CN101754436A - 一种面向工业无线网络的混合介质访问控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，包括以下步骤：将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构；在混合拓扑结构的基础上，定义结构化超帧；针对上述网状及星型混合拓扑结构和超帧结构按照从网关到路由设备以及从路由设备到现场设备两个阶段对通信资源进行调度；针对上述定义的超帧结构，采用固定信道和跳频相结合的策略进行通信。本发明采用网状及星型混合拓扑结构，简化了网络结构，降低了维护和管理的难度，提高了系统的灵活性，提高了网络的可靠性；实时性好、能耗低，提高了网络的兼容性，另一方面自适应信道切换和跳频技术提高了网络的可靠性；改进了网络的灵活性和可扩展性。

Description

一种面向工业无线网络的混合介质访问控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，具体地说明是一种面向工业无线网络的混合介质访问控制方法。

背景技术

与有线网络相比，无线网络具有无需布线、易于维护、高度灵活、快速实施等特点，对于工业应用而言这无疑是一个巨大的优势。随着无线通信技术的成熟与成本的降低，工业网络无线化已成为趋势之一。一个典型的工业无线测控网络如附图1所示，大量的无线传感器或执行器节点分布在工业现场的各个监测点上，这些节点与具有路由功能的节点共同形成网络，并将现场监测数据以多跳的方式传送回网关节点。工业网络无线化带来便利的同时，工业应用对无线网络提出了更为严格的可靠性、实时性和节能性等通信质量要求。在可靠性方面，工业现场环境下，窄带多频噪声、共存网络干扰和多途效应，使得利用稀缺的信道资源实现可靠通信成为急需解决的难题；在实时性方面，工业对实时性的要求较其它应用更为严格，微小的延迟都会造成重大事故，具有硬实时保证的通信是工业的基本要求；在节能性方面，低能耗是保证设备长期运行、降低维护成本的关键，也是工业应用的又一要求，特别是对电源更换困难的设备而言。

介质访问控制方法负责在相互竞争的节点间分配信道资源，是关系网络性能的关键技术。介质访问控制方法主要分为基于调度的和基于竞争的两种方式。为了满足工业应用的需要，一些基于调度的介质访问控制方法被应用于工业无线网络。然而，单纯的基于调度的介质访问控制方法缺乏灵活性；单纯的基于竞争的介质访问控制机无法保证实时性。

发明内容

针对现有技术中介质访问控制方法存在缺乏灵活性以及实时性差的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种可靠、实时、灵活的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种面向工业无线网络的混合介质访问控制方法包括以下步骤：

将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构；

在混合拓扑结构的基础上，定义结构化超帧；

针对上述网状及星型混合拓扑结构和超帧结构按照从网关到路由设备以及从路由设备到现场设备两个阶段对通信资源进行调度；

针对上述定义的超帧结构，采用固定信道和跳频相结合的策略进行通信。

所述网状及星型混合拓扑结构为：

星型网络：由路由设备节点和现场设备节点构成，又称为簇；现场设备节点之间不直接通信，现场设备节点只和一个路由设备节点通信；

网状网络：由路由设备节点、网关设备节点及上位机构成；路由设备节点至少和一个现场设备节点通信，和网关通信或者至少和一个其它路由设备节点通信，上位机和网关通信；

其中，上位机为用户及管理者提供与工业无线网络交互的平台；网关设备提供工业无线网络与其他工业网络之间的接口；路由设备完成网络互连、现场设备数据的简单处理和局部的网络管理功能；现场设备将传感器或执行器接入工业无线网络。

本发明方法还可具有手持设备，为用户临时访问工业无线网络的接入设备，用于现场维护与网络配置。

所述结构化超帧包括信标帧阶段、基于竞争的簇内通信阶段、基于局部调度的簇内通信阶段、基于全局调度的簇内通信阶段、基于全局调度的簇间通信阶段以及休眠阶段，网关设备和路由设备发送信标帧，但不转发信标帧；网关节点发送信标帧，用于其邻居路由设备的加入；路由设备发送信标帧，用于其下属现场设备的加入和时隙同步以及超帧信息的广播，其中，信标帧至少包括以下信息：绝对时隙号、超帧长度、基于竞争的簇内通信阶段长度、基于局部调度的簇内通信阶段长度、基于局部调度的簇内通信阶段的时隙分配信息以及下一个超帧不跳频部分所用信道。

基于竞争的簇内通信阶段用于设备加入和簇内管理，采用时隙载波监听多路访问/冲突避(CSMA/CA)算法实现介质访问控制。

基于局部调度的簇内通信阶段用于紧急通信和可移动的现场设备与路由设备之间的通信。

基于全局调度的簇内通信阶段用于不可移动的现场设备与路由设备之间的通信。

基于全局调度的簇间通信阶段用于路由设备之间以及路由设备与网关之间的通信。

每个设备维护各自的超帧，超帧各阶段的长度自定义，超帧长度、信标帧阶段+基于竞争的簇内通信阶段+基于局部调度的簇内通信阶段的长度、基于全局调度的簇内通信阶段+基于全局调度的簇间通信阶段的长度为2N个时隙；现场设备的超帧长度由应用的数据更新速率决定，路由设备的超帧长度取其星型网络内所有现场设备的最小超帧长度，网关设备的超帧长度取其邻居路由设备的最小超帧长度。

通过两个阶段对通信资源进行调度包括：

网关设备中的网络管理者调度簇间通信的资源以及预留给簇内通信的资源分配给路由设备；

然后由路由设备将预留给簇内通信的资源分配给簇内的现场设备。

通信资源的调度遵循以下规则：

固定信道部分的信道分配优先于跳频部分；

更新速率快的设备时隙分配优先；

起始时间早的数据帧时隙分配优先；

优先级高的数据帧时隙分配优先。

采用固定信道和跳频相结合的策略包括：

固定信道用于信标帧阶段、簇内基于竞争的阶段以及基于局部调度的阶段；跳频用于簇内基于全局调度的阶段和簇间基于全局调度的阶段。

使用固定信道的阶段采用自适应频率切换策略，根据信道的具体情况，不同的超帧周期采用不同的信道，前一个超帧周期的信标帧预告后一个超帧周期所采用的信道。

不同星型网络使用固定信道阶段采用频分和时分混合策略，即首先给不同簇分配不同的信道，如果信道不足，则固定信道阶段采用时分机制。

本发明提出的介质访问控制方法，是在充分考虑工业监测应用特点的前提下提出的，具有实时、可靠、低能耗等优点，具体表现在：

1.本发明采用网状及星型(Mesh+Star)混合拓扑结构，一方面通过星型结构简化了网络结构，降低了维护和管理的难度，提高了系统的灵活性，另一方面，利用网状结构，提高了网络的可靠性；

2.本发明采用基于竞争和基于调度的混合介质访问控制方法，一方面利用了基于竞争的介质访问控制方法的灵活性；另一方面利用了基于调度的介质访问控制方法实时性好、能耗低的特点；

3.本发明采用周期间的自适应信道切换和周期内的跳频技术混合策略，一方面在一个周期内采用固定信道提高了网络的兼容性，另一方面自适应信道切换和跳频技术提高了网络的可靠性；

4.本发明采用频分、时分混合机制，一方面扩大了网络的容量，另一方面也提高了网络的可靠性；

5.本发明采用全局和局部混合的两阶段资源分配策略，一方面通过全局资源分配保证了资源分配的最优性，另一方面通过局部的资源分配分担了全局资源分配的负担，提高了资源分配的效率，改进了网络的灵活性和可扩展性。

附图说明

图1为本发明方法中网状及星型(Mesh+Star)拓扑结构工业无线网络示意图；

图2为本发明方法中超帧结构的示意图；

图3A～3C为本发明方法实施例中的三个路由设备的超帧示意图(一～三)；

图4为本发明方法自适应信道切换和信道跳频示意图；

图5为本发明方法采用的分布式资源分配方法示意图。

具体实施方式

本发明方法包括以下步骤：

将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构；

在混合拓扑结构的基础上，定义结构化超帧；

针对上述网状及星型混合拓扑结构和超帧结构按照从网关到路由设备以及从路由设备到现场设备两个阶段对通信资源进行调度；

针对上述定义的超帧结构和通信资源调度方案，采用固定信道(兼容性好)和跳频(增加可靠性)相结合的策略进行通信。

本发明采用如图1所示的网状及星型(mesh+star)混合拓扑结构，其具有两层：

第一层为网状(mesh)网络，由路由设备节点、网关设备节点及上位机构成；路由设备节点至少和一个现场设备节点通信，和网关通信或者至少和一个其它路由设备节点通信，上位机和网关通信；

第二层为星型(star)网络，由路由设备节点和现场设备节点构成，又称为簇；现场设备节点之间不直接通信，现场设备节点只和一个路由设备节点通信；

本发明方法定义了以下设备：上位机、网关设备、路由设备以及现场设备，其中，上位机为用户及管理者提供与工业无线网络交互的平台；网关设备提供工业无线网络与其他工业网络之间的接口；路由设备完成网络互连、现场设备数据的简单处理和局部的网络管理功能；现场设备将传感器或执行器接入工业无线网络。

上述设备中还可具有手持设备，为用户临时访问工业无线网络的接入设备，用于现场维护与网络配置。

本发明方法采用的结构化超帧如图2所示，包括信标帧阶段、基于竞争的簇内通信阶段、基于局部调度的簇内通信阶段、基于全局调度的簇内通信阶段、基于全局调度的簇间通信阶段以及休眠阶段，网关设备和路由设备发送信标帧，但不转发信标帧；网关节点发送信标帧，用于其邻居路由设备的加入；路由设备发送信标帧，用于其下属现场设备的加入和时隙同步以及超帧信息的广播，其中，信标帧至少包括以下信息：绝对时隙号、超帧长度、基于竞争的簇内通信阶段长度、基于局部调度的簇内通信阶段长度、基于局部调度的簇内通信阶段的时隙分配信息以及下一个超帧不跳频部分所用信道。

本发明的超帧长度、信标帧阶段的长度、基于竞争的簇内通信阶段的长度、基于局部调度的簇内通信阶段的长度、基于全局调度的簇内通信阶段的长度以及基于全局调度的簇间通信阶段的长度都可自定义。但超帧长度、信标帧阶段的长度+基于竞争的簇内通信阶段的长度+基于局部调度的簇内通信阶段的长度、基于全局调度的簇内通信阶段的长度+基于全局调度的簇间通信阶段的长度都应为2^N个时隙。每个设备维护与自己有关的超帧。现场设备的超帧长度由应用的数据更新速率决定，路由设备的超帧长度取其星型网络内所有现场设备的最小超帧长度，网关设备的超帧长度取其邻居路由设备的最小超帧长度。

在超帧周期内，信标帧阶段、基于竞争的簇内通信阶段、基于局部调度的簇内通信阶段使用相同的信道；基于全局调度的簇内通信阶段、基于全局调度的簇间通信阶段采用跳频通信方式。

由于簇内通信不跳频，所以，不同簇采用不同信道。如果信道不足，则不同簇的簇内通信阶段采用时分策略。

三个超帧的实例如图3A、3B、3C所示。图中为信标帧阶段，

为基于竞争的簇内通信阶段和基于局部调度的簇内通信阶段，□为基于全局调度的簇内通信阶段、基于全局调度的簇间通信阶段以及休眠阶段。图3A是固定信道部分只进行频分而未进行时分的情况，图3B和3C是固定信道部分只进行频分和时分的情况。图3A中3个路由设备R1，R2，R3对应的超帧长度分别为2个基本超帧长度、4个基本超帧长度和8个基本超帧长度，R1、R2和R3的固定信道阶段重叠，所以三个路由设备需要三个信道来完成固定信道部分的通信。由于图3B中3个路由设备R1，R2，R3对应的超帧长度分别为2个基本超帧长度、4个基本超帧长度和8个基本超帧长度，由于R1的固定信道阶段与R2和R3不重叠，所以三个路由设备只需要两个信道来完成固定信道部分的通信。图3C中3个路由设备R1，R2，R3，对应的超帧长度分别为4个基本超帧长度、8个基本超帧长度和16个基本超帧长度，由于R1、R2和R3的固定信道阶段不重叠，所以三个路由设备只需要一个信道来完成固定信道部分的通信。

使用固定信道的阶段采用自适应频率切换策略，根据信道的具体情况，不同的超帧周期采用不同的信道，前一个超帧周期的信标帧预告后一个超帧周期所采用的信道。

基于调度的跳频：基于全局调度的簇内通信阶段、基于全局调度的簇间通信阶段跳频，采用时隙跳频方式，所有跳频序列由网络管理者指定。如<timeslot 1，channel 1><timeslot 2，channel 2>...<timeslot i，channel i>。自适应频率切换策略和基于调度的跳频方式如图4所示。

本发明基于竞争的簇内通信阶段采用时隙CSMA/CA算法实现介质访问控制。由于本发明面向网状及星型(mesh+star)结构的网络，所以本发明基于调度的阶段采用两阶段的分布式资源分配方法，即通过两个阶段对通信资源进行调度，包括：网关设备中的网络管理者为网状网络中的路由设备分配资源，该资源包括路由设备用于在网状网络中通信的资源和路由设备可分配给现场设备的资源；然后路由设备为星型网络的现场设备分配资源，该资源分为两个部分，一部分是路由设备可自主分配的资源，即基于局部调度的簇内通信阶段，另一部分是网络管理者分配的、路由设备可再分配给现场设备的资源，即基于全局调度的簇内通信阶段，如图5所示。

通信资源包括信道和时隙，本发明的通信资源资源分配遵循以下主要的调度规则：

固定信道部分的信道分配优先；

更新速率快的设备时隙分配优先；

起始时间早的数据帧发送优先；

优先级高的数据帧分配时隙优先。

Claims (14)

1.一种面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于包括以下步骤：

将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构；

在混合拓扑结构的基础上，定义结构化超帧；

针对上述网状及星型混合拓扑结构和超帧结构按照从网关到路由设备以及从路由设备到现场设备两个阶段对通信资源进行调度；

针对上述定义的超帧结构，采用固定信道和跳频相结合的策略进行通信。

2.按权利要求1所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：所述网状及星型混合拓扑结构为：

星型网络：由路由设备节点和现场设备节点构成，又称为簇；现场设备节点之间不直接通信，现场设备节点只和一个路由设备节点通信；

网状网络：由路由设备节点、网关设备节点及上位机构成；路由设备节点至少和一个现场设备节点通信，和网关通信或者至少和一个其它路由设备节点通信，上位机和网关通信；

其中，上位机为用户及管理者提供与工业无线网络交互的平台；网关设备提供工业无线网络与其他工业网络之间的接口；路由设备完成网络互连、现场设备数据的简单处理和局部的网络管理功能；现场设备将传感器或执行器接入工业无线网络。

3.按权利要求2所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：还可具有手持设备，为用户临时访问工业无线网络的接入设备，用于现场维护与网络配置。

4.按权利要求1所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：所述结构化超帧包括信标帧阶段、基于竞争的簇内通信阶段、基于局部调度的簇内通信阶段、基于全局调度的簇内通信阶段、基于全局调度的簇间通信阶段以及休眠阶段，网关设备和路由设备发送信标帧，但不转发信标帧；网关节点发送信标帧，用于其邻居路由设备的加入；路由设备发送信标帧，用于其下属现场设备的加入和时隙同步以及超帧信息的广播，其中，信标帧至少包括以下信息：绝对时隙号、超帧长度、基于竞争的簇内通信阶段长度、基于局部调度的簇内通信阶段长度、基于局部调度的簇内通信阶段的时隙分配信息以及下一个超帧不跳频部分所用信道。

5.按权利要求4所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：基于竞争的簇内通信阶段用于设备加入和簇内管理，采用时隙载波监听多路访问/冲突避免算法实现介质访问控制。

6.按权利要求4所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：基于局部调度的簇内通信阶段用于紧急通信和可移动的现场设备与路由设备之间的通信。

7.按权利要求4所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：基于全局调度的簇内通信阶段用于不可移动的现场设备与路由设备之间的通信。

8.按权利要求4所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：基于全局调度的簇间通信阶段用于路由设备之间以及路由设备与网关之间的通信。

9.按权利要求1所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：每个设备维护各自的超帧，超帧各阶段的长度自定义，超帧长度、信标帧阶段+基于竞争的簇内通信阶段+基于局部调度的簇内通信阶段的长度、基于全局调度的簇内通信阶段+基于全局调度的簇间通信阶段的长度为2^N个时隙；现场设备的超帧长度由应用的数据更新速率决定，路由设备的超帧长度取其星型网络内所有现场设备的最小超帧长度，网关设备的超帧长度取其邻居路由设备的最小超帧长度。

10.按权利要求1所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：通过两个阶段对通信资源进行调度包括：

网关设备中的网络管理者调度簇间通信的资源以及预留给簇内通信的资源分配给路由设备；

然后由路由设备将预留给簇内通信的资源分配给簇内的现场设备。

11.按权利要求1或10所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：通信资源的调度遵循以下规则：

固定信道部分的信道分配优先于跳频部分；

更新速率快的设备时隙分配优先；

起始时间早的数据帧时隙分配优先；

优先级高的数据帧时隙分配优先。

12.按权利要求1所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：采用固定信道和跳频相结合的策略包括：

固定信道用于信标帧阶段、簇内基于竞争的阶段以及基于局部调度的阶段；跳频用于簇内基于全局调度的阶段和簇间基于全局调度的阶段。

13.按权利要求12所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：

使用固定信道的阶段采用自适应频率切换策略，根据信道的具体情况，不同的超帧周期采用不同的信道，前一个超帧周期的信标帧预告后一个超帧周期所采用的信道。

14.按权利要求12所述的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法，其特征在于：

不同星型网络使用固定信道阶段采用频分和时分混合策略，即首先给不同簇分配不同的信道，如果信道不足，则固定信道阶段采用时分机制。

Images