專利名稱：基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于衛(wèi)星授時(shí)與TDMA的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)分時(shí)隙MAC協(xié)議類型的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
基于IEEE 802. 11 的長(zhǎng)距離無線 mesh 網(wǎng)絡(luò) LDmesh (Long-Distance wirelessmesh networks)是指相鄰節(jié)點(diǎn)間鏈路距離很長(zhǎng)(長(zhǎng)至幾十到上百公里)的無線mesh網(wǎng)絡(luò)，它的節(jié)點(diǎn)采用廉價(jià)的大功率IEEE 802. 11無線網(wǎng)卡和高增益定向天線，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離信號(hào)覆蓋。如圖I所示，節(jié)點(diǎn)通常由多個(gè)嵌入式硬件設(shè)備(如無線路由設(shè)備)通過交換機(jī)(Hub)互聯(lián)而成。每個(gè)嵌入式硬件設(shè)備都配有I個(gè)802. 11無線網(wǎng)卡，稱為節(jié)點(diǎn)的接口，因此該節(jié)點(diǎn)也稱為多接口節(jié)點(diǎn)。LDmesh網(wǎng)絡(luò)支持網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常包含I個(gè)或幾個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)用于 接入 Internet。LDmesh 網(wǎng)絡(luò)使用公開 ISM (Industrial Scientific and Medical)頻段，無需繳納頻段使用費(fèi)。耗電量低，可使用太陽(yáng)能等清潔能源供電，不依賴市電供應(yīng)，可以工作在極端惡劣的野外環(huán)境。LDmesh網(wǎng)絡(luò)具有成本低、帶寬高、覆蓋廣、易于部署和維護(hù)的特點(diǎn)，性價(jià)比高，可以廣泛應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)/人口分布稀疏地區(qū)的無線寬帶接入，還可應(yīng)用于野外大區(qū)域的寬帶網(wǎng)絡(luò)部署，如自然保護(hù)區(qū)(濕地、森林、草原)的環(huán)境監(jiān)控，偏遠(yuǎn)地區(qū)的遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程教育等。MAC協(xié)議是影響長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵技術(shù)，原有CSMA/CA協(xié)議面臨ACK超時(shí)、偵聽機(jī)制失效、相鄰鏈路間干擾等問題，因此研究適用于長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議具有重要的意義。在LDmesh網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)通常包含多個(gè)接口以便連接多條鏈路，這些設(shè)備都安裝在一個(gè)通信塔上。由于電磁信號(hào)的泄露產(chǎn)生近場(chǎng)效應(yīng)(near-field effect)，相鄰鏈路使用相同信道時(shí)會(huì)產(chǎn)生鏈路間干擾，導(dǎo)致同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)接口只能同時(shí)發(fā)送或接收(Syn-Tx, Syn-Rx)數(shù)據(jù)，不能有的發(fā)送有的接收，因此只能使用TDMA(Time DivisionMultiple Access)類型的MAC協(xié)議。現(xiàn)有技術(shù)中，Raman等提出了基于固定時(shí)隙TDMA的2PMAC協(xié)議；WildNet、JazzyMac, JaldiMac等協(xié)議都是在2P MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)。這些協(xié)議都使用信令包(如marker包或token包)實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)/接口間的同步,一旦用于同步的信令包丟失就會(huì)導(dǎo)致MAC協(xié)議的失效，需要重新同步。此外，國(guó)內(nèi)對(duì)于TDMA類型的MAC協(xié)議也有著一定的研究。趙民建、羅志勇等人提出了一種Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)TDMA時(shí)隙同步方法(《一種Ad hoc網(wǎng)絡(luò)TDMA時(shí)隙同步方法》，中國(guó)專利CN200510035710. 9)，將TDMA系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)時(shí)元的每個(gè)時(shí)幀的第一個(gè)時(shí)隙設(shè)置為用于競(jìng)爭(zhēng)的管理時(shí)隙，且通過選舉產(chǎn)生時(shí)間主控節(jié)點(diǎn)和備份主控節(jié)點(diǎn)，在主控節(jié)點(diǎn)與其余次節(jié)點(diǎn)之間采用跳頻數(shù)傳方式發(fā)送時(shí)間同步信息并設(shè)置一個(gè)換頻計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的換頻基準(zhǔn)一致；增設(shè)一個(gè)時(shí)隙計(jì)數(shù)器和一個(gè)時(shí)幀計(jì)數(shù)器而實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步和時(shí)間更新并使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)時(shí)間基準(zhǔn)基本一致。它可以在一定程度上解決Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中TDMA時(shí)隙同步的問題，不過由于其網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)發(fā)送大量的時(shí)間同步消息，產(chǎn)生不必要的開銷。另外，由于采用網(wǎng)絡(luò)中主控節(jié)點(diǎn)的時(shí)間作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙同步基準(zhǔn)，而該節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信息不能保證準(zhǔn)確，因此可擴(kuò)展性不強(qiáng)。同時(shí)，若主控節(jié)點(diǎn)失效，整個(gè)協(xié)議就會(huì)失效。此夕卜，該技術(shù)并不適用于長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星授時(shí)，是指設(shè)備或系統(tǒng)根據(jù)接收到的衛(wèi)星發(fā)播的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行本地校時(shí)，它是授時(shí)的手段之一。較之短波授時(shí)、長(zhǎng)波授時(shí)等其他授時(shí)手段，它的精度更高，可精確到納秒級(jí)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以往較低精度的授時(shí)手段已經(jīng)不能滿足應(yīng)用需要，因此衛(wèi)星授時(shí)這一高精度授時(shí)手段的應(yīng)用，可以滿足各行各業(yè)對(duì)于時(shí)間精度日益增長(zhǎng)的需求，對(duì)于科學(xué)技術(shù)乃至全社會(huì)的發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，旨在根據(jù)長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)的基本特點(diǎn)與技術(shù)需求，針對(duì)原有MAC協(xié)議不適用于長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，以及TDMA協(xié)議面臨的問題，提出一種基于衛(wèi)星 授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)分時(shí)隙MAC協(xié)議，以提高長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)的性能。本發(fā)明提出了一種基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，該MAC協(xié)議應(yīng)用于包括多個(gè)多接口節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由多個(gè)嵌入式硬件設(shè)備通過交換機(jī)互聯(lián)，每個(gè)嵌入式硬件設(shè)備都配有無線網(wǎng)卡的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)部署具有授時(shí)功能的衛(wèi)星定位模塊，其特征在于，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后即讀取衛(wèi)星定位模塊的時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘同步，以后定期進(jìn)行時(shí)鐘同步；利用衛(wèi)星定位模塊的精確時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間、同一節(jié)點(diǎn)的不同接口間時(shí)鐘的同步；網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)工作在同一個(gè)信道，同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的不同接口同時(shí)處于發(fā)送或者接收狀態(tài)，即同時(shí)發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)；所述發(fā)送/接收的時(shí)隙長(zhǎng)度相同；所述每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度中都配置有累積ACK傳輸機(jī)制，所述累積ACK傳輸機(jī)制對(duì)上個(gè)時(shí)隙發(fā)送的幀進(jìn)行確認(rèn)，釋放成功發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，保留丟失的數(shù)據(jù)幀，仍存放在發(fā)送隊(duì)列中，等到下次發(fā)送時(shí)隙再次發(fā)送。所述MAC協(xié)議中，若發(fā)送方發(fā)送的累積ACK幀丟失，接收方無法確認(rèn)上一時(shí)隙其發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否被成功接收，保留發(fā)送隊(duì)列中上一時(shí)隙發(fā)送的全部數(shù)據(jù)幀；下一時(shí)隙，發(fā)送方切換為接收狀態(tài)，接收方切換到發(fā)送狀態(tài)，接下來接收方首先發(fā)送累積ACK幀，然后將發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)幀依次發(fā)送，發(fā)送方根據(jù)收到的累積ACK幀對(duì)上個(gè)時(shí)隙發(fā)送的幀進(jìn)行確認(rèn)，釋放成功發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，保留丟失的數(shù)據(jù)幀，仍存放在發(fā)送隊(duì)列中，等到下次發(fā)送時(shí)隙再次發(fā)送。接下來，發(fā)送方接收到接收方發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，丟棄上個(gè)接收時(shí)隙已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)幀，并將成功接收到的新的數(shù)據(jù)幀記錄下來，待下個(gè)時(shí)隙發(fā)送累積ACK使用。若所述某受控節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星授時(shí)失敗，則將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)同步時(shí)間，以維持時(shí)間精確；等待本節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星授時(shí)成功。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)?zhí)岢隽嘶谛l(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議ST-TDMA (Satellite Timing-TDMA),它使用衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)同步LDmesh網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)和鏈路操作，不需要信令包，同步簡(jiǎn)單易行；能夠保證傳輸?shù)目煽啃院托省?br>

圖I為本發(fā)明的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖2為本發(fā)明的基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議ST-TDMA工作原理圖；圖3為基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議ST-TDMA架構(gòu)示意圖；圖4為長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；圖5為長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行中的實(shí)例圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實(shí)施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
如何保證各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，以及同一節(jié)點(diǎn)的各個(gè)接口間的時(shí)鐘同步，是決定網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素。因此，提出了基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議ST-TDMA(Satellite Timing-TDMA)。如圖2所示，本發(fā)明的基本原理為(I)使用衛(wèi)星授時(shí)進(jìn)行同步。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)部署具有授時(shí)功能的衛(wèi)星定位模塊，利用衛(wèi)星定位模塊的精確時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間、同一節(jié)點(diǎn)的不同接口間時(shí)鐘的同步。節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后即讀取衛(wèi)星定位模塊的時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘同步，以后定期進(jìn)行時(shí)鐘同步，以確保各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步的精度。(2)兩狀態(tài)固定時(shí)隙TDMA調(diào)度機(jī)制網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)工作在同一個(gè)信道，為避免相鄰鏈路間的干擾，采用兩狀態(tài)(“發(fā)送”/ “接收”狀態(tài))工作方式，同一節(jié)點(diǎn)中所有接口的狀態(tài)相同，相鄰節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)不同。也就是說，同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的不同接口同時(shí)處于“發(fā)送”或者“接收”狀態(tài)，即同時(shí)發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。顯然如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于“發(fā)送”狀態(tài)，它的鄰居節(jié)點(diǎn)必須都處于“接收”狀態(tài)；反之亦然。這樣就要求網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為二分圖。假定網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)建時(shí)已經(jīng)具有二分圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即節(jié)點(diǎn)分為2個(gè)互不相交的集合A和B，若一個(gè)節(jié)點(diǎn)在集合A中，則它的所有鄰居節(jié)點(diǎn)都在集合B中。假定所有節(jié)點(diǎn)事先配置好所屬集合?！敖邮铡? “發(fā)送”時(shí)隙長(zhǎng)度相同，且設(shè)為固定值T_s，通常在幾十毫秒，比如20ms。這樣I秒就可以分成n (= 1000ms / T_s)個(gè)時(shí)隙，選擇T_s使得η為整數(shù)。為簡(jiǎn)單起見，η為偶數(shù)值。規(guī)定屬于集合A的節(jié)點(diǎn)在奇數(shù)時(shí)隙(第1，3，5，……n-Ι個(gè)時(shí)隙)處于發(fā)送狀態(tài)，在偶數(shù)時(shí)隙(第2，4，6，……η個(gè)時(shí)隙)處于接收狀態(tài)。屬于集合B的節(jié)點(diǎn)在奇數(shù)時(shí)隙處于接收狀態(tài)，在偶數(shù)時(shí)隙處于發(fā)送狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)(a)完全分布式操作，不需要節(jié)點(diǎn)間交換狀態(tài)信息，可擴(kuò)展性好。(b)每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要按秒來劃分時(shí)隙，確定當(dāng)前的工作狀態(tài)，計(jì)算簡(jiǎn)便易行，差錯(cuò)不會(huì)累積。(C)方便節(jié)點(diǎn)的增加/刪除/故障的處理。對(duì)于新增的節(jié)點(diǎn)，只需設(shè)定其所屬集合即可。某節(jié)點(diǎn)刪除后只會(huì)影響到經(jīng)由它轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的鏈路，只要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理規(guī)劃就不會(huì)影響到其它節(jié)點(diǎn)。出現(xiàn)故障的節(jié)點(diǎn)恢復(fù)后即可重新加入網(wǎng)絡(luò)，不需任何配置。( 3)累積ACK的可靠傳輸機(jī)制雖然在上述兩狀態(tài)TDMA調(diào)度機(jī)制下，不會(huì)產(chǎn)生鏈路間信號(hào)干擾，但是長(zhǎng)距離無線鏈路容易受到外部干擾或者信號(hào)傳輸衰落的影響而造成丟包。另外，在一個(gè)發(fā)送時(shí)隙通常能發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包，但是只能在下個(gè)時(shí)隙才能得到反饋信息。鑒于此，設(shè)計(jì)了累積ACK的可靠傳輸機(jī)制以提高傳輸?shù)目煽啃院托?。ST-TDMA協(xié)議采用累積ACK的可靠傳輸控制。在Tx時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送一個(gè)累積ACK巾貞，累積ACK幀中對(duì)上一個(gè)時(shí)隙接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行確認(rèn)。累積ACK幀中的相關(guān)內(nèi)容通過Rx時(shí)隙的接收情況來設(shè)置，根據(jù)接收緩沖區(qū)中成功接收的幀序列號(hào)制作32位的應(yīng)答窗口，將成功接收的幀序列號(hào)對(duì)應(yīng)的位設(shè)置為1，其余位設(shè)置為O。然后將發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)幀依次發(fā)送，直到時(shí)隙長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到了預(yù)定的時(shí)隙長(zhǎng)度，然后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入Rx時(shí)隙。需要注意的是，此時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)包括新數(shù)據(jù)以及重傳的數(shù)據(jù)。
在Rx時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)接收對(duì)方發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，將成功接收到的數(shù)據(jù)幀記錄下來，以便下個(gè)時(shí)隙發(fā)送ACK所用。根據(jù)接收到的累積ACK確定需要重傳的數(shù)據(jù)幀。當(dāng)?shù)竭_(dá)下一個(gè)時(shí)隙時(shí)，切換至Tx時(shí)隙。ST-TDMA協(xié)議的累積ACK的可靠傳輸機(jī)制可以保證以下兩種情況下的可靠傳輸(a)數(shù)據(jù)幀丟失的處理若發(fā)送方X發(fā)送的數(shù)據(jù)幀丟失，接收方Y(jié)記錄的成功接收到的數(shù)據(jù)幀中不包括丟失的數(shù)據(jù)幀。下一時(shí)隙，X切換為接收狀態(tài)，Y切換到發(fā)送狀態(tài)。接下來Y首先發(fā)送累積ACK幀，其能夠表示Y在上一時(shí)隙未收到該丟失數(shù)據(jù)幀，然后將發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)幀依次發(fā)送。X根據(jù)收到的累積ACK幀對(duì)上個(gè)時(shí)隙發(fā)送的幀進(jìn)行確認(rèn)，釋放成功發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，保留丟失的數(shù)據(jù)幀，仍存放在發(fā)送隊(duì)列中，等到下次發(fā)送時(shí)隙再次發(fā)送。接下來，接收Y發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，將成功接收到的數(shù)據(jù)幀記錄下來，待下個(gè)時(shí)隙發(fā)送累積ACK使用。(b)累積ACK幀丟失的處理若發(fā)送方X發(fā)送的累積ACK幀丟失，接收方Y(jié)無法確認(rèn)上一時(shí)隙其發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否被成功接收，因此保留發(fā)送隊(duì)列中上一時(shí)隙發(fā)送的全部數(shù)據(jù)幀。下一時(shí)隙，X切換為接收狀態(tài)，Y切換到發(fā)送狀態(tài)。接下來Y首先發(fā)送累積ACK幀，然后將發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)幀依次發(fā)送。X根據(jù)收到的累積ACK幀對(duì)上個(gè)時(shí)隙發(fā)送的幀進(jìn)行確認(rèn)，釋放成功發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，保留丟失的數(shù)據(jù)幀，仍存放在發(fā)送隊(duì)列中，等到下次發(fā)送時(shí)隙再次發(fā)送。接下來，X接收Y發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，丟棄上個(gè)接收時(shí)隙已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)幀，并將成功接收到的新的數(shù)據(jù)幀記錄下來，待下個(gè)時(shí)隙發(fā)送累積ACK使用。衛(wèi)星授時(shí)失效的處理如果某受控節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星授時(shí)失敗，與其鄰居節(jié)點(diǎn)同步時(shí)間，以維持時(shí)間精確；等待本節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星授時(shí)成功。綜上所述，基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議ST-TDMA實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間、同一節(jié)點(diǎn)的不同接口間的同步發(fā)送與接收，保證了數(shù)據(jù)的高效可靠傳輸。以下為本發(fā)明的具體實(shí)施例的描述基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議ST-TDMA運(yùn)行在無線路由器中，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均是配備衛(wèi)星授時(shí)功能的無線路由器。如圖4所示，為長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。在該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)例中實(shí)現(xiàn)以下設(shè)定I、網(wǎng)絡(luò)初始化階段，各節(jié)點(diǎn)首先通過衛(wèi)星定位模塊同步自身的時(shí)鐘，Tx時(shí)隙和Rx時(shí)隙長(zhǎng)度都設(shè)置為20ms。2、網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具有二分圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)2、6、7、8組成獨(dú)立集A，其各節(jié)點(diǎn)的所有接口的狀態(tài)設(shè)定在每秒開始的奇數(shù)時(shí)隙為Tx，偶數(shù)時(shí)隙為Rx ;另外，節(jié)點(diǎn)為1、3、4、5、9構(gòu)成獨(dú)立集B，其各節(jié)點(diǎn)的所有接口的狀態(tài)設(shè)定在每秒開始的奇數(shù)時(shí)隙為Rx，偶數(shù)時(shí)隙為Tx ；3、如圖5所示，是長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行中的一個(gè)實(shí)例，其中節(jié)點(diǎn)M屬于集合A，節(jié)點(diǎn)N屬于集合B。I)第一個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度內(nèi)，節(jié)點(diǎn)M處于發(fā)送狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)N處于接收狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)M依次發(fā)送數(shù)據(jù)幀MO、Ml、M2、M3，其中，節(jié)點(diǎn)N成功接收數(shù)據(jù)幀MO、Ml、M3，數(shù)據(jù)幀M2在傳輸過程中丟失，節(jié)點(diǎn)N記錄成功接收的數(shù)據(jù)中貞。2)第二個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度內(nèi)，節(jié)點(diǎn)M切換至接收狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)N切換至發(fā)送狀態(tài)。接下來節(jié)點(diǎn)N首先發(fā)送累積ACK幀，表示節(jié)點(diǎn)N在上一時(shí)隙未收到M2，然后將節(jié)點(diǎn)N發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)幀NO、NI、N2、N3依次發(fā)送。節(jié)點(diǎn)M解析收到的累積ACK幀，釋放成功發(fā)送的數(shù)據(jù)幀MO、M1、M3，保留丟失的數(shù)據(jù)幀M2，即M2仍存放在發(fā)送隊(duì)列中，等到下次發(fā)送時(shí)隙再次發(fā)送。接下來，節(jié)點(diǎn)M成功接收節(jié)點(diǎn)N發(fā)送的數(shù)據(jù)幀NO、NI、N2、N3。3)第三個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度內(nèi)，節(jié)點(diǎn)M切換至發(fā)送狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)N切換至接收狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)M首·先發(fā)送累積ACK幀，然后發(fā)送上一發(fā)送時(shí)隙丟失的數(shù)據(jù)幀M2，以及新的數(shù)據(jù)幀M4、M5、M6。節(jié)點(diǎn)N未成功接收到節(jié)點(diǎn)M發(fā)送的累積ACK巾貞,則記錄不到成功接收的數(shù)據(jù)巾貞,則上個(gè)發(fā)送時(shí)隙發(fā)送的數(shù)據(jù)幀NO、NI、N2、N3依舊保存在發(fā)送隊(duì)列中。接下來記錄成功接收的數(shù)據(jù)幀M2、M4、M5、M6。4)第四個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度內(nèi)，節(jié)點(diǎn)M切換至接收狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)N切換至發(fā)送狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)N首先發(fā)送累積ACK幀，表示上個(gè)時(shí)隙成功接收M2、M4、M5、M6，然后依次發(fā)送N0、N1、N2、N3。節(jié)點(diǎn)M接收到累積ACK，釋放成功發(fā)送的數(shù)據(jù)幀M2、M4、M5、M6。接下來接收數(shù)據(jù)幀，由于NO、NI、N2、N3已經(jīng)記錄為成功接收，節(jié)點(diǎn)M丟棄數(shù)據(jù)幀NO、NI、N2、N3。5)依次反復(fù)。從以上實(shí)例可以看出，本發(fā)明提出的協(xié)議ST-TDMA能夠充分保證傳輸?shù)目煽啃院托?。所提出的基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議ST-TDMA，使得長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)的性能得到了很大的提升，具有重要的實(shí)用價(jià)值以及廣闊的應(yīng)用前景。應(yīng)用范圍基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議ST-TDMA高度適用于長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)，在原有TDMA的基礎(chǔ)上提高了網(wǎng)絡(luò)性能。該MAC協(xié)議能夠廣泛應(yīng)用于野外大區(qū)域的寬帶網(wǎng)絡(luò)部署，如自然保護(hù)區(qū)(濕地、森林、草原)的環(huán)境監(jiān)控，偏遠(yuǎn)地區(qū)的遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程教育等。在我國(guó)大力發(fā)展西部農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，縮短?hào)|西部差距，建設(shè)新農(nóng)村的政策方針以及保護(hù)綠色地球的背景下，該方案的提出，具有重要社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。
權(quán)利要求
1.一種基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，該MAC協(xié)議應(yīng)用于包括多個(gè)多接口節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由多個(gè)嵌入式硬件設(shè)備通過交換機(jī)互聯(lián)，每個(gè)嵌入式硬件設(shè)備都配有無線網(wǎng)卡的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)部署具有授時(shí)功能的衛(wèi)星定位模塊，其特征在于，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后即讀取衛(wèi)星定位模塊的時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘同步，以后定期進(jìn)行時(shí)鐘同步；利用衛(wèi)星定位模塊的精確時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間、同一節(jié)點(diǎn)的不同接口間時(shí)鐘的同步；網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)工作在同一個(gè)信道，同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的不同接口同時(shí)處于發(fā)送或者接收狀態(tài)，即同時(shí)發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)；所述發(fā)送/接收的時(shí)隙長(zhǎng)度相同； 所述每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度中都配置有累積ACK傳輸機(jī)制，所述累積ACK傳輸機(jī)制對(duì)上個(gè)時(shí)隙發(fā)送的幀進(jìn)行確認(rèn)，釋放成功發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，保留丟失的數(shù)據(jù)幀，仍存放在發(fā)送隊(duì)列中，等到下次發(fā)送時(shí)隙再次發(fā)送。
2.如權(quán)利要求I所述的基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，其特征在于，所述MAC協(xié)議中，若發(fā)送方發(fā)送的累積ACK幀丟失，接收方無法確認(rèn)上一時(shí)隙其發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否被成功接收，保留發(fā)送隊(duì)列中上一時(shí)隙發(fā)送的全部數(shù)據(jù)幀；下一時(shí)隙，發(fā)送方切換為接收狀態(tài)，接收方切換到發(fā)送狀態(tài)，接下來接收方首先發(fā)送累積ACK幀，然后將發(fā)送隊(duì)列中的數(shù)據(jù)幀依次發(fā)送，發(fā)送方根據(jù)收到的累積ACK幀對(duì)上個(gè)時(shí)隙發(fā)送的幀進(jìn)行確認(rèn)，釋放成功發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，保留丟失的數(shù)據(jù)幀，仍存放在發(fā)送隊(duì)列中，等到下次發(fā)送時(shí)隙再次發(fā)送。接下來，發(fā)送方接收到接收方發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，丟棄上個(gè)接收時(shí)隙已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)幀，并將成功接收到的新的數(shù)據(jù)幀記錄下來，待下個(gè)時(shí)隙發(fā)送累積ACK使用。
3.如權(quán)利要求I所述的基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，其特征在于，若所述某受控節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星授時(shí)失敗，則將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)同步時(shí)間，以維持時(shí)間精確；等待本節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星授時(shí)成功。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于衛(wèi)星授時(shí)的長(zhǎng)距離無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，該MAC協(xié)議包括多接口節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由多個(gè)嵌入式硬件設(shè)備通過交換機(jī)互聯(lián)，每個(gè)嵌入式硬件設(shè)備都配有無線網(wǎng)卡，每個(gè)節(jié)點(diǎn)部署具有授時(shí)功能的衛(wèi)星定位模塊，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后即讀取衛(wèi)星定位模塊的時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘同步，以后定期進(jìn)行時(shí)鐘同步；利用衛(wèi)星定位模塊的精確時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間、同一節(jié)點(diǎn)的不同接口間時(shí)鐘的同步；網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)工作在同一個(gè)信道，同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的不同接口同時(shí)處于發(fā)送或者接收狀態(tài)，即同時(shí)發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)；以及配置有累積ACK傳輸機(jī)制；所述每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度中都配置有累積ACK傳輸機(jī)制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不需要信令包，同步簡(jiǎn)單易行；能夠保證傳輸?shù)目煽啃院托省?br> 文檔編號(hào)H04W56/00GK102883426SQ20121038324
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月11日
發(fā)明者趙增華, 鄒宇 申請(qǐng)人:天津大學(xué)