。為了滿足在信息-物理融合系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的通信要 求，需要選用合適的通訊協(xié)議傳輸網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)。IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際電信聯(lián)盟制定的，適用于短距離，低功耗無(wú)線設(shè)備 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信的協(xié)議，它具有復(fù)雜度低、成本極少、功耗很小的特點(diǎn)，能在低成 本設(shè)備(固定、便攜或可移動(dòng)的)之間進(jìn)行低數(shù)據(jù)率的傳輸，傳輸距離為10米至100米。 802. 15. 4可以用于工業(yè)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域；還可以用于家庭自動(dòng)化、安全 和交互式玩具。監(jiān)測(cè)和控制家庭的安全系統(tǒng)、照明、空調(diào)系統(tǒng)和其他設(shè)施。802.15.4提供 了一個(gè)低成本的用于數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)只需在有限的時(shí)間內(nèi) 發(fā)送幾個(gè)比特的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流是異步的，并在數(shù)據(jù)等待時(shí)間上限制極小，這些因素利于電池 使用壽命的延長(zhǎng)。IEEE802. 15. 4協(xié)議的MAC子層提供了在物理層(PHY)和網(wǎng)絡(luò)更高層協(xié)議之間的接 口。可由協(xié)議器節(jié)點(diǎn)選擇兩種工作模式信標(biāo)使能、非信標(biāo)使能模式。信標(biāo)使能模式中，節(jié)點(diǎn)工作在超幀機(jī)制(如圖1)下，協(xié)調(diào)器廣播信標(biāo)幀，設(shè)備節(jié)點(diǎn)既可以在競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段(CAP)， 通過(guò)載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入/沖突避免(CSMA/CA)機(jī)制進(jìn)行信道競(jìng)爭(zhēng)，也可以在實(shí)時(shí)性要求較 高的情況下通過(guò)非競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段(CFP)在為設(shè)備節(jié)點(diǎn)分配好的保障時(shí)隙(GTS)內(nèi)無(wú)競(jìng)爭(zhēng)地 使用信道，一個(gè)超幀結(jié)構(gòu)中可以包含多個(gè)GTS，最大GTS數(shù)為7。一個(gè)GTS長(zhǎng)度也可以包含 超過(guò)一個(gè)的時(shí)隙。超幀的結(jié)構(gòu)還包括休眠期(Inactive Period)。非信標(biāo)使能模式的網(wǎng)絡(luò) 中，不存在以組播形式廣播信標(biāo)幀的節(jié)點(diǎn)，但節(jié)點(diǎn)仍可向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出信標(biāo)請(qǐng)求的命令， 此時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將以單播的形式向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)。信標(biāo)使能模式的信標(biāo)組播模式使其被 更廣泛地應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和研究中。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Sheu等人于2005在第61屆車(chē)載技術(shù)會(huì)議論文 集中發(fā)表的《基于IEEE802. 15. 4無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的自適應(yīng)IAS機(jī)制》中，提出了自適應(yīng)GTS機(jī)制 根據(jù)設(shè)備請(qǐng)求信息的反饋來(lái)確定優(yōu)先級(jí)，并且根據(jù)優(yōu)先級(jí)給設(shè)備分配相應(yīng)GTS ；Ko等人在 2007年的無(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)體系會(huì)議上發(fā)表的《基于GTS機(jī)制的新型多信標(biāo)超幀結(jié)構(gòu)在無(wú)線 個(gè)域網(wǎng)中的應(yīng)用》中，提出了一種期望GTS機(jī)制，研究了用一個(gè)多重信標(biāo)超幀結(jié)構(gòu)來(lái)解決帶 寬問(wèn)題，同時(shí)運(yùn)用期望GTS算法來(lái)解決GTS的分配問(wèn)題；Song等人在2007年的電子消費(fèi)產(chǎn) 品年會(huì)發(fā)表的《基于QoS保障實(shí)時(shí)應(yīng)用的動(dòng)態(tài)GTS分配算法》一文中提出了一種動(dòng)態(tài)分配 GTS機(jī)制中，設(shè)計(jì)了一個(gè)動(dòng)態(tài)GTS請(qǐng)求幀，該幀中包含了節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息的周期和消息大小， 當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求幀時(shí)，協(xié)調(diào)器判斷是否能處理該請(qǐng)求；劉培等人在2007年的發(fā)明專(zhuān) 利《一種時(shí)隙保障機(jī)制時(shí)隙分配方法和設(shè)備》中提出了一種共享式GTS分配方法和設(shè)備，該 方法能夠?qū)崿F(xiàn)高效、合理地分配GTS時(shí)隙資源，從而達(dá)到提高GTS利用率的目的?，F(xiàn)有的IEEE802. 15. 4協(xié)議MAC層機(jī)制是將GTS請(qǐng)求命令幀和同時(shí)期CAP階段的 數(shù)據(jù)幀置于完全相同的模式下競(jìng)爭(zhēng)信道的使用權(quán)，在這種情況下，GTS請(qǐng)求命令幀的競(jìng)爭(zhēng)成 功概率及其發(fā)送成功概率會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大而減小。除此之外，當(dāng)前GTS機(jī)制的應(yīng)用 大多時(shí)候被置于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中研究，而在樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，由于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 的特殊性，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是總線型結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，它是在總線網(wǎng)上加上分支形成的，其傳輸介質(zhì)可 有多條分支，但不形成閉合回路，也可以把它看成是星型結(jié)構(gòu)的疊加，可能會(huì)產(chǎn)生星形拓?fù)?結(jié)構(gòu)中所不存在的“GTS碰撞現(xiàn)象”。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提，提高802. 15. 4現(xiàn)有技術(shù)中GTS請(qǐng)求命 令幀的競(jìng)爭(zhēng)成功概率及其發(fā)送成功概率，提供一種時(shí)隙保障機(jī)制的性能優(yōu)化方法和設(shè)備， 并將其推廣應(yīng)用到樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明實(shí)時(shí)通信時(shí)隙保障機(jī)制優(yōu)化方法包括如下步驟
步驟101 在一個(gè)超幀持續(xù)時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備首先接收到協(xié)調(diào)器廣播的信標(biāo)幀，節(jié)點(diǎn)設(shè) 備和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成設(shè)備關(guān)聯(lián)后，進(jìn)入CAP階段；
步驟102 判斷超幀的CAP階段是否結(jié)束，如果結(jié)束，則轉(zhuǎn)入步驟106 ；否則，進(jìn)入步驟 103判斷節(jié)點(diǎn)設(shè)備緩存區(qū)的待發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)；
步驟103 判斷節(jié)點(diǎn)設(shè)備緩存區(qū)是否有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，如果有，則轉(zhuǎn)入步驟104，在 CSMA/CA機(jī)制下競(jìng)爭(zhēng)信道的使用，而后進(jìn)入到幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊；否則，轉(zhuǎn)入步驟105，進(jìn)入空閑模式；
步驟104 幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定；
步驟105 當(dāng)緩存區(qū)無(wú)數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則轉(zhuǎn)入空閑模式；
步驟106 =CAP階段結(jié)束后，進(jìn)入到超幀的CFP階段；
步驟107 節(jié)點(diǎn)設(shè)備將轉(zhuǎn)入帶碰撞避免的GTS保障時(shí)隙分配；
步驟108 判斷數(shù)據(jù)傳輸是否成功，如果成功，則轉(zhuǎn)入步驟109，；否則轉(zhuǎn)入步驟110 ；
步驟109 節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠期，等到下一個(gè)超幀的到來(lái)；
步驟110 節(jié)點(diǎn)將向協(xié)調(diào)器發(fā)出警告信息，通知“發(fā)送失敗”的消息。所述幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定的方法如下
步驟401 幀到達(dá)優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊，幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊接受兩種幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)幀和GTS 請(qǐng)求命令幀；
步驟402 初始化幀的參數(shù)NB，NB記錄嘗試接入信道的失敗次數(shù)，其初值為0，最大值為 4 ；當(dāng)幀到達(dá)時(shí)，NB初值置0 ；
步驟403 讀取到達(dá)的幀，依據(jù)幀類(lèi)型域進(jìn)行類(lèi)型判斷，如果是數(shù)據(jù)幀，則轉(zhuǎn)入步驟 404 ；如果是GTS請(qǐng)求命令幀，則轉(zhuǎn)入步驟405 ； 步驟404 對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定； 步驟405 對(duì)GTS命令幀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。所述對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定的方法如下
步驟501 :CW表示傳輸數(shù)據(jù)之前需要進(jìn)行空閑信道檢測(cè)的次數(shù)，即后退延遲時(shí)間的長(zhǎng) 度。其最小值為0，最大值為31，CW的單位為backoff，backoff為“后退周期”，設(shè)置數(shù)據(jù) 幀的CW1=3 ；BE表示后退指數(shù)，取值范圍為0-5，設(shè)置數(shù)據(jù)幀的BE1=2 ；
步驟502 在完成對(duì)CWl和BEl的參數(shù)初始設(shè)置后，節(jié)點(diǎn)設(shè)備等待下一個(gè)backoff邊緣 的來(lái)臨；
步驟503:節(jié)點(diǎn)在等待到了下一個(gè)隨機(jī)延遲邊緣的來(lái)臨后，將隨機(jī)延遲一定數(shù)量的 Backoff ；
步驟504 當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成隨機(jī)延遲后，判斷信道是否空閑，如果空閑，則轉(zhuǎn)入步驟507 ；否 則轉(zhuǎn)入步驟505 ；
步驟505 信道繁忙時(shí)，將NBl值自動(dòng)加1 ；
步驟506 判斷NBl的值是否大于最大值4，如果大于，則轉(zhuǎn)入表明幀發(fā)送失敗，否則轉(zhuǎn) 入到步驟503 ；
步驟507 信道處于空閑狀態(tài)，Cffl值減少1 ；
步驟508 判斷CWl的值是否為0，如果等于0，則轉(zhuǎn)入步驟509 ；否則，轉(zhuǎn)入步驟504 ； 步驟509 :CW1=0，則占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)幀。所述對(duì)GTS命令幀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定的方法如下
步驟601 設(shè)定GTS請(qǐng)求命令幀對(duì)應(yīng)的參數(shù)CW2為2，設(shè)置GTS請(qǐng)求命令幀BE2=0 ； 步驟602 在完成對(duì)CWl和BEl的參數(shù)初始設(shè)置后，節(jié)點(diǎn)等待下一個(gè)backoff邊緣的來(lái)
臨；
步驟603 節(jié)點(diǎn)在等待到了下一個(gè)backoff邊緣的來(lái)臨后，將隨機(jī)延遲一定數(shù)量的 Backoff ；
7步驟604:當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成隨機(jī)延遲后，判斷信道是否空閑，如果空閑，則轉(zhuǎn)入步驟607 ；否 則轉(zhuǎn)入步驟605 ；
步驟605 信道繁忙時(shí)，將NBl值自動(dòng)加1 ；
步驟606 判斷NBl的值是否大于最大值4，如果大于，則轉(zhuǎn)入表明幀發(fā)送失敗，否則轉(zhuǎn) 入到步驟603 ；
步驟607 信道處于空閑狀態(tài)，Cffl值減少1 ；
步驟608 判斷CWl的值是否為0，如果等于0，則轉(zhuǎn)入步驟609 ；否則，轉(zhuǎn)入步驟604 ； 步驟609 =Cffl=O,則占用信道發(fā)送GTS請(qǐng)求命令幀。所述帶碰撞避免的GTS保障時(shí)隙分配方法如下
步驟1101 :Device3 (即節(jié)點(diǎn)設(shè)備3)向Device2 (即節(jié)點(diǎn)設(shè)備2)節(jié)點(diǎn)發(fā)送GTS時(shí)隙分 配請(qǐng)求命令，此命令幀為GTS請(qǐng)求命令幀1 ；
步驟1102 :Device2響應(yīng)請(qǐng)求命令，為其分配相應(yīng)的保障時(shí)隙GTSl ； 步驟1103 :Device2節(jié)點(diǎn)向Devicel節(jié)點(diǎn)發(fā)送GTS請(qǐng)求命令幀2 ； 步驟1104 =Devicel (節(jié)點(diǎn)設(shè)備1)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)DeviCe2的請(qǐng)求命令，為其分配保障時(shí)隙 GTS2 ；
步驟1105 判斷是否產(chǎn)生GTS碰撞現(xiàn)象，若GTS1=GTS2，則轉(zhuǎn)入步驟1107 ；否則，轉(zhuǎn)入步 驟 1106 ；
步驟1106 若GTSl和GTS2分配的信息不同，則表明此時(shí)不會(huì)發(fā)生GTS碰撞，那么 Device2和DeviCe3節(jié)點(diǎn)在各自申請(qǐng)到的GTS時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)；
步驟1107 如果GTS1=GTS2，即發(fā)生了 GTS碰撞現(xiàn)象，進(jìn)而判斷CAP階段是否結(jié)束，如果 結(jié)束，則轉(zhuǎn)入步驟1109 ；否則，轉(zhuǎn)入步驟1108 ；
步驟1108 =CAP階段未結(jié)束，Device2重新向Devicel節(jié)點(diǎn)發(fā)起GTS請(qǐng)求命令幀3 ； 步驟1109 =CAP階段已結(jié)束，Device〗將放棄發(fā)送數(shù)據(jù)幀的動(dòng)作，即放棄在第一次申 請(qǐng)到的GTS2保障時(shí)隙內(nèi)向Devicel發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而只是接收由DeviCe3發(fā)給它的數(shù)據(jù)幀； Device2將在下一個(gè)超幀中向它的協(xié)調(diào)器Devicel重新發(fā)送GTS請(qǐng)求命令。GTS機(jī)制性能優(yōu)化設(shè)備包括如下兩個(gè)模塊
(1)幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊，用于對(duì)GTS請(qǐng)求命令幀和數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)區(qū)別設(shè)置，提高GTS 請(qǐng)求過(guò)程中的幀發(fā)送成功概率；
(2)碰撞避免分配模塊，用于有效解決GTS分配過(guò)程中產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題，提高網(wǎng)絡(luò)整體 性能。本發(fā)明中實(shí)時(shí)通信優(yōu)化方法，主要針對(duì)實(shí)時(shí)通信中的時(shí)隙保障機(jī)制(GTS)進(jìn)行性 能優(yōu)化，通過(guò)下述步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)
節(jié)點(diǎn)設(shè)備接受協(xié)調(diào)器廣播的信標(biāo)幀，和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成設(shè)備關(guān)聯(lián)，進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段 (CAP),為GTS請(qǐng)求命令幀設(shè)置較高的優(yōu)先級(jí)，通過(guò)改變幀優(yōu)先級(jí)提高GTS請(qǐng)求命令幀的發(fā) 送成功概率，從而提高了非競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段(CFP)階段的GTS分配性能。具體地說(shuō)，本發(fā)明所述的設(shè)備由CC2430芯片及其外圍電路組成，其中外圍電路由 晶振電路、電源退藕和濾波、穩(wěn)壓器、偏置電阻器、射頻輸入/輸出匹配電路及復(fù)位電路六 部分組成。所述的外圍電路晶振電路、電源退藕和濾波、穩(wěn)壓器、偏置電阻器、射頻輸入/輸 出匹配電路及復(fù)位電路分別連接到CC2430芯片。
晶振電路包括了主晶振電路和備選晶振電路，備選晶振電路在CC2430芯片處 于低功耗應(yīng)用時(shí)休眠模式使用。退藕和濾波電路實(shí)現(xiàn)電路的退藕和濾波。偏置電阻器為 CC2430芯片的晶體振蕩器設(shè)置精密偏置電流和為RF的基準(zhǔn)電流發(fā)生器提供精確電阻。復(fù) 位電路實(shí)現(xiàn)芯片的上電復(fù)位以及按鍵復(fù)位。本發(fā)明首先通過(guò)提高GTS請(qǐng)求命令幀申請(qǐng)概率，提高了 GTS分配性能，在GTS分配 階段，通過(guò)解決碰撞問(wèn)題，再次提高了 GTS機(jī)制的表現(xiàn)性能，最終提高了 GTS利用率。滿足 了實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用。
圖1是節(jié)點(diǎn)設(shè)備超幀機(jī)制工作流程。圖2是使能模式下超幀CAP階段數(shù)據(jù)傳輸模型。圖3是使能模式下超幀CFP階段數(shù)據(jù)傳輸模型。圖4是CAP階段幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定總流程。圖5是數(shù)據(jù)幀參數(shù)設(shè)定流程。圖6是GTS請(qǐng)求命令幀參數(shù)設(shè)定流程。圖7是有無(wú)優(yōu)先級(jí)設(shè)置下幀發(fā)送成功概率對(duì)比圖。圖8是有無(wú)優(yōu)先級(jí)設(shè)置下網(wǎng)絡(luò)能量消耗對(duì)比。圖9是樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。圖10是GTS碰撞現(xiàn)象。圖11是帶碰撞避免的GTS保障時(shí)隙分配模塊流程圖。圖12是GTS請(qǐng)求命令幀1、2及GTS特征域字段。圖13是GTS請(qǐng)求命令幀3的特征域字段。圖14是GTS性能優(yōu)化設(shè)備框圖。圖15是GTS性能優(yōu)化設(shè)備。圖16是MAC協(xié)議模型。圖17是核心硬件應(yīng)用電路原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。圖1為節(jié)點(diǎn)設(shè)備超幀機(jī)制工作流程，該流程包括以下步驟
步驟101 在一個(gè)超幀持續(xù)時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備首先接收到協(xié)調(diào)器廣播的信標(biāo)幀，和協(xié)調(diào) 器節(jié)點(diǎn)完成設(shè)備關(guān)聯(lián)后，進(jìn)入CAP階段。步驟102 判斷超幀的CAP階段是否結(jié)束，如果結(jié)束，則轉(zhuǎn)入步驟106 ；否則，進(jìn)入 步驟103判斷節(jié)點(diǎn)設(shè)備緩存區(qū)的待發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。步驟103 判斷節(jié)點(diǎn)設(shè)備緩存區(qū)是否有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，如果有，則轉(zhuǎn)入步驟104，在 CSMA/CA機(jī)制下競(jìng)爭(zhēng)信道的使用，而后進(jìn)入到幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊；否則，轉(zhuǎn)入步驟105，進(jìn)入 空閑模式。步驟104 幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊。本模塊的詳細(xì)流程見(jiàn)圖4。步驟105 當(dāng)緩存區(qū)無(wú)數(shù)據(jù)需要發(fā)送，為了節(jié)省能量節(jié)點(diǎn)則轉(zhuǎn)入空閑模式。
步驟106 =CAP階段結(jié)束后，進(jìn)入到超幀的CFP階段。步驟107 對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)設(shè)備將在申請(qǐng)到的GTS保障時(shí)隙內(nèi)進(jìn) 行無(wú)信道競(jìng)爭(zhēng)的數(shù)據(jù)傳輸方式。此時(shí)，為了避免特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下GTS碰撞現(xiàn)象的發(fā)生，節(jié)點(diǎn) 將轉(zhuǎn)入帶碰撞避免的GTS保障時(shí)隙分配模塊。本模塊的詳細(xì)流程見(jiàn)圖11。步驟108 判斷數(shù)據(jù)傳輸是否成功，如果成功，則轉(zhuǎn)入步驟109，；否則轉(zhuǎn)入步驟 110。步驟109 節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠期，等到下一個(gè)超幀的到來(lái)。步驟110 節(jié)點(diǎn)將向協(xié)調(diào)器發(fā)出警告信息，通知“發(fā)送失敗”的消息。圖2是信標(biāo)使能模式下超幀機(jī)制CAP階段的數(shù)據(jù)傳輸模型。在CAP階段的數(shù)據(jù)傳 輸是基于CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先向子節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)幀，而后設(shè)備節(jié)點(diǎn)在信 道競(jìng)爭(zhēng)模式下向協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)幀，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在收到數(shù)據(jù)幀時(shí)向設(shè)備節(jié)點(diǎn)回復(fù)確認(rèn)幀， 也可以不回復(fù)。圖3是信標(biāo)使能模式下超幀機(jī)制CFP階段節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸模型。在CFP階段的數(shù) 據(jù)傳輸是基于GTS非競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的，設(shè)備節(jié)點(diǎn)若想以此機(jī)制傳輸數(shù)據(jù)，首先要向協(xié)調(diào)器發(fā)出 GTS請(qǐng)求命令，而后在下一個(gè)超幀的CAP階段，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求命令后，分配相應(yīng)的時(shí) 隙起始時(shí)間和時(shí)隙數(shù)給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)，并將包含了此類(lèi)消息的信息包含在信標(biāo)幀中，向請(qǐng)求節(jié) 點(diǎn)廣播。請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)收到包含了 GTS分配信息的信標(biāo)幀后，在此超幀的后續(xù)CFP階段，在為其 分配好的專(zhuān)屬時(shí)隙內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)，是一種非信道競(jìng)爭(zhēng)模式的數(shù)據(jù)傳輸。GTS請(qǐng)求命令的數(shù)目取決于設(shè)備節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送給PAN協(xié)調(diào)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀的數(shù) 目。由于GTS請(qǐng)求命令幀是在基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的CAP階段進(jìn)行的，競(jìng)爭(zhēng)的存在致使GTS請(qǐng)求 命令幀會(huì)出現(xiàn)丟失的情況。因而，CFP階段GTS機(jī)制配置的性能取決于CAP階段協(xié)調(diào)器成 功接收到的GTS請(qǐng)求的數(shù)目?；谏鲜隼碚摚岢隽艘环N基于優(yōu)先級(jí)的幀設(shè)定方法，其工作 流程見(jiàn)圖4。圖4是幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊的工作總流程，對(duì)于通過(guò)載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入/沖突避 免(CSMA/CA)機(jī)制來(lái)說(shuō)，有三個(gè)重要的參數(shù)用于度量節(jié)點(diǎn)接入信道這一過(guò)程后退次數(shù) (Number of backoffs, NB)、傳輸數(shù)據(jù)之前需要進(jìn)行空閑信道檢測(cè)的次數(shù)(Content Window Length, CW)、后退指數(shù)(Backoff Exponent, BE)。其工作流程如下
步驟401 幀到達(dá)優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊，幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊接受兩種幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)幀和GTS 請(qǐng)求命令幀。步驟402 初始化幀的參數(shù)NB。NB記錄嘗試接入信道的失敗次數(shù)，其初值為0，最 大值為4。當(dāng)幀到達(dá)時(shí)，NB初值置0。步驟403 讀取到達(dá)的幀，依據(jù)幀類(lèi)型域進(jìn)行類(lèi)型判斷，如果是數(shù)據(jù)幀，則轉(zhuǎn)入步 驟404 ；如果是GTS請(qǐng)求命令幀，則轉(zhuǎn)入步驟405。步驟404 對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，參數(shù)設(shè)定的詳細(xì)流程見(jiàn)圖5。步驟405 對(duì)GTS命令幀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，參數(shù)設(shè)定的詳細(xì)流程見(jiàn)圖6。圖5是數(shù)據(jù)幀參數(shù)設(shè)定流程。其設(shè)定流程如下
步驟501 :CW表示傳輸數(shù)據(jù)之前需要進(jìn)行空閑信道檢測(cè)的次數(shù)，Cff的單位為backoff， 最大值為31，設(shè)置數(shù)據(jù)幀的CW1=3。BE表示后退指數(shù)，取值范圍為0-5，在電池充足的情況 下，BE=macMinBE，設(shè)置數(shù)據(jù)幀的BE1=2。
步驟502 在完成對(duì)CWl和BEl的參數(shù)初始設(shè)置后，節(jié)點(diǎn)等待下一個(gè)backoff邊緣 的來(lái)臨。步驟503 節(jié)點(diǎn)在等待到了下一個(gè)backoff邊緣的來(lái)臨后，將隨機(jī)延遲一定數(shù)量的 Backoff，與可能正在占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)的某節(jié)點(diǎn)避免碰撞。步驟504 當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成隨機(jī)延遲(Backoff)后，判斷信道是否空閑，如果空閑，則轉(zhuǎn) 入步驟507 ；否則轉(zhuǎn)入步驟505。步驟505 信道繁忙時(shí)，將NBl值自動(dòng)加1。步驟506 判斷NBl的值是否大于最大值4，如果大于，則轉(zhuǎn)入表明幀發(fā)送失敗，否 則轉(zhuǎn)入到步驟503。步驟507 信道處于空閑狀態(tài)，Cffl值減少1。步驟508 判斷CWl的值是否為0，如果等于0，則轉(zhuǎn)入步驟509，；否則，轉(zhuǎn)入步驟 504。步驟509 :CW1=0，則占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)幀。圖6是GTS請(qǐng)求命令幀的參數(shù)設(shè)置流程。其設(shè)置流程如下
步驟601 設(shè)定GTS請(qǐng)求命令幀對(duì)應(yīng)的參數(shù)CW2為2，對(duì)比圖5中的步驟501，令 CWDCW2，其目的在于增加數(shù)據(jù)幀發(fā)送前的空閑信道檢測(cè)的次數(shù)，減小數(shù)據(jù)幀的發(fā)送概率。 設(shè)置GTS請(qǐng)求命令幀BE2=0，對(duì)比圖5步驟502，令BEDBE2，其目的在于增加節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù) 幀的平均延時(shí)，從而進(jìn)一步減小其進(jìn)入信道的概率。步驟602—步驟609，與圖5對(duì)應(yīng)的步驟(步驟502—步驟509)相同。步驟602 在完成對(duì)CWl和BEl的參數(shù)初始設(shè)置后，節(jié)點(diǎn)等待下一個(gè)backoff邊緣 的來(lái)臨。步驟603 節(jié)點(diǎn)在等待到了下一個(gè)backoff邊緣的來(lái)臨后，將隨機(jī)延遲一定數(shù)量的 Backoff，與可能正在占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)的某節(jié)點(diǎn)避免碰撞。步驟604 當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成隨機(jī)延遲(Backoff)后，判斷信道是否空閑，如果空閑，則轉(zhuǎn) 入步驟607 ；否則轉(zhuǎn)入步驟605。步驟605 信道繁忙時(shí)，將NBl值自動(dòng)加1。步驟606 判斷NBl的值是否大于最大值4，如果大于，則轉(zhuǎn)入表明幀發(fā)送失敗，否 則轉(zhuǎn)入到步驟603。步驟607 信道處于空閑狀態(tài)，Cffl值減少1。步驟608 判斷CWl的值是否為0，如果等于0，則轉(zhuǎn)入步驟609，；否則，轉(zhuǎn)入步驟 604。步驟609 =Cffl=O,則占用信道發(fā)送GTS請(qǐng)求命令幀。圖7是幀發(fā)送成功概率對(duì)比曲線圖，其中實(shí)線表示的是GTS請(qǐng)求命令幀發(fā)送成功 的概率，虛線為數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功概率。曲線Cl為存在優(yōu)先級(jí)差別時(shí)，命令幀發(fā)送成功概率， 對(duì)比曲線C2無(wú)優(yōu)先級(jí)差別的情況，GTS請(qǐng)求命令幀的發(fā)送成功概率隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的加大， 一直保持在90%以上的概率。遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于存在優(yōu)先級(jí)差別時(shí)的數(shù)據(jù)幀(即曲線Dl)的發(fā)送概率。圖8是網(wǎng)路能量消耗對(duì)比圖，其中曲線L2為優(yōu)先級(jí)場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò)能耗情況，對(duì)比Li， 可以看出設(shè)置幀優(yōu)先級(jí)可以減小網(wǎng)絡(luò)能耗，提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。
圖9是樹(shù)狀拓?fù)鋱D。其中PAN協(xié)調(diào)器作為中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)組播信 標(biāo)幀等信息，其余節(jié)點(diǎn)沿著拓?fù)渚€路，向中心PAN節(jié)點(diǎn)傳送信息，或與非PAN節(jié)點(diǎn)之間互相 傳輸信息。GTS的性能大多情況都是置于星型拓?fù)淝榫跋卵芯康模邳c(diǎn)對(duì)點(diǎn)多跳樹(shù)狀拓 撲網(wǎng)絡(luò)中，由于一個(gè)節(jié)點(diǎn)既可能是其它設(shè)備的子節(jié)點(diǎn)，又可能成為另一設(shè)備的協(xié)調(diào)器，如圖 9中的節(jié)點(diǎn)Device2。在這種情況下，Device2可能出現(xiàn)同時(shí)扮演分配GTS和申請(qǐng)GTS的雙 重角色，當(dāng)Device〗所申請(qǐng)的GTS保障時(shí)隙和被分配的保障時(shí)隙重疊時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)GTS碰撞 的問(wèn)題，見(jiàn)圖10。圖10是GTS碰撞現(xiàn)象圖。GTS的碰撞現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的下降和802. 15. 4協(xié) 議的失效。為了避免GTS碰撞的產(chǎn)生，一個(gè)既存在協(xié)調(diào)器又有它的子設(shè)備的節(jié)點(diǎn)(Devicd) 是能起到調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。圖11為帶碰撞避免的GTS保障時(shí)隙分配模塊的流程圖，其詳細(xì)流程如下
步驟1101 :Device3向Device2節(jié)點(diǎn)發(fā)送GTS時(shí)隙分配請(qǐng)求命令，此命令幀為GTS請(qǐng) 求命令幀1。步驟1102 :Device2響應(yīng)請(qǐng)求命令，為其分配相應(yīng)的保障時(shí)隙GTSl。步驟1103 :Device2節(jié)點(diǎn)向Devicel節(jié)點(diǎn)發(fā)送GTS請(qǐng)求命令幀2，希望得到Devicel 為其分配的保障時(shí)隙GTS2。步驟1101和步驟1103中的GTS請(qǐng)求命令幀格式見(jiàn)圖12。步驟1104 =Devicel節(jié)點(diǎn)響應(yīng)DeviCe2的請(qǐng)求命令，為其分配保障時(shí)隙GTS2。步驟1105 判斷是否產(chǎn)生GTS碰撞現(xiàn)象，若GTS1=GTS2，則轉(zhuǎn)入步驟1107 ；否則，轉(zhuǎn) 入步驟1106。步驟1106 若GTSl和GTS2分配的信息不同，則表明此時(shí)不會(huì)發(fā)生GTS碰撞，那么 Device2和DeviCe3節(jié)點(diǎn)在各自申請(qǐng)到的GTS時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。步驟1107 如果GTS1=GTS2，即發(fā)生了 GTS碰撞現(xiàn)象，進(jìn)而判斷CAP階段是否結(jié)束， 如果結(jié)束，則轉(zhuǎn)入步驟1109，；否則，轉(zhuǎn)入步驟1108。步驟1108 :CAP階段未結(jié)束，DeviCe2重新向Devicel節(jié)點(diǎn)發(fā)起GTS請(qǐng)求命令幀3， 其格式見(jiàn)圖13。步驟1109 =CAP階段已結(jié)束，為了避免碰撞的產(chǎn)生，Device2將放棄發(fā)送數(shù)據(jù)幀的 動(dòng)作，即放棄在第一次申請(qǐng)到的GTS2保障時(shí)隙內(nèi)向Devicel發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而只是接收由 DeviCe3發(fā)給它的數(shù)據(jù)幀。DeviCe2將在下一個(gè)超幀中向它的協(xié)調(diào)器Devicel重新發(fā)送GTS 請(qǐng)求命令。圖12是GTS請(qǐng)求命令幀1、2及GTS特征域字段示意圖，其中，GTS請(qǐng)求命令幀的 GTS特征信息域包含了包括GTS所占時(shí)隙的長(zhǎng)度、GTS方向、特征類(lèi)型和保留位等信息。圖13是GTS請(qǐng)求命令幀3的特征域字段示意圖，其中包含了之前的請(qǐng)求幀中所沒(méi) 有的信息，即DeViCe2為DeviCe3節(jié)點(diǎn)已分配的保障時(shí)隙GTSl信息，Devicel在收到請(qǐng)求 命令后，會(huì)為Device〗分配與GTSl不沖突的保障時(shí)隙，GTS碰撞問(wèn)題成功解決。圖14是本發(fā)明設(shè)備實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，如圖14所示，該設(shè)備包括兩個(gè)優(yōu)化模塊
(1)幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊。用于區(qū)別GTS請(qǐng)求命令幀和數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，提高GTS請(qǐng)求命 令幀的發(fā)送成功概率；
(2)帶碰撞避免的GTS保障時(shí)隙分配模塊。用于有效解決樹(shù)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中GTS分配過(guò)程中產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題，提高網(wǎng)絡(luò)整體性能。圖15為本實(shí)施例所述的GTS性能優(yōu)化電路示意圖，其核心硬件是采用TI公司的 CC2430-F32芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊是在超幀結(jié)構(gòu)的CAP階段完成的，CAP階段的兩種幀進(jìn)入信道 以及參數(shù)設(shè)定流程是在CSMA/CA算法控制下完成的，CC2430內(nèi)部擁有一個(gè)CSMA/CA協(xié)處理 器，它為CPU和無(wú)線模塊之間提供了控制接口 ；CC2430內(nèi)部存在一個(gè)16位的MAC定時(shí)器， 用來(lái)為CSMA/CA算法提供定時(shí)；CSMA/CA協(xié)處理器的程序執(zhí)行模式與MAC定時(shí)器配合，允許 協(xié)處理器自動(dòng)進(jìn)行CSMA/CA算法執(zhí)行。程序執(zhí)行模式的執(zhí)行需要CPU將程序存儲(chǔ)器或指令 內(nèi)存中的程序段下載到CSMA/CA協(xié)調(diào)器中，再由CPU通知協(xié)調(diào)器去執(zhí)行具體的程序段。帶碰撞避免的GTS保障時(shí)隙分配模塊的實(shí)現(xiàn)基于協(xié)議棧模型的MAC層，CC2430芯 片內(nèi)部的8051CPU內(nèi)核處理器可以作為處理模塊實(shí)現(xiàn)MAC層功能。本模塊中提出的GTS請(qǐng) 求信息是以MAC層請(qǐng)求命令幀的形式實(shí)現(xiàn)，GTS分配信息被包含在PAN協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)向設(shè)備 節(jié)點(diǎn)廣播的超幀結(jié)構(gòu)的信標(biāo)幀中。圖16為MAC層協(xié)議的參考模型，在概念上，MAC層包括一個(gè)稱(chēng)之為MLME的MAC層 管理實(shí)體，這個(gè)實(shí)體通過(guò)調(diào)用層管理功能模塊來(lái)提供服務(wù)接口 ；MAC層還包括一個(gè)稱(chēng)之為 MCPS的數(shù)據(jù)實(shí)體，通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)在上層和MAC之間傳輸數(shù)據(jù)命令，提供數(shù)據(jù)服務(wù)。MLME服務(wù)接入點(diǎn)支持GTS管理原語(yǔ)MLME-GTS，其定義了 GTS的請(qǐng)求和維護(hù)，GTS性 能優(yōu)化方法中設(shè)備節(jié)點(diǎn)向PAN協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出GTS請(qǐng)求命令是通過(guò)MLME-GTS. request原 語(yǔ)實(shí)現(xiàn)的；PAN協(xié)調(diào)器在收到GTS請(qǐng)求命令后，為設(shè)備節(jié)點(diǎn)分配GTS保障時(shí)隙，是通過(guò)廣播 信標(biāo)幀實(shí)現(xiàn)，MAC層管理實(shí)體MLME提供MLME-START原語(yǔ)來(lái)完成信標(biāo)幀的發(fā)送。此外，由于IEEE802. 15. 4協(xié)議棧只能實(shí)現(xiàn)基本的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，而帶碰撞避免?GTS保障時(shí)隙分配模塊中涉及到的樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要協(xié)議棧上層即網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議來(lái)定義和實(shí) 現(xiàn)。圖17為本實(shí)施例所使用的核心硬件應(yīng)用電路原理圖，其主要由CC2430芯片及其 外圍電路組成，其中外圍電路由晶振電路、電源退藕和濾波、穩(wěn)壓器、偏置電阻器、射頻輸入 /輸出匹配電路及復(fù)位電路六部分組成。晶振電路包括了主晶振電路和備選晶振電路。其中主晶振電路由32MHz晶振Yl 和負(fù)載電阻器C1、C2共同組成，晶振Yl的一端和CC2430的X0SC_Q1端口相連，并通過(guò)負(fù)載 電阻器C2接地，晶振的另一端和CC2430芯片X0SC_Q2端口相連，并通過(guò)負(fù)載電阻器Cl接 地；備選晶振電路在CC2430芯片處于低功耗應(yīng)用時(shí)休眠模式使用，由32. 768KHz晶振Y2與 負(fù)載電阻器C3、C4構(gòu)成，晶振Y2的一端連接至CC2430芯片的P2_3/X0SC_Q1端口，并通過(guò) C3接地，另一端和芯片的P2_4/X0SC_Q2端口相連，通過(guò)負(fù)載電阻器C4接地。退藕和濾波電路包括了由電容C7、C8、C9和Cll、C12、C13、C14組成的兩部分并 聯(lián)電路。其中，3. 3V外部電源通過(guò)電容C7、C8、C9組成的并聯(lián)電路濾波后，與CC2430芯片 的AVDD_DREG、DVDD、AVDD_SOC、AVDD_RREG端口相連，為芯片提供3. 3V工作電壓；并聯(lián)的電 容C7、C8、C9實(shí)現(xiàn)退藕和濾波對(duì)工作于1. 8V的電源的CC2430芯片的引腳AVDD_IF1、AVDD_ CHP、VC0_GUARD、AVDD_VC0、AVDD_PRE、AVDD_PF1、AVDD_SW、AVDD_RF2、AVDD_IF2、AVDD_ADC、 DVDD_ADC、AVDD_DGUARD，CC2430芯片通過(guò)RREG_0UT引腳為上述芯片引腳提供1. 8V工作電壓，并通過(guò)并聯(lián)的Cll、C12、C13、C14實(shí)現(xiàn)電源的退藕和濾波。電容器C5、C6 一端接地，另 一端分別和CC2430芯片的DC0UPL、RREG_0UT端口相連，起到保證片上穩(wěn)壓器穩(wěn)定運(yùn)行的作用。偏置電阻器包括電阻Rl和R2，其中，Rl和芯片RBLASl端口相連接，用于為32MHz 晶體振蕩器設(shè)置精密偏置電流；R2連接芯片RBLAS2端口，用于RF的基準(zhǔn)電流發(fā)生器，提供 精確電阻。連接至芯片端口 RF_P、TXRX_SWITCH、RF_N所組成的電路為射頻輸入/輸出匹配電 路，整個(gè)射頻輸入/輸出匹配電路包含三個(gè)部分包含Ll和L3的阻抗匹配模塊、L2為射頻 模塊和由ClO組成的直流偏置模塊。除了上述四個(gè)獨(dú)立的元件外，為了確保射頻信號(hào)的相 位正確，在設(shè)計(jì)中采用1/2波長(zhǎng)傳輸線和70 Ω 23°傳輸線，用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。復(fù)位電路由按鍵Si、電容C15及電阻R3、R4組成，按鍵Si、電容C15并聯(lián)，一端接 地，另一端與電阻R3、R4連接，電阻R3的另一端連接電源，電阻R4的另一端連接到芯片 CC2430的RESET_N端口，實(shí)現(xiàn)芯片的上電復(fù)位以及按鍵復(fù)位；剩余未連接的CC2430引腳作 為21個(gè)可編程I/O 口預(yù)留引腳，通過(guò)軟件設(shè)定SFR寄存器的位和字節(jié)，可使I/O引腳作為 通常的I/O 口或連接外圍設(shè)備使用。CC2430內(nèi)部的CSMA/CA協(xié)處理器通過(guò)SFR寄存器以 及RF寄存器與芯片內(nèi)部的8051CPU聯(lián)系，CSMA/CA協(xié)處理器向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。此夕卜， CSMA/CA協(xié)處理器與CC2430內(nèi)部MAC計(jì)數(shù)器聯(lián)系，接收MAC計(jì)數(shù)器的溢出事件。
權(quán)利要求
1.一種面向信息一物理融合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信優(yōu)化方法，其特征在于包括如下步驟 步驟101 在一個(gè)超幀持續(xù)時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備首先接收到協(xié)調(diào)器廣播的信標(biāo)幀，節(jié)點(diǎn)設(shè)備和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成設(shè)備關(guān)聯(lián)后，進(jìn)入CAP階段；步驟102 判斷超幀的CAP階段是否結(jié)束，如果結(jié)束，則轉(zhuǎn)入步驟106 ；否則，進(jìn)入步驟 103判斷節(jié)點(diǎn)設(shè)備緩存區(qū)的待發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)；步驟103 判斷節(jié)點(diǎn)設(shè)備緩存區(qū)是否有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，如果有，則轉(zhuǎn)入步驟104，在 CSMA/CA機(jī)制下競(jìng)爭(zhēng)信道的使用，而后進(jìn)入到幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊；否則，轉(zhuǎn)入步驟105，進(jìn)入 空閑模式；步驟104 幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定；步驟105 當(dāng)緩存區(qū)無(wú)數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則轉(zhuǎn)入空閑模式；步驟106 =CAP階段結(jié)束后，進(jìn)入到超幀的CFP階段；步驟107 節(jié)點(diǎn)設(shè)備將轉(zhuǎn)入帶碰撞避免的GTS保障時(shí)隙分配；步驟108 判斷數(shù)據(jù)傳輸是否成功，如果成功，則轉(zhuǎn)入步驟109，；否則轉(zhuǎn)入步驟110 ；步驟109 節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠期，等到下一個(gè)超幀的到來(lái)；步驟110 節(jié)點(diǎn)將向協(xié)調(diào)器發(fā)出警告信息，通知“發(fā)送失敗”的消息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于所述幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定的方法如下 步驟401 幀到達(dá)優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊，幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊接受兩種幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)幀和GTS請(qǐng)求命令幀；步驟402 初始化幀的參數(shù)NB，NB記錄嘗試接入信道的失敗次數(shù)，其初值為0，最大值為 4 ；當(dāng)幀到達(dá)時(shí)，NB初值置0 ；步驟403 讀取到達(dá)的幀，依據(jù)幀類(lèi)型域進(jìn)行類(lèi)型判斷，如果是數(shù)據(jù)幀，則轉(zhuǎn)入步驟 404 ；如果是GTS請(qǐng)求命令幀，則轉(zhuǎn)入步驟405 ； 步驟404 對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定； 步驟405 對(duì)GTS命令幀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的優(yōu)化方法，其特征在于所述對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定的方法如下步驟501 :CW表示傳輸數(shù)據(jù)之前需要進(jìn)行空閑信道檢測(cè)的次數(shù)，即后退延遲時(shí)間的長(zhǎng) 度，其最小值為0，最大值為31，CW以backoff為單位，backoff稱(chēng)為“后退周期”，設(shè)置數(shù)據(jù) 幀的CW1=3 ；BE表示后退指數(shù)，取值范圍為0-5，設(shè)置數(shù)據(jù)幀的BE1=2 ；步驟502 在完成對(duì)CWl和BEl的參數(shù)初始設(shè)置后，節(jié)點(diǎn)設(shè)備等待下一個(gè)backoff邊緣 的來(lái)臨；步驟503:節(jié)點(diǎn)設(shè)備在等待到了下一個(gè)隨機(jī)延遲邊緣的來(lái)臨后，將隨機(jī)延遲一定數(shù)量 的 Backoff ；步驟504:當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成隨機(jī)延遲后，判斷信道是否空閑，如果空閑，則轉(zhuǎn)入步驟507 ；否 則轉(zhuǎn)入步驟505 ；步驟505 信道繁忙時(shí)，將NBl值自動(dòng)加1 ；步驟506 判斷NBl的值是否大于最大值4，如果大于，則轉(zhuǎn)入表明幀發(fā)送失敗，否則轉(zhuǎn) 入到步驟503 ；步驟507 信道處于空閑狀態(tài)，Cffl值減少1 ；步驟508 判斷CWl的值是否為0，如果等于0，則轉(zhuǎn)入步驟509 ；否則，轉(zhuǎn)入步驟504 ； 步驟509 :CW1=0，則占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)幀。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的優(yōu)化方法，其特征在于所述對(duì)GTS命令幀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定的方 法如下步驟601 設(shè)定GTS請(qǐng)求命令幀對(duì)應(yīng)的參數(shù)CW2為2，設(shè)置GTS請(qǐng)求命令幀BE2=0 ； 步驟602 在完成對(duì)CWl和BEl的參數(shù)初始設(shè)置后，節(jié)點(diǎn)等待下一個(gè)backoff邊緣的來(lái)臨；步驟603 節(jié)點(diǎn)在等待到了下一個(gè)backoff邊緣的來(lái)臨后，將隨機(jī)延遲一定數(shù)量的 Backoff ；步驟604 當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成隨機(jī)延遲后，判斷信道是否空閑，如果空閑，則轉(zhuǎn)入步驟607 ；否 則轉(zhuǎn)入步驟605 ；步驟605 信道繁忙時(shí)，將NBl值自動(dòng)加1 ；步驟606 判斷NBl的值是否大于最大值4，如果大于，則轉(zhuǎn)入表明幀發(fā)送失敗，否則轉(zhuǎn) 入到步驟603 ；步驟607 信道處于空閑狀態(tài)，Cffl值減少1 ；步驟608 判斷CWl的值是否為0，如果等于0，則轉(zhuǎn)入步驟609 ；否則，轉(zhuǎn)入步驟604 ； 步驟609 =Cffl=O,則占用信道發(fā)送GTS請(qǐng)求命令幀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于所述帶碰撞避免的GTS保障時(shí)隙分配 方法如下步驟1101 :Device3 (即節(jié)點(diǎn)設(shè)備3)向Device2 (即節(jié)點(diǎn)設(shè)備2)節(jié)點(diǎn)發(fā)送GTS時(shí)隙分 配請(qǐng)求命令，此命令幀為GTS請(qǐng)求命令幀1 ；步驟1102 :Device2響應(yīng)請(qǐng)求命令，為其分配相應(yīng)的保障時(shí)隙GTSl ； 步驟1103 :Device2節(jié)點(diǎn)向Devicel節(jié)點(diǎn)發(fā)送GTS請(qǐng)求命令幀2 ； 步驟1104 =Devicel節(jié)點(diǎn)響應(yīng)Device2的請(qǐng)求命令，為其分配保障時(shí)隙GTS2 ； 步驟1105 判斷是否產(chǎn)生GTS碰撞現(xiàn)象，若GTS1=GTS2，則轉(zhuǎn)入步驟1107 ；否則，轉(zhuǎn)入步 驟 1106 ；步驟1106 若GTSl和GTS2分配的信息不同，則表明此時(shí)不會(huì)發(fā)生GTS碰撞，那么 Device2和DeviCe3節(jié)點(diǎn)在各自申請(qǐng)到的GTS時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)；步驟1107 如果GTS1=GTS2，即發(fā)生了 GTS碰撞現(xiàn)象，進(jìn)而判斷CAP階段是否結(jié)束，如果 結(jié)束，則轉(zhuǎn)入步驟1109 ；否則，轉(zhuǎn)入步驟1108 ；步驟1108 =CAP階段未結(jié)束，Device2重新向Devicel節(jié)點(diǎn)發(fā)起GTS請(qǐng)求命令幀3 ； 步驟1109 =CAP階段已結(jié)束，Device〗將放棄發(fā)送數(shù)據(jù)幀的動(dòng)作，即放棄在第一次申 請(qǐng)到的GTS2保障時(shí)隙內(nèi)向Devicel發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而只是接收由DeviCe3發(fā)給它的數(shù)據(jù)幀； Device2將在下一個(gè)超幀中向它的協(xié)調(diào)器Devicel重新發(fā)送GTS請(qǐng)求命令。
6.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的方法的設(shè)備，其特征是由CC2430芯片、晶振電路、電源退 藕和濾波、穩(wěn)壓器、偏置電阻器、射頻輸入/輸出匹配電路及復(fù)位電路組成；晶振電路、電源 退藕和濾波、穩(wěn)壓器、偏置電阻器、射頻輸入/輸出匹配電路及復(fù)位電路分別連接到CC2430芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征是晶振電路包括主晶振電路和備選晶振電路其中主晶振電路由32MHz晶振Yl和負(fù)載電 阻器C1、C2共同組成，晶振Yl的一端和CC2430的X0SC_Q1端口相連，并通過(guò)負(fù)載電阻器C2 接地，晶振的另一端和CC2430芯片X0SC_Q2端口相連，并通過(guò)負(fù)載電阻器Cl接地；備選晶 振電路由32. 768KHz晶振Y2與負(fù)載電阻器C3、C4構(gòu)成，晶振Y2的一端連接至CC2430芯片 的P2_3/X0SC_Q1端口，并通過(guò)C3接地，另一端和芯片的P2_4/X0SC_Q2端口相連，通過(guò)負(fù)載 電阻器C4接地；退藕和濾波電路包括由電容C7、C8、C9和Cll、C12、C13、C14組成的兩部分并聯(lián)電路； 其中，3. 3V外部電源通過(guò)電容C7、C8、C9組成的并聯(lián)電路濾波后，與CC2430芯片的AVDD_ DREG、DVDD, AVDD_S0C、AVDD_RREG 端 口相連；工作于 1. 8V 的電源的 CC2430 芯片引腳 AVDD_IF1、AVDD_CHP、VC0_GUARD、AVDD_VC0、 AVDD_PRE、AVDD_PF1、AVDD_SW、AVDD_RF2、AVDD_IF2、AVDD_ADC、DVDD_ADC、AVDD_DGUARD 同 時(shí)與CC2430芯片的RREG_0UT引腳相連，并與并聯(lián)的Cll、C12、C13、C14連接；電容器C5、 C6 一端接地，另一端分別和CC2430芯片的DCOUPL、RREG_0UT端口相連；偏置電阻器由電阻Rl和R2構(gòu)成，其中，Rl和芯片RBLASl端口相連接，R2連接芯片 RBLAS2 端 口 ；CC2430芯片端口 RF_P、TXRX_SWITCH、RF_N連接到射頻輸入/輸出匹配電路，射頻輸入 /輸出匹配電路由Ll和L3的阻抗匹配模塊、L2為射頻模塊和由ClO組成的直流偏置模塊 組成；復(fù)位電路由按鍵Si、電容C15及電阻R3、R4組成，按鍵Si、電容C15并聯(lián)，一端接地，另 一端與電阻R3、R4連接，電阻R3的另一端連接電源，電阻R4的另一端連接到芯片CC2430 的 RESET_N 端 口。
全文摘要
一種面向信息--物理融合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信優(yōu)化方法及設(shè)備，所述方法包括讀取信標(biāo)幀，進(jìn)入CAP階段；判斷超幀的CAP階段是否結(jié)束；判斷節(jié)點(diǎn)設(shè)備緩存區(qū)是否有數(shù)據(jù)等待發(fā)送；幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定；當(dāng)緩存區(qū)無(wú)數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則轉(zhuǎn)入空閑模式；CAP階段結(jié)束后，進(jìn)入到超幀的CFP階段；節(jié)點(diǎn)設(shè)備將轉(zhuǎn)入帶碰撞避免的GTS保障時(shí)隙分配；判斷數(shù)據(jù)傳輸是否成功；節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠期，等到下一個(gè)超幀的到來(lái)；節(jié)點(diǎn)將向協(xié)調(diào)器發(fā)出警告信息，通知“發(fā)送失敗”的消息。所述設(shè)備包括幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定模塊和碰撞避免分配模塊。本發(fā)明通過(guò)解決碰撞問(wèn)題，再次提高了GTS機(jī)制的表現(xiàn)性能，最終提高了GTS利用率，滿足了實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H04L29/08GK102104522SQ20111000771
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者丁曉峰, 嚴(yán)錫君, 徐立中, 樊棠懷, 王慧斌, 陳功 申請(qǐng)人:丁曉峰, 嚴(yán)錫君, 徐立中, 樊棠懷, 王慧斌