专利名称：基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线mesh网络技术领域，尤其涉及基于卫星授时与TDMA的长距离无线mesh网络分时隙MAC协议类型的实现系统及方法。
背景技术：
基于IEEE 802. 11 的长距离无线 mesh 网络 LDmesh (Long-Distance wirelessmesh networks)是指相邻节点间链路距离很长(长至几十到上百公里)的无线mesh网络，它的节点采用廉价的大功率IEEE 802. 11无线网卡和高增益定向天线，以实现长距离信号覆盖。如图I所示，节点通常由多个嵌入式硬件设备(如无线路由设备)通过交换机(Hub)互联而成。每个嵌入式硬件设备都配有I个802. 11无线网卡，称为节点的接口，因此该节点也称为多接口节点。LDmesh网络支持网状拓扑结构，通常包含I个或几个网关节点用于 接入 Internet。LDmesh 网络使用公开 ISM (Industrial Scientific and Medical)频段，无需缴纳频段使用费。耗电量低，可使用太阳能等清洁能源供电，不依赖市电供应，可以工作在极端恶劣的野外环境。LDmesh网络具有成本低、带宽高、覆盖广、易于部署和维护的特点，性价比高，可以广泛应用于偏远地区/人口分布稀疏地区的无线宽带接入，还可应用于野外大区域的宽带网络部署，如自然保护区(湿地、森林、草原)的环境监控，偏远地区的远程医疗和远程教育等。MAC协议是影响长距离无线mesh网络性能的关键技术，原有CSMA/CA协议面临ACK超时、侦听机制失效、相邻链路间干扰等问题，因此研究适用于长距离无线mesh网络的MAC协议具有重要的意义。在LDmesh网络中，一个节点通常包含多个接口以便连接多条链路，这些设备都安装在一个通信塔上。由于电磁信号的泄露产生近场效应(near-field effect)，相邻链路使用相同信道时会产生链路间干扰，导致同一个节点的多个接口只能同时发送或接收(Syn-Tx, Syn-Rx)数据，不能有的发送有的接收，因此只能使用TDMA(Time DivisionMultiple Access)类型的MAC协议。现有技术中，Raman等提出了基于固定时隙TDMA的2PMAC协议；WildNet、JazzyMac, JaldiMac等协议都是在2P MAC协议的基础上进行的改进。这些协议都使用信令包(如marker包或token包)实现不同节点/接口间的同步,一旦用于同步的信令包丢失就会导致MAC协议的失效，需要重新同步。此外，国内对于TDMA类型的MAC协议也有着一定的研究。赵民建、罗志勇等人提出了一种Ad Hoc网络TDMA时隙同步方法(《一种Ad hoc网络TDMA时隙同步方法》，中国专利CN200510035710. 9)，将TDMA系统中各节点时元的每个时帧的第一个时隙设置为用于竞争的管理时隙，且通过选举产生时间主控节点和备份主控节点，在主控节点与其余次节点之间采用跳频数传方式发送时间同步信息并设置一个换频计数器来实现收发双方的换频基准一致；增设一个时隙计数器和一个时帧计数器而实现各节点之间的时间同步和时间更新并使整个网络的各节点时间基准基本一致。它可以在一定程度上解决Ad Hoc网络中TDMA时隙同步的问题，不过由于其网络中各节点发送大量的时间同步消息，产生不必要的开销。另外，由于采用网络中主控节点的时间作为整个网络的时隙同步基准，而该节点的时钟信息不能保证准确，因此可扩展性不强。同时，若主控节点失效，整个协议就会失效。此夕卜，该技术并不适用于长距离无线mesh网络。卫星授时，是指设备或系统根据接收到的卫星发播的时间信号进行本地校时，它是授时的手段之一。较之短波授时、长波授时等其他授时手段，它的精度更高，可精确到纳秒级。随着科学技术的不断发展，以往较低精度的授时手段已经不能满足应用需要，因此卫星授时这一高精度授时手段的应用，可以满足各行各业对于时间精度日益增长的需求，对于科学技术乃至全社会的发展起到积极的促进作用。
发明内容
基于上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议，旨在根据长距离无线mesh网络的基本特点与技术需求，针对原有MAC协议不适用于长距离无线mesh网络的特点，以及TDMA协议面临的问题，提出一种基于卫星 授时的长距离无线mesh网络分时隙MAC协议，以提高长距离无线mesh网络的性能。本发明提出了一种基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议，该MAC协议应用于包括多个多接口节点，每个节点由多个嵌入式硬件设备通过交换机互联，每个嵌入式硬件设备都配有无线网卡的长距离无线mesh网络环境中，每个节点部署具有授时功能的卫星定位模块，其特征在于，节点启动后即读取卫星定位模块的时钟进行时钟同步，以后定期进行时钟同步；利用卫星定位模块的精确时钟来实现各个节点间、同一节点的不同接口间时钟的同步；网络中所有节点工作在同一个信道，同一个节点的不同接口同时处于发送或者接收状态，即同时发送或者接收数据；所述发送/接收的时隙长度相同；所述每个时隙长度中都配置有累积ACK传输机制，所述累积ACK传输机制对上个时隙发送的帧进行确认，释放成功发送的数据帧，保留丢失的数据帧，仍存放在发送队列中，等到下次发送时隙再次发送。所述MAC协议中，若发送方发送的累积ACK帧丢失，接收方无法确认上一时隙其发送的数据帧是否被成功接收，保留发送队列中上一时隙发送的全部数据帧；下一时隙，发送方切换为接收状态，接收方切换到发送状态，接下来接收方首先发送累积ACK帧，然后将发送队列中的数据帧依次发送，发送方根据收到的累积ACK帧对上个时隙发送的帧进行确认，释放成功发送的数据帧，保留丢失的数据帧，仍存放在发送队列中，等到下次发送时隙再次发送。接下来，发送方接收到接收方发送的数据帧，丢弃上个接收时隙已经接收到的数据帧，并将成功接收到的新的数据帧记录下来，待下个时隙发送累积ACK使用。若所述某受控节点的卫星授时失败，则将当前节点与其邻居节点同步时间，以维持时间精确；等待本节点卫星授时成功。与现有技术相比，本申请提出了基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议ST-TDMA (Satellite Timing-TDMA),它使用卫星授时技术同步LDmesh网络中的所有节点和链路操作，不需要信令包，同步简单易行；能够保证传输的可靠性和效率。
图I为本发明的长距离无线mesh网络架构图2为本发明的基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议ST-TDMA工作原理图；图3为基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议ST-TDMA架构示意图；图4为长距离无线mesh网络中一个典型的网络拓扑图；图5为长距离无线mesh网络实际运行中的实例图。
具体实施例方式下面通过具体实施例及附图对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如何保证各节点的时钟同步，以及同一节点的各个接口间的时钟同步，是决定网络性能的关键因素。因此，提出了基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议ST-TDMA(Satellite Timing-TDMA)。如图2所示，本发明的基本原理为(I)使用卫星授时进行同步。在每个节点部署具有授时功能的卫星定位模块，利用卫星定位模块的精确时钟来实现各个节点间、同一节点的不同接口间时钟的同步。节点启动后即读取卫星定位模块的时钟进行时钟同步，以后定期进行时钟同步，以确保各个节点时钟同步的精度。(2)两状态固定时隙TDMA调度机制网络中所有节点工作在同一个信道，为避免相邻链路间的干扰，采用两状态(“发送”/ “接收”状态)工作方式，同一节点中所有接口的状态相同，相邻节点的状态不同。也就是说，同一个节点的不同接口同时处于“发送”或者“接收”状态，即同时发送或者接收数据。显然如果一个节点处于“发送”状态，它的邻居节点必须都处于“接收”状态；反之亦然。这样就要求网络拓扑结构为二分图。假定网络在构建时已经具有二分图拓扑结构，即节点分为2个互不相交的集合A和B，若一个节点在集合A中，则它的所有邻居节点都在集合B中。假定所有节点事先配置好所属集合。“接收”/ “发送”时隙长度相同，且设为固定值T_s，通常在几十毫秒，比如20ms。这样I秒就可以分成n (= 1000ms / T_s)个时隙，选择T_s使得η为整数。为简单起见，η为偶数值。规定属于集合A的节点在奇数时隙(第1，3，5，……n-Ι个时隙)处于发送状态，在偶数时隙(第2，4，6，……η个时隙)处于接收状态。属于集合B的节点在奇数时隙处于接收状态，在偶数时隙处于发送状态。优点(a)完全分布式操作，不需要节点间交换状态信息，可扩展性好。(b)每个节点只需要按秒来划分时隙，确定当前的工作状态，计算简便易行，差错不会累积。(C)方便节点的增加/删除/故障的处理。对于新增的节点，只需设定其所属集合即可。某节点删除后只会影响到经由它转发数据的链路，只要网络结构合理规划就不会影响到其它节点。出现故障的节点恢复后即可重新加入网络，不需任何配置。( 3)累积ACK的可靠传输机制虽然在上述两状态TDMA调度机制下，不会产生链路间信号干扰，但是长距离无线链路容易受到外部干扰或者信号传输衰落的影响而造成丢包。另外，在一个发送时隙通常能发送多个数据包，但是只能在下个时隙才能得到反馈信息。鉴于此，设计了累积ACK的可靠传输机制以提高传输的可靠性和效率。ST-TDMA协议采用累积ACK的可靠传输控制。在Tx时隙，节点首先发送一个累积ACK巾贞，累积ACK帧中对上一个时隙接收到的数据帧进行确认。累积ACK帧中的相关内容通过Rx时隙的接收情况来设置，根据接收缓冲区中成功接收的帧序列号制作32位的应答窗口，将成功接收的帧序列号对应的位设置为1，其余位设置为O。然后将发送队列中的数据帧依次发送，直到时隙长度已经达到了预定的时隙长度，然后节点进入Rx时隙。需要注意的是，此时发送的数据包括新数据以及重传的数据。
在Rx时隙，节点接收对方发送的数据帧，将成功接收到的数据帧记录下来，以便下个时隙发送ACK所用。根据接收到的累积ACK确定需要重传的数据帧。当到达下一个时隙时，切换至Tx时隙。ST-TDMA协议的累积ACK的可靠传输机制可以保证以下两种情况下的可靠传输(a)数据帧丢失的处理若发送方X发送的数据帧丢失，接收方Y记录的成功接收到的数据帧中不包括丢失的数据帧。下一时隙，X切换为接收状态，Y切换到发送状态。接下来Y首先发送累积ACK帧，其能够表示Y在上一时隙未收到该丢失数据帧，然后将发送队列中的数据帧依次发送。X根据收到的累积ACK帧对上个时隙发送的帧进行确认，释放成功发送的数据帧，保留丢失的数据帧，仍存放在发送队列中，等到下次发送时隙再次发送。接下来，接收Y发送的数据帧，将成功接收到的数据帧记录下来，待下个时隙发送累积ACK使用。(b)累积ACK帧丢失的处理若发送方X发送的累积ACK帧丢失，接收方Y无法确认上一时隙其发送的数据帧是否被成功接收，因此保留发送队列中上一时隙发送的全部数据帧。下一时隙，X切换为接收状态，Y切换到发送状态。接下来Y首先发送累积ACK帧，然后将发送队列中的数据帧依次发送。X根据收到的累积ACK帧对上个时隙发送的帧进行确认，释放成功发送的数据帧，保留丢失的数据帧，仍存放在发送队列中，等到下次发送时隙再次发送。接下来，X接收Y发送的数据帧，丢弃上个接收时隙已经接收到的数据帧，并将成功接收到的新的数据帧记录下来，待下个时隙发送累积ACK使用。卫星授时失效的处理如果某受控节点的卫星授时失败，与其邻居节点同步时间，以维持时间精确；等待本节点卫星授时成功。综上所述，基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议ST-TDMA实现了网络中各个节点之间、同一节点的不同接口间的同步发送与接收，保证了数据的高效可靠传输。以下为本发明的具体实施例的描述基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议ST-TDMA运行在无线路由器中，网络中的每个节点均是配备卫星授时功能的无线路由器。如图4所示，为长距离无线mesh网络一个典型的网络拓扑图。在该网络拓扑实例中实现以下设定I、网络初始化阶段，各节点首先通过卫星定位模块同步自身的时钟，Tx时隙和Rx时隙长度都设置为20ms。2、网络已经具有二分图拓扑结构，节点2、6、7、8组成独立集A，其各节点的所有接口的状态设定在每秒开始的奇数时隙为Tx，偶数时隙为Rx ;另外，节点为1、3、4、5、9构成独立集B，其各节点的所有接口的状态设定在每秒开始的奇数时隙为Rx，偶数时隙为Tx ；3、如图5所示，是长距离无线mesh网络实际运行中的一个实例，其中节点M属于集合A，节点N属于集合B。I)第一个时隙长度内，节点M处于发送状态，节点N处于接收状态。节点M依次发送数据帧MO、Ml、M2、M3，其中，节点N成功接收数据帧MO、Ml、M3，数据帧M2在传输过程中丢失，节点N记录成功接收的数据中贞。2)第二个时隙长度内，节点M切换至接收状态，节点N切换至发送状态。接下来节点N首先发送累积ACK帧，表示节点N在上一时隙未收到M2，然后将节点N发送队列中的数据帧NO、NI、N2、N3依次发送。节点M解析收到的累积ACK帧，释放成功发送的数据帧MO、M1、M3，保留丢失的数据帧M2，即M2仍存放在发送队列中，等到下次发送时隙再次发送。接下来，节点M成功接收节点N发送的数据帧NO、NI、N2、N3。3)第三个时隙长度内，节点M切换至发送状态，节点N切换至接收状态。节点M首·先发送累积ACK帧，然后发送上一发送时隙丢失的数据帧M2，以及新的数据帧M4、M5、M6。节点N未成功接收到节点M发送的累积ACK巾贞,则记录不到成功接收的数据巾贞,则上个发送时隙发送的数据帧NO、NI、N2、N3依旧保存在发送队列中。接下来记录成功接收的数据帧M2、M4、M5、M6。4)第四个时隙长度内，节点M切换至接收状态，节点N切换至发送状态。节点N首先发送累积ACK帧，表示上个时隙成功接收M2、M4、M5、M6，然后依次发送N0、N1、N2、N3。节点M接收到累积ACK，释放成功发送的数据帧M2、M4、M5、M6。接下来接收数据帧，由于NO、NI、N2、N3已经记录为成功接收，节点M丢弃数据帧NO、NI、N2、N3。5)依次反复。从以上实例可以看出，本发明提出的协议ST-TDMA能够充分保证传输的可靠性和效率。所提出的基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议ST-TDMA，使得长距离无线mesh网络的性能得到了很大的提升，具有重要的实用价值以及广阔的应用前景。应用范围基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议ST-TDMA高度适用于长距离无线mesh网络，在原有TDMA的基础上提高了网络性能。该MAC协议能够广泛应用于野外大区域的宽带网络部署，如自然保护区(湿地、森林、草原)的环境监控，偏远地区的远程医疗和远程教育等。在我国大力发展西部农村经济，缩短东西部差距，建设新农村的政策方针以及保护绿色地球的背景下，该方案的提出，具有重要社会和经济意义。
权利要求
1.一种基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议，该MAC协议应用于包括多个多接口节点，每个节点由多个嵌入式硬件设备通过交换机互联，每个嵌入式硬件设备都配有无线网卡的长距离无线mesh网络环境中，每个节点部署具有授时功能的卫星定位模块，其特征在于，节点启动后即读取卫星定位模块的时钟进行时钟同步，以后定期进行时钟同步；利用卫星定位模块的精确时钟来实现各个节点间、同一节点的不同接口间时钟的同步；网络中所有节点工作在同一个信道，同一个节点的不同接口同时处于发送或者接收状态，即同时发送或者接收数据；所述发送/接收的时隙长度相同； 所述每个时隙长度中都配置有累积ACK传输机制，所述累积ACK传输机制对上个时隙发送的帧进行确认，释放成功发送的数据帧，保留丢失的数据帧，仍存放在发送队列中，等到下次发送时隙再次发送。
2.如权利要求I所述的基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议，其特征在于，所述MAC协议中，若发送方发送的累积ACK帧丢失，接收方无法确认上一时隙其发送的数据帧是否被成功接收，保留发送队列中上一时隙发送的全部数据帧；下一时隙，发送方切换为接收状态，接收方切换到发送状态，接下来接收方首先发送累积ACK帧，然后将发送队列中的数据帧依次发送，发送方根据收到的累积ACK帧对上个时隙发送的帧进行确认，释放成功发送的数据帧，保留丢失的数据帧，仍存放在发送队列中，等到下次发送时隙再次发送。接下来，发送方接收到接收方发送的数据帧，丢弃上个接收时隙已经接收到的数据帧，并将成功接收到的新的数据帧记录下来，待下个时隙发送累积ACK使用。
3.如权利要求I所述的基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议，其特征在于，若所述某受控节点的卫星授时失败，则将当前节点与其邻居节点同步时间，以维持时间精确；等待本节点卫星授时成功。
全文摘要
本发明公开了一种基于卫星授时的长距离无线mesh网络MAC协议，该MAC协议包括多接口节点，每个节点由多个嵌入式硬件设备通过交换机互联，每个嵌入式硬件设备都配有无线网卡，每个节点部署具有授时功能的卫星定位模块，节点启动后即读取卫星定位模块的时钟进行时钟同步，以后定期进行时钟同步；利用卫星定位模块的精确时钟来实现各个节点间、同一节点的不同接口间时钟的同步；网络中所有节点工作在同一个信道，同一个节点的不同接口同时处于发送或者接收状态，即同时发送或者接收数据；以及配置有累积ACK传输机制；所述每个时隙长度中都配置有累积ACK传输机制。与现有技术相比，本发明不需要信令包，同步简单易行；能够保证传输的可靠性和效率。
文档编号H04W56/00GK102883426SQ20121038324
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月11日 优先权日2012年10月11日
发明者赵增华, 邹宇 申请人:天津大学