CN103621172A - 无线网络中基于竞争的资源访问 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于采用无线时分通信结构的无线网络的无线通信设备（24），其中无线通信设备包括无线发射机（32）、无线接收机（38）和访问控制单元（30），所述访问控制单元被配置为在竞争间隔中命令无线发射机发射针对资源进行竞争的无线通信设备的优先级设置，其中所述优先级设置作为信号被发射，该信号具有代表优先级设置的频率，在竞争间隔中命令无线接收机接收其他进行竞争的无线通信设备的优先级设置作为信号，该信号具有代表这些优先级设置的频率，对所发射的优先级设置与所接收的优先级设置进行比较，以及当所发射的优先级设置高于所接收的优先级设置，则获取跟随的数据间隔。

Description

无线网络中基于竞争的资源访问

技术领域

本发明总体上涉及在无线网络中通过无线通信设备进行的资源访问。更具体地，本发明涉及一种用于通过无线通信设备、无线现场设备以及用于这种无线通信设备的计算机程序产品，进行基于竞争的资源访问的方法。

背景技术

已知无线传感器网络被用于过程控制系统。关于这种网络的示例是ZigBee和WirelessHart、ISA100、WIA-PA和蓝牙。也存在一些基于WLAN的传感器网络。

这些网络通常采用时分通信方案，其中现场设备形式的无线通信设备可以访问方案的时间间隔形式的资源以便与过程控制系统进行通信。

一些无线网络使用到现场设备的时间间隔固定分配。这要求管理资源的网络管理器或无线电资源管理器。

为了加快以及使资源的分配更灵活，使用基于竞争的访问是令人感兴趣的。在这种情况下，现场设备针对资源进行竞争，并且基于仲裁确定哪个现场设备占用或获取资源。然而，某种程度上这在无线系统中已经难以实现，因为难以实现同时发射和接收。

已经提出一些不同的方案用于在无线网络中提供基于竞争的访问，即现场设备基于与竞争的现场设备进行仲裁来访问时间间隔。

文章“无线工业通信中的最近和新兴的论题：选择”，Andreaswillig著，IEEE transactions on Industrial Informatics，第4卷第2期，第102-124页，提到了多种方法，通过这些方法可以提供基于竞争的访问。

所提到的一种方法是所有现场设备发射拥堵信号，其中所述拥堵信号的长度指示优先级。在已经发射完拥堵信号之后，现场设备切换到接收状态，并且如果拥堵信号接着被接收，就推迟发射，否则发射数据。以这种方式，确保了具有最高优先级的现场设备将访问资源。

所提到的另一种方法是令现场设备监听信道，监听的时间与这些优先级成比例，其中，高优先级涉及短的监听时间段。如果没有其它现场设备已经开始发射，那么现场设备在间隔结束时开始发射。

所提到的另一种方法是通过为每个优先位提供一个时隙的按位优先级方案。然后，现场设备将按优先级的间隔发射，其中最高优先级为第一个。只要具有较低优先级的现场设备接收来自更高优先级的现场设备的信号，则放弃。

后一种方案也在US2009/0310571中描述。

所有这些方案的问题是需要大量的时间和精力用于执行仲裁。这个时间段或多或少还取决于优先级等级的数量。因此，如果有许多不同的优先级等级，这个问题变得很严重。

因此，需要改进有关无线网络中基于竞争的资源访问。

发明内容

本发明针对提供一种改进的在无线通信网络中基于竞争的资源访问。

本发明的一个目的在于提供一种改进的方法，用于在无线网络中由无线通信设备进行基于竞争的资源访问。

根据本发明的第一方面，该目的是通过一种在采用无线时分通信结构的无线网络中由无线通信设备进行基于竞争的资源访问的方法实现的，该方法包括以下步骤：

-在竞争间隔中，发射针对资源进行竞争的无线通信设备的优先级设置，所述优先级设置作为信号正被发射，该信号具有代表优先级设置的频率，

-在竞争间隔中，接收其他进行竞争的无线通信设备的优先级设置作为信号，该信号具有代表这些优先级设置的频率，

-将所发射的优先级设置与所接收的优先级设置进行比较，以及

-如果所发射的优先级设置高于所接收的优先级设置，则获取接下来的数据间隔。

本发明的另一个目的在于提供一种无线通信设备，其中无线通信设备操作进行在无线网络中的改进的基于竞争的资源访问。

根据本发明的第二方面，该目的是通过用于无线网络的无线通信设备实现的，无线通信设备采用无线时分通信结构，该无线通信设备包括：

-无线发射机，

-无线接收机，和

-访问控制单元，其被配置为：

-在竞争间隔中，命令该无线发射机发射针对资源进行竞争的无线通信设备的优先级设置，所述优先级设置作为信号被发射，该信号具有代表优先级设置的频率，

-在竞争间隔中，命令该无线接收机接收其他进行竞争的无线通信设备的优先级设置作为信号，该信号具有代表这些优先级设置的频率，

-比较所发射的优先级设置与所接收的优先级设置，以及

-如果所发射的优先级设置高于所接收的优先级设置，则获取接下来的数据间隔。

本发明的另一个目的在于提供一种用于无线通信设备的计算机程序产品，该计算机程序产品为无线通信设备提供了一种改进的在无线网络中基于竞争的资源访问。

该目的是通过一种用于采用无线时分通信结构的无线网络的无线通信设备的计算机程序产品实现的，所述计算机程序产品包括具有计算机程序代码的数据载体，当其运行在形成无线通信设备的访问控制单元的处理器时，计算机程序代码使得访问控制单元：

-在竞争间隔中，命令无线发射机发射竞争资源的无线通信设备的优先级设置，所述优先级设置作为信号被发射，该信号具有代表优先级设置的频率，

-在竞争间隔中，命令无线接收机接收其他进行竞争的无线通信设备的优先级设置作为信号，该信号具有代表这些优先级设置的频率，

-比较所发射的优先级设置与所接收的优先级设置，以及

-如果所发射的优先级设置高于所接收的优先级设置，则获取接下来的数据间隔。

本发明具有许多优点。本发明允许低延时/延迟和具有由事件进行驱动的通信和周期性的通信相组合的确定性的无线通信。无线网络的调度不是必要的，而同时确定性和实时属性得以保持。本发明因此提供“总线”仲裁。这进而允许带宽的完全利用，因为没有重传和路由要进行预先调度。本发明还针对无线网络中使用若干个不同的优先级而言开放，这允许由可预测的事件进行驱动的实时通信。

附图说明

下文中将参照附图描述本发明。

图1示意性地示出了用于使用无线网络对过程进行控制的控制系统；

图2示意性地示出了无线网络中使用的通信结构的超帧；

图3示意性地示出了在无线网络中提供不同的优先级的载波；

图4示出了根据本发明一个实施例的现场设备的模块示意图，用于提供基于竞争的资源访问；

图5示意性地示出了由图4的现场设备所执行的多个方法步骤，用于提供基于竞争的资源访问；

图6示意性地示出了无线网络中的现场设备，其中基于竞争的资源访问与跳频相结合；以及

图7示意性地示出了承载用于实现图4的现场设备的访问的程序代码的数据载体。

具体实施方式

在下文中，将给出本发明优选实施例的详细描述。

图1示意性地示出了用于过程的控制系统10，即过程控制系统。该过程可以是工业过程，并且还可以是多个不同类型的过程其中之一，诸如纸浆和纸的生产过程，石油炼制过程，输电过程或配电过程。控制系统10例如可以是用于控制该过程的基于对象的计算机化系统。

在图1中，过程控制系统10包括多个连接到第一总线B1的操作员端子12和14。还存在第二总线B2，而且在第一和第二总线之间连接有提供对过程的控制和监视的服务器16，以及数据库18，数据库18中存储数据，如涉及对过程的控制和监视的历史数据。第二总线B2还连接至网关20，该网关进而连接到无线网络WN。无线网络WN可以是工业网络，并且也可以是无线通信网络。更具体地，其可以是无线传感器和致动器网络（WSAN），并且可以因此是工业无线传感器和致动器网络。无线网络还可以使用时分通信方案。在这一无线网络WN中，示出了三个示例性的无线现场设备形式的无线通信设备，为第一现场设备24、第二现场设备26和第三现场设备28。所述现场设备是对接至过程的设备，并且它们与网关20进行无线通信。现场设备24、26、28通常可以负责执行某种类型的过程控制活动，诸如测量过程参数，如过程的物理属性，或提供过程中的控制活动，诸如致动阀门、操作泵、开关等。现场设备的实际控制是由服务器16执行。无线网络中的通信是基于竞争的。因为这点，现场设备具有不同的优先级设置，它们使用这些优先级设置来决定对现场设备中的哪些具有与网关20进行通信的权限。作为示例，第三现场设备28在此具有第一优先级PR1，第一现场设备24具有第二优先级PR2以及第二现场设备26具有第三优先级PR3。在该示例中，所有现场设备进一步与网关20直接进行通信，网关20进而是另一无线通信装置。

在无线网络的通信结构中，现场设备与网关20进行通信。这种结构的示例在图2中示意性地示出。这种结构是上行链路或上游结构。上行链路结构包括超帧SF，所述超帧SF可以包括多个数据间隔DI1、DI2、DI3和DI4，它们通常也表示为时隙。在每个数据间隔之前，还存在竞争间隔CI。所有的间隔，竞争间隔和数据间隔，进一步为时间间隔，并且可以具有固定的长度。然而，竞争间隔通常远远短于数据间隔。因此，示例性的超帧SF在此开始于第一竞争间隔CI1，在其之后跟随第一数据间隔DI1。在第一数据间隔DI1之后跟随第二竞争间隔CI2，其后进而跟随第二数据间隔DI2。第二数据间隔DI2之后跟随第三竞争间隔CI3，其后跟随第三数据间隔DI3。最后，第四竞争间隔CI4之后跟随第四数据间隔DI4。因此可以看出，竞争和数据间隔成对按顺序地彼此跟随。还能够看出，每个竞争间隔之后还直接存在相应的数据间隔。因此，数据间隔立即跟随在相应的竞争间隔之后。时间间隔的数量在此仅仅是示例性的，并且应该认识到，可能存在更多和更少的竞争和数据间隔对。因此，上述超帧SF是上行链路超帧。还可以存在相应的下行链路或下游结构，其在此省略。如果所有下行链路通信均是通过网关的，这种下行链路超帧可能不需要包含竞争间隔，但是如果更多实体需要在下行链路中进行通信，也可以同样的方式被提供。在另一种变化形式中，不存在下行链路或上行链路超帧，但是存在具有竞争间隔和数据间隔的单个通信结构或单个帧，无线网络中的所有发射实体或所有无线通信设备采用这种结构。因此，这种结构是由现场设备和网关使用的。

图3示意性地示出了多个不同频率的正弦波的周期，用于示出如何根据本发明分配优先级的原理。具有最短周期并因此具有最高频率的第一优先级PR1，在这一示例中是最高优先级，具有较长周期并因此具有第二最高频率的第二优先级PR2是第二最高优先权。具有更长周期并因此具有第三最高频率的第三优先级PR3是第三最高优先级。最后，示出了第四优先级PR4，其具有更长的周期并因此具有第四最高频率，因此是第四最高优先级。因此，在这一示例中，较高的频率提供较高的优先级。应当认识到，作为可替换方案，最低频率具有最高优先级是可能的。优先级也可以以其它方式来提供，其中例如频率范围内的中心频率将具有最高优先级。

图4示出了第一现场设备24中与本发明相关的单元的模块示意图。第一现场设备24在此包括访问控制单元30，所述访问控制单元30连接到发射机电路32或无线发射机。发射机电路32进而连接到天线34，天线34还连接到接收机电路38或者无线接收机，进而被连接到变换单元40，所述变换单元40可以是傅立叶变换单元，诸如离散傅立叶变换器（DFT）单元。变换单元40还连接到访问控制单元30。最后，调制单元42连接到访问控制单元30，而且连接到传输缓冲器43以及发射机和接收机电路32和38。发射机和接收机电路32和38中的每一个在此包括振荡器和无线电电路，其中该振荡器可以由访问控制单元30控制。在此应当认识到，第二和第三现场设备也将具有相同或类似结构。以上提到的结构是全双工结构。然而，在此应当认识到，作为一种可替换方案，可能具有两个天线，一个用于发射，一个用于接收。作为可替换方案，相同的单元也设置在网关中。

根据第一实施例，本发明的功能现在将参考图5进行描述，图5中示出了在第一现场设备24中所执行的多个方法步骤的流程图。

在工业无线传感器和致动器网络的范围中，大量的不同种类的数据可能需要被发射，范围从过程值和致动器设置点到配置和维护信息。相比于有线现场总线，当今的工业WSAN具有有限的带宽，而且使用预定的通信方案既增加了延迟又导致对带宽的不良利用。这样的主要原因在于，预定的通信方案或多或少必须考虑最坏的情形，考虑到突发事件、配置更新等，由于有限的带宽，其在长延迟中终止，这是大规模工业设定环境中不希望或不可接受的。

现场设备24、26、28被指派不同的优先级，并且当有数据要传输到网关20时，它们将相互竞争，以便确定它们之中的哪个对于形式为数据间隔的资源具有权限。因此，具有用于传输的数据的现场设备一直等待，直到竞争时间间隔出现，并接着与具有用于传输的数据的其他进行竞争的现场设备相竞争。具有最高优先级的设备接着获得权限在跟随的数据间隔中进行发射。因此，这种确定是通过现场设备之间的仲裁完成的。没有更高的实例指派数据间隔。

在这一示例中，第一现场设备24具有第二优先级PR2，第二现场设备26具有第三优先级PR3，以及第三现场设备28具有第一优先级PR1。如果现在第一现场设备24想要在诸如在第一数据间隔DI1的数据间隔中发射数据，访问控制单元30命令发射机电路32发射现场设备针对资源进行竞争的优先级设置，在该第一实施例中进行竞争的现场设备是第一现场设备24本身。因此，在步骤44，第一现场设备24的访问控制单元30命令发射机电路32在竞争间隔中发送自身的优先级设置PS，并且竞争间隔在此为第一竞争间隔CI1。这是通过控制发射机电路32的振荡器以对应于优先级设置的频率处进行振荡来完成的。这进而使得发射机电路32的无线电电路发射具有自身优先级设置的频率的载波。因此，在此给出的示例中，发射机将为第一现场设备24发射具有第二优先级PR2的频率的载波。

在步骤46中，同时，访问控制单元30命令接收机电路38接收在竞争间隔中的其它优先级设置，即其它进行竞争的现场设备的优先级设置。这可以通过使接收机电路38的振荡器对频率范围进行扫描而进行，在该频率范围内，优先级频率可能会出现，并且在该范围内接收到的任何信号接着可以由接收机电路38所接收。如果第二和第三现场设备26和28具有它们想要发射的数据，它们将会因此以相同的方式发射具有代表其优先级设置的载波。因此，第二现场设备26将发射具有代表第三优先级PR3的频率的载波，而第三现场设备28将发射具有代表第一优先级PR1的频率的载波。有可能的是，优先级被提供在离散的频率处。在这种情况下，访问控制单元40可以使振荡器将接收机38调谐到这些离散频率。

所接收的频率是时域信号，并且还被转发到变换单元40，所述变换单元40将时域信号变换为频域信号。这些频域信号接着被提供给访问控制单元30。在此，可能的是，访问控制单元30已经可以访问自身优先级设置的频域版本，并且因此可以不需要变换该频率。

此后，在步骤48中，访问控制单元30将自身的优先级设置与所接收的优先级设置进行比较，即它将所发送和所接收的来自其他进行竞争的现场设备的优先级设置进行比较。在步骤50中，如果自身的优先级设置最高，则在步骤54中，访问控制单元30获取跟随的数据间隔。这可以通过指令调制器42将缓冲器43中的数据在通信结构的数据间隔中所使用的载波进行调制来完成，然后将该数据经由发射机电路38和发射天线34进行发射。因此，在当前示例中，这意味着如果具有优先级设置PR2的第一现场设备在第一竞争间隔CI1中具有最高的优先级，那么第一数据间隔DI1将由第一现场设备24获取，这将是如果第一现场设备24与第二现场设备26进行竞争的情况，所述第二现场设备26具有优先级设置PR3。

然而，在步骤52中，如果自身的优先级设置低于其它进行竞争的现场设备其中任何一个现场设备的优先级设置，则第一现场设备24退出，这可以通过抑制调制器42对传输缓冲器43中的任何数据进行调制，并使发射机电路32停止发射来完成。这将是如果第一现场设备24与第三现场设备28进行竞争的情况，所述第三现场设备28具有最高的优先级设置PR1。

上述的操作被按顺序地重复，用于确定哪个现场设备将被允许在第二、第三和第四数据间隔DI2、DI3和DI4中传输，并且进一步针对每个超帧SF继续进行。

以这种方式，所有的现场设备可以执行针对访问数据间隔的仲裁。在此可以看到，由于使用不同的频率，可能具有若干个优先级等级，而不增加仲裁所要求的时间。另外，由于使用不同的频率，还可能的是现场设备同时进行发射和接收。竞争间隔的大小因此可以仅由现场设备扫描频率的能力所限制。然而，通过使用若干个并行接收电路，这种限制事实上也可能并不一定是问题。

本发明的第一实施例中，所有现场设备直接与网关进行通信。然而，有可能采用跳频和多跳技术。在这种情况下，充当中继的现场设备将使用具有用于传输的数据的现场设备的优先级设置。这在图6中示出，其示出了具有与网关20进行通信的第一、第二和第三现场设备24、26和28的无线网络WN。在此，现场设备具有与第一实施例中相同的优先权设置。差异在于第一现场设备24充当第二现场设备26的中继节点。这意味着第二现场设备26经由第一现场设备24与网关20进行通信。因此，当作为第二现场设备26的中继时，第一现场设备24使用第二现场设备26的优先级设置，在此为第三优先级PR3。因此，当针对资源进行竞争并且当确定是获取数据间隔或退出时，其发射第二现场设备26的优先级设置。

本发明所要解决的主要问题是低延时/延迟和具有由事件进行驱动的通信和周期性的通信相组合的确定性的无线通信。这个问题的解决是通过使用无线媒体访问仲裁方案，而不是诸如经典的避免碰撞或碰撞检测机制的其它方法。以这种方式，数据包可以在无线媒体上得以确定优先顺序，它允许对带宽的充分利用、确定性的和合理的实时属性，同时使得能够进行由事件驱动的通信和周期性的通信

本发明具有若干另外的优点。无线网络的调度不是必要的，而同时确定性和实时属性得以保持。本发明因此在每个数据间隔而不是预先调度的数据间隔之前提供“总线”仲裁。这进而允许对带宽的完全利用，因为不需要预先调度好重传和路由。进一步地，所有现场设备可以具有在无线网络中的不同优先级，这允许可预测的由事件进行驱动的实时通信。由于消息优先次序的确定，系统在过载的情况下是合理的，因为低优先级消息将错过它们的截止期限。本发明还使得进行由事件驱动的通信而不预留带宽成为可能。还有低延时，由于节点，例如现场设备，不必等待调度的时隙。如图6中可以看到，本发明甚至还工作在网格和多跳网络中。

访问控制单元可以用分立部件的形式来实现，诸如专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）电路，其也可以包括第一现场设备的其他单元和电路。然而，访问控制单元还可以通过具有相关联的程序存储器的处理器来实现，所述程序存储器包括计算机程序代码，当所述计算机程序代码在处理器上运行时，用于执行访问控制单元的功能。该计算机程序产品可以被提供作为诸如一个或多个CDROM盘或一个或多个记忆棒的承载计算机程序代码的数据载体，当由所述处理器运行时，所述计算机程序代码提供了上述访问控制单元。图7中示意性地示出了一个形式为CD ROM盘的这种数据载体56，具有承载这种计算机程序代码的计算机程序58。

从上述讨论，明显得出本发明可以多种方式变化。如上所述，一种变化形式是由所有通信设备无线地使用的单个循环结构。这意味着网关和现场设备可以全部为在单个循环通信结构中针对网络资源进行竞争的无线通信设备，单个循环通信结构可以是循环帧结构。应当认识到，本发明仅由以下权利要求进行限制。

Claims (15)

1.一种用于由采用无线时分通信结构（SF）的无线网络（WN）中的无线通信设备（24）进行基于竞争的资源访问的方法，所述方法包括以下步骤：

-在竞争间隔（CI1）中，发射（44）针对资源进行竞争的无线通信设备（24；26）的优先级设置（PR2；PR3），所述优先级设置作为信号被发射，所述信号具有代表所述优先级设置的频率，

-在所述竞争间隔中，接收（46）其他进行竞争的无线通信设备的优先级设置作为信号，所述信号具有代表这些优先级设置（PR3；PR1）的频率，

-将所发射的优先级设置与所接收的优先级设置进行比较（48），以及

-当所述所发射的优先级设置高于所述所接收的优先级设置，则获取（54）跟随的数据间隔（DI1）。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括当任何所接收的优先级设置高于所述所发射的优先级设置，则从跟随的数据间隔退出（52）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中高频率表示高优先级。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中发射和接收的步骤同时执行。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，进一步包括将所述所接收的信号变换到频域，并在所述频域中执行所述比较。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述所发射的优先级设置是自身的优先级设置（PR2）。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述所发射的优先级设置是另一个无线通信设备（26）的所述优先级设置（PR3）。

8.一种用于采用无线时分通信结构（SF）的无线网络（WN）的无线通信设备（24），所述无线通信设备包括：

-无线发射机（32），

-无线接收机（38），以及

-访问控制单元（30），其被配置为：

-在竞争间隔（CI）中，命令所述无线发射机发射针对资源进行竞争的无线通信设备（24；26）的优先级设置（PR2；PR3），所述优先级设置作为信号被发射，所述信号具有代表所述优先级设置的频率，

-在所述竞争间隔中，命令所述无线接收机接收其他进行竞争的无线通信设备的优先级设置作为信号，所述信号具有代表这些优先级设置（PR3；PR1）的频率，

-将所述所发射的优先级设置与所述所接收的优先级设置进行比较，以及

-当所述所发射的优先级设置高于所述所接收的优先级设置，则获取跟随的数据间隔（DI1）。

9.根据权利要求8所述的无线通信设备，其中所述访问控制单元被配置为，当任何所接收的优先级设置高于所述所发射的优先级设置，则从跟随的数据间隔退出。

10.根据权利要求8或9所述的无线通信设备，其中高频率表示高优先级。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的无线通信设备（24），其中所述访问控制单元被配置为同时命令所述无线发射机发射所述优先级设置和命令所述接收机接收其他进行竞争的无线通信设备的优先级设置。

12.根据权利要求8-11中任一项所述的无线通信设备（24），进一步包括变换单元（40），其被配置为将所述所接收的具有优先级设置的信号变换到频域，并供应给所述访问控制单元，用于允许在所述频域中执行所述比较。

13.根据权利要求8-12中任一项所述的无线通信通信，其中所述所发射的优先级设置是自身的优先级设置（PR2）。

14.根据权利要求8-12中任一项所述的无线通信设备（24），其中所述所发射的优先级设置是另一个无线通信设备（26）的所述优先级设置（PR3）。

15.一种用于采用无线时分通信结构（SF）的无线网络（WN）的无线通信设备（24）的计算机程序产品，

所述计算机程序产品包括具有计算机程序代码（58）的数据载体（56），当所述计算机程序代码在形成所述无线通信设备的访问控制单元（30）的处理器中运行时，使得所述访问控制单元用以：

-在竞争间隔（CI）中，命令无线发射机（32）发射针对资源进行竞争的无线通信设备（24；26）的优先级设置（PR2；PR3），所述优先级设置作为信号被发射，所述信号具有代表所述优先级设置的频率，

-在所述竞争间隔中，命令无线接收机（38）接收其他进行竞争的无线通信设备的优先级设置作为信号，所述信号具有代表这些优先级设置（PR3；PR1）的频率，

-将所述所发射的优先级设置与所述所接收的优先级设置进行比较，以及

-当所述所发射的优先级设置高于所述所接收的优先级设置，则获取跟随的数据间隔（DI1）。

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