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)技術的顯著優(yōu)勢，如高速據率、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)應用中最具有發(fā)展前景的無線技術之一[‘一2}。UWB的特點在一定程度上有效的緩解了現階段無線技術在工業(yè)惡劣環(huán)境應用中存在的通信質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)的應用中，通信傳輸的信息包絕大部分是短包，而UWB技術較其他無線技術信道獲取時問較長，這使得UWB應用到工業(yè)控制網絡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)議應用于基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)中存在的問題。在此基礎上，設計了基于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)議應用于基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)中的相關指標。分析與仿真顯示該機制能夠有效地提高基于UWB的工業(yè)控制網絡的平均時延和時隙利用率等性能指標。

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

UwB無線電技術利用精確且極短(皮秒級)脈沖傳播，使用極大的帶寬(達幾G赫茲)。這種技術的可以帶來很多優(yōu)勢，如功率低、抗多路徑效應好、高比特率和精確的定位能力等。然而，這種技術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。這對于應用于多媒體傳輸時。山于該應用信息包較長，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據包傳輸[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并能與原UWB MAC協(xié)議有效兼容，PA-MAC協(xié)議設計為雙層結構，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中實現高層數據包的管理方法、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)送的數據包會有延遲，如果沒有設計出較好適介系統(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絡的性能，反而還會加重其各項指標的下降。這也是包介并方法實現的關鍵和難點。下而將逐一描述PA-MAC協(xié)議中POL是如何根據工業(yè)控制系統(tǒng)特點設計包管理方法、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)，作為將多個短的數據包介并成一幀發(fā)送。根據工業(yè)控制系統(tǒng)數據傳輸的特點，具體程序流程圖如圖4所示。

3) POL的包確認機制

山于POL對高層的下來的數據包進行介并，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頃中的每一個數據包分別進行確認。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)隨即轉移到等待狀態(tài)，等待數據包的到來。當數據包到來時轉移至介并幀狀態(tài)，將數據包插入相應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移至幀間等待狀態(tài);如果幀準備好并且信道空閑將轉移至發(fā)送狀態(tài)將幀發(fā)送出去。發(fā)送結束狀態(tài)轉移至幀發(fā)送完狀態(tài)，如果要等待響應，則轉移到等待響應狀態(tài)，如果等待超時或接收到響應幀，則轉移回幀發(fā)送完狀態(tài)。此時如果沒有幀要發(fā)送，狀態(tài)轉移至等待狀態(tài);如果還有幀要傳則狀態(tài)轉移至幀間等待狀態(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)轉移至發(fā)送狀態(tài);如果需要進行退避，狀態(tài)轉移至退避狀態(tài)進行退避。如果接收到幀或退避中斷，狀態(tài)轉移至幀間等待狀態(tài);如果退避結束并且有新幀發(fā)送，則狀態(tài)轉移至發(fā)送狀態(tài);如果退避結束無新幀發(fā)送，則狀態(tài)轉移至等待狀態(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的網絡模型。其主要仿真參數如下表2所示:

通過仿真數據統(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用大多是較短的數據包所帶來的一系列問題。從圖7可以看出在數據包隨機產生率較低時，即網絡負載較輕時，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。但當網絡負載有所增加時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結論

盡管UwB技術具有高速率、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)應用的特點，但使用UwB技術通信時其信道獲取時問較其他無線通信技術長。而通過本文列舉的典型的工業(yè)控制網絡的數據指標來看，大多數包是短包。根據這些數據本文對典型的csMA/cA的時隙利用率做了系統(tǒng)的計算與分析，結果顯示將UwB技術引入到工業(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)議設計為雙層結構，該結構的優(yōu)勢是小僅能使該協(xié)議快速實現而且能與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，結果顯示PA-MAC史能夠較好的應用于基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)中。