一種適用于WIA-PA的無線網(wǎng)絡(luò)的功率調(diào)整方法概述

劉東 張鋒

1. 奧維通信股份有限公司 遼寧 沈陽 110179；2. 沈陽中科奧維科技股份有限公司 遼寧 沈陽 110179

1 技術(shù)背景

工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場中。目前主要的工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)[1-2]、Bluetooth、WIFI、Zig Bee、Wireless HART以及其他私有協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)均使用2.4GHzISM自由頻段。而2.4GHzISM自由頻段頻率資源有限，導(dǎo)致WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)、Wireless HART采用CSMA-CA載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免方法和TDMA時(shí)分多址接入技術(shù)來擴(kuò)展通信資源，避免干擾；Bluetooth、Wi-Fi、Zig Bee以及其他私有協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)僅使用CSMA-CA載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免方法來避免干擾。雖然通過相應(yīng)的介質(zhì)訪問控制協(xié)議可以避免干擾，但是如此多的網(wǎng)絡(luò)共用有限的頻率資源，干擾的概率非常大，數(shù)據(jù)成功率低，將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

2 功率調(diào)整方法實(shí)現(xiàn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇镸ESH網(wǎng)絡(luò)和星形網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備、路由設(shè)備之間組成MESH網(wǎng)絡(luò)，路由設(shè)備和節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間組成星形網(wǎng)絡(luò)。子節(jié)點(diǎn)設(shè)備為具有單一目的地址的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無線設(shè)備，父節(jié)點(diǎn)設(shè)備為多目的地址的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無線設(shè)備。

2.2 功率調(diào)整方法

功率調(diào)整方法有兩種：周期功率調(diào)整方法、快速功率調(diào)整方法。周期功率調(diào)整方法的參數(shù)統(tǒng)計(jì)周期為TL大于快速功率調(diào)整方法的參數(shù)統(tǒng)計(jì)周期TS；周期功率調(diào)整方法功率調(diào)整的屬性及步進(jìn)取決于接收成功率RSR與接收成功率RSR閾值的比較；快速功率調(diào)整方法功率調(diào)整的屬性及步進(jìn)取決于鏈路質(zhì)量LQI與鏈路質(zhì)量LQI閾值的比較；周期功率調(diào)整方法的功率調(diào)整步進(jìn)分為長步進(jìn)ΔPLL和短步進(jìn)ΔPLS，快速功率調(diào)整方法的功率調(diào)整步進(jìn)分為長步進(jìn)ΔPSL和短步進(jìn)ΔPSS，步進(jìn)值對應(yīng)的關(guān)系為ΔPLL>ΔPLS>ΔPSL>ΔPSS。

子節(jié)點(diǎn)設(shè)備的功率調(diào)整方法為功率參數(shù)統(tǒng)計(jì)周期結(jié)束，向父節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送功率調(diào)整參數(shù)交互報(bào)文，父節(jié)點(diǎn)設(shè)備根據(jù)統(tǒng)計(jì)的相應(yīng)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備的LQI平均值與LQI閾值的關(guān)系或者接收成功率RSR與接收成功率RSR閾值的關(guān)系，判斷子節(jié)點(diǎn)設(shè)備是以大的功率步進(jìn)間隔向下調(diào)整功率、以小的功率步進(jìn)間隔向下調(diào)整功率、以最近一個(gè)功率調(diào)整周期內(nèi)的向下調(diào)整的功率步進(jìn)間隔啟動(dòng)向上調(diào)整功率、還是不進(jìn)行調(diào)整。父節(jié)點(diǎn)設(shè)備根據(jù)此判斷生成功率調(diào)整報(bào)文，并將此報(bào)文發(fā)送到對應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)設(shè)備。每個(gè)功率調(diào)整統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)僅僅調(diào)整一次功率值，父節(jié)點(diǎn)設(shè)備根據(jù)本周期的功率調(diào)整參數(shù)統(tǒng)計(jì)來計(jì)算判斷并給出子節(jié)點(diǎn)設(shè)備下一個(gè)功率調(diào)整周期的功率調(diào)整策略。

父節(jié)點(diǎn)設(shè)備的功率調(diào)整方法同子節(jié)點(diǎn)的調(diào)整方法。由于父節(jié)點(diǎn)有多個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備，需要父節(jié)點(diǎn)設(shè)備將各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的功率調(diào)整報(bào)文匯總，最終形成功率調(diào)整值、調(diào)整屬性、子節(jié)點(diǎn)設(shè)備對應(yīng)列表，在父節(jié)點(diǎn)設(shè)備同各個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備的通信過程中分別進(jìn)行功率調(diào)整。

3 功率調(diào)整方法流程設(shè)計(jì)

本方法的WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)功率長周期調(diào)整方法流程如下：

首先節(jié)點(diǎn)設(shè)備應(yīng)當(dāng)先組建WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備根據(jù)自身在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械奈恢蒙山巧?，即為子?jié)點(diǎn)設(shè)備還是父節(jié)點(diǎn)設(shè)備，啟動(dòng)長周期功率調(diào)整定時(shí)及功率調(diào)整參數(shù)統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)定時(shí)到達(dá)，子節(jié)點(diǎn)設(shè)備和父節(jié)點(diǎn)設(shè)備交互功率調(diào)整報(bào)文，并各自統(tǒng)計(jì)信息并計(jì)算。

子節(jié)點(diǎn)設(shè)備將統(tǒng)計(jì)計(jì)算的接收成功率RSR分別與接收成功率閾值比較并根據(jù)WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)功率周期調(diào)整方法中的功率調(diào)整報(bào)文生成流程生成對應(yīng)父節(jié)點(diǎn)設(shè)備的功率調(diào)整報(bào)文。

父節(jié)點(diǎn)設(shè)備按照功率調(diào)整報(bào)文指示調(diào)整下一個(gè)功率調(diào)整周期的發(fā)射功率。由于父節(jié)點(diǎn)設(shè)備對應(yīng)多個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備，父節(jié)點(diǎn)設(shè)備會(huì)收到不同子節(jié)點(diǎn)設(shè)備的功率調(diào)整報(bào)文，父節(jié)點(diǎn)設(shè)備將各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的功率調(diào)整報(bào)文匯總，最終形成父節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)射功率表，在父節(jié)點(diǎn)設(shè)備同各個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備的通信過程中分別進(jìn)行功率調(diào)整。

父節(jié)點(diǎn)設(shè)備將針對不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)備分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算的接收成功率RSR分別與接收成功率閾值比較并根據(jù)WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)功率周期調(diào)整方法中的功率調(diào)整報(bào)文生成流程生成對應(yīng)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備的功率調(diào)整報(bào)文。子節(jié)點(diǎn)設(shè)備按照功率調(diào)整報(bào)文指示調(diào)整下一個(gè)功率調(diào)整周期的發(fā)射功率。

本方法的WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)功率快速調(diào)整方法流程如下：

首先子節(jié)點(diǎn)設(shè)備、父節(jié)點(diǎn)設(shè)備啟動(dòng)快速功率調(diào)整周期TS定時(shí)和LQI統(tǒng)計(jì)，當(dāng)快速功率調(diào)整周期TS定時(shí)到達(dá)，子（父）節(jié)點(diǎn)設(shè)備根據(jù)統(tǒng)計(jì)的鏈路質(zhì)量LQI的值判斷功率調(diào)整命令是否為啟動(dòng)、功率調(diào)整屬性為向下調(diào)整、向上調(diào)整還是不調(diào)整；然后根據(jù)接收信號強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)的RSSI與RSSI閾值進(jìn)行比較，判斷是長步進(jìn)還是短步進(jìn)，調(diào)整端采用ΔPSS調(diào)整發(fā)射功率。通過以上流程子（父）節(jié)點(diǎn)設(shè)備將功率調(diào)整報(bào)文信息中的功率調(diào)整命令、功率調(diào)整屬性、功率調(diào)整步進(jìn)全部統(tǒng)計(jì)完畢。父（子）節(jié)點(diǎn)設(shè)備將功率調(diào)整報(bào)文發(fā)送到子（父）節(jié)點(diǎn)設(shè)備，父（子）節(jié)點(diǎn)設(shè)備按照功率調(diào)整報(bào)文指示調(diào)整下一個(gè)快速功率調(diào)整周期TS的發(fā)射功率。

4 結(jié)束語

采用本論文設(shè)計(jì)的功率調(diào)整方法對WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行功率調(diào)整，可以降低網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無線設(shè)備的能量消耗，提高電池的放電容量，延長網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無線設(shè)備的電池使用壽命?？梢韵h(huán)境溫度變化對無線射頻參數(shù)的影響，保證了通信鏈路的穩(wěn)定可靠?？梢越档筒煌琖IA-PA無線網(wǎng)絡(luò)間或者WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)對其他使用2.4GHzISM頻段的無線網(wǎng)絡(luò)間的干擾，網(wǎng)絡(luò)共存性好。采用此方法設(shè)計(jì)的WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在石油、石化、冶金、電力場合，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。