确保服务的保证时隙的获取、分配方法及无线传感网络

摘要

本发明涉及无线传感网络技术领域，具体涉及确保服务的保证时隙获取、分配方法及无线传感网络，本发明采用非竞争期CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙，根据更小粒度的等长时隙获得传感器节点时隙长度，有效解决了GTS浪费的缺陷，打破了在一个超帧中最多只能有7个设备申请GTS的限制，并且引进GACK对传感器节点进行统一确认，避免网络协调器频繁发送确认帧ACK，引起过多的帧头部开销的缺陷，极大的提高无线传感器节点网络带宽利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感网络技术领域，具体涉及确保服务的保证时隙 (Guaranteed Time Slot，简称GTS)获取、分配方法及无线传感网络。

背景技术

无线传感器节点网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成， 通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，目前无线传感器节点网络已得 到了广泛的应用，但是传感器节点带宽和能量资源有限，若带宽闲置将会引起 能量的浪费，因此，提高传感器节点带宽利用率是无线传感器节点网络的一项 重要技术。

目前无线传感器节点网络MAC（Medium Access Control，介质访问控制） 层采用IEEE802.15.4MAC层协议，并在非信标使能或者信标使能模式下工 作。在信标使能模式下，网络协调器通过周期性广播信标帧来定义超帧结构。 如图1所示。超帧分为活跃期active和非活跃期inactive，在非活跃期，网络 中的设备不会进行相互通信，从而可以进入休眠状态以节省能量。活跃期划分 为三个阶段：信标帧发送期Beacon、竞争访问期（Contention Access Period， 简称CAP）和非竞争期（Contention Free Period，简称CFP）。现有IEEE802.15.4 标准中，超帧的活跃期划分为16个等长的标准时隙，每个标准时隙的长度、 竞争访问期包含的时隙数等参数，均由网络协调器设定，并通过超帧开始时发 出的信标帧广播到整个网络。设备在竞争访问期CAP阶段采用时隙的载波侦 听多点接入/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance， 简称CSMA-CA)机制进行数据交互；非竞争期CFP阶段由保证时隙GTS组成， GTS由传感器节点向网络协调器申请并由网络协调器分配，在所述非竞争期 CFP时期设备采用时分多址（Time Division Multiple Access，简称TDMA）机 制进行数据交互。

非竞争期CFP是为设备的某些特殊应用如低延迟或者特殊的带宽要求等 专门设计的，该时期设备申请数据交互所有时隙数即GTS，并在下一个超帧 非竞争期CFP阶段采用TDMA机制进行数据交互。每个超帧中最多可以有七 个GTS时隙，每个GTS时隙可以包含多个标准时隙。一般而言，分配的GTS 可用带宽不高于申请设备的通信流量生成速率，当通信速率低于可用带宽时， 部分GTS将会闲置。而在大多数情况下，超帧中所有GTS闲置带宽之和可以 满足其他设备的一次GTS需求（但是他们中的任何一个都不能独立满足需 求）。因此，这将导致部分CFP被浪费。并且，网络协调器会频繁发送确认帧 ACK，从而引起过多的帧头部开销。

现有技术中，主要通过以下调度算法来解决GTS浪费的情况：

隐式GTS分配机制（Implicit GTS Allocation Mechanism）：在该机制中， 只要能满足通信标准规定的数据流要求并且没有达到GTSs最大数量的限制， 网络协调器就可以通过允许设备通过共享GTSs实现资源调度，即通过把申请 设备的数据流划分成若干块，分别在超帧GTSs中传输。该方案允许若干设备 共享同一组GTSs不仅改善了带宽利用率，而且打破了超帧CFP阶段最多只能 有7个设备进行数据交互的限制。

以上技术方案，由于通过把申请设备的数据流划分成若干块，分别在超帧 GTSs中传输，并不能保证每个GTS被充分利用，每一个GTS仍然有部分被 浪费，没有彻底解决GTS浪费的缺陷，并且需要申请设备去识别自己的数据 流特性，以及网络协调器怎样使用共享的GTS去执行设备的命令都较难实施。

发明内容

为解决现有技术不能保证每个GTS被充分利用，每一个GTS仍然有部分被 浪费，没有彻底解决GTS浪费的缺陷，以及网络协调器频繁发送确认帧ACK， 引起过多的帧头部开销的缺陷，提出确保服务的保证时隙的获取、分配方法及 无线传感网络。

一种确保服务的保证时隙的获取方法，包括：传感器节点向网络协调器发 送请求申请一定数量的确保服务的保证时隙GTS；所述传感器节点在下一个超 帧信标期接收信标帧，获取所述信标帧中的确保服务的子保证时隙SGTS分配 信息；所述传感器节点在所述保证时隙SGTS内与网络协调器进行数据交互； 所述传感器节点接收确认标记，确认数据是否已交付成功；

所述确保服务的子保证时隙SGTS分配信息包括将非竞争期CFP长度划分 成若干个更小粒度的等长时隙t，根据更小粒度的等长时隙t获得传感器节点时 隙长度其中，所述更小粒度的等长时隙t为基本时隙单元 aBaseSlotDuration的x倍，x=GCD(m₁,m₂,m₃,...,m_n)， 为每个GTS中将占用的基本时隙单元个数，n≥1， GCD(·)表示取最大公约数运算，表示向上取整运算，Ttn_GTS为传感器节点所 传输数据实际所需时间大小。

优选地，所述传感器节点接收确认标记，确认数据是否已交付成功包括： 所述确认标记为组确认帧GACK，传感器节点侦听信道，并接收网络协调器广 播的GACK帧，解析其中确认列表信息，如果有该传感器节点短地址信息，表 示数据交付成功，否则，表示数据交付失败，则该传感器节点根据剩余CAP 长度决定是否在该剩余时隙通过CSMA-CA机制接入信道继续发送数据，或者 在下一超帧发送数据。

一种确保服务的保证时隙的分配方法，包括：

根据所有传感器节点申请的确保服务的保证时隙GTS数量确定非竞争期 CFP长度；

将所述CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙t，根据更小粒度的等长 时隙t获得传感器节点时隙长度获得传感器节点确保服务的子保证时 隙SGTS分配信息；

其中，所述更小粒度的等长时隙t为基本时隙单元aBaseSlotDuration的x倍， x=GCD(m₁,m₂,m₃,...,m_n)，为每个GTS中将占用 的基本时隙单元个数，n≥1，GCD(·)表示取最大公约数运算，表示向上取 整运算，Ttn_GTS为传感器节点所传输数据实际所需时间大小；

在超帧的信标期内广播信标帧，所述信标帧中包含申请传感器节点SGTS 分配信息；

根据所述SGTS分配信息在所述CFP时长内接收传感器节点发送的数据信 息，生成接收状态报告。

优选地，在生成接收状态报告之后，包括：根据收到的数据信息，构造组 确认帧GACK，其中所述GACK中包含所述成功发送数据的传感器节点信息和 组信息；向传感器节点发送所述GACK。

优选地，所述向传感器节点发送所述GACK通过广播或组播的形式发送。

一种确保服务的保证时隙的分配方法，包括：

S301、传感器节点向网络协调器发送请求申请一定数量的确保服务的保证 时隙GTS；

S302、根据所有传感器节点申请的GTS数量确定非竞争期CFP长度；

S303、将所述CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙t，根据更小粒度 的等长时隙t获得传感器节点时隙长度获得传感器节点确保服务的子 保证时隙SGTS分配信息；

其中，所述更小粒度的等长时隙t为基本时隙单元aBaseSlotDuration的x倍， x=GCD(m₁,m₂,m₃,...,m_n)，为每个GTS中将占用 的基本时隙单元个数，n≥1，GCD(·)表示取最大公约数运算，表示向上取 整运算，Ttn_GTS为传感器节点所传输数据实际所需时间大小；

S304、在超帧的信标期内广播信标帧，所述信标帧中包含申请传感器节点 SGTS分配信息；

S305、传感器节点在下一个超帧信标期接收信标帧，并获取所述信标帧中 SGTS分配信息；

S306、传感器节点在所述SGTS时隙内与网络协调器进行数据交互；

S307、根据所述SGTS分配信息在所述CFP时长内接收传感器节点发送的 数据信息，生成接收状态报告。

优选地，进一步包括：

S308、根据收到的传感器节点数据，构建组确认帧GACK，其中所述GACK 帧中包含所述成功发送数据的传感器节点信息；

S309、向传感器节点发送所述GACK帧；

S310、传感器节点接收GACK帧。

优选地，所述向传感器节点发送所述GACK通过广播或组播的形式发送。

优选地，还包括：

S411、所述传感器节点比较剩余CAP长度与阈值T_s的大小，若剩余CAP长 度大于等于阈值T_s，则执行步骤S413，否则，则执行步骤S412；

S412、传感器节点进入非活跃期；

S413、传感器节点通过CSMA-CA机制接入信道进行数据交互。

一种具有确保服务的保证时隙的无线传感网络，包含以无线方式相连接的 网络协调器和至少一个传感器节点；

所述网络协调器用于将非竞争期CFP长度划分成若干个更小粒度的等长 时隙t，根据更小粒度的等长时隙t获得传感器节点时隙长度获得传 感器节点确保服务的子保证时隙SGTS分配信息，其中，所述更小粒度的等长 时隙t为基本时隙单元aBaseSlotDuration的x倍，x=GCD(m₁,m₂,m₃,...,m_n)， 为每个具有确保服务的保证时隙GTS中将占用的基 本时隙单元个数，n≥1，GCD(·)表示取最大公约数运算，表示向上取整运 算，Ttn_GTS为传感器节点所传输数据实际所需时间大小；在超帧的信标期内广 播信标帧，所述信标帧中包含申请传感器节点SGTS分配信息；根据所述SGTS 分配信息在所述CFP时长内接收传感器节点发送的数据信息，生成接收状态报 告；根据收到的传感器节点数据，构建组确认帧GACK，其中所述GACK帧中 包含所述成功发送数据的传感器节点信息；向传感器节点发送所述GACK帧；

所述传感器节点用于向网络协调器发送请求申请一定数量的确保服务的 保证时隙GTS；在超帧信标期接收信标帧，获取所述信标帧中SGTS分配信息； 在所述SGTS时隙内与网络协调器进行数据交互；接收GACK帧。

与现有技术相比，本发明采用非竞争期CFP长度划分成若干个更小粒度的 等长时隙t，根据更小粒度的等长时隙t获得传感器节点时隙长度，有效解决了 GTS浪费的缺陷，打破了在一个超帧中最多只能有7个设备申请GTS的限制， 并且引进GACK对传感器节点进行统一确认，避免网络协调器频繁发送确认帧 ACK，引起过多的帧头部开销的缺陷，极大的提高无线传感器节点网络带宽利 用率。

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅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 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是现有技术超帧结构示意图；

图2是本发明GTS获取方法优选实施例流程示意图；

图3是本发明实施例超帧结构更小粒度的等长时示意图

图4是本发明实施例超帧GACK结构示意图；

图5是本发明GTS分配方法优选实施例流程示意图；

图6是本发明GTS分配方法另一优选实施例流程示意图；

图7是本发明GTS分配方法另一优选实施例流程示意图。

具体实施方式

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作出创造 性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面对本发明实施例中可能出现的英文缩写进行统一解释如下：

ACK：Acknowledge Frame，确认帧；

GACK：Group Acknowledge Frame，组确认帧；

GTS：Guaranteed Time Slot，确保服务的保证时隙；

SGTS：Son Guaranteed Time Slots，确保服务的子保证时隙；

CAP：Contention Access Period，竞争访问期；

CFP：Contention Free Period，非竞争期；

CSMA-CA：Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波侦 听多点接入/冲突避免；

需要特别说明的是，对于现有技术，GTS总数小于等于7个，但对于本发 明而言，将可能会超过GTS总数7个的限制，本发明以GTS总数7个GTS为例进 行说明，但并不限限制于适用GTS总数小于等于7个的情况，理论上对于大于 等于1个的情况均适用。

本发明实施例一提供一种保证时隙GTS获取方法，包括：

S101、传感器节点向网络协调器发送请求申请一定数量的保证时隙GTS；

当传感器节点加入到以某网络传感器节点为网络协调器的网络中后，通过 接收信标帧以获得与网络同步，如果该传感器节点有数据需要专用的带宽资源 发送给网络协调器，即在超帧CAP阶段通过CSMA-CA机制接入信道向网络协 调器发送GTS请求信息，该请求信息包含：该传感器节点的短地址和需要申请 的GTS数量等。

S102、所述申请GTS的传感器节点在下一个超帧信标期接收信标帧，获取 所述信标帧中的确保服务的子保证时隙SGTS分配信息；

传感器节点在下一个超帧信标期接收网络传感器节点广播的信标帧，实现 与所属网络协调器时间同步，并解析其中SGTS分配信息，获取网络协调器为 其分配的确保服务的子保证时隙分配信息，包括SGTS起始时隙和SGTS长度等 信息。

所述确保服务的子保证时隙SGTS分配信息为网络协调器将CFP长度划分 成若干个更小粒度的等长时隙，以更小粒度的等长时隙为基准给该传感器节点 分配获得，所述CFP长度为网络协调器向所在区域内进行广播，获取其范围内 的所有传感器节点向网络协调器申请的保证时隙GTS而得到，具体包括：

在网络初始化时网络协调器向所在区域内进行广播，以获取其范围内的所 有传感器节点信息，传感器节点发送数据前须向网络协调器申请保证时隙 GTS，网络协调器根据所有传感器节点申请的GTS分配CFP，假设CFP时长为 T_CFP，则：

$T_{\mathrm{CFP}}={T1}_{\mathrm{GTS}}+{T2}_{\mathrm{GTS}}+.....+{T7}_{\mathrm{GTS}}=\underset{n=1}{\overset{7}{\Sigma }}{\mathrm{Tn}}_{\mathrm{GTS}}---\left(1\right)$

其中，Tn_GTS为每个传感器节点所占用的GTS时长，1≤n≤7；

由于网络中通常会存在多种传感器节点如二氧化碳传感器节点、温度传感 器节点、湿度传感器节点等，每种传感器节点不仅构造不尽相同，传感器节点 所传输的数据大小也不尽相同，设每个感器节点所传输数据实际所需时间大小 为Ttn_GTS（图1中GTS的阴影部分），则显然，Tn_GTS≥Ttn_GTS，其中，1≤n≤7。

本发明实施例可以适用于多种传感器节点网络的实施场景，例如：传感器 节点可以为烟雾报警装置，传感器网络中的烟雾报警装置需要无差错地与网络 协调器进行数据交互，以上报采集到的重要数据。

本发明首先将所述CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙，更小粒度 的等长时隙长度为IEEE802.15.4规定的基本时隙单元aBaseSlotDuration的整数 倍，aBaseSlotDuration为60个符号(symbols)且1symbol=4比特(bit)，其中每个符 号长16μs，则aBaseSlotDuration长0.96ms，故一个超帧中基本时隙单元个数为：

$m=\frac{T_{\mathrm{CFP}}}{0.96}---\left(2\right)$

网络协调器以m的倍数重新划分时隙，将所述CFP时隙划分成若干个更小 粒度的等长时隙，设网络协调器以m的x倍重新划分时隙，即更小粒度的等长 时隙时长为：

t=0.96×x（ms）  （3）

其中，x=GCD(m₁,m₂,m₃,...,m_n)，m_n为每个GTS中将占用的基本时隙 单元个数，1≤n≤7，GCD(·)表示取最大公约数运算，表示 向上取整运算；

网络协调器负责为每个传感器节点分配时隙，包含起始时隙和时隙长度， 由以上可知各传感器节点时隙长度分别为

则进一步可知，第n个GTS的起始时隙S_n分别为：

S₁=0;

.

.

.

网络协调器以更小粒度的等长时隙为基准给所述传感器节点分配发送数 据所需的SGTS，各传感器节点接收到网络协调器的信息后按照其分配的时期 即从起始时隙S_n×t（ms）开始到（ms）期间内在下一个超帧中传 送数据。

S103、所述传感器节点在所述保证时隙SGTS内与网络协调器进行数据交 互；

当CFP该传感器节点的SGTS时隙到来时，该传感器节点首先同步到该 SGTS起始时隙边沿，然后通过专用信道向网络协调器发送采集到的数据信息， 直到该SGTS时隙结束为止。

S104、所述传感器节点接收确认标记，确认数据是否已交付成功。

所述确认信息为确认帧ACK，该方式与现有技术相似，不再详述。

优选地，所述确认信息为组确认帧GACK，如图2所示，数据发送完成之 后，传感器节点侦听信道，并接收网络协调器广播的GACK帧，解析其中确 认列表信息，如果有该传感器节点短地址信息，表示数据交付成功，否则，表 示数据交付失败，则该传感器节点根据剩余CAP长度决定是否在该剩余时隙 通过CSMA-CA机制接入信道继续发送数据，或者在下一超帧发送数据。

本发明实施例二提供一种保证时隙GTS分配方法，通过减小GTS粒度，在 对信标帧格式进行微调基础上，极大地提高了无线传感器节点网络的带宽利用 率，并且打破了在一个超帧中最多只能有7个设备申请GTS的限制；并且，网 络协调器通过发送GACK帧降低了由于频繁发送确认帧而引起过多的帧头部 开销。

一种保证时隙GTS分配方法，具体包括：

S201、根据所有传感器节点申请的GTS数量（一个或多个由网络协调器管 理的传感器节点）确定CFP长度；

在网络初始化时网络协调器向所在区域内进行广播，以获取其范围内的所 有传感器节点信息，传感器节点发送数据前须向网络协调器申请保证时隙 GTS，网络协调器根据所有传感器节点申请的GTS(总数小于等于7个)分配 CFP，假设CFP时长为T_CFP，则：

$T_{\mathrm{CFP}}={T1}_{\mathrm{GTS}}+{T2}_{\mathrm{GTS}}+.....+{T7}_{\mathrm{GTS}}=\underset{n=1}{\overset{7}{\Sigma }}{\mathrm{Tn}}_{\mathrm{GTS}}---\left(1^{,}\right)$

其中，Tn_GTS为每个传感器节点所占用的GTS时长，1≤n≤7；

由于网络中通常会存在多种传感器节点如二氧化碳传感器节点、温度传感 器节点、湿度传感器节点等，每种传感器节点不仅构造不尽相同，传感器节点 所传输的数据大小也不尽相同，设每个感器节点所传输数据实际所需时间大小 为Ttn_GTS（图1中GTS的阴影部分），则显然，Tn_GTS≥Ttn_GTS，其中，1≤n≤7。

本发明实施例可以适用于多种传感器节点网络的实施场景，例如：传感器 节点可以为烟雾报警装置，传感器网络中的烟雾报警装置需要无差错地与网络 协调器进行数据交互，以上报采集到的重要数据。

若传感器节点处于以网络传感器节点为网络协调器的PAN（Personal Area  Network，个域网）内时，网络传感器节点会以超帧的时间长为周期，周期性 地给这个PAN内的传感器节点广播信标帧，本领域普通技术人员可以理解，信 标帧与现有技术中类似，本发明在此不做详细介绍。

标准的GTS分配机制是基于基本的单元——标准时隙而生成的。如图1所 示，第一个GTS包含两个标准时隙，第二个GTS包含三个标准时隙，一般而言， 在分配的GTS中的可用保证带宽不少于申请设备的数据量，当申请设备的数据 量少于可用保证带宽时，一部分GTS将会闲置，从而导致带宽浪费。而图1两 个GTS闲置的带宽之和可能满足其他设备GTS需求，但是它们中的任何单独的 一个可能均无法满足。

在标准机制中，GTS描述符架构如表1所示，用4bit信息标识GTS起始时隙， 另外4bit信息描述GTS长度，因此一个GTS能通过（起始时隙，长度）来描述。 例如，图1中两个GTS可以分别用（1011，0010）_b和（1101，0011）_b来表示， 显然，在标准机制中这种结构可能没有被充分利用。

表1GTS描述符格式

Bit：0-15 16-19 20-23 设备短地址 GTS起始时隙 GTS长度

S202、将所述CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙t，根据更小粒度 的等长时隙t获得传感器节点时隙长度获得传感器节点确保服务的子 保证时隙SGTS分配信息，对信标帧格式进行调整；

本发明首先将所述CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙，更小粒度 的等长时隙长度为IEEE802.15.4规定的基本时隙单元aBaseSlotDuration的整数 倍，aBaseSlotDuration为60个符号(symbols)且1symbol=4比特(bit)，其中每个符 号长16μs，则aBaseSlotDuration长0.96ms，故一个超帧中基本时隙单元个数为：

$m=\frac{T_{\mathrm{CFP}}}{0.96}---\left(2^{,}\right)$

网络协调器以m的倍数重新划分时隙，将所述CFP时隙划分成若干个更小 粒度的等长时隙，设网络协调器以m的x倍重新划分时隙，即更小粒度的等长 时隙时长为：

t=0.96×x（ms）  （3’）

其中，x=GCD(m₁,m₂,m₃,...,m_n)，m_n为每个GTS中将占用的基本时隙 单元个数，1≤n≤7，GCD(·)表示取最大公约数运算，表示 向上取整运算：

网络协调器负责为每个传感器节点分配时隙，包含起始时隙和时隙长度， 由以上可知各传感器节点时隙长度分别为

则进一步可知，第n个GTS的起始时隙S_n分别为：

S₁=0;

.

.

.

网络协调器以更小粒度的等长时隙为基准给所述传感器节点分配发送数 据所需的SGTS，各传感器节点接收到网络协调器的信息后按照其分配的时期 即从起始时隙S_n×t（ms）开始到（ms）期间内在下一个超帧中传 送数据。

在获得以上传感器节点分配发送数据所需的SGTS分配信息后，在对现有 信标帧格式进行调整，包括：

首先，对信标帧超帧定义域内容进行修改，如表2所示。

表2超帧定义

接着对GTS描述符格式进行修改，如表3所示。

表3SGTS描述符格式

Bit：0-15 16-23 24-31 设备短地址 SGTS起始时隙 SGTS长度

下面，以将CFP划分成16个标准时隙为例来阐述，如图3所示，第一个SGTS 包含更小粒度的等长时隙0、1、2、3和4，则在SGTS描述符中用（00000000， 00000101）_b表示，第二个SGTS包含更小粒度的等长时隙5、6、7、8、9、10 和11，则在SGTS描述符中用（00000101、00000111）_b表示。

S203、在超帧的信标期内广播信标帧，所述信标帧中包含申请传感器节点 SGTS分配信息；

网络协调器在上一个超帧将申请的GTS时隙组成的CFP时长划分成若干 个更小粒度的等长时隙，以更小粒度的等长时隙为基准给所述传感器节点分配 确保服务的子保证时隙SGTS。例如，将图3所示的第一个SGTS的SGTS描述符 中的（00000000，00000101）_b和第二个SGTS的SGTS描述符中的（00000101、 00000111）_b组成的SGTS列表在全网广播。

S204、根据所述SGTS分配信息在所述CFP时长内接收传感器节点发送的 数据信息，生成接收状态报告；

作为一种可实现方式，在生成接收状态报告之后，可以回复确认帧ACK， 但该方式与现有技术相似，不再详述。

作为一种特别实现方式，在生成接收状态报告之后，不回复确认信息ACK；

接收传感器节点基于该SGTS分配信息发送的数据，并暂存生成的接收状 态报告，暂不回复确认信息ACK，避免了频繁发送确认帧ACK引起的过多的 帧头部开销，后续过程如图5所示；

S205、根据收到的数据帧，构造组确认帧GACK，其中所述GACK帧中包 含所述成功发送数据的传感器节点信息；

网络协调器接收到基于该SGTS分配信息发送的数据后，暂存成功发送数 据的传感器节点状态报告，并构造组确认帧GACK，如图4所示，组确认帧中 包含剩余CAP起始时隙、剩余CAP长度和确认帧列表信息等，如表4所示。

其中剩余CAP为在CFP阶段网络协调器根据SGTS接收传感器节点发送数 据完成后剩余的小粒度时隙（在该时隙传感器节点采用CSMA-CA机制进行数 据交互），如图4所示，剩余CAP信息（剩余CAP起始时隙，剩余CAP长度）为 （00001101，00000011）_b，该段时隙用于设备进行CSMA-CA接入信道。

表4确认帧格式

确认帧列表信息包含成功发送数据的设备所在的PAN标识符信息以及设 备短地址信息。假设PAN标识符为0x0001，该PAN内设备由0x0001、0x0002、 0x0003、0x0004、0x0005、0x0006组成，其中0x0001、0x0002、0x0003、0x0004 设备在CFP采用TDMA方式与网络协调器进行数据交互并成功，则确认列表如 表5所示。

表5确认帧列表格式

PAN标识符 设备短地址 0x0001 0x0001 0x0001 0x0002 0x0001 0x0003 0x0001 0x0004

如果由于干扰或者其他因素网络协调器未收到0x0003设备的数据，则确认 帧列表中没有0x0003设备的短地址信息，如表6所示。

表6确认帧列表格式

PAN标识符 设备短地址 0x0001 0x0001

0x0001 0x0002 0x0001 0x0004

如表7所示，假设PAN标识符为0x0001，该PAN内设备由0x0001、0x0002、 0x0003、0x0004、0x0005、0x0006组成，其中0x0001、0x0002、0x0003、0x0004、 0x0005和0x0006设备在CFP均采用TDMA方式与网络协调器进行数据交互并 成功，则确认帧列表中设备短地址为广播地址0xffff。

表7广播地址的确认帧列表格式

PAN标识符 设备短地址 0x0001 0xffff

S206、向传感器节点发送所述GACK。

优选地，网络协调器构造GACK并通过广播或组播的形式发送给传感器 节点。

本发明采用非竞争期CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙t，根据 更小粒度的等长时隙t获得传感器节点时隙长度，有效解决了GTS浪费的缺 陷，打破了在一个超帧中最多只能有7个设备申请GTS的限制，并且引进 GACK对传感器节点进行统一确认，避免网络协调器频繁发送确认帧ACK， 引起过多的帧头部开销的缺陷，极大的提高无线传感器节点网络带宽利用率。

本发明实施例三提供一种保证时隙分配方法，包括：

S301、传感器节点向网络协调器发送请求申请一定数量的保证时隙GTS；

当传感器节点加入到以某网络传感器节点为网络协调器的网络中后，通过 接收信标帧以获得与网络同步，如果该传感器节点有数据需要专用的带宽资源 发送给网络协调器，即在超帧CAP阶段通过CSMA-CA机制接入信道向网络协 调器发送GTS请求信息，该请求信息包含：该传感器节点的短地址和需要申请 的GTS数量等，接收网络协调器发送的确认帧。

S302、根据所有传感器节点申请的GTS数量（一个或多个由网络协调器管 理的传感器节点）确定CFP长度；

在网络初始化时网络协调器向所在区域内进行广播，以获取其范围内的传 感器节点信息，当传感器节点需要发送数据前传感器节点须向网络协调器申请 GTS，网络协调器根据所有传感器节点申请的GTS(总数小于等于7个)分配 CFP，设CFP时长为T_CFP，则：

$T_{\mathrm{CFP}}={T1}_{\mathrm{GTS}}+{T2}_{\mathrm{GTS}}+.....+{T7}_{\mathrm{GTS}}=\underset{n=1}{\overset{7}{\Sigma }}{\mathrm{Tn}}_{\mathrm{GTS}}---\left(1^{,,}\right)$

其中，Tn_GTS为每个传感器节点所占用的GTS时长，1≤n≤7。

由于网络中通常会存在多种传感器节点如二氧化碳传感器节点、温度传感 器节点、湿度传感器节点等，每种传感器节点不仅构造不尽相同，传感器节点 所传输的数据大小也不尽相同，设每个感器节点所传输数据实际所需时间大小 为Ttn_GTS（图1中GTS的阴影部分），则显然，Tn_GTS≥Ttn_GTS，其中，1≤n≤7。

本发明实施例可以适用于多种传感器节点网络的实施场景，例如：传感器 节点可以为烟雾报警装置，传感器节点网络中的烟雾报警装置需要无差错地与 网络协调器进行数据交互，以上报采集到的重要数据。

若传感器节点处于以网络传感器节点为网络协调器的PAN（Personal Area  Network，个域网）内时，网络传感器节点会以超帧的时间长为周期，周期性 地给这个PAN内的传感器节点广播信标帧，本领域普通技术人员可以理解，信 标帧与现有技术中类似，本发明在此不做详细介绍。

标准的GTS分配机制是基于基本的单元——标准时隙而生成的。如图1所 示，第一个GTS包含两个标准时隙，第二个GTS包含三个标准时隙，一般而言， 在分配的GTS中的可用保证带宽不少于申请设备的数据量，当申请设备的数据 量少于可用保证带宽时，一部分GTS将会闲置，从而导致带宽浪费。而图1两 个GTS闲置的带宽之和可能满足其他设备GTS需求，但是它们中的任何单独的 一个可能均无法满足。

在标准机制中，GTS描述符架构如表8所示，用4bit信息标识GTS起始时隙， 另外4bit信息描述GTS长度，因此一个GTS能通过（起始时隙，长度）来描述。 例如，图1中两个GTS可以分别用（1011，0010）_b和（1101，0011）_b来表示， 但是在标准机制中这种结构没有被充分利用。

表8GTS描述符格式

Bit：0-15 16-19 20-23 设备短地址 GTS起始时隙 GTS长度

S303、将所述CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙t，根据更小粒度 的等长时隙t获得传感器节点时隙长度获得传感器节点确保服务的子 保证时隙SGTS分配信息，对信标帧格式进行调整；

本发明首先将所述CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙，更小粒度 的等长时隙长度为IEEE802.15.4规定的基本时隙单元aBaseSlotDuration的整数 倍，aBaseSlotDuration为60个符号(symbols)且1symbol=4比特(bit)，其中每个符 号长16μs，则aBaseSlotDuration长0.96ms，故一个超帧中基本时隙单元个数为：

$m=\frac{T_{\mathrm{CFP}}}{0.96}---\left(2^{,,}\right)$

网络协调器以m的倍数重新划分时隙，将所述CFP时隙划分成若干个更小 粒度的等长时隙，设网络协调器以m的x倍重新划分时隙，即更小粒度的等长 时隙时长为：

t=0.96×x（ms）  （3’’）

其中，x=GCD(m₁,m₂,m₃,...,m_n)，m_n为每个GTS中将占用的基本时隙 单元个数，1≤n≤7，GCD(·)表示取最大公约数运算，表示 向上取整运算：

网络协调器负责为每个传感器节点分配时隙，包含起始时隙和时隙长度， 由以上可知各传感器节点时隙长度分别为

则进一步可知，第n个GTS的起始时隙S_n分别为：

S₁=0;

.

.

.

网络协调器以更小粒度的等长时隙为基准给所述传感器节点分配发送数 据所需的SGTS，各传感器节点接收到网络协调器的信息后按照其分配的时期 即从起始时隙S_n×t（ms）开始到（ms）期间内在下一个超帧中传 送数据。

在获得以上传感器节点分配发送数据所需的SGTS分配信息后，在对现有 信标帧格式进行调整，包括：

首先，对信标帧超帧定义域内容进行修改，如表9所示。

表9超帧定义

接着对GTS描述符格式进行修改，如表10所示。

表10SGTS描述符格式

Bit：0-15 16-23 24-31 设备短地址 SGTS起始时隙 SGTS长度

下面，以将CFP划分成16个标准时隙为例来阐述，如图3所示，第一个SGTS 包含更小粒度的等长时隙0、1、2、3和4，则在SGTS描述符中用（00000000， 00000101）_b表示，第二个SGTS包含更小粒度的等长时隙5、6、7、8、9、10 和11，则在SGTS描述符中用（00000101、00000111）_b表示。

S304、在超帧的信标期内广播信标帧，所述信标帧中包含申请传感器节点 SGTS分配信息；

网络协调器在上一个超帧将申请的GTS时隙组成的CFP时隙划分成若干 更小粒度的等长时隙，并以所述小粒度时隙为基准为基准给所述传感器节点分 配发送数据所需的SGTS。例如，将图3所示的第一个SGTS的SGTS描述符中的 （00000000，00000101）_b和第二个SGTS的SGTS描述符中的（00000101、 00000111）_b组成的SGTS列表在全网广播。

S305、传感器节点在下一个超帧信标期接收信标帧，并获取所述信标帧中 SGTS分配信息；

所述传感器节点在下一个超帧信标期接收网络传感器节点广播的信标帧， 实现与所属网络协调器时间同步，并解析其中SGTS信息，获取网络协调器为 其分配的SGTS信息：SGTS起始时隙和SGTS长度等信息。

S306、传感器节点在所述SGTS时隙内与网络协调器进行数据交互；

当CFP该传感器节点的SGTS时隙到来时，该传感器节点首先同步到该 SGTS起始时隙边沿，然后通过专用信道向网络协调器发送采集到的数据信息， 直到该SGTS时隙结束为止。

S307、根据所述SGTS分配信息在所述CFP时长内接收传感器节点发送的 数据信息，生成接收状态报告；

作为一种可实现方式，在生成接收状态报告之后，可以回复确认帧ACK， 传感器节点接收确认帧ACK，但该方式与现有技术相似，不再详述。

作为一种特别实现方式，在生成接收状态报告之后，不回复确认信息ACK， 也即接收传感器节点基于该SGTS分配信息发送的数据，并暂存生成接收状态 报告，暂不回复ACK，避免了频繁发送确认帧ACK引起的过多的帧头部开销， 后续过程如图6所示，具体如下：

S308、根据收到的传感器节点数据，构建组确认帧GACK，其中所述GACK 帧中包含所述成功发送数据的传感器节点信息；

网络协调器接收到基于该SGTS分配信息发送的数据后，暂存成功发送数 据的传感器节点状态报告，并构造GACK帧，如图4所示，GACK帧中包含剩 余CAP起始时隙、剩余CAP长度和确认帧列表信息等，如表4所示。

S309、向传感器节点发送所述GACK帧。

网络协调器构造GACK帧并通过广播或组播的形式发送给传感器节点。

S310、传感器节点接收GACK帧。

本发明采用非竞争期CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙t，根据更 小粒度的等长时隙t获得传感器节点时隙长度，有效解决了GTS浪费的缺陷， 打破了在一个超帧中最多只能有7个设备申请GTS的限制，并且引进GACK对 传感器节点进行统一确认，避免网络协调器频繁发送确认帧ACK，引起过多的 帧头部开销的缺陷，极大的提高无线传感器节点网络带宽利用率。

作为优选实施方式，本发明还提供一种同步时隙分配方法，如图7所示；

S401－S410与上述实施例三S301－S310完全相同。

S411、所述传感器节点比较剩余CAP长度与阈值T_s的大小，判断剩余 CAP长度是否大于等于阈值T_s，若剩余CAP长度大于等于阈值T_s，则执行步 骤S413，否则，则执行步骤S412；

S412、传感器节点进入非活跃期。

所有传感器节点将提前进入超帧非活跃期以节省能量。

S413、传感器节点通过CSMA-CA机制接入信道进行数据交互。

所有传感器节点均可通过CSMA-CA机制接入信道与网络协调器进行数 据交互。

根据不同的应用场景而定，不同应用场景下的阈值T_s有不同的值，阈值 Ts为进行一次数据交互所需的最少时间，本实施例默认Ts为最大数据帧传输 所需的时间，由于IEEE802.15.4规定MAC层帧长度不超过127字节，则发 送该数据帧所需的最少SGTS时隙个数为5，则设置阈值Ts的大小为至少5 个SGTS时隙所占的时间，

本发明还提供一种传感网络，包括网络协调器和至少一个传感器节点，

所述网络协调器根据传感器节点申请的GTS数量确定CFP长度，将所述 CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙，以更小粒度的等长时隙为基准给 所述传感器节点分配确保服务的子保证时隙SGTS，获得申请传感器节点SGTS 分配信息，在超帧的信标期内广播信标帧，所述信标帧中包含申请传感器节点 SGTS分配信息；根据所述SGTS分配信息在所述CFP时长内接收传感器节点发 送的数据信息，生成接收状态报告；根据收到的传感器节点数据，构建组确认 帧GACK，其中所述GACK帧中包含所述成功发送数据的传感器节点信息；向 传感器节点发送所述GACK帧；

在网络初始化时网络协调器向所在区域内进行广播，以获取其范围内的传 感器节点信息，当传感器节点需要发送数据前传感器节点须向网络协调器申请 GTS，网络协调器根据所有传感器节点申请的GTS(总数小于等于7个)分配 CFP，设CFP时长为T_CFP，则：

$T_{\mathrm{CFP}}={T1}_{\mathrm{GTS}}+{T2}_{\mathrm{GTS}}+.....+{T7}_{\mathrm{GTS}}=\underset{n=1}{\overset{7}{\Sigma }}{\mathrm{Tn}}_{\mathrm{GTS}}---\left(1^{,,}\right)$

其中，Tn_GTS为每个传感器节点所占用的GTS时长，1≤n≤7。

由于网络中通常会存在多种传感器节点如二氧化碳传感器节点、温度传感 器节点、湿度传感器节点等，每种传感器节点不仅构造不尽相同，传感器节点 所传输的数据大小也不尽相同，设每个感器节点所传输数据实际所需时间大小 为Ttn_GTS（图1中GTS的阴影部分），则显然，Tn_GTS≥Ttn_GTS，其中，1≤n≤7。

本发明实施例可以适用于多种传感器节点网络的实施场景，例如：传感器 节点可以为烟雾报警装置，传感器节点网络中的烟雾报警装置需要无差错地与 网络协调器进行数据交互，以上报采集到的重要数据。

若传感器节点处于以网络传感器节点为网络协调器的PAN（Personal Area  Network，个域网）内时，网络传感器节点会以超帧的时间长为周期，周期性 地给这个PAN内的传感器节点广播信标帧，本领域普通技术人员可以理解，信 标帧与现有技术中类似，本发明在此不做详细介绍。

标准的GTS分配机制是基于基本的单元——标准时隙而生成的。如图1所 示，第一个GTS包含两个标准时隙，第二个GTS包含三个标准时隙，一般而言， 在分配的GTS中的可用保证带宽不少于申请设备的数据量，当申请设备的数据 量少于可用保证带宽时，一部分GTS将会闲置，从而导致带宽浪费。而图1两 个GTS闲置的带宽之和可能满足其他设备GTS需求，但是它们中的任何单独的 一个可能均无法满足。

在标准机制中，GTS描述符架构如表8所示，用4bit信息标识GTS起始时隙， 另外4bit信息描述GTS长度，因此一个GTS能通过（起始时隙，长度）来描述。 例如，图1中两个GTS可以分别用（1011，0010）_b和（1101，0011）_b来表示， 但是在标准机制中这种结构没有被充分利用。

表8GTS描述符格式

Bit：0-15 16-19 20-23 设备短地址 GTS起始时隙 GTS长度

S303、将所述CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙，以更小粒度的 等长时隙为基准给所述传感器节点分配确保服务的子保证时隙SGTS，获得申 请传感器节点SGTS分配信息，对信标帧格式进行调整；

本发明首先将所述CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙，更小粒度 的等长时隙长度为IEEE802.15.4规定的基本时隙单元aBaseSlotDuration的整数 倍，aBaseSlotDuration为60个符号(symbols)且1symbol=4比特(bit)，其中每个符 号长16μs，则aBaseSlotDuration长0.96ms，故一个超帧中基本时隙单元个数为：

$m=\frac{T_{\mathrm{CFP}}}{0.96}---\left(2^{,,}\right)$

网络协调器以m的倍数重新划分时隙，将所述CFP时隙划分成若干个更小 粒度的等长时隙，设网络协调器以m的x倍重新划分时隙，即更小粒度的等长 时隙时长为：

t=0.96×x（ms）  （3’’）

其中，x=GCD(m₁,m₂,m₃,...,m_n)，m_n为每个GTS中将占用的基本时隙 单元个数，1≤n≤7，GCD(·)表示取最大公约数运算，表示 向上取整运算：

网络协调器负责为每个传感器节点分配时隙，包含起始时隙和时隙长度， 由以上可知各传感器节点时隙长度分别为

则进一步可知，第n个GTS的起始时隙S_n分别为：

S₁=0;

.

.

.

网络协调器以更小粒度的等长时隙为基准给所述传感器节点分配发送数 据所需的SGTS，各传感器节点接收到网络协调器的信息后按照其分配的时期 即从起始时隙S_n×t（ms）开始到（ms）期间内在下一个超帧中传 送数据。

在获得以上传感器节点分配发送数据所需的SGTS分配信息后，在对现有 信标帧格式进行调整，包括：

首先，对信标帧超帧定义域内容进行修改，如表9所示。

表9超帧定义

接着对GTS描述符格式进行修改，如表10所示。

表10SGTS描述符格式

Bit：0-15 16-23 24-31 设备短地址 SGTS起始时隙 SGTS长度

下面，以将CFP划分成16个标准时隙为例来阐述，如图3所示，第一个SGTS 包含更小粒度的等长时隙0、1、2、3和4，则在SGTS描述符中用（00000000， 00000101）_b表示，第二个SGTS包含更小粒度的等长时隙5、6、7、8、9、10 和11，则在SGTS描述符中用（00000101、00000111）_b表示。

网络协调器在上一个超帧将申请的GTS时隙组成的CFP时隙划分成若干 更小粒度的等长时隙，并以所述小粒度时隙为基准为基准给所述传感器节点分 配发送数据所需的SGTS。例如，将图3所示的第一个SGTS的SGTS描述符中的 （00000000，00000101）_b和第二个SGTS的SGTS描述符中的（00000101、 00000111）_b组成的SGTS列表在全网广播。

所述传感器节点在下一个超帧信标期接收网络传感器节点广播的信标帧， 实现与所属网络协调器时间同步，并解析其中SGTS信息，获取网络协调器为 其分配的SGTS信息：SGTS起始时隙和SGTS长度等信息。

当CFP该传感器节点的SGTS时隙到来时，该传感器节点首先同步到该 SGTS起始时隙边沿，然后通过专用信道向网络协调器发送采集到的数据信息， 直到该SGTS时隙结束为止。

根据所述SGTS分配信息在所述CFP时长内接收传感器节点发送的数据信 息，生成接收状态报告；

作为一种可实现方式，在生成接收状态报告之后，可以回复确认帧ACK， 传感器节点接收确认帧ACK，但该方式与现有技术相似，不再详述。

作为一种特别实现方式，在生成接收状态报告之后，不回复确认信息ACK， 也即接收传感器节点基于该SGTS分配信息发送的数据，并暂存生成接收状态 报告，暂不回复ACK，避免了频繁发送确认帧ACK引起的过多的帧头部开销， 后续过程如图6所示，具体如下：

网络协调器根据收到的传感器节点数据，构建组确认帧GACK，其中所述 GACK帧中包含所述成功发送数据的传感器节点信息；

网络协调器接收到基于该SGTS分配信息发送的数据后，暂存成功发送数 据的传感器节点状态报告，并构造GACK帧，如图4所示，GACK帧中包含剩 余CAP起始时隙、剩余CAP长度和确认帧列表信息等，如表4所示。

所述传感器节点向网络协调器发送请求申请一定数量的保证时隙GTS； 在超帧信标期接收信标帧，获取所述信标帧中SGTS分配信息；在所述SGTS 时隙内与网络协调器进行数据交互；接收GACK帧。

当传感器节点加入到以某网络传感器节点为网络协调器的网络中后，通过 接收信标帧以获得与网络同步，如果该传感器节点有数据需要专用的带宽资源 发送给网络协调器，即在超帧CAP阶段通过CSMA-CA机制接入信道向网络协 调器发送GTS请求信息，该请求信息包含：该传感器节点的短地址和需要申请 的GTS数量等，接收网络协调器发送的确认帧；

所述传感器节点在超帧信标期接收网络传感器节点广播的信标帧，实现与 所属网络协调器时间同步，解析其中SGTS信息，获取网络协调器为其分配的 SGTS信息，包括SGTS起始时隙和SGTS长度等信息。

当CFP该传感器节点的SGTS时隙到来时，该传感器节点首先同步到该 SGTS起始时隙边沿，然后通过专用信道向网络协调器发送采集到的数据信息， 直到该SGTS时隙结束为止。

本发明采用非竞争期CFP长度划分成若干个更小粒度的等长时隙t，根据更 小粒度的等长时隙t获得传感器节点时隙长度，有效解决了GTS浪费的缺陷， 打破了在一个超帧中最多只能有7个设备申请GTS的限制，并且引进GACK对 传感器节点进行统一确认，避免网络协调器频繁发送确认帧ACK，引起过多的 帧头部开销的缺陷，极大的提高无线传感器节点网络带宽利用率。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的 原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方 法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在 具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理 解为对本发明的限制。