CN110247834A - 节点设备、高速工业通信系统和通讯的方法 - Google Patents

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CN110247834A CN201910606589.2A CN201910606589A CN110247834A CN 110247834 A CN110247834 A CN 110247834A CN 201910606589 A CN201910606589 A CN 201910606589A CN 110247834 A CN110247834 A CN 110247834A
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Abstract

本发明涉及一种可连接到工业控制总线的节点设备，包括：数据发送转换模块，对待发送的数据符号流进行转换，数据发送转换模块包括：资源映射单元，可接收导频信号和待发送的数据符号流，并将待发送的数据符号流映射到相应的有效子载波；OFDM信号生成单元，按照资源映射单元得到的有效子载波，将导频信号和/或所述数据符号流生成OFDM符号。本发明还涉及一种包括该节点设备的高速工业通信系统。本发明所述高速工业通信系统主要用来解决工业现场传统总线低带宽、无法同时承载实时和非实时以及网络结构复杂的问题，高速工业通信系统可以支持IPV6地址通信，可以支持时间触发的工业控制通信，可以支持TSN，可以支持白名单、深度检测和数据加密等安全机制。

Description

节点设备、高速工业通信系统和通讯的方法
技术领域
本发明大致涉及工业控制领域，尤其涉及一种采用OFDM调制方式进行通 讯的节点设备、高速工业通信系统和通讯的方法。
背景技术
现有的工业控制总线主要分为两类，一种为CAN总线为代表的现场工业 控制总线，主要特点为采用总线型拓扑结构，即一对双绞线可以连接多个传 感器、执行器，这种网络结构安装方便简单。但这种拓扑结构由于节点之间 采用总线方式连接，节点的阻抗不容易做到完全匹配，会在通信中引入回波 多径，多径反射会使得通信信道呈现为频率选择性衰落信道，对高速数据通 信会有严重影响。现有以CAN总线为代表的现场工业控制总线，采用总线型 拓扑结构，直接使用基带信号进行数据传输，消除回波多径影响需要复杂的 均衡技术，实现较为困难，且系统中没有专门设计加扰，交织，FEC码技术 提高系统传输的可靠性，通常数据传输速率低，当传输介质为双绞线时，CAN 总线通信距离40米时，最高通信速率大约为1Mbps。另一种现场总线为实时 工业以太网，该类总线系统在物理层采用了以太网传输技术，数据传输速率 高，大约为10Mbps～100Mbps，通信机制大部分采用了CSMA/CD的方式，在单 网节点多时会引起数据拥塞，使得在单网用户节点数受限。为了减少数据拥 塞，需要引入交换机进行桥接，这样会造成网络拓扑结构复杂，且增加系统 安装费用。实时工业以太网系统，同步机制主要使用IEEE1588同步技术，使 用物理层打时间戳的方式进行同步，这种同步方式同步精度会受网络拓扑的 影响，而且发送时间戳也增加了系统额外开销，该系统传输距离短，在100Mbps 的速率下支持的传输距离约100米。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域 的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的缺陷中的一个或多个，本发明提出一种可连接到工业 控制总线的节点设备，包括：数据发送转换模块，所述数据发送转换模块配 置成对待发送的数据符号流进行转换，所述数据发送转换模块包括：
资源映射单元，所述资源映射单元配置成可接收导频信号和待发送的数 据符号流，并将导频信号和/或所述待发送的数据符号流映射到相应的有效子 载波；和
OFDM信号生成单元，所述OFDM信号生成单元配置成按照资源映射单元 得到的所述有效子载波，将导频信号和/或所述数据符号流，生成OFDM符号。
根据本发明的一个方面，所述的节点设备还包括成帧模块，所述成帧模 块与所述数据发送转换模块耦合，并配置成可接收所述OFDM符号并组装成 帧。
根据本发明的一个方面，所述数据发送转换模块还包括加扰单元、编码 交织单元和QAM调制单元，
其中所述加扰单元与所述编码交织单元耦合，并配置成接收待发送的数 据比特流，并对所述待发送的数据比特流进行加扰处理；
所述编码交织单元与所述QAM调制单元耦合，并配置成接收所述经加扰 处理的数据比特流并进行编码交织处理；
所述QAM调制单元与所述资源映射单元耦合，配置成接收所述经QAM调 制处理的数据比特流，进行QAM调制以产生所述数据符号流，并发送给所述 资源映射单元。
根据本发明的一个方面，所述的节点设备还包括解帧模块，所述解帧模 块配置成可对所述节点设备接收到的帧进行解帧操作，以获得OFDM符号。
根据本发明的一个方面，所述的节点设备还包括数据接收转换模块，所 述数据接收转换模块与所述解帧模块耦合，并配置成对所述OFDM符号进行转 换。
根据本发明的一个方面，所述数据接收转换模块包括：
OFDM信号处理单元，配置成对所述数据帧中的OFDM符号进行FFT处理， 得到频域信号；
资源解映射单元，所述资源解映射单元配置成可对经过所述频域信号进 行资源解映射处理，得到数据符号流。
根据本发明的一个方面，所述数据接收转换模块还包括：与所述资源解 映射单元顺序相连的QAM解调单元、解码和解交织单元、和解扰单元，分别 对所述数据符号流进行QAM解调处理、解码和解交织处理和解扰处理。
本发明还涉及一种高速工业通信系统，包括：
多个如上所述的节点设备；和
总线，其中所述多个节点设备连接在所述总线上，
其中所述多个节点设备配置成可通过OFDM调制方式通过所述总线进行 相互通讯。
本发明还涉及一种利用工业总线进行通讯的方法，其中多个如上所述的 节点设备连接在所述工业总线上，所述控制方法包括：当其中一个节点设备 需要发送数据时，
S501：将导频信号和/或待发送的数据符号流映射到相应的有效子载波；
S502：按照资源映射单元得到的所述有效子载波，将所述导频信号和/ 或所述待发送的数据符号流，生成OFDM符号。
根据本发明的一个方面，所述的方法还包括：
对所述待发送的数据比特流进行加扰处理；
对经加扰处理的数据比特流进行编码交织处理；
对经所述编码交织处理的数据比特流，进行QAM调制，形成数据符号流， 并发送给所述资源映射单元；
将所述OFDM符号组装成帧；和
将所述帧发送到所述总线上。
根据本发明的一个方面，所述的方法还包括：当其中另一个节点设备接 收到数据帧时：
对所述数据帧进行解帧处理，得到OFDM符号；
对所述OFDM符号进行FFT处理，得到频域信号；
对所述频域信号进行解映射处理，得到数据符号流；
对所述数据符号流分别进行QAM解调处理、解码和解交织处理、解扰处 理，得到数据比特流。
本发明采用基于OFDM调制技术，在高速率传输场景，能够有效地对抗频 率选择性衰落，并且实现方式简单成熟；同时使用时分多址技术按时间片分 配用户，提高系统的实时性；系统采用了灵活的帧结构设计，物理层采用了 FEC编码和交织，加扰技术，实现工业现场总线高速，可靠，实时长距离的 传输。本发明所述高速工业通信系统主要用来解决工业现场传统总线低带宽、 无法同时承载实时和非实时以及网络结构复杂的问题，高速工业通信系统可 以支持IPV6地址通信，可以支持时间触发的工业控制通信，可以支持TSN， 可以支持白名单、深度检测和数据加密等安全机制。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的 示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在 附图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的一种高速工业通信系统100的实例；
图2示出了根据本发明一个实施例在工业控制总线的物理层使用OFDM调 制的原理；
图3使用1个OFDM符号为资源调度的最小粒度对用户进行资源分配的示 意图；和
图4示出了根据本发明一个实施例的帧格式；
图5示出了根据本发明一个优选实施例的实现OFDM调制的方式；
图6示出了OFDM符号的结构；
图7示出了根据本发明的第二实施例的一种工业总线的控制方法；
图8示出了根据本发明的第三实施例的一种可连接到工业控制总线的节 点设备；
图9示出了信号帧的结构及OFDM符号；
图10示出了信号帧的框图；
图11示出了根据本发明一个优选实施例的节点设备；
图12示出了加扰序列；
图13示出了卷积编码子单元的工作流程；
图14示出了使用模式A和使用模式B；
图15示出了用户资源分配的方式；
图16示出了节点设备内的解帧模块和数据接收转换模块；
图17示出了两个节点设备通过总线进行通讯的信号数据处理的示意图；
图18示出了根据本发明一个实施例的一种利用工业总线进行通讯的方 法。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可 认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方 式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限 制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、 "水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位 置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化 描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的 方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、" 第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所 指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者 隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是 两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语" 安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可 拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯； 可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连 通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据 具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上" 或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不 是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特 征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅 仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方 "和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水 平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结 构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当 然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不 同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的， 其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供 了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其 他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述 的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
图1示出了根据本发明第一实施例的一种高速工业通信系统100的实例， 下面详细描述。如图1所示，高速工业通信系统100包括：总线101和多个 节点设备102和103，多个节点设备102和103连接在总线上。相对于现有 技术的高速工业通信系统，本发明第一实施例的高速工业通信系统100中， 多个节点设备通过OFDM调制方式进行相互通讯，即通过正交频分多路复用技 术来进行数据的调制，然后发送到总线101上，进行数据通讯。
本发明的改进点之一在于，例如在工业控制总线的物理层使用OFDM调制 方法，将总线的整个传输带宽B划分为N个带宽为Δf的子带，各个子载波相 互正交，从而把高速串行数据符号转换为N路并行的低速子数据符号流(子 信号)，调制到每个子载波进行传输。其方式如图2所示。其中，串行数据符 号X[0]、X[1]、…、X[N-1]经过串并变换后，形成N路并行的数据符号流， 每一路数据符号流对相应的子载波进行调制，从而调制到相应的子载波进行 并行传输，因而极大地提升了传输的效率。
根据本发明的一个优选实施例，所述多个节点设备包括控制节点102和 终端节点103，如图1所示。其中控制节点102和终端节点103的数目可以 根据需要设定、增加、或者删减，不对本发明的保护范围构成限制。另外， 多个节点设备的类型，也可以均为终端节点，而不包括控制节点。例如每个 终端节点可以带有自管理的功能，在加入高速工业通信系统100后，能够自 动与其他终端节点进行沟通，并对自身的数据发送和接收进行管理。本领域技术人员在本发明的教导下将知晓如何实现，此处不再赘述。本发明的实施 例支持总线和环形总线的拓扑结构，一个总线系统可支持多个有效节点，例 如其中一个为控制节点、其他为终端节点，在实际应用中，控制节点例如是 网络控制器等控制装置，终端节点可能是传感器，控制器等终端装置。
根据本发明的一个优选实施例，所述多个节点设备102和103通过时分 复用的方式占用所述总线101进行通讯。例如，总线101上连接有N个节点 设备，那么将总线时间分为N个时间片段Ts[0]、Ts[1]、…Ts[N-1]，每个 节点设备都分配其中一个时间片段，在该时间片段内进行数据的发送和/或接 受，在该时间片段外则保持静默，避免对正在占用总线的节点设备造成干扰。
根据本发明的一个优选实施例，所述多个节点设备按照分配的时隙发送 同步信号和控制信号，或者按照分配的时隙发送数据信号，或者按照分配的 时隙接收其他节点设备发送的数据信号。
由于OFDM系统是同步系统，本发明的实施例可以使用时分多址或时分复 用的方法调度用户和节点设备。在调度过程中，使用1个OFDM符号为资源调 度的最小粒度，对用户进行资源分配。按时间片调度用户，例如，用户1分 配第0个OFDM符号，用户2分配第1，2个OFDM符号，用户3分配第3个 OFDM符号，用户K分配第N-2，N-1个OFDM符号，如图3所示。
根据本发明的一个优选实施例，所述控制节点102配置成将资源调度信 息发送给所述至少一个终端节点103，所述资源调度信息用于指定各所述终 端节点和控制节点所使用的固定时隙。控制节点102例如可根据目前总线上 所连接的终端节点103的数目和/或每个终端节点对于资源或时隙的需求，来 动态地调整资源调度信息，以实现系统的优化。另外，当一个新的终端节点 103加入高速工业通信系统100时，例如连接到总线101，此时控制节点102 需要根据这个新的终端节点，为其分配资源调度信息，必要的话，也可能需 要调整已有的终端节点103的资源调度信息。这些都在本发明的保护范围内。
根据本发明的一个优选实施例，在所述资源调度信息中，一个固定时隙 对应一个OFDM符号资源；一个所述OFDM符号资源为资源调度的最小粒度。
根据本发明的一个优选实施例，由K个OFDM符号组成帧，进行信号传输， K可根据系统要求可配，帧格式如图4所示。
图5示出了根据本发明一个优选实施例的如何实现OFDM调制的方式。下 面详细描述。如图5所示，图1中的控制节点102和/或终端节点103中，可 以包括顺序连接的映射器、串并变换单元、IFFT单元以及并串变换单元。其 中，映射器配置成可对所述节点设备的待传输比特流进行映射，得到调制信 号；所述串并变换单元配置成可将所述调制信号拆分为预设数量的并行的调 制子信号；所述IFFT单元配置成可分别对各所述调制子信号进行IFFT变换， 得到对应的时域子信号；所述并串变换单元配置成可将所述预设数量的时域子信号合并成一个OFDM符号。
可选的，所述控制节点102和/或终端节点103还包括：导频插入单元， 配置成可在所述调制子信号中插入导频信号，以使接收方根据所述导频信号 实现信道估计和时间同步。
可选的，所述控制节点102和/或终端节点103还包括：保护间隔添加单 元，配置成可在所述OFDM符号中加入保护间隔，以消除码间干扰。
可选的，所述控制节点102和/或终端节点103还包括：加窗单元，配置 成可对所述OFDM符号进行加窗处理，以降低所述OFDM符号频谱的带外辐射。
根据本发明的实施例，在总线结构的物理层中实现了OFDM调制的信号传 输。在发射过程中，传输的bit流经过映射器形成调制信息，串并转换后加 入子载波，在频域信号中插入导频，用IFFT进行OFDM调制，串并转换后， 在信号插入保护间隔，然后加窗，生成发送信号。
在上面的实现中，IFFT模块主要完成正交多载波的调制，该模块可用 IFFT、IDFT或其它方式实现。加保护间隔模块主要作用是消除码间干扰，加 窗模块主要作用是降低信号频谱的带外辐射，插入导频模块主要用于接收机 同步及信道估计，这三个模块是可选模块，可以根据实际系统选择配置。加 保护间隔模块中，保护间隔可选为循环前缀，无信号保护间隔，或其它。插 入导频模块和串/并转换模块操作顺序可调换，并/串转换模块和加保护间隔 模块操作顺序也可以调换。
在本发明中，当保护间隔为CP时，每个OFDM符号由CP和数据体组成， 如图6所示。
根据本发明的一个优选实施例，本发明的技术方案应用于工业互联网高 速总线通信，相关参数如下：
采样率fs＝100MHz
子载波间隔
一个OFDM符号的子载波数N＝1280
IFFT点数4096
循环前缀的长度为2048点
下边带距离直流子载波的最小距离u＝64个子载波
具体的实施步骤如下：
对用户1，在第1个OFDM符号时隙：
第1步：映射、串并转换得到信息X[k](k＝0，1，...，1279)。
第2步：将X[0]～X[639]为上边带数据，X[640]～X[1279]为下边带数据。
第3步：对数组x[0]～x[4095]清0，把X[0]～X[1279]的数据放入数组 x[64]～x[1343]
第4步：对x[0]～x[4095]的数据进行IFFT，并取实部，得到y[0]～y[4095]
第5步：取y[2048]～y[4095]作为循环前缀，和数据体y[0]～y[4095]形成OFDM 符号Y[0]～Y[6143]
对用户2，在第2、3个OFDM符号时隙，重复第1步到第5步骤
以上描述了各个节点设备如何对数据进行OFDM调制并通过总线101进行 通讯的实现方式。本领域技术人员容易理解，作为通讯另一方的节点设备， 在接收到数据之后，可以通过图5所示的逆向过程来进行数据的解码和读取。 此处不再赘述。
第二实施例
本发明的第二实施例涉及一种工业总线的控制方法200。控制方法可用 于控制例如图1所示的工业总线101，其中多个节点设备102和/或103连接 在所述工业总线101上。下面参考图7详细描述该控制方法200。
如图7所示，当其中一个节点设备需要发送数据时，
在步骤S201：采用OFDM调制方式，调制待发送的数据。
关于数据的OFDM调制的实现方式，类似于上文参考图5所描述的内容， 此处不再赘述。
在步骤S202：将调制后的数据，发送到所述工业总线上。
通过OFDM方式对数据进行调制之后，将调制后的数据发送到工业总线 上，进行数据通讯。作为数据通讯另一方的另一个节点设备，在接收到数据 之后，例如通过图5所示的逆向过程来进行解码，获得数据内容。
根据本发明的一个优选实施例，所述多个节点设备包括控制节点和终端 节点；所述方法还包括：所述多个节点设备通过时分复用的方式占用所述总 线进行通讯，所述多个节点设备按照分配的时隙发送同步信号和控制信号， 或者按照分配的时隙发送数据信号，或者按照分配的时隙接收其他节点设备 发送的数据信号。
根据本发明的一个优选实施例，所述的控制方法200还包括：所述控制 节点生成资源调度信息并发送给所述至少一个终端节点，所述资源调度信息 用于指定各所述终端节点和控制节点所使用的固定时隙。
根据本发明的一个优选实施例，在所述资源调度信息中，一个固定时隙 对应一个OFDM符号资源；一个所述OFDM符号资源为资源调度的最小粒度。
根据本发明的一个优选实施例，其中所述步骤S201包括：
可对所述待发送的数据进行映射，得到调制信号；
将所述调制信号拆分为预设数量的并行的调制子信号；
分别对各所述调制子信号进行IFFT变换，得到对应的时域子信号；
将所述预设数量的时域子信号合并成一个OFDM符号。
根据本发明的一个优选实施例，所述步骤S201还包括：在所述调制子信 号中插入导频信号，以使接收方根据所述导频信号实现信道估计和时间同步。
根据本发明的一个优选实施例，所述步骤S201还包括：在所述OFDM符 号中加入保护间隔，以消除码间干扰。
根据本发明的一个优选实施例，所述步骤S201还包括：对所述OFDM符 号进行加窗处理，以降低所述OFDM符号频谱的带外辐射。
本发明的实施例提出了一种基于OFDM调制的时分复用工业总线通讯方 法。它采用OFDM为物理层调制技术和时分的多址方法，实现工业现场总线高 速，可靠，实时长距离的传输。本技术属于两线高速工业总线通信领域，用 于两线工业互联网OFDM体制的高速总线之间的通信。
第三实施例
本发明的第三实施例涉及一种可连接到工业控制总线的节点设备300， 如图8所示，下面详细描述。
如图8所示，节点设备300包括数据发送转换模块，所述数据发送转换 模块可以对待发送的数据符号流进行转换。所述数据发送转换模块包括资源 映射单元301和OFDM信号生成单元302。其中，资源映射单元301可接收导 频信号和待发送的数据符号流，并将导频信号和/或所述待发送的数据符号流 映射到相应的有效子载波。所述OFDM信号生成单元302配置成按照资源映射 单元得到的所述有效子载波，将导频信号和/或所述数据符号流，生成OFDM 符号。
本发明物理层使用OFDM调制技术，基本思想是将整个传输带宽B划分为 N个带宽为Δf的子带，各个子载波相互正交，把高速串行数据符号转换为N路 并行低速子数据符号流(子信号)，调制到每个子载波进行传输。
由于OFDM系统是同步系统，本发明使用了时分多址的方法调度用户，使 用1个OFDM符号为资源调度的最小粒度，对用户进行资源分配。
另外根据本发明的一个优选实施例，所述的节点设备300还包括成帧模 块303，所述成帧模块303与所述数据发送转换模块耦合，例如与OFDM信号 生成单元302耦合，并配置成可接收所述OFDM符号并组装成帧，进而发射到 总线上，通过总线进行数据通讯。
根据本发明的一个优选实施例，节电设备的物理层信号的基本单元是 OFDM符号，例如64个OFDM符号组成一个信号帧。其中每个OFDM符号又在 频域子载波上平均分为上边带和下边带两部分，其中高频率子载波部分 (16.896–32.256MHz)称为上边带，低频率子载波部分(1.536– 16.896MHz)称为下边带。信号帧的结构及OFDM符号如图9所示。
信号帧的框图如图10所示，信号帧可分解的元素有：帧导频信号，下行 子帧，可分配资源等，其中：帧导频信号用以识别一个信号帧的开始，具有 信号帧同步和帧头定位的功能。帧导频信号固定在每帧的第1，2个OFDM符 号的下边带部分(如图10中帧导频部分)；下行子帧用于从控制节点发往各 终端节点的数据和信息(例如图1的总线拓扑结构中)。下行子帧可包含≥2 个OFDM符号的下边带部分(如图10中下行部分)。
图11示出了根据本发明一个优选实施例的节点设备400，其中包括的资 源映射单元401、OFDM信号生成单元402和成帧模块403与图8的实施例相 同，此处不再赘述。
图11的节点设备400的数据发送转换模块还包括加扰单元404、编码交 织单元405和QAM调制单元407，其中所述加扰单元404与所述编码交织单 元405耦合，并配置成接收待发送的数据比特流，并对所述待发送的数据比 特流进行加扰处理；所述编码交织单元405与所述QAM调制单元407耦合， 并配置成接收所述经加扰处理的数据比特流并进行编码交织处理；所述QAM 调制单元407与所述资源映射单元401耦合，配置成接收所述经QAM调制处理的数据比特流，进行QAM调制以产生所述数据符号流，并发送给所述资源 映射单元。数据发送转换模块还包括导频模块406，与资源映射单元401耦 合，从而向资源映射单元401提供导频信号。
本发明设置了多种工作模式(工作模式0，1，2，3)以适用不同场景的 通信需求，为了实现简单，各种模式采用了统一的采样率。本发明的一个实 施例中，采用64个OFDM符号作为一个帧，各种模式对应的帧周期从500us 到4.0ms。短帧结构模式，对应的OFDM符号和循环cp长度短，传输时间短， 适用于短距离、通信响应时间快、实时性高的应用场景。长帧结构模式，对 应的OFDM符号和循环cp长度长，适用于距离较远、对通信响应时间、实时 性要求略低的应用场景。具体参数配置如下：
表1不同发射模式及对应参数
根据本发明的一个实施例，在高速工业通信系统中采用了加扰技术，为 了避免连续0，1出现，在编码之前，对每个传输块(待发送的数据比特流) 进行加扰。扰码序列可以任何随机码序列，这里选择的扰码序列优选为长度 为11的m序列，生成多项式为x11+x2+1，初始化相位为11111111111。扰码 序列生成器在每个码块开始重新初始化。加扰序列生成图12所示：
根据本发明的一个优选实施例，编码交织单元405包括RS编码子单元， 卷积编码子单元和交织编码子单元，如图11所示。
本发明的实施例在高速工业通信系统中采用了前向纠错编码(FEC)技术， 具体为内码为卷积码和外码为RS分组码的级联码，RS码采用原始的 RS(255,247)、RS(255,239)、RS(255,223)系统码的缩短码，原始RS码长例 如为255字节，校验字节长度例如为16或32，是基于有限域GF(256)的循环 码，其域的生成多项式为p(x)＝x8+x4+x3+x2+1。经过RS编码子单元的传输 数据按照高位比特优先发送的原则将每个字节映射为8位比特流，送入卷积码编码子单元，卷积编码子单元例如使用约束长度为7、码率为1/2的咬尾 卷积编码子单元，生成多项式为G1＝1718和G2＝1338，如图13所示。
突发干扰场景，通过交织技术使得错误均匀分布，提高突发纠错的性能。
本发明中，为了进一步改进前向纠错码的性能，同时使用了bit交织技术和 载波交织技术。在交织子单元中，把比特流以NCBIB为交织块进行分组，所有 的编码数据比特交织都在一个OFDM符号的资源块内进行。交织分为两步置 换，第一次置换确保相邻编码比特映射到不相邻的子载波，第二次置换确保 相邻的编码比特被交替映射到星座的高有效位和低有效位比特。具体交织规 则为：
第一次置换：
i＝(NCBIB/NCOL)(kmodNCOL)+floor(k/NCOL)k＝0,1,...NCBIB
其中NCBIB为交织块长度，k为第一次置换之前的编码比特序号，i为第一 次置换之后的编码比特序号；
第二次置换：
j＝s*floor(i/s)+(i+NCBIB-floor(i*NCOL/NCBIB))mods i＝0,1,...NCBIB s＝max(NBPS/2,1) 这里j为第二次置换之后的编码比特序号，NBPS一个调制符号所对应的比特位数。
对于QAM调制单元407，可采用星座映射的方式来进行调制。调制映射 器将对交织之后的bit流作为输入，产生复数调制输出符号x。调制映射方 案为QPSK、16QAM、64QAM等星座图映射方式。二进制数根据调制方式得到星 座点z，然后进行归一化得到正确的复数调制符号x。
本发明在OFDM体制的高速工业总线采用可变编码调制设计。根据不同的 传输距离、传输介质等场景和不同的需求，可以选择不同的编码调制方法， 使得系统更加灵活、适应能力强。
本发明采用QAM调制方式，有256QAM、64QAM两种调制阶数，采用RS 码、卷积码级联编码。有以下几种RS编码参数：(239,207)、(119,103)，分 别可以纠错16个、8个字节。采用(2,1,7)卷积码，通过对卷积结果的处理 可以使得卷积率分别为1/2、3/4。通过改变QAM调制方式，卷积码码率和RS 码长满足可变编码模式的需求。
由于本发明采用OFDM技术，且全网精确同步，在时域和频域都能够时分 或频分，因此能够对用户的资源进行灵活调度，对每个用户分配一定时频资 源块，各用户之间的资源时频正交，有效避免了数据拥塞，使得用户能够高 速实时传输。可分配资源最小单位为1个OFDM符号的半边带(选择使用模式 A时)或2个OFDM符号的半边带(选择使用模式B时)，在图3中所有空白 部分均为系统可分配资源，控制节点和各终端节点均可根据需求申请对应资 源并用来传输相关数据；
本发明的实施例中可能需要通过导频信息来区别和确认一个资源的起 始，因此，除了在每个信号帧的起始部分需要发送帧导频信号外，在将可分 配资源分配给控制节点或各个终端节点后，在此资源内也需要根据特定形式 插入导频信息，以便接收端能快速、准确的解码出对应信息。
可分配资源支持两种使用模式，分别称为使用模式A和使用模式B，两 种使用模式的区别在于插入导频信号的方式和数据承载结构不同，其中：
使用模式A为在单一OFDM半边带中既传输数据，又传输导频信号，其中 导频信号与数据占用的子载波数量的比例为1:8，如图14所示；
使用模式B为在申请到的可分配资源的第一个OFDM半边带中传输导频信 号，而在随后的1个至n个OFDM符号中传输数据。
使用模式A一般用作周期性循环数据传输的申请使用，在AUTBUS系统如 果采用使用模式A的工作方式，最大可支持8个用户间隔使用；同时，使用 模式A也支持多用户跨间隔资源平均分配的方式。
使用模式B既可以用作周期性循环固定速率数据传输使用，也可以用作 可变速率数据传输。
本发明应用于工业互联网高速总线通信，相关参数如下：
1.采样率fs＝100MHz
2.子载波间隔
3.一个OFDM符号的子载波数N＝1280
4.IFFT点数4096
5.循环前缀的长度为2048点
6.下边带距离直流子载波的最小距离u＝64个子载波
7.4个节点，一个CN(控制)节点，三个TN(终端)节点
8.按照图15进行用户资源分配
对每个OFDM符号具体的实施步骤如下：
第1步：对数据块进行加扰，加扰序列如图4所示加扰
第2步：对数据进行RS(255,223)编码，卷积码1/2码率进行编码
第3步：对编码后的数据按照文中介绍的交织方式进行交织
第4步：对编码后的数据进行64QAM
第5步：串并转换得到信息X[k](k＝0，1，...，1279)。
第6步：按照图14对用户传输业务信息进行资源映射
第7步：将X[0]～X[639]为上边带数据，X[640]～X[1279]为下边带数据。
第8步：对数组x[0]～x[4095]清0，把X[0]～X[1279]的数据放入数组 x[64]～x[1343]
第9步：对x[0]～x[4095]的数据进行IFFT，并取实部，得到y[0]～y[4095]
第10步：取y[2048]～y[4095]作为循环前缀，和数据体y[0]～y[4095]形成 OFDM符号Y[0]～Y[6143]
图8和图11中均示出了节点设备100和200包括数据发送转换模块，用 于对待发送的数据进行OFDM调制处理。根据本发明的一个优选实施例，节点 设备还可包括解帧模块和数据接收转换模块，用于对接收到的数据帧进行与 图8和图11所示的操作相逆的处理，以获得数据比特流。这样，一个节点设 备既可以发送数据，也可以接收数据。图16示出了节点设备内的解帧模块和 数据接收转换模块。其中，解帧模块配置成可对所述节点设备接收到的帧进 行解帧操作，以获得OFDM符号。所述数据接收转换模块与所述解帧模块耦合， 并配置成对所述OFDM符号进行转换。
如图16所示，其中所述数据接收转换模块包括：OFDM信号处理单元和 资源解映射单元，其中OFDM信号处理单元配置成对所述数据帧中的OFDM符 号进行FFT处理，得到频域信号；所述资源解映射单元配置成可对经过所述 频域信号进行资源解映射处理，得到数据符号流。
优选的，与数据发送转换模块类似，所述数据接收转换模块还包括：与 所述资源解映射单元顺序相连的QAM解调单元、解码和解交织单元、和解扰 单元，分别对所述数据符号流进行QAM解调处理、解码和解交织处理和解扰 处理，依次对数据符号流进行数据处理，得到数据比特流。
其中，解码和解交织单元包括解RS码子单元、解卷积码子单元和解交织 子单元。此处不再赘述。
图17示出了节点设备400-1与节点设备400-2通过总线进行通讯的信号 数据处理的示意图。图17中示出了节点设备400-1包括数据发送转换模块和 成帧模块，节点设备400-2包括数据接收转换模块和解帧模块。本领域技术 人员容易理解，节点设备400-1也可以包括数据接收转换模块和解帧模块， 节点设备400-2也可以包括数据发送转换模块和成帧模块，从而可以进行双 向的发送-接收操作。
本发明还涉及一种高速工业通信系统，包括：多个如上所述的节点设备 300和/或400；总线，其中所述多个节点设备连接在所述总线上，可通过OFDM 调制方式通过所述总线进行相互通讯。
本发明还涉及一种利用工业总线进行通讯的方法500，如图18所示。其 中多个如上所述的节点设备300/400连接在所述工业总线上，所述控制方法 包括：当其中一个节点设备需要发送数据时，
S501：将导频信号和/或待发送的数据符号流映射到相应的有效子载波；
S502：按照资源映射单元得到的所述有效子载波，将所述导频信号和/ 或所述待发送的数据符号流，生成OFDM符号。
根据本发明的一个优选实施例，所述的方法500，还包括：
对所述待发送的数据比特流进行加扰处理；
对经加扰处理的数据比特流进行编码交织处理；
对经所述编码交织处理的数据比特流，进行QAM调制，形成数据符号流， 并发送给所述资源映射单元；
将所述OFDM符号组装成帧；和
将所述帧发送到所述总线上。
根据本发明的一个优选实施例，所述的方法500还包括：当其中另一个 节点设备接收到数据帧时：
对所述数据帧进行解帧处理，得到OFDM符号；
对所述OFDM符号进行FFT处理，得到频域信号；
对所述频域信号进行解映射处理，得到数据符号流；
对所述数据符号流分别进行QAM解调处理、解码和解交织处理、解扰处 理，得到数据比特流。
它采用OFDM为物理层调制技术和时分的多址方法，相应帧结构设计，同 时采用了FEC编码和交织，加扰技术，实现工业现场总线高速，可靠，实时 长距离的传输。
本技术属于高速总线通信领域，用于工业互联网OFDM体制的高速总线之 间的通信。本发明的高速工业控制总线主要用来解决工业现场传统总线低带 宽、无法同时承载实时和非实时以及网络结构复杂的问题，高速工业控制总 线支持IPV6地址通信，支持时间触发的工业控制通信，支持TSN，支持白名 单、深度检测和数据加密等安全机制。
本发明的第一实施例涉及一种高速工业通信系统，第二实施例涉及一种 工业总线的控制方法，第三实施例涉及工业控制总线的节点设备。本领域技 术人员容易理解，以上三个实施例紧密相关，因此相互之间的技术特征可以 容易的相互结合和适用。利用第三实施例涉及的节点设备的特征，可以结合 到第一实施例和第二实施例中，第一和第二实施例的特征，也可以结合到第 三实施例中，这些都在本公开的范围内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施 例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的 说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技 术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。

Claims (11)

1.一种可连接到工业控制总线的节点设备，包括：数据发送转换模块，所述数据发送转换模块配置成对待发送的数据符号流进行转换，所述数据发送转换模块包括：
资源映射单元，所述资源映射单元配置成可接收导频信号和待发送的数据符号流，并将导频信号和/或所述待发送的数据符号流映射到相应的有效子载波；和
OFDM信号生成单元，所述OFDM信号生成单元配置成按照资源映射单元得到的所述有效子载波，将导频信号和/或所述数据符号流，生成OFDM符号。
2.如权利要求1所述的节点设备，还包括成帧模块，所述成帧模块与所述数据发送转换模块耦合，并配置成可接收所述OFDM符号并组装成帧。
3.如权利要求1或2所述的节点设备，其中所述数据发送转换模块还包括加扰单元、编码交织单元和QAM调制单元，
其中所述加扰单元与所述编码交织单元耦合，并配置成接收待发送的数据比特流，并对所述待发送的数据比特流进行加扰处理；
所述编码交织单元与所述QAM调制单元耦合，并配置成接收所述经加扰处理的数据比特流并进行编码交织处理；
所述QAM调制单元与所述资源映射单元耦合，配置成接收所述经QAM调制处理的数据比特流，进行QAM调制以产生所述数据符号流，并发送给所述资源映射单元。
4.如权利要求1或2所述的节点设备，还包括解帧模块，所述解帧模块配置成可对所述节点设备接收到的帧进行解帧操作，以获得OFDM符号。
5.如权利要求4所述的节点设备，还包括数据接收转换模块，所述数据接收转换模块与所述解帧模块耦合，并配置成对所述OFDM符号进行转换。
6.如权利要求5所述的节点设备，其中所述数据接收转换模块包括：
OFDM信号处理单元，配置成对所述数据帧中的OFDM符号进行FFT处理，得到频域信号；
资源解映射单元，所述资源解映射单元配置成可对经过所述频域信号进行资源解映射处理，得到数据符号流。
7.如权利要求6所述的节点设备，所述数据接收转换模块还包括：与所述资源解映射单元顺序相连的QAM解调单元、解码和解交织单元、和解扰单元，分别对所述数据符号流进行QAM解调处理、解码和解交织处理和解扰处理。
8.一种高速工业通信系统，包括：
多个如权利要求1-7中任一项所述的节点设备；和
总线，其中所述多个节点设备连接在所述总线上，
其中所述多个节点设备配置成可通过OFDM调制方式通过所述总线进行相互通讯。
9.一种利用工业总线进行通讯的方法，其中多个如权利要求1-7中任一项所述的节点设备连接在所述工业总线上，所述控制方法包括：当其中一个节点设备需要发送数据时，
S501：将导频信号和/或待发送的数据符号流映射到相应的有效子载波；
S502：按照资源映射单元得到的所述有效子载波，将所述导频信号和/或所述待发送的数据符号流，生成OFDM符号。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：
对所述待发送的数据比特流进行加扰处理；
对经加扰处理的数据比特流进行编码交织处理；
对经所述编码交织处理的数据比特流，进行QAM调制，形成数据符号流，并发送给所述资源映射单元；
将所述OFDM符号组装成帧；和
将所述帧发送到所述总线上。
11.如权利要求9或10所述的方法，还包括：当其中另一个节点设备接收到数据帧时：
对所述数据帧进行解帧处理，得到OFDM符号；
对所述OFDM符号进行FFT处理，得到频域信号；
对所述频域信号进行解映射处理，得到数据符号流；
对所述数据符号流分别进行QAM解调处理、解码和解交织处理、解扰处理，得到数据比特流。
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