CN110336727A - 一种高速工业通信系统及通信方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种高速工业通信系统的通信方法,其中通信系统系统包括:控制节点和终端节点,控制节点管理通信系统,终端节点与控制节点通信连接,方法包括:利用控制节点向第一终端节点发送控制报文,以此为终端节点分配通信资源,其中通信资源包括时间片资源、频率段资源和网内地址资源;利用终端节点,根据终端节点分配到的通信资源发送数据报文。本发明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

一种高速工业通信系统及通信方法
技术领域
本申请属于通信领域,特别涉及一种高速工业通信系统及通信方法
背景技术
现有的工业控制通信系统,通常采用总线型或环形总线型拓扑结构,主要特点为,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,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。因此现有这类型总线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。
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。
在一般的高速工业通信系统中的通信格式大多为半双工的通信方式。本申请的发明人发现,在现有的工业总线中,存在信息的冲突问题,影响了数据的发送效率。
发明内容
本申请的一个实施例提供了一种高速工业通信系统的通信方法,其中所述通信系统包括:控制节点和第一终端节点,所述控制节点管理所述通信系统,所述第一终端节点与所述控制节点通信连接,所述方法包括:利用所述控制节点向所述第一终端节点发送控制报文,以为所述第一终端节点分配通信资源,其中所述通信资源包括时间片资源和频率段资源;利用所述第一终端节点,根据所述第一终端节点分配到的所述通信资源发送第一数据报文。
可选地,上述方法还包括:利用所述第一终端节点向所述控制节点发送资源请求报文,其中所述控制节点根据所述资源请求报文向所述第一终端节点发送所述控制报文。
可选地,所述通信系统包括第二终端节点,所述利用所述第一终端节点,根据所述第一终端节点分配到的所述通信资源发送第一数据报文,还包括:利用所述第一终端节点,根据所述第一终端节点分配到的所述通信资源,向所述第二终端节点发送第一数据报文。可选地,所述利用所述第一终端节点,根据所述第一终端节点分配到的所述通信资源发送第一数据报文,还包括:利用所述第一终端节点,根据所述第一终端节点分配到的所述通信资源,向所述控制节点发送第一数据报文。
可选地,上述方法还包括:所述控制节点向所述第一终端节点发送第二数据报文。
可选地,所述控制报文、所述资源请求报文、所述第一数据报文和所述第二数据报文包括:报文类型,报文类型为0-255的正整数;报文长度,所述长度为0-1023的正整数;报文状态字;报文正文。
利用上述方法,可以有效的解决信息冲突问题,提高通信的效率。
本申请的一个实施例提供了一种高速工业通信系统包括:控制节点,管理所述通信系统;第一终端节点,与所述控制节点通信连接;所述控制节点和所述第一终端节点利用前述方法之一进行通信。
利用上述通信系统,可以有效的解决信息冲突问题,提高通信的效率。
附图说明
图1为本申请的一个实施例,示出了高速工业通信系统的通信方法1000的流程示意图。
具体实施方式
如图1所示,为本申请的一个实施例,高速工业通信系统的通信方法1000的流程示意图。其中,该高速工业通信系统包括:利用该通信连接的控制节点CN和终端节点。方法1000包括:步骤S120和步骤S140。其中,
步骤S120,利用控制节点CN向第一终端节点TN1发送控制报文,以此为第一终端节点TN1分配通信资源。
步骤S140,利用第一终端节点TN1发送第一数据报文。
可选地,步骤S140包括第一终端节TN1点向其他终端节点发送第一数据报文。
可选地,步骤S140包括第一终端节点TN1向控制节点CN发送第一数据报文。
可选地,方法1000可以包括:控制节点CN向第一终端节点CN1发送第二数据报文。
可选地,方法1000可以包括:第一终端节点CN1向控制节点发送资源请求报文。
可选地,通信资源可以包括时间片资源、频率段资源和网内地址资源。
可选地,时间片资源包括:时隙、时隙组、时隙帧和时隙帧组。其中,时隙为一个时长(比如1毫秒),是时间片资源的基本单元。
一个时隙帧包括预定数量(比如64个)连续的时隙。其中,每一个时隙有一个帧内时隙编号(比如0-63)。
一个时隙帧组包括预定数量(比如8个)连续的时隙帧。其中,每一个时隙帧有一个组内帧编号。时隙帧组是系统的通信周期。
时隙组是由控制节点CN为系统内每一个终端节点分配的通信时间窗口。时隙组可以是一个时隙,也可以是两个或者两个以上连续的时隙。每一个时隙组可以通过组内帧编号、帧内时隙编号和时隙长度唯一确定。
进一步地,系统内的每一个终端节点,在每一个时隙帧组内,利用所述分配的时隙组发送资源请求报文或数据报文。
可选地,网内地址包括:控制节点地址、终端节点地址、组播地址、广播地址和不确定地址。
进一步地,控制节点地址为控制节点CN的地址,固定为0。
进一步地,终端节点地址为通信系统中的终端节点的地址,终端节点地址为2-253的正整数。
进一步地,组播地址用于标识通信系统中的一组终端节点,组播地址为2-253的正整数。
进一步地,不确定地址用于标识尚未入网的终端节点,不确定地址为254。
进一步地,广播地址用于向通信系统的所有终端节点进行广播,广播地址为255。
可选地,控制报文可以是单播报文,也可以是广播报文。
可选地,数据报文可以是单播报文、组播报文或者广播报文。
可选地,所述控制报文包括:网络控制字报文、接入响应报文、单播地址发布报文、组播地址发布报文、预留资源发布报文和/或动态带宽发布报文,其中:
网络控制字报文,用于与第一终端节点同步通信资源的分配信息和通信系统的状态信息,包括网络控制字报文:通信资源的分配状态信息和通信系统的状态信息。其中,通信系统的状态信息可以包括自系统运行以来的时隙帧编号。可选地,网络控制字报文在每一时隙帧的第一个时隙由控制节点CN发送。
接入响应报文包括,相应第一终端节点TN1的接入请求,接入响应报文包括:第一终端节点TN1的网内地址信息、动作指令信息和硬件地址信息。其中,动作指令信息标识第一终端节点TN1入网配置中或入网完成,硬件地址信息为6字节地址信息,唯一确定一个节点设备,节点设备可以包括终端节点和控制节点。
单播地址发布报文,广播发布网内单播地址表信息,单播地址发布报文包括:网内单播地址表信息。其中网内单播地址表信息包括网内每一个终端节点的网内地址和硬件地址。
组播地址发布报文,广播发布网内组播地址表信息,组播地址发布报文包括:网内组播地址表信息。组播表地址包括:网内每一个终端节点组的组播地址和成员地址。每一个终端节点可以不加入任何终端节点组,也可以加入一个终端节点组,还可以加入两个或者两个以上终端接电组。
预留资源发布报文,广播发布预留资源表信息,预留资源发布报文包括:预留资源表信息。预留资源表信息包括系统内,每一个终端节点的网内地址及其稳定占用的时隙组。
动态带宽发布报文,广播发布动态带宽表信息,动态带宽发布报文包括:动态带宽表信息。动态带宽表信息包括:系统可用做临时通信的时隙。进一步地,用作临时通信的时隙尚未被任何终端节点占用。
接入申请报文,第一终端节点向控制节点发送入网请求,接入申请报文包括:设备类型信息和硬件地址信息。
动态带宽申请报文包括,第一终端节点向控制节点发送动态带宽申请:动态带宽申请报文包括:网内单播地址和动态带宽申请信息。
利用上述方法,可以有效的解决信息冲突问题,提高通信的效率。本发明采用基于OFDM调制技术,在高速率传输场景,使用时分多址技术按时间片分配用户,提高系统的实时性;实现工业总线长距离,高速,可靠,实时的数据传输。
本申请的一个实施例提供了一种高速工业通信系统2000包括:控制节点,管理所述通信系统;第一终端节点,与所述控制节点通信连接;所述控制节点和所述第一终端节点利用前述方法之一进行通信。
利用上述通信系统,可以有效的解决信息冲突问题,提高通信的效率。
可选地,本申请还包括以下方案:
可选地,控制报文、资源请求报文和数据报文为表1所示的报文格式。其中:
报文类型为报文的第一个字节,用以区分不同功能的报文,报文类型为0-255的整数。
报文长度为报文的字节长度,占据报文的第三个字节的两个位和第二个字节,为4-1023的整数。
报文状态字为,报文第三个字节的6个位。
报文正文,为0-1020字节的信息。
表1
可选地,控制报文可以包括:网络控制字报文、接入响应报文、单播地址发布报文、组播地址发布报文、预留资源发布报文和/或动态带宽发布报文。
可选地,资源请求报文包括,接入申请报文和/或动态带宽申请报文。
可选地,网络控制字报文可以包括:通信资源分配状态信息和通信和通信系统的状态信息。
进一步地,资源请求报文包括可以为表2所示的报文格式。其中该报文格式的每一字段定义如表3所示。
表2
表3
字段 意义
报文类型 2
系统版本号 两线系统软件版本号,用来向后兼容,当前是值是1.
FixRes_SN 时隙资源分配表的序列号。每一次重新分配时隙,该编号变化一次
网络编码参数 选择编解码方式
发射功率 上下边带的发射功率比例。
线对数 差分线的对数减一
Sche 表示上下边带统一调度,还是分开独立调度。
BwCfg 仅使用下边带,还是使用整边带。
Mnt 当前网络状态,初始化状态(0),运行状态(1)。
Frame_Index 一直递增的Frame的index,在CN启动时,第一个Frame的index是0。
可选地,接入申请报文,用于终端节点向控制节点CN申请入网。接入申请报文可以包括:设备类型信息和硬件地址信息。
接入申请报文可以为表3的报文格式。其中,该报文格式中的每一个字段的定义如表5所示。
表4
表5
字段 意义
报文类型 6
Src_Node 发出接入申请的TN的NodeId号,如果还没有NodeId,这里写254.
State 当前TN的运行状态。
FixRes 当前TN是否收到完整的FixRes表格。
Group 当前TN是否收到完整的Group表。
Access_Cnt 当前TN能够听到的其他TN的数量。
FixRes_SN 如果FixRes=1,这里表示TN收到的最新固定资源的序列号
Device_Type 设备类型。
Mac 48bits的Mac地址,相当于TN的唯一身份标识。
可选地,接入响应报文包括:网内单播地址信息、动作指令信息和硬件地址信息。
进一步地,接入响应报文可以为表6所示的报文格式,其中,该报文格式的每一个字段的定义如表7所示。
表6
表7
字段 意义
Type 7
Dst_Node 回应是个单播消息,这里指定NodeId。
Action 当前有两种动作,设置NodeId(1),转正消息(2)。
Mac 48bits的Mac地址,相当于TN的唯一身份标识。
可选地,单播地址发布报文可以包括:网内单播地址信息、硬件地址信息。
进一步地,单播地址发布报文可以为表8所示的报文格式,其中,该报文格式的字段定义如表9所示。
表8
表9
字段 意义
报文类型 3
MacTbl_SN 如果网络中有节点的添加和删除,这个SN会递增表示发生了变化。
Total_Active_Nodes 表示当前网络中处于运行状态的节点数目。
Cur_Offset 表示当前消息中Mac表在整个表格中的偏移。
Cur_Num 表示当前消息中Mac表的个数。
可选地,预留资源发布报文包括:预留资源信息。
进一步地,预留资源发布报文可以为表10所示的报文格式,其中该报文中每一个自动的定义如表11所示。
表10
表11
可选地,动态带宽发布报文包括:动态资源分配信息。
进一步地,动态带宽发布报文可以为表12所示的报文格式,其中该报文格式中的字段的定义如表13所示。
表12
表13
字段 意义
报文类型 9
Dyn_Num 表示消息中总共的动态资源entry数量,下面字段描述一个entry
Src_Node 动态资源的源节点id
Dst_Node 动态资源的目的节点id
TypeId 动态资源的业务类型
Band 动态资源的仅使用上边带、仅使用下边带、使用所有边带。
Len 动态资源的时隙长度(TimeSlot)
Pos 动态资源的时隙位置。
可选地,动态带宽申请报文包括:网内单播地址和动态带宽申请信息。
进一步地,动态带宽申请报文可以为表14所示的报文格式,其中该字段定义如表15所示。
表14
表15

Claims (8)

1.一种高速工业通信系统的通信方法,其中所述通信系统包括:控制节点和第一终端节点,所述控制节点管理所述通信系统,所述第一终端节点与所述控制节点通信连接,所述方法包括:
利用所述控制节点向所述第一终端节点发送控制报文,以此为所述第一终端节点分配通信资源,其中所述通信资源包括时间片资源、频率段资源和网内地址资源;
利用所述第一终端节点,根据所述第一终端节点分配到的所述通信资源发送第一数据报文。
2.根据权利要求1所述的方法,还包括:利用所述第一终端节点向所述控制节点发送资源请求报文,其中所述控制节点根据所述资源请求报文向所述第一终端节点发送所述控制报文。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述通信系统包括第二终端节点,
所述利用所述第一终端节点,根据所述第一终端节点分配到的所述通信资源发送第一数据报文,还包括:
利用所述第一终端节点,根据所述第一终端节点分配到的所述通信资源,向所述第二终端节点发送第一数据报文。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述利用所述第一终端节点,根据所述第一终端节点分配到的所述通信资源发送第一数据报文,还包括:
利用所述第一终端节点,根据所述第一终端节点分配到的所述通信资源,向所述控制节点发送第一数据报文。
5.根据权利要求1所述的方法,还包括:所述控制节点向所述第一终端节点发送第二数据报文。
6.根据权利要求1-5之一所述的方法,其中,所述控制报文、所述资源请求报文、所述第一数据报文和所述第二数据报文包括:
报文类型,报文类型为0-255的整数;
报文长度,所述长度为4-1023的整数;
报文正文。
7.根据权利要求1-2所述的方法,其中,所述控制报文包括:网络控制字报文、接入响应报文、单播地址发布报文、组播地址发布报文、预留资源发布报文和/或动态带宽发布报文,其中:
所述网络控制字报文,用于与所述第一终端节点同步所述通信资源的分配信息和所述通信系统的状态信息,所述包括所述网络控制字报文:所述通信资源的分配状态信息和所述通信系统的状态信息;
所述接入响应报文包括,响应所述第一终端节点的接入请求,所述接入响应报文包括:所述第一终端节点的网内地址信息、动作指令信息和硬件地址信息;
所述单播地址发布报文,广播发布网内单播地址表信息,所述单播地址发布报文包括:所述网内单播地址表信息;
所述组播地址发布报文,广播发布网内组播地址表信息,所述组播地址发布报文包括:所述网内组播地址表信息;
所述预留资源发布报文,广播发布预留资源表信息,所述预留资源发布报文包括:所述预留资源表信息;
所述动态带宽发布报文,广播发布动态带宽表信息,所述动态带宽发布报文包括:所述动态带宽表信息;
所述资源请求报文包括,接入申请报文和/或动态带宽申请报文,其中:
所述接入申请报文,所述第一终端节点向所述控制节点发送入网请求,所述接入申请报文包括:设备类型信息和硬件地址信息;
所述动态带宽申请报文包括,所述第一终端节点向所述控制节点发送动态带宽申请:所述动态带宽申请报文包括:网内单播地址和动态带宽申请信息。
8.一种高速工业通信系统包括:
控制节点,管理所述通信系统;
第一终端节点,与所述控制节点通信连接;
所述控制节点和所述第一终端节点利用权利要求1-7之一的所述方法进行通信。
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