CN107257310A - 基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统 - Google Patents

基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统，该实现系统基于传统工业控制系统中广泛使用的两线制数据传输网络；引入多载波正交频分复用技术，达到百兆以上高带宽；设计特殊帧结构，结合物理层资源块的静态及动态合理配置，及介质访问控制层数据业务的调度策略设计，实现传输业务与时间片的合理映射；针对工业互联网现场层宽带总线架构需要满足高性能、高可靠、高实时和高安全的要求提供了一种快速同步、实时、高速、可靠的实现方案。

Description

基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统
技术领域
本发明涉及工业互联网技术领域，尤其一种基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统。
背景技术
随着互联网技术的发展，各类总线被广泛的应用于工业现场自动化中，实现控制端对工业现场的实时监控。
目前，应用于工业现场中的总线均为采用单载波技术的总线，较为常用的有控制器局域网(Controller Area Network，CAN)、以太网总线等。其中，CAN总线传输带宽一般在五十兆以下，当应用在大型工业现场中时，CAN总线需要挂接众多工业现场设备，这些工业现场设备均需要占用传输带宽来进行与控制端之间的数据通信，但由于CAN总线的传输带宽较低，导致数据在总线中的传输速率较低，传输性能较差。而以太网总线在工业现场中应用时，需要借助以太网交换机来实现工业现场设备的接入以及数据传输，这导致网络系统的构成较为复杂，现场布线困难，并且以太网的信道分配方式采用带有冲突监测的载波侦听多路访问协议CSMA/CD，适合于突发性数据的传输，不具有实时性，故以太网总线很难适用在大型工业现场以及对传输实时性的要求较高的工业现场中。
基于此，上述采用单载波技术的总线很难满足大型工业现场中众多工业现场设备的传输性能需求。
发明内容
本申请提供一种基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统，用以解决现有技术中采用单载波技术的总线很难满足大型工业现场中众多工业现场设备的传输性能需求的问题。
本申请实施例提供的一种基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统，包括：
总线控制器、至少一个总线终端和两线制总线，总线控制器与总线终端通过两线制总线连接构成一个网络，其中，所述总线控制器与任一总线终端之间、以及各总线终端之间基于正交频分复用OFDM技术进行通信，各总线终端占用的子载波之间互不干扰；通信时所使用的信号帧的帧结构包括下行系统子帧、下行子帧、以及上行子帧；
所述总线控制器，用于在下行系统子帧上发送下行导频信号；在下行子帧上发送用于指示总线终端进行初始化配置的广播消息；在接收到总线终端在上行子帧上发送的接入请求后，基于所述接入请求中的业务信息，为所述总线终端分配信道资源块，并在下行子帧上向所述总线终端发送信道资源块的分配结果；
所述总线终端，用于基于接收的下行导频信号进行系统同步以及信道估计，并在接收到所述广播消息后，在上行子帧上发送接入请求；基于接收的所述信道资源块的分配结果，进行业务数据的发送和接收。
进一步地，所述下行系统子帧为每个信号帧中的第一个子帧；
所述总线控制器，具体用于：在通过下行子帧向总线终端发送下行信号之前，在下行系统子帧上向所述总线终端发送下行导频信号；
所述总线终端，具体用于：基于接收的所述下行导频信号，确定所述总线终端与所述总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；基于所述时钟偏差分别对接收信号以及发送信号进行时钟纠正，并基于所述符号偏差分别对接收信号以及发送信号的开窗位置进行调整；并在确定所述总线终端与所述总线控制器之间的传输时延后，对发送给所述总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，以便达到系统同步。
进一步地，所述业务信息中包含有业务类型以及业务类型对应的业务量；其中，所述总线控制器为总线终端分配的信道资源块包括上行子帧信道资源块以及下行子帧信道资源块；
所述总线控制器，具体用于：基于所述业务类型，为所述总线终端分配与所述业务类型对应的信道资源块；基于所述业务类型对应的业务量，确定分配的与所述业务类型对应的信道资源块的数量；
所述总线终端，具体用于：利用所述信道资源块的分配结果中与所述业务类型对应的上行子帧信道资源块，向所述总线控制器发送业务数据；从与所述业务类型对应的下行子帧信道资源块中获取所述总线控制器针对接收的所述业务数据所反馈的响应消息。
进一步地，所述上行子帧的每一个OFDM符号除承载有数据信号之外，还承载有上行导频信号；其中，所述上行导频信号用于指示所述总线控制器进行信道估计；
所述数据信号与所述上行导频信号占用所述上行子帧的子载波按预设比例分配。
进一步地，所述信号帧的下行子帧与上行子帧之间、以及所述信号帧的上行子帧与下一信号帧的下行系统子帧之间分别设置有保护间隔一、保护间隔二，其中，保护间隔一用于为信号帧的下行子帧与上行子帧的切换预留时间，保护间隔二用于为信号帧的上行子帧与下一信号帧的下行系统子帧的切换预留时间。
进一步地，所述信号帧中还包含上行随机接入系统子帧；
所述总线终端，还用于在上行随机接入系统子帧上向所述总线控制器发送上行导频信号以及数据信号，所述数据信号中包含接入请求；
所述总线控制器，还用于：根据所述上行导频信号进行信道估计，并根据所述接入请求为所述总线终端分配信道资源块。
进一步地，所述总线控制器利用由下行子帧和下行系统子帧所构成的第一时间片来发送数据；所述至少一个总线终端共用由上行子帧所构成的第二时间片来发送数据；
当总线终端与所述总线控制器之间进行通信时，所述总线终端通过所述下行子帧以及下行系统子帧接收数据；
当总线终端之间进行通信时，所述总线终端通过所述上行子帧接收数据。
进一步地，包含有上行随机接入系统子帧的信号帧为特殊帧，不包含上行随机接入系统子帧的信号帧为普通帧，其中，所述普通帧中各子帧的排布位置依次为下行系统子帧、下行子帧、保护间隔一、上行子帧、保护间隔二；所述特殊帧中各子帧的排布位置依次为下行系统子帧、下行子帧、保护间隔一、上行子帧、上行随机接入系统子帧、保护间隔二；
所述下行系统子帧、下行子帧、保护间隔一、保护间隔二、上行子帧、上行随机接入系统子帧中分别包含的OFDM符号的个数按需求来设定。
进一步地，所述总线控制器与任一总线终端之间、各个总线终端之间基于OFDM技术进行通信时，在所述信号帧上发送的数据中包含有目的IP地址以及源IP地址。
进一步地，所述系统中还包括备用总线控制器；在确定系统中的总线控制器工作异常时，启用所述备用总线控制器。
本申请实施例提供的基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统中，总线控制器与各总线终端之间、以及各总线终端之间能够基于正交频分复用技术(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)技术实现数据传输，各总线终端占用的子载波之间互不干扰，可以有效避免总线终端之间的通信干扰，提高了数据传输时的带宽利用率，实现了高达百兆以上的高带宽的技术效果。并且，该系统中总线控制器可在下行系统子帧上发送下行导频信号，以使总线终端基于该下行导频信号实现了系统快速同步，并且本申请中在每个信号帧中都包含承载下行导频信号的下行系统子帧，进而总线终端可根据下行导频信号进行信道估计，提高系统纠错能力，进而提高了系统的可靠性。进一步，总线控制器可在下行子帧上发送用于指示总线终端进行初始化配置的广播消息，以使总线终端完成初始化配置。进一步，总线终端可在上行子帧上发送携带有业务信息的接入请求，以便总线控制器可基于接入请求中的业务信息，为用户分配信道资源块，这种基于业务需求来分配信道资源快的方式能够使得资源分配更为合理，进而保证数据传输的实时性需求。基于此，本申请针对工业互联网现场层宽带总线架构需要满足高性能、高可靠、高实时和高安全的要求提供了一种快速同步、实时、高速、可靠的实现方案。
附图说明
图1为本申请实施例提供的基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的采用OFDM技术进行通信时使用的信号帧的帧结构的示意图；
图3为本申请实施例提供的帧结构中各子帧的OFDM符号的配置情况示意图；
图4为本申请实施例提供的基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统的工作流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本申请实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请针对工业互联网现场层宽带总线架构需要满足高性能、高可靠、高实时和高安全的要求提供了一种快速同步、实时、高速、可靠的实现方案。
下面结合说明书附图对本申请实施例作进一步详细描述。
参照图1，为本申请实施例提供的一种基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统的结构示意图。
该系统中包括总线控制器，至少一个总线终端以及两线制总线，总线控制器与总线终端通过两线制总线连接构成一个网络。其中，总线控制器与任一总线终端之间、以及各总线终端之间基于OFDM技术进行通信，各总线终端占用的子载波之间互不干扰。并且，两线制总线为一种现场层宽带总线，比如可以为一对差分式两线制总线，其采用OFDM技术传输信号。
具体地，参照图2，为本申请实施例提供的采用OFDM技术进行通信时使用的信号帧的帧结构，下面结合帧结构中各个子帧的功能，对本申请实施例所提供的系统中总线控制器以及总线终端的工作过程进行详细介绍。
信号帧的帧结构中包括下行系统子帧、下行子帧、以及上行子帧。
在系统上电之后，总线控制器与总线终端之间可首先通过信号帧中的下行系统子帧完成系统同步以及信道估计，进而通过信号帧中下行子帧和上行子帧，完成网络初始化配置以及信道资源调度。具体实施过程包括：
总线控制器，用于在下行系统子帧上发送下行导频信号；在下行子帧上发送用于指示总线终端进行初始化配置的广播消息；在接收到总线终端在上行子帧上发送的接入请求后，基于接入请求中的业务信息，为总线终端分配信道资源块，并在下行子帧上向总线终端发送信道资源块的分配结果。
总线终端，用于基于接收的下行导频信号进行系统同步以及信道估计，并在接收到广播消息后，在上行子帧上发送接入请求；基于接收的信道资源块的分配结果，进行业务数据的发送和接收。
这里，为了提高系统传输数据时的可靠性，本申请实施例中将每个信号帧的第一个子帧(也即每个下行子帧之前)添加了下行系统子帧，用于信道估计和维护系统同步。其中，系统同步包括时钟同步和符号同步。
具体实施时，总线控制器可在通过下行子帧向总线终端发送下行信号之前，在下行系统子帧上向总线终端发送下行导频信号。相应地，总线终端可基于接收的下行导频信号，确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；基于时钟偏差分别对接收信号以及发送信号进行时钟纠正，并基于符号偏差分别对接收信号以及发送信号的开窗位置进行调整；并在确定总线终端与总线控制器之间的传输时延后，对发送给所述总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，以便达到系统同步。
本申请实施例中所有总线终端以总线控制器为标准，在接收信号时和发射信号时，根据下行导频信号对接收信号和发送信号进行自适应性时钟纠正并确定开窗位置，实现与总线控制器的时钟同步和符号同步，并在发送信号根据传输时延对发送时间调整，实现了总线系统上所有设备的同步，为实现硬实时业务提供了基础保障。总线控制器在发射和接收时均不做调整。
进一步地，在系统初始状态下，总线控制器可在下行子帧上向总线终端发送用于指示总线终端进行初始化配置的广播消息，其中，该广播消息中可包含有系统初始化时各总线终端所需的参数信息。相应地，总线终端接收到该广播消息之后，可根据广播消息中包含的参数信息完成初始化配置，并在完成初始化配置之后，在上行子帧上向总线控制器发送接入请求。
这里，接入请求中携带有业务信息，该业务信息中包含有业务类型以及业务类型对应的业务量。并且，总线控制器可在下行子帧中发送携带有信道资源块的分配结果的接入确认消息。
具体实施时，总线控制器可基于接入请求中包含的业务类型，为总线终端分配与该业务类型对应的信道资源块，并基于接入请求中包含的业务类型对应的业务量，确定分配的与该业务类型对应的信道资源块的数量。其中，总线控制器为总线终端分配的信道资源块包括上行子帧信道资源块以及下行子帧信道资源块。
进一步地，总线终端可利用总线控制器下发的信道资源块的分配结果中与业务类型对应的上行子帧信道资源块，向总线控制器发送业务数据，并且，可以通过该业务类型对应的下行子帧信道资源块获取总线控制器针对接收的所述业务数据所反馈的响应消息。
其中，业务信息中业务类型包括固定速率业务以及可变速率业务，固定速率业务指传输实时性要求不高或传输需求比较稳定的数据业务，可变速率业务是指传输实时性较高或者传输需求变化较大或不确定性比较大的数据业务，上述传输需求至少包括带宽、速度。。
具体实施时，总线控制器若确定接收业务信息中业务类型为固定速率业务，则为总线终端分配用于传输固定速率业务的固定速率业务资源块，并根据固定速率业务的业务量，确定分配的固定速率业务资源块的数量。相应地，总线终端可利用信道资源块的分配结果中用于固定速率业务资源块，向总线控制器发送业务数据，并从用于固定业务速率资源块中获取总线控制器针对接收的业务数据所反馈的响应消息。
总线控制器若确定接收业务信息中业务类型为可变速率业务，则为总线终端分配用于传输可变速率业务的可变速率业务资源块，并根据可变速率业务的业务量，确定分配的可变速率业务资源块的数量。相应地，总线终端可利用信道资源块的分配结果中可变速率业务资源块，向总线控制器发送业务数据，并从可变速率业务资源块中获取总线控制器针对接收的业务数据所反馈的响应消息。
这里，在系统初始化阶段，即总线终端在请求接入总线控制器时，上报的接入请求中携带的业务类型为固定速率业务，以便总线控制器为其分配固定的固定速率业务资源块，并且在一段时间内，总线终端无需再次上报固定速率业务。进一步地，在接入成功之后，即系统中总线终端以及总线控制器稳定工作之后，若总线终端需要变更或新增可变速率业务，可通过上行子帧向总线控制器请求为变更后或新增的可变速率业务分配资源。相应地，总线控制器可基于总线终端上报的变更后或新增的可变速率业务，为其分配可变速率业务资源块。
另外，具体实施时，还可以根据每个数据业务的业务类型，以及预设的优先级与业务类型的映射关系，分别确定每个数据业务的优先级；其中，所述数据业务，包括可变速率业务和固定速率业务；
根据所述每个数据业务的优先级，在相应的预划分的资源块中，分别为每个数据业务分配资源块，并将资源块分配结果发送给所述总线终端，以使所述总线终端根据所述资源块分配结果相应地传输所述每个数据业务。
这样，总线终端可基于总线控制器为其分配的信号资源块，进行业务数据的发送与接收。并且，本申请实施例中总线控制器基于总线终端上报的业务类型来分配用于传输固定速率业务或可变速率业务的信道资源块，可满足不同总线终端的不同业务需求，保障了数据传输的实时性。
并且，为了进一步提高系统传输数据时的稳定性，本申请中信号帧的上行子帧的每一个OFDM符号除承载有数据信号之外，还承载有上行导频信号，数据信号与上行导频信号占用上行子帧的子载波可按预设比例分配预设比例可根据实际需求来设定，较佳地，可以设置为2:1。其中，该上行导频信号用于指示总线控制器进行信道估计。也就是说，总线控制器在通过上行子帧接收到总线终端发送的数据之后，可提取出上行导频信号进行信道估计，具体地，可利用上行系统子帧，计算出信道的近似冲激响应，使之尽可能地接近于真实的信道冲激响应，以便进行信道补偿。
此外，总线终端除了基于OFDM技术与总线控制器之间进行通信之外，各总线终端之间也可以直接通过总线基于OFDM技术进行通信，比如，总线终端A可以通过总线终端A自身占用的上行子帧信道资源块向总线终端B传输数据，进一步，总线终端B在获取到总线终端A传输的数据之后，也可以通过总线终端B自身占用的上行子帧信道资源块向总线终端A传输数据。
并且，本申请实施例中总线控制器利用的是由下行子帧和下行系统子帧所构成的第一时间片来发送数据，而至少一个总线终端共用由上行子帧所构成的第二时间片来发送数据。其中，当总线终端与总线控制器之间进行通信时，总线终端通过下行子帧以及下行系统子帧接收数据；当总线终端之间进行通信时，总线终端通过上行子帧接收数据。并且，当任一总线终端通过上行子帧向总线控制器发送数据时，总线控制器可以通过上行子帧接收该总线终端发送的数据。
当然，在具体实施中，总线终端之间还可以通过总线控制器中转来进行通信，即总线终端的数据发送给总线控制器，总线控制器再将数据转发给相应的总线终端，这里不再具体阐述。
(2)信号帧的帧结构中还包括保护间隔。
这里，在信号帧的下行子帧与上行子帧之间设置有保护间隔一，在信号帧的上行子帧与下一信号帧的下行系统子帧之间设置有保护间隔二。其中，保护间隔一用于为信号帧的下行子帧与上行子帧的切换预留时间，保护间隔二用于为信号帧的上行子帧与下一信号帧的下行系统子帧的切换预留时间，以避免在上下行子帧上发送以及接收数据时出现冲突。
此外，在一个实施例中，信号帧的帧结构中还可以包含上行随机接入系统子帧。在系统初始化完成，总线控制器与总线终端之间进行正常工作之后，若存在新的总线终端需加入该总线控制器，则可以利用该上行随机接入系统子帧向总线控制器发送接入请求。
具体地，新加入的总线终端可在上行随机接入系统子帧上向总线控制器发送上行导频信号以及接入请求。总线控制器，可根据上行导频信号进行信道估计，并根据接入请求为总线终端分配信道资源块。进一步，新加入的总线终端在获取到总线控制器分配的信道资源块之后，可以利用所分配的信道资源块，实现与总线控制器或其它总线终端的通信。
继续参照图2，其中，包含有上行随机接入系统子帧的信号帧为特殊帧，不包含上行随机接入系统子帧的信号帧为普通帧。
普通帧中各子帧的排布位置依次为下行系统子帧、下行子帧、保护间隔一、上行子帧、保护间隔二；
特殊帧中各子帧的排布位置依次为下行系统子帧、下行子帧、保护间隔一、上行子帧、上行随机接入系统子帧、保护间隔二。
其中，本申请中将信号帧的各子帧按照上述顺序进行排布的有益效果如下：将下行系统子帧设置为信号帧的第一个子帧，能够在系统初始化阶段，通过下行系统子帧承载的下行导频信号，快速地实现系统同步，并且，由于每个信号帧中均将下行系统子帧排布在下行子帧之前，这样在系统稳定工作之后，在总线控制器每次向总线终端发送数据之前，也通过该下行系统子帧承载的下行导频信号，进行系统同步以及信号估计，以提高数据传输的可靠性。进一步，在下行子帧以及上行子帧之间设置保护间隔一，在上行子帧以及下一信号帧的下行系统子帧之间设置保护间隔二，以避免上下行子帧切换时发送冲突，进一步提高了数据传输的可靠性。另外，将特殊帧的上行随机接入系统子帧设置在上行子帧的后边，这样新请求接入的总线终端可以在不影响已接入的总线终端正常发送上行数据的情况下，在上行随机接入系统子帧上向总线控制器发送接入请求，以避免与已接入的总线终端发送上行数据发生冲突，另外，还可以在上行随机接入系统子帧的两侧分别设置有两个接入保护间隔，同样能够避免与已接入的总线终端发送上行数据发生冲突。
较佳地，指定数量的普通帧与一个特殊帧可以构成一个超帧，其中特殊帧可位于超帧的最后一帧。该超帧可以由256个帧构成。当然，在具体实施时，普通帧和特殊帧的配置以及超帧的长度可根据具体实施场景来进行调整，本申请对此不作限定。
并且，每个信号帧包含的OFDM符号个数NSYM以及OFDM符号长度TSYM可以根据系统需求进行灵活配置。其中，信号帧中上行子帧、下行系统子帧、下行子帧、保护间隔、上行随机接入系统子帧中分别包含的OFDM符号的个数可根据实际需求来配置以及调整。
参照图3，为本申请实施例提供的帧结构中各子帧的OFDM符号的配置情况示意图。
针对普通帧来说，下行系统子帧中可包含两个OFDM符号，下行子帧中包含个OFDM符号，上行子帧中包含个OFDM符号，其中，上行子帧的每个OFDM符号可承载导频信号以及数据信号，并且导频信号以及数据信号占用上行子帧的子载波按预设比例分配。
针对特殊帧来说，下行系统子帧、下行子帧以及保护间隔中包含的OFDM符号个数与普通帧相同，而针对上行子帧，可将上行子帧中最后两个OFDM符号变更为上行随机接入系统子帧的OFDM符号，其中在上行随机接入系统子帧上传输导频信号以及数据信号时，可以共用这两个OFDM符号，且导频信号以及数据信号占用上行随机接入系统子帧的子载波可按预设比例分配预设比例可根据实际需求来设定，较佳地，可以设置为1:1。另外，在特殊帧中上行随机接入系统子帧的两侧还包含有接入保护间隔1和接入保护间隔2，其中，接入保护间隔1用于为上行子帧与上行随机接入系统子帧之间的切换预留时间，接入保护间隔2用于为上行随机接入系统子帧与下一信号帧的下行系统子帧的切换预留时间，以避免数据传输过程中出现冲突。
另外，总线控制器与任一总线终端之间、各总线终端之间基于OFDM技术进行通信时，在信号帧上发送的数据中包含有目的IP地址以及源IP地址，以实现通过互联网IP地址搜索到对应的总线终端。并且本申请中实现IP功能并不限定于IPV4/IPV6，也可基于IP地址扩展来实现。
此外，本申请实施例所述的系统中在可靠性要求高的应用场景下，也可以配置一个备用总线控制器，在确定系统中的总线控制器工作异常时，启用备用总线控制器。并且，在可靠性要求较高的应用场景下，也可以配置两个相同但独立的总线，每个用户设备可同时接入两个总线，两个总线互为备份，但同时只有一个总线工作。
下面，结合上述内容以及图2所示的本申请实施例所提供的帧结构示意图，采用一个具体的实施流程对基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统的工作流程作出进一步详细说明，具体可参照图4所示的流程图：
步骤401：当基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统上电之后，总线控制器在第一个信号帧的下行系统子帧上向总线终端发送下行导频信号。
步骤402：总线终端接收总线控制器发送的下行导频信号，并基于接收的下行导频信号，确定本地与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差。
具体实施中，总线控制器将通过下行系统子帧包含的两个2个OFDM符号承载的两个下行导频信号，发送至各个总线终端。
相应地，总线终端通过当前下行系统子帧上的两个导频信号，计算时钟偏差和符号偏差，也可以根据当前下行系统子帧上的一个或两个导频信号，和上一个信号帧的下行系统子帧上的一个或两个导频信号计算时钟偏差和符号偏差。
其中，时钟偏差可以采用以下方式计算：
对两个下行导频信号进行共轭相乘，并对两个下行导频信号的子载波之间再共轭相乘，则两者之间的差值，即为时钟偏差。
步骤403：总线终端基于时钟偏差对接收信号进行时钟纠正，并基于时钟偏差对发送信号进行时钟纠正。
这样，可以实现总线终端与总线控制器之间的时钟同步，以及总线终端与其它总线终端之间的时钟同步。
步骤404：总线终端基于符号偏差对接收信号的开窗位置进行调整，并基于符号偏差对发送信号的开窗位置进行调整。
这样，可以实现总线终端与总线控制器之间的符号同步，以及总线终端与其它各个总线终端之间的符号同步。
具体实施时，开窗位置可以是快速傅立叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)的开窗位置。总线终端可以采用基于导频相位差的符号同步算法，计算符号偏差，确定FFT的开窗位置。
在系统初始化阶段，符号同步一般采用的是粗同步，粗同步的思路是通过符号同步算法判断当前接收符号的起始位置与理想同步位置的相对关系，确定当前实际开始接收位置是在理想同步位置前还是后，并进行相应地迭代调整，以及将调整后的同步位置作为当前同步位置，接收下一个OFDM符号，重复以上步骤直至满足系统同步要求。在系统稳定运行之后，符号同步一般采用是精微同步。符号同步的粗同步完成后，符号偏差或位置偏差已在允许范围内，通过精微同步，对符号偏差和位置偏差进行进一步地的精微调整，进一步减小符号偏差以及位置偏差。
本申请实施例中，总线系统包含的各个总线终端先通过时钟偏差对接收信号和发送信号进行时钟纠正，完成总线终端与总线控制器的时钟同步。然后，再通过符号偏差找出FFT的开窗位置，实现总线终端与总线控制器的符号同步。这样，通过时钟同步和符号同步，总线终端可以在后续步骤中，正确接收到总线控制器下发的信号。
步骤405：总线控制器在第一个信号帧的下行子帧上发送广播消息。其中，该广播消息中包含有系统初始化时各总线终端所需的参数信息。
步骤406：总线终端确定正确接收到总线控制器在下行子帧上发送的广播信息时，完成初始化配置，并确定与总线控制器的时钟同步成功并且与总线控制器的符号同步成功。
步骤407：总线终端在第一个信号帧的上行子帧上向总线控制器发送接入请求。
该接入请求中携带有业务信息，包括业务类型以及该业务类型对应的业务量。具体地，在初始接入阶段，业务信息可至少包括总线终端的固定速率业务以及该固定速率业务的业务量(也即总线终端的固定速率业务传输需求)。
步骤408：总线控制器接收接入请求，并基于获取的接入请求确定传输时延。同时，基于业务信息，为总线终端分配信道资源块。
具体地，总线控制器接收到向总线终端发送的接入请求消息后，基于获取的接入请求消息的接收时间和上行子帧包含的指定个数的OFDM符号对应的发送时间，确定接入请求消息的发送时间。然后，总线终端基于接入请求消息的接收时间与接入请求消息的发送时间的差值，确定总线终端与总线控制器之间的传输时延。
具体地，总线控制器可根据总线终端的固定速率业务传输需求，在时域上将预设数量的子载波划分为用于传输固定速率业务的固定速率业务资源块和用于传输可变速率业务的可变速率业务资源块。并将划分的固定速率业务资源块，作为总线终端的固定速率业务的资源块的分配结果。
步骤409：总线控制器在第二个信号帧的下行系统子帧上继续发送下行导频信号，以便指示总线终端进行系统同步以及信道估计。
这里，总线终端进行系统同步可参见上述步骤402～步骤404。
步骤410：总线控制器在第二个信号帧的下行子帧上发送接入确认消息，该接入确认消息中包括总线控制器与总线终端之间传输时延、以及固定速率业务的资源块分配结果。
步骤411：总线终端基于固定速率业务的资源块分配结果，在第二个信号帧的上行子帧中发送的业务数据。并，基于接收的总线控制器与总线终端之间传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整。
步骤412：总线控制器在下一个信号帧的下行子帧中发送针对业务数据所反馈的响应消息。
至此，总线架构初始化完成，进入稳定运行状态。
在总线系统稳定运行时，总线控制器每次在下行子帧上发送数据之前，均会在下行系统子帧上向总线终端发送下行导频信号。相应地，总线终端每次在下行系统子帧上接收到下行导频信号后，进行系统同步以及信道估计，后续不再一一赘述。
步骤413：若总线终端需要新增可变速率业务，则可以在当前所处信号帧的上行子帧中发送的可变速率业务传输需求。
这里，上报给总线控制器的可变速率业务传输需求，也即上报给总线控制业务类型为可变速率业务以及该可变速率业务对应的业务量。
步骤414：总线控制器根据接收的可变速率业务传输需求，在划分的可变速率业务资源块中，为总线终端的可变速率业务分配资源块。
在具体实施中，若所述可变速率业务传输需求中包括多个可变速率业务，则根据每个可变速率业务的类型，以及预设的优先级与可变速率业务的类型的映射关系，分别确定每个可变速率业务的优先级。
其中，预设的优先级与可变速率业务的类型的映射关系，可以为：
先将可变速率业务按照实时性、等待时间和带宽需求，划分为3个大的优先等级，分别为实时优先级(第一优先级)、等待优先级(第二优先级)、带宽优先级(第三优先级)，再分别针对每个大的优先等级，进行划分。
其中，实时优先级中高优先级业务用于传输实时性、时延或时间抖动等要求比较严格的业务，低优先级业务用于传输实时性、时延或时间抖动等要求比较低的业务；
等待优先级中高优先级业务用于传输待传输数据等待时间长的业务，低优先级业务用于传输待传输数据等待时间短的业务；
带宽优先级业务中高优先级业务用于传输待传输数据带宽需求比较大的业务，低优先级业务用于传输待传输数据带宽需求比较小的业务。
然后，根据所述每个可变速率业务的优先级，在预划分的可变速率业务资源块中，分别为每个可变速率业务分配资源块，并将资源块分配结果发送给所述总线终端，以使所述总线终端根据所述资源块分配结果相应地传输所述每个可变速率业务。
也就是说，针对可变速率业务进行优先级的划分，在资源块上传输时，可以优先传输优先级高的可变速率业务，能够进一步提高数据业务传输的实时性。
进一步地，上述优先级的划分同样也适用于固定速率业务，在为固定速率业务分配固定速率业务资源块时，若在建立连接时，总线终端上报了多个固定速率业务，则也可以根据每个固定速率业务的类型，以及预设的优先级与固定速率业务的类型的映射关系，分别确定每个固定速率业务的优先级；以及，根据所述每个固定速率业务的优先级，在相应的预划分的固定速率业务资源块中，分别为每个固定速率业务分配资源块，并将资源块分配结果发送给所述总线终端，以使所述总线终端根据所述资源块分配结果相应地传输所述每个固定速率业务。
步骤415：总线控制器在下一个信号帧的下行子帧中向总线终端发送可变速率业务的资源块分配结果。
步骤416：总线终端基于可变速率业务的资源块分配结果，在下一信号帧的上行子帧中向总线控制器发送业务数据。
步骤417：总线控制器在下下个信号帧的下行子帧中向总线终端发送针对业务数据所反馈的响应消息。
上述为系统稳定运行时所列举出的工作流程。具体实施时，若在系统稳定运行过程中，存在新的总线终端想要请求接入总线控制器，则可在特殊帧中的上行随机接入系统子帧上向总线控制器发送上行导频信号以及接入请求。相应地，总线控制器可根据上行导频信号进行信道估计，并根据接入请求为总线终端分配信道资源块。具体过程可参照上述流程，这里不再一一赘述。
本申请实施例提供的基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统中，总线控制器与各总线终端之间、以及各总线终端之间能够基于OFDM技术实现数据传输，各总线终端占用的子载波之间互不干扰，可以有效避免总线终端之间的通信干扰，提高了数据传输时的带宽利用率，实现了高达百兆以上的高带宽的技术效果。并且，该系统中总线控制器可在下行系统子帧上发送下行导频信号，以使总线终端基于该下行导频信号实现了系统快速同步，并且本申请中在每个信号帧中都包含承载下行导频信号的下行系统子帧，进而总线终端可根据下行导频信号进行信道估计，提高系统纠错能力，进而提高了系统的可靠性。进一步，总线控制器可在下行子帧上发送用于指示总线终端进行初始化配置的广播消息，以使总线终端完成初始化配置。进一步，总线终端可在上行子帧上发送携带有业务信息的接入请求，以便总线控制器可基于接入请求中的业务信息，为用户分配信道资源块，这种基于业务需求来分配信道资源快的方式能够使得资源分配更为合理，进而保证数据传输的实时性需求。基于此，本申请针对工业互联网现场层宽带总线架构需要满足高性能、高可靠、高实时和高安全的要求提供了一种快速同步、实时、高速、可靠的实现方案。
本领域内的技术人员应明白，本申请实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请实施例是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统，其特征在于，该系统包括：总线控制器、至少一个总线终端和两线制总线，总线控制器与总线终端通过两线制总线连接构成一个网络，其中，所述总线控制器与任一总线终端之间、以及各总线终端之间基于正交频分复用OFDM技术进行通信，各总线终端占用的子载波之间互不干扰；通信时所使用的信号帧的帧结构包括下行系统子帧、下行子帧、以及上行子帧；
所述总线控制器，用于在下行系统子帧上发送下行导频信号；在下行子帧上发送用于指示总线终端进行初始化配置的广播消息；在接收到总线终端在上行子帧上发送的接入请求后，基于所述接入请求中的业务信息，为所述总线终端分配信道资源块，并在下行子帧上向所述总线终端发送信道资源块的分配结果；
所述总线终端，用于基于接收的下行导频信号进行系统同步以及信道估计，并在接收到所述广播消息后，在上行子帧上发送接入请求；基于接收的所述信道资源块的分配结果，进行业务数据的发送和接收。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述下行系统子帧为每个信号帧中的第一个子帧；
所述总线控制器，具体用于：在通过下行子帧向总线终端发送下行信号之前，在下行系统子帧上向所述总线终端发送下行导频信号；
所述总线终端，具体用于：基于接收的所述下行导频信号，确定所述总线终端与所述总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；基于所述时钟偏差分别对接收信号以及发送信号进行时钟纠正，并基于所述符号偏差分别对接收信号以及发送信号的开窗位置进行调整；并在确定所述总线终端与所述总线控制器之间的传输时延后，对发送给所述总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，以便达到系统同步。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述业务信息中包含有业务类型以及业务类型对应的业务量；其中，所述总线控制器为总线终端分配的信道资源块包括上行子帧信道资源块以及下行子帧信道资源块；
所述总线控制器，具体用于：基于所述业务类型，为所述总线终端分配与所述业务类型对应的信道资源块；基于所述业务类型对应的业务量，确定分配的与所述业务类型对应的信道资源块的数量；
所述总线终端，具体用于：利用所述信道资源块的分配结果中与所述业务类型对应的上行子帧信道资源块，向所述总线控制器发送业务数据；从与所述业务类型对应的下行子帧信道资源块中获取所述总线控制器针对接收的所述业务数据所反馈的响应消息。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上行子帧的每一个OFDM符号除承载有数据信号之外，还承载有上行导频信号；其中，所述上行导频信号用于指示所述总线控制器进行信道估计；
所述数据信号与所述上行导频信号占用所述上行子帧的子载波按预设比例分配。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述信号帧的下行子帧与上行子帧之间、以及所述信号帧的上行子帧与下一信号帧的下行系统子帧之间分别设置有保护间隔一、保护间隔二，其中，保护间隔一用于为信号帧的下行子帧与上行子帧的切换预留时间，保护间隔二用于为信号帧的上行子帧与下一信号帧的下行系统子帧的切换预留时间。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述信号帧中还包含上行随机接入系统子帧；
所述总线终端，还用于在上行随机接入系统子帧上向所述总线控制器发送上行导频信号以及数据信号，所述数据信号中包含接入请求；
所述总线控制器，还用于：根据所述上行导频信号进行信道估计，并根据所述接入请求为所述总线终端分配信道资源块。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述总线控制器利用由下行子帧和下行系统子帧所构成的第一时间片来发送数据；所述至少一个总线终端共用由上行子帧所构成的第二时间片来发送数据；
当总线终端与所述总线控制器之间进行通信时，所述总线终端通过所述下行子帧以及下行系统子帧接收数据；
当总线终端之间进行通信时，所述总线终端通过所述上行子帧接收数据。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，包含有上行随机接入系统子帧的信号帧为特殊帧，不包含上行随机接入系统子帧的信号帧为普通帧，其中，所述普通帧中各子帧的排布位置依次为下行系统子帧、下行子帧、保护间隔一、上行子帧、保护间隔二；所述特殊帧中各子帧的排布位置依次为下行系统子帧、下行子帧、保护间隔一、上行子帧、上行随机接入系统子帧、保护间隔二；
所述下行系统子帧、下行子帧、保护间隔一、保护间隔二、上行子帧、上行随机接入系统子帧中分别包含的OFDM符号的个数按需求来设定。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述总线控制器与任一总线终端之间、各个总线终端之间基于OFDM技术进行通信时，在所述信号帧上发送的数据中包含有目的IP地址以及源IP地址。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统中还包括备用总线控制器；在确定系统中的总线控制器工作异常时，启用所述备用总线控制器。
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