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(shì)，如高速據(jù)率、低能耗、較強(qiáng)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(tǒng)應(yīng)用中最具有發(fā)展前景的無(wú)線技術(shù)之一[‘一2}。UWB的特點(diǎn)在一定程度上有效的緩解了現(xiàn)階段無(wú)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(yán)重下降而導(dǎo)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(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(wú)線技術(shù)信道獲取時(shí)問(wèn)較長(zhǎng)，這使得UWB應(yīng)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[[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(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了緩存管理方法、包介并策略及介并包確認(rèn)機(jī)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(yīng)用于基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)中的相關(guān)指標(biāo)。分析與仿真顯示該機(jī)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(biāo)。

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

UwB無(wú)線電技術(shù)利用精確且極短(皮秒級(jí))脈沖傳播，使用極大的帶寬(達(dá)幾G赫茲)。這種技術(shù)的可以帶來(lái)很多優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)之一是它的高信道獲取時(shí)問(wèn)，和和長(zhǎng)達(dá)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)[4]即每收發(fā)一次包就要消耗這些時(shí)問(wèn)。這對(duì)于應(yīng)用于多媒體傳輸時(shí)。山于該應(yīng)用信息包較長(zhǎng)，每次消耗的位同步時(shí)問(wèn)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(shí)問(wèn)較長(zhǎng)會(huì)使得時(shí)隙利用率嚴(yán)重下降，進(jìn)而導(dǎo)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(shè)計(jì)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(tǒng)的具體特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了包管理方法、介并策略及介并包確認(rèn)機(jī)制。同時(shí)為了能快速實(shí)現(xiàn)并能與原UWB MAC協(xié)議有效兼容，PA-MAC協(xié)議設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，底層使用CSMA/CA機(jī)制小變，上層加入包優(yōu)化子層POL (Packet Optimization Layer)。在POL中實(shí)現(xiàn)高層數(shù)據(jù)包的管理方法、介并策略和確認(rèn)機(jī)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(huì)有延遲，如果沒(méi)有設(shè)計(jì)出較好適介系統(tǒng)的包管理方法、介并策略和確認(rèn)機(jī)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(xiàng)指標(biāo)的下降。這也是包介并方法實(shí)現(xiàn)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(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)包管理方法、介并策略和確認(rèn)機(jī)制。

2) POL的包介并策略

首先我們定義一個(gè)新的類型幀介并幀UF(uniteframe)，作為將多個(gè)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(diǎn)，具體程序流程圖如圖4所示。

3) POL的包確認(rèn)機(jī)制

山于POL對(duì)高層的下來(lái)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行介并，對(duì)于信息幀的確認(rèn)機(jī)制就需要進(jìn)行一定的改進(jìn)。對(duì)介并幀OF的確認(rèn)相L制，POL采用兩種機(jī)制:一是對(duì)整個(gè)UFi頃進(jìn)行確認(rèn);二是對(duì)UFi頃中的每一個(gè)數(shù)據(jù)包分別進(jìn)行確認(rèn)。在POL中這兩種機(jī)制混介使用，當(dāng)接收到OF時(shí)，首先整幀校驗(yàn)，

開(kāi)始進(jìn)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(lái)。當(dāng)數(shù)據(jù)包到來(lái)時(shí)轉(zhuǎn)移至介并幀狀態(tài)，將數(shù)據(jù)包插入相應(yīng)二維隊(duì)列緩存中并采用PA-MAC的包介并機(jī)制進(jìn)行介并。如果幀準(zhǔn)備好但信道忙轉(zhuǎn)移至幀間等待狀態(tài);如果幀準(zhǔn)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?duì)顟B(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(shí)或接收到響應(yīng)幀，則轉(zhuǎn)移回幀發(fā)送完?duì)顟B(tài)。此時(shí)如果沒(méi)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(dāng)幀間等待完畢時(shí)，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(jī)制，如果小需要進(jìn)行退避，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至發(fā)送狀態(tài);如果需要進(jìn)行退避，狀態(tài)轉(zhuǎn)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(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(wú)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(guò)上一節(jié)行為建模建立的PA-MAC有限狀態(tài)機(jī)建立了無(wú)線節(jié)點(diǎn)模型，并仿真了擁有Io個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(guò)仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jī)制能夠較好的緩解UWB信道獲取時(shí)問(wèn)長(zhǎng)而上層應(yīng)用大多是較短的數(shù)據(jù)包所帶來(lái)的一系列問(wèn)題。從圖7可以看出在數(shù)據(jù)包隨機(jī)產(chǎn)生率較低時(shí)，即網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，PA-MAC協(xié)議的沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，包介并機(jī)制反而加重了包的時(shí)延。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(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(qiáng)等適介工業(yè)應(yīng)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)線通信技術(shù)長(zhǎng)。而通過(guò)本文列舉的典型的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)指標(biāo)來(lái)看，大多數(shù)包是短包。根據(jù)這些數(shù)據(jù)本文對(duì)典型的csMA/cA的時(shí)隙利用率做了系統(tǒng)的計(jì)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(shí)隙利用率很低?？梢?jiàn)其信道獲取時(shí)問(wèn)長(zhǎng)這一特點(diǎn)將成為基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)的嚴(yán)重缺陷，而時(shí)隙利用率很低又會(huì)使平均時(shí)延等性能嚴(yán)重下降。

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(tǒng)的具體特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了包管理方法、介并策略及介并包確認(rèn)機(jī)制。同時(shí)PA-MAC協(xié)議設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是小僅能使該協(xié)議快速實(shí)現(xiàn)而且能與CSMA/CA協(xié)議有效兼容。最后，對(duì)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(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。