CN106453312A - 一种基于时隙的工业无线网络mac协议设计方法 - Google Patents

一种基于时隙的工业无线网络mac协议设计方法 Download PDF

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Abstract

一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法，涉及一种无线网络设计方法，所述方法包括将TSHAF‑MAC协议设计为双层结构，底层使用HAF‑MAC机制不变，上层加入包优化子层POL；在POL中实现高层数据包的管理方法、合并策略和确认机制；包括以下组成方案：（1）POL的缓存管理，使用“二维队列”的缓存管理方法；（2）POL的包合并策略，定义一个新的类型帧——合并帧UF，作为将多个短的数据包合并成一帧发送；（3）POL的包确认机制，由于POL对高层下来的数据包进行合并。本发明建立了无线现场总线模型，并提出了二次调度机制，对用户层的传统调度机制进行了改进使之更适应无线信道，缓解了无线技术在工业现场总线中存在的问题。

Description

一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法
技术领域
本发明涉及一种无线网络设计方法，特别是涉及一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法。
背景技术
当今，随着无线传感器网络的迅速发展，无线传感器网络被广泛地应用于社会的各个领域，而无线传感器网络的问题也日益突出。由于无线传感器网络的工作环境非常复杂，此外，无线传感器网络节点的能量有限、带宽和存储等硬件资源有限都是限制无线传感器节点是否能正常工作的因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法，该协议中的包合并机制充分考虑了工业无线网络化控制系统多短包的特点实现了包管理方法、合并策略及合并包确认机制。TSHAF-MAC协议在时隙利用率方面有了一定的提高，同时当网络负载较大时，TSHAF-MAC协议的平均延时要好。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法，所述方法包括将TSHAF-MAC协议设计为双层结构，底层使用HAF-MAC机制不变，上层加入包优化子层POL；在POL中实现高层数据包的管理方法、合并策略和确认机制；
包括以下组成方案：
（1）POL的缓存管理，使用“二维队列”的缓存管理方法，其二维分别是目的地址和优先级；在POL中定义了三维数组POL_f[p][d][i],其中p表示系统的优先级，d表示目的地址，当然也包括组播或广播，i表示队列长度；设计对应的包合并策略；
（2）POL的包合并策略，定义一个新的类型帧——合并帧UF，作为将多个短的数据包合并成一帧发送；
（3）POL的包确认机制，由于POL对高层下来的数据包进行合并，对于信息帧的确认机制就需要进行一定的改进。
所述的一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法，所述UF的尺寸是为超帧规定时隙的整数倍。
所述的一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法，所述UF的尺寸被设计成动态的，并定义了一个参数f max ，作为UF的最大尺寸上限。
所述的一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法，所述定义了UF尺寸的准下限f min ，f min 为一个时隙所能发送数据长度。
所述的一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法，所述对合并帧UF的确认机制，POL采用两种机制：一是对整个UF帧进行确认；二是对UF帧中的每一个数据包分别进行确认。
本发明的优点与效果是：
该协议中的包合并机制充分考虑了工业无线网络化控制系统多短包的特点实现了包管理方法、合并策略及合并包确认机制。TSHAF-MAC协议在时隙利用率方面有了一定的提高，同时当网络负载较大时，TSHAF-MAC协议的平均延时要好。
本发明采用了IEEE802.15.3a标准建立了无线现场总线模型，并提出了二次调度机制，该机制采用静态调度与动态优化调度相接合的调度策略。在IEEE802.15.3aMAC层之上引入了一个调度优化层，该层结合MAC层动态自适应机制和现场总线通信特点，针对变化无常的无线信道进行动态优化。同时，对用户层的传统调度机制进行了改进使之更适应无线信道特点。通过性能分析，该方案部分缓解了无线技术在工业现场总线中存在的问题。
附图说明
图1为TSHAF-MAC协议结构示意图；
图2为图2二维队列示意图；
图3为包合并的程序流程图；
图4为 POL采用的两种确认机制。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
TSHAF-MAC协议原理。从MAC层协议设计角度出发以提高时隙利用率，目前较好的思想是Lu等人提出的合并上层包的方法。本发明TSHAF-MAC（Hybrid CAP and CFP basedon Time Slot MAC，TSHAF-MAC）协议就是在HAF-MAC协议的CAP期间采用了包合并思想，并充分考虑了工业无线控制系统的具体特点实现了缓存管理方法、合并策略及合并包确认机制。TSHAF-MAC协议设计为双层结构，底层使用HAF-MAC机制不变，上层加入包优化子层POL（Packet Optimization Layer）。在POL中实现高层数据包的管理方法、合并策略和确认机制，图1 TSHAF-MAC协议结构。
由于加入了POL子层，处理上层发送的数据包会有延迟，如果没有设计出较好适合系统的缓存管理方法、合并策略和确认机制，这种包合并方法不仅不会提高整个网络的性能，反而还会加重其各项指标的下降。这也是包合并方法实现的重点和难点，也是是否有效的关键。下面将逐一描述TSHAF-MAC协议中POL是如何根据工业网络化控制系统特点设计缓存管理方法、合并策略和确认机制。
（1）POL的缓存管理
考虑到POL处理速度问题，POL采用的合并策略的基本前提是目的地址相同。为了加快合并算法的执行速度，必须定义一个有效的缓存管理方法。考虑到工业控制系统中的数据包有严格的优先级，同时一个数据包的目的地址除了可能是某个设备地址，也可能是一个组播或广播。我们使用“二维队列”的缓存管理方法，其二维分别是目的地址和优先级，如图2二维队列示意图。
为了实现“二维队列”的缓存管理方法，我们在POL中定义了三维数组POL_f[p][d][i],其中p表示系统的优先级，d表示目的地址，当然也包括组播或广播，i表示队列长度。
（2）POL的包合并策略
首先我们定义一个新的类型帧——合并帧UF(unite frame)，作为将多个短的数据包合并成一帧发送。UF的尺寸是为超帧规定时隙的整数倍。从前几章分析我们可以看到由于在工业环境中干扰很多，无线通信不很稳定，如果UF的尺寸过大，通信时受到工业环境的干扰几率也就越大，这样就会导致反复重传，整体信道利用率和平均延迟等性能指标不仅没有有效提高，反而会明显下降；另一方面发送缓冲区不一定随时有多个数据包要发，又是同一目的地，而工业控制系统中往往很多数据包要求实时性很强，要等到一个UF达到尺寸再发是不现实的，如果不管UF是否满，均按原尺寸发出，信道利用率同样会很低。因此，考虑到上述问题在POL中UF的尺寸被设计成动态的，并定义了一个参数f max ，作为UF的最大尺寸上限。同时，如果动态生成的UF尺寸过小，该方法不仅起不到应有的效果而且是画蛇添足，为此，我们又定义了UF尺寸的准下限f min ，f min 为一个时隙所能发送数据长度。
根据工业网络化控制系统数据传输的特点，对应的包合并策略如下：首先将排在最高优先级队列中的第一个数据包取出放入UF中，此时将UF的目的地址设为该数据包的目的地址，再把与放入UF中的数据包同一优先级的队列中，且同一目的地址的数据包依次取出放入UF中，直至等于UF的上限f max ，本次数据包合并完毕，发送。如果已经取完该优先级队列中与其相同目的地址的所有数据包仍未到达UF的上限f max ，则先判断UF的尺寸是否达到准下限f min 。如果达到准下限f min ，本次数据包合并完毕，发送。否则，到下一优先级队列中取与其相同目的地址的数据包，依次循环下去，直至达到准下限f min 或整个发送缓冲区已无与其相同目的地址的数据包，本次数据包合并完毕，发送。这里需要强调的是，准下限f min 是作为合并不同优先级的一个最大值，如果发送缓冲区已无与其相同目的地址的数据包时，考虑到工业网络化控制系统的实时性要求，本次合并也要结束并发送UF帧，因此UF帧有可能小于f min 。这也是起名为准下限的原因。具体程序流程图如图3包合并的程序流程图。
（3）POL的包确认机制
由于POL对高层下来的数据包进行合并，对于信息帧的确认机制就需要进行一定的改进。对合并帧UF的确认机制，POL采用两种机制：一是对整个UF帧进行确认；二是对UF帧中的每一个数据包分别进行确认。在POL中这两种混合使用，当接收到UF时，首先整帧校验，如果当整个UF帧正确，接收方发送一个对整个 UF帧进行确认的确认帧；如果整帧有错误，再分别对接收到的UF帧中的每个数据包进行校验，接收方只对正确的数据包发送确认帧，如图4POL采用的两种确认机制。

Claims (5)

1.一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法，其特征在于，所述方法包括将TSHAF-MAC协议设计为双层结构，底层使用HAF-MAC机制不变，上层加入包优化子层POL；在POL中实现高层数据包的管理方法、合并策略和确认机制；
包括以下组成方案：
（1）POL的缓存管理，使用“二维队列”的缓存管理方法，其二维分别是目的地址和优先级；在POL中定义了三维数组POL_f[p][d][i],其中p表示系统的优先级，d表示目的地址，当然也包括组播或广播，i表示队列长度；设计对应的包合并策略；
（2）POL的包合并策略，定义一个新的类型帧——合并帧UF，作为将多个短的数据包合并成一帧发送；
（3）POL的包确认机制，由于POL对高层下来的数据包进行合并，对于信息帧的确认机制就需要进行一定的改进。
2.根据权利要求1所述的一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法，其特征在于，所述UF的尺寸是为超帧规定时隙的整数倍。
3.根据权利要求2所述的一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法，其特征在于，所述UF的尺寸被设计成动态的，并定义了一个参数f max ，作为UF的最大尺寸上限。
4.根据权利要求3所述的一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法，其特征在于，所述定义了UF尺寸的准下限f min ，f min 为一个时隙所能发送数据长度。
5.根据权利要求3所述的一种基于时隙的工业无线网络MAC协议设计方法，其特征在于，所述对合并帧UF的确认机制，POL采用两种机制：一是对整个UF帧进行确认；二是对UF帧中的每一个数据包分别进行确认。
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