[发明专利]面向信息--物理融合系统的实时通信优化方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种信息-物理融合系统中信息获取和实时通信的时隙保障机制相关技术，尤其是针对有实施性要求较高的信息-物理融合系统中的传感器节点通信的时隙保障机制（GTS）时隙性能优化方法和设备。

背景技术

随着国发（2010）32号文件《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》将物联网等新一代信息技术产业列为国家战略性新兴产业，信息-物理融合系统越来越多被应用到社会生产生活中。信息-物理融合系统的应用一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。信息-物理融合系统可以应用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域，以及监测和控制家庭的安全系统、照明、空调系统和其他基础设施，甚至在环境监测和保护领域发挥作用。

信息-物理融合系统（Cyber-Physical Systems，简称CPS系统）是一种融合计算、通信与控制的新型复杂嵌入式系统，系统中计算过程和物理过程在开放环境下持续交互、深度融合，一体化地实现开放嵌入式计算、网络化实时通信与远程精确控制等先进功能。信息-物理融合系统中的信息融合方法主要涉及网络信息的获取和传输以及融合方法的建立。信息融合中信息可能具有不同的特征：可能是实时信息，也可能是非实时信息；可能是快变的或瞬变的，也可能是缓变的；可能是模糊的，也可能是确定的；可能是相互支持或互补，也可能互相矛盾或竞争。传感器将各自获得的信息传至融合中心通过一定的融合算法以获得被测对象的一致性解释或描述。信息融合使用的主要方法有概率论、推理网络、模糊理论和神经网络等，近几十年来，随机集理论作为传统概率和集合理论相结合的一个重要的新的数学分支，被认为是一种系统的、完善的多源信息融合方法。具体有关信息融合理论方法的介绍可以参见：潘泉等人于2003年在《自动化学报》上发表的论文“信息融合理论的基本方法与进展”；徐晓滨等人于2008年在《电子学报》上发表的论文“基于随机集理论的多源信息统一表示与建模方法”等论文。为了满足在信息-物理融合系统中网络的通信要求，需要选用合适的通讯协议传输网络中的数据。

IEEE802.15.4标准是由国际电信联盟制定的，适用于短距离，低功耗无线设备之间进行数据传输和通信的协议，它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备(固定、便携或可移动的)之间进行低数据率的传输，传输距离为10米至100米。802.15.4可以用于工业控制、远程监控和楼宇自动化领域；还可以用于家庭自动化、安全和交互式玩具。监测和控制家庭的安全系统、照明、空调系统和其他设施。802.15.4 提供了一个低成本的用于数据采集和传输的网状网络，网络上每个监测点只需在有限的时间内发送几个比特的数据，数据流是异步的，并在数据等待时间上限制极小，这些因素利于电池使用寿命的延长。

IEEE802.15.4协议的MAC子层提供了在物理层（PHY）和网络更高层协议之间的接口。可由协议器节点选择两种工作模式：信标使能、非信标使能模式。信标使能模式中，节点工作在超帧机制（如图1）下，协调器广播信标帧，设备节点既可以在竞争访问时段（CAP），通过载波侦听多点接入/冲突避免（CSMA/CA）机制进行信道竞争，也可以在实时性要求较高的情况下通过非竞争访问时段（CFP）在为设备节点分配好的保障时隙（GTS）内无竞争地使用信道，一个超帧结构中可以包含多个GTS，最大GTS数为7。一个GTS长度也可以包含超过一个的时隙。超帧的结构还包括休眠期（Inactive Period）。非信标使能模式的网络中，不存在以组播形式广播信标帧的节点，但节点仍可向协调器节点发出信标请求的命令，此时协调器节点将以单播的形式向该节点发送信标。信标使能模式的信标组播模式使其被更广泛地应用于无线网络的应用和研究中。