CN103179613B - 一种面向工厂自动化tdma无线网络的包聚合方法 - Google Patents

一种面向工厂自动化tdma无线网络的包聚合方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法。将工厂自动化无线网络的各类节点搭建成星型拓扑结构；AP为网络中的节点分配通信所需时隙；基于上述拓扑结构和时隙分配结果，如果缓存空间足够，AP将需要发送给多个节点的包按照聚合包格式封装成一个包；节点收到来自AP的聚合包后，判断该节点是否为该聚合包的目的节点，如果是则接收并解聚该包，否则丢弃该包；收到聚合包的节点向AP回复ACK响应，AP向未发来ACK的节点重传聚合包；AP根据ACK响应的结果，决定重传。本发明充分利用工厂自动化应用中确认帧长度短的特点，在保证数据无损的前提下，减少网络中包的数量和包头开销，提高包的有效载荷，优化面向工厂自动化的无线网络的性能。

Description

一种面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法
技术领域
本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法。
背景技术
工业无线网络技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低工业测控系统成本，提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。工业无线网络技术面向设备间短程、低速率信息交互，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征，是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，并最终转化为新的无线技术标准。目前，工业无线网络技术应用于高速的工厂自动化领域，成为继面向过程自动化的工业无线网络技术之后，国际上无线网络技术竞争的又一焦点。相对于传统的有线总线技术，工厂自动化无线网络不仅具有低成本、易安装、易维护的优势，而且能够避免设备因移动导致的线缆易老化、线缆污染、滑环电力接触易失败等问题。TDMA机制因其确定性的资源分配以及有效避免冲突的特点，可以实现较高的可靠性和实时性，因此成为工厂自动化无线网络介质访问控制层的首选。
然而，在基于简单的TDMA机制的无线网络中存在一个带宽利用率低的问题，这导致它在工业现场通信时难以支持大规模的节点数量。另外，工业应用中较短的采集数据加大了物理层的开销，进一步降低了带宽的有效利用率。包聚合的方法在无损数据聚合的前提下，能够有效减少网络中传输的数据量，增加有效载荷的比例，从而降低了物理层的开销，提高了网络的有效吞吐量，同时避免了大量数据传输过程中带来的冲突碰撞问题，提高了网络的可靠性和实时性。
包聚合的实质在于把多个包按照一定的格式重新封装成一个包发送出去，接收端收到该包后，进行反向的解聚合操作，还原成原始的多个包。目前，多数应用，如802.11n，都采用这类技术来提高吞吐量。然而，现有的包聚合方法仅支持一对一或者多对一的数据聚合模式，尚未有一对多的聚合方法且缺乏有效的ACK机制保证聚合包传输的可靠性。
发明内容
针对现有的包聚合方法仅支持一对一或者多对一的数据聚合模式，尚未有一对多的聚合方法且缺乏有效的ACK机制保证聚合包传输可靠性的缺陷，提出了一种介质访问控制层(Medium Acess Control layer，MAC)的包聚合方法，充分利用工厂自动化应用中确认帧长度短的特点，在保证数据无损的前提下，减少网络中包的数量和包头开销，提高包的有效载荷，优化面向工厂自动化的无线网络的性能。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法，包括以下步骤：
将工厂自动化无线网络的各类节点搭建成星型拓扑结构；
AP为网络中的节点分配通信所需时隙；
基于上述拓扑结构和时隙分配结果，如果缓存空间足够，AP将需要发送给多个节点的包按照聚合包格式封装成一个包；
节点收到来自AP的聚合包后，判断该节点是否为该聚合包的目的节点，如果是则接收并解聚该包，否则丢弃该包；
收到聚合包的节点向AP回复ACK响应，AP向未发来ACK的节点重传聚合包；
AP根据ACK响应的结果，决定重传。
所述星型拓扑结构包括接入点AP和在AP一跳通信范围内的节点。
所述时隙包括节点向AP发送数据，AP向节点发送数据和用于数据重传所需的时隙。
如果缓存空间不够，则将部分包聚合或者不聚合包。
所述聚合帧格式包括两个部分：主头和载荷，其中，主头部分包括四个子域，分别为帧控制、序列号、源地址和ACK掩码；载荷部分由聚合后的多个帧的片段组成，每个片段包括一个辅助头和可变长度的数据。
所述帧控制子域包括六个子域，分别为协议掩码、上行链路标识、后继数据标识、网络标识符、包类型和聚合包数量。
所述辅助头包括两个子域：子帧控制和目的地址，其中，子帧控制子域包括三个子域，分别为子帧长度、子帧类型和ACK掩码分配。
所述AP将需要发送给多个节点的包按照聚合包格式封装成一个包的过程为：
AP将其内部需要发送给节点的包按照接收时间进行排序，并将各个包按照聚合包载荷中片段的格式填充相应内容后，存储在缓存中，其中，缓存的第一项存储主头的内容；
收到一个新包后，AP判断其缓存中的已有数据长度的和+待聚合包的数据域的长度+4字节是否小于Nmax个字节，其中，Nmax的值取决于具体的协议和硬件，其值限定缓存中每一项的大小，如果小于Nmax个字节，则放弃聚合待加入的包；否则，转入下一步；
聚合待聚合的包，在AP缓存增加包含“子帧控制、目的地址和数据”元素的项，用于填充待聚合报文的内容；根据待聚合报文MAC层头域中的ACK标识判断是否需要ACK响应，如果不需要ACK响应，则将子帧控制子域中的ACK掩码分配子域置0，否则，将ACK掩码分配子域置1～15之间的值，且所置值尚未被缓存中其他待聚合的包使用。
所述包解聚的过程为：
节点收到来自AP的广播包后，解析广播包，根据主头中的帧控制子域的包类型子域，判断包的类型，如果为聚合包，则按照聚合包的格式解析聚合包主头后面的数据；
对于解析后的聚合包，如果辅助头对应的目的地址与本地地址匹配，则存储对应的辅助头和数据；
解析辅助头，根据其中的ACK掩码分配子域的值mask_b判断是否需要回复ACK响应；如果需要回复，则执行ACK响应步骤，否则，不做处理。
所述ACK响应和重传的过程为：
节点向AP返回ACK响应；
如果AP收到节点的ACK响应，则将ACK掩码ACK_mask中对应的位的值置为1；
如果AP未收到某个节点的ACK响应，则重传聚合包，并将聚合包的主头的ACK掩码子域的值置为ACK_mask；
节点收到重传包后，将自身的ACK掩码与ACK_mask执行与运算，如果对应位的结果为0，则表示节点的ACK响应发送失败，节点重新解析发来的重传包；否则，丢弃重传的聚合包。
本发明提出的面向面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法是在充分考虑工业自动化无线网络的数据和传输特点的前提下提出的，能够提高网络的有效吞吐量，具有无损聚合、低能耗和易实现等优点，具体表现在：
1.本发明方法设计的包聚合方法降低了网络系统的载荷，提高了网络的有效吞吐量；
2.本发明方法设计了基于掩码处理的ACK响应和重传方法以及基于搭载的ACK响应结果传输方法，在保证数据传输可靠性的同时，降低了开销，提高了网络的吞吐量；
3.本发明方法设计了用于包聚合的帧格式，一方面它能够使数据融合机制易于实现，另一方面它解决了聚合后ACK响应多对一的问题。
附图说明
图1为本发明中采用的网络拓扑示意图；
图2为AP为节点分配时隙的一个实例结果示意图；
图3为本发明中设计的聚合包的格式；
图4为聚合包中帧控制域的格式；
图5为聚合包中子帧控制子域的格式；
图6为AP聚合包的流程图；
图7为节点解聚包的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明方法包括以下步骤：
将工厂自动化无线网络的各类节点搭建成星型拓扑结构；
AP为网络中的节点分配通信所需时隙；
基于上述拓扑结构和时隙分配结果，设计包聚合和解聚的过程和包格式；
聚合包的目的节点回复ACK响应；
AP根据ACK响应的结果，决定重传。
本发明采用的星型拓扑结构如图1所示，包括接入点AP(Access Point)和节点(Node)。其中，将AP标记为N0。网络中的所有节点都在AP的一跳通信范围内。
AP根据节点的数据率和实时性要求为网络中的每个节点分配相应的时隙。图2给出时隙分配的一个实例。假设节点N1、N2、N3和N4的数据率和实时性要求相同，AP分别为其分配时隙Slot4、Slot5、Slot6以及Slot7用于上行数据通信(即节点向AP发送数据)；时隙Slot24、Slot25、Slot26以及Slot27用于重传；时隙Slot1、Slot20以及Slot40用于下行数据通信(即AP向节点发送数据)。
时隙分配结束后，网络中的节点和AP之间进行正常通信。在网络通信过程中，为了降低网络中包的数量以及包头开销，本发明设计如下包聚合和解聚过程，具体包括三个步骤：包聚合、包解聚和确认帧(ACKnowledgement，ACK)响应。
步骤1包聚合：AP根据缓存空间的大小，将需要发送给多个节点的包聚合为一个包；如果缓存空间不够，则将部分包聚合或者不聚合包；否则，按照所设计的聚合包格式将需要聚合的包封装成一个包。
步骤2包解聚：节点收到来自AP的聚合包后，判断是否为目的节点。如果是目的节点，则接收并解聚该包；否则，丢弃该包。
步骤3ACK响应和重传：收到聚合包的节点向AP回复ACK响应，AP通过ACK掩码标识ACK的回复结果，并且将ACK掩码搭载在重传的聚合包中广播出去。节点根据ACK掩码的值和目的地址判断是否接收重传的聚合包。
所述聚合帧格式见图3，包括两个部分：主头(Main Header，MH)和载荷(Payload)。其中，主头部分包括四个子域，分别为帧控制、序列号、源地址和ACK掩码；载荷部分由聚合后的多个帧的片段组成，每个片段包括一个辅助头(Sub Header，SH)和可变长度的数据(Data)。
下面将对各个子域的长度和功能作详细说明。
帧控制：2个字节长，用于控制MAC层接入的一些参数，包括协议掩码、上行链路标识、后继数据标识以及网络标识符(Identifier，ID)，其格式见图4。
1.协议掩码：占用4个比特，用于标识所采用无线协议的类型和版本号；本发明中该值假设为0b1111。
2.上行链路标识：占用1个比特，用于指示报文上行或者下行。其中，0表示下行，1表示上行。
3.后继数据标识：占用1个比特，用于指示发送端的发送队列中是否有待发送的数据；值为0表示发送端的发送队列为空。
4.网络标识符：占用4个比特，用于区分同一个网络的不同子网。
5.包类型：占2个比特，用于标识包的类型。其中，0标识数据包；1标识命令包；2表示聚合包；3保留。
6.聚合包数量：占4个比特，用于标识聚合包中载荷域中被聚合包的数量。如果包类型的值不为2，则该域无效。
序列号(Sequence Number，SN)：2个字节长，用于标识帧的序号；序列号由一个16位的内部计数器维护；节点或者AP发送帧时，将内部计数器的值拷贝到该域，随后，内部计数器的值作加1运算；重传帧的序列号保持不变。
源地址：2个字节长，用于标识当前帧的发送者。
ACK掩码：2个字节长，用于指示是否已经接收到来自前一聚合帧的接收端发来的ACK响应；如果该域的值为0x00，则表示所有的被聚合帧的接收端都已经回复ACK响应；否则，如果该域的某一位为1，则表示对应该位的接收端尚未回复ACK响应。由于ACK掩码子域为2个字节长，因此，最多可以标识16个节点的ACK响应情况。
数据长度：2个字节长，用于标识载荷部分数据的字节长度。
辅助头：4个字节长，包括子帧控制子域和目的地址子域。
1.子帧控制：2个字节长，如图5所示，包括以下信息：
(1)子帧长度：占用7个比特，表示子帧的总长度，即从子帧控制域开始到数据结束的整个长度；
(2)子帧类型：占用4个比特，表示子帧的类型，其含义见表1；
表1帧类型标识
  类型标识(b11 b10 b9 b8)   子帧类型
  0 0 0 0   数据帧
  0 0 0 1   信标帧
  0 0 1 0   ACK帧
  其余   保留
(3)ACK掩码分配：占用4个比特，用于表示分配给当前子帧的MACHeader的ACK掩码的位。若当前子帧不需要ACK响应，则该域的值为0；若其值为3，则表示子帧需要ACK响应且其对应的ACK掩码为0x0008。
2.目的地址：2个字节长，用于标识当前子帧的接收者。
数据：可变长度，用于填充上层协议栈的数据。
假设网络初始化过程中，AP和所有节点的ACK掩码为Ox00。
所述包聚合的详细过程如图6所示，具体包括以下过程：
1.AP将其内部需要发送给节点的包按照接收时间进行排序，并将各个包按照聚合包载荷中片段的格式填充相应内容后，存储在缓存中；其中，缓存的第一项存储主头的内容。
2.收到一个新包后，AP判断其缓存中的(已有数据长度的和+待聚合包的数据域的长度+4字节)是否小于Nmax个字节(Nmax的值取决于具体的协议和硬件，其值限定缓存中每一项的大小)；如果小于Nmax个字节，则放弃聚合待加入的包；否则，转入第(3)步。
3.聚合待聚合的包。在AP缓存增加包含“子控制域、目的地址和数据”元素的项，用于填充待聚合报文的内容；根据待聚合报文MAC层头域中的ACK标识(参见IEEE 802.11MAC帧格式)判断是否需要ACK响应；如果不需要ACK响应，则将子帧控制域中的ACK掩码分配子域置0，否则，将ACK掩码分配子域置1～15之间的值，且所置值尚未被缓存中其他待聚合的包使用。
所述包解聚的详细过程见图7，具体包括：
(1)节点收到来自AP的广播包后，解析广播包；根据包头中的帧控制子域的包类型子域，判断包的类型。如果为聚合包，则按照聚合包的格式解析聚合包主头后面的数据。
(2)对于解析后的聚合包，如果辅助头对应的目的地址与本地地址匹配，则存储对应的辅助头和数据。
(3)解析辅助头，根据其中的ACK掩码分配子域的值mask_b判断是否需要回复ACK响应；如果需要回复，则执行ACK响应步骤，否则，不做处理。
所述ACK响应和重传的详细过程具体包括：
(1)节点向AP返回ACK响应；
(2)如果AP收到节点的ACK响应，则将ACK掩码ACK_mask中对应的位的值置为1；
(3)如果AP未收到某个节点的ACK响应，则重传聚合包，并将聚合包的主头的ACK掩码子域的值置为ACK_mask；
(4)节点收到重传包后，将自身的ACK掩码与ACK_mask执行与运算，如果对应位的结果为0，则表示节点的ACK响应发送失败，节点重新解析发来的重传包；否则，丢弃重传的聚合包。
以图2所示的时隙分配结果为例，按照上述3个步骤给出包聚合、包解聚和ACK响应过程的示例。
将当前时间记为t。假设AP在时刻t+Slot1之前，需要分别向节点N1、N2、N3和N4发送包pkt1、pkt2、pkt3以及pkt4，且所有包要求返回ACK响应。AP执行包聚合的过程如下：
(1)由于此时缓存的第一项为主头域的数据，没有第二项。因此，增加缓存中的第二项用于聚合pkt1。第二项的元素包括：pkt1的帧类型、目的地址、ACK掩码0x01以及数据；
(2)接收到pkt2时，判断(主头+第一项+pkt2数据长度+4个字节)是否小于256个字节。如果小于256个字节，则将pkt2的相关信息按照步骤(1)存储pkt1信息的方式存储在缓存的第三项，修改缓存第一项中主头对应的ACK掩码子域的值为；依次类推，将pkt3和pkt4的相关信息存储在缓存的第四项和第五项。
(3)由于四个包都要求ACK响应，此时缓存第一项中主头的ACK掩码子域的值为0x0F。
将此时缓存中的各项按照如图3所示的格式封装为一个聚合包，并由AP广播给网络中的各个节点。
节点接收到AP的广播包时，以N1为例，说明包解聚的过程。
(1)解析聚合包，获取发送给自身的数据；
(2)解析ACK掩码分配子域的值为0x01，将0x01与主头中ACK掩码子域的值进行与运算，如果运算结果为1，则N1需要向AP返回ACK响应；否则，不返回ACK响应。
(3)AP收到N1的ACK后，将本地的ACK_mask中对应N1的位置为1，并通过重传聚合包发送出去。
(4)N1收到重传后的聚合包，解析聚合包主头中的ACK掩码，并与本地的ACK掩码进行与运算，如果运算结果为0，则表示AP未收到N1的ACK，则N1根据包的序列号决定是否接收聚合包。
(5)如果N1中接收的包的序列号与新接收包的序列号相同，则N1丢弃新包，并向AP返回ACK响应。

Claims (8)

1.一种面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法，其特征在于，包括以下步骤：
将工厂自动化TDMA无线网络的各类节点搭建成星型拓扑结构；
AP为网络中的节点分配通信所需时隙；
基于上述拓扑结构和时隙分配结果，如果缓存空间足够，AP将需要发送给多个节点的包按照聚合包格式封装成一个包；
节点收到来自AP的聚合包后，判断该节点是否为该聚合包的目的节点，如果是则接收并解聚该包，否则丢弃该包；
收到聚合包的节点向AP回复ACK响应，AP向未发来ACK的节点重传聚合包；
AP根据ACK响应的结果，决定重传；
所述聚合包格式包括两个部分：主头和载荷，其中，主头部分包括四个子域，分别为帧控制、序列号、源地址和ACK掩码；载荷部分由聚合后的多个帧的片段组成，每个片段包括一个辅助头和可变长度的数据；
所述帧控制子域包括六个子域，分别为协议掩码、上行链路标识、后继数据标识、网络标识符、包类型和聚合包数量。
2.根据权利要求1所述的一种面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法，其特征在于，所述星型拓扑结构包括接入点AP和在AP一跳通信范围内的节点。
3.根据权利要求1所述的一种面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法，其特征在于，所述时隙包括节点向AP发送数据，AP向节点发送数据和用于数据重传所需的时隙。
4.根据权利要求1所述的一种面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法，其特征在于，如果缓存空间不够，则将部分包聚合或者不聚合包。
5.根据权利要求1所述的一种面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法，其特征在于，所述辅助头包括两个子域：子帧控制和目的地址，其中，子帧控制子域包括三个子域，分别为子帧长度、子帧类型和ACK掩码分配。
6.根据权利要求1所述的一种面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法，其特征在于，所述AP将需要发送给多个节点的包按照聚合包格式封装成一个包的过程为：
AP将其内部需要发送给节点的包按照接收时间进行排序，并将各个包按照聚合包载荷中片段的格式填充相应内容后，存储在缓存中，其中，缓存的第一项存储主头的内容；
收到一个新包后，AP判断其缓存中的已有数据长度的和+待聚合包的数据域的长度+4字节是否小于Nmax个字节，其中，Nmax的值取决于具体的协议和硬件，其值限定缓存中每一项的大小，如果小于Nmax个字节，则放弃聚合待加入的包；否则，转入下一步；
聚合待聚合的包，在AP缓存增加包含“子帧控制、目的地址和数据”元素的项，用于填充待聚合报文的内容；根据待聚合报文MAC层头域中的ACK标识判断是否需要ACK响应，如果不需要ACK响应，则将子帧控制子域中的ACK掩码分配子域置0，否则，将ACK掩码分配子域置1～15之间的值，且所置值尚未被缓存中其他待聚合的包使用。
7.根据权利要求1所述的一种面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法，其特征在于，所述包解聚的过程为：
节点收到来自AP的广播包后，解析广播包，根据主头中的帧控制子域的包类型子域，判断包的类型，如果为聚合包，则按照聚合包的格式解析聚合包主头后面的数据；
对于解析后的聚合包，如果辅助头对应的目的地址与本地地址匹配，则存储对应的辅助头和数据；
解析辅助头，根据其中的ACK掩码分配子域的值mask_b判断是否需要回复ACK响应；如果需要回复，则执行ACK响应步骤，否则，不做处理。
8.根据权利要求1所述的一种面向工厂自动化TDMA无线网络的包聚合方法，其特征在于，所述ACK响应和重传的过程为：
节点向AP返回ACK响应；
如果AP收到节点的ACK响应，则将ACK掩码ACK_mask中对应的位的值置为1；
如果AP未收到某个节点的ACK响应，则重传聚合包，并将聚合包的主头的ACK掩码子域的值置为ACK_mask；
节点收到重传包后，将自身的ACK掩码与ACK_mask执行与运算，如果对应位的结果为0，则表示节点的ACK响应发送失败，节点重新解析发来的重传包；否则，丢弃重传的聚合包。
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