CN119603729B - 一种wia-fa网络与其他无线网络协议共存传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种WIA‑FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，涉及无线通信技术领域，WIA‑FA网络设备在WIA‑FA网络的每个传输时隙开始前发送一个基于WLAN无线网络协议标准的CTS‑to‑Self帧，并发送用于信道占用指示的协调忙音；WIA‑FA网络设备在传输时隙进行数据传输；在发送时隙结束后，预留出长时隙用于其他无线网络协议进行数据传输。WLAN无线网络设备接收到WIA‑FA网络设备发送的CTS‑to‑Self帧后主动退避发送数据，或检测到协调忙音后主动退避发送数据。本发明能够确保WIA‑FA网络与WLAN等其他基于CSMA机制的无线协议在同频段上共存通信时保证通信的可靠性和实时性。

Description

一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法。

背景技术

WIA-FA（Wireless Industrial Automation - Fieldbus Access）是一种专门针对工厂自动化高实时性和高可靠性要求而研发的工业无线网络技术。在数据链路层，WIA-FA采用基于时分多址接入（TDMA）机制的超帧技术来进行数据传输，将时间划分为多个时隙，每个时隙分配给不同的设备进行通信，从而实现高效的信道利用和避免冲突。

然而，WIA-FA网络与WLAN等其他无线协议的网络在同频段上共存通信时，常常面临信道竞争和干扰问题，由于通信协议不同，WIA-FA网络在预配置的时隙进行数据传输不会侦听信道状态而进行相关退避动作，导致大量空中无线数据碰撞，影响了通信的可靠性。虽然WIA-FA网络具有相关重传算法，但增加重传次数一是未必能够完全确保通信可靠性；二是会预留大量重传时隙，占用大量通信资源，增加数据发送的轮询周期，降低网络通信实时性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，以确保WIA-FA网络与WLAN等其他基于CSMA机制的无线协议在同频段上共存通信时保证通信的可靠性和实时性。

为此，本发明提供了以下技术方案：

一方面，本发明公开了一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，包括：

WIA-FA网络设备在WIA-FA网络的每个传输时隙开始前发送一个基于其他无线网络协议标准的CTS-to-Self帧；

WIA-FA网络设备在传输时隙进行数据传输；在传输时隙内每个数据帧传输完成等待接收设备回复ACK期间，发送用于信道占用指示的协调忙音；所述协调忙音是指WIA-FA网络设备发送的用于占用信道的高斯白噪声；

在发送时隙结束后，预留出预设长度的长时隙用于其他无线网络协议进行数据传输；所述预留出预设长度的时隙是指在WIA-FA网络的网络调度中，预留一段非WIA-FA网络中设备传输时间片，供其他无线协议设备进行数据传输。

进一步地，WIA-FA网络设备在传输时隙进行数据传输，包括：

发送设备数据发送完成后，持续发送一段扩展数据，所述扩展数据是指发送设备随机产生的一段数据；所述扩展数据持续的时长小于短帧间间隔时间。

进一步地，WIA-FA网络设备在传输时隙进行数据传输，包括：

WIA-FA网络设备在接收状态，无线射频端探测到无线信号，对小于射频端信号检测门限值的信号直接忽略，不做追踪接收；

WIA-FA网络设备间根据通信双方接收帧的信号强度，调整发送功率，从而减少对其他无线设备传输影响；其中，所述调整发送功率包括：接收设备基于接收到发送设备的无线帧信号强度，每次以2dbm递增或递减调整自身设备的发送功率，直到符合预设通信双方无线帧中的信号强度。

进一步地，还包括：WIA-FA网络设备间根据通信双方接收帧的信号强度，调整信号检测门限值与能量检测门限值。

进一步地，CTS-to-Self帧格式包括：2个字节的帧控制、2个字节的退避时间、6个字节的接收工作站地址和4个字节的帧校验序列。

进一步地，CTS-to-Self帧中指示的退避时间长度等于WIA-FA网络当前时隙长度值。

进一步地，协调忙音的时长为0~16微秒。

又一方面，本发明还公开一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，包括：

其他无线网络设备接收到WIA-FA网络设备发送的CTS-to-Self帧后主动退避发送数据，或检测到协调忙音后主动退避发送数据；所述WIA-FA网络设备在WIA-FA网络的每个传输时隙开始前发送一个基于其他无线网络协议标准的CTS-to-Self帧，并发送用于信道占用指示的协调忙音；所述协调忙音是指WIA-FA网络设备发送的用于占用信道的高斯白噪声。

又一方面，本发明还公开一种无线通信系统，所述无线通信系统中包括WIA-FA网络设备以及其他无线网络设备，利用如上述WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法进行数据通信。

进一步地，所述其他无线网络设备包括基于CSMA机制的无线网络设备。

本发明的优点和积极效果：

（1）提高信道利用率：TDMA网络通过主动构造CTS-to-Self帧与“协调忙音”的发送，有效避免了TDMA网络与WLAN网络的信道竞争，提高了信道利用率。

（2）解决了多协议在同环境传输缺少相互协商机制的弊端：原有TDMA网络在时隙触发时立即进行数据发送，不仅易被干扰，更容易对传输长数据帧的WiFi网络形成干扰。

（3）提升多协议网络共存性能：TDMA网络通过主动构造CTS-to-Self帧与“协调忙音”的发送，让自身获取相对空闲的信道环境，提升通信可靠性；同时，协商占用WLAN网络的通信时间为TDMA网络的时隙长度时间，通常为百微秒级，WLAN网络传输目标为大流量、大带宽，百微秒级的时延可忽略不计，且在信道空闲等待时间内可聚合更多WLAN业务数据帧，在获得信道占用机会时可在无干扰环境下传输长数据帧，提升通信速率与可靠性。

（4）适应性强：本发明方案能够根据环境干扰情况动态调整传输时隙数量与长度，具有很好的适应性和灵活性。

（5）本发明基于WIA-FA网络特点，设计WIA-FA网络设备间数据传输可配置信号检测和能力检测门限预置，如根据设备间固定距离设置合适的能量检测门限预置，当检测到能量预置小于其门限的信号，则直接丢弃。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中无线通信系统示意图；

图2为本发明实施例中一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提供了一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，应用于如图1所示的无线通信系统，该无线通信系统中包括WIA-FA网络设备以及其他无线网络设备。本发明中的方法面向工业控制与采集类场景，所传输的数据类型为小数据、高并发、频繁传输。

如图2所示，本发明实施例中一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，应用于WIA-FA网络设备，具体包括以下步骤：

S11、在WIA-FA网络的每个传输时隙开始前发送一个基于其他无线网络协议标准的CTS-to-Self帧；

其中，其他无线网络为WLAN等其他基于CSMA机制的无线协议网络。

具体实施中，CTS-to-Self帧格式如下：

其中，Frame Control（帧控制）是802.11无线网络协议帧结构中非常重要的一部分，它位于帧的开头，用于定义帧的类型、子类型、协议版本、帧方向以及一些控制标志。以下是Frame Control的一些关键信息：

协议版本（Protocol Version）：Frame Control字段的第0-1位用于指定协议的版本号。当前的802.11标准使用版本号00，即0。

帧类型（Type）：Frame Control字段的第2-3位定义帧的主要类型。具体来说：00：管理帧（Management Frame）、01：控制帧（Control Frame）、10：数据帧（Data Frame）、11：保留。

子类型（Subtype）：Frame Control字段的第4-7位定义帧的子类型，不同的主类型有不同的子类型。例如，对于管理帧，子类型可以是Association Request、AssociationResponse、Beacon等。

Frame Control字段对于理解802.11帧结构至关重要，因为它决定了帧的类型和目的，从而影响帧的处理方式。例如，控制帧主要用于协助数据帧的传递，它们可以用于监督无线介质的访问以及提供MAC层次的可靠性。在实际应用中，Frame Control字段使得网络设备能够识别和管理不同类型的帧，确保无线通信的有效性和效率。

RA（Receiving Station Address，接收工作站地址）用于标识帧的目的接收方，即接收工作站的MAC地址。这个字段是802.11帧头部的一部分，对于帧的路由和识别非常重要。

FCS（Frame Check Sequence，帧校验序列）是一个用于检测帧在传输过程中是否出现错误的循环冗余校验（CRC）值，通常位于以太网帧的最后部分。FCS是一个32位的值，由发送设备计算得出，并附加在数据帧的末尾。当数据帧到达接收设备时，接收设备会使用相同的算法重新计算CRC值，并将其与接收到的FCS进行比较。如果两者匹配，则认为帧在传输过程中没有发生错误；如果不匹配，则认为帧在传输过程中可能发生了错误，接收设备可以选择丢弃这个帧，并可能请求发送端重传。

Duration（退避时间）用于告诉接收端和所有监听同一信道的其他设备，发送端预计还会占用无线介质多长时间。这有助于避免冲突，因为其他设备可以根据自己的需求和信道的预期使用情况来决定是否延迟发送自己的帧。CTS-to-Self帧中指示的退避时间长度等于WIA-FA网络当前时隙长度值。

S12、在传输时隙发送数据；

WIA-FA网络基于TDMA传输调度机制，通信系统中每个设备基于时间戳实现严格的时间同步，数据发送基于微秒级的时隙调度。

S13、在传输时隙内，每个数据帧传输完成，等待接收设备回复ACK期间，发送端发送用于信道占用指示的协调忙音；

其中，协调忙音是指WIA-FA网络设备发送的用于占用信道的高斯白噪声，实质上是无效的数据信息，其他无线网络设备监听信道资源被占用时，可判断当前信道处于繁忙自动退避。

WLAN设备接收到CTS-to-Self帧后主动退避发送数据，或检测到“协调忙音”后主动退避发送数据，这样保证了WIA-FA网络在数据发送时周围WLAN设备暂缓数据发送，规避了同频干扰。

S14、在发送时隙结束后，预留出预设长度的时隙用于其他无线网络协议进行数据传输。

其中，预留出预设长度的时隙是指在WIA-FA网络的网络调度中，预留一段非WIA-FA网络中设备传输时间片，供其他无线协议设备进行数据传输。时隙长度保证其他无线协议一帧数据可以传输交互完成。

在另一实施例中，在WIA-FA网络中，网络设备可配置发送扩展数据功能；发送设备数据发送后，需接收方发送ACK确认；为了防止不同协议网络间数据传输的碰撞，发送设备数据发送完成后，可持续发送一段扩展数据，扩展数据持续的时长（如果是WLAN网络，即扩展数据小于SIFS（Short Interframe Space，短帧间间隔）时间），小于接收设备接收完成有效数据后，到响应ACK帧的时间；其他设备持续监听到信道繁忙，自行退避。通过该方法，可有效避免其他协议设备，在WIA-FA网络设备等待回复ACK帧间，传输数据造成互相干扰，导致双方数据传输失败。

在另一实施例中，WIA-FA网络设备可实时监听周围无线环境信号，同时基于通信设备之间帧传输获得到的信号强度值，自动调整发送功率和信号检测门限值与能量检测门限值；对小于信号检测门限值的信号直接忽略，不做追踪；根据WIA-FA网络设备间的距离调整发送功率，减少不同协议间网络设备之间的互相干扰。

其中，调整发送功率包括：接收设备基于接收到发送设备的无线帧信号强度，每次以2dbm递增或递减调整自身设备的发送功率，直到符合预设通信双方无线帧中的信号强度。

例如，WIA-FA网络设备监听到周围有其他无线网络信号；WIA-FA网络设备间通信，设备1接收到设备2的信号强度为-32dBm，设备2接收到设备1的信号强度为-35dBm。则可调整设备1和设备2的发送功率，使设备1和设备2通信的信号强调在-55dBm。同时，可将能量检测门限值调至(-75dBm)，信号监测门限值(-65dBm)。

设备1和设备2降低发送功率，减少对周围其他协议网络影响。通过提高能量检测门限值和信号检测门限值，减少周围网络对WIA-FA网络设备通信的影响。

在另一实施例中，一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，应用于其他无线网络设备，具体包括以下步骤：

S21、其他无线网络设备接收到CTS-to-Self帧后主动退避发送数据，或检测到“协调忙音”后主动退避发送数据。

本方法面向工业控制与采集类场景，所传输的数据类型具备小数据包特点，TDMA网络所构造的CTS-to-Self帧中指示的退避时间长度应不大于时隙长度（百微秒级），“协调忙音”仅限制在0~16微秒。发送时隙结束后，预留出长时隙用于WLAN等其他CSMA网络进行数据传输，不降低WLAN等其他通信系统性能。有效规避了WIA-FA等TDMA网络与WLAN网络之间的竞争与抢占，增强了共存通信性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，其特征在于，包括：

WIA-FA网络设备在WIA-FA网络的每个传输时隙开始前发送一个基于其他无线网络协议标准的CTS-to-Self帧；

WIA-FA网络设备在传输时隙进行数据传输；在传输时隙内每个数据帧传输完成等待接收设备回复ACK期间，发送用于信道占用指示的协调忙音；所述协调忙音是指WIA-FA网络设备发送的用于占用信道的高斯白噪声；

在发送时隙结束后，预留出预设长度的时隙用于其他无线网络协议进行数据传输；所述预留出预设长度的时隙是指在WIA-FA网络的网络调度中，预留一段非WIA-FA网络中设备传输时间片，供其他无线网络设备进行数据传输；

所述其他无线网络设备包括基于CSMA机制的无线网络设备。

2.根据权利要求1所述的一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，其特征在于，WIA-FA网络设备在传输时隙进行数据传输，包括：

发送设备数据发送完成后，持续发送一段扩展数据，所述扩展数据是指发送设备随机产生的一段数据；所述扩展数据持续的时长小于短帧间间隔时间。

3.根据权利要求1所述的一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，其特征在于，WIA-FA网络设备在传输时隙进行数据传输，包括：

WIA-FA网络设备在接收状态，无线射频端探测到无线信号，对小于射频端信号检测门限值的信号直接忽略，不做追踪接收；

WIA-FA网络设备间根据通信双方接收帧的信号强度，调整发送功率，从而减少对其他无线设备传输影响；其中，所述调整发送功率包括：接收设备基于接收到发送设备的无线帧信号强度，每次以2dbm递增或递减调整自身设备的发送功率，直到符合预设通信双方无线帧中的信号强度。

4.根据权利要求3所述的一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，其特征在于，还包括：WIA-FA网络设备间根据通信双方接收帧的信号强度，调整信号检测门限值与能量检测门限值。

5.根据权利要求1所述的一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，其特征在于，CTS-to-Self帧格式包括：2个字节的帧控制、2个字节的退避时间、6个字节的接收工作站地址和4个字节的帧校验序列。

6.根据权利要求5所述的一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，其特征在于，CTS-to-Self帧中指示的退避时间长度等于WIA-FA网络当前时隙长度值。

7.根据权利要求1所述的一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，其特征在于，协调忙音的时长为0~16微秒。

8.一种WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法，其特征在于，包括：

其他无线网络设备接收到WIA-FA网络设备发送的CTS-to-Self帧后主动退避发送数据，或检测到协调忙音后主动退避发送数据；所述WIA-FA网络设备在WIA-FA网络的每个传输时隙开始前发送一个基于其他无线网络协议标准的CTS-to-Self帧，并发送用于信道占用指示的协调忙音；所述协调忙音是指WIA-FA网络设备发送的用于占用信道的高斯白噪声；所述其他无线网络设备包括基于CSMA机制的无线网络设备。

9.一种无线通信系统，其特征在于，所述无线通信系统中包括WIA-FA网络设备以及其他无线网络设备，利用如权利要求1~8任一项所述的WIA-FA网络与其他无线网络协议共存传输方法进行数据通信。