CN102124700A - 用于通过区别网络进行无线过程通信的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于在多个区别无线过程通信网络上传送过程通信分组的双模路由器(50)。所述路由器(50)包括无线通信电路(52)以及与所述无线通信电路(52)耦合的控制器。所述无线通信电路(52)被配置为与来自所述多个区别无线过程通信网络中的每一个的信号进行交互。所述控制器(58)被配置为使来自第一区别无线过程通信网络的过程通信分组适于在第二区别无线过程通信网络上传输。还提供了用于对区别无线过程通信网络进行配置和通过区别无线过程通信网络对过程分组进行中继的方法。

Description

用于通过区别网络进行无线过程通信的系统和方法
背景技术
在工业设置中，控制系统用于监视和控制工业和化学过程等。典型地，控制系统使用在工业过程中的关键位置处分布的、通过过程控制环(process control loop)耦合至控制室中的控制电路的现场设备来执行这些功能。现场设备一般在分布式控制或过程监视系统中执行诸如对参数进行感测或对该过程进行操作之类的功能。
一些现场设备包括换能器。换能器被理解为表示：基于物理输入产生输出信号的设备；或者基于输入信号产生物理输出的设备。典型地，换能器将输入变换为具有不同形式的输出。换能器的类型包括各种分析设备、压力传感器、热敏电阻、热电偶、应变仪、流量变送器、定位器、致动器、螺线管、指示灯等等。
典型地，每个现场设备还包括：通信电路，用于通过过程控制环与过程控制室或其他电路进行通信。在一些安装中，过程控制环还用于向现场设备传送整流电流和/或电压，以给现场设备供电。过程控制环还以模拟或数字格式承载数据。
传统地，已经通过两线过程控制电流环将模拟现场设备连接至控制室，其中，每个设备通过单个两线控制环而连接至控制室。在一些安装中，已经开始使用无线技术来与现场设备进行通信。无线操作简化了现场设备的布线和设置。
一个无线过程通信技术标准已知为WirelessHART标准。WirelessHART标准由HART通信基金会在2007年9月发布。WirelessHART规范的相关部分包括：HCF_Spec 13，版本7.0；HART规范65-无线物理层规范；HART规范75-TDMA数据链路层规范(TDMA是指时分多址)；HART规范85-网络管理规范；HART规范155-无线命令规范；以及HART规范290-无线设备规范。
在ISA100.11a中阐述了另一无线过程通信标准(预计标准发布是2009年8月)。该技术提出了根据IEEE 802.15.4-2006、使用无线电路以2.4GHz频率进行无线通信。ISA100.11a标准由国际自动化协会(ISA)保持。
尽管这些无线网络通信技术使用相同的频带、无线电路，并被配置为在彼此存在并且2.4GHz频率处存在其他无线技术的情况下共存，但是共存并不是互操作(interoperability)。例如，ISA100.11a标准指示了：共存是无线网络在存在可能不基于相同标准的其他无线网络的环境中执行其任务的能力。如本文使用的，不基于相同标准的两个网络将被视为“区别(distinct)”网络。
发明内容
提供了一种用于在多个区别无线过程通信网络上传送过程通信分组的双模路由器。所述路由器包括无线通信电路以及与所述无线通信电路耦合的控制器。所述无线通信电路被配置为与来自所述多个区别无线过程通信网络中的每一个的信号进行交互。所述控制器被配置为使来自第一区别无线过程通信网络的过程通信分组适于在第二区别无线过程通信网络上传输。还提供了用于对区别无线过程通信网络进行配置和通过区别无线过程通信网络对过程分组进行中继的方法。
附图说明
图1是示意了根据本发明实施例，WirelessHART设备通过ISA100.11a网络与WirelessHART网关进行通信的示意图。
图2是示意了WirelessHART和ISA100.11a网关通过ISA100.11a连接至ISA100.11a网络的示意图。
图3是WirelessHART MAC首部的示意图。
图4是ISA100.11a MAC首部的示意图。
图5是WirelessHART DLL首部的示意图。
图6是ISA100.11a DLL首部的示意图。
图7是WirelessHART网络首部的示意图。
图8是ISA100.11a未分段网络首部的示意图。
图9是ISA100.11a分段网络首部的示意图。
图10是示意了根据本发明实施例，中继功能如何使用包含在WirelessHART首部中的信息来构造ISA100.11a MAC、DLL和网络层首部的示意图。
图11是示意了由根据本发明实施例的双模路由器接收中继分组的示意图。
图12是示出了双模路由器栈中的中继功能的示意图。
图13是示出了根据本发明实施例，中继首部包含当分组离开ISA100.11a网络时重构WirelessHART首部所需的信息的示意图。
图14是根据本发明实施例，完整的中继分组示出中继首部以及WirelessHART分组在ISA100.11a UDP有效载荷中的中继部分的示意图。
图15是根据本发明实施例的双模路由器的示意图。
具体实施方式
ISA100.11a和WirelessHART均已将共存特征(在存在其他网络的情况下允许该其他网络进行操作)设计到其规范中。然而，共存不是互操作，共存并不产生协作的ISA100.11a和WirelessHART网络可提供的相同效率和性能。本发明实施例一般提供使用公共网络基础设施对WirelessHART和ISA100.11a设备进行部署的能力，该公共网络基础设施高效地利用射频频谱和时隙、避免传输冲突并提供对联合网络的协调系统管理。本文阐述的实施例可以允许用户在统一的网络基础设施中对WirelessHART和ISA100.11a设备进行部署，其承担着选择无线设备和无线标准的风险。
根据一个实施例(在说明书后续部分更详细描述)，公开了一种能够接收和发送WirelessHART和ISA100.11a分组的双模路由器。该双模路由器具有将分组的有效载荷从一个网络协议传送至另一网络协议的中继功能。该双模路由器可以获取WirelessHART分组，除去WirelessHART协议首部的一部分，并将有效载荷置于如同任何ISA100.11a分组那样穿过网络的ISA100.11a分组中。对于反向操作，该双模路由器辨认WirelessHART中继分组，除去ISA100.11a首部的一部分，并重新形成WirelessHART分组，该WirelessHART分组然后在WirelessHART网络上传输。中继功能在网络和传输层处工作，以便能够构造通过ISA100.11a路由器而透明地路由的分组。优选地，该双模路由器在ISA100.11a网络看来是路由类型设备。优选地，双模路由器和中继功能的操作还对WirelessHART设备和应用透明。
本发明实施例大体上促使在物理层、MAC层和DLL层中WirelessHART和ISA100.11a之间已存在的相似性的改变。由于商业可用的芯片以及对未许可频谱的全球可接入性，这两个标准都选择了相同的无线电和ISM工作频带。它们还从IEEE802.15.4标准中选择了它们以相同方式使用的相同MAC层。尽管这两个标准针对DLL具有不同首部，但是它们具有相似的基本能力。它们均支持基于时隙超帧的、对无线网络的网状网络接入。它们还共享相同的信道跳技术、图形和源路由概念、以及DLL安全方案。通过选择现有ISA100.11a参数的WirelessHART兼容值，这两个标准可以协调它们对无线网络的使用，并统一无线基础设施。
定义
这两个标准的文档共享许多概念以及用于命名这些概念的术语。这些共享的术语包括：超帧、时隙、链路、图形、源路由和网关。本文档中使用的语言来自ISA100，还应用WirelessHART(除非此处另有具体说明)。
接入点  通过骨干网将无线网络与WirelessHART网关相连接的设备的WirelessHART术语。接入点是可选的。如果没有接入点，则WirelessHART网关直接连接至无线网络。WirelessHART接入点在功能上与ISA100.11a骨干路由器类似。
ASN  绝对时隙号——从网络形成起对时隙数目进行计数的WirelessHART参数。其在每个设备中被存储为5个八比特组字段。
双模设备  根据本发明实施例的、在WirelessHART网络与ISA100.11a网络之间以分组的格式传送消息的设备。在一个描述的实施例中，优选地，其在ISA100.11a系统看来是路由类型设备。
网络管理器  对网络进行配置和监视的管理功能的WirelessHART术语。在ISA100.11a和本文档中，该管理功能被称作“系统管理器”。
PAN标识符  IEEE802.15.4标准使用术语PAN(个域网)标识符，作为无线网络的数字标识。WirelessHART和ISA100.11a常取代术语网络ID。
中继功能  根据本发明实施例的、在WirelessHART与ISA100.11a网络之间转换协议栈的双模设备的角色。优选地，中继功能是在双模路由器中实现的，并且，如果WirelessHART网关包括ISA100.11a网络栈的一部分，则中继功能也可以在WirelessHART网关中实现。
网络配置
图1示出了根据本发明实施例，WirelessHART设备10通过ISA100.11a网络与WirelessHART网关14进行通信。WirelessHART设备10可以形成与双模路由器12相连接的WirelessHART网络区域，或者，WirelessHART设备10可以直接连接至双模路由器12。在图1中，WirelessHART网关14不支持ISA100.11a协议栈，因此，其如WirelessHART现场设备10那样通过双模路由器12进行连接。两个网络的系统管理功能可以组合或分离。在图1中，它们被示作具有对组合网络的管理进行协调的通信协议的分离功能。用户的网络管理员决定何时使用常规的ISA100.11a路由设备或根据本发明实施例的双模路由器。所有IS100.11a路由设备16都可以被配置为或以其他方式适配用于提供双模路由器12的功能，在这种情况下，WirelessHART设备10能够在ISA100.11a网络中的任何地方连接。
如图1所示，本发明实施例提供了能够在网络上传输WirelessHART分组的ISA100.11a网络。这一般由根据本发明实施例的双模路由器12的与两个网络相连接并在其间传送分组的功能来实现。优选地，双模路由器实现中继功能，该中继功能通过转换低层分组首部并封装高层首部和该分组的有效载荷来进行传送。双模路由器及其中继功能使WirelessHART设备10能够在所有ISA100.11a网络拓扑上进行操作。
图2示意了WirelessHART 14和ISA100.11a 18网关通过ISA100.11a连接至ISA100.11a网络。网关14、18可以使用任一个骨干路由器，这是由于网关14、18均连接至本地网络。具有WirelessHART有效载荷的ISA100.11a中继分组以与常规ISA100.11a分组相同的方式通过本地骨干路由器网络进行通信，这是由于两者均使用ISA100.11a网络层。
区别无线网络的兼容性问题
以下讨论ISA100.11a与WirelessHART之间的各种兼容性问题。这些问题一般与以下各项有关：无线电；MAC操作；DLL操作；网络层操作；中继层操作；系统管理；安全性；以及网关功能。依次解决这些问题如下。
无线电
WirelessHART和ISA100.11a均使用在IEEE802.15.4标准的章节中规定的相同无线电在2.4GHz频带中工作。因此，兼容性涉及选择具有对WirelessHART有效的无线电参数的ISA100.11a简档。
两个标准均将无线电的需求扩展为规定诸如改变频率所需的时间之类的附加参数。必须对这些扩展的参数进行调整，以使这两种类型的设备的操作兼容。
工作传输功率电平在两个标准中均可配置。必须针对ISA100.11a与WirelessHART之间的兼容性而配置的无线电参数中的一些包括但不限于：传输功率、最大无线电开启时间、在信道之间进行切换的时间、信道数目、IEEE802.15.4信道数量、以及纯信道(clear channel)接入模式。
MAC操作
两个标准均规定了对IEEE802.15.4MAC首部的使用，并使用如图3和4所示的相同结构选项来规定。因此，WirelessHART和ISA100.11a均能够对彼此的MAC层的字段进行解析。在这两个标准的MAC层中仅存在两个差异。WirelessHART使用MAC版本字段中针对IEE802.15.4-2003的值，而ISA100.11a使用针对IEEE802.15.4-2006的值。两个值都有效，这是由于通过每个标准而选择的MAC格式与这两个IEEE版本中的任一个都兼容。MAC中的另一差异在于用于序列号字段的值。WirelessHART使用每10ms递增的绝对时隙号(ASN)的最低有效八比特组，而ISA100.11a使用1ms分辨率的TAI时钟。双模路由器可以在两种使用之间容易地切换。在下表中总结了IEEE802.15.4MAC比较。ISA代表ISA100.11a，而WH代表WirelessHART。
Figure BPA00001311542000071
Figure BPA00001311542000081
Figure BPA00001311542000091
当中继分组时，双模路由器接收具有一种类型的MAC首部的分组并以另一种类型的MAC首部来发送。该双模路由器针对中继分组而执行的转换功能与该双模路由器在ISA100.11a或WirelessHART网络内路由分组时所做的非常相似。在这两种情况下，双模路由器都更新序列号字段、插入其源地址、插入对其给出的目的地地址、并计算帧校验序列(FCS)。WirelessHART MAC和ISA100.11a MAC执行相同的IEEE802.15.4帧校验计算，并将结果置于分组末尾处的FCS字段中。
对于WirelessHART，图3中的帧控制字段的第一八比特组被固定为0x41h。这选择了IEEE MAC帧类型作为数据分组，并将针对IEEE802.15.4安全性、帧挂起和ACK的控制标记设置为关。帧控制字段的第二八比特组标识了地址字段的格式以及所使用的IEEE802.15.4规范的版本。对于中继分组，源地址格式始终较短，目的地地址要么长要么短，取决于分组是否经过代理(proxied)，如在加入过程期间的情况那样。双模路由器使用适于所给出的目的地地址的地址字段大小。协议版本类型被设置为标识该标准的2003版本。
被中继至WirelessHART网络的分组将ASN用于MAC序列号。当双模路由器加入WirelessHART网络时，在该双模路由器中配置ASN。被中继至ISA100.11a网络的分组使用由所有ISA100.11a无线设备保持的TAI时钟。
通过这两个标准而选择的MAC格式在分组首部中均具有目的地PAN标识符。在WirelessHART中，PAN标识符是在安装之前预配置的(provisioned)，并可以被系统管理器在操作期间重新配置。在ISA100.11a中，PAN标识符可以是在安装之前预配置的或在加入网络之后配置的。
PAN ID可以被设置为跨越WirelessHART和ISA100.11a网络或被设置为分离的。甚至在网络的WirelessHART部分中，如果管理员想要控制WirelessHART设备连接至多个这种路由器当中的哪个双模路由器，则也可以预配置分离的PAN ID。
在SPEC-075，Section 8.1.2，Table 2中，WirelessHART针对诸如永久用户网络、临时用户网络和制造商用户网络之类的各种应用预留了PAN标识符范围。ISA100.11a配置不应当进行任何与WirelessHART相冲突的指派。
WirelessHART和ISA100.11a均将较短的16比特地址用于MAC源和目的地。它们还将相同的64比特的、IEEE管理的全球唯一地址用于在加入过程期间发送的分组。HART协议要求从被指派给HART基金会的块0x001B1E给WirelessHART设备指派64比特地址。
优选地，双模路由器被指派有两个短的和两个长的MAC地址。如在说明书后续部分更详细地讨论的，在WirelessHART网络上传输时使用一组，在ISA100.11a网络上传输时使用一组。
DLL操作
WirelessHART具有DLL首部的一个八比特组来标识分组所包含的DLL消息的类型、所使用的DLL层加密密钥、以及分组的DLL分组优先级。DLL还计算位于DLL有效载荷末尾处的四-八比特组消息完整性校验(MIC)。
ISA100.11a定义了DLL安全性参数，其为WirelessHART所使用的参数的超集。尽管不要求ISA100.11a使用完全相同的集合，但也期望这样，这是由于这简化了双模路由器。出于该原因，定义了与WirelessHART相匹配的ISA 100.11a DLL安全性简档。由于这两个标准未协调对DLL首部的编码，因此在首部中不存在针对已接收何种类型的分组的显式标识。为了防止ISA100.11a和WirelessHART设备无意地对彼此的分组进行解码，每个标准所采用的消息完整性校验密钥应当不同。这包括标准中定义的公知密钥以及由安全性管理器配置的DLL密钥。WirelessHART所使用的公知密钥是：7777 772E 6861 7274 636F 6D6D 2E6F 7267h。
ISA100.11a具有DLL优先级功能和代码。协议转换器常常在不同优先级方案之间进行映射，但是当定义了不同的优先级时，该映射通常是不完美的。WirelessHART优先级级别可以被映射至ISA100.11a优先级级别，或为了简明，被映射至一个级别。
ISA100.11a与WirelessHART共享多种类似的分组类型。这些类型包括ACK、通告、和数据分组类型。在网络中不中继本地DLL分组类型，不需要中继本地DLL分组类型。
WirelessHART和ISA100.11a的DLL均使用时隙、信道跳偏移、信道跳序列和超帧来对网络资源进行分割。WirelessHART将时隙大小固定为10ms，并指定当要进行时隙内的各种操作时的精确时隙定时模板。ISA100.11a设置了对时隙的灵活配置。该灵活性允许构造与WirelessHART的10ms时隙兼容的时隙模板。双模路由器要求ISA100.11a具有与WirelessHART的时隙模板简档相匹配的时隙模板简档。针对ISA100.11a而定义的缺省时隙模板将对双模路由器功能有效。
WirelessHART和ISA100.11a将时间从定时双亲(parent)传播至子女(child)。系统管理器设置双亲-子女关系。在WirelessHART中，存在两种方式来调整定时。在第一种方法中，子女测量来自其双亲的分组的时隙定时偏移，并调整其时钟。在第二种方法中，双亲从子女接收分组，并在肯定应答(acknowledgement)中向子女告知进行何种调整。时间将能够从ISA100.11a网络流至WirelessHART网络。
ISA100.11a系统配置中存在多个参数必须与WirelessHART系统进行协调，使得两个网络可以高效地共享无线资源。这些参数包括：信道跳序列、超帧大小指派、和信道补偿(back-off)设置。
在WirelessHART和ISA100.11a中，邻居发现是侦听相距一跳的其他设备的DLL过程。每个标准的设备仅发现类似的邻居。双模路由器参与这两个标准的邻居发现过程，稍后描述这种参与。
本发明实施例的一个潜在优势在于提高了并置的WirelessHART和ISA100.11a网络的效率。一种实现这一点的方式是消除以每个网络中的设备之间的可避免的传输冲突的形式存在的干扰。根据本发明实施例，当两个网络共享公共超帧并协作地将时隙分配给设备时，干扰减小。
为了实现这一点，两个网络必须定义公共的超帧并对周期和相位进行同步。将WirelessHART ASN时钟与ISA100.11a TAI时钟进行同步来完成该操作。在两个标准中，超帧起始时隙是通过相应标准的网络时间来设置的。在ISA100.11a的情况下，其为1ms TAI时钟，而在WirelessHART的情况下，其为10ms ASN时钟。协调系统管理器功能保持用于在两个时钟表示之间进行转换的转换因子。当WirelessHART系统管理器使用SPEC-155中的命令965来配置超帧时，其针对超帧的起始而设置与ASN相对应的执行时间。ISA100.11a利用TAI开通(cutover)参数来配置起始时间。
超帧长度以及超帧内的时隙指派是通过系统管理功能来协调的。
使两个网络能够在超帧内共享时隙提高了WirelessHART网络和ISA100.11a网络的操作效率。共享的时隙发生冲突，并且，当冲突发生时，通过补偿算法来解决接入。补偿算法在竞争的设备之间施行接入公平性。在这两个网络中必须针对该公平性来配置相同的补偿算法参数设置，以在WirelessHART和ISA100.11a设备之间保持。
双模路由器的中继功能根据ISA100.11a DLL层的输入WirelessHART分组来构造足够的信息以形成中继分组的适当的DLL和MAC首部。在相反方向上，中继功能将ISA100.11a DLL和MAC首部转换为适当的WirelessHART DLL和MAC首部。
WirelessHART DLL首部字段在图5中示出。对于中继分组，分组类型是“数据”。双模路由器在为加入设备代理分组时选择DLL密钥为公知密钥。所有其他中继分组使用私密网络密钥。根据说明书后续部分描述的中继首部中承载的信息来设置优先级。
用于中继分组的ISA100.11a DLL首部在图6中示出。DHDR分派八比特组将DLL首部标识为与IETF 6LoWPAN网络首部兼容。比特0至7被设置为01000010b。计算DHR长度字段并将其设置为在DHDR首部中余下的八比特组的数目(排除MIC)。在需要时，根据双模路由器的ISA侧的一般ISA100.11a简档，将扩展控制字段包括进来。中继分组的安全性代码和密钥ID使用针对来自一般ISA100.11a简档的ISA100.11a数据分组而选择的安全性级别。由双模路由器的ISA侧使用的资源确定对慢跳时间偏移的使用。DROUT首部内的ISA100.11a优先级字段是通过一组规则来转换的。这些规则可以将WirelessHART优先级映射至ISA10.11a优先级，或者，这些规则可以将所有WirelessHART消息映射至一个ISA100.11a优先级级别。
通过将路由信息置于该层中而不是置于网络层中，ISA100.11aDLL在概念上与WirelessHART DLL不同。这是如何描述标准方面的差异，而不是WirelessHART路由功能如何操作方面的差异。当WirelessHART网络层使用图形路由时，将图形路由ID置于中继分组的DROUT字段中。当WirelessHART网络层使用源路由时，将源路由置于DROUT首部的源路由字段中。WirelessHART和ISA100.11a设备被协调系统管理功能配置为使用相同的图形ID指派和设备地址指派。这通过不使双模路由器转换图形ID和源路由，来简化双模路由器的操作。
网络层操作
除了包含原始地址、最终目的地地址和图形路由标识符在内的最基本字段以外，WirelessHART和ISA100.11a网络层实质上不同。WirelessHART和ISA100.11a均将由MAC源和目的地设备使用的相同的16比特地址用于网络层。每个协议的系统管理功能对16比特地址的指派进行协调，以保持中继功能简单。
双模路由器以正常方式处理输入分组，直到其确定必须对分组进行中继为止。对于WirelessHART分组，双模路由器查看源路由或图形ID，并且，如果下一跳去往ISA100.11a网络，则将分组继续传递至中继功能。对于ISA100.11a分组，双模路由器查看分组的源路由或图形ID是否将其发送至WirelessHART网络并且该分组是中继分组，在这种情况下，将其传递至中继功能。
接收到的WirelessHART分组的中继功能构造ISA100.11a网络层首部，然后构造中继首部。如果WirelessHART有效载荷太大而不能装入一个中继分组中，则使用6LoWPAN算法来对有效载荷进行分段。对于接收到的ISA100.11a中继分组，中继功能构造WirelessHART网络层首部。在一个实施例中，如果对中继分组的有效载荷进行分段，则双模路由器使用6LoWPAN分段首部来重构分组。
图7示出了用于中继分组的WirelessHART网络首部。根据中继分组中的信息，填充(fill out)网络控制八比特组字段。如果使用了源路由，则设置第一源路由标记，并在需要时设置第二源路由标记。如果双模WirelessHART管理应用为目的地WirelessHART设备代理分组，则设置代理标记。最终网络地址大小标记被设置为其代理功能的一部分。对于中继分组，原始网络地址大小标记始终被设置为指示16比特地址。
生存时间字段(TTL)基于来自ISA100.11a首部的TTL字段，并在传输之前递减。
ASN小片断(snippet)标识创建WirelessHART分组的时间。当双模路由器从ISA100.11a网络接收到分组时，从中继首部中的信息导出该值。双模路由器通过查看计算出的ASN小片断和maxPacketAge参数，确定分组是否太老而不能被中继。
如源路由信息(如果存在的话)那样，从ISA100.11a分组拷贝图形ID、最终地址和原始地址。从中继首部导出代理路由地址。
图8示出了根据本发明实施例，用于传输不需要分段的中继分组的ISA100.11a网络首部。从WirelessHART分组中的地址中取得原始地址大小地址和最终地址。跳数限制是从WirelessHART TTL字段中取得的，并在传输之前递减。WirelessHART TTL字段是一个八比特组。契约ID是可选的并不被中继分组所使用。
如果WirelessHART有效载荷和中继首部太大而不能装入一个ISA100.11a中继分组中，则对其进行分段，并发送两个中继分组。分段首部用于这些分组。
图9示出了根据本发明实施例，用于中继分组分段的ISA100.11a网络首部。分段首部标识了第一分段和后续分段、被分段的消息的大小、消息的标识标签、以及消息内的分段位置。第一分组的首部的剩余部分是如图8所示的常规网络层分派首部和可选字段。
优选地，中继分组使用6LoWPAN分派字段。该字段缺省地将有效载荷标识为UDP。对于中继分组，6LoWPAN指示了：UDP源和目的地端口均被压缩至4比特，以及省略UDP长度和校验和。
跳数限制是未压缩的IPV6跳数限制字段。其在WirelessHART协议中没有等价物。其被中继功能设置为可配置的值，该值被选择为适合网络需要。
UDP端口字段被设置为由中继功能使用的4比特源和目的地端口。
中继层操作
双模路由器中的中继功能使WirelessHART分组能够在ISA100.11a网络上传输。对于双模路由器所接收到的WirelessHART分组，中继功能除去WirelessHART MAC/DLL和物理层首部中不需要发送至最终目的地设备的那些部分。这包括可在最终设备处根据ISA100.11a首部信息重新创建的信息。图10示出了中继功能如何使用包含在WirelessHART首部中的信息来构造ISA100.11a MAC、DLL和网络层首部。然后，中继功能添加对远端所需的WirelessHART网络数据进行通信的WirelessHART中继首部，并发送分组。该分组的有效载荷包含未改变的WirelessHART传输层和应用层数据。
当根据本发明实施例的双模路由器接收到中继分组，并且双模路由器必须将该分组发送至WirelessHART网络时，根据输入的ISA100.11a信息以及中继首部来重构WirelessHART MAC/DLL和网络层首部。这在图11中示出。中继功能处于网络层之上。这允许所构造的ISA100.11a分组路由通过ISA100.11a路由器和骨干路由器。
图12示出了双模路由器栈中的中继功能。WirelessHART网络层传递要通过中继功能而路由至ISA100.11a网络的分组。中继功能构造ISA100.11a网络层形成首部所需的信息。中继层还构造中继首部。接收中继分组的远端设备使用中继首部来重构WirelessHART分组首部。
根据本发明实施例的、接收分组的双模路由器通过针对使用标准ISA100.11a机制的服务而配置的UDP目的地端口号，标识中继首部。图13所示的中继首部包含当分组离开ISA100.11a网络时重构WirelessHART首部所需的信息。
优先级字段标识与分组相关联的WirelessHART优先级，其反映了正在中继的WirelessHART分组的优先级。
WirelessHART代理地址比特标记反映了接收到的WirelessHART分组中的相同值。当在路由首部中存在WirelessHART代理地址时，设置该WirelessHART代理地址比特标记。
20比特接收时间字段记录双模路由器何时接收到分组。该字段基于以1ms时间递增量表示的ISA100.11a TAI时间。
ASN生命阶段(age)字段记录WirelessHART分组在被双模路由器接收到时的网络生命阶段。该字段是通过从双模路由器处的当前ASN时间中减去WirelessHART分组的ASN小片断字段来计算的。
当设置代理标记时，存在WirelessHART代理路由字段。代理路由字段包含代理来自系统管理器的下行流消息的WirelessHART设备的地址。中继代理路由字段是从WirelessHART分组的代理路由字段拷贝的。
对接收到的中继首部进行处理的双模路由器必须重构WirelessHART首部字段。新的ASN小片断字段是使用以下公式来计算的：
ASN_snippet＝current_ASN-(ASN_age+RX_time/10)
将current_ASN定义为双模路由器接收到中继分组的WirelessHART时间。绝对时隙号计数器测量该时间。ASN_snippet计算将不太可能产生负数。如果产生了负数，则将ASN_snippet设置为0。RX_time是ISA100.11a网络中花费的时间。RX_time是根据DLL首部中的ISA100.11 TAI时间来计算的。
中继优先级字段被拷贝至WirelessHART优先级字段中。中继代理标记也被拷贝至WirelessHART代理标记，并且如果存在代理路由的话，代理路由也被拷贝。
图14示意了完整的中继分组，该完整的中继分组示出了中继首部以及WirelessHART分组在ISA100.11a UDP有效载荷中的中继部分。在一个实施例中，中继分组保留WirelessHART端对端安全性加密和消息完整性校验。
传输层(及以上层)操作
WirelessHART和ISA100.11a定义了不同的传输层和应用层。双模路由器的中继功能对WirelessHART协议的这些部分进行封装，并在ISA100.11a网络上传输这些部分。ISA100.11a路由功能不查看网络层以上，因此，ISA100.11a路由功能对WirelessHART在这些上层中所进行的操作不敏感。
系统管理
WirelessHART和ISA100.11a均支持集中式系统管理功能。WirelessHART将该功能称为“网络管理”。本文档使用ISA100“系统管理器”术语来指代ISA100.11a或WirelessHART功能。这两个系统管理器执行类似的功能，包括：用于对新设备进行认证和设置的加入功能；用于提供网络连接和安全性设置的配置功能；以及用于监视设备和网络的诊断功能。每个系统管理器的操作的细节不同。它们具有不同的控制和报告消息、关于关联算法如何操作的不同细节、以及不同参数。WirelessHART系统管理器的消息结构基于可在分组有效载荷中连接(concatenate)的一系列控制/响应消息。ISA100.11a系统管理器基于组合在一起以形成分组有效载荷的应用层过程、对象和属性。
为了使WirelessHART和ISA100.11a网络兼容，WirelessHART和ISA100.11a系统管理器必须对包括网络资源配置指派和诊断在内的多个内容进行协调。这可以通过以下操作而实现：设计一种以其本地(native)管理语言同时管理这两个网络的系统管理器；或者设计具有支持其间的协调管理的API的分离的管理器。
协调系统管理功能将短的(16比特)地址指派给所有ISA100.11a和WirelessHART设备。在本实施例中，针对ISA100.11a和WirelessHART设备来设置分离的地址范围，并在双模路由器中配置地址范围。所选的范围需要适应不同标准施加的地址限制。
在另一实施例中，向区别网络指派不同的PAN标识符，该不同的PAN标识符被双模路由器用于指定接收到的分组的来源。
WirelessHART和ISA100.11a具有类似的加入过程，但ISA100.11a在细节上有所不同。每个设备使用其本地加入协议。WirelessHART加入消息由根据本发明实施例的双模路由器在ISA100.11a网络上中继。双模路由器需要加入每个系统管理器功能，以便可以配置和控制每个协议栈。
网络诊断包括周期性健康报告和非周期性事件报告。两个标准不具有相同的参数或报告格式。每个设备向其本地系统管理功能进行报告。双模路由器向这两个系统管理功能进行报告。设备所产生的报告的部分是对不佳的(bad)MAC帧校验序列和不佳的DLL消息完整性校验进行测量的参数。然而，在混合网络中，不佳的消息完整性校验计数不指示干扰，这是由于WirelessHART和ISA100.11a使用不同消息完整性校验密钥来防止设备解释彼此的分组。帧校验序列是干扰级别的真实度量。
在两个标准中，系统管理器通过无线电消息来配置网络栈和本地设备网络管理器。每个设备由其本地配置消息来控制。双模路由器的栈中的每一个由本地栈控制消息来控制。由于双模路由器在两个上层栈之间共享物理层和MAC层，因此WirelessHART和ISA100.11a系统管理功能协调这些层的配置。在两个网络上协调的网络指派包括：16比特地址、图形ID、源路由、网络ID、超帧、信道跳序列、和时隙指派。
安全性操作
WirelessHART和ISA100.11a均具有DLL安全性功能和上层端对端安全性功能。ISA100.11a标准具有基于针对MAC而允许的IEE802.15.4选项的、针对DLL安全性的多个选项。双模路由器要求ISA100.11a选择使消息完整性校验开启的选项。还期望使消息完整性校验字段为4八比特长度，以简化双模路由器的操作。
WirelessHART将端对端安全性加密和消息完整性校验功能置于网络层中。对于ISA100.11a，它们在传输层中。这对于中继功能来说是不重要的，中继功能仅涉及对分组进行路由，而不涉及WirelessHART协议的目的地设备处理。中继功能不对加密的WirelessHART分组有效载荷的完整性进行解密或校验。加密的WirelessHART网络层有效载荷和关联的WirelessHART消息完整性校验字段是未被中继功能改变而在ISA100.11a网络上发送的。
当双模路由器接收到中继分组时，该双模路由器重构WirelessHART网络层，并将端对端加密分组及其消息完整性校验插入有效载荷中。
优选地，两个网络不共享任何密钥，并且，密钥管理可以组合或保持分离。
网关操作
WirelessHART和ISA100.11a定义了类似的网关功能。然而，网关使用不同的应用层协议来与现场设备进行通信。如上所讨论，WirelessHART使用命令/响应协议，ISA100.11a使用基于端口、对象和属性标识符的协议。ISA100.11a允许在网络中寻址多个网关设备，而WirelessHART具有一个网关功能以及与网络相连接的多个接入点。WirelessHART并不阻止厂商构建冗余的分布式网关。其仅规定了网关具有公知地址以及网关在WirelessHART现场设备看来像是一个设备。
组合网络中的每个设备与其本地网关对话。如果双模路由器支持过程/控制应用，则其被配置为与WirelessHART网关或ISA100.11a网关对话。所有网关应用级通信对中继功能都透明。
ISA100.11a和WirelessHART网关通过高侧(high-side)接口在厂内网络上与过程和控制应用进行通信。在图1和2中，高侧接口处于门设备框的右侧。
WirelessHART系统被设计为使HART7设备应用能够与WirelessHART网关进行通信。该网关可以直接连接至WirelessHART网络，或利用中间网络技术通过接入点而连接。WirelessHART系统的接入点与ISA100.11a网络中的骨干路由器类似。在组合系统中，WirelessHART网关可以以多种方式连接。
1.网关可以仅具有WirelessHART栈，因此，其需要与一个或多个双模路由器对话。在这种情况下，WirelessHART网关在没有任何修改的情况下操作，双模路由器使ISA100.11a网络对WirelessHART网关透明。具有未修改的WirelessHART网关的网络在图1中示出。
2.网关可以合并双模路由器。在这种情况下，网关直接位于ISA100.11a网络上，其中继功能将上层WirelessHART协议栈层连接至ISA100.11a网络层。
3.网关可以是处于由一个或多个ISA100.11a骨干路由器服务的骨干网上的设备。该网关具有由骨干网定义的下层协议栈。骨干协议栈与中继功能层相结合。中继功能重构网关的WirelessHART上层协议层所需的WirelessHART首部数据。该WirelessHART网关在图2中的网络中示出。
4.网关可以是处于由一个或多个WirelessHART接入点服务的骨干网上的设备。在这种情况下，WirelessHART接入点是在ISA100.11a网络上传输中继分组并在骨干网上传输WirelessHART消息的双模路由器。双模WirelessHART接入点使ISA100.11a网络对WirelessHART网关透明。
5.WirelessHART和ISA100.11a网关被结合至具有双协议栈的一个设备中。
双模路由器
优选地，双模路由器是WirelessHART设备和ISA100.11a设备。其通过其中继功能在网络之间提供连接。优选地，双模路由器在WirelessHART和ISA100.11a网络看来是正常的有路由能力的设备。组合的WirelessHART和ISA100.11a网络需要至少一个根据本发明实施例的双模路由器。大型网络和/或鲁棒网络需要多于一个双模路由器。
优选地，双模路由器参与网状网络。跨越WirelessHART和ISA100.11a网络的一部分的图形路由可以合并多于一个双模路由器，作为ISA100.11a的入口点。由于当大的WirelessHART分组进入ISA100.11a网络时对其进行分段，并且当其离开时对分段进行去除分段处理(defragment)，因此在图形的ISA100.11a网络出口处仅可以存在一个双模路由器。
优选地，双模路由器具有单个无线电装置，用于发送和接收来自WirelessHART和ISA100.11a网络的分组。因此，该路由器必须在WirelessHART格式的分组与ISA100.11a格式的分组之间进行区分。存在各种用于对分组进行区分的方法。在一种方法中，双模路由器具有16比特的范围用于每个协议。其使用该范围，基于MAC源地址字段，确定给定的无线数据分组是WirelessHART还是ISA100.11a。这是有效的，由于协调系统管理功能将地址指派给ISA100.11a和WirelessHART。地址范围可以用于共享的或专用的链路。在另一种方法中，向WirelessHART和ISA100.11a网络指派不同的PAN标识符。然后，双模路由器查看IEEE802.15.4MAC首部中的PAN ID字段，以辨别已接收到哪种类型的分组。
优选地，针对双模路由器的WirelessHART和ISA100.11a协议栈，向双模路由器指派分离的16比特地址或PAN标识符以及64比特EUI。双模路由器在发送WirelessHART分组时将WirelessHART 16比特地址用作MAC源地址，并在发送ISA100.11a分组时将ISA100.11a 16比特地址用作MAC源地址。使用作为MAC源地址的64比特EUI而发送的消息由已针对所有WirelessHART设备而指派给HART基金会的组织块号来标识。
优选地，双模路由器参与WirelessHART和ISA100.11a网络的网络形成。双模路由器必须进行通告，并成为WirelessHART网络中的时钟双亲。双模路由器还针对两个网络进行邻居发现。
发出通告分组，向加入设备给出足以发送加入请求和接收加入响应的信息。每个标准的格式和算法的细节不同，并且不需要协调这些细节。每个标准的设备产生其通告消息，这些通告消息是通过所使用的不同的公知MIC密钥来区分的。根据本发明实施例，双模路由器被配置为针对两个网络进行通告，针对每个网络发送不同的通告。
WirelessHART使用DLL保持生存(Keep-Alive)分组来发现邻居并与邻居保持联系。WirelessHART设备查找从未知设备发送的分组以及保持生存消息，以保持邻居表。在混合网络中，使用WirelessHART密钥的DLL MIC排除ISA分组。
ISA100.11a具有类似的邻居发现过程。ISA100.11a设备还使用DLL MIC密钥将WirelessHART设备排除在被识别为邻居的设备之外。
根据本发明实施例的双模路由器保持分离的WirelessHART和ISA100.11a邻居表。利用指派给任一标准的DLL MIC密钥来校验在专用于该标准的链路上接收到的分组。如果链路被标准共享，则双模路由器可以校验两种密钥或者交替其所挑选的密钥。尽管尝试两种密钥是优选的，但双模路由器对硬件和软件进行可能不能使所有设备都满足的时间约束。针对共享信道交替密钥并未阻止新邻居的发现；其仅仅将该过程减慢。
双模路由器可以是在区域中发起WirelessHART网络的设备。当设备发起网络时，其需要向其子女提供时隙时钟并建立ASN。优选地，双模路由器从ISA100.11a TAI时钟导出其ASN时钟。协调系统管理功能以如下方式建立时钟树：从ISA100.11a时钟源开始，向下经过ISA100.11a网络，向外经过双模路由器，至WirelessHART网络中。双模路由器使用ISA100.11a的时钟子女过程，从其ISA100.11a双亲得到TAI时钟。然后，双模路由器将TAI时间转换为ASN时间，并将其传播至WirelessHART子女。
当双模路由器通过ISA100.11a网络加入系统管理器时，或者当双模路由器采用其根据其从其他WirelessHART设备收听到的通告而得到的ASN时，双模路由器将ASN设置为0。
WirelessHART和ISA100.11a系统管理功能在双模路由器的控制和监视中进行协作。协作系统管理功能可以通过以下操作而实现：设计组合系统管理功能；或者设计ISA100.11a系统管理器与WirelessHART系统管理器之间的API。
每个标准的系统管理器功能对设备的协议栈的部分进行配置和监视。两个管理功能之一控制共享的物理、MAC和中继功能。在两个系统管理功能之间对双模路由器协议栈的分离管理和共享的部分进行协调。双模路由器向两个系统管理器发送周期性和事件报告。与特定网络的操作有关的报告被发送至关联的系统管理器。与设备有关的报告可以被发送至这两个系统管理器，尽管一般地，一个管理器将负责管理全部设备。
图15是根据本发明实施例的双模路由器的示意图。路由器50包括与天线54耦合的无线通信电路52，天线54可以是内部或外部天线。优选地，无线通信电路52包括在2.4GHz上工作的根据IEEE802.15.4的射频通信电路。
路由器50还包括与无线通信电路52和控制器58耦合的电源模块56。电源模块56被配置为将合适的操作功率提供给无线通信电路52和控制器58。电源模块56可以是内部电源，如电池或超级电容器，或者，电源模块56可以被配置为接收和/或调节来自外部源的功率。外部源的示例包括但不限于：光电电池、风力发电机、热发电机、基于振动的发电机、过程通信环(如有线HART
Figure BPA00001311542000241
或FOUNDATIONTM Fieldbus环/段)、或甚至110VAC。
优选地，控制器58是：微处理器，通过硬件、软件或其组合而被配置为提供以上根据本发明实施例阐述的各种功能。
在路由器50将被安装在“现场”的实施例中，这些实施例采用防爆外壳和/或本质安全电路是有益的。在以下文献中阐述了本质安全需求的一个示例：APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARAUS FOR USE IN CLASS I，II AND III，DIVISION NUMBER 1 HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATIONS，CLASS NUMBER 3610，由工厂共同研究会(Factory Mutual Research)于1998年10月发布。
尽管本发明的实施例总体上提供了用于实现ISA100.11a与WirelessHART之间的互操作的具体配置参数和设备的细节和精确示例，但本领域技术人员应当理解，只要保持互操作性就可以进行改变。此外，尽管本文公开的实施例总体上提供了完整的互操作，但本发明的实施例还包括部分互操作，例如简单地对两个区别网络的时基进行协调，使得即使分组不能穿越区别网络，也可以增强冲突避免。此外，尽管关于双模路由器总体上描述了本发明实施例，但也可以在包括可根据上述各个实施例而配置的合适无线电装置和控制器在内的任何设备中实现实施例。因此，可以在WirelessHART骨干网关、ISA100.11a骨干网关、ISA100.11a路由设备或任何合适设备中实现本发明实施例。
相信，本发明实施例提供了多个潜在的优势。根据本发明的用于实现WirelessHART与ISA100.11a之间的兼容性的技术和参数设置并不显著影响ISA100.11a协议的效率，并且它们促进了对诸如信道和时隙之类的共享网络资源的有效使用。此外，通过使ISA100.11a的模式与WirelessHART兼容，这两个网络相结合，向用户提供了一个网络、一个整合的管理功能、以及购买工作在整合的网络基础设施上工作的WirelessHART或ISA100.11a设备的能力。整合的WirelessHART和ISA100.11a网络增加了可用于设备的网络资源并减小了干扰，这隔离了传输发生冲突时的系统体验。由于未对所发布的HART7标准进行改变，因此提供了后向兼容性。WirelessHART分组在ISA100.11a网络上的传输对WirelessHART设备和应用透明。由于常规ISA100.11a设备在ISA100.11a网络上路由由双模路由器中继的WirelessHART分组，因此确保了ISA100.11a兼容性。根据本发明实施例的中继功能对ISA100.11a标准中记载的ISA100.11a网络层和网络配置有效。最后，中继功能并未对双模路由器的硬件或处理器施加显著的负担。
尽管参照具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (30)

1.一种用于在多个区别无线过程通信网络上传送过程通信分组的双模路由器，包括：
无线射频通信电路，被配置为与来自所述多个区别无线过程通信网络中的每一个的信号进行交互；
控制器，与所述无线射频通信电路相连，所述控制器被配置为对来自第一区别无线过程通信网络的过程通信分组进行适配，以便在第二区别无线过程通信网络上进行传输。
2.根据权利要求1所述的双模路由器，其中，所述第一区别无线过程通信网络是WirelessHART。
3.根据权利要求2所述的双模路由器，其中，对过程通信分组进行适配包括：将WirelessHART分组的有效载荷封装在ISA100.11a分组中。
4.根据权利要求3所述的双模路由器，其中，对过程通信分组进行适配包括：将WirelessHART分组首部信息转换为ISA100.11a首部。
5.根据权利要求1所述的双模路由器，其中，所述控制器还被配置为：协调对所述多个区别无线过程通信网络的系统管理。
6.根据权利要求1所述的双模路由器，其中，所述第二区别无线过程通信网络是ISA100.11a。
7.根据权利要求6所述的双模路由器，其中，所述控制器被配置为：基于所封装的WirelessHART分组产生ISA100.11a有效载荷，使得当WirelessHART分组离开ISA100.11a网络时能够重构完整的WirelessHART分组。
8.根据权利要求1所述的双模路由器，其中，所述控制器被配置为：通过所述第二区别无线过程通信网络，提供所述第一区别无线过程通信网络的设备之间的通信。
9.根据权利要求1所述的双模路由器，其中，所述双模路由器是本质安全的。
10.一种基于第二区别无线过程通信网络对区别第一无线过程通信网络进行配置的方法，所述方法包括：
从所述第二区别无线过程通信网络获得时基；以及
基于从所述第二区别无线过程通信网络获得的时基，设置所述第一区别无线过程通信网络中的时基。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一区别无线过程通信网络是WirelessHART。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二区别无线过程通信网络是ISA100.11a。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括：在所述第一区别无线过程通信网络和所述第二区别无线过程通信网络上提供过程分组冲突避免。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括：在所述第一区别无线过程通信网络和所述第二区别无线过程通信网络之间中继过程分组。
15.一种通过区别无线过程通信网络传送过程通信分组的方法，所述方法包括：
从第一区别无线过程通信网络接收第一无线过程通信分组；
修改所述第一无线过程通信分组，以形成修改后的过程通信分组；以及
通过第二区别无线过程通信网络来发送修改后的过程通信分组。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，接收和发送是使用相同的射频通信电路来完成的。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法是使用双模路由器来执行的。
18.一种与多个区别无线过程通信网络进行交互的方法，所述方法包括：
通过无线射频通信电路来接收过程分组；
检查分组，以确定所述过程分组所源自的区别无线过程通信网络；以及
基于该检查，选择性地传送分组。
19.一种过程通信系统，包括：
第一区别无线过程通信网络；
第一系统管理器，被配置为提供对所述第一区别无线过程通信网络的配置、控制和监视中的至少一个；
第二区别无线过程通信网络；
第二系统管理器，被配置为提供对所述第二区别无线过程通信网络的配置、控制和监视中的至少一个；以及
其中，所述第一系统管理器和所述第二系统管理器被配置为彼此通信，以协调所述过程通信系统的操作。
20.根据权利要求19所述的过程通信系统，其中，所述第一系统管理器和所述第二系统管理器被配置为：提供所述第一区别无线过程通信网络和所述第二区别无线过程通信网络之间的冲突避免。
21.根据权利要求19所述的过程通信系统，其中，所述第一无线过程通信网络是ISA100.11a。
22.根据权利要求19所述的过程通信系统，其中，所述第一无线过程通信网络是WirelessHART。
23.根据权利要求19所述的过程通信系统，其中，所述第一系统管理器和所述第二系统管理器被配置为：协调现场设备的16比特地址指派，使得IEEE802.15.4 MAC首部中的地址能够用于标识多个区别无线过程控制网络之一上的分组。
24.根据权利要求19所述的过程通信系统，其中，所述第一系统管理器和所述第二系统管理器被配置为：针对每一区别无线过程控制网络，协调对多个唯一PAN标识符的选择，使得IEEE802.15.4 MAC首部中的PAN标识符能够用于标识区别无线过程控制网络。
25.根据权利要求19所述的过程通信系统，其中，所述第一系统管理器和所述第二系统管理器被配置为：在所述第一区别无线过程通信网络和所述第二区别无线过程通信网络中的每一个上协调图形ID。
26.一种组合无线过程通信系统，所述系统包括：
多个区别无线过程通信网络；
具有双模路由器功能的多个设备；
至少一个现场设备，被配置为在区别无线过程通信网络中的至少一个上进行通信；以及
协调系统管理器，适于提供对所述多个区别无线过程通信网络的配置、控制和监视中的至少一个功能。
27.根据权利要求26所述的组合无线过程通信系统，其中，所述系统支持从第一区别无线过程通信网络上的现场设备、通过第二区别无线过程通信网络、而通信至所述现场设备的过程控制系统的主机应用的通信。
28.根据权利要求26所述的组合无线过程通信系统，其中，所述系统支持从第一区别无线过程通信网络上的现场设备、通过第二区别无线过程通信网络、而通信至也在所述第一区别无线过程通信网络上的现场设备的通信。
29.根据权利要求26所述的组合无线过程通信系统，其中，第一区别无线过程控制网络是WirelessHART。
30.根据权利要求26所述的组合无线过程通信系统，其中，第二区别无线过程控制网络是ISA100.11a。
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