一種工業(yè)無線自適應(yīng)退避競爭接入方法的研究

王寶珠+李蓬勃+齊存康+郭志濤

摘 要： 在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，無線通信已經(jīng)成為一個研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的輪詢方法具有可靠、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但對于子節(jié)點(diǎn)猝發(fā)的異常數(shù)據(jù)不能做到實時監(jiān)測。設(shè)計一種保證工業(yè)異常數(shù)據(jù)實時接入信道的自適應(yīng)退避競爭調(diào)度方法，該方法以輪詢方式作為基礎(chǔ)通信方式，并設(shè)計超幀結(jié)構(gòu)以提供數(shù)據(jù)接入時隙，同時采用自適應(yīng)退避競爭的方法避免信道碰撞。實驗結(jié)果表明，異常數(shù)據(jù)以此方式接入信道具有較高的實時性和可靠性，滿足工業(yè)對異常數(shù)據(jù)傳輸?shù)目量桃蟆?/p>

關(guān)鍵詞： 競爭間隙； 異常數(shù)據(jù)； 自適應(yīng)退避競爭； 數(shù)據(jù)接入； 數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0028?05

Study on an adaptive keeping?off competition access

method of industrial wireless networks

WANG Baozhu1， LI Pengbo1， QI Cunkang2， GUO Zhitao1

（1. School of Electronic and Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300400， China；

2. School of Aviation， Aerospace and automobile， Tianjin Sino?German University of Applied Sciences， Tianjin 300400， China）

Abstract： Wireless communication has become a hot research topic in the industrial network. The traditional polling method has the advantages of high stability and reliability， but it cannot provide real?time monitoring for abnormal data of subnodes. A method of adaptive keeping?off competition scheduling to guarantee abnormal data′s real?time access to the channel is designed in this paper. In this method， the polling mode is adopted as the basic communication mode， superframe structure is designed to provide the slot time for data access， and the adaptive keeping?off competition method is adopted to avoid channel collisions. The experimental results show that the method of accessing abnormal data to the channel has high real?time performance and reliability， which can satisfy the strict requirements for abnormal data transmission in industry.

Keywords： competition gap； abnormal data； adaptive keeping?off competition； data access； data transmission

0 引 言

隨著無線技術(shù)的飛速發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)（Industrial Wireless Sensor Network，IWSN）[1]逐步得到廣泛應(yīng)用。由于其具有低成本、易維護(hù)、易使用和泛在感知等特點(diǎn)，人們可以以較低費(fèi)用實現(xiàn)對工業(yè)全流程的全面檢測[2]。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為工業(yè)自動化和無線研究領(lǐng)域的一個新的熱點(diǎn)方向[3]。在工業(yè)自動化中，實時監(jiān)測生產(chǎn)數(shù)據(jù)是一個非常重要的環(huán)節(jié)。監(jiān)測數(shù)據(jù)又分為正常運(yùn)行數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)。在工業(yè)生產(chǎn)中設(shè)備產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)即意味著生產(chǎn)出現(xiàn)問題，甚至可能是關(guān)乎生命安全的重大問題[4]。所以，異常數(shù)據(jù)的捕捉必須有著高優(yōu)先級、苛刻的實時性和可靠性[5]。

1 研究現(xiàn)狀

由于異常數(shù)據(jù)的緊急性和硬實時性，必須要保證其能迅速競爭到信道資源，在此領(lǐng)域?qū)W者進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[6]提出以異步多信道的形式處理緊急異常數(shù)據(jù)接入信道，這在某種程度上增加了硬件的成本開銷。文獻(xiàn)[7]提出節(jié)點(diǎn)本地計算信道擁堵度，并以此劃分工作狀態(tài)，進(jìn)而改變不同速率、帶寬的調(diào)整策略。目前大部分學(xué)者都是針對多信道異常數(shù)據(jù)處理協(xié)議做的相關(guān)研究，對單信道的研究較少，而且多信道的使用在工業(yè)成本上會比較高，所以本文將對工業(yè)單信道異常數(shù)據(jù)的處理協(xié)議做出相關(guān)研究，提出一種保證工業(yè)異常數(shù)據(jù)在單信道工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中實時接入的自適應(yīng)退避競爭時隙調(diào)度方法。

2 設(shè)計思想

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單，便于管理，是工業(yè)通信中普遍采用的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中分為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)兩種設(shè)備，如圖1所示。主、從節(jié)點(diǎn)共存于同一信道，在任何網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都可以監(jiān)聽到信道中的所有信息，主、從節(jié)點(diǎn)間通信報文主要包括以下幾點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)維護(hù)信息報文；監(jiān)測數(shù)據(jù)報文；數(shù)據(jù)確認(rèn)報文。

2.1 超幀時隙分配

通信以周期性的超幀結(jié)構(gòu)完成，超幀結(jié)構(gòu)分為網(wǎng)絡(luò)維護(hù)區(qū)和通信區(qū)，其超幀模型如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)維護(hù)區(qū)主要包括信標(biāo)幀，通信區(qū)為[N]個通信時隙。通信區(qū)的[N]個通信時隙由主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)確認(rèn)報文實時劃分，在每個時隙分為上傳間隙和競爭間隙，其長度分別為[Tu]和[Tr。]從節(jié)點(diǎn)在上傳間隙上傳數(shù)據(jù)；競爭間隙為主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)確認(rèn)報文和從節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避競爭信道提供信道資源。endprint

如圖2所示，定義超幀長度為[T，]網(wǎng)絡(luò)維護(hù)區(qū)長度為[Tm，]通信區(qū)長度為[Tc，]即有：

[T=Tm+Tc] （1）

類似于時隙ALOHA算法，把超幀劃分為[N]個時隙，每個時隙長度為[Ts，]即有：

[Tc=N×Ts] （2）

節(jié)點(diǎn)之間所有通信都在相應(yīng)時隙中完成。在信標(biāo)幀時隙中主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，其主要任務(wù)包括：

（1） 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，工作為主站模式；

（2） 掃描自由節(jié)點(diǎn)，使自由節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)通信；

（3） 設(shè)置通信起始端。

在時隙的上傳間隙中從節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)，競爭間隙的主要任務(wù)包括：

（1） 主節(jié)點(diǎn)回復(fù)接收消息確認(rèn)，并同時附帶時隙位置標(biāo)志；

（2） 從節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道中主節(jié)點(diǎn)的回復(fù)消息，讀取消息中時隙位置；

（3） 從節(jié)點(diǎn)做出隨機(jī)延時，準(zhǔn)備上傳數(shù)據(jù)；

（4） 從節(jié)點(diǎn)做出隨機(jī)延時，競爭上傳告警信息。

2.2 通信模型

在通信系統(tǒng)中，要滿足通信的實時性、有效性、低碰撞率等要求，就得必須科學(xué)地規(guī)劃超幀通信的時隙。通信系統(tǒng)中的主節(jié)點(diǎn)首先在信標(biāo)幀時隙組建網(wǎng)絡(luò)，使自由節(jié)點(diǎn)捕捉到信道頻率，采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）算法進(jìn)入通信網(wǎng)絡(luò)。從節(jié)點(diǎn)在捕捉到信號之后，監(jiān)聽信道載波，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)獨(dú)一無二的ID設(shè)置隨機(jī)延時[Tdelay1]申請入網(wǎng)。入網(wǎng)之后，各從節(jié)點(diǎn)都將擁有一個通信時隙，其通信模型如圖3所示。

在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，主、從節(jié)點(diǎn)之間傳遞的數(shù)據(jù)包括正常輪詢數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，其通信流程如圖4所示。

在正常情況下，已入網(wǎng)從節(jié)點(diǎn)根據(jù)信標(biāo)幀時隙中的通信時隙標(biāo)志，在各自相應(yīng)時隙的上傳間隙上傳數(shù)據(jù)。主節(jié)點(diǎn)在接收到從節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)之后，立即回復(fù)數(shù)據(jù)確認(rèn)幀。確認(rèn)幀包括下一時隙通信節(jié)點(diǎn)信息，其格式如圖5所示。已入網(wǎng)從節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)信息匹配自己地址，確認(rèn)是否被詢問，從而避免了時隙ALOHA中因丟失從節(jié)點(diǎn)而留下空白時隙導(dǎo)致的延時通信問題，同時也避免CSMA/CA中的無序碰撞退避的問題。從節(jié)點(diǎn)在被詢問之后，在競爭間隙里監(jiān)聽信道，做出隨機(jī)延時[Tdelay2Tdelay1

當(dāng)異常狀況出現(xiàn)時，采用CSMA/CA退避算法，異常節(jié)點(diǎn)首先立即監(jiān)聽信道，在監(jiān)聽到主節(jié)點(diǎn)的任意時隙確認(rèn)幀之后，在競爭間隙做出隨機(jī)延時，隨后發(fā)出異常數(shù)據(jù)。由于異常數(shù)據(jù)幀非常短，僅包含了激發(fā)節(jié)點(diǎn)ID號和異常數(shù)據(jù)，所以在很大程度上可以節(jié)約上傳延時，同時也可以降低隱藏節(jié)點(diǎn)異常數(shù)據(jù)幀的碰撞概率[9]。競爭時隙上傳數(shù)據(jù)的過程如通信模型圖3中競爭上傳的③和④所示。競爭上傳③的[k]號節(jié)點(diǎn)處于異常狀態(tài)，其在時隙1的競爭間隙搶時隙2上傳數(shù)據(jù)，則原時隙2的2號節(jié)點(diǎn)時隙會被順延到下一個時隙，這樣順延節(jié)點(diǎn)就產(chǎn)生了。在異常數(shù)據(jù)上傳完畢，主節(jié)點(diǎn)做出數(shù)據(jù)確認(rèn)幀，2號節(jié)點(diǎn)在時隙3上傳數(shù)據(jù)。假設(shè)在一超幀周期[T]內(nèi)，有[MMTc]就會出現(xiàn)[（n+M）×Ts-Tc]個節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一超幀周期，依次順延節(jié)點(diǎn)到相應(yīng)時隙。當(dāng)[Tm+Tc>T]時，超幀進(jìn)入下一周期。

2.3 模型分析

在工業(yè)通信中，從節(jié)點(diǎn)設(shè)備出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的概率服從泊松分布。設(shè)從節(jié)點(diǎn)在平均進(jìn)入[λ1]次異常狀態(tài)的情況下，其發(fā)生[x1]次的概率為：

[pgx1=λx11x1！×e-λ1] （3）

從節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道上傳數(shù)據(jù)為隨機(jī)事件，其服從泊松分布，設(shè)從節(jié)點(diǎn)在平均[λ2]個節(jié)點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)聽信道上傳的情況下，其發(fā)生[x2]個節(jié)點(diǎn)上傳的概率為：

[pupx2=λx22x2！×e-λ2] （4）

2.3.1 自適應(yīng)退避競爭方法

由于所有已入網(wǎng)從節(jié)點(diǎn)實時在監(jiān)聽信道狀態(tài)，所以該方法未設(shè)置嚴(yán)格的時間節(jié)點(diǎn)劃分時隙，而是應(yīng)用主節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀和數(shù)據(jù)確認(rèn)幀來實時設(shè)置時隙，從而避免了嚴(yán)格定點(diǎn)時隙帶來的信道資源浪費(fèi)。節(jié)點(diǎn)時間結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中標(biāo)注的A區(qū)域的[Tdelay2]是輪詢的從節(jié)點(diǎn)必須等待的延時，在這一延時過程中激發(fā)節(jié)點(diǎn)可以競爭時隙，如C區(qū)域的[Tdelay1]為異常節(jié)點(diǎn)的退避區(qū)，如同CSMA/CA的幀間空間（Interframe Space，IFS）和競爭窗口（Contention Window，CW）。

在競爭窗口中采用分段競爭機(jī)制[10]，隨機(jī)延時[Tdelay1]將根據(jù)設(shè)備節(jié)點(diǎn)ID和競爭信道次數(shù)決定，以此實現(xiàn)自適應(yīng)退避競爭。其獲得方法如下：

① 首先劃定[Tdelay1]的最大范圍[Tdelay1∈0，Tdelay_max]；

② 假設(shè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)[IDnum∈1，n]，則最大競爭節(jié)點(diǎn)數(shù)為：

[Ncontention_max=n×pg] （5）

③ 設(shè)置競爭信道次數(shù)為：

[Ccompete∈（0，Ncontention_max）] （6）

用其代替CSMA/CA隨機(jī)退避指數(shù)。

根據(jù)設(shè)備競爭節(jié)點(diǎn)數(shù)，將延時區(qū)間[0，Tdelay_max]劃分為[Ncontention_max]段小區(qū)間，則有：

[T1段： 0，Tdelay_maxn×PgT2段： Tdelay_maxn×Pg，2×Tdelay_maxn×Pg ?Tn×Pg段： （n×Pg）-1×Tdelay_maxn×Pg，（n×Pg）×Tdelay_maxn×Pg] （7）

與此同時，將節(jié)點(diǎn)ID號劃分為與延時區(qū)間相對應(yīng)的[Ncontention_max]段區(qū)間，則有：

[IDnum_1段： 0，1PgIDnum_2段： 1Pg，2Pg ?IDnum_n×Pg段： （n×Pg）-1Pg，n] （8）

異常節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己[IDnum]和節(jié)點(diǎn)ID的段區(qū)作比較，得到自己所屬區(qū)間，然后對應(yīng)找出延時區(qū)間。

信道競爭次數(shù)為[Ccompete]將在競爭失敗之后自加1，當(dāng)[Ccompete>n×pg]時，[Ccompete]將復(fù)位為0，然后將延時段位降低一位，遵從First in First out原則，以保證下次競爭退避時間變短。

由于異常節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)之后，理論上要立即回饋給主節(jié)點(diǎn)，但是當(dāng)同時出現(xiàn)多個異常節(jié)點(diǎn)競爭信道時，為了避免競爭失敗的節(jié)點(diǎn)在下一輪競爭信道中處于劣勢，必須根據(jù)競爭次數(shù)以減少從節(jié)點(diǎn)做的隨機(jī)延時時間，即在隨機(jī)退避指數(shù)上減少競爭次數(shù)。設(shè)某異常節(jié)點(diǎn)屬于延時區(qū)間[TNsection，]其中：

[Nsection∈1，Ncontention_max] （9）

由式（9）可得出隨機(jī)延時為：

[Tdelay1=Nsection×Tdelay_maxNcontention_max-Ccompete×Tdelay_max（Ncontention_max）2] （10）

由于[Tdelay1

2.3.2 最大平均延時

由于采用輪詢機(jī)制，在一定程度上解決了CSMA/CA的正常節(jié)點(diǎn)競爭信道帶來的信道資源浪費(fèi)。除此之外，由于異常節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的機(jī)率為[pg，]即在競爭間隙里存在監(jiān)聽競爭信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)不大于[Ncontention_max]。所以同時上傳數(shù)據(jù)出現(xiàn)碰撞的概率為：

[Pcollisionn=1-1-pupn×pg-1×n×pg-1×pup+1] （11）

則相應(yīng)的異常節(jié)點(diǎn)上傳延時為：

[T本文=Pcollision×Tu+1-Pcollision×Tdelay1] （12）

所以，由式（12）可以得出[n]個從節(jié)點(diǎn)下，異常節(jié)點(diǎn)的可能最大平均延時為：

[TD_本文=n×pg×T本文] （13）

3 仿真測試結(jié)果與分析

為了驗證本文方法在異常節(jié)點(diǎn)通信上的短延時的優(yōu)勢，本文采用Matlab R2014a作為仿真工具，對以上三種方法針對通信延時和異常數(shù)據(jù)發(fā)送成功率進(jìn)行仿真。在不考慮捕捉效應(yīng)的情況下，仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)從1開始，以步長為10增加到400，將異常數(shù)據(jù)率定為0.05，然后根據(jù)600次測量數(shù)據(jù)求取平均值。

呈線性上升趨勢；CSMA/CA法在節(jié)點(diǎn)數(shù)小于20時，其延時會比輪詢稍微大些，但是在節(jié)點(diǎn)數(shù)超過20以后，其延時情況明顯低于輪詢機(jī)制，而且其增長趨于平緩；本文方法延時明顯低于輪詢和CSMA/CA的延時，在從節(jié)點(diǎn)數(shù)目未達(dá)到170之前，延時增長率保持穩(wěn)定，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)數(shù)大于170之后延時曲線出現(xiàn)波動，但是其延時也大幅低于CSMA/CA。在存在400個節(jié)點(diǎn)時，本文方法比CSMA/CA延時減少250 ms。

根據(jù)從節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化，仿真出異常數(shù)據(jù)發(fā)送成功的概率，如圖8所示。

理論上輪詢通信方式比CSMA/CA具有更高的可靠性。由圖8可以看出，本文方法的異常數(shù)據(jù)發(fā)送成功率接近輪詢方式，并且能夠保持穩(wěn)定，保證了異常數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4 結(jié) 語

隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信也相繼提出新的需求。工業(yè)總線中異常設(shè)備的異常數(shù)據(jù)的獲取對工業(yè)生產(chǎn)來說相當(dāng)重要，關(guān)乎生產(chǎn)安全的問題。本文針對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信中異常延時通信問題設(shè)計了一種解決方案。應(yīng)用傳統(tǒng)的輪詢機(jī)制，從節(jié)點(diǎn)實時監(jiān)聽信道忙/閑狀態(tài)，在主節(jié)點(diǎn)回復(fù)幀之后預(yù)留微小的間隙用來為異常節(jié)點(diǎn)使用CSMA/CA競爭信道提供資源。異常節(jié)點(diǎn)從而可以通過自適應(yīng)退避爭搶正常節(jié)點(diǎn)時隙，減小延時進(jìn)行通信，實現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)對異常數(shù)據(jù)的實時獲取。經(jīng)過分析和驗證，本文方法有助于提高工業(yè)的安全生產(chǎn)能力和實時應(yīng)變水平。

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