基于WIA-PA工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)調(diào)度型MAC協(xié)議

王 平，李華松，王 恒，羅志勇，楊 健

(1.重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點實驗室，重慶400065;2.華為技術(shù)有限公司北京研究所，北京100085)

0 引言

作為信息領(lǐng)域一個新興方向，工業(yè)無線通信技術(shù)［1］是一種面向節(jié)點間短距離、低速率、低功耗的無線通信技術(shù)，以其使用方便、節(jié)省資源等優(yōu)勢正廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。WIA-PA(wireless networks for industrial automation-process automation)［2］是我國首個自主研發(fā)的一項工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)，主要用于過程自動化的監(jiān)測、管理、控制。

WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)的媒體訪問控制(media access control，MAC)層規(guī)定了設(shè)備無線接入網(wǎng)絡(luò) 的方式。通常接入信道的方式可分為競爭接入方式、時分復(fù)用接入方式(time division multiple access，TDMA)以及混合接入方式。其中，基于競爭的MAC協(xié)議主要有S-MAC［4］協(xié)議及其改進(jìn)的協(xié)議，它們競爭接入信道，算法簡單，同時使用休眠機(jī)制，能節(jié)省能耗，但卻不能保證設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的確定性;基于TDMA的方式，保證每個設(shè)備擁有固定的時隙，提高了設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的確定性，但對時間同步的要求很高，同時網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性也不強(qiáng)。

基于工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)的可靠性、穩(wěn)定性、實時性以及低功耗等特性的要求，本文給出了一種基于 CSMA(carrier sence multiple access)，TDMA，F(xiàn)DMA(frequency division multiple access)相結(jié)合的信道接入方式，它既能增強(qiáng)設(shè)備入網(wǎng)的實時性，減少發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生的沖突，同時也能充分利用帶寬資源，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，并降低系統(tǒng)的能耗［5］。

1 一種自適應(yīng)接入方法

本文的設(shè)計思路是在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備(包括簇首和簇內(nèi)終端節(jié)點)在加入網(wǎng)絡(luò)前，在超幀的競爭訪問期(contention access period，CAP)階段采用CSMA/CA競爭算法發(fā)送非周期性數(shù)據(jù)。而在加入網(wǎng)絡(luò)后，超幀結(jié)構(gòu)中既有周期性數(shù)據(jù)傳輸，也有非周期性數(shù)據(jù)傳輸。非周期性數(shù)據(jù)在CAP階段傳輸，周期性數(shù)據(jù)在專用時隙內(nèi)(無競爭期(contention free period，CFP)、簇內(nèi)、簇間)傳輸。由于設(shè)備在入網(wǎng)前后，數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)吞吐量都有較大的變化，本文根據(jù)這種變化來自適應(yīng)地調(diào)整超幀結(jié)構(gòu)［6-7］，這里分為加入網(wǎng)絡(luò)前和加入網(wǎng)絡(luò)后2個階段來進(jìn)行分析研究。

1.1 加入網(wǎng)絡(luò)前數(shù)據(jù)的傳輸

在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備在入網(wǎng)前，超幀結(jié)構(gòu)的活動期只有信標(biāo)幀和CAP階段，非活動期只有休眠階段，此時的超幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，TCAP0為競爭接入期長度;Tsleep0為休眠期長度。

圖1 WIA-PA超幀結(jié)構(gòu)Fig.1 WIA-PA super frame structure

本文設(shè)置的超幀周期為一個固定值(設(shè)為Tsuperframe)，根據(jù)圖1可以得到

(1)式中，TBeacon為信標(biāo)幀長度。設(shè)備在加入網(wǎng)絡(luò)的過程中，在CAP階段會發(fā)送比較多的非周期性數(shù)據(jù)(例如發(fā)送入網(wǎng)請求幀、資源分配請求幀等)，這時網(wǎng)絡(luò)管理器會根據(jù)CAP階段數(shù)據(jù)吞吐量的變化情況實時調(diào)整CAP長度，使數(shù)據(jù)在CAP階段能夠完整、及時地發(fā)送出去，并盡量節(jié)省帶寬資源，減少能耗［8］。

假設(shè)設(shè)備在單位時間內(nèi)能成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為E0，那么在CAP階段能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)吞吐量的最大值為

在WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，各設(shè)備之間發(fā)送數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的、隨機(jī)的，且每個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的速率一定，假設(shè)一個設(shè)備在TCAP0階段的數(shù)據(jù)吞吐量為S，那么對于N個設(shè)備在CAP階段加入網(wǎng)絡(luò)，其總的數(shù)據(jù)吞吐量為SN，則

那么，網(wǎng)絡(luò)管理器根據(jù)SN的大小來動態(tài)地調(diào)節(jié)CAP長度，調(diào)節(jié)CAP階段長度的數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 調(diào)整CAP階段流程圖Fig.2 Flow chart of adjusting CAP phase

圖2中，P1，P2為調(diào)整因子。通過觀察，在一段時間T(T≥TCAP0)內(nèi)，當(dāng)SN≥P1·Smax時，表明該時間段內(nèi)設(shè)備傳輸非周期性數(shù)據(jù)的吞吐量比較大，為了避免因為CAP階段帶寬太小而導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞或者傳輸延遲，網(wǎng)絡(luò)管理器需要及時調(diào)整CAP階段長度，并以較快的速度增大CAP帶寬，同時縮短休眠時間的長度，圖3為調(diào)整超幀結(jié)構(gòu)圖。

根據(jù)圖3所示，有(4)式成立

(4)式中:T'CAP0表示TCAP0增大以后的CAP階段長度;T'sleep0表示Tsleep0減小以后的休眠時間長度;T0為增量，T0=K·Ttimeslot，其中，K為自然數(shù)，Ttimeslot為一個時隙的長度。此時的超幀活動期是整個CAP階段，非活動期是整個休眠階段。

圖3 入網(wǎng)前超幀結(jié)構(gòu)調(diào)整Fig.3 Adjust super frame structure before joining the network

同理，當(dāng)SN≤P2·Smax時，表明該時間段內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)吞吐量比較小，在不影響數(shù)據(jù)及時接入信道的情況下，需要適當(dāng)減小TCAP0，同時增大Tsleep0，以便于提高帶寬利用率、減少能耗。

當(dāng)P2·Smax≤SN≤P1·Smax時，表明此 CAP 階段的長度傳輸N個設(shè)備的非周期數(shù)據(jù)量比較合適，網(wǎng)絡(luò)管理器對超幀結(jié)構(gòu)不作調(diào)整。

1.2 加入網(wǎng)絡(luò)后數(shù)據(jù)的傳輸

設(shè)備成功入網(wǎng)后，網(wǎng)絡(luò)管理器為設(shè)備分配了專用時隙和鏈路等通信資源。此時，超幀結(jié)構(gòu)中既有周期性數(shù)據(jù)的傳輸，也有非周期性數(shù)據(jù)的傳輸，周期性數(shù)據(jù)在專用時隙內(nèi)(CFP、簇內(nèi)、簇間)傳輸。網(wǎng)絡(luò)管理器根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)吞吐量大小來自適應(yīng)調(diào)整超幀結(jié)構(gòu)中各階段的比例。圖4顯示了調(diào)整前后的超幀結(jié)構(gòu)圖。

1.2.1 專用時隙傳輸階段

在WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)中，設(shè)備在入網(wǎng)后，主要在專用時隙階段進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)管理器實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)闹芷谛詳?shù)據(jù)，計算周期性數(shù)據(jù)吞吐量Q，根據(jù)Q計算出在超幀中應(yīng)該分配的時隙數(shù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的地址域信息來統(tǒng)計出當(dāng)前在線的設(shè)備數(shù)量，方便調(diào)整超幀結(jié)構(gòu)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)管理器分配給CFP、簇內(nèi)和簇間通信段的總時隙數(shù)目為m，單個時隙內(nèi)的數(shù)據(jù)吞吐量為q，可以得出m和Q具有如下關(guān)系

通過(5)式可以算出應(yīng)該分配的專用時隙數(shù)m，此時就可以重新調(diào)整超幀結(jié)構(gòu)。

圖4 入網(wǎng)后超幀結(jié)構(gòu)調(diào)整Fig.4 Adjust super frame structure after joining the network

當(dāng)時隙數(shù)m確定了，就可得到CFP、簇內(nèi)和簇間階段所占用的超幀長度值Tm，然后重新分配時隙和鏈路。此時，假設(shè)CAP階段和休眠階段的長度分別為 TCAP1，T'sleep1，如圖 4 所示，有

從(6)式可以看出，第3個等式表明網(wǎng)絡(luò)管理器將休眠階段的一部分帶寬分配給簇內(nèi)通信和簇間通信，將活動期的一部分帶寬資源分配給CFP階段。

1.2.2 CAP 傳輸階段

設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后，在CAP階段主要用來傳輸非周期性數(shù)據(jù)，使用基于時隙的CSMA/CA算法競爭信道，CAP階段的調(diào)整不僅與該階段非周期性數(shù)據(jù)吞吐量的變化有關(guān)，而且還與專用時隙內(nèi)周期性數(shù)據(jù)吞吐量的變化有關(guān)。假設(shè)成功加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量為N，這N個設(shè)備在專用時隙內(nèi)傳輸?shù)闹芷谛詳?shù)據(jù)吞吐量大小為QN，N個設(shè)備在CAP階段傳輸非周期性數(shù)據(jù)吞吐量的大小為SN，SN與周期性數(shù)據(jù)吞吐量QN之間存在一種函數(shù)關(guān)系，則有

(7)式表明，每一次周期性數(shù)據(jù)吞吐量QN值的變化，都有可能引起CAP階段非周期性數(shù)據(jù)吞吐量SN的變化，從而需要重新調(diào)整CAP階段的長度，具體調(diào)整方法類似設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時的調(diào)整方法。

2 驗證與測試結(jié)果

圖5顯示的是WIA-PA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的測試平臺，本測試結(jié)果都是基于此平臺。

圖5 WIA-PA系統(tǒng)測試平臺Fig.5 WIA-PA system test platform

從圖5中可以看到，本系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)、冗余網(wǎng)關(guān)、路由以及終端節(jié)點構(gòu)成。其中，終端節(jié)點包括各種傳感器節(jié)點(如溫濕度、煙霧、粉塵、瓦斯、一氧化碳、二氧化硫等傳感器節(jié)點)和智能儀器儀表(如熱能表、壓力表、閥門、智能電表等)。終端節(jié)點采集并發(fā)送數(shù)據(jù)至其父節(jié)點(路由設(shè)備)，路由通過一跳或多跳的轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)經(jīng)過以太網(wǎng)連接到上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，冗余網(wǎng)關(guān)加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

圖6顯示的是用數(shù)據(jù)分析儀Packet Sniffer抓到的數(shù)據(jù)包。Packet Sniffer用來分析基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包，它可以捕捉到空中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，并顯示出完整的數(shù)據(jù)包幀格式。

開始時，網(wǎng)關(guān)發(fā)送信標(biāo)幀，如圖6所示，從幀的內(nèi)容中可以觀察到初始化信標(biāo)級數(shù)(beacon order，BO)，超幀級數(shù)(superframe order，SO)的值分別為07和01。其中，BO的值決定超幀的周期長度，整個測試過程中保持BO不變。SO的值為01，決定超幀結(jié)構(gòu)的CAP階段，此時由于沒有非周期數(shù)據(jù)在CAP階段傳輸，所以初始化時CAP長度比較小。

圖7顯示的是設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時的數(shù)據(jù)通信情況，在這一過程中，由于有較多的設(shè)備申請加入網(wǎng)絡(luò)，此時網(wǎng)絡(luò)中需要傳輸很多的入網(wǎng)請求幀，資源分配請求幀以及相應(yīng)的響應(yīng)幀等非周期性數(shù)據(jù)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)吞吐量變大，網(wǎng)絡(luò)管理器會根據(jù)這一變化將SO初始化時的值01改變?yōu)?5，CAP階段也隨之自適應(yīng)地調(diào)整增大，由此也就避免了數(shù)據(jù)在CAP階段發(fā)生碰撞或者延遲，網(wǎng)絡(luò)管理器重新分配超幀中各個階段的比例，例如要為新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配專用時隙等，在設(shè)備入網(wǎng)完成后，SO的值又會慢慢變小。

圖6 初始化信標(biāo)幀抓包圖Fig.6 Diagram of beacon frames initialization

3 結(jié)束語

本文基于WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)，給出了一種自適應(yīng)接入信道的方法。它根據(jù)設(shè)備在入網(wǎng)前后網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)吞吐量的變化，動態(tài)地調(diào)整超幀中各階段的長度，從而使通信資源得到更加合理的分配使用，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量。測試結(jié)果表明，本方法避免了數(shù)據(jù)在CAP階段發(fā)生碰撞或者延遲，既避免了帶寬的浪費(fèi)，同時也節(jié)省了能耗。

圖7 設(shè)備入網(wǎng)時數(shù)據(jù)抓包圖Fig.7 Diagram of data frames joining the network

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