宽带微功率网络MAC层时隙管理的设计与实现

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宽带微功率网络作为能源互联网建设的关键部分,对于电力能源数据采集、电网状态实时感知具有重要支撑作用。宽带微功率网络使用基于信标周期的信道访问机制,高效可靠的时隙分配方案对整个网络的高效运行至关重要。首先,本文对于信标周期的TDMA时隙、CSMA时隙以及时间同步问题,设计了一种宽带微功率网络MAC层时隙管理方案:(1)针对时隙对齐所需的网络精准时间问题,设计基于信标时间戳的时间同步方案,并使用硬件时间戳修正误差。(2)对于TDMA时隙的时延问题,设计TDMA时隙的自适应调整机制,减少TDMA时隙的时延。对于在TDMA时隙中无法接收信标帧的节点,提出了一种基于时隙预估的处理方案,确保节点在本周期内能够进行正常的业务流程。(3)针对CSMA时隙多节点竞争过程中的数据包碰撞问题,设计优先级因子,减少节点数据碰撞。而信道竞争成功后数据传输多与链路质量相关,设计了一种基于指数加权移动平均的链路质量估计方法,在接收端估计链路质量,并在发送端使用链路质量范围值选择最佳发送模式,同时在重传发生时修正链路质量值,保证数据可靠传输。其次,从硬件与软件两方面对时隙管理方案进行实现。MAC层通过任务划分并调用相关模块实现不同功能,任务之间使用“任务+信号量”、“任务+消息队列”和“任务+定时器+信号量”等多种方式进行通信。TDMA和CSMA模块采用数据与控制分离的设计模式,保证了MAC层时隙管理方案的稳定性。最后,对时隙管理方案进行功能与性能的测试验证。功能测试表明时隙管理方案的功能符合预期设计,并通过性能测试发现,时隙管理方案能够满足同步需求,有效的降低时延,减少网络丢包以及提高节点吞吐量等。
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