具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

针对智慧物联电池供电对功耗要求极高的特性以及物联网市场的巨大需求，在充分研究微功率无线通信的基础上，本发明提出一种基于TDMA的低功耗微功率无线通信方法，用于实现系统在大规模从节点的网络通信情况下，如何大幅降低和避免节点间的冲突碰撞问题，同时，极大降低系统的功耗，确保广大从节点处于超低功耗工作状态，有效提升系统电池的工作寿命。

如图1所示，本发明具体实施方式提供了一种基于TDMA的低功耗微功率无线通信方法，本优选实施例具体包括以下步骤：

S1：定义媒体接入层(MAC)协议的TDMA信标周期。

S2：主节点设计TDMA信标周期长度，可以综合考虑从节点网络规模情况、时钟漂移情况以及系统接收功耗等因素加以确定。

图2是本发明实施例中TDMA信标周期设定的实施例示意图，该图中将TDMA信标周期设置为256秒，一个设备精度为5ppm的内部时钟每个信标周期(256s)就会有+/-1.28ms的漂移。同时，从节点以一个TDMA信标周期间隔接收一次信标帧，当信标帧长度为100ms时，从节点工作占空比仅仅为1/2560，其他时间处于深度休眠状态，可以大幅度地降低系统的功耗。

S3：主节点将每个TDMA信标周期划分为1个信标保护时隙、1个信标时隙、1个广播时隙和N个通信时隙，并在通信时隙中，规划每N1个通信时隙设置一个紧急通信时隙的方式进行时隙划分，其中N是N1的整数倍；

其中，信标保护时隙用于防止通信网络中的从节点终端发送的数据过长，占据信标时隙，从而影响主节点的TDMA信标的发送。广播时隙是动态启用的，由主节点根据业务需求，在信标帧中进行动态设置，用于广播整个网络的系统消息或者系统通知；紧急通信时隙主要通过从节点终端主动申请和主节点主动分配两种方式来分配的，用于满足特殊情况下的及时通信需求，提高服务的及时性；当紧急通信时隙没有完全分配有剩余时，则剩余的紧急通信时隙可以作为各个从节点终端紧急上报业务CSMA竞争接入使用。

TDMA时隙分配是本发明无线通信方法非常关键的部分，同时也是自由度比较大的方面。TDMA时隙设计原则是解决终端节点唤醒问题和合理控制节点的休眠唤醒功耗，节点唤醒是保障节点能正常进行数据传输工作的前提，而节点休眠唤醒功耗的控制则降低了MAC层的功耗。同时，在设计上，希望能够兼顾紧急数据业务的需求。

在本优选实施例中，如图2所示，将每个信标周期规划64(N)个TDMA时隙(即通信时隙)，其中每隔8(N1)个时隙安排一个紧急通信时隙作为紧急业务或者重传业务使用。详细的TDMA时隙规划参数表如表1所示。

表1 TDMA时隙规划参数表

其中，运算函数Ceil[.]表示大于或者等于该运算符号内数值的最小整数，其功能是向上取整操作；另在每个信标周期内固定地址时隙与紧急通信时隙的数量之和等于通信时隙的数量。

S4：主节点根据从节点终端的规模以及各个从节点终端的通信需求，统一规划通信时隙的分配以及通信时隙的使用方法，将各个通信时隙分配给相应的从节点终端。

具体地，通信时隙的分配根据从节点终端规模数量M、TDMA信标周期的通信时隙个数N以及从节点的网络地址进行约定固定分配，最大程度地减小信标帧携带信息，减小信标帧帧长和通信时间，有效降低从节点终端的功率消耗，实现系统节能；在每个通信时隙，按照主节点优先发送数据的原则进行通信，如有主节点没有数据发送，则从节点先进行信道检测，并在通信时隙启动定时器T1，当T1到来后仍然没有监听到主节点的信号，则启动从节点的发送数据操作。

在本优选实施例中，主节点将网络中所有从节点终端的网络地址TEI设置为4～(DevNum+3)，用16bit数据表示，并按照从节点终端的网络地址TEI为顺序分配TDMA通信时隙。每个TDMA信标周期设计包含TotalTDMANum个TDMA通信时隙，每一TDMA通信时隙时长为TSlot。

在本优选实施例中，每个从节点终端分配的固定时隙表示为(I，J)，其中(I，J)表示第I个信标周期内第J个TDMA通信时隙位置，I、J均从零开始计数，如下：

I＝floor[(TEI-4)/FixTDMANum]

J＝((TEI-4)-I*FixTDMANum)+floor[((TEI-4)-I*FixTDMANum)/8]

其中，运算函数floor[.]表示不大于该运算符号内数值的最大整数，其功能是向下取整。

步骤S5：主节点周期性的广播TDMA信标帧，将发送时刻的信标时间戳进行网络广播发送；同时，将信标周期内的通信时隙安排进行广播通知；

在本优选实施例中，TDMA信标帧的信息包括广播时隙使用标识、信标周期计数BPC、信标时间戳BTS、信标帧长度、分配时隙的从节点终端个数以及紧急通信时隙的分配个数和分配情况等相关信息。

信标时间戳是主节点在发送信标帧时标记发送时刻的32bit网络基准时间的计时器，网络基准时间由主节点维护，是基于系统的低频时钟f。在本优选的实施例中低频时钟f设计为32.768kHz。

在本优选实施例中，TDMA信标帧的内容包括两个部分：TDMA信标帧帧头和TDMA信标帧帧载荷，TDMA信标帧帧头用于指示帧类型以及携带网络标识、固定广播启用标志以及信标时间戳等信息，而TDMA信标帧帧载荷主要携带TDMA时隙分配信息，TDMA信标帧时隙分配条目占用字节可变，根据紧急通信时隙个数变化，最小4byte，最大20Byte。具体内容如表2和表3所示：

表2 TDMA信标帧的帧头区域

表3 TDMA信标帧的载荷区域

S6：从节点终端周期性的接收主节点的TDMA信标帧，利用主节点发送的信标时间戳进行网络时间同步，并根据主节点的时隙规划和安排，在相应的通信时隙开展与主节点的通信工作，而其他绝大部分时隙则进行深度休眠。

在本优选实施例中，从节点终端也维护一个本地的32bit计时器，该计时器时钟也是32.768kHz，且该时钟在低功耗下休眠状态下仍然正常运行。

从节点计时器在频率和绝对值上都需要与主节点的网络基准时间保持同步。网络基准时间的同步通过接收主节点的TDMA信标帧来完成。

在本优选实施例中，从节点终端采用普通30ppm晶振，主节点采用5ppm的晶振，通过上述网络时间同步处理后，可以将主节点和从节点之间的时钟计时器的误差控制在1ppm数量级，即在一个TDMA信标周期(256s)情况下，时间抖动偏差控制在+/-0.256ms的漂移。

同时，在本优选实施例中，正如图3所示，在每个TDMA通信时隙，按照主节点优先发送数据的原则进行通信。在数据帧的“站点负载”指示数据是否发送完毕。从节点终端先信号检测，确定是否有主节点数据发送：

(1)如果从节点未检测到信号而且从节点终端设备有发送任务，则可以启动从节点终端设备发送，否则，则进入休眠状态。

(2)如果从节点检测到信号，则一直到帧结束，判断是否需要应答，从而做出响应。如果主节点负载还有数据继续发送，则继续进而信号检测状态，进行数据接收。否则，判断终端自身是否有发送任务，如果有，则启动发送，否则，进入休眠状态。

在满足定时要求的情况下，为进一步降低系统功耗，从节点终端还支持动态关闭接收信标时隙的功能，最大程度地降低系统的功耗。

在本优选实施例中，所设计的TDMA信标周期时隙划分和通信时隙的分配方案，可以兼顾从节点终端定期唤醒、紧急唤醒问题以及绝大部分时间深度休眠极低功耗的需求，同时满足各个从节点终端在各自分配好的通信时隙内实现无冲突的数据传输，很好地确保本发明所提出的通信方法可靠性，并大幅地降低从节点接收机的功耗，极大提升从节点电池工作的寿命，满足广大智慧物联电池供电长久运行的应用需求。

理论分析和具体实验均表明，本发明提出的从节点终端按照主节点设定的顺序获得时隙权后轮流与主节点进行通信的方法，不仅满足从节点终端极低功耗的通信要求，而且可以很好地解决网络中数据传输冲突的问题，同时还支持紧急业务通信需求，具有灵活唤醒、无冲突数据通信又大幅降低从节点终端功耗的特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。