專利名稱：：一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具體地說明是一種面向工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的無網(wǎng)狀(MESH)網(wǎng)絡(luò)高可靠介質(zhì)訪問控制(MAC)機制。
背景技術(shù)：
：與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)絡(luò)具有無需布線、易于維護(hù)的特點，對于工業(yè)應(yīng)用而言這無疑是一個巨大的優(yōu)勢。隨著無線通信技術(shù)的成熟與成本的降低，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)無線化已成為趨勢之一，一個典型的工業(yè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)如附圖l所示，大量的無線傳感器節(jié)點分布在工業(yè)現(xiàn)場的各個監(jiān)測點上，這些節(jié)點自組織地形成網(wǎng)絡(luò)，并將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)以多跳的方式傳回網(wǎng)關(guān)節(jié)點。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)無線化帶來便利的同時，也帶來了諸多新的問題，比如，為了滿足工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)不同層次的應(yīng)用需求，工業(yè)環(huán)境中往往需要共存多種類型的無線網(wǎng)絡(luò)，如IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)等，這些網(wǎng)絡(luò)大都集中在2.4GHz的ISM共享頻段上，它們彼此間的干擾會嚴(yán)重影響各自的正常操作，此外，工業(yè)環(huán)境中的射頻通信條件通常較為惡劣，廠房中遍布的各種類型的大型器械、金屬管道等物體對無線射頻的反射、散射造成的多徑效應(yīng)，以及馬達(dá)、器械運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電磁噪聲，都會嚴(yán)重干擾射頻信號的正確接收。為了提高在上述較為惡劣的工業(yè)射頻環(huán)境中的通信質(zhì)量，研究人員采用諸如擴(kuò)頻技術(shù)、自適應(yīng)天線技術(shù)、分集技術(shù)等物理層射頻通信技術(shù)來提高射頻硬件的抗干擾能力。然而，這些物理層技術(shù)往往會極大地增加射頻硬件的復(fù)雜度，進(jìn)而導(dǎo)致硬件成本的上升而不利于節(jié)點在工業(yè)環(huán)境中大規(guī)模應(yīng)用。由于目前主流的射頻芯片都提供了多通道能力，如正EE802.11b提供了14個通道(其中不存在重疊的通道數(shù)量為3個)，正EE802.15.4提供了16個互不重疊的通道，Mica2、WINS等射頻芯片也都提供了多通道能力，這就為通過軟件協(xié)議手段避開通信質(zhì)量不好的個別通道從而提高網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力提供了可能。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種能保證在惡劣的工業(yè)射頻環(huán)境中高通信質(zhì)量的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)MAC機制，釆用本發(fā)明可充分利用物理射頻硬件提供的多通道能力，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)環(huán)境下的性能。本發(fā)明技術(shù)方案包括以下內(nèi)容通過在支持多通道的無線射頻芯片上構(gòu)建基于同步通道切換機制的介質(zhì)訪問控制架構(gòu)，并在網(wǎng)絡(luò)運行過程中采用基于所述介質(zhì)訪問控制架構(gòu)的適應(yīng)性傳輸機制來自適應(yīng)地選擇高質(zhì)量通道進(jìn)行通信和分布式的通道切換模式選擇方法來實現(xiàn)更大程度的并發(fā)傳輸，總體構(gòu)成一個面向工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)高可靠的介質(zhì)訪問控制機制；其中建立基于同步通道切換機制的介質(zhì)訪問控制(MAC)架抅網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)時間同步的前提下，按照各自選定的通道切換模式進(jìn)行同步的通道切換；1-跳鄰居節(jié)點間通過交換并保存各自的通道切換模式，在需要通信時切換到目的節(jié)點當(dāng)前的操作通道上進(jìn)行通信，并在通信完成后切換回自己的操作通道；基于所述MAC架構(gòu)的適應(yīng)性傳輸機制網(wǎng)絡(luò)運行時，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點對其每個l-跳鄰居節(jié)點維護(hù)一個通道質(zhì)量評估表，并實時地對它和每個l-跳鄰居節(jié)點在所有通道上的通道質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計評估，并把通道質(zhì)量評估值低于預(yù)設(shè)闊值的通道列入"黑名單"；所述節(jié)點在發(fā)送報文時，根據(jù)報文發(fā)送規(guī)則優(yōu)先發(fā)送當(dāng)前時隙其目的節(jié)點操作通道不在"黑名單"上的報文;并且，對在當(dāng)前時隙發(fā)送失敗的報文的重傳操作將在后繼時隙進(jìn)行；基于所述MAC架構(gòu)的分布式通道切換模式選擇方法通過將任一節(jié)點與其2-跳鄰居節(jié)點集合中的所有節(jié)點平均分配到所有可用的通道切換模式上，實現(xiàn)并發(fā)傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。本發(fā)明所述通道切換序列為所有可用通道的一個選定排列，所有通道切換序列的數(shù)量為可用通道編號的階乘；步驟l)中所述通道切換模式為由<通道切換序列、起始通道>二元組唯一決定，對于同一通道切換序列，選擇不同的起始通道來獲得不同的通道切換模式；所述通道切換模式在其加入網(wǎng)絡(luò)時選定，并在網(wǎng)絡(luò)運行過程中保持不變；所述通道切換模式的數(shù)量等于可用通道的數(shù)量;對于所有使用不同通道切換模式的節(jié)點在所有時隙的操作通道都不相同；1-跳鄰居節(jié)點可以使用不同的通道切換模式。以通道切換幀為時隙的基本組織單位，通道切換幀中的時隙又分為普通時隙和廣播時隙兩類，在通道切換幀中，每隔至少一個普通時隙，插入一個廣播時隙(所述廣播時隙之間的間隔為可配置參數(shù)，取值范圍為4~8個普通時隙)。在所述普通時隙，節(jié)點的操作通道由節(jié)點本身在加入網(wǎng)絡(luò)時選定的通道切換模式?jīng)Q定，在該類時隙中，節(jié)點與其1-跳鄰居節(jié)點可能處于不同的操作通道，因而在該類時隙進(jìn)行點到點的單播通信；在所述廣播時隙，節(jié)點的操作通道由全網(wǎng)一致的廣播時隙通道切換模式?jīng)Q定；廣播時隙通道切換模式由網(wǎng)關(guān)節(jié)點在發(fā)起網(wǎng)絡(luò)形成過程之前選定，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都根據(jù)廣播時隙通道切換模式?jīng)Q定其在各廣播時隙的操作通道。所述通道時隙的長度為保證至少容納一次完整的基于竟?fàn)帣C制的傳輸過程，具體包括隨機退避時間，數(shù)據(jù)幀傳輸時間，以及等待和接收應(yīng)答時間。步驟2)中所述的通道質(zhì)量評估值是采用窗口平均的指數(shù)加權(quán)滑動平均方法對最近一段時間通道上的報文發(fā)送成功率進(jìn)行處理獲得的；步驟2)中所述的報文發(fā)送規(guī)則，優(yōu)先發(fā)送其目的節(jié)點在當(dāng)前時隙的操作通道未被列入"黑名單"的報文，而將其目的節(jié)點在當(dāng)前時隙的操作通道被列入"黑名單"的報文推遲到后繼時隙發(fā)送；步驟2)中所述對亍每次報文發(fā)送，發(fā)送節(jié)點將會期待目的節(jié)點返回一個針對該報文的應(yīng)答幀，若發(fā)送節(jié)點在設(shè)定超時間隔內(nèi)沒有收到應(yīng)答幀，發(fā)送節(jié)點將會在后繼時隙在一個不同的通道上進(jìn)行重新發(fā)送報文。步驟3)中所述通道切換模式選擇方法對于網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點，在可用通道切換模式數(shù)量大于該節(jié)點的2-跳鄰居節(jié)點集合中的結(jié)點數(shù)量時，選擇一個未被使用的通道切換模式；或是在可用通道切換模式數(shù)量小于2-跳鄰居節(jié)點集合中的結(jié)點數(shù)量時，選擇復(fù)用次數(shù)最少的通道切換模式。本發(fā)明的優(yōu)點1)使用本發(fā)明所述MAC機制的無線MESH網(wǎng)絡(luò)，有能力在與其它網(wǎng)絡(luò)共存時，成為"好鄰居"。即一方面，本發(fā)明所提MAC機制可以通過為其它網(wǎng)絡(luò)預(yù)留頻率范圍避免對其它網(wǎng)絡(luò)的干擾，另一方面通過適應(yīng)性傳輸機制來降低來自其它網(wǎng)絡(luò)的干擾對本網(wǎng)絡(luò)造成的影響。2)使用本發(fā)明所述MAC機制的無線MESH網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)射頻環(huán)境下具有良好的抗窄帶干擾和抗多徑能力。工業(yè)射頻環(huán)境下的窄帶干擾和多徑現(xiàn)象通常只會時變地影響部分通道的通信質(zhì)量，在本發(fā)明基于同步通道切換機制的MAC架構(gòu)下，通過適應(yīng)性傳輸機制，能夠在很大程度上避免在這些通信質(zhì)量不好的通道上進(jìn)行傳輸，從而保證網(wǎng)絡(luò)整體的通信質(zhì)量。3)使用本發(fā)明所述MAC機制的無線MESH網(wǎng)絡(luò)，由于能夠有效支持并發(fā)傳輸，可顯著提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。在本發(fā)明基于同步通道切換機制的MAC架構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點通過分布式的通道切換模式選擇方法，分割沖突域，實現(xiàn)更大程度上的并發(fā)傳輸，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。圖i為一個典型的工業(yè)無線MESH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為一個1-跳鄰居和2-跳鄰居節(jié)點示意圖。圖3為一個具有16個可用通道(:0~15)的通道切換幀結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為適應(yīng)性傳輸機制下報文發(fā)送過程時序圖。圖5為節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時掃描過程時序圖。具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的適用條件無線MESH網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時間同步是本發(fā)明實施的前提。關(guān)于無線MESH網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)時間同步，目前已有大量研究成果發(fā)表，例如Elson等人提出的RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)算法,Ganeriwal等人提出的TPSN(TimingSynchronizationProtocolforSensorNetworks)算法等都可用于進(jìn)行本發(fā)明所需的網(wǎng)絡(luò)時間同步。需要指出的是，由于絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)時間同步算法都依賴于同步報文的廣播發(fā)送，在本發(fā)明中，這些同步報文將在下文所述廣播時隙發(fā)送。由于在目前的網(wǎng)絡(luò)時間同步算法中，同步報文的發(fā)送間隔通常在分鐘級，而廣播實隙的間隔通常是亞秒級，因此上述限制并不會影響到網(wǎng)絡(luò)時間同步精度。本發(fā)明中涉及到的概念如下1)時隙節(jié)點進(jìn)行同步通道切換的基本時間單位，即進(jìn)行通道切換時在一個通道上停留的時間。關(guān)于通道時隙長度的設(shè)定，應(yīng)保證其不小于進(jìn)行一次完整的基于竟?fàn)帣C制的傳輸過程所需的時間(具體包括最大隨機退避時間，數(shù)據(jù)幀傳輸時間，以及等待和接收應(yīng)答幀的時間)。2)通道切換序列所有可用通道的一個選定排列。如假定有8個可用通道，編號為0~7,則可能的通道切換序列可以是諸如(0,1，2,3，4，5,6，7),(0,2,4,6，1,3,5,7)等共8種。3)通道切換模式通道切換模式由二元組(通道切換序列，起始通道)唯一決定。對于同一通道切換序列，比如(0,1，2,3,4，5，6，7),選擇不同的起始通道2和3，則分別對應(yīng)于不同的通道切換模式(2,3,4,5，6，7，0，1,2，…)和(3，4，5,6，7,0,1，2,3…)。需要指出的是，在本發(fā)明中，所有節(jié)點遵循相同的預(yù)配置好的通道切換序列，通過選擇不同的起始通道來選擇不同的通道切換模式。由此，自然地得到以下兩個結(jié)論①可用通道切換模式的數(shù)量等于可用通道的數(shù)量；②對于所有使用不同通道切換模式的節(jié)點，它們在所有時隙的操作通道都不相同。對于每個節(jié)點，其通道切換模式在其加入網(wǎng)絡(luò)時選定，并在網(wǎng)絡(luò)運行過程中保持不變。4)節(jié)點V的k-跳鄰居對于網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點U,若節(jié)點U到節(jié)點V的最短路徑長度不大于k,則稱節(jié)點U是節(jié)點V的k-跳鄰居，節(jié)點V的所有k-跳鄰居形成的集合稱為節(jié)點V的k-跳鄰居集合。例如在附圖2中，設(shè)節(jié)點的射頻覆蓋半徑為R，則對于第一節(jié)點A而言，其l-跳鄰居集合只包含第二節(jié)點B，而其2-跳鄰居集合中則包括第二節(jié)點B和第三節(jié)點C。顯然，節(jié)點間的直接通信只能在1-跳鄰居節(jié)點間進(jìn)行。在本發(fā)明所提的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)MAC機制中，首先建立了一個基于同步通道切換機制的MAC架構(gòu)，基于該MAC架構(gòu)，通過適應(yīng)性的傳輸機制及分布式的通道切換模式選擇方法，實現(xiàn)面向工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的無線MESH網(wǎng)絡(luò)高可靠的MAC機制。基于同步通道切換機制的MAC架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)時間同步的前提下，按照各自選定的通道切換模式在所有可用的通道上(可以是射頻硬件能夠支持的所有通道，也可以是出于兼容其它網(wǎng)絡(luò)的目的針對其它網(wǎng)絡(luò)所占用的特定頻率范圍進(jìn)行預(yù)留后剩下的可用通道)進(jìn)行同步的通道切換。其中通道切換模式的選擇在節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時進(jìn)行。在本發(fā)明中，節(jié)點可能與其1-跳鄰居節(jié)點選擇不同的通道切換模式。若第一節(jié)點A和第二節(jié)點B為l-跳鄰居，并且它們選擇了不同的通道切換模式，則它們在各個時隙的操作通道都不相同。如果第一節(jié)點A在某一特定時隙想要向第二節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)，則第一節(jié)點A必須首先將自己的射頻切換到第二節(jié)點B在當(dāng)前時隙的操作通道，然后才能啟動發(fā)送過程。完成這一操作的前提是第一節(jié)點A必須事先知道第二節(jié)點B的通道切換模式。也就是說，對于網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點，為了保證其能夠在任意時隙與任意l-跳鄰居節(jié)點通信，必須首先收集其l-跳鄰居集合中各節(jié)點的通道切換模式信息，從而獲知這些節(jié)點在任意時隙的操作通道。在本發(fā)明中，鄰居節(jié)點通道切換模式信息的收集時機選在節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時刻執(zhí)行，并且，由于節(jié)點在選擇自己的通道切換模式時依賴于其2-跳鄰居集合中各節(jié)點的通道切換模式信息，因而節(jié)點在加入網(wǎng)絡(luò)時需要收集其2-跳鄰居集合中各節(jié)點的通道切換模式信息。建立通道切換幀由于相鄰節(jié)點可能使用不同的通道切換模式，這就導(dǎo)致一個節(jié)點廣播的數(shù)據(jù)包可能只能被部分1-跳鄰居節(jié)點收到。當(dāng)上層協(xié)議要求使用廣播服務(wù)時，將可能會引發(fā)問題。為了對廣播服務(wù)提供更好的支持，本發(fā)明引入了通道切換幀的概念。通道切換幀是通道時隙的基本組織單位。根據(jù)是否支持廣播/多播操作，通道切換幀中的時隙又分為普通時隙和廣播時隙兩類，如附圖3所示。其中在普通時隙，節(jié)點的操作通道由自己在加入網(wǎng)絡(luò)時選定的通道切換模式?jīng)Q定，相鄰節(jié)點可能由于釆用了不同的通道切換模式而處于不同的操作通道，因而在這種時隙只能進(jìn)行相鄰節(jié)點間點到點的單播通信。而在廣播時隙，節(jié)點的操作通道由全網(wǎng)一致的廣播時隙通道切換模式?jīng)Q定。廣播時隙通道切換模式由網(wǎng)關(guān)節(jié)點在發(fā)起網(wǎng)絡(luò)形成過程之前選定，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都遵循該通道切換模式?jīng)Q定在各廣播時隙的操作通道。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點在任一廣播時隙都處于相同的操作通道，從而使用廣播時隙可有效支持廣播/多播操作。在通道切換幀中，每隔一定數(shù)量的普通時隙，插入一個廣播時隙，廣播時隙之間的間隔為可配置參數(shù)，通常的取值范圍為4~8(本實施例為廣播時隙之間設(shè)4個普通時隙)，但也可視具體應(yīng)用中廣播流量的多少而做調(diào)整。在每個時隙，想要發(fā)送報文的節(jié)點將射頻切換到報文的目的節(jié)點當(dāng)前時隙的操作信道后，釆用基于竟?fàn)帣C制的信道訪問控制方法(如CSMA/CA算法)進(jìn)行信道竟?fàn)幒蛿?shù)據(jù)發(fā)送。在上述基于同步通道切換機制的MAC架構(gòu)下，本發(fā)明設(shè)計了適應(yīng)性傳輸機制來提高網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)射頻環(huán)境下的通信可靠性，并通過一種分布式的通道切換模式選擇方法，實現(xiàn)并發(fā)通信，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量性能。適應(yīng)性傳輸機制網(wǎng)絡(luò)運行時，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點對其每個1-跳鄰居節(jié)點維護(hù)一個通道質(zhì)量評估表，并實時地對它和每個1-跳鄰居節(jié)點間在所有通道上的通信質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計評估，將得到的通道質(zhì)量評估值與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，并把通道質(zhì)量評估值低于預(yù)設(shè)閾值的通道列入"黑名單"。節(jié)點在發(fā)送報文時，通過下文中的報文發(fā)送規(guī)則避免在被列入"黑名單"的通道上進(jìn)行發(fā)送。通道質(zhì)量評估表結(jié)構(gòu)如表l所示。表1通道質(zhì)量評估表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>節(jié)點V對其某個(如第/個)l-跳鄰居節(jié)點Ni在第J個通道CHj上的通信質(zhì)量評估是基于以下方法進(jìn)行的假設(shè)最近一段時間t內(nèi)節(jié)點V在第_/個通道CHj上向第/個l-跳鄰居節(jié)點Ni總共進(jìn)行了m次發(fā)送，其中發(fā)送成功的次數(shù)為s次(即收到了s個應(yīng)答幀)采用窗口平均的指數(shù)加權(quán)滑動平均方法WMEWMA(t,cx)，計算周期t內(nèi)的平均通道質(zhì)量并利用平滑系數(shù)ae對其進(jìn)行平滑，則節(jié)點V對其第/個1-跳鄰居節(jié)點Nj在第y個通道CHj上的通道質(zhì)量估計值》(W,,)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>上式中戶'(^,,0//)為上一周期的通道質(zhì)量評估值。改變t和(x值即可獲得不同的估計效果。例如，釆用比較大的t和ct值可以得到較為穩(wěn)定的通道質(zhì)量估計器，而釆用比較小的t和a值則可以得到較為靈敏的通道質(zhì)量估計器。節(jié)點剛加入網(wǎng)絡(luò)時，其通道質(zhì)量估計值初始化為1。在獲得通道質(zhì)量評估值后，將該評估值與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，將低于預(yù)設(shè)閾值的通道列入"黑名單"。在每個時隙，對于網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點，遵循以下規(guī)則從發(fā)送隊列中挑選報文進(jìn)行發(fā)送報文發(fā)送規(guī)則根據(jù)節(jié)點發(fā)送隊列中各報文的目的節(jié)點在當(dāng)前時隙的操作通道是否被列入"黑名單"，優(yōu)先挑選目的節(jié)點在當(dāng)前時隙操作通道未被列入"黑名單"的報文進(jìn)行發(fā)送。1)每個節(jié)點上的等待發(fā)送報文在節(jié)點的發(fā)送等待隊列中按照先進(jìn)先出的原則進(jìn)行排隊。2)若當(dāng)前排在隊首的報文的目的節(jié)點在當(dāng)前時隙的操作通道已被列入"黑名單"，則在當(dāng)前時隙不發(fā)送該報文，而是由隊首向隊尾方向逐個搜索，直到找到第一個目的節(jié)點在當(dāng)前時隙的操作通道未被列入"黑名單"的報文，并發(fā)送該報文。若發(fā)送等待隊列中的所有拫文的目的節(jié)點在當(dāng)前時隙的搡作通道都被列入"黑名單"，則當(dāng)前時隙不發(fā)送報文，除非滿足第3條規(guī)則。3)由于無線通道質(zhì)量常常是時變的，為了能夠在被列入"黑名單"的通道質(zhì)量變好時重新恢復(fù)對通道的使用，必須保證每隔一段固定的時間在"黑名單"通道上至少發(fā)送一次報文，以保持對該通道質(zhì)量評估的進(jìn)行。上述規(guī)則的實施效果在于在每個時隙，若有多個分組等待發(fā)送，則發(fā)送成功率較高的報文能夠得到優(yōu)先發(fā)送，而在當(dāng)前時隙發(fā)送成功率較低的報文則被推遲到后繼時隙進(jìn)行發(fā)送。對于因目的節(jié)點在當(dāng)前時隙被列入"黑名單"而推遲發(fā)送的報文，由于在后繼時隙，該報文的目的節(jié)點的操作通道發(fā)生了切換，因而可以在質(zhì)量較好的通道上進(jìn)行發(fā)送。簡而言之，該規(guī)則達(dá)到的整體效果是使網(wǎng)絡(luò)中的報文盡可能地在質(zhì)量較好的通道上發(fā)送，從而提高報文發(fā)送的成功率。具體的報文發(fā)送過程如附圖4所示。對于每次報文發(fā)送，發(fā)送節(jié)點將會期待目的節(jié)點返回一個針對該報文的應(yīng)答幀，若發(fā)送節(jié)點在設(shè)定超時間隔內(nèi)沒有收到應(yīng)答幀，發(fā)送節(jié)點將會重新發(fā)送報文，但是重新發(fā)送并不在當(dāng)前時隙進(jìn)行，而是在后繼時隙按上述發(fā)送規(guī)則在一個不同的通道上進(jìn)行，從而提高報文在其目的節(jié)點當(dāng)前時隙操作通道受到干擾情況下重傳的成功率。若某個報文超出最大預(yù)設(shè)重傳次數(shù)仍未發(fā)送成功，則丟棄該報文，并向上層協(xié)議指示發(fā)送失敗。通道切換模式選擇方法在基于同步通道切換機制的MAC架構(gòu)下，位于彼此射頻覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點可以通過選擇不同的通道切換模式，分割沖突域，從而實現(xiàn)并發(fā)通信，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。在本發(fā)明中，節(jié)點在加入網(wǎng)絡(luò)時，首先啟動掃描過程收集2-跳鄰居節(jié)點集合中各節(jié)點的通道切換模式信息，然后遵循以下兩條規(guī)則選擇自己的通道切換模式①在可用通道切換模式數(shù)量不小于2-跳鄰居節(jié)點集合中的節(jié)點數(shù)量時，選擇一個未被使用的通道切換模式；②在可用通道切換模式數(shù)量小于2-跳鄰居節(jié)點集合中的節(jié)點數(shù)量時，選擇復(fù)用次數(shù)最少的通道切換模式；其中，規(guī)則②是為了在可用的通道切換模式的數(shù)量不足以保證2-跳鄰居節(jié)點集合中的各節(jié)點使用不同的通道切換模式時，盡量將該集合中的各節(jié)點均勻地分配到可用的通道切換模式上。在規(guī)則中之所以限定2-跳鄰居節(jié)點集合，是因為在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中，通常認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點與其2-跳鄰居節(jié)點集合中的所有節(jié)點構(gòu)成一個沖突域，即對于網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點發(fā)起的通信，通常認(rèn)為只能被該節(jié)點的2-跳鄰居節(jié)點集合中的節(jié)點同時發(fā)起的通信干擾到。新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的步驟如下1)啟動掃描過程來進(jìn)行信標(biāo)幀的收集，與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時隙同步，通道切換幀的同步，以及收集2-跳鄰居節(jié)點集合中各節(jié)點的通道切換模式信息；2)根據(jù)收集到的2-跳鄰居節(jié)點集合中各節(jié)點的通道切換模式信息，按照上文所述的通道切換模式選擇方法，選擇自己的通道切換模式；3)新加入節(jié)點將自己選擇的通道切換模式通知其l-跳鄰居節(jié)點，節(jié)點加入過程完成；4)節(jié)點加入過程完成后，新加入節(jié)點即可按照自己選擇的通道切換模式進(jìn)行相應(yīng)的搡作。掃描過程時隙同步，通道切換幀同步，以及通道切換模式信息的收集是通過掃描過程完成的，具體而言，是通過在掃描過程中從已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的1-跳鄰居節(jié)點接收信標(biāo)幀來實現(xiàn)。在描述掃描過程的具體步驟之前，有必要先對信標(biāo)幀進(jìn)行解釋。本發(fā)明不對信標(biāo)幀的具體格式進(jìn)行規(guī)定，但信標(biāo)幀中至少應(yīng)包含以下^古自.i口,a、①通道切換序列；②通道時隙的長度；③當(dāng)前通道時隙的起始時刻；④廣播時隙間隔；⑤當(dāng)前時隙的類型(普通時隙，或者廣播時隙)；若當(dāng)前時隙為普通時隙，信標(biāo)幀中還應(yīng)包含其發(fā)送節(jié)點及該發(fā)送節(jié)點的所有l(wèi)-跳鄰居節(jié)點在當(dāng)前時隙的操作通道，當(dāng)前時隙距離下一廣播時隙的偏移(單位為時隙個數(shù))，以及下一廣播時隙的操作通道；若當(dāng)前時隙為廣播時隙，信標(biāo)幀中還應(yīng)包含其發(fā)送節(jié)點及該發(fā)送節(jié)點的所有l(wèi)-跳鄰居節(jié)點在下一時隙的操作通道。想要加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，只要從任何一個l-跳鄰居節(jié)點接收到一個信標(biāo)幀，即可根據(jù)其中所包含的信息②③完成與網(wǎng)絡(luò)的時隙同步，通過信息①④⑤⑥完成與通道切換幀的同步，并通過信息①⑥獲取該信標(biāo)幀發(fā)送節(jié)點及該發(fā)送節(jié)點的所有1-跳鄰居節(jié)點的通道切換模式信息。當(dāng)該想要加入節(jié)點從其l-跳鄰居集合中的每個節(jié)點都接收到至少一個信標(biāo)幀后，該節(jié)點也就完成了對其所有l(wèi)-跳鄰居節(jié)點及其各l-跳鄰居節(jié)點的一跳鄰居節(jié)點的通道切換模式信息的收集，也就完成了2-跳鄰居節(jié)點集合中所有節(jié)點的通道切換模式信息的收集。掃描過程的具體步驟想要加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點首先發(fā)送信標(biāo)請求幀，而收到信標(biāo)請求幀的1-跳鄰居節(jié)點隨后發(fā)回信標(biāo)幀。具體步驟如附圖5所示1)欲加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點首先隨機選擇一個通道CHi，然后在該通道上采用CSMA/CA算法發(fā)送信標(biāo)請求幀，則當(dāng)前所有操作通道為CHi的1-跳鄰居節(jié)點都有可能收到該信標(biāo)請求幀。2)所有收到信標(biāo)請求幀的節(jié)點都會發(fā)回一個信標(biāo)幀。為了避免多個節(jié)點同時發(fā)回信標(biāo)幀而發(fā)生碰撞，節(jié)點在收到信標(biāo)請求幀而發(fā)回信標(biāo)幀時，采用CSMA/CA算法竟?fàn)幮诺馈?)欲加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在發(fā)出信標(biāo)請求幀后，若在一個時隙的時間里沒有收到信標(biāo)幀，則在通道CHi上重發(fā)信標(biāo)請求幀。該步驟反復(fù)進(jìn)行直至收到信標(biāo)幀。4)欲加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在收到第一個信標(biāo)幀以后，通過對該信標(biāo)幀的解碼和相關(guān)信息的提取，實現(xiàn)時隙同步和通道切換幀的同步。5)此后，欲加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將在隨后的第一個廣播時隙在該廣播時隙的操作通道CHj上發(fā)送信標(biāo)請求幀，所有收到信標(biāo)幀的節(jié)點采用CSMA/CA算法返回信標(biāo)幀(返回信標(biāo)幀的操作可以在收到信標(biāo)請求幀的廣播時隙和隨后的若干普通時隙進(jìn)行)。欲加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在發(fā)送完信標(biāo)請求幀后將射頻芯片置于接收狀態(tài)并將操作通道保持通道CHi上，進(jìn)行信標(biāo)幀的接收，接收過程持續(xù)預(yù)設(shè)的一段時間后結(jié)束掃描過程。在步驟5中，盡管在廣播時隙所有的節(jié)點都處于相同的通道，但欲加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)出的信標(biāo)請求幀仍有可能未被所有的1-跳鄰居節(jié)點正確接收到，為了盡可能完全的收集到所有2-跳鄰居節(jié)點的通道切換模式信息，步驟5可以重復(fù)進(jìn)行多次。需要指出的是，由于在每個時隙節(jié)點釆用基于竟?fàn)帣C制使用信道，即使沒有完全收集到所有2-跳鄰居節(jié)點的通道切換模式信息，也只對沖突域的劃分效果有影響，而不會影響到本發(fā)明所提MAC機制的正確運行。綜上，本發(fā)明能充分利用物理射頻硬件提供的多通道能力，優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)在存在多網(wǎng)絡(luò)共存、多徑現(xiàn)象、以及較強電磁噪聲的工業(yè)通信環(huán)境下的性能。本發(fā)明提出的基于同步通道切換策略的高可靠MAC機制，一方面可以通過適應(yīng)性傳輸機制，使得網(wǎng)絡(luò)能夠在其部分通道受到來自其它類型網(wǎng)絡(luò)、電磁噪聲或多徑效應(yīng)的干擾時，自適應(yīng)地跳過被干擾通道而選擇高質(zhì)量通道進(jìn)行通信，從而保證通信效果；另一方面，本發(fā)明所述機制也可為其它網(wǎng)絡(luò)預(yù)留特定的頻率范圍，以降低對其它網(wǎng)絡(luò)的干擾。與此同時，本發(fā)明通過一種分布式的通道切換模式選擇方法，讓網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點與其2-跳鄰居節(jié)點集合中的結(jié)點盡量選擇不同的通道切換模式，從而達(dá)到分割沖突域，實現(xiàn)并發(fā)傳輸，從而提高網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量的效果。權(quán)利要求1.一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于通過在支持多通道的無線射頻芯片上構(gòu)建基于同步通道切換機制的介質(zhì)訪問控制架構(gòu)，并在網(wǎng)絡(luò)運行過程中采用基于所述介質(zhì)訪問控制架構(gòu)的適應(yīng)性傳輸機制來自適應(yīng)地選擇高質(zhì)量通道進(jìn)行通信和分布式的通道切換模式選擇方法來實現(xiàn)更大程度的并發(fā)傳輸，總體構(gòu)成一個面向工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制機制；其中1)建立基于同步通道切換機制的介質(zhì)訪問控制架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)時間同步的前提下，按照各自選定的通道切換模式進(jìn)行同步的通道切換；1-跳鄰居節(jié)點間通過交換并保存各自的通道切換模式，在需要通信時切換到目的節(jié)點當(dāng)前的操作通道上進(jìn)行通信，并在通信完成后切換回自已的操作通道；2)基于所述介質(zhì)訪問控制架構(gòu)的適應(yīng)性傳輸機制網(wǎng)絡(luò)運行時，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點對其每個1-跳鄰居節(jié)點維護(hù)一個通道質(zhì)量評估表，并實時地對它和每個1-跳鄰居節(jié)點在所有通道上的通道質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計評估，并把通道質(zhì)量評估值低于預(yù)設(shè)閾值的通道列入“黑名單”；所述節(jié)點在發(fā)送報文時，根據(jù)報文發(fā)送規(guī)則優(yōu)先發(fā)送當(dāng)前時隙其目的節(jié)點操作通道不在“黑名單”上的報文；并且，對在當(dāng)前時隙發(fā)送失敗的報文的重傳操作將在后繼時隙進(jìn)行；3)基于所述介質(zhì)訪問控制架構(gòu)的分布式通道切換模式選擇方法通過將任一節(jié)點與其2-跳鄰居節(jié)點集合中的所有節(jié)點平均分配到所有可用的通道切換模式上，實現(xiàn)并發(fā)傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。2.按照權(quán)利要求1所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于所述通道切換序列為所有可用通道的一個選定排列，所有通道切換序列的數(shù)量為可用通道編號的階乘。3.按照權(quán)利要求1所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于步驟l)中所述通道切換模式為由<通道切換序列、起始通道>二元組唯一決定，對于同一通道切換序列，選擇不同的起始通道來獲得不同的通道切4.按照權(quán)利要求3所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于其中所述通道切換模式在其加入網(wǎng)絡(luò)時選定，并在網(wǎng)絡(luò)運行過程中保持不變。5.按照權(quán)利要求3所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)控制機制，其特征在于所述通道切換模式的數(shù)量等于可用通道的數(shù)量;對于所有使用不同通道切換模式的節(jié)點在所有時隙的操作通道都不相同；1-跳鄰居節(jié)點可以使用不同的通道切換模式。6.按照權(quán)利要求1所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于以通道切換幀為時隙的基本組織單位，通道切換幀中的時隙又分為普通時隙和廣播時隙兩類，在通道切換幀中，每隔至少一個普通時隙，插入一個廣播時隙。7.按照權(quán)利要求6所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于在所述普通時隙，節(jié)點的操作通道由節(jié)點本身在加入網(wǎng)絡(luò)時選定的通道切換模式?jīng)Q定，在該類時隙中，節(jié)點與其1-跳鄰居節(jié)點可能處于不同的操作通道，因而在該類時隙進(jìn)行點到點的單播通信。8.按照權(quán)利要求6所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于在所述廣播時隙，節(jié)點的操作通道由全網(wǎng)一致的廣播時隙通道切換模式?jīng)Q定；廣播時隙通道切換模式由網(wǎng)關(guān)節(jié)點在發(fā)起網(wǎng)絡(luò)形成過程之前選定，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都根據(jù)廣播時隙通道切換模式?jīng)Q定其在各廣播時隙的操作通道。9.按照權(quán)利要求6或8所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于所述廣播時隙之間的間隔為可配置參數(shù)，取值范圍為48個普通時隙。10.按照權(quán)利要求6所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于所述通道時隙的長度為保證至少容納一次完整的基于竟?fàn)帣C制的傳輸過程，具體包括隨機退避時間，數(shù)據(jù)幀傳輸時間，以及等待和接收應(yīng)答時間。11.按照權(quán)利要求1所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于步驟2)中所述的通道質(zhì)量評估值是釆用窗口平均的指數(shù)加權(quán)滑動平均方法對最近一段時間通道上的報文發(fā)送成功率進(jìn)行處理獲得的。12.按照權(quán)利要求1所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于步驟2)中所述的報文發(fā)送規(guī)則，優(yōu)先發(fā)送其目的節(jié)點在當(dāng)前時隙的操作通道未被列入"黑名單"的報文，而將其目的節(jié)點在當(dāng)前時隙的操作通道被列入"黑名單"的報文推遲到后繼時隙發(fā)送。13.按照權(quán)利要求1所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于步驟2)中所述對于每次報文發(fā)送，發(fā)送節(jié)點將會期待目的節(jié)點返回一個針對該報文的應(yīng)答幀，若發(fā)送節(jié)點在設(shè)定超時間隔內(nèi)沒有收到應(yīng)答幀，發(fā)送節(jié)點將會在后繼時隙在一個不同的通道上進(jìn)行重新發(fā)送報文。14.按照權(quán)利要求1所述無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制，其特征在于步驟3)中所述通道切換模式選擇方法對于網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點，在可用通道切換模式數(shù)量大于該節(jié)點的2-跳鄰居節(jié)點集合中的結(jié)點數(shù)量時，選擇一個未被使用的通道切換模式；或是在可用通道切換模式數(shù)量小于2-跳鄰居節(jié)點集合中的結(jié)點數(shù)量時，選擇復(fù)用次數(shù)最少的通道切換模式。全文摘要本發(fā)明公開一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制機制。它通過在支持多通道的無線射頻芯片上構(gòu)建基于同步通道切換機制的介質(zhì)訪問控制架構(gòu)，并在網(wǎng)絡(luò)運行過程中采用基于所述介質(zhì)訪問控制架構(gòu)的適應(yīng)性傳輸機制來自適應(yīng)地選擇高質(zhì)量通道進(jìn)行通信和分布式的通道切換模式選擇方法來實現(xiàn)更大程度的并發(fā)傳輸，總體構(gòu)成一個面向工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)高可靠的介質(zhì)訪問控制機制。本發(fā)明能充分利用物理射頻硬件提供的多通道能力，優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)在存在多網(wǎng)絡(luò)共存、多徑現(xiàn)象、以及較強電磁噪聲的工業(yè)通信環(huán)境下的性能，保證在惡劣的工業(yè)射頻環(huán)境中的高通信質(zhì)量。文檔編號H04L12/56GK101193042SQ20061013445公開日2008年6月4日申請日期2006年12月1日優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日發(fā)明者于海斌,徐皚冬,鵬曾,楊志家,軍王,邢志浩申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所