CN110290088A - 应用于高速工业通信系统的通信方法及装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents

应用于高速工业通信系统的通信方法及装置、计算机设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种应用于高速工业通信系统的通信方法、通信装置、计算机设备和计算机可读存储介质。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。从而，提高了对高速工业通信系统通信资源的利用效率并且提高了通信实时性，使得可以适用于对通信速率和通信容量有更高要求的场合。

Description

应用于高速工业通信系统的通信方法及装置、计算机设备和 存储介质
技术领域
本公开内容总体上涉及高速工业通信系统的技术领域，具体而言，涉及一种应用于高速工业通信系统的通信方法、通信装置、计算机设备和及计算机可读存储介质。
背景技术
在工业领域，工业总线上通常挂接多个工业设备(如测量仪表)，同时每个工业设备可以通过工业总线进行通信，如传输控制信号和数据信号，用于控制工业设备进行工业生产活动。
通常工业总线是现场总线，通过有线方式进行通信。一般采用基带传输方式进行数据传输。基带传输是一种不搬移基带信号频谱的传输方式，实际上，待传信号为基带信号，省却对载波进行调制的步骤。基带传输的传输距离较短，并行传输的数据量少，而且抗干扰性差。
传统地，本领域一般认为，工业控制总线能够处理低速数据就足够了，因为在工业控制总线上传输的通常是控制参数、以及少量的低清晰度的视频数据。但是，随着大数据的发展以及智能设备的普及，在工业总线中，需要传输的数据也越来越多，而且传输速率要求较高，同时，数据的复杂性和传输难度也大大增加。针对上述问题，基带传输已无法满足当前的数据传输需求。
需要指出的是，在上述背景技术部分介绍的内容，仅用于加强对本公开内容的技术背景的理解，并不当然代表其中的内容一定是本领域普通技术人员已知的现有技术。
发明内容
有鉴于此，本公开描述的技术方案的目的之一在于提供一种改进的、应用于高速工业通信系统的通信方法。
在第一方面，提供一种应用于高速工业通信系统的通信方法。该方法包括：接收待发送数据流；以及利用OFDM技术将所述待发送数据流调制到高速工业通信系统的物理通信资源的多个子带上，其中子带所包括的每个子载波用于承载导频数据或业务数据，并且所述导频数据在每个子带内是离散地分布的。物理通信资源在逻辑上被划分为将每个OFDM符号划分成多个子带，每个子带包括多个子载波，同时，在一个分配周期内，将所述多个OFDM符号划分为多组，并且所述导频数据在所述多组中的每个组的同位置子带内占满所有频点的子载波。
在第二方面，提供一种应用于高速工业通信系统的通信装置。该装置包括：接收单元，用于接收待发送数据流；以及发送单元，用于利用OFDM技术将所述待发送数据流调制到高速工业通信系统的物理通信资源的多个子带上，其中子带所包括的每个子载波用于承载导频数据或业务数据，并且所述导频数据在每个子带内是离散地分布的。物理通信资源在逻辑上被划分为将每个OFDM符号划分成多个子带，每个子带包括多个子载波，同时，在一个分配周期内，将所述多个OFDM符号划分为多组，并且所述导频数据在所述多组中的每个组的同位置子带内占满所有频点的子载波。
在第三方面，提供一种应用于高速工业通信系统的计算机设备，包括：通信接口；存储器，其上存储有计算机可执行指令；处理器，被配置为执行所述计算机可执行指令以执行根据前述各个方面所述的方法。
在第四方面，提供一种计算机可读存储介质,包括存储于其上的计算机可执行指令，所述可执行指令在被处理器执行时执行根据前述各个方面所述的方法。
在上述各个方面中，进一步地，物理通信资源在逻辑上可以被划分为，所述多组中的每个组中的子带间的导频数据的放置位置和分布结构是不同的或者相同的。
在上述各个方面中，进一步地，导频数据在子带内的分布可以是梳状型结构、块状型结构、或者这二者的混合结构。
在上述各个方面中，进一步地，物理通信资源在逻辑上被划分为，每组中的同位置子带被分配给高速工业通信系统的同一个用户设备。
在上述各个方面中，进一步地，每一个用户设备可以在同一组里占有多个子带。
根据本发明的各种实施方式，提高了对高速工业通信系统通信资源的利用效率并且提高了通信实时性，使得可以适用于对通信速率和通信容量有更高要求的场合。
附图说明
构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示出了本发明实施方式可以在其中实施的高速工业通信系统系统的示意图；
图2示意性示出了根据本发明一个实施方式的应用于高速工业通信系统的通信方法的流程图；
图3示意性示出了根据本发明实施方式的高速工业通信系统系统的时频资源结构示意图；
图4示意性示出了根据本发明实施方式的时频资源的分配周期的示意图；
图5示意性示出了根据本发明实施方式的时频资源的子载波的示意图；
图6示意性示出了根据本发明一种实施方式的时频资源的子带分配的示意图；
图7示意性示出了根据本发明实施方式的高速工业通信系统系统的子带划分和导频结构的示意图；
图8示意性示出了根据本发明一个实施方式的应用于高速工业通信系统的通信装置的示意图；以及
图9示意性示出了根据本发明一个实施方式的计算机设备的结构示意图。
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，在不脱离本公开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，附图和如下描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现预定的逻辑功能的可执行指令。应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也应当注意，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。此外，为了示意的方便，下述具体实施方式中的可选的步骤以虚线框的形式示出。
此外，术语“第一”、“第二”等序数词仅用于描述目的，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。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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公开中的具体含义。
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公开的不同结构。为了简化本公开的公开，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公开。此外，本公开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。
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。
以下结合附图对本公开的具体实施例进行详细说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。
图1示出了本发明实施方式可以在其中实施的高速工业通信系统系统的100的示意图。参考图1，示出了四个工业节点，即节点1、节点2、节点3和节点4，通过高速工业通信系统110相互连接。图1中示出了节点1作为数据的发送方，节点2、节点3和节点4作为数据的接收方。
节点可以是任何可能的具有通过高速工业通信系统进行通信的能力的电子设备，通常而言，这样的电子设备还具有一定的数据处理能力。例如，节点可以包括但不限于工业计算机、工业生产线控制设备、机器人、智能手机、便携式数字助理(PDA)、膝上型计算机、寻呼机、电视机、照相机、录像机、GPS设备以及工业控制场景下可能出现的其他可能的设备。
本公开的实施方式涉及数据在高速工业通信系统上的发送，其工作在OS I参考模型的物理层或者等同的层次，涉及对物理通信资源的调度、组织和通信。本公开实施方式的基本原理在于，将OFDM通信体制应用到高速工业通信系统系统中，满足对高速工业通信系统的高速数据通信的需求。
图2示意性示出了根据本发明一个实施方式的应用于高速工业通信系统的通信方法200的流程图。
在步骤S210，接收待发送数据流。该待发送数据流可以理解为来自OSI参考模型中的更高一层的数据，例如，来自网络层。
在步骤S220，利用OFDM技术将所述待发送数据流调制到高速工业通信系统的物理通信资源的多个子带上，其中子带所包括的每个子载波用于承载导频数据或业务数据，并且导频数据在每个子带内离散地分布。
根据本发明的实施方式，物理通信资源在逻辑上被划分为将每个OFDM符号划分成多个子带，每个子带包括多个子载波，同时，在一个分配周期内，将所有OFDM符号划分为多组，并且导频数据在该多组中的每个组的同位置子带内占满所有频点的子载波。
下面参考图3-图6来描述本发明的实现原理。
图3示意性示出了根据本发明实施方式的高速工业通信系统系统的时频资源结构示意图。在图3中，横向方向代表时间，纵向方向代表频率。如图所示，在横向方向上，示出了Nc个子载波，即Nc个不同的频率。时间要素和频率要素是相互正交的，将二者相交形成的一个逻辑通信资源称为一个子载波。在本文中，也将一个时间单位(时隙)上的所有子载波的组合称为一个OFDM符号。可见，一个OFDM符号包括Nc个子载波。
图4示意性示出了根据本发明实施方式的时频资源的分配周期的示意图。参考图4，一个通信资源分配周期可以包括M个组，M大于等于2。一个组包括Nu个符号，Nu大于等于1。Nu可以代表到高速工业通信系统上的用户设备的数量。
图5示意性示出了根据本发明实施方式的时频资源的子载波的示意图。参考图5，将每个符号划分成Nsb个子带，Nsb大于等于1。从而，每个子带可以包括个N1个子载波，N1＝Nc/Nsb。
根据本发明的实施方式，每组中子带为物理通信资源的逻辑最小分配单元，多个组中的每个组的同位置子带分配给同一个用户，并且，一个用户在一组里可以占用多个子带。图6示意性示出了根据本发明一种实施方式的时频资源的子带分配的示意图，其中，同一种颜色(或者填充图案格式)的子带表示分配给连接到高速工业通信系统的同一个用户设备。
根据本发明的一个实施方式，在上述视频资源的逻辑划分方式下，每个子带中可以用于放置导频的子载波的数目为N2个，N1＝N1/M。
在一个实施例中，导频数据在所述多组中的每个组的同位置子带内可以占满所有频点的子载波，也即，多个组中的每个组的同位置子带上的导频位置被配置为可以覆盖该子带包括的所有子载波。
在一个实施例中，多组中的每个组中的子带间的导频数据的放置位置和分布结构可以是不同的，也可以是相同的。
根据本发明的实施方式，导频结构可以是梳状型结构、块状型结构、混合结构或其它结构。
根据本发明的实施方式，物理通信资源在逻辑上可以被划分为，每组中的同位置子带被分配给高速工业通信系统的同一个用户设备。进一步地，每一个用户设备可以在每组中占有多个子带。
根据本发明的实施方式，在高速工业通信系统中采用OFDM通信体制，并且导频数据在一个子带内是离散地分配的。从而，能够将一个子带实时地分配给用户，具有高实时性。
下面参考图7来描述本发明的一个示例性具体实施例。
图7示意性示出了根据本发明实施方式的高速工业通信系统系统的子带划分和导频结构的示意图。在图7所示的示例中，示出了一个分配周期的逻辑资源划分的示意图。
参考图7，在横线方向(代表时间)上示出了8个OFDM符号，被分为4组，在纵向方向(代表频率)上示出了16个子载波。将每个符号划分成2个子带。从而，在图7中，一个符号包括16个子载波，一个分配周期包括4个组，一组包括2个符号，每个子带包括8个子载波。
如图7所示的示例中，物理通信资源被配置为在每个子带的2个子载波上放置导频。在图7中，浅黄色(或者填充图案格式)代表导频块，在每个子带内的导频块是离散地分布地。同一种颜色(或者填充图案格式)的子带表示分配给连接到高速工业通信系统的同一个用户设备。
如图7所示，每组包括4个子带，每组左上子带和右下子带采用块状型导频分布结构，两者的导频数据的放置位置不同；每组左下子带和右上子带采用梳状型导频分布结构，两者的导频数据的放置位置也不同。
根据本发明的实施方式，采用频域离散导频结构，即在每个子带内的导频块是离散地分布。作为对比，在采用每个子带内的导频块连续地分布(即导频块布满一个子带内的所有子载波)的频域连续导频结构下，频域连续导频的最小时间粒度为2个符号，1个符号放置导频，1个符号发送数据，这样资源利用率为50％。在图7所示的实施例中，在一个子带内，两个子载波用于承载导频，其余六个子载波用于承载数据，从而，资源利用率可以达到75％。
因此，根据本发明的实施方式，在频域连续导频的时间粒度较小时，频域离散导频结构具有更高的资源利用率。提高了对高速工业通信系统通信资源的利用效率并且提高了通信实时性，使得可以适用于对通信速率和通信容量有更高要求的场合。
图8示意性示出了根据本发明一个实施方式的应用于高速工业通信系统的通信装置800的示意图。该装置800包括：接收单元，用于接收待发送数据流，以及发送单元，用于利用OFDM技术将所述待发送数据流调制到高速工业通信系统的物理通信资源的多个子带上，其中子带所包括的每个子载波用于承载导频数据或业务数据，并且所述导频数据在每个子带内是离散地分布的。物理通信资源在逻辑上被划分为将每个OFDM符号划分成多个子带，每个子带包括多个子载波，同时，在一个分配周期内，将所述多个OFDM符号划分为多组，并且所述导频数据在所述多组中的每个组的同位置子带内占满所有频点的子载波。
图9示意性示出了根据本发明一个实施方式的计算机设备的结构示意图。图9显示的计算机设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图9所示，计算机设备12以通用计算设备的形式表现。计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。计算机设备12可以是挂接在高速工业通信系统上的设备。
总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(Industry StandardArchitecture，ISA)总线，微通道体系结构(Micro Channel Architecture，MCA)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(Video Electronics Standards Association，VESA)局域总线以及外围组件互连(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线。
计算机设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图4未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图4中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如紧凑磁盘只读存储器(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)，数字视盘(Digital Video Disc-Read Only Memory，DVD-ROM)或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。系统存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如系统存储器28中，这样的程序模块42包括——但不限于——操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(Input/Output，I/O)接口22进行。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(Local AreaNetwork，LAN)，广域网(Wide Area Network，WAN)通信。如图所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图4中未示出，可以结合计算机设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、(Redundant Arrays of Inexpensive Disks，RAID)系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明任意实施例所提供的一种实时通信方法。
在一个实施例中，提供一种计算机可读存储介质，包括存储于其上的计算机可执行指令，所述可执行指令在被处理器执行时实施根据本发明实施方式的各种操作。
根据本公开的实施方式，提供了一种具有多节点、高带宽、时间敏感的高速工业通信系统，用于过程控制和离散控制等自动化控制工业现场的实时数据和非实时数据的传输与应用，兼容ISO/IEC/IEEE 8802-3以太网、IPv6等应用。高速工业通信系统具有高带宽高实时、远距离高可靠性传输的特性，布线和安装简单，提供便利的网络维护，支持对现有线缆资产的利用。
应当理解，前述的各种示例性方法和装置可以实现在各种连接在高速工业通信系统的用户设备处，其可以利用各种方式来实现，例如，在某些实施方式中，前述各种装置可以利用软件和/或固件模块来实现，也可以利用硬件模块来实现。现在已知或者将来开发的其他方式也是可行的，本发明的范围在此方面不受限制。
特别地，除硬件实施方式之外，本发明的实施方式可以通过计算机程序产品的形式实现。例如，参考图2描述的方法200可以通过计算机程序产品来实现。该计算机程序产品可以存储在RAM、ROM、硬盘和/或任何适当的存储介质中，或者通过网络从适当的位置下载到计算机系统上。计算机程序产品可以包括计算机代码部分，其包括可由适当的处理设备执行的程序指令。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的装置和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的装置及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干模块或子模块，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块中实现。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为由多个模块来具体化。
虽然已经参考目前考虑到的实施方式描述了本发明，但是应该理解本发明不限于所公开的实施方式。相反，本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。以下权利要求的范围符合最广泛解释，以便包含所有这样的修改及等同结构和功能。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，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。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于高速工业通信系统的通信方法，包括：
接收待发送数据流；以及
利用OFDM技术将所述待发送数据流调制到高速工业通信系统的物理通信资源的多个子带上，其中子带所包括的每个子载波用于承载导频数据或业务数据，并且所述导频数据在每个子带内离散地分布，
其中，所述物理通信资源在逻辑上被划分为将每个OFDM符号划分成多个子带，每个子带包括多个子载波，同时，在一个分配周期内，将所有OFDM符号划分为多组，并且所述导频数据在所述多组中的每个组的同位置子带内占满所有频点的子载波。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物理通信资源在逻辑上被划分为，所述多组中的每个组中的子带间的导频数据的放置位置和分布结构是不同的或者相同的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，导频数据在子带内的分布是梳状型结构、块状型结构、或者这二者的混合结构。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物理通信资源在逻辑上被划分为，每组中的同位置子带被分配给高速工业通信系统的同一个用户设备。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，每一个用户设备可以在每组中占有多个子带。
6.一种应用于高速工业通信系统的通信装置，包括：
接收单元，用于接收待发送数据流；以及
发送单元，用于利用OFDM技术将所述待发送数据流调制到高速工业通信系统的物理通信资源的多个子带上，其中子带所包括的每个子载波用于承载导频数据或业务数据，并且所述导频数据在每个子带内离散地分布，
其中，所述物理通信资源在逻辑上被划分为将每个OFDM符号划分成多个子带，每个子带包括多个子载波，同时，在一个分配周期内，将所有OFDM符号划分为多组，并且所述导频数据在所述多组中的每个组的同位置子带内占满所有频点的子载波。
7.根据权利要求6所述的通信装置，其中，所述物理通信资源在逻辑上被划分为，所述多组中的每个组中的子带间的导频数据的放置位置和分布结构是不同的或者相同的，优选地，导频数据在子带内的分布是梳状型结构、块状型结构、或者这二者的混合结构。
8.根据权利要求6所述的通信装置，其中，所述物理通信资源在逻辑上被划分为，每组中的同位置子带被分配给高速工业通信系统的同一个用户设备，优选地，每一个用户设备可以在每组中占有多个子带。
9.一种应用于高速工业通信系统的计算机设备，包括：
通信接口；
存储器，其上存储有计算机可执行指令；
处理器，被配置为执行所述计算机可执行指令以执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质,包括存储于其上的计算机可执行指令，所述可执行指令在被处理器执行时执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。
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