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由于超寬帶(UWB, Ultra Wide Band)技術(shù)的顯著(zhù)優(yōu)勢，如高速據率、低能耗、較強的抗多路徑衰退和穿透力等特點(diǎn)，將是未來(lái)工業(yè)控制系統應用中最具有發(fā)展前景的無(wú)線(xiàn)技術(shù)之一。UWB的特點(diǎn)在一定程度上有效的緩解了現階段無(wú)線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)惡劣環(huán)境應用中存在的通信質(zhì)量嚴重下降而導致的實(shí)時(shí)性和可ii性等問(wèn)題。但山于在工業(yè)控制系統的應用中，通信傳輸的信息包絕大部分是短包，而UWB技術(shù)較其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)信道獲取時(shí)問(wèn)較長(cháng)，這使得UWB應用到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )中時(shí)平均時(shí)延等性能會(huì )受到很大影響。本文系統研究了CSMA/CA協(xié)議應用于基于UWB的工業(yè)控制系統中存在的問(wèn)題。在此基礎上，設計了基于UWB的工業(yè)控制系統專(zhuān)用的PA-MAC協(xié)議。 在該協(xié)議中引入了對系統應用層下來(lái)的短包進(jìn)行介并的思想，充分考慮了UWB和工業(yè)控制系統的特點(diǎn)實(shí)現了緩存管理方法、包介并策略及介并包確認機制。通過(guò)建模仿真，分析并比較了最為典型的CSMA/CA協(xié)議和PA-MAC協(xié)議應用于基于UWB的工業(yè)控制系統中的相關(guān)指標。分析與仿真顯示該機制能夠有效地提高基于UWB的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的平均時(shí)延和時(shí)隙利用率等性能指標。 i csMaicai辦議應用于工業(yè)控制系統中存在的問(wèn)題分析 UwB無(wú)線(xiàn)電技術(shù)利用精確且極短(皮秒級)脈沖傳播，使用極大的帶寬(達幾G赫茲)。這種技術(shù)的可以帶來(lái)很多優(yōu)勢，如功率低、抗多路徑效應好、高比特率和精確的定位能力等。然而，這種技術(shù)的缺點(diǎn)之一是它的高信道獲取時(shí)問(wèn)，和和長(cháng)達幾毫秒至幾l一毫秒，所謂信道獲取時(shí)問(wèn)是指發(fā)射器與接收器之問(wèn)獲得位同步的時(shí)問(wèn)即每收發(fā)一次包就要消耗這些時(shí)問(wèn)。這對于應用于多媒體傳輸時(shí)。山于該應用信息包較長(cháng)，每次消耗的位同步時(shí)問(wèn)可以忽略，而工業(yè)控制系統中大多使用的是短數據包傳輸，如下表1所示。因此，在工業(yè)控制系統中，獲取時(shí)問(wèn)較長(cháng)會(huì )使得時(shí)隙利用率嚴重下降，進(jìn)而導致吞吐量下降和“}凡均時(shí)延的增加。 2 PA-MAC協(xié)議原理及行為建模 從MAC層協(xié)議設計角度出發(fā)以提高時(shí)隙利用率，目前較好的思想是Lu等人提出的介并上層包的方法[c]。本文提出的PA-MAC(PacketAggregating MAC)采用了該基本思想，并充分考慮了工業(yè)控制系統的具體特點(diǎn)實(shí)現了包管理方法、介并策略及介并包確認機制。同時(shí)為了能快速實(shí)現并能與原UWB MAC協(xié)議有效兼容，PA-MAC協(xié)議設計為雙層結構，底層使用CSMA/CA機制小變，上層加入包優(yōu)化子層POL (Packet Optimization Layer)。在POL中實(shí)現高層數據包的管理方法、介并策略和確認機制，如圖2所示。 山于加入了POL子層，處理上層發(fā)送的數據包會(huì )有延遲，如果沒(méi)有設計出較好適介系統的包管理方法、介并策略和確認機制，這種包介并方法小僅小會(huì )提高這個(gè)網(wǎng)絡(luò )的性能，反而還會(huì )加重其各項指標的下降。這也是包介并方法實(shí)現的關(guān)鍵和難點(diǎn)。下而將逐一描述PA-MAC協(xié)議中POL是如何根據工業(yè)控制系統特點(diǎn)設計包管理方法、介并策略和確認機制。 (2) POL的包介并策略 首先我們定義一個(gè)新的類(lèi)型幀介并幀UF(uniteframe)，作為將多個(gè)短的數據包介并成一幀發(fā)送。根據工業(yè)控制系統數據傳輸的特點(diǎn)，具體程序流程圖如圖4所示。 (3) POL的包確認機制 山于POL對高層的下來(lái)的數據包進(jìn)行介并，對于信息幀的確認機制就需要進(jìn)行一定的改進(jìn)。對介并幀OF的確認相L制，POL采用兩種機制:一是對整個(gè)UFi頃進(jìn)行確認;二是對UFi頃中的每一個(gè)數據包分別進(jìn)行確認。在POL中這兩種機制混介使用，當接收到OF時(shí)，首先整幀校驗， 開(kāi)始進(jìn)行屬性變量的初始化，初始化狀態(tài)隨即轉移到等待狀態(tài)，等待數據包的到來(lái)。當數據包到來(lái)時(shí)轉移至介并幀狀態(tài)，將數據包插入相應二維隊列緩存中并采用PA-MAC的包介并機制進(jìn)行介并。如果幀準備好但信道忙轉移至幀間等待狀態(tài);如果幀準備好并且信道空閑將轉移至發(fā)送狀態(tài)將幀發(fā)送出去。發(fā)送結束狀態(tài)轉移至幀發(fā)送完狀態(tài)，如果要等待響應，則轉移到等待響應狀態(tài)，如果等待超時(shí)或接收到響應幀，則轉移回幀發(fā)送完狀態(tài)。此時(shí)如果沒(méi)有幀要發(fā)送，狀態(tài)轉移至等待狀態(tài);如果還有幀要傳則狀態(tài)轉移至幀間等待狀態(tài)。當幀間等待完畢時(shí)，幀間等待狀態(tài)轉移至需要退避狀態(tài)。需要退避狀態(tài)判斷是否執行退避機制，如果小需要進(jìn)行退避，狀態(tài)轉移至發(fā)送狀態(tài);如果需要進(jìn)行退避，狀態(tài)轉移至退避狀態(tài)進(jìn)行退避。如果接收到幀或退避中斷，狀態(tài)轉移至幀間等待狀態(tài);如果退避結束并且有新幀發(fā)送，則狀態(tài)轉移至發(fā)送狀態(tài);如果退避結束無(wú)新幀發(fā)送，則狀態(tài)轉移至等待狀態(tài)。 3 仿真與分析 通過(guò)上一節行為建模建立的PA-MAC有限狀態(tài)機建立了無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)模型，并仿真了擁有Io個(gè)節點(diǎn)，范圍為20m*20m的網(wǎng)絡(luò )模型。其主要仿真參數如下表2所示: 通過(guò)仿真數據統計可以看出，PA-MAC}辦議比普通的CSMA/CA協(xié)議史適介基于UWB的工業(yè)控制系統應用，該協(xié)議中的介并機制能夠較好的緩解UWB信道獲取時(shí)問(wèn)長(cháng)而上層應用大多是較短的數據包所帶來(lái)的一系列問(wèn)題。從圖7可以看出在數據包隨機產(chǎn)生率較低時(shí)，即網(wǎng)絡(luò )負載較輕時(shí)，PA-MAC協(xié)議的沒(méi)有優(yōu)勢，包介并機制反而加重了包的時(shí)延。但當網(wǎng)絡(luò )負載有所增加時(shí)PA-MAC協(xié)議的,i;_均時(shí)延明顯較csMA/cA小，同時(shí)時(shí)隙利用率也較csMA/cA 協(xié)大幅上升。 4 結論 盡管UwB技術(shù)具有高速率、低能耗、抗多路徑衰退和穿透障礙物的能力強等適介工業(yè)應用的特點(diǎn)，但使用UwB技術(shù)通信時(shí)其信道獲取時(shí)問(wèn)較其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)長(cháng)。而通過(guò)本文列舉的典型的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )的數據指標來(lái)看，大多數包是短包。根據這些數據本文對典型的csMA/cA的時(shí)隙利用率做了系統的計算與分析，結果顯示將UwB技術(shù)引入到工業(yè)控制系統的底層后，時(shí)隙利用率很低�？梢�(jiàn)其信道獲取時(shí)問(wèn)長(cháng)這一特點(diǎn)將成為基于UWB的工業(yè)控制系統的嚴重缺陷，而時(shí)隙利用率很低又會(huì )使平均時(shí)延等性能?chē)乐叵陆怠?br /> 本文為緩解上述問(wèn)題，提出的PA-MAC協(xié)議充分考慮了工業(yè)控制系統的具體特點(diǎn)實(shí)現了包管理方法、介并策略及介并包確認機制。同時(shí)PA-MAC協(xié)議設計為雙層結構，該結構的優(yōu)勢是小僅能使該協(xié)議快速實(shí)現而且能與CSMA/CA協(xié)議有效兼容。最后，對其協(xié)議進(jìn)行了建模與仿真分析，并與CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行了比較，結果顯示PA-MAC史能夠較好的應用于基于UWB的工業(yè)控制系統中。 |
