0 引言

　　由于超寬帶(UWB, Ultra Wide Band)技術(shù)的顯著優(yōu)勢，如高速據(jù)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(yīng)用中有發(fā)展前景的無線技術(shù)之一。通過以上分析可見，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中。無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)必須具有較強的實時性和可靠性，這與商業(yè)應(yīng)用有較大區(qū)別。目前幾種典型的無線協(xié)議在實時性、可靠性等方面還不能很好地適應(yīng)無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的需求，而超寬帶技術(shù)部分緩解了傳統(tǒng)無線電技術(shù)存在的問題，如信道衰落、高速率時系統(tǒng)復(fù)雜、安全性差和功耗大等?？梢?，UWB技術(shù)比現(xiàn)有的無線技術(shù)更適合用來代替現(xiàn)有一些工業(yè)控制系統(tǒng)(如EPA，F(xiàn)F等現(xiàn)場總線)的物理層，快速開發(fā)出兼容相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的無線工業(yè)控制系統(tǒng)。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)中存在的問題。在此基礎(chǔ)上，設(shè)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(yīng)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(xiàn)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)的平均時延和時隙利用率等性能指標(biāo)。

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

　　UwB無線電技術(shù)利用且極短(皮秒級)脈沖傳播，使用極大的帶寬(達幾G赫茲)。這種技術(shù)的可以帶來很多優(yōu)勢，如功率低、抗多路徑效應(yīng)好、高比特率和的定位能力等。然而，這種技術(shù)的缺點之一是它的高信道獲取時問，和和長達幾毫秒至幾十毫秒，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)包就要消耗這些時問。這對于應(yīng)用于多媒體傳輸時。山于該應(yīng)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(shù)據(jù)包傳輸，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(yán)重下降，進而導(dǎo)致吞吐量下降和平均時延的增加。

　　2  PA-MAC協(xié)議原理及行為建模

　　從MAC層協(xié)議設(shè)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。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(xiàn)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(xiàn)并能與原UWB MAC協(xié)議有效兼容，PA-MAC協(xié)議設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，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(xiàn)高層數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包會有延遲，如果沒有設(shè)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(wǎng)絡(luò)的性能，反而還會加重其各項指標(biāo)的下降。這也是包介并方法實現(xiàn)的關(guān)鍵和難點。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)特點設(shè)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(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，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包分別進行確認。在POL中這兩種機制混介使用，當(dāng)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(zhuǎn)移到等待狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來。當(dāng)數(shù)據(jù)包到來時轉(zhuǎn)移至介并幀狀態(tài)，將數(shù)據(jù)包插入相應(yīng)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(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)送完狀態(tài)，如果要等待響應(yīng)，則轉(zhuǎn)移到等待響應(yīng)狀態(tài)，如果等待超時或接收到響應(yīng)幀，則轉(zhuǎn)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(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，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)行退避機制，如果小需要進行退避，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至發(fā)送狀態(tài);如果需要進行退避，狀態(tài)轉(zhuǎn)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(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(wǎng)絡(luò)模型。其主要仿真參數(shù)如下表2所示:

　　通過仿真數(shù)據(jù)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(yīng)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(yīng)用大多是較短的數(shù)據(jù)包所帶來的一系列問題。從圖7可以看出在數(shù)據(jù)包隨機產(chǎn)生率較低時，即網(wǎng)絡(luò)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)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)議上升。

　　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等適介工業(yè)應(yīng)用的特點，但使用UwB技術(shù)通信時其信道獲取時問較其他無線通信技術(shù)長。而通過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)來看，大多數(shù)包是短包。根據(jù)這些數(shù)據(jù)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(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(yán)重缺陷，而時隙利用率很低又會使平均時延等性能嚴(yán)重下降。

　　現(xiàn)階段有很多基于各種無線技術(shù)的無線工業(yè)控制系統(tǒng)的研究，較多學(xué)者、科研機構(gòu)和廠商進行了很多富有成效的研究，將無線通信擴展到工業(yè)控制系統(tǒng)底層。在很多文章中給出了藍牙和PA-MAC協(xié)議和現(xiàn)場總線集成方案，但這些無線技術(shù)性能無法適應(yīng)工業(yè)惡劣環(huán)境，使得無線技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效果始終不理想，沒有得到廣泛的應(yīng)用。本文充分考慮了工業(yè)環(huán)境的特點和UWB無線技術(shù)的優(yōu)勢，提出了基于UWB技術(shù)的工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)，給出了EPA和FF兩大現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的UWB無線擴展方案。其優(yōu)勢是在工業(yè)惡劣環(huán)境中UWB無線性能比CSMA/CA協(xié)議好，擴展方案筒單易行，對原有協(xié)議改動較少，完全兼容原有的協(xié)議。