一种应用于TDMA无线传感网的低能耗同步机制方法

技术领域

本发明涉及无线传输技术领域，特别涉及一种应用于TDMA无线传感网的低能耗同步机制方法。

背景技术

时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)技术具有零冲突、低时延的特点，因此被广泛应用于无线传感网中，与其它竞争型协议对比，TDMA协议能更好的对信道资源进行合理分配。

在TDMA机制中，根节点定期广播同步帧，并为簇内子节点分配合适时隙。为了保证n个子节点共享信道，将时间轴划分成若干个子帧，每个子帧划分为n个固定时隙，每个子节点分配并绑定一个时隙，依次占用信道发送数据，使两个互扰的相邻节点在不同时隙内传输数据。传统的TDMA工作机制如图1所示，其工作流程大致如下：

步骤(1)、n个子节点在发送数据前，监听根节点定期广播的同步帧；

步骤(2)、子节点均在同一时刻接收到同步帧，并以收到同步帧的时刻为基准，为每个子节点分配固定的子时隙，使子节点能依次按时序发送数据；

步骤(3)、子节点循环在对应的子时隙发送数据，所有子节点完成后再转至步骤(1)。

在步骤(3)中，由于节点采用的晶体振荡器受环境变化和自身性能改变等因素影响，造成实际工作频率漂移，工作一段时间后可能出现前一个时隙往后漂移、后一个时隙往前漂移，相邻的两个时隙会部分重叠，所发送的数据无法正确传输。因此为了保证时隙的准确分配，网络节点需要定期进行时钟同步。

在无线传感网中，节点一般处于发送、接收或休眠状态。其中功率消耗最大的状态是发送、接收，而且节点处于接收状态时功耗与发送状态接近。为了降低功耗，子节点在发送完必要的信息后，应该立即进入休眠低功耗状态。但节点之间需要收发同步帧，子节点频繁唤醒实现同步会显著增加能耗。因此，在保证子节点不丢失“同步状态”的前提下，尽量减少子节点的同步次数，对于维持电池供电的子节点生命周期有着重要的作用。

另外，时隙分配也是TDMA协议的关键。在无线通信中，若数据包长度、通信速率已知，则理论上可以把数据发送或接收时间作为时隙的时长。假设需要发送或接收的总字节数为m，数据空中传输速率为v，便可求得射频将数据发送到空中完成的时长为m/v。但是在实际无线通信中，节点存在发送数据前和接收数据后的处理时间，导致节点完成数据收发的实际时长大于m/v，而另一方面，分配给子节点的时隙长度也不是越长越好，否则随着节点数的增加，无线信道空闲时间过长造成利用率明显降低，同时也会增加时钟同频率，且子节点与根节点通信轮询一次的周期也变长。

因此，需要对现有技术作进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术，而提供一种有效地避免子节点之间因时钟漂移导致时隙间相互影响，并且减少子节点能耗的应用于TDMA无线传感网的低能耗同步机制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种应用于TDMA无线传感网的低能耗同步机制方法，TDMA无线传感网中包括1个根节点和n个子节点，其中n为正整数；其特征在于包括如下步骤：

步骤1、将TDMA无线传感网运行的时间轴划分成多个长帧，其中每个长帧均相同，每个长帧包括1个同步帧与多个子帧，每个子帧被划分为n个子时隙，每个子节点对应分配并绑定一个子时隙，每个子节点依次在对应的子时隙向根节点传输数据帧；

步骤2、对每个长帧分别进行相同的处理和补偿，得到长帧中的同步帧时长t

对任何一个长帧处理和补偿的具体步骤为：

步骤2-1、在长帧中的所有子节点接收完同步帧后，将所有子帧的每个子时隙提前到上一个子时隙开启发送数据，即：将所有子帧下一个子时隙的发送前处理时长分配到上一个子时隙中，则下一个子时隙的时序与上一个子时隙发送相重叠，而将长帧中第1个子帧的第1个子时隙所对应的数据帧发送前处理时长分配到同步帧中，得到长帧的同步帧时长t

步骤2-2、对长帧中所有子帧的每个子时隙头部与尾部各设置一个保护间隔时间，以补偿子时隙产生的偏移，分别得到第k个子帧中第i个子时隙头部的保护间隔时间t

步骤2-3、经过步骤2-1的处理和步骤2-2的补偿后，得到第k个子帧中带保护间隔时间的第i个子时隙时长T

T

对第k个子帧中所有带保护间隔时间的子时隙时长进行求和，得到第k个子帧时长T(k)；

步骤2-4、求取第k个子帧时长T(k)小于等于预设的子节点向根节点发送数据周期T时，k的最大值k

M的计算公式为：

其中，

步骤2-5、对当前长帧中的同步帧头部与尾部各设置一个保护间隔时间，以补偿当前长帧中的同步帧和前一个长帧中M个子帧所产生的时钟漂移，分别得到当前长帧中同步帧头部设置的保护间隔时间t′

步骤3、TDMA无线传感网的所有子节点与根节点之间采用步骤2中处理和补偿后的各个时长进行数据帧发送和接收；

子节点与根节点的数据帧传输具体过程为：

步骤3-1、以根节点开启发送同步帧的时间为基准，使所有子节点在根节点开启发送同步帧之前，先提前t′

步骤3-2、开始进入第k个子帧中第i个子时隙，根节点始终处于接收状态，将第k个子帧中第i个子时隙所对应的子节点维持休眠状态时长t

步骤3-3、判断i是否为n，如是，则转入到步骤3-4；如否，则将i的值加上1后更新i值，将上一个子时隙的结束时间作为下一个子时隙的开始时间，并转入到步骤3-2；

步骤3-4、判断k是否为M，如是，则完成一个长帧的数据传输，并转入到步骤3-1，进入下一个长帧的数据传输；如否，则当前子帧结束，并将k的值加上1后更新k值，转入到步骤3-2。

具体地，所述步骤2-1中t

其中，t

具体地，所述步骤2-1中T

为了保证每个子节点都不会因时钟漂移而与相邻节点产生数据碰撞，所述步骤2-2中t

其中，T

为了保证每个子节点都不会因时钟漂移而与相邻节点产生数据碰撞，所述步骤2-2中t

为补偿根节点经过一个长帧时间产生的时钟漂移和M个子帧所产生的时钟漂移，所述步骤2-5中t′

为补偿根节点经过一个长帧时间产生的时钟漂移和M个子帧所产生的时钟漂移，所述步骤2-5中t′

为满足实际应用需求，对步骤2-3第k个子帧中带保护间隔时间的所有子时隙添加空闲时长，得到第k个子帧中第i个子时隙含有空闲时长的时长T

子时隙空闲时长的具体添加过程为：

以每个长帧的第M个子帧为基准，分别在当前长帧的第1个子帧、第2个子帧、...第(M-1)个子帧的每个子时隙中添加空闲时间，使得同一个子帧的每个子时隙时长相同；

第k子帧中第i个子时隙添加的空闲时长T

T

故T

进一步地，对每个子帧的第n个子时隙尾部添加空闲时长，添加的空闲时长为：T-T(M)，以使每个子帧的时长均为T。

与现有技术相比，本发明的优点在于：根节点在长帧开始时发送同步帧，使得所有子节点时钟与根节点同步，子节点周期性地在子时隙定时向根节点传输数据帧；其中每个子时隙增加了相应的保护间隔，有效地避免子节点之间因时钟漂移导致时隙间相互影响，从而最大限度地增加长帧中的子帧数量M，降低子节点唤醒进行同步的频率，进一步减少子节点能耗，与传统工作机制相比，每个子节点唤醒接收同步帧所需能耗减少了(M-1)/M，应用于电池供电的子节点具有明显的优势。

附图说明

图1为现有技术中TDMA工作机制示意图；

图2为本发明实施例中TDMA低能耗同步工作机制示意图；

图3为本发明实施例中数据帧收发过程分时流程示意图；

图4为本发明实施例中含有保护间隔时间的子时隙示意图；

图5为本发明实施例中含有保护间隔时间的长帧示意图；

图6为本发明实施例中含有空闲时长与保护间隔时间的长帧示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例中TDMA无线传感网中包括1个根节点和n个子节点，其中n为正整数，本实施例中应用于TDMA无线传感网的低能耗同步机制方法包括如下步骤：

步骤1、将TDMA无线传感网运行的时间轴划分成多个长帧，其中每个长帧均相同，每个长帧包括1个同步帧与多个子帧，每个子帧被划分为n个子时隙，每个子节点对应分配并绑定一个子时隙，每个子节点依次在对应的子时隙向根节点传输数据帧；

本实施例中通过对传统的TDMA进行改进，改进后的低功耗同步工作机制如图2所示，其主要工作流程与传统TDMA类似，但在步骤(3)时子节点是多次循环发送数据，如图2中所示，第1次循环则对应为第1个长帧，第2个循环则对应为第2个长帧；

步骤2、对每个长帧分别进行相同的处理和补偿，得到长帧中的同步帧时长t

对任何一个长帧处理和补偿的具体步骤为：

步骤2-1、在长帧中的所有子节点接收完同步帧后，将所有子帧的每个子时隙提前到上一个子时隙开启发送数据，即：将所有子帧下一个子时隙的发送前处理时长分配到上一个子时隙中，则下一个子时隙的时序与上一个子时隙发送相重叠，而将长帧中第1个子帧的第1个子时隙所对应的数据帧发送前处理时长分配到同步帧中，得到长帧的同步帧时长t

本实施例中，t

其中，t

T

步骤2-2、对长帧中所有子帧的每个子时隙头部与尾部各设置一个保护间隔时间，以补偿子时隙产生的偏移，分别得到第k个子帧中第i个子时隙头部的保护间隔时间t

本实施例中，t

其中，T

t

步骤2-3、经过步骤2-1的处理和步骤2-2的补偿后，得到第k个子帧中带保护间隔时间的第i个子时隙时长T

T

根据上述T

对第k个子帧中所有带保护间隔时间的子时隙时长进行求和，得到第k个子帧时长T(k)；T(k)的计算公式为：

步骤2-4、求取第k个子帧时长T(k)小于等于预设的子节点向根节点发送数据周期T时，k的最大值k

M的计算公式为：

其中，

步骤2-5、对当前长帧中的同步帧头部与尾部各设置一个保护间隔时间，以补偿当前长帧中的同步帧和前一个长帧中M个子帧所产生的时钟漂移，分别得到当前长帧中同步帧头部设置的保护间隔时间t′

步骤3、TDMA无线传感网的所有子节点与根节点之间采用步骤2中处理和补偿后的各个时长进行数据帧发送和接收；

子节点与根节点的数据帧传输具体过程为：

步骤3-1、以根节点开启发送同步帧的时间为基准，使所有子节点在根节点开启发送同步帧之前，先提前t′

步骤3-2、开始进入第k个子帧中第i个子时隙，根节点始终处于接收状态，将第k个子帧中第i个子时隙所对应的子节点维持休眠状态时长t

步骤3-3、判断i是否为n，如是，则转入到步骤3-4；如否，则将i的值加上1后更新i值，将上一个子时隙的结束时间作为下一个子时隙的开始时间，并转入到步骤3-2；

步骤3-4、判断k是否为M，如是，则完成一个长帧的数据传输，并转入到步骤3-1，进入下一个长帧的数据传输；如否，则当前子帧结束，并将k的值加上1后更新k值，转入到步骤3-2。

为了说明本发明中同步机制的作用，本实施例中主要对如下参数进行展开说明：

1、数据帧通信时长

数据帧通信时长是研究分配时隙的基础。在通信过程中，发送一个数据帧首先从应用层开始，经过MAC层到物理层，最后通过天线发送出去；反之，接收节点通过天线接收，将数据传递到MAC层，直至应用层为止。其中发送端执行发送数据帧命令时，需要先触发射频发送器，物理层启动存在一定的延迟；同理，接收端触发接收也同样存在延迟。

发送端在发送数据的同时，接收端也在接收，所以数据发送与接收在时间上存在重合部分。一条数据帧发送与接收过程的分时流程示意图如图3所示。图3中t

节点发送一条数据帧的流程依次包括数据帧发送前预处理、物理层发送触发、发送数据传输、数据帧发送后处理，而接收节点接收一条数据帧的流程依次包括数据帧接收前预处理、物理层接收触发、接收数据传输、数据帧接收后处理。接收节点在数据帧到达之前先完成接收前预处理，在收到数据帧前导码时触发启动物理层接收。由于电磁波在空中的传播速度接近于光速，相对于节点间几十、上百米的距离，空中传播引起的延迟可忽略不计，故可认为发送数据传输与接收数据传输的结束时刻相同。此后，发送节点进行发送后处理，结束发送过程，而接收节点在接收后还须将数据帧解封后，把有效数据存放在指定的内存中，通常情况下数据帧接收后处理时长t

1.1、上述的数据帧发送前预处理时长t

节点发送数据时，数据会从应用层，经过MAC层到物理层。当数据包准备从应用层开始处理时，打一个时间戳。当数据包从应用层传输到MAC层时，再打一个时间戳，通过这两个时间戳相减就可得到发送前预处理时间t

1.2、上述的数据帧接收后处理时长t

与发送前预处理时间计算同理，数据帧接收后处理时间t

1.3、上述的物理层发送触发时长计算方法为：

射频收发器接到收发命令后，需要一定的延迟时间才能进入正式收发状态。与上述时间测量方法不同，该触发时间无法通过打时间戳计算。本实施例中提出一种固定收发延迟偏差测量方法，即通过固定延迟时间收发数据，检测射频信号的时间偏差来估计触发延迟的时间。

设定子节点固定每z毫秒发送一次消息，通过示波器测量放大器外设端口的电信号，记录下相邻间隔时间。理想情况下，间隔时间是z毫秒，但由于存在发送器触发延迟，因此记录下来的间隔比z多余的值就是物理层发送触发时长t

2、时隙分析

在完成时钟同步后，需要为每个子节点分配其对应的时隙，每个子节点绑定一个相对应的子时隙，子节点在各自分配好的时隙内实现数据传输，而在其它时隙内休眠。子节点在接收到同步帧后，以固定的间隔时间定期执行数据传输，该间隔时间便为子帧时长，也为子节点发送周期，在此记为T。

记T

因此，为了保证每个子节点都不会因时钟漂移而与相邻节点产生数据碰撞，在子时隙的头部与尾部各设置一个保护间隔，即用冗余的时间补偿子时隙可能产生的漂移，如图4所示。每个子时隙除了补偿所在子帧前面时隙所产生的漂移，还需要补偿前面所有子帧时长产生的漂移。例如，在第2子帧中子时隙3需要补偿自身时长产生的漂移、以及子时隙1、2产生的漂移，还需要补偿第1子帧时长产生的漂移。

根据上述论述可知，每个子时隙时长由子节点发送触发时长t

3、低功耗时钟同步分析

3.1、最大子帧数

根节点利用时钟同步机制周期性地向所有子节点发送同步帧，以保持所有子节点与根节点的时钟同步。如果要确定同步周期，必须知道一个长帧中的子帧数。为了保证根节点能准确接收所有子节点发送的信息，那么一个子帧时长内必须能分配所有子时隙，即第k帧子时隙时长的总和不能大于T，故有：

整理后可得：

故，k存在一个最大值，记为M，即：

也就是说，为了减少子节点接收同步帧的次数，最大程度降低子节点功耗，在T、n已知的情况下，子节点连续循环发送数据的次数越多越好，即M值越大越好。此时，与传统的每个子帧均需同步相比，从接收同步帧角度来讲，所需能量只有原来的1/M，即节省了(M-1)/M能量；

3.2、同步帧周期

在一个长帧中子帧数M确定后，就可以计算出根节点发送同步帧的周期，即长帧时长由1个同步帧时长、M个子帧时长组成，如图5所示。

根节点经过一个长帧时间会产生时钟漂移，与子时隙处理方法一样，本实施例中采用保护间隔时间t′

值得注意的是，在公式7和公式8中同步帧的补偿时间未再次进行补偿，这是因为补偿时间再次补偿的值，相对于式中其它的时间值很小，可以忽略不计。

从公式7和公式8可知，子节点在根节点开启发送同步帧之前，就必须先进入接收状态，以确保能正确接收到同步帧，提前量为t′

4、进一步分析

根据公式5和公式6可知，在同一个长帧中每个同号子时隙时长都是不相等的，每个子帧的时长也都是不相等的，从而导致每个子节点上传数据的周期也不等长。但在实际中应用中，设计目标一般要求每个子节点上传数据的周期等长，即子节点发送周期T。长帧中最后一个子帧(子帧号为M)的时长最长，小于或等于T，而其它的子帧时长均小于T。

从公式5可知，同号的子时隙时长随子帧号的增大而增长，故必须对步骤2-3第k个子帧中带保护间隔的所有子时隙添加空闲时长，得到第k个子帧中第i个子时隙含有空闲时长的时长T

空闲时长的具体添加过程为：

以每个长帧的第M个子帧为基准，分别在当前长帧的第1个子帧、第2个子帧、...第(M-1)个子帧的每个子时隙中添加空闲时间，使得同一个子帧的每个子时隙时长相同；

第k子帧中第i个子时隙添加的空闲时长T

T

将公式5代入公式10，可得：

T

其中1≤i≤n、1≤k＜M。从公式11可知，相同子帧中的不同子时隙添加的空闲时长是相等的。将公式5和公式11相加，便可求得含有空闲时长的第k子帧中子时隙i时长为：

从公式12可知，不同子帧中同号子时隙均相等，从而每个子帧的时长也相等，均为T(M)。这里要注意的是，子时隙添加的空闲时长不再进行补偿，这是因为空闲时间为补偿时间的差值，补偿时间的差值再次补偿，相对于式中其它的时间值可以忽略不计。

另外，由于长帧中子帧M时长小于或等于T，为了保证每个子帧的时长均为T，故必须在每个子帧后添加适当的空闲时长，即T-T(M)。子时隙(除第M子帧外)与子帧分别添加空闲时长后，一个长帧示意图如图6所示。值得注意的是，在一个长帧中每个子节点上传数据的周期为T，但由于同步帧的存在，在跨帧时该周期会稍有增长。另外，子帧虽然添加了空闲时长，但由于公式3和公式4的时长补偿中已经默认子帧时长为T，故无需再对子帧空闲时长进行补偿。

通过上述空闲时长的添加，一个长帧具有如下特点：

(1)任何一个长帧，其时长是相等的，且等于同步帧发送周期；

(2)在同一个长帧中，子帧的时长都是相等的，均等于子节点发送周期T；

(3)在同一个子帧内，子时隙时长都是不相等的，而且随着子时隙号增加而增长；但在不同的子帧内，同号的子时隙时长都是相等的，从而使得每个子节点上传数据的周期都是相等的，且等于T。

由于节点的晶体振荡器频率会发生漂移，传统的TDMA每隔一个固定时间均需要根节点发送同步帧，子节点需要提前进入接收状态进行接收，以便时钟同步，但频繁的同步操作会显著提高子节点的能耗，如果子节点是电池供电，会影响子节点生命周期。故本实施例中提出的低能耗时钟同步机制，最大限度地增大节点需要同步的间隔，降低子节点唤醒的频率。该方法特别适合子节点必须是电池供电的场合，如库存管理中电池供电的有源电子标签。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。