CN106455107B - 一种抢占式Wi-Fi TDMA接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抢占式Wi‑Fi TDMA接入控制方法，基于不同业务Wi‑Fi网络交叉覆盖的现实环境，对控制类业务采用抢占式时分多址访问机制，对互联网接入业务采用载波监听冲突避免机制；通过不监听信道、不避退的抢占方式保证TDMA传输的实时性；通过连续多次抢占方式保证TDMA传输的可靠性；通过优先发送TDMA帧，实现TDMA与CSMA两种机制的混合工作方式。

Description

一种抢占式Wi-Fi TDMA接入控制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于IEEE802.11的Wi-Fi(WirelessFidelity)网络访问接入控制方法，尤其是涉及一种针对实时性和可靠性都有较高要求的网络控制应用，Wi-Fi网络在数据链路层采用时分多址接入(Time Division MultipleAccess，TDMA)的方法。

背景技术

无线控制网络正越来越多地应用于工业过程控制、智能机器人、物联网等领域。德国“工业4.0”、美国“工业互联网”、我国“中国制造2025”和“互联网+”计划中，都将基于物联网/互联网的网络控制技术作为未来工业基础。现有的无线工业现场网络标准主要是基于IEEE802.15.4的WirelessHart(文献[1])、ISA100(文献[2])，以及我国的WIA-PA(文献[3])。随着Wi-Fi技术的迅速普及和发展，许多专业工业控制设备厂商都推出了基于802.11的工业无线以太网产品，例如：SIMENS有SCALANCE W/WLC；MOXA有AWK系列；研华有Wi-Fi AP等。考虑到控制网络通信的周期性和实时性要求，以及Wi-Fi网络的高性价比特性，目前的一些研究基于802.11技术实现TDMA访问机制。

2006年伯克利TIER研究组利用常规商用802.11器件设计了TDMA机制替代竞争接入机制，用以解决偏远地区的网络接入问题(文献[4])。2009年，印度理工学院的研究人员发布了设计和实现的多跳TDMA系统(文献[5])。此外，天津大学在2008年和2012年承担的国家自然科学基金课题中也进行了相关研究(文献[6])。针对工业控制应用，文献[7]在Atheros5000芯片驱动的基础上设计了工业无线网络TDMA协议，文献[8]将该方案改进并移植到Atheros9000系列网卡芯片上。类似的Wi-Fi TDMA研究还有一些，但是，在上述的Wi-FiTDMA技术中都没有专门考虑不同用户的Wi-Fi网络之间交叉覆盖的相互影响。

文献[9]的实时Wi-Fi技术研究中，通过连续两次发送同样的数据帧(而非重新竞争)的方式来提高Wi-Fi TDMA在控制应用中的实时性，以满足工业控制应用需求。但是，文献中没有讨论连续重传次数与发送成功率之间的关系，即可靠性保证问题，同时，也不涉及TDMA与CSMA机制在同一系统中共存的问题。

[文献1]凌健中，WirelessHART协议栈的设计与实现，电子科技大学，硕士毕业论文，2013年。

[文献2]ISA100 Committee.ISA-100.11a-2011，Wireless systems forindustrial automation:Process control and related applications[Z].2011.

[文献3]梁炜、张晓玲，工业无线通信技术，仪器仪表标准化与计量，2009年第25卷第2期，30-36页。

[文献4]Ananth Rao,Ion Stoica.An Overlay MAC Layer for 802.11Networks.In Proceedings of the 3rd international conference on Mobilesystems,applications,and services.New York,NY,USA,2005:135-148.

[文献5]Vishal Sevani,Bhaskaran Raman,and Piyush Joshi.Implementation-Based Evaluation of a Full-Fledged Multihop TDMA-MAC for WiFi MeshNetworks.IEEE TRANSACTIONS ON MOBILE COMPUTING,VOL.13,NO.2,FEBRUARY 2014:392-406.

[文献6]赵增华、王楠、窦志斌等，基于IEEE 802.11的长距离无线Mesh网络，计算机学报，2012，35(6):1209-1222。

[文献7]林俊如、曾鹏、于海滨，面向高速工业无线网络的TDMA MAC协议设计与实现，计算机科学，2011年第1期，299-304页。

[文献8]史明伟，基于IEEE802.11硬件平台的TDMA多址协议设计与实现，西安电子科技大学，硕士论文，2013年。

[文献9]Yi-Hung Wei,Quan Leng,Song Han,Aloysius K.Mok.RT-WiFi:Real-Time High Speed Communication Protocol for Wireless Control Systems.IEEE 34thReal-Time Systems Symposium,Vancouver,BC,3-6 Dec.2013:140-149.

[文献10]Giuseppe Bianchi.Performance Analysis of the IEEE802.11Distributed Coordination Function[J].IEEE Journal on Selected Areas inCommunications,2000 Vol.18 No.3,pp535-547.

[文献11]Castro E R S,Alencar M S,Fonseca I E.Probability densityfunctions of the packet length for computer networks with bimodal traffic[J].International Journal of Computer Networks&Communications,2013,5(3):17.

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抢占式Wi-Fi TDMA接入控制方法，保证交叉覆盖环境下控制数据传输接入的及时性，同时，借助连续多次重传提高接入过程的可靠性。

本发明所采用的技术方案是：一种抢占式Wi-Fi TDMA接入控制方法，其特征在于：基于不同业务Wi-Fi网络交叉覆盖的现实环境，对控制类业务采用抢占式时分多址访问机制，对互联网接入业务采用载波监听冲突避免机制；通过不监听信道、不避退的抢占方式保证TDMA传输的实时性；通过连续多次抢占方式保证TDMA传输的可靠性；通过优先发送TDMA帧，实现TDMA与CSMA两种机制的混合工作方式。

作为优选，所述不监听信道、不避退的抢占方式，其具体实现过程是在访问点或终端的TDMA时隙到达，如果设备有控制数据传输，则不进行载波监听和信道空闲等待，直接发送TDMA数据帧；借助原Wi-Fi中的Ack机制对TDMA帧的传输进行确认，如果在短的帧间间隔SIFS时间内收不到确认消息，则不转入常规Wi-Fi机制的避退过程，而是紧接着重传未被确认的TDMA帧；重传过程可多次重复进行，直至收到所传输的TDMA帧的Ack消息为止。

作为优选，所述通过连续多次抢占方式保证TDMA传输的可靠性，连续多次抢占方式的最大重传次数其中CSMA帧的最大长度和Ack帧的长度L^Ack由系统配置为默认值，TDMA帧长度L^TDMA根据应用需求设置，当前MAC驱动系统发送速率s和短的帧间间隔时间T^SIFS通过读取相关寄存器参数获得。

作为优选，所述通过优先发送TDMA帧，实现TDMA与CSMA两种机制的混合工作方式，其具体实现过程是在TDMA时隙到达时，将系统设置为禁用载波侦听、禁止冲突退避模式，在CSMA时隙到达时，将系统设置为启用载波侦听、启用冲突退避模式；将TDMA业务的数据帧放入底层Wi-Fi驱动的1号队列中，将CSMA业务数据帧放入底层Wi-Fi驱动的2号队列中。

所述方法还能利用策略兼顾其他CSMA业务站点的网络传输业务的共存性，其具体实现过程是根据TDMA时隙数量的多少或者单位时间内TDMA时隙与CSMA时隙所占的比例，采用稀疏模式和稠密模式两种TDMA成帧策略；具体实现过程：

如果TDMA时隙之间的间隔时间大于一帧最长的CSMA帧传输所需的时间，则采用TDMA时隙均匀分布的稀疏模式，此稀疏模式中，CSMA时隙也均匀地交叉分布在TDMA时隙之间，令T_CSMA为分配给CSMA站点传输的时间，则判定条件为 为CSMA帧的最大长度，s为当前MAC驱动系统发送速率，为当前传输最长的CSMA帧所需的时间。

反之，如果TDMA时隙之间的间隔时间小于一帧最长的CSMA帧传输所需的时间，则采用TDMA时隙集中分布的稠密模式，此稠密模式中，TDMA时隙与CSMA时隙不再交叉分布，而是将每个传输周期的时间空间划分为传输TDMA帧的非竞争区间和传输CSMA帧的竞争区间，也即将分散的CSMA时隙集中组成一个大的时隙，提高CSMA帧的传输成功率。

作为优选，基于TDMA帧成功传输时间E(T_TDMA)计算TDMA帧的帧间间隔，即留给CSMA帧传输的时间；具体计算实现过程：

(1)根据CSMA机制的马尔科夫模型计算TDMA帧第一次发送冲突的概率，其中τ为CSMA站点发送帧的速率，m为CSMA站点数量，τ和m由系统配置时输入。

(2)根据网络中CSMA帧长度分布特性计算后续传输TDMA帧发生冲突的概率；

其中，P_i ^TDMA为第i次重传TDMA帧成功的概率，P_i ^CSMA为帧长度在区间的CSMA帧所占总的CSMA帧数的比例。

(3)TDMA帧的平均成功传输时间计算公式为，

其中，n＝0,1,…,(n_max-1)。

其中，T_guard为保证时间。

本发明根据经典的802.11竞争机制2维Markov模型(文献10)，在Wi-Fi网络交叉覆盖环境中发送帧的冲突概率随着站点数的增加而快速增加。因此，第一次发送帧的主要目的是强迫其他工作在CSMA/CA竞争机制的设备进入避退过程，然后，在一个短的帧间间隔SIFS之后重传帧，通过这种抢占方式来保证接入的实时性。由于正在发送数据的CSMA站点必须要等待数据发送结束后才会转入避退过程，因此，本发明根据文献[11]中帧长特性来设计重传次数，提高单次访问接入过程的可靠性，实现TDMA访问机制中既保证实时性又保证可靠性的总体目标。而且，要在同一系统软件中实现TDMA和CSMA/CA机制的协同共存。

本发明的有益效果是：在目前基于Wi-Fi技术的多种业务网络交叉覆盖环境下，提供网络控制类业务应用需要的实时性和可靠性传输保证，同时兼顾常规互联网业务传输的网络共存性。TDMA和CSMA两种机制在同一驱动系统中协同工作。

附图说明

附图1：本发明实施例的Wi-Fi TDMA实现整体框架图；

附图2：本发明实施例的TDMA/CSMA混合机制系统配置示意图；

附图3：本发明实施例的共存环境中TDMA传输成功时间关系示例图；

附图4：本发明实施例的TDMA时隙调度表和帧结构示例图；

附图5：本发明实施例的非竞争时隙与竞争时隙分布方式示意图；

附图6：本发明实施例的Internet包长统计表，其中横坐标为包长度比例值，纵坐标为包长分布比例值，横坐标1为最大包长＝1500Byets，0.1＝150Bytes，最小包长＝46Bytes。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

Wi-Fi TDMA是在802.11物理层(硬件和软件)基础上，通过修改数据链路层的驱动程序实现的，因此，新的协议栈设计既包括原有IEEE 802.11协议的CSMA机制，也包括引入的TDMA机制等内容。

1、IEEE802.11MAC驱动部分修改

修改CSMA/CA相关功能是实现TDMA协议的基础，主要修改部分：

(1)禁用载波侦听，包括虚拟载波帧听和物理载波侦听。在CSMA/CA协议中数据帧发送前需要先监听和等待信道空闲，本发明通过禁用该机制确保TDMA数据帧的及时发送。

(2)禁止冲突退避过程。在发生碰撞之后，CSMA帧会随机选择避退时间，这增加了传输时延的不确定性，因此，TDMA帧发送不使用该机制。

(3)保留ACK确认。TDMA帧发送成功与否仍通过ACK机制确认，若在规定的短帧间间隔SIFS时间内收不到确认消息，则通过连续重传该帧提高传输的可靠性，重传次数的确定后续讨论。

由于TDMA站点发送帧前不进行载波监听，在多个Wi-Fi网络交叉覆盖的环境中，不可避免地第一次发送会有较高的冲突概率。但是，上述TDMA站点在冲突之后(在SIFS后没有收到ACK消息)立即进行第二次发送，而其他CSMA站点则会判断到冲突而转入随机退避过程，因此，TDMA站点总能先于CSMA站点抢占到信道发送数据。

由于CSMA站点必须在发送完一帧之后才能判断到是否发送冲突，而用于传输控制信息的TDMA帧为固定长(100～200Bytes)的短帧，CSMA帧为可变长帧(大多数在64～1500Bytes之间)，故需要多次重传TDMA帧，确保CSMA站点检测到冲突并进入退避过程让出信道，使得TDMA帧发送成功。

这样，TDMA帧的发送时延上界由最大重传次数决定。虽然，CSMA帧的长短变化会导致TDMA帧的接入时延抖动，但这远比随机退后导致的时延抖动要小得多，完全可以满足绝大多数控制应用的需求。

2、TDMA协议栈实现

TDMA实现设计的关键在于如何控制数据帧只在站点所属时隙发送，在其他时隙处于等待接收状态。在IEEE 802.11协议中，数据帧在到达MAC层缓冲队列后触发CSMA/CA机制，等待信道空闲将帧发送出去；而本发明的TDMA机制则是将数据帧先缓存在缓冲队列，在节点所属时隙到来再将其发送出去。

设计和实现的TDMA协议栈整体框架如图1所示。在原有MAC层中添加了一个时隙调度模块，该模块由缓冲队列、定时器模块和链路调度器三部分组成。其中缓冲队列用于接收并缓存封装了上层IP报文的MAC数据帧，定时器模块读取硬件定时器的值并发送给链路调度器，链路调度器根据时钟信息决定是否将帧发送出去。

实现软件分为参数配置、时隙分配与接收和时隙调度三部分组成：

(1)参数配置：通过web页面，输入各个节点所需的时隙数目(通信传输频率)，计算出相应的时隙，具体计算方法后续介绍。这一部分主要涉及slot_recv.c和slot_trans.c两个文件组成，其中slot_recv.c包含main函数，是TCP的服务端部分用于接收web服务器的数据发送请求。slot_trans主要是udp_broadcast函数用于将时隙信息发往各个子节点。

(2)时隙分配与接收：这一部分通过中心节点广播各子节点的时隙分配情况，各个子节点在其内核网络子模块中接收本节点的TDMA时隙和整个网络的CSMA时隙，并设置相应的内核参数。在网络协议栈的rx.c函数中添加函数configure_slot用于设置本节点的时隙分配情况，保存在相应的数组tdma_slot和csma_slot之中。

(3)时隙调度模块：在不同类型的时隙中传输不同的数据业务，TDMA时隙用于传输高实时性要求的数据帧，而CSMA时隙用于传输普通的时隙帧。

基于Wi-Fi的混合调度的是将时间划分为大小相同的时隙，分为各个节点所独有的TDMA时隙和整个网络中所有节点竞争共享的CSMA时隙。TDMA时隙和CSMA时隙分别用于发送高优先级和低优先级报文的发送。由于时隙调度部分比较复杂，又分为三个子模块，分别为数据缓存、时隙分配、时隙调度、数据发送。

(1)数据缓存部分：

在Wi-Fi的内核驱动中，从高到低共有7个用于缓存数据包文的缓冲队列，上层发送的数据包会在内核中封装成帧，并插入缓充队列。不同的优先级队列意味着不同的信道接入能力，从0到6依次降低。队列0一般用于缓存beacon帧，说明beacon帧优先级较高，队列2缓存数据帧，相对降低。不同于内核中的默认实现，本系统区分不同优先级的报文，将高优先级缓存在队列1之中，低优先级缓存在队列2中。

在tx.c文件中添加ieee8011_tx_urgtcp(sk_buff*skb)函数用于判断应用层的数据报文是否是高优先级的，判断的依据是根据ip包头的tos字段是否是0x10(最小时延)。如果是则将其保存在硬件队列1，否则保存在队列2，参见如下示例。

(2)时隙分配部分：

在内核中预先分配两个时隙数组:TDMA和CSMA数组，存储TDMA和CSMA的时隙。TDMA时隙用于是本节点的独占时隙，用于发送高优先级的报文，保证其实时性；CSMA时隙将系统切换到CSMA的方式，尽可能一次性发送较多的报文，使系统具有较高吞吐量。在如图2所示的网络中，主节点会首先根据各个节点的时隙需求数目设计各个节点的TDMA时隙，以及整个系统公用的CSMA时隙，然后广播时隙分配帧，从节点会根据主节点的时隙分配帧，完成TDMA和CSMA数组的初始化设置。

(3)时隙调度部分：

每个超帧的前三个时隙固定留给beacon，用于节点之间同步，不参与时隙调度。每个时隙到来之后首先查找当前时隙是TDMA时隙还是CSMA时隙，如果是TDMA时隙则从队列1中选择1个发送出去，CSMA时隙到来则从队列2中一次性发送较多的报文。从而兼顾高优先级报文的实时性和普通报文的吞吐量。

在驱动目录添加tdma.c文件，主要包括tdma_slot、csma_slot两个数组，find函数用于查找当前时隙的类型；tdma_tasklet函数则用于标识当前时隙的类型，并调用相应的数据发送函数。

(4)数据发送部分：

这一部分是通过对tx.c的ieee80211_tx_pending函数做了较多的修改来实现的。主要思想是，在TDMA时隙，如果queue1不为空，则从中选取一个高优先级的数据帧发送；如果是CSMA时隙，则queue2队列中发送一定数量的普通数据帧。

3、TDMA时钟同步

时钟同步技术是开发通信协议的一个重要基础，时钟同步精度低将增加系统开销，同时降低系统的吞吐量，工业应用往往对时钟同步提出了更高的要求。工业应用对设备上线时间，节点失效检测和恢复时间的高要求需要时间同步协议能够快速同步，并且，迅速地从失同步状态恢复到同步状态；同时，工业应用对通信系统高可靠性的要求也需要时间同步能够对故障快速检测并恢复。

本发明主要针对基于无线局域网(由访问点AP和终端设备STA组成的星型网络)，而采用晶体振荡器的硬件定时器往往具有更高的精度，因此，本发明将AP作为时钟源提供系统的时钟精度，并采用AP与STA之间主从同步方式解决TDMA机制的时间同步问题。Beacon帧用于Wi-Fi网络中的时钟同步，帧结构中的时间戳字段记录了节点的本地时钟值。例如，附图2是由一个主节点和两个从站点组成的网络拓扑，其中主节点周期性的广播Beacon帧(时钟同步帧)，从节点接收该帧，并提取帧中的时间戳字段用于设置本节点的定时器，从而实现从节点时钟与主节点的时钟同步。

4、重传次数的确定

由前面的叙述可知，不进行载波监听、不退避策略可以保证实时性；可靠性则需要通过重传策略来提供保证。一次TDMA传输过程中，重传次数的最大值n_max需要依据工作在CSMA方式的最长帧来确定，这样才能确保在CSMA和TDMA共存环境中TDMA帧传输成功。它们之间的关系如图3所示。

其中，T^TDMA为TDMA帧的传输时间，由于TDMA采用固定帧长度，故所有TDMA帧传输时间是一样的；T^SIFS为Wi-Fi系统中设置的短的帧间间隔；T^Ack为确认消息的传输时间，由于Ack帧长度一致，这也是一个确定值；为最长的CSMA帧传输时间，由于Wi-Fi设备配有以太网接口，通常最长的CMSA帧为1500Bytes。

根据图3可知，要保证TDMA的一次成功传输，必须满足公式如下：

由于传输次数必须去整数值，TDMA一次成功传输过程中最大的重传次数为：

Wi-Fi系统的物理层可以依据无线链路质量自动调整发送速率，这一速率值可以通过读取系统相关的寄存器参数换算获得，设为s。由于本发明采用CSMA与TDMA共存的协同机制，并且，TDMA的实现并不设计物理层的改动，因此，可以将工作在CSMA和TDMA混合方式的访问点AP的s，作为当前交叉覆盖环境中CSMA帧和TDMA帧的传输速率。设L^TDMA、L^Ack分别为最长的CSMA帧长度、TDMA帧长度和Ack帧长度，则最大重传次数为：

5、TDMA时隙和帧

一个TDMA基本时隙长度T_{Base_Slot}由最大重传次数所需的时间长度和用于克服时间漂移的保证间隔时间组成，而保证间隔时间T_guard通过参数配置设定，有：

控制数据信息有周期性的和非周期性的，并且，大多数是周期性数据。对于非周期数据较为简单，直接采用前面的抢占式传输方式即可；对周期性的数据则需要专门设计其访问周期。一个工作在混合方式的AP可以接入多个TDMA用户，每个用户又可以有自己不同的访问频率。AP需要为每个用户分配访问的时隙和周期，这也是建立在TDMA基本时隙基础上的TDMA帧形成过程。

一个TDMA用户的访问时隙必须大于TDMA基本时隙，同时，基本时隙长度也是TDMA用户访问接入上确界，但其不是访问接入的平均时延，只是最大时延。关于与实时性相关的访问平均时延问题在后面论述。

每个TDMA用户终端的访问频率通过参数配置获得，再将每个终端数据流访问频率归一化处理后得到一个所需实习个数的数字序列，其最小公倍数即可作为一个TDMA帧长度T_{TDMA_Frame}，根据帧的时间长度和调度算法分配的时隙个数，就可以计算出一个TDMA时隙的长度T_{TDMA_Slot}。例如，3个数据流A、B、C的采样频率分别为每秒2、1、0.5次，调度算法生成的分配表和帧结构如图4所示，其帧时长2秒，一个TDMA时隙时长为0.25秒。

有关TDMA时隙分配的方法有许多专门的相关解决方案和研究成果，本发明中不涉及这方面的具体内容，只是在时隙分配和调度算法的基础上，执行后续的具体生成传输帧工作流程。一些研究中，将本发明中的一个时隙称为帧，将本发明中的帧称为超帧，在此简要解释。

TDMA时隙可调度性的约束条件就是T_{TDMA_Slot}≥T_{Base_Slot}。许多研究中又将基本时隙称为非竞争时隙，将TDMA时隙与基本时隙的差T_{TDMA_Slot}-T_{Base_Slot}称为竞争时隙，因为，这个时间段内允许所有Wi-Fi用户竞争使用无线信道资源。本发明也沿用这样的定义，竞争时隙用T_CSMA表示，即工作在CSMA方式的站点可以在此期间传输数据帧。

如果则每个竞争时隙都可以保证CSMA站点至少完成一次成功传输。反之，CSMA站点的传输过程将明显设置严重地受到TDMA站点的影响。关于交叉覆盖环境中，TDMA站点对CSMA站点影响的建模与分析过程不在本发明讨论范围。

为了提高不同业务网络的共存性，本发明采用稀疏模式和稠密模式两种TDMA成帧策略。并且，为了更为积极地利用非TDMA时域空间，本发明使用平均TDMA成功接入时间作为判定计算参数，而没有使用TDMA基本时隙长度。设TDMA成功接入时间为T_TDMA，平均接入时间用E(T_TDMA)表示。平均接入时间的计算后续论述。新的竞争时隙计算方式为：

T_CSMA＝T_{TDMA_Slot}-E(T_TDMA) (5)。

当时，采用稀疏模式，竞争时隙T_CSMA均匀地散落在每个TDMA时隙T_{TDMA_Slot}中，与非竞争的基本时隙T_{Base_Slot}交叉分布。此时，生成的TDMA帧格式如图5(a)所示。

当时，采用稠密模式，将每个TDMA时隙T_{TDMA_Slot}中的基本时隙T_{Base_Slot}集中排列，并将每个TDMA时隙T_{TDMA_Slot}中的竞争时隙T_CSMA合并成一个大的竞争时域空间，从而提高CSMA站点的传输成功机率，实现不同业务网络共存的目标。此时，生成的TDMA帧格式如图5(b)所示。

6、TDMA平均接入时间

根据前面抢占式TDMA接入方式的介绍，TDMA接入过程中重传次数与正在传输的CSMA帧的剩余长度有关。从公式(3)和(4)中，可以推导出，如果则会触发第n+1次重传。

参照这一判定条件，本发明将CSMA帧按照其长度划分为n_max-1个子集，即其中，处于段的CSMA帧只会触发地n_max次重传，处于和段的CSMA帧都可能触发第n_max-1次重传，以此类推。这样，再结合CSMA帧的分布特征，本发明推演出了TDMA平均接入时间的计算方法。

根据文献[11]的Internet数据包长分布特征，如图6所示，可以比较确切地得到不同长度段帧所占的比例，本发明将其作为随机传输某一帧的概率同时，将可能触发的重传过程作为随机事件，其重传概率为其中，TDMA首次传输发生冲突的概率与CSMA帧长度无关，只于同时竞争信道的站点数有关，这包括了CSMA站点个数m和一个TDMA站点(TDMA某一时刻只可能一个站点传输数据)。根据文献[10]中CSMA冲突碰撞的马尔科夫模型可知，设τ为CSMA站点发送速率，则有：

而后续导致的重传(TDMA与一个正在传输的CSMA站点冲突)概率，则与CSMA帧的长度分布相关，故有：

根据随机过程理论和公式(4)，可以计算出TDMA的平均接入时间为：

其中，n＝0,1,…,(n_max-1)。

公示(8)的平均接入时间既可用于公示(5)的竞争时隙长度的计算，进而用于选择TDMA时隙与CSMA时隙分布方式的决策之中。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型。因此，所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种抢占式Wi-Fi TDMA接入控制方法，其特征在于：基于不同业务Wi-Fi网络交叉覆盖的现实环境，对控制类业务采用抢占式时分多址访问机制，对互联网接入业务采用载波监听冲突避免机制；通过不监听信道、不避退的抢占方式保证TDMA传输的实时性；通过连续多次抢占方式保证TDMA传输的可靠性；通过优先发送TDMA帧，实现TDMA与CSMA两种机制的混合工作方式；

所述不监听信道、不避退的抢占方式，其具体实现过程是在访问点或终端的TDMA时隙到达时，如果设备有控制数据传输，则不进行载波监听和信道空闲等待，直接发送TDMA数据帧；借助原Wi-Fi中的Ack机制对TDMA帧传输进行确认，如果在短的帧间间隔SIFS时间内收不到确认消息，则不转入常规Wi-Fi机制的避退过程，而是紧接着重传未被确认的TDMA帧；重传过程可多次重复进行，直至收到所传输的TDMA帧的Ack消息为止；

所述通过连续多次抢占方式保证TDMA传输的可靠性，连续多次抢占方式的最大重传次数其中CSMA帧的最大长度和Ack帧的长度L^Ack由系统配置为默认值，TDMA帧长度L^TDMA根据应用需求设置，当前MAC驱动系统发送速率s和短的帧间间隔时间T^SIFS通过读取相关寄存器参数获得；

所述通过优先发送TDMA帧，实现TDMA与CSMA两种机制的混合工作方式，其具体实现过程是在TDMA时隙到达时，将系统设置为禁用载波侦听、禁止冲突退避模式，在CSMA时隙到达时，将系统设置为启用载波侦听、启用冲突退避模式；将TDMA业务的数据帧放入底层Wi-Fi驱动的1号队列中，将CSMA业务数据帧放入底层Wi-Fi驱动的2号队列中。

2.根据权利要求1所述的抢占式Wi-Fi TDMA接入控制方法，其特征在于：所述方法还能利用策略兼顾其他CSMA业务站点网络传输业务的共存性，其具体实现过程是根据TDMA时隙数量的多少或者单位时间内TDMA时隙与CSMA时隙所占的比例，采用稀疏模式和稠密模式两种TDMA成帧策略；具体实现过程：

如果TDMA时隙之间的间隔时间大于一个最长的CSMA帧传输所需的时间，则采用TDMA时隙均匀分布的稀疏模式，此稀疏模式中，CSMA时隙也均匀地交叉分布在TDMA时隙之间，令T_CSMA为分配给CSMA站点传输的时间，则判定条件为 为CSMA帧的最大长度，s为当前MAC驱动系统发送速率，为当前传输最长的CSMA帧所需的时间；

反之，如果TDMA时隙之间的间隔时间小于一帧最长的CSMA帧传输所需的时间，则采用TDMA时隙集中分布的稠密模式，此稠密模式中，TDMA时隙与CSMA时隙不再交叉分布，而是将每个传输周期的时间空间划分为传输TDMA帧的非竞争区间和传输CSMA帧的竞争区间，也即将分散的CSMA时隙集中组成一个大的时隙，提高CSMA帧的传输成功率。

3.根据权利要求2所述的抢占式Wi-Fi TDMA接入控制方法，其特征在于：基于TDMA帧成功传输时间的均值E(T_TDMA)计算TDMA帧的帧间间隔，即留给CSMA帧传输的时间；具体计算实现过程：

(1)根据CSMA机制的马尔科夫模型计算TDMA帧第一次发送冲突的概率，其中τ为CSMA站点发送帧的速率，m为CSMA站点数量，τ和m由系统配置时输入；

(2)根据网络中CSMA帧长度分布特性计算后续传输TDMA帧发生冲突的概率；

其中，P_i ^TDMA为第i次重传TDMA帧成功的概率，P_i ^CSMA为帧长度在区间的CSMA帧所占总的CSMA帧数的比例；

(3)TDMA帧的平均成功传输时间计算公式为，

其中，n＝0,1,…,(n_max-1)；

其中，T_guard为保证时间。