CN115834000B - 一种面向工业无线下行传输的可靠重传方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种面向工业无线网络下行传输的可靠重传方法。本方法适用于含有网关、接入设备和现场设备的星型拓扑网络。本发明构建了一种新型超帧结构，一个超帧分为多个子超帧，子超帧又分为按需重传子超帧和循环重传子超帧两种，分别支持按需重传模式与循环重传模式。在每个子超帧开始前，网关根据超帧剩余时隙数以及未接收到数据包的现场设备数动态选择重传模式，提升网络的资源使用效率，最终可实现网络的下行可靠传输。

Description

一种面向工业无线下行传输的可靠重传方法

技术领域

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种面向工业无线下行传输的可靠重传方法。

背景技术

由于智能制造系统在减少能源消耗、提高经济效益和支持定制化生产方面具有显著优势，传统的自动化工厂正在向智能工厂转变。作为智能制造系统的核心技术之一，工业无线网络广泛地应用于智能工厂中的检测设备、控制设备、以及移动机器人等生产元素的泛在无线互联。相比于有线网络，工业无线网络不需要线缆与设备进行连接，从而使设备的安装与维护变得更加方便，大大缩减了组网开销。另外，无线网络拥有更高的灵活性，可以支持移动设备和旋转设备的数据接入。

典型的工业应用需要具有高可靠性、低延迟保障能力的确定性网络，然而在工业环境中存在着大量影响通信可靠性的不利因素，一是工业环境的温度、湿度变化剧烈，加之设备与人员频繁移动，使得通信链路极不稳定；二是在公用频段，共存无线网络之间的电磁干扰非常严重。重传是一种有效提升通信可靠性的方法，然而目前的重传研究主要针对上行传输，对于下行重传的研究鲜见报道。

发明内容

针对工业无线网络下行传输中存在的资源利用效率不高以及工业环境恶劣的问题，本发明提出一种面向工业无线下行传输的可靠重传方法。该方法针对一般的星型拓扑网络，构建了一种新型超帧结构，并基于该超帧结构动态选择重传模式，提高了资源利用率和数据传输的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种面向工业无线下行传输的可靠重传方法，基于由网关、接入设备和现场设备构成的星型拓扑网络，构建超帧结构，并基于所述超帧结构动态选择重传模式，实现网络下行可靠传输。

所述超帧结构具体为：

超帧长度为现场设备的数据周期，一个超帧进一步分为多个子超帧，子超帧分为按需重传子超帧和循环重传子超帧，其中按需重传子超帧由信标时段、按需重传时段、ACK时段和空白时段构成；循环重传子超帧由信标时段和循环重传时段构成。

所述按需重传子超帧的构成时段具体为：

信标时段：长度固定为M个时隙，每个时隙用于一个接入设备广播一次信标帧；

按需重传时段：长度为MN′个时隙，用于M个接入设备向N′个未成功接收数据包的现场设备传输数据；

ACK时段：长度为N′个时隙，每个时隙用于一个现场设备广播ACK；

空白时段：长度固定为C个时隙，用于网关与接入设备之间的有线通信。

所述循环重传子超帧的构成时段具体为：

信标时段：长度固定为M个时隙，每个时隙用于一个接入设备广播一次信标帧；

循环重传时段：长度为当前超帧的剩余可用时隙，用于接入设备向现场设备循环传输数据。

所述动态选择重传模式具体为：

定义两种重传模式：一种是按需重传模式，一种是循环重传模式；当未成功接收数据包的现场设备的数量N′＞1时，采用按需重传模式；当未成功接收数据包的现场设备的数量N′＝1时，采用循环重传模式；当未成功接收数据包的现场设备的数量N′＝0时，超帧当前数据重传结束。

按需重传模式定义为：

用L′代表当前轮次重传可以用的时隙数，若L′＞M+N′M+N′+C+M，则每个接入设备占用N′个时隙，依次向N′个现场设备传送数据包；在ACK时段，若第i个现场设备成功收到数据包，则在ACK时段开始后的第i个时隙向接入设备广播ACK，接入设备收到ACK后将其传送给网关；在空白时段，如果所有现场设备均成功接收数据包，那么重传结束，否则，网关生成下一个子超帧的调度表并发送给接入设备；

若M+N′M≤L′≤M+N′M+N′+C+M，则每个接入设备占用N′个时隙，依次向N′个现场设备传送数据包，之后重传结束；

若L′＜M+N′M，则前q个接入设备依次向所有现场设备传送数据包，第q+1个接入设备依次向前r个现场设备传输数据包，r＝L′-M mod N′，其中/>代表向下取整，mod代表取余运算。

循环重传模式定义为：

将当前超帧剩余的所有时隙分配给接入设备，接入设备循环依次向N′个现场设备传输数据包，直到超帧结束。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明设计了一种新型超帧结构，将一个超帧分成多个子超帧，子超帧又分为按需重传子超帧与循环重传子超帧，通过更改超帧类型动态更改重传模式，从而可以适应不同的通信链路情况。

2.本发明设计了两种数据重传模式，一种是按需重传模式，一种是循环重传模式。按需重传模式根据前一轮的丢包情况确定新一轮的重传数据包，从而避免了已经传输成功的数据包重复传输而造成的时隙浪费，但是却也增加了ACK时段和空白时段的开销；而循环重传模式正好相反，虽然没有ACK时段以及空白时段的开销，但是会有重传已经传输成功的数据包从而造成时隙的浪费的情况；本发明实现了两种重传模式的动态选择，提高了资源利用率和数据传输的可靠性。

附图说明

图1为工业无线网络星型拓扑示意图；

图2为包含两种子超帧的新型超帧结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明主要包含工业无线网络建模，超帧结构设计以及网络工作机制设计三个部分。

1.工业无线网络建模

本方法考虑的网络模型如图1所示，是由网关，接入设备，现场设备构成的星型拓扑结构。网关通过有线的方式与所有的接入设备连接，其负责生成调度表；接入设备与网关之间为有线连接，与现场设备之间通过无线网络连接，其负责在网关和现场设备之间转发数据，转发的数据包括从网关到现场设备的控制命令和数据包，以及从现场设备到网关的ACK。现场设备通过无线网络与接入设备连接，安装在工业现场，与传感器或执行器相连，其作用是接收数据包以及传送ACK给接入设备。

2.超帧结构设计

如图2所示，超帧结构具体如下：

超帧长度为现场设备的数据周期，一个超帧进一步分为多个子超帧。子超帧分为按需重传子超帧和循环重传子超帧，其中按需重传子超帧由信标时段、按需重传时段、ACK时段和空白时段构成；循环重传子超帧由信标时段和循环重传时段构成。

所述按需重传子超帧的构成时段具体为：

·信标时段：长度固定为M个时隙，每个时隙用于一个接入设备广播一次信标帧；

·按需重传时段：长度为MN′个时隙，用于M个接入设备向N′个未成功接收数据包的现场设备传输数据；

·ACK时段：长度为N′个时隙，每个时隙用于一个现场设备广播ACK；

·空白时段：长度固定为C个时隙，用于网关与接入设备之间的有线通信。

所述循环重传子超帧的构成时段具体为：

·信标时段：长度固定为M个时隙，每个时隙用于一个接入设备广播一次信标帧；

·循环重传时段：长度为当前超帧的剩余可用时隙，用于接入设备向现场设备循环传输数据。

3.网络工作机制设计

网络工作机制的设计主要并基于该超帧结构动态选择重传模式，实现网络下行可靠传输：

考虑两种重传模式：一种是按需重传模式，一种是循环重传模式。当N′＞1时，采用按需重传模式；当N′＝1时，采用循环重传模式；当未N′＝0时，超帧当前数据重传结束。

按需重传模式定义如下：

用L′代表当前轮次重传可以用的时隙数，若L′＞M+N′M+N′+C+M，每个接入设备占用N′个时隙，依次向N′个现场设备传送数据包；在ACK时段，若第i个现场设备成功收到数据包，则在ACK时段开始后的第i个时隙向接入设备广播ACK。接入设备收到ACK后将其传送给网关；在空白时段，如果所有现场设备均成功接收数据包，那么重传结束，否则，网关生成下一个子超帧的调度表并发送给接入设备；

若M+N′M≤L′≤M+N′M+N′+C+M，每个接入设备占用N′个时隙，依次向N′个现场设备传送数据包，之后重传结束；

若L′＜M+N′M，前q个接入设备依次向所有现场设备传送数据包，第q+1个接入设备依次向前r个现场设备传输数据包，r＝L′-M mod N′，其中/>代表向下取整，mod代表取余运算。

循环重传模式定义如下：

将当前超帧剩余的所有时隙分配给接入设备，接入设备循环依次向N′个现场设备传输数据包，直到超帧结束。

本发明首次提出一种面向工业无线网络下行传输的可靠重传方法，即通过构建新型超帧结构，并且基于该超帧结构动态选择重传模式。该发明可有效提升网络资源的使用效率，进而保证网络下行传输的可靠性。

Claims (1)

1.一种面向工业无线下行传输的可靠重传方法，其特征在于，基于由网关、接入设备和现场设备构成的星型拓扑网络，构建超帧结构，并基于所述超帧结构动态选择重传模式，实现网络下行可靠传输；

所述超帧结构具体为：

超帧长度为现场设备的数据周期，一个超帧进一步分为多个子超帧，子超帧分为按需重传子超帧和循环重传子超帧，其中按需重传子超帧由信标时段、按需重传时段、ACK时段和空白时段构成；循环重传子超帧由信标时段和循环重传时段构成；

所述按需重传子超帧的构成时段具体为：

信标时段：长度固定为M个时隙，每个时隙用于一个接入设备广播一次信标帧；

按需重传时段：长度为MN′个时隙，用于M个接入设备向N′个未成功接收数据包的现场设备传输数据；

ACK时段：长度为N′个时隙，每个时隙用于一个现场设备广播ACK；

空白时段：长度固定为C个时隙，用于网关与接入设备之间的有线通信；

所述循环重传子超帧的构成时段具体为：

信标时段：长度固定为M个时隙，每个时隙用于一个接入设备广播一次信标帧；

循环重传时段：长度为当前超帧的剩余可用时隙，用于接入设备向现场设备循环传输数据；

所述动态选择重传模式具体为：

定义两种重传模式：一种是按需重传模式，一种是循环重传模式；当未成功接收数据包的现场设备的数量N′＞1时，采用按需重传模式；当未成功接收数据包的现场设备的数量N′＝1时，采用循环重传模式；当未成功接收数据包的现场设备的数量N′＝0时，超帧当前数据重传结束；

按需重传模式定义为：

用L′代表当前轮次重传可以用的时隙数，若L′＞M+N′M+N′+C+M，则每个接入设备占用N′个时隙，依次向N′个现场设备传送数据包；在ACK时段，若第i个现场设备成功收到数据包，则在ACK时段开始后的第i个时隙向接入设备广播ACK，接入设备收到ACK后将其传送给网关；在空白时段，如果所有现场设备均成功接收数据包，那么重传结束，否则，网关生成下一个子超帧的调度表并发送给接入设备；

若M+N′M≤L′≤M+N′M+N′+C+M，则每个接入设备占用N′个时隙，依次向N′个现场设备传送数据包，之后重传结束；

若L′＜M+N′M，则前q个接入设备依次向所有现场设备传送数据包，第q+1个接入设备依次向前r个现场设备传输数据包，r＝K′-M mod N′，其中/>代表向下取整，mod代表取余运算；

循环重传模式定义为：

将当前超帧剩余的所有时隙分配给接入设备，接入设备循环依次向N′个现场设备传输数据包，直到超帧结束。