CN103457893A - 一种基于ofdm技术的工业无线网络频域轮询方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法。本发明包括以下步骤：轮询初始配置：AP为新加入网络的节点分配轮询组ID和子载波ID；OFDM频域轮询：AP发送轮询请求报文，节点收到轮询请求报文后，AP在频域利用OFDM子载波进行响应；TDMA时隙分配和节点数据传输：AP根据各个被轮询节点的响应情况，为需要数据传输的节点分配TDMA时隙；节点收到TDMA时隙分配结果后，在对应的时隙内进行数据传输。本发明在充分考虑工业无线网络应用特点的前提下提出的，能够减少网络协议开销、提高带宽利用率和网络有效吞吐量，进而提升网络的实时性和规模。

Description

一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法
技术领域
本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法。
背景技术
无线网络技术已经开始应用于工厂自动化领域，并逐渐成为发展的热点。相对于传统的有线总线技术，无线技术具有易安装、易维护的优势，并且能够避免设备因移动导致的线缆易老化，滑环之间电力接触易失败等问题。因此在面向高速车间级的工厂自动化中，无线技术非常具有应用潜力。
无线通信中，多个终端共享信道资源引发冲突问题。为了解决这个问题，IEEE 802.11协议提出了两种方法，一种是分布式协调功能（DCF，DistributedCoordination Function）模式下的带冲突避免的载波多路访问（CSMA/CA，CarrierSense Multiple Access with Collision Avoidance）机制，另一种是点协调功能（PCF，Point Coordination Function）模式下的轮询机制。
DCF模式下的CSMA/CA机制采用随机的冲突退避算法，无法满足车间级工业无线网络对时延的确定性要求。此外，车间级工业无线网络往往要求较大的网络规模，导致大量节点竞争信道的状况更加严重。上述情况下，CSMA/CA机制在实时性和可靠性方面难以满足工业应用的需求。
PCF模式下的轮询机制保证每个节点只有在被允许的情况下才能占有信道发送数据，因此可以较大程度地冲突避免。
图1所示为PCF轮询机制下的各个节点接入信道的调度情况。其中，接入点（AP，Access Point）作为点协调者，在无竞争访问阶段(CFP，Contention-FreePeriod)内依次轮询三个节点。AP首先广播信标beacon，发布CFP阶段的相关信息；其他节点收到beacon后，等待接收AP的轮询报文；经过短帧间间隔（SIFS，Short InterFrame Space）时间后，AP向节点1发送轮询报文，节点1收到轮询报文并有数据需要发送，则在SIFS时间后发送。随后，AP向节点2发送轮询报文，站点2没有数据需要发送，则不做响应；AP在PCF帧间间隔（PIFS，PCFInterFrame Space)）内未收到节点2的响应，则向节点3发送轮询报文，站点3收到轮询报文后向AP发送其缓存中的数据。
现有轮询方法的协议开销大。工业无线网络中的报文往往较短，AP从节点获得一个报文而需发送的轮询报文占据大量带宽，导致控制报文的开销较大；特别是当节点没有数据需要发送时，轮询失败。此时，轮询机制的资源利用率虽然高，但轮询报文本身占据了大量带宽，不仅不能提高网络的有效吞吐量，而且当频繁发生轮询失败时，将导致网络的吞吐量明显下降。此外，当网络规模较大时，由于需要轮询每一个节点，整个轮询周期较长，难以满足工业应用对实时性的要求。
除了上述两种方法，能够解决多个无线通信终端共享信道资源引发的冲突问题，还有以下方法：
时分多路访问（TDMA，Time Division Multiple Access）机制因其有效避免冲突的特性，可以保证确定性的通信时延。TDMA机制除了时间同步开销外，协议自身的开销较小。然而，为了满足工业无线网络的可靠性需求，TDMA机制需要在时隙分配过程中为每个节点分配大量的重传时隙，而这些重传时隙的使用率往往较低。因此，静态分配的TDMA机制的资源利用率较低，对于较高可靠性和实时性要求的网络，网络中无法容纳较多的节点，难以满足工业应用的大规模需求。
正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）属于多载波调制技术，其原理在于将信道划分为若干个正交的子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。OFDM技术已经大量应用于无线通信中，如IEEE 802.11a/g，但现有的无线通信技术仅利用了OFDM技术物理层的数据高效传输功能，尚未利用OFDM技术来实现低开销、高带宽利用率的MAC层功能。
发明内容
针对现有方法开销较大、资源利用率低、性能无法保障等问题，本发明提出了一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法，旨在解决现有面向工业无线网络的轮询技术开销大、TDMA方法带宽利用率低、实时性和网络规模等难以保证的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法，其特征在于，包括以下步骤：
轮询初始配置：AP为新加入网络的节点分配轮询组ID和子载波ID；
OFDM频域轮询：AP发送轮询请求报文，节点收到轮询请求报文后，AP在频域利用OFDM子载波进行响应；
TDMA时隙分配和节点数据传输：AP根据各个被轮询节点的响应情况，为需要数据传输的节点分配TDMA时隙；节点收到TDMA时隙分配结果后，在对应的时隙内进行数据传输。
所述轮询初始配置的实现过程为：节点加入网络后，AP判断已有轮询组中是否存在未被分配的子载波；如果存在，则随机选择一个未被分配的子载波，并记录和标识对应的轮询组ID和子载波ID；否则，生成新的轮询组，新轮询组中的子载波均初始化为未被分配状态，新加入网络的节点在新轮询组中选择任意子载波，并记录和标识对应的轮询组ID和子载波ID。
所述轮询请求报文中搭载轮询请求标志和轮询组ID信息。
所述节点接收到轮询请求报文时，判断轮询请求报文中的轮询组ID是否与节点所属的轮询组ID相同；如果不同，表明节点不在此次轮询范围内，节点不做任何响应；否则，节点等待一个SIFS时间后，利用分配的子载波发送一个或多个符号。
所述在频域利用OFDM子载波进行响应具体为：AP通过检测各个子载波上的能量，判断子载波是否处于活跃状态，不需要还原出子载波上的原始信号，如果子载波处于活跃状态，则此子载波对应的节点有数据需要发送，AP记录对应的节点；否则，表明此子载波对应的节点没有数据需要发送，AP不做任何处理。
所述TDMA时隙分配和节点数据传输具体包括以下实现过程：
AP为记录的有数据需要发送的每个节点分配TDMA时隙，并广播时隙分配结果；
有数据需要发送的节点收到时隙分配结果后，提取出自身的时隙分配信息，并在对应的时隙内向AP发送数据。
所有有数据需要发送的节点完成数据传输后，AP将需要回复的确认报文进行聚合后广播给网络中的节点；
有数据需要发送的每个节点接收到聚合的确认报文后，提取对应于自身的确认报文，判断AP是否正确接收自身的数据。
本发明提出的一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法，是在充分考虑工业无线网络应用特点的前提下提出的，能够减少网络协议开销、提高带宽利用率和网络有效吞吐量，进而提升网络的实时性和规模。具体表现在：
1.本发明方法提出的基于OFDM频域轮询的方法一次可以并行轮询多个节点，降低了轮询的开销，提高了网络的有效吞吐量；
2.本发明方法基于频域轮询的结果设计TDMA时隙分配算法，实现了通信资源（时隙）的按需分配，提高了带宽利用率，保证了实时性和可靠性，适合应用于大规模的工业无线网络。
附图说明
图1为现有技术中PCF轮询机制的原理示意图；
图2为本发明中网络节点初始分布的示意图；
图3为本发明实施例中OFDM轮询时序示意图；
图4为本发明实施例中节点进行频域响应的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明提出的一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法，其主要思想在于：利用OFDM子载波实现频域的轮询响应，使得AP能够在一个或多个物理符号（symbol）时间内一次轮询多个站点；AP收到节点在频域的响应后，不需要精确还原各个节点在各个子载波上发送的原始数据，仅需要通过阈值/峰值检测或其他技术手段检测出子载波是否活跃；如果活跃，则表示有数据需要传输，否则表示没有数据。
本发明方法包括轮询初始配置、OFDM频域轮询、TDMA时隙分配和节点数据传输，具体包括以下步骤：
步骤（1）轮询初始配置：AP为新加入网络的节点分配相应的轮询组标识符（ID，Identifier）和子载波ID；
步骤（2）OFDM频域轮询：AP发送轮询请求报文，节点收到轮询报文后，AP在频域利用OFDM子载波进行响应；
步骤（3）TDMA时隙分配和节点数据传输：AP根据各个被轮询节点的响应情况，为需要数据传输的节点分配TDMA时隙；节点收到TDMA时隙分配结果后，在对应的时隙内进行数据传输。
所述的轮询组ID用于标识不同的轮询组。OFDM频域轮询虽然能够实现并行轮询，但并行轮询的节点数量受到OFDM子载波数量的限制。采用轮询组ID将节点进行分组，并要求节点仅响应所属轮询组的轮询报文，以避免不同组之间的轮询响应产生碰撞，从而扩大了网络规模。
所述的子载波ID用于标识节点返回轮询响应的子载波。同一轮询组内的节点使用不同的子载波ID，可以避免组内轮询响应产生碰撞。
所述的轮询请求报文搭载轮询请求标志和轮询组ID信息。
所述步骤（1）轮询初始配置，具体包括以下实现过程：
（1.1）节点加入网络后，AP判断已有轮询组中是否存在未被分配的子载波；如果存在，则随机选择一个未被分配的子载波，并记录和标识对应的轮询组ID和子载波ID；否则，执行（1.2）；
（1.2）如果已有轮询组中不存在未被分配的子载波，则生成新的轮询组，并赋予对应的轮询组ID，新轮询组中的子载波均初始化为未被分配状态；新加入网络的节点从新生成的轮询组中选择任意子载波，并记录和标识对应的轮询组ID和子载波ID。
所述步骤（2）OFDM频域轮询，具体包括以下实现过程：
（2.1）AP发送轮询请求报文，其中，轮询报文中搭载轮询请求标志和轮询组ID信息；
（2.2）节点接收到轮询请求报文时，判断轮询请求报文中的轮询组ID是否与节点所属的轮询组ID相同；如果不同，则表明节点不在此次轮询范围内，节点不做任何响应，否则执行（2.3）；
（2.3）节点等待一个SIFS时间后，利用分配的子载波发送一个或多个符号（symbol）；
（2.4）AP通过检测各个子载波上的能量，判断子载波是否处于活跃状态，不需要还原出子载波上的原始信号；如果子载波处于活跃状态，则此子载波对应的节点有数据需要发送，AP记录对应的节点；否则，表明此子载波对应的节点没有数据需要发送，AP不做任何处理。
所述步骤（3）TDMA时隙分配和节点数据传输，具体包括以下实现过程：
（3.1）AP为（2.4）中记录的每个节点分配TDMA时隙，并广播时隙分配结果；
（3.2）节点收到时隙分配结果后，提取出自身的时隙分配信息，并在对应的时隙内向AP发送数据。
（3.3）所有节点完成数据传输后，AP将需要回复的确认（ACK，ACKnowledgement）报文进行聚合后广播给网络中的节点。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。本发明方法中的实施例旨在于解释本发明，并不限定本发明的实际应用。
如图2所示为一个网络的初始分布图，在100m×100m的平面区域内随机分布有20个节点，分别编号为Ni（i∈[1,20]）；AP记为N0，位于（50，50）处。网络中的节点可以和AP直接通信，逻辑上为一个星型拓扑结构。节点利用OFDM物理层的52个子载波进行通信，其中，48个子载波可用于轮询功能。48个子载波对应的ID记为1~48。
在轮询初始配置阶段，AP为每个节点分配轮询组ID和子载波ID。假设节点按照其编号依次加入网络，则节点N1加入网络时，网络不存在轮询组。AP生成轮询组0x01，将0x01轮询组中的48个子载波标识为未被分配，并将子载波1分配给节点N1，则节点N1轮询初始化配置的结果（轮询组ID，子载波ID）为（0x01，0x01）。此时，0x01轮询组中未被分配的子载波为2~48。节点N2加入网络时，网络中已有轮询组0x01，且子载波2~48未被分配，AP选择子载波2分配给节点N2，则节点N2轮询初始化配置的结果（轮询组ID，子载波ID）为（0x01，0x02）。以此类推，鉴于本实施例中的节点数量小于子载波的数量，节点Ni(i∈[1,20])轮询初始化配置的结果（轮询组ID，子载波ID）为（0x01，i）。
下面结合图3和图4说明本实施例中的OFDM频域轮询以及TDMA时隙分配和节点数据传输。
在OFDM频域轮询阶段，假设节点Ni(i∈[1,20])都属于轮询组0x01，节点N4、N8、N13、N14和N19有数据需要发送且都需要回复ACK。本实施例执行以下过程：
AP广播轮询请求报文，且轮询请求报文中的轮询组ID为0x01；
节点收到轮询请求报文后，比较自身轮询组ID是否等于0x01。本实施例中的节点Ni(i∈[1,20])都属于轮询组0x01；但由于节点Ni(i∈[1,20])中仅节点N4、N8、N13、N14和N19有数据需要发送，因此，节点N4、N8、N13、N14和N19在收到轮询请求报文后的SIFS时间后利用自身的子载波发送1符号（symbol）数据进行响应；
AP检测到节点N4、N8、N13、N14和N19的子载波活跃，则AP已知节点N4、N8、N13、N14和N19有数据需要发送；
AP将时隙1、2、3、4和5分别分配给节点N4、N8、N13、N14和N19，并广播时隙分配的结果；
节点N4、N8、N13、N14和N19解析AP广播的时隙分配报文后，分别提取对应的时隙为1、2、3、4和5；
节点N4、N8、N13、N14和N19分别在时隙1、2、3、4和5内向AP发送数据；
AP将节点N4、N8、N13、N14和N19的所有ACK聚合后进行广播；
节点N4、N8、N13、N14和N19接收到聚合的ACK后，提取对应于自身的ACK，判断AP是否正确接收自身的数据；
此次轮询过程结束。

Claims (6)

1.一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法，其特征在于，包括以下步骤：
轮询初始配置：AP为新加入网络的节点分配轮询组ID和子载波ID；
OFDM频域轮询：AP发送轮询请求报文，节点收到轮询请求报文后，AP在频域利用OFDM子载波进行响应；
TDMA时隙分配和节点数据传输：AP根据各个被轮询节点的响应情况，为需要数据传输的节点分配TDMA时隙；节点收到TDMA时隙分配结果后，在对应的时隙内进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法，其特征在于，所述轮询初始配置的实现过程为：节点加入网络后，AP判断已有轮询组中是否存在未被分配的子载波；如果存在，则随机选择一个未被分配的子载波，并记录和标识对应的轮询组ID和子载波ID；否则，生成新的轮询组，新轮询组中的子载波均初始化为未被分配状态，新加入网络的节点在新轮询组中选择任意子载波，并记录和标识对应的轮询组ID和子载波ID。
3.根据权利要求1所述的一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法，其特征在于，所述轮询请求报文中搭载轮询请求标志和轮询组ID信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法，其特征在于，所述节点接收到轮询请求报文时，判断轮询请求报文中的轮询组ID是否与节点所属的轮询组ID相同；如果不同，表明节点不在此次轮询范围内，节点不做任何响应；否则，节点等待一个SIFS时间后，利用分配的子载波发送一个或多个符号。
5.根据权利要求1所述的一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法，其特征在于，所述在频域利用OFDM子载波进行响应具体为：AP通过检测各个子载波上的能量，判断子载波是否处于活跃状态，不需要还原出子载波上的原始信号，如果子载波处于活跃状态，则此子载波对应的节点有数据需要发送，AP记录对应的节点；否则，表明此子载波对应的节点没有数据需要发送，AP不做任何处理。
6.根据权利要求1所述的一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法，其特征在于，所述TDMA时隙分配和节点数据传输具体包括以下实现过程：
AP为记录的有数据需要发送的每个节点分配TDMA时隙，并广播时隙分配结果；
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