基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)的PA-MAC協(xié)議

引言

由于超寬帶(UWB, Ultra Wide Band)技術(shù)的顯著優(yōu)勢，如高速據(jù)率、低能耗、較強的抗多路徑衰退和穿透力等特點，將是未來工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用中最具有發(fā)展前景的無線技術(shù)之一[‘一2}。UWB的特點在一定程度上有效的緩解了現(xiàn)階段無線技術(shù)在工業(yè)惡劣環(huán)境應(yīng)用中存在的通信質(zhì)量嚴重下降而導致的實時性和可ii性等問題。但山于在工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用中，通信傳輸?shù)男畔^大部分是短包，而UWB技術(shù)較其他無線技術(shù)信道獲取時問較長，這使得UWB應(yīng)用到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中時平均時延等性能會受到很大影響[[3]。本文系統(tǒng)研究了CSMA/CA協(xié)議應(yīng)用于基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)中存在的問題。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)專用的PA-MAC協(xié)議。

在該協(xié)議中引入了對系統(tǒng)應(yīng)用層下來的短包進行介并的思想，充分考慮了UWB和工業(yè)控制系統(tǒng)的特點實現(xiàn)了緩存管理方法、包介并策略及介并包確認機制。通過建模仿真，分析并比較了最為典型的CSMA/CA協(xié)議和PA-MAC協(xié)議應(yīng)用于基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)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)的平均時延和時隙利用率等性能指標。

i csMaicai辦議應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中存在的問題分析

UwB無線電技術(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)的可以帶來很多優(yōu)勢，如功率低、抗多路徑效應(yīng)好、高比特率和精確的定位能力等。然而，這種技術(shù)的缺點之一是它的高信道獲取時問，和和長達幾毫秒至幾l一毫秒，所謂信道獲取時問是指發(fā)射器與接收器之問獲得位同步的時問[4]即每收發(fā)一次包就要消耗這些時問。這對于應(yīng)用于多媒體傳輸時。山于該應(yīng)用信息包較長，每次消耗的位同步時問可以忽略，而工業(yè)控制系統(tǒng)中大多使用的是短數(shù)據(jù)包傳輸[5]，如下表1所示。因此，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，獲取時問較長會使得時隙利用率嚴重下降，進而導致吞吐量下降和“}凡均時延的增加。

2 PA-MAC協(xié)議原理及行為建模

從MAC層協(xié)議設(shè)計角度出發(fā)以提高時隙利用率，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(tǒng)的具體特點實現(xiàn)了包管理方法、介并策略及介并包確認機制。同時為了能快速實現(xiàn)并能與原UWB MAC協(xié)議有效兼容，PA-MAC協(xié)議設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，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中實現(xiàn)高層數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包會有延遲，如果沒有設(shè)計出較好適介系統(tǒng)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提高這個網(wǎng)絡(luò)的性能，反而還會加重其各項指標的下降。這也是包介并方法實現(xiàn)的關(guān)鍵和難點。下而將逐一描述PA-MAC協(xié)議中POL是如何根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)特點設(shè)計包管理方法、介并策略和確認機制。

2) POL的包介并策略

首先我們定義一個新的類型幀介并幀UF(uniteframe)，作為將多個短的數(shù)據(jù)包介并成一幀發(fā)送。根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，具體程序流程圖如圖4所示。

3) POL的包確認機制

山于POL對高層的下來的數(shù)據(jù)包進行介并，對于信息幀的確認機制就需要進行一定的改進。對介并幀OF的確認相L制，POL采用兩種機制:一是對整個UFi頃進行確認;二是對UFi頃中的每一個數(shù)據(jù)包分別進行確認。在POL中這兩種機制混介使用，當接收到OF時，首先整幀校驗，

開始進行屬性變量的初始化，初始化狀態(tài)隨即轉(zhuǎn)移到等待狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來。當數(shù)據(jù)包到來時轉(zhuǎn)移至介并幀狀態(tài)，將數(shù)據(jù)包插入相應(yīng)二維隊列緩存中并采用PA-MAC的包介并機制進行介并。如果幀準備好但信道忙轉(zhuǎn)移至幀間等待狀態(tài);如果幀準備好并且信道空閑將轉(zhuǎn)移至發(fā)送狀態(tài)將幀發(fā)送出去。發(fā)送結(jié)束狀態(tài)轉(zhuǎn)移至幀發(fā)送完狀態(tài)，如果要等待響應(yīng)，則轉(zhuǎn)移到等待響應(yīng)狀態(tài)，如果等待超時或接收到響應(yīng)幀，則轉(zhuǎn)移回幀發(fā)送完狀態(tài)。此時如果沒有幀要發(fā)送，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至等待狀態(tài);如果還有幀要傳則狀態(tài)轉(zhuǎn)移至幀間等待狀態(tài)。當幀間等待完畢時，幀間等待狀態(tài)轉(zhuǎn)移至需要退避狀態(tài)。需要退避狀態(tài)判斷是否執(zhí)行退避機制，如果小需要進行退避，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至發(fā)送狀態(tài);如果需要進行退避，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至退避狀態(tài)進行退避。如果接收到幀或退避中斷，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至幀間等待狀態(tài);如果退避結(jié)束并且有新幀發(fā)送，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移至發(fā)送狀態(tài);如果退避結(jié)束無新幀發(fā)送，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移至等待狀態(tài)。

3仿真與分析

通過上一節(jié)行為建模建立的PA-MAC有限狀態(tài)機建立了無線節(jié)點模型，并仿真了擁有Io個節(jié)點，范圍為20m*20m的網(wǎng)絡(luò)模型。其主要仿真參數(shù)如下表2所示:

通過仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)用，該協(xié)議中的介并機制能夠較好的緩解UWB信道獲取時問長而上層應(yīng)用大多是較短的數(shù)據(jù)包所帶來的一系列問題。從圖7可以看出在數(shù)據(jù)包隨機產(chǎn)生率較低時，即網(wǎng)絡(luò)負載較輕時，PA-MAC協(xié)議的沒有優(yōu)勢，包介并機制反而加重了包的時延。但當網(wǎng)絡(luò)負載有所增加時PA-MAC協(xié)議的,i;_均時延明顯較csMA/cA小，同時時隙利用率也較csMA/cA
協(xié)大幅上升。

4結(jié)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(yīng)用的特點，但使用UwB技術(shù)通信時其信道獲取時問較其他無線通信技術(shù)長。而通過本文列舉的典型的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)指標來看，大多數(shù)包是短包。根據(jù)這些數(shù)據(jù)本文對典型的csMA/cA的時隙利用率做了系統(tǒng)的計算與分析，結(jié)果顯示將UwB技術(shù)引入到工業(yè)控制系統(tǒng)的底層后，時隙利用率很低?？梢娖湫诺阔@取時問長這一特點將成為基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)的嚴重缺陷，而時隙利用率很低又會使平均時延等性能嚴重下降。

本文為緩解上述問題，提出的PA-MAC協(xié)議充分考慮了工業(yè)控制系統(tǒng)的具體特點實現(xiàn)了包管理方法、介并策略及介并包確認機制。同時PA-MAC協(xié)議設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是小僅能使該協(xié)議快速實現(xiàn)而且能與CSMA/CA協(xié)議有效兼容。最后，對其協(xié)議進行了建模與仿真分析，并與CSMA/CA協(xié)議進行了比較，結(jié)果顯示PA-MAC史能夠較好的應(yīng)用于基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)中。