CN103686801B - 一种基于冗余ap的工业无线网络漫游方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法。本发明根据工厂自动化中应用空间较小但遮挡物较多的特殊环境，充分考虑工厂自动化应用需求，在单跳星型网络中加入冗余AP作为站点通信的桥梁，提出一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法、本发明方法的主要思想在于：与主AP通信失败的站点，侦听网络中的漫游控制包，采用载波多路访问竞争与冗余AP进行通信的时隙，从而能够实现单信道传输情况下以及多信道传输情况下，站点在一个超帧内直接与主AP通信或间接地通过冗余AP的热备份与主AP通信，达到高可靠、高实时性、低开销和易于实现的目标。

Description

一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法

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冗余AP的工业无线网络漫游方法。

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实时高可靠的工厂自动化领域，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，面向工厂自动化的工业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。然而，工厂自动化对无线通信系统有着更苛刻的要求：(1)高可靠性，丢包率低于10^-9；(2)高通信速率，传输速率在Mbit/s的量级；(3)高实时性，要求延迟低于10ms；(4)大规模网络，要求支持百点至千点的节点数量；(5)支持节点移动。

对应于工厂自动化无线网络的上述要求，利用IEEE 802.11标准族的物理层可以获得高通信速率，而采用时分多路访问(TDMA，Time Division MultipleAccess)通信机制以及单跳星型网络拓扑可以满足高实时性的要求。其中，单跳星型网络拓扑由一个接入点(AP，Access Point)与多个站点(Station)组成。AP负责网络的资源分配与数据传输；所有站点都在自身的TDMA传输时隙内与AP通信。现有针对工业无线网络的研究大多针对静态网络。对于静态的单跳星型网络拓扑，AP是整个网络的瓶颈。一旦AP出现故障，则网络崩溃。此外，工厂环境中有许多诸如机器人、轨道挂载设备、无人搬运车(AGV，AutomatedGuided Vehicle)等移动设备，从而要求对其监控的工业无线网络节点具有移动能力。在这种应用场合下，网络节点可能移动到与原先AP无法通信的区域，导致报文传输失败，影响工业无线网络的可靠性。解决这个问题的一种直观而有效的方法是移动节点连接新区域的AP，并与之通信，即节点实现漫游。目前针对IEEE 802.11链路层漫游技术的研究大多建立在多个独立AP的网络中，站点通过检测与AP连接的信噪比，重新选择新的AP。现有的漫游方法包括探测、验证、重新连接三个过程，站点与新的AP建立连接的延时超过100ms，无法满足工业无线网络的高实时性要求。

发明内容

针对现有静态网络中AP故障导致网络崩溃、站点移动导致通信失败、现有漫游技术延时较大的问题，本发明根据工厂自动化中应用空间较小但遮挡物较多的特殊环境，在单跳星型网络中加入冗余AP作为站点通信的桥梁，提出一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，实现实时可靠的漫游服务。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，在单信道传输情况下，包括以下步骤：

主AP作为资源分配者，为网络中所有站点和冗余AP分配TDMA时隙；所有站点和冗余AP通过ID号进行标识；

在每个超帧周期的第一个时隙，主AP周期性地广播漫游控制包，该漫游控制包的载荷部分包括站点ID、控制指令子域和发送机会TXOP子域；

收到主AP发送的漫游控制包的站点根据ID号解析控制指令，并在预先分配好的时隙内向主AP发送数据，同时保存漫游控制包中的TXOP子域的信息，以备与主AP通信失败时与冗余AP进行通信；

在超帧的TXOP阶段开始前，主AP广播否定应答报文，否定应答报文为与主AP通信失败的各个站点的ID号聚合而成，与主AP通信失败的站点在超帧的TXOP阶段内与冗余AP进行通信；

冗余AP在超帧的TXOP阶段结束后，将收集到的数据转发到主AP。

在超帧的TXOP阶段内，所述主AP通信失败的站点与冗余AP进行通信，该通信的方式为：冗余AP利用超帧的TXOP阶段的第一个时隙广播漫游控制包；收到冗余AP广播的漫游控制包的站点提取冗余AP广播的漫游控制包中的TXOP子域的信息；未收到主AP漫游控制包的站点和收到主AP的漫游控制包但与主AP通信失败的站点，采用CSMA机制竞争TXOP中的时隙，竞争成功后在超帧的TXOP阶段对应的时隙内向冗余AP发送数据。

所述漫游控制包的格式采用IEEE 802.11标准的命令包格式，包括帧控制域、序列号、源地址、ACK掩码、子控制域、目的地址和载荷。

所述与主AP通信失败为主AP在规定的首次发送时隙和重传时隙内未收到来自站点的数据，即在超帧的TXOP阶段开始前未收到否定应答报文，或否定应答报文中有站点的自身ID号。

所述否定应答报文包括帧控制域、序列号、源地址、目的地址和载荷。

一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，在多信道传输情况下，包括以下步骤：

主AP作为资源分配者，为网络中的站点和冗余AP分配TDMA时隙，所有站点和冗余AP通过ID号进行标识，并进行信道初始化设置，即选择可用信道列表中的第一个信道；

在每个超帧周期的第一个时隙，主AP利用可用信道列表中的第一个信道周期性地广播漫游控制包，该漫游控制包的载荷部分包括站点ID和控制指令子域，没有发送机会TXOP子域；

收到主AP发送的漫游控制包的站点根据ID号解析控制指令，并在预先分配好的时隙内，利用第一个信道向主AP发送数据，未收到主AP漫游控制包的站点将其射频切换到可用信道列表中的第二个信道上；

在超帧周期的第二个时隙，冗余AP利用可用信道列表中的第二个信道广播漫游控制包，该漫游控制包的载荷部分包括站点ID、控制指令子域和发送机会TXOP子域，收到冗余AP广播漫游控制包的站点提取冗余AP广播的漫游控制包中的TXOP子域的信息；

未收到主AP漫游控制包的站点，在可用信道列表中的第二个信道上采用CSMA机制竞争超帧的TXOP阶段中的时隙，竞争成功后在对应的时隙向冗余AP发送数据；

冗余AP在TXOP阶段结束后，将其射频切换到可用信道列表中的第一个信道，将收集到的数据转发到主AP。

信道列表中的其他信道用于第一个信道和第二个信道传输失败后的重传。

所述漫游控制包的格式采用IEEE 802.11标准的命令包格式，包括帧控制域、序列号、源地址、ACK掩码、子控制域、目的地址和载荷。

本发明提出的一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，是在充分考虑工厂自动化应用需求的前提下提出的，能够实现站点在一个超帧内直接与主AP通信或间接地通过冗余AP与主AP通信，达到高可靠、高实时性、低开销和易于实现的目标。具体表现在：

1.本发明通过冗余AP的热备份，解决了节点在移动过程中的盲区问题，以及由干扰引起的通信失败等问题，提高了网络的可靠性，以满足工业应用的苛刻要求；

2.本发明通过冗余AP的热备份，降低了节点在多AP间切换所需要的时间开销，实现了节点的快速漫游和切换，提高了网络的实时性；

3.本发明方法设计的漫游控制包利用已有IEEE 802.11的控制包，并搭载了漫游所需的无线通信资源信息，降低了协议开销，另一方面，本发明涵盖TDMA机制下的单信道传输和多信道传输两种情况，充分利用时隙和信道资源，实现快速漫游的同时进一步提高了网络的有效吞吐量。

附图说明

图1为本发明中基于IEEE 802.11单跳星型网络的工业无线网络拓扑示意图；

图2为本发明中冗余AP的布设示例；

图3为本发明中漫游控制包的格式；

图4为本发明中单信道漫游方法的超帧结构；

图5本发明中NACK帧格式；

图6为本发明中多信道漫游方法的超帧结构。

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。

本发明提出的一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，建立在基于IEEE802.11单跳BSS结构的星型网络拓扑结构上。图1所示的IEEE 802.11单跳BSS结构的星型网络中包含以下四种类型的设备：

(1)主控计算机：负责维护/管理用户与工业无线网络或者管理网络交互的设备；

(2)现场设备：是指安装在工业现场，连接传感器、致动器、执行器等的设备，负责采集应用数据以及控制生产过程；

(3)AP设备(冗余AP设备)：是指具备IEEE 802.11接入功能，可以充当网关或者现场设备的设备，负责将现场设备上的传感器数据转发到主控计算机或者将主控计算机的控制信号转发给现场设备上的执行器；

(4)手持设备：是指拥有主控计算机应用程序的便携式设备，负责收集网络运行状态信息，以及负责配置现场设备和AP。

其中，公共接入网由主控计算机和AP组成；星型网络由一个主AP、一个冗余AP以及若干现场设备(或者手持设备)组成，或称为一个单元网络(Cell)。图1所示的网络中，冗余AP需要妥善布设，布设原则为：既保证冗余AP与主AP之间的无遮挡通信，又保证主AP通信盲区的站点与冗余AP通信。图2所示为冗余AP的布设示意图。

本发明提出的一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，其主要思想为：与主AP通信失败的站点，侦听网络中的漫游控制包，采用载波多路访问(CSMA，Carrier Sense Multiple Access)竞争与冗余AP进行通信的时隙。

所述站点包括现场设备和手持设备。

所述一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，包括单信道传输情况下的漫游方法和多信道传输情况下的漫游方法。

下面结合附图对基于冗余AP的工业无线网络漫游方法从单信道传输和多信道传输两个方面，阐述其具体的实现过程。

所述单信道传输情况下的漫游方法具体包括以下实现过程：

(1)网络初始化：主AP作为资源分配者，为网络中所有的设备(包括站点和冗余AP设备)分配TDMA时隙，超帧结构及各时隙的功能如图4所示；各类设备通过标识符(ID，Identifier)进行标识。

(2)主AP广播漫游控制包：每个超帧周期的第一个时隙，主AP周期性地广播如图3所示的漫游控制包。该漫游控制包的格式采用IEEE 802.11标准的命令包格式，除载荷外的其他字段可以参照IEEE 802.11标准；载荷部分包括两个子域：站点的控制指令(站点ID+控制指令内容)子域以及发送机会(TXOP，Transmission Opportunity)子域。

所述TXOP由一部分预留的TDMA时隙组成，TXOP中时隙的数量由用户决定，不在本发明中限定。

(3)收到主AP漫游控制包后的处理：收到主AP漫游控制包的站点根据ID号解析控制指令，而后在预先分配好的时隙内向主AP发送数据，同时保存漫游控制包中TXOP子域的信息，以备因干扰或移动与主AP通信失败时与冗余AP进行通信；冗余AP提取TXOP子域的信息。

(4)在超帧的TXOP阶段开始前，主AP广播NACK报文，NACK报文为与主AP通信失败的各个站点(即主AP在规定的首次发送时隙和重传时隙内未收到来自站点的数据)的ID号聚合而成，NACK报文格式如图5所示。在超帧的TXOP阶段开始前未收到NACK报文，或NACK报文中有自身ID号的站点则视其与主AP通信失败，并在超帧的TXOP阶段内与冗余AP进行通信。

(5)冗余AP广播漫游控制包：冗余AP利用超帧的TXOP阶段的第一个时隙广播漫游控制包；收到冗余AP广播漫游控制包的站点提取冗余AP广播的漫游控制包中的TXOP子域的信息。

(6)冗余AP和站点的通信：未收到主AP漫游控制包的站点和收到主AP的漫游控制包但与主AP通信失败的站点，采用CSMA机制竞争超帧的TXOP阶段中的时隙，竞争成功后在对应的时隙向冗余AP发送数据。

(7)主AP与冗余AP交互数据：冗余在超帧的TXOP阶段结束后，将收集到的数据转发到主AP。

所述多信道传输情况下的漫游方法与单信道传输情况下的漫游方法的典型区别在于：主AP和冗余AP可以利用不同的信道同时传输数据。多信道传输情况下的漫游方法具体包括以下实现过程：

(1)网络初始化：主AP作为资源分配者，为网络中所有的设备(包括站点和冗余AP设备)分配TDMA时隙，超帧结构及各时隙的功能如图6所示；各类设备通过标识符(ID，Identifier)进行标识；所有设备的射频初始化为可用信道列表中的第一个信道，并在每个超帧周期开始时恢复信道初始化设置。

(2)主AP广播控制包：每个超帧周期的第一个时隙，主AP利用可用信道列表中的第一个信道周期性地广播控制包，该控制包格式在图3所示的包格式的基础上去掉了TXOP子域部分。

(3)收到主AP漫游控制包后的处理：收到主AP漫游控制包的站点根据ID号解析控制指令，并在预先分配好的时隙内，利用第一个信道向主AP发送数据；未收到主AP漫游控制包的站点将其射频切换到可用信道列表中的第二个信道上。

(4)冗余AP广播漫游控制包：在超帧周期的第二个时隙，冗余AP利用可用信道列表中的第二个信道广播漫游控制包；收到冗余AP广播漫游控制包的站点提取冗余AP广播的漫游控制包中的TXOP子域信息。

(5)冗余AP和站点的通信：未收到主AP漫游控制包的站点，在可用信道列表中的第二个信道上采用CSMA机制竞争超帧的TXOP阶段中的时隙，竞争成功后在对应的时隙向冗余AP发送数据。

(6)主AP与冗余AP交互数据：冗余AP在超帧的TXOP阶段结束后，将其射频切换到可用信道列表中的第一个信道，将收集到的数据转发到主AP。

(7)冗余信道的处理：信道列表中的其他信道用于第一个信道和第二个信道传输失败后的重传，具体为：

如果在信道列表的第二个信道上，站点未收到主AP漫游控制包，该站点将其射频切换到可用信道列表中的第三个信道上：

在超帧周期的第三个时隙，冗余AP利用可用信道列表中的第三个信道广播漫游控制包，该漫游控制包的载荷部分包括站点ID、控制指令子域和发送机会TXOP子域，收到冗余AP广播漫游控制包的站点提取冗余AP广播的漫游控制包中的TXOP子域的信息；

未收到主AP漫游控制包的站点，在可用信道列表中的第三个信道上采用CSMA机制竞争超帧的TXOP阶段中的时隙，竞争成功后在对应的时隙向冗余AP发送数据；

冗余AP在TXOP阶段结束后，将其射频切换到可用信道列表中的第一个信道，将收集到的数据转发到主AP。

依此类推。

Claims (8)

1.一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，其特征在于，在单信道传输情况下，包括以下步骤：

主AP作为资源分配者，为网络中所有站点和冗余AP分配TDMA时隙；所有站点和冗余AP通过ID号进行标识；

在每个超帧周期的第一个时隙，主AP周期性地广播漫游控制包，该漫游控制包的载荷部分包括站点ID、控制指令子域和发送机会TXOP子域；

收到主AP发送的漫游控制包的站点根据ID号解析控制指令，并在预先分配好的时隙内向主AP发送数据，同时保存漫游控制包中的TXOP子域的信息，以备与主AP通信失败时与冗余AP进行通信；

在超帧的TXOP阶段开始前，主AP广播否定应答报文，否定应答报文为与主AP通信失败的各个站点的ID号聚合而成，与主AP通信失败的站点在超帧的TXOP阶段内与冗余AP进行通信；

冗余AP在超帧的TXOP阶段结束后，将收集到的数据转发到主AP。

2.根据权利要求1所述的一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，其特征在于，在超帧的TXOP阶段内，所述主AP通信失败的站点与冗余AP进行通信，该通信的方式为：冗余AP利用超帧的TXOP阶段的第一个时隙广播漫游控制包；收到冗余AP广播的漫游控制包的站点提取冗余AP广播的漫游控制包中的TXOP子域的信息；未收到主AP漫游控制包的站点和收到主AP的漫游控制包但与主AP通信失败的站点，采用CSMA机制竞争TXOP中的时隙，竞争成功后在超帧的TXOP阶段对应的时隙内向冗余AP发送数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，其特征在于，所述漫游控制包的格式采用IEEE 802.11标准的命令包格式，包括帧控制域、序列号、源地址、ACK掩码、子控制域、目的地址和载荷。

4.根据权利要求1所述的一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，其特征在于，所述与主AP通信失败为主AP在规定的首次发送时隙和重传时隙内未收到来自站点的数据，即在超帧的TXOP阶段开始前未收到否定应答报文，或否定应答报文中有站点的自身ID号。

5.根据权利要求1所述的一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，其特征在于，所述否定应答报文包括帧控制域、序列号、源地址、目的地址和载荷。

6.一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，其特征在于，在多信道传输情况下，包括以下步骤：

主AP作为资源分配者，为网络中的站点和冗余AP分配TDMA时隙，所有站点和冗余AP通过ID号进行标识，并进行信道初始化设置，即选择可用信道列表中的第一个信道；

在每个超帧周期的第一个时隙，主AP利用可用信道列表中的第一个信道周期性地广播漫游控制包，该漫游控制包的载荷部分包括站点ID和控制指令子域，没有发送机会TXOP子域；

收到主AP发送的漫游控制包的站点根据ID号解析控制指令，并在预先分配好的时隙内，利用第一个信道向主AP发送数据，未收到主AP漫游控制包的站点将其射频切换到可用信道列表中的第二个信道上；

在超帧周期的第二个时隙，冗余AP利用可用信道列表中的第二个信道广播漫游控制包，该漫游控制包的载荷部分包括站点ID、控制指令子域和发送机会TXOP子域，收到冗余AP广播漫游控制包的站点提取冗余AP广播的漫游控制包中的TXOP子域的信息；

未收到主AP漫游控制包的站点，在可用信道列表中的第二个信道上采用CSMA机制竞争超帧的TXOP阶段中的时隙，竞争成功后在对应的时隙向冗余AP发送数据；

冗余AP在TXOP阶段结束后，将其射频切换到可用信道列表中的第一个信道，将收集到的数据转发到主AP。

7.根据权利要求6所述的一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，其特征在于，信道列表中的其他信道用于第一个信道和第二个信道传输失败后的重传。

8.根据权利要求6所述的一种基于冗余AP的工业无线网络漫游方法，其特征在于，所述漫游控制包的格式采用IEEE 802.11标准的命令包格式，包括帧控制域、序列号、源地址、ACK掩码、子控制域、目的地址和载荷。