基于线性预测的TDMA动态时隙分配的节点及其方法与流程

本发明属于无线wi-fi通信技术领域，具体涉及一种基于线性预测的tdma动态时隙分配的节点及其方法。

背景技术：

近年来，随着工业技术的革新，工业物联网的应用范围越来越广。传统工业物联网无线协议主要是采用ieee802.15.4协议，但现在，wi-fi技术逐渐成为工业物联网的主流技术。凭借速率高、价格低、开发方便等优势，wi-fi在工业物联网界得到迅速普及，许多工业设备厂商都推出了针对ieee802.11协议族的工业无线以太网产品。

为了满足工业物联网中通信的实时性要求，现有技术通过将ieee802.11协议由原有的载波监听多路访问(carriersensemultipleaccess，csma)改造为时分多址接入(timedivisionmultipleaccess，tdma)方式。目前基于tdma协议工业无线技术主要采用相对固定时隙分配方法，每个设备节点需要人工配置或者重新连接才能更新分配的时隙资源数目，适用于单一类型的传统传感设备。随着越来越多的音视频设备作为媒体控制应用不断地部署到工厂中，为数据业务带来了多样化特性的同时，也造成传输业务在时延和带宽上的需求具有多样性。现有的时隙分配算法不能根据业务的变化而调整分配方案，无法满足已经多样化的工业物联网数据业务，因此，工业界亟需一种针对工业环境中传输业务多样性的实时动态时隙分配方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于工业物联网业务多样性的时隙分配方法，尤其涉及一种基于线性预测的tdma动态时隙分配的节点及其方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于线性预测的tdma动态时隙分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、将时间划分为周期性的超帧，其中，所述超帧至少包括信标帧、反馈帧和数据传输帧；

s2、设备节点在反馈帧向接入节点发送第一消息，其中，所述第一消息包括设备节点当前数据队列长度消息和/或更新标志消息；

s3、接入节点基于所述第一消息，进行线性回归预测；

s4、接入节点将预测的时隙分配信息经由信标帧发送至设备节点。

可选地，所述信标帧包括在保留字段的添加部分，其中，所述添加部分至少携带调度字段，用以携带预测的时隙分配信息。

可选地，所述接入节点基于所述第一消息进行线性回归预测之前，还包括根据第一消息中的更新标志消息进行参数更新。

可选地，所述接入节点基于所述第一消息，进行线性回归预测还包括，使用第一参数ω和第二参数b，通过公式f(tn)＝ωtn+b，n∈(1,2,…,k)计算k个设备节点中的设备节点n在队列长度为tn时的预测时隙分配数f(tn)。

本公开中的方法利用线性预测算法，有效地解决了时隙分配的难题，圆满地解决了现有工业物联网中业务多样性带来的资源分配技术问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1是本发明采用的超帧结构示意图；

图2是本发明采用的反馈帧结构示意图；

图3是本发明采用的动态时隙分配流程框图；

图4是本发明采用的基于线性回归的时隙预测算法流程框图；

图5是本发明采用的beacon帧结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步的说明。

如图1所示，为本发明所采用的超帧结构示意图。对于超帧t，在其周期范围内，被划分为信标区(beacon)，反馈区(csma)和数据传输区(tdma)。在任一区域内，均包含至少一个时隙(timeslot)。较好地，可以将信标区的时隙定义为1个时隙，反馈区定义为3个时隙，以及数据传输区定位为30个时隙长度。较好地，接入节点(accesspoint，ap)在信标区以广播形式发送信标信号，信标信号包含诸多系统信息，同步信息，以及各种资源分配信息，比如时隙分配表。多种业务发送的设备节点则在反馈区中向ap发送各种反馈信息，或者请求信息等，或者由ap向设备节点发送ack应答信息。最后在数据传输区，ap与设备节点之间上下行通信。

参考图2，是本发明的反馈区帧结构示意图。在其中，示例地包含24字节的头部信息，7字节的帧信息以及fcs字段。在7字节的帧信息中，包含了帧识别码(elementid)，帧长度信息(length)，设备节点的关联识别码(associationid，aid)，以及数据队列长度信息(dataqueuelength)。反馈区发送的管理帧也被称作info_feedback帧。通常地，如果设备节点成功发送info_feedback帧，则ap将会返回ack应答帧；如果发送失败或者没有收到任何应答或者受到nack应答帧，则设备节点将在下一个反馈阶段内重新发送info_feedback帧。

参考图3，为本发明优选实施例的动态时隙分配流程框图。在图中，步骤301是当前信道资源的总体划分方案。整个系统将时间资源划分为周期性的超帧，即如图1所述的超帧，进一步地将其划分为多个相等或不等的时隙，又将相等数量或者不相等数量的相邻时隙组成三个区域。其中第一区域用于ap发送包括信标beacon在内的广播信息，同步信息，设备节点专用信息等，称为信标区。相邻的部分时隙组成反馈区(csma)，用于设备节点向ap或者由ap向设备节点发送反馈信息。反馈信息的组成复杂多样，比如设备节点可以向ap反馈信道信息，反馈ap请求的任何信息，或者反馈缓存队列长度信息等。同样，ap也可以在本区域向设备节点反馈信息，主要包括ack/nack应答信息。

在步骤302，设备节点向ap发送反馈的第一信息。其中，所述第一信息负载在如图2所示的管理帧结构上。第一信息中至少包含数据队列长度信息和更新标志位，由设备节点发送至ap，以告知ap，此刻在设备节点处有多少数据需要分配时隙。另一方面，设备节点产生了需要发送的数据队列，还需要根据历史时隙分配信息与当前需要发送的数据队列长度进行比较和判断，此前的时隙分配是否满足要求。若不满足要求，则将第一信息中更新标志位置1，表示需要更新参数。若已满足要求，则将第一信息中更新标志位置0，表示无需更新参数。

步骤303，ap依据接收到的第一信息中的至少数据队列长度信息和更新标志位进行线性回归预测，获得预测的时隙分配结果。若更新标志位为0，则采用原有的参数。若更新标志位为1，则需要重新计算更新参数。无论原有参数还是更新后的参数，均包含第一参数ω和第二参数b。对于任一次计算参数，都是基于最小二乘法建立数据模型，通过均方误差最小化进行求解第一参数ω和第二参数b的值，如下所示：

通过函数对ω和b求偏导数计算出ω和b的特定值：

其中，表示设备节点前n次预测分配时隙的平均数目，表示设备节点前n次数据队列平均长度，f(ti)表示设备节点第i次预测分配的时隙数，n表示设备节点分配时隙的历史总次数，si表示设备节点的第i次分配的时隙数，ti表示设备节点历史第i次数据队列长度。

即当设备节点认为需要更新时，请求ap更新，则ap依照本算法，使用历史数据队列长度信息ti(i＝1,2,...,n)，计算对应的第一参数ω和第二参数b。无需更新时，可略过此计算内容。

使用第一参数和第二参数，ap通过公式f(tn)＝ωtn+b，n∈(1,2,…,k)建立时隙预测模型。其中，tn表示设备节点n的当前数据队列长度，f(tn)表示在tn下预测的时隙数目，ω和b是预测函数的参数，也即前述步骤中的第一参数和第二参数。预测的目的是让f(tn)的值靠近设备节点n实际需要的时隙数目sn，即

如图4所示的计算流程，ap存有设备节点发送的历史队列长度信息，基于该信息，ap能够或者曾经计算出适合与历史队列信息的第一参数和第二参数。ap从设备节点接收第一信息，还包括识别更新标志位是否需要更新。若需要更新，则按照步骤303中所述的方案，进行一次参数计算，并将设备节点此次发送的队列线长度信息输入更新参数后的预测模型；若无需更新，则直接将设备节点此次发送的队列长度信息输入原有参数的预测模型。ap在两种选项中均计算出预测的设备节点时隙分配结果，将此结果更新到历史队列长度信息中。

回到图3中，在步骤304，ap依据计算好的各设备节点预测时隙分配数目，列出时隙表，经由信标区发送至各设备节点，各设备节点依据所述时隙表与ap进行通信。

参考图5，是本发明采用的beacon帧结构示意图。为了适应本发明中的方案，在原有的beacon帧结构中，将保留字段的部分或全部修改为本发明的添加部分帧，用于携带所述时隙分配信息，比如时隙表。其中，时隙分配信息在存放在schedule字段，其他内容还可以包括帧识别码(elementid)字段，帧长度信息字段(length)，绝对超帧号(asn)字段，当前超帧长度(slen)字段和指示schedule字段大小的size字段。其中，各个设备节点的时隙分配信息通过位运算添加到schedule字段。设备节点根据aid通过位运算解析出专属的时隙分配信息，并更新自身的时隙表。

本发明还涉及一种接入节点ap，包括接收模块、预测模块、中央处理器、发射模块等。将时间划分为的周期性超帧中包括信标帧、反馈帧和数据传输帧，在通信过程中，所述接收模块在反馈帧中接收来自设备节点的第一消息，其中，所述第一消息中包括设备节点当前数据队列长度消息和/或更新标志消息；预测模块基于所述第一消息，进行线性回归预测；发射模块将预测的时隙分配信息经由信标帧发送至设备节点。

本发明还涉及一种设备节点，包括接收模块、发射模块、中央处理器、缓冲存储器模块等。将时间划分为的周期性超帧中包括信标帧、反馈帧和数据传输帧，在通信过程中，所述发射模块在反馈帧中发送第一消息至接入节点，其中，所述第一消息中包括设备节点当前缓冲存储器中保存的数据队列长度消息和/或更新标志消息；接收模块在信标帧中接收接入节点ap发送来的预测的时隙分配信息。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：rom、ram、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。