[发明专利]一种基于消防应急灯的MAC层通信方法

摘要

本发明公布了一种基于消防应急灯的MAC层通信方法。本发明首先进行离线时隙规划并时钟同步，其次进行节点入网和淘汰，然后对时隙进行分配，最后进行数据上传及下载。本发明将传统的消防应急灯通信方式升级为空分TDMA技术为基础，IPv6/6LoWPAN技术为协议栈标准，CoAP协议包为通信载体的新型自组织多跳协议，相对原有的通信协议具有诸多优点。

主权项

1. 一种基于消防应急灯的MAC层通信方法，其特征在于该方法包括以下步骤：第一步，离线时隙规划，具体是：将离线规定时隙周期长短，预先规划成包括上传和下载时隙的基础时隙S_B、附加时隙和未用时隙，时隙划分同样按照GinMAC协议规则进行，但不进行离线分配时隙；同时为了保证网络的可扩展性及时间同步，在原有时隙基础上加入入网时隙、时间同步时隙和路由时隙；时间同步时隙S_T为网络中每一个节点的时间进行同步，基准时钟为网关时钟；在S1时隙时，网关广播网关时钟，处于接收状态的节点接收到之后；在S2时隙时，收到网关时钟的节点广播接收到的网关时钟，依次向下传输，故时间同步时隙与网络深度相同，即S_T = H；入网时隙S_N为了接收新增节点入网请求，保证了网络的扩展性；其中第一个时隙中，所有节点进入接收状态，需入网节点发送入网请求；第二个时隙，父节点将处理结果告知需入网节点；第三个时隙，入网节点若入网成功，则广播告知自身邻居节点入网成功；故入网时隙S_N = 3，同时，由于入网时隙每个周期都存在，所以无线节点可以在该时隙内进行传感器采样；路由时隙S_R为了兼容上层的6lowpan协议及节点之间相互告知自身邻居列表；在路由时隙中节点采用CSMA的方式发送路由包；第二步，时钟同步，具体是：将网关时钟作为基准时钟，网络需要根据节点晶振精度和环境干扰预先规定好时钟同步频率；当需要时钟同步时，首先，网关广播基准时钟，网络第一层处于接收状态接收基准时钟，并校正本地时钟；之后， 第一层节点广播校准后的本地时钟，第二层节点处于接收状态接收基准时钟，并校正本地时钟；以此类推，直到所有节点均校准了时钟；为了保证时钟的精确性，所以必须考虑传输时间；设传输速率为V，射频准备时间为t_p，时间同步包长度为K_d，导前码和同步字节长度为K_h；则估计传输时间计算公式：在基础时隙时，若节点向上一层节点上传数据包时MAC层包头包含本地时间，父节点若接收到数据包，将节点本地时间和自身时间之差作为实际传输时间t_r，并且将实际传输时间通过应答包反馈给节点；节点以实际传输时间为准，当未获得实际传输时间时节点使用估计传输时间；节点时间为传输时间与基准时间之和；第三步，节点入网和淘汰，具体是：A.时间同步；由于每个节点上传数据或是下载数据时MAC头都包含本地时钟，所以入网节点将收听网络，直到接收到网络中任意节点时钟为止；之后，入网节点将根据接收到的时钟对本地时钟进行校准；由于时隙个数F一定，每个时隙为M mS，且第一个时隙正好对应基准时钟的初始值，则根据时间t计算时隙序号N公式如下：B.节点在入网请求时隙广播入网请求，在路由时隙时该节点的邻居节点将自身的邻居表反馈发送给入网节点；入网节点存储好接收到的数据包更新自身邻居列表，并选择最优链路的邻居节点作为父亲节点；C.入网节点再次在入网时隙中向第二步选择的父亲节点发送入网请求；父亲节点之后首先广播路由包来更新自身邻居列表，与入网节点相同，父亲节点的邻居节点在路由时隙反馈自身的邻居表；通过邻居列表更新后的父亲节点判断是否有空余时隙；D.若入网成功父亲节点在入网时隙中将入网成功信息反馈给入网节点；之后入网节点向邻居节点广播入网成功信息，以告知邻居节点更新自身邻居列表；每次节点入网时将会对其父亲节点进行邻居列表更新，当无法接收到原有邻居节点则将其中邻居列表中淘汰；同时，当节点连续两次出现发射失败时，则节点自认链路断开，从步骤A开始重新入网；第四步，时隙分配,具体是：采用的是动态的自组织的时隙分配规则，设现有网络深度H = 2，信道数C = 4的网络；其中0号节点v₁为网关，1、2号节点v₁、v₂为网络第一层，3、4号节点v₃、v₄为网络第二层；时隙分配按照网络层数由高到低进行分配，同时为了保证信号的可靠性时隙复用次数限定为C/2；已知0号邻居节点N₀ = {v₁，v₂}，N₁ = {v₀，v₄}，N₂ = {v₀，v₁}，N₃ = {v₂}，N₄ = {v₄}；首先分配v₁至v₀链路，由于时隙表为空则分配在第一个基础时隙中；之后分配v₂至v₀链路，由于接收端都为v₀则只能分配在中；再是分配v₄至v₁链路，由于N₁N₄，故分配在中；最后分配v₃至v₂链路，v₃至v₂链路跳到其他信道以避免干扰；对于下载基础时隙的分配原理与上传基础时隙分配相同；第五步，数据上传及下载；随着子节点入网成功及父节点时隙分配完成，节点间的链路形成；之后节点将基于TDMA进行数据的上传及下载。