（控制理论与控制工程专业论文）实时工业无线局域网介质访问控制协议的研究.pdf

摘要 随着工业控制等实时系统网络通信中工作站需要传输数据量的增长，以及数据类别的增 多，传统的现场总线技术渐渐不能满足实时工业控制的需要。人们开始考虑将通用的以太隔 或无线局域网等局域网技术运用到工业现场的通信中。其中无线局域网由于不需增加额外的 布线，并且支持节点的位置移动，因而近年来受到更多的青昧。但是这些局域网的介质访问 控制协议先天具有着令数据帧等待时间不确定等缺点，所以不适合直接应用在对实时性具有 要求的通信中因此能够保证对系统安全性起到至关重要的实时数据的传输等待时间上界， 并且满足多类数据帧的不同实时性要求的实时无线局域网介质访问控制协议具有很大的研 究价值。 数据帧的等待传输时间( 延迟) 的均值和二阶矩是衡量一个实时通信网络的重要的性能 参数。寻找这些物理量的解析值求解算法历来是一个重要的研究内容，现有的研究结果只是 能对工作站具有一类数据帧，服务策略采用穷尽式或门限式时给出精确的求解过程。 分析以往的研究成果发现，在设计实时局域网的介质访问控制协议时一般忽略了对突发 性实时数据帧生成过程的考虑。如果假定数据帧的到达服从泊松分布，采取任何措施都不能 保证相邻的两个实时帧都能在规定的最大等待时间内被成功传输。本文在考虑了安全关键系 统中实时帧的剑达特点之后，在泊松分布基础上定义了一种相邻帧到达时刻间距具有最小值 限制的随机分布。于是本文的基于竞争与基于轮询的两种实时协议便都可以保证最高传输优 先级别的数据帧在规定的上界时间内被成功传输。 本文的主要1 ：作和贡献有以下几个方面： 研究了工作站只含一类数据帧的情况，根据发送数据帧的不同1 ：作站分为突发性实时节 点、周期性实时节点和非实时节点。对周期性节点信道预留指定的时间段传输，而突发 性实时节点通过r t s c t s 方式优先传输。 研究了由中央节点( 即服务器) 负责轮询的系统模硝。每个：亡作站产生两类需要区分传 输优先级别的数据帧，即实时帧和1 实时帧。相应地一j ：作站通过穷尽式和l rj 限式服务策 略传输这两类数据帧。本文给出了两类帧的平均等待时间的解析结果的精确求解算法， 井用仿真实验的结果进行了验证。 研究了当轮询系统中工作站的两类帧的到达过程都服从一种到达时间间距受限的泊松 分布情况下，数据帧的平均等待时间。在此模型中两类帧的等待时间均具有确定的上界 值本文给出了近似的等待时间均值求解算法。 接下来的研究中，通过限制每次服务非实时帧的最大访问时间的方式来保证实时帧的有 界传输。在这种基于轮询的实时介质访问控制协议( p b - r t m a c ) 中，令实时帧服从受 限的泊松分布，而非实时帧服从一般的泊松分布。当轮询信息到达时，工作站分别采用 穷尽式与七_ 有限式服务策略传输两类数据帧。通过m a t l a b 仿真程序研究了服务参数对 于轮询系统性能参数的影响。 最后本文研究了一种基于竞争的、用在无线局域网上的实时访问介质协议 ( c b r t m a c ) 。除了在两个实时帧发生传输冲突的时候，由接入点c a p ) 轮询控制工 作站的发送顺序外，平时各个工作站通过竞争的方式获得信道的访问权。但是由于实时 帧比非实时帧等待较短的帧问隙时间。所以实时帧的平均等待时间要小于非实时的平均 等待时间。本文分析了实时帧的最大等待时间，运用o p n e t 软件构建了实时无线局域 嘲的仿真模型。最后本文比较了p b r t m a c 与c b r t m a c 两种协议的网络性能。发 现在网络负荷较轻时，采用c b - r t m a c 协议能比采用p b - r t m a c 降低两类信息的平 均等待时间。 关键词；实时，信息类别，等待时间上界，平均等待时间。无线局域网，介质访问控制协 议 n a b s t r a c t i nt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k so ft h er e a lt i m es y s t e ms u c h 鹊i n d u s t r i a lc o n t r 0 1 w i t ht h e i n c r e a s eo ft h et r a f f i c i n t e n s i t ya n dd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ec l a s s e s ，t h et r a d i t i o n a lf i e l db u s t e c h n i q u e sa r cg r a d u a l l yf o u n dt ob ei n c a p a b l et oc o p ew i t ht h e s en e e d s t h el a nt e c h n i q u e s s u c ha 5e t h o r n c to rw i r e l e s sl a n ( w l a n ) a a d o p t e di nt h ei n d u s t r yc o m m u n i c a t i o n s e s p e c i a l l yb e c a u s et h ed e p l o y m e n to fw l a nd o e sn o td e m a n da d d i t i o n a lc a b l el a y o u t , a n dt h e m o v e m e n to ft h en o d ei ss u p p o s e d , s ot h ew l a ni sf a v o r e d b u tt h e s el a n sh a v et h ei n h e r e n t d i s a d v a n t a g et h a tc 翻鹏t h ei n d e t e r m i n a b l ew a i t i n gt i m ef o rt h ed a t af r a n l a & ) s ot h e yc n o tb e d i r e c t l ya p p l i e dt oc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sw i t hh i g ht i m i n gr e q u i r e m e n t t h e r e f o r et h ed e s i g no f r e a lt i m ew i r e l e s sl a nm e d i aa c c p r o t o c 0 1 w h i c hc a ne n s u r et h e w a i t i n gt i m eu p p e rb o u n df o r t h er e a lt i m ef r a m e sb e i n go fh i g hv a l u e 幻t h es y s t e m s e c u r i t y , a n dc a l ld i s p o s e t h e c o m m u n i c a t i o no fm u l t i p l ec l a s s e so ff r a m e sw i t hd i f f e r e n tt i m i n g r e q u i r e m e n t sb e c o m ea v a l u a b l er e s e a r c hp r o j e c t t h em e a na n ds e c o n dm o m e n to f f r a m e sw a i t i n gt i m ea r ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r f o rr e a lt i m ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i ti sad i f f i c u l tt a s kt of i n dt h ee x a c ta n a l y t i c a ls o l u t i o nf o r t h e s em e a a r e s t h u st h ee x i s t i n gr e s e a r c h e sf o c u so n l yi nt h ec a s e sw h e r ee a c hs t a t i o no n l yh a s o n ef r a m ec l a s sa n dt h ea d o p t e ds e r v i c ed i s c i p l i n e sa e x h a u s t i v eo rg a t e d i nt h et r a d i t i o n a ld e s i g n so f r e a lt i m em a c p r o t o c o l s , t h es t u d yo f t h ea r r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c o f s p o r a d i cr e a lt i m ef r a m ei so r e nn e g l e c t e d i f t b ea r r i v i n go f r e a lt i m ec l a s sc o n f o r m sa p o i s s o n d i s t r i b u t i o n , t h e r ew i l lb en op r o t o c o lw h i c hc a ne n s u r et h a ta l lt h ec o n s e c u t i v et w of r a m e sc a nb e t r a n s m i t t e ds u c c e s s f u l l yi nt h eu p p e rb o u n d e dt i m e s i nf a c tf o rt h e s eu r g e n tf r a m e s ，am i n i m u m d i s t a n c eb e t w e e nc o n s e c u t i v ea r r i v i n gi n s t a n t se x i s t , s oa c c o r d i n gt ot h i sc h a r a c t e r i s t i c ，an e w d i s t r i b u t i o nb a s e do np o i s s o nd i s t r i b u t i o ni sp r o p o s e d t h e r e f o r eb o t ht h ep o l l i n g - b a s e da n dt h e c o n t e n t i o n b a s e dp r o t o c o lo ft h i st h e s i sc a l le n s u r et h ew a i t i n gt i m e so ff r a m ec l a s sw i t ht h e h i g l l e s tp r i o r i t ya r eu p p e rb o u n d e d t h em a j o rc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r cs u m m a r i z e da sf o l l o w s ar e a lt i m ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r km e d i aa c c e s sp r o t o c o li sp r o p o s e d ，i nw h i c he a c h i l l s t a t i o no n l yp r o d u c e so n ec l a s so f 丘a g n e t h es t a t i o n sa r ec l a s s i f i e di n t os p o r a d i cr e a lt i m e s t a t i o n , p e r i o d i c a lr e a lt i m es t a t i o na n du n r e a lt i m es t a t i o n t h em e d i u mp r e s e r v e st i m e s e g m e n t sf u rt h ep e r i o d i c a ls t a t i o n sa c c o r d i n gt ot h ep e r i o da n dp h a s eo fd a t af r a m e ；b y t r a n s m i t t i n gw i t ht h er t s c t sm e t h o d , t h es p o r a d i cr e a lt i m es t a t i o n8 m a i n st h eh i g h e s t s e r v i c ep h o h 嘻 t h i st h e s i sh a sc o n s i d e r e dan o v e lm i x e dp o l l i n gs y s t e mw i t hm u l t i p l es t a t i a n s ，w h i c ha r e s e r v e db ya c y c l i cs e r v e r e a c hs t a t i o np r o d u c e st w oc l a s s e so f m e s s a g e s s e r v e dw i t hd i f f e r e n t d i s c i p l i n e s , i e ，t h e r e a lt i m em e s s a g es e r v e dw i t he x h a u s t i v es e r v i c ed i s c i p l i n ea n dt h e n n i 蹦t i m em e s s a g es e r v e dw i t hg a t e ds e r v i c ed i s c i p l i n e t h ea n a l y t i c a lr e s u l t so fm e a n w a i t i n gt i m e sa l ev e t i f i e db yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o d ，a n da g r e ew i t hs i m u l a t i o n r e s u l t sw e l l i ti sf o u n dt h a tt h er e a lt i m em e s s a g e sw i l le x p e r i e n c el o w e rm e a nw a i t i n gt i m e t h a nu n r e a lt i m em e s s a g e si f t h es e r v i c ed i s c i p l i n e sa g ep r o p e r l ys e l e c t e d am i x e dp o l l i n gs y s t e mw i t ht w oc l a s s e so fr e s t r i c t e dm e s s a g ei si n t r o d u c e d 。i nw h i c ht h e m e s s a g ec a l le x p e r i e n c eau p p e rb o u n d e dt i m eb e f o r eb e i n gs e r v e ds u c c e s s f u l l y u s i n ga n i t a r a t i v em e t h o d ，a na p p r o x i m a t i o nm e t h o dt o o b t a i nt h em o a nw a i t i n gt i m e sf u re a c h m e s s a g ec l a s si sg i v e n t h ea p p r o x i m a t er e s u l t sh a v eb e e nc o m p a r e dw i t ht h es i m u l a t i o n r e s a i t s i nt h ef o l l o w i n gs t u d yt h eu p p e rb o u n do fr e a lt i m ef r a m ee r em a i n t a i n e db yr e s t r i c t i n gt h e m a x i m u mv i s i tt i m eo ft h eu n r e a lt i m ec l a s si nap o l l i n gp e o d t h es e r v i c ep r o t o c o li s n a m e dp o l l i n g - b a s e dr e a lt i m em a c ( p b r t m a c ) p r o t o c 0 1 t h ea r r i v a lo fr e a lt i m ec l a s s c o n f o r m st ot h er e s t r i c t e dp o i s s o nd i s t r i b u t i o n ，w h i l et h eu n r e a lt i m ec l a s st ot h es t a n d a r d p o i s s o nd i s t r i b u t i o n t h es t a t i o nt r a n s m i t st h e s et w oc l a s s e sw i t he x h a u s t i v ea n dk - l i m i t e d s e r v i c ed i s c i p l i n er e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c eo f t h es e r v i c ep a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c eo f n e t w o r ki ss t u d i e d t h ea n a l y t i c a lu p p e rb o u n d so fw a i t i n gt i m ef o rt h er e a lt i m ec l a s s e sa l e o b t a i n e da n d j u s t i f i e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ac o n t e n t i o n b a s e dr e a lt i m ew l a nm a c ( c b - r t m a c ) p r o t o c o li sp r o p o s e db ym o d i f y i n g t h es t a n d a r dl e e e8 0 2 1 1 t h es t a t i o nw h i c hh a sl e a lt i m ef r a m et os e n dn e e dd e f e ras h o r t e r i n t e rf r a m es p a c e i ft h e r eh a p p e n sac o l l i s i o nb e t w e e nr e a lt i m ef r a m e s ，t h es t a t i o n sw i l lb e i v p o l l e d 蚵t h e 粼p o i n t ( a p ) 0 1 1 9 4 。s ot h er e a lt i m ef r a m e sw i l lb et r a n s m i t t e di na b o u n d e dt i m e s t h eu p p e rb o u n do fw a i t i n gt i m ee x p e r i e n c e db yt h er e a lt i m ef r a m ei s a n a l y z e d w h i c hi sg u a r a n t e e dw e l l 勰o b s e r v e df r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s 1 畸w o r d s ：r e a lt i m e ，f y , d l l l ec l a s s ，u p p e rb o u n d ，m e a nw a i t i n gt i m e ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 穆畚步 日期：川年7 月和日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“，”) 学位论文作者签名：帮斋参 日期：娜月细日 日 上海交通大学博士擘住论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 随着工业生产规模的不断扩大传统控制系统已经不能满足工业生产过程对f 控制系统 日益提高的性能要求。现场总线技术的发展虽然极丈地改善了企业控制系统的结构，但目前 其在全开放、全分散控制等方面仍存在许多问题，并且不可能在近期产生统一的现场总线标 准。由于不少控制系统生产厂商并不提供真正的开放平台。目前比较普遍采 f i 主从式等层次 控制网络结构。这种基于现场总线等技术的传统层次控制网络结构已不适虑需求。即使在其 中嵌入如工业p c ，o p c 和以太网技术，也只能对系统功能作些边缘性的提高。使系统更复 杂。2 0 世纪8 0 年代以后，微电子技术、计算机技术、通信技术的进步推动了信息技术飞速 发展，工业自动化领域也发生了深刻变革。适应工业生产过程复杂化、分散化、网络化、智 能化的发展趋势。自动化领域逐渐形成了开放式系统互连通信网络。工业控制网络使得控制 系统的设计和实现突破了空间的局限，在更大的范嗣内实现控制功能更加复杂和完善。 以太网、无线局域网是网络控制系统中主要采用的介质访问控制协议。在t 业控制等实 时通信环境中，工作站一般都生成多类数据帧。既有需要对传输完成时间有着严格要求的实 时帧，如周期性采样数据、控制数据与非周期的报警数据：也有对实时性要求不高的非实时 数据1 l 贞，只要求钝够被保证一定的吞吐量帮数据完整性。然而现有商业局域羁协议不能满足 这种区别q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的需要1 1 1 在一些安全关键( s e c u r i t yc r i t i c a l ) 应用领域 如航空航天，国防、核电能源和医疗卫生，通过总线或网络将多个物理位置相隔的子系统连 接起来。其通信网络必须保证实时性与可靠性，否则会对系统产生严重的破坏作用。而在现 有局域阿上传输的数据等待时间不确定 所以应当改造传统以太网或无线局域网的介质层协议，提高关键数据访问信道等待时间 的确定性，同时兼顾多种优先级别的数据帧的传输。 1 2 网络控制系统 随着j 业控制系统采月j 再种复杂控制系统、智能控制系统，各种设备问的信息交换沟通 的质晕对照个控制系统的性能起到了越米越人的作用，按照信息交换的媒质划分和山现的先 后次序，控制系统可以分为集散式控制系统( d c s ，d i s c r e t ec o n t r o ls y s t e m ) 、现场总线控制 系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 、网络控制系统( n c s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) 等。 第一章绪论 集敌式控制系统【3 1 ( 何。1 9 9 8 ) 以多台微处理机分散在生产现场进行过程的测量和控 制，实现了功能和地理上的分散，避免了测量、控制高度集中带来的危险性和常规仪表控制 功能单一的局限性。数据通信技术和c r t 显示技术的应用，能够方便地进行集中总操作。 克服了传统仪表人机分散、不便检测的缺点。但是d c s 的缺点是布线复杂，传输的信号只 能是过程变量，而不能传送故障诊断信息和管理信息。 在工业控制中，由于被控对象，测控装置等物理设备的地域分布性，以及控制与监控等 任务对实时性的要求，通常采用具有确定的、有限排队延迟的专用实时通信网络1 4 - 6 1 。随着 控制器、执行器、传感器等控制元件的更加智能化，控制系统的信息交换景成倍增加。于是 出现了现场总线控制系统o j 。 现场总线技术是把单个分散的测量、控制设备网络节点编程，以现场总线为纽带，把它 们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。现场总线是典型的 实时工业通信网络。 按照对实时的支持，现场总线的m a c 层协议主要分为事件触发( e v e n tt r i g g e r e d ) 和时 闻触发( t i m et r i g g e r e d ) 两大类。事件触发指的是网络上的所有活动都由事件的出现来激发。 如传感器的值发生改变，代表性协议例如e h c r n c t 和c a n l “i 。时间触发指网络上的活动随着 时间推进按计划地驱动，通常采用令牌方式直接支持实时呲1 卦。它义可以进一步分为：1 ) 集中式令牌，具有代表性的协议由w o d d f i p 和f f 等；2 ) 分布式令牌，具有代表性的协议 有f d d i l 。”、i e e e s 0 2 4 和p r o f i b u s 等；3 ) 虚拟令牌，具有代表性的协议有p - n e t l 5 现场总线的系统是开放的，不同厂家的设备之问可以实现信息交换，类似的设备也可实 现相互替换【1 7 。自8 0 年代以来，有几种现场总线技术己逐步形成其影响，并在一些特定 应用领域显示了自己的优势。著名的有基金会现场总线f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、c a n 等。传统现场总线的低速率、高价格、封闭的体系结构等均成为阻碍高性能一t ：业网络进一步 发展的瓶颈。而且不同现场总线相互不兼容，也让许多用户感到失望。二f ：业控制在开放性、 互连性、带宽等方面对于现场总线提出了更高的要求。1 9 9 9 年现场总线技术标准i e c 6 11 5 8 终了制定完成，有八种总线成为国际电j ：委员会的标准l 性”i 。实际上这是一个各种标准相 互妥协的产物，一种统一的现场总线标准并没有被制定出来。 进入9 0 年代以来，为了满足用户更高的要求和获得竞争优势，要求在i ：业生产中提高产 品质量、节能降耗、增加生产过程中的柔性。使得i ：业控制系统以提高效益为目的，规模不 2 上海交通大学博士学住论文 断扩大，自动化程度也随之不断提高，从装置级控制模式进入到以生产全程控制、优化、调 度、管理为特征的综合自动化模式。计算机网络技术快速发展，网络设备比起现场总线的设 备便宜很多而且具有更大的通信带宽。人们便考虑在工业控制领域采用现成的网络技术，形 成了网络化全开放，全分布的自动控制体系结构，网络控制系统随之产生一些现场总线 的开发商也在融合了以太网技术后开发了新产品，如f o u n d a t i o nf i e l d b u sh s e 、 m o d b u s - t c p i p 和p r o f i b u s e t h e m e t 等1 2 1 1 以太网是一种成功的信息网络技术，进入市场已经2 0 年了，在办公自动化领域获得了 广泛的应用以太网的传输介质主要有1 0 b a s e 5 ( 租缆) 、1 0 b a s e 2 ( 细缆) 、1 0 b a s e - t ( 双 绞线电缆 和1 0 b a s e - t ( 光缆) ，传输速率为1 0 m b p s 近年来快速以太网1 0 0 m b p s 已经得 到普及，传输速率为m b p s 的吉比以太网也已经在1 9 9 8 年出现，并成为正式的标准1 2 2 2 3 1 。 以太网的m a c 层采用载波监听多路访问厂神突避免( c s m a c d ) 机制l “，提高了系统的带 宽。所以以太网的典型通信特点是随机接入，载波监听碰撞检测和竞争冲突。 网络控制系统可能基于有线网络以太网、无线网络( w l a n ) 或二者的结合。以太网控制 系统1 2 ”s i 是将以太网技术应用在控制系统信息传输中的一种控制系统，以太网技术作为事实 上的局域网标准已经相当成熟。与现场总线比较起来，以太网在传输速率、可靠性开放性 等方面具有较强的优势，所以大量适合工业环境的以太网设备被开发出来。而且以太网设备 的价格便宜、技术成熟，正以其良好的互联性成为真正的开放式控制网络，工业控制中通信 大量为实时通信即要求数据帧自产生到发送到目的站要在一定的期限内完成。然而以太网 所采用的b e b 算法使得实时数据帧或者在超过死期后到达目的站，或者是由于超过重传次 数的限制而被丢弃。并且以太网要求帧长度有最小的限制，而工业环境中需要大量传输的数 据帧都是短帧。 为解决 业以太网的上述问题，国外的技术协会和研究人员做出了各种的努力。交换式 以太网被认为是解决以太网不确定性问题的一个途径。交换式以太网在发送筘点和接收节点 之间建立直接连接1 2 9 - 3 ”，能提高以太网的效率、减少冲突。但仅仅采心交换技术是不能根本 上解决以太网的不确定问题。另外一些研究进展是在底层采朋以太网，而在传输层或者应用 层开发确定性上层通信协议以保证t = 业通信的实时要求i 。与之相对的尝试是一定程度的 修改以太网m a c 协议，已达到彻底解决介质访问时延不确定性的问题。有c s m a d c r “、 虚令牌机制m 1 、d o d - c s m a c d 和令牌环协议等。 第一幸绪论 w i l | i 9 1 3 7 1 提出了灵活的时分多路访问( f t d m a ) 协议，该协议是在时分多路访问( t d m a ) 的基础上改进得到。实时节点在分配的时间槽内向主站请求信道预留用于数据发送。该协议 能保证实时数据的发送有最丈传输时延，但信道利用率不高。 通信整形的方法可以在不改变以太网结构的前提下，利用网络状态的全局信息进行局部 调度，以一种公平的方式约束产生的传输业务。并利用一定的优先级策略减小冲突的发生， 这能在一定程度上提供信息传递的实时性【3 | l 。其中。虚时间协议1 3 9 删应用数据包发布延迟 机制，综合考虑一些网络参数，通常为数据帧松弛期，或其他的优先级。信息的发布根据相 应的参数决定的虚时间进行延迟f 4 。“。z h a o 提出了窗口协议，它的主要思想是当一个节点 的信息处于一定的时间窗或者优先级窗口时，它才能被允许发送。窗口的大小根据信道处于 空闲、繁忙或冲突的状态可以进行动态地改变1 4 3 1 。 随着 业控制网络化、分散化的发展趋势，有线连接受到周围环境结构限制而且不灵活， 这样使人们开始考虑将无线通信用于 业控制网络蜘。特剐是对于结点分布广，敷设有 线凼难，或有移动对象的r 业场合，如移动机器人和城市交通管理系统等必须采h j 无线的方 式建立通信连接。 与有线网络相比，无线网络具有安装便捷、使用灵活、经济节约与易于扩展等优点， 所以无线网络发展十分迅速。在最近几年中，无线网络已经在医院、商店、二e 厂和学校等的 不适合网络布线的地点得到了广泛的戍用。国内无线网络的技术和产品在实际领域中的应用 尚为起步阶段。无线局域网由于其不可替代的优点，将会迅速地应用于需要在移动中连网和 在网间漫游的场合。并在不易布线的地方和远距离的数据处理节点提供强大的网络支持。特 别是在一些行业如石油工业、医护管理等中，无线网络将会有更大的发展机会。 同以太网控制系统一样，由于无线局域网i e e e8 0 2 1 l 协议是为商业应用开发的，如果 直接将其应用在工业实时环境，必须解决数据帧时延确定性的问题。无线局域网虽然并不适 合 - 业控制实时通信，但是在开发新的无线网络用丁j ：业控制时，它的一些实时策略如信道 预留，帧间隙比窿设置、点协调功能可供借鉴m l 。 无线局域网在= 业上的应用并不是为了取代以太网的戍朋，未来的应用应当是有线和无 线的结合h ”。在骨干的网络上采用有线网络，可作为无线局域网的不同基本服务集之间联 系的主干分布系统d s 。在不适合敷设有线的场合，采用无线局域网。无线局域网与上层网 络交换数据时需要考虑建立无线网芙，以转换不同的帧格式。 4 上海交通太擘博士学位论文 1 3 无线局域网i e e e8 0 2 1 1 旺于1 9 9 7 年制定出无线局域网的协议标准i e e es t d s 0 2 i l t 4 s ，4 9 1 i s o 1 e c 也批准了 这一标准，并将标准的编号定义为i s o 1 e c 8 8 0 2 1 l 。如图1 1 所示，i e e e8 0 2 1 l 规定无线 局域网的最小构件是基本服务集( b s s ，b a s i cs c r v i g es e t ) 一个基本服务集包括一个基站即接 入点( a ra c c e s sp o i n t ) 和若干个移动工作站。a p 可通过一个主干分配系统( d s 。d i s t r i b u t i o n s y s t e m ) ，接入到另一个服务集，这样就构成了一个扩展的服务集( e s s 。e x t e n d e ds c r v i c cs e t ) 。 图1 ii e e e8 0 2 i l 的扩展服务集 f i g 1 i e x t e n d e ds e r v i c es c t 如图1 2 所示，i e e e8 0 2 i1 规定了3 种物理层的实现方法：跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) ，基本接入速率为1 m b p s 或2 m b p s , 直接序列扩频( d s s s ，d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) ，接入速率为2 m b p s ：红外技术( i n t l a x e d ) ，接入速率为1 2 m b p s 。 最近又有8 0 2 1 l a 版本嗍，它定义在5 0 h z 波段的高速无线局域网标难，物理层采用正交频 分复用( o f d m ) 技术。根据选用的信道编码速率和调制方式的不同组合，信息数据传输速 率可达6 - s 4 m b p s 。 点坍谢功麓 p c f 分布腓i l l 功麓 d c f 雎蝤扩顿直宇扩鞭 红井线 f h s sd s s s 卜 忙p h y s i 叫 图1 2i e e e8 0 2 i i 的m a c 层与物理层m f i g 1 , 2t h em a ca n dp h y s i c a ll a y e r 5 第一幸特论 由于无线信道传输条件特殊，无线局域网不能使用c s m a c d ，而只能使用c s m a c a 。 为了减少数据碰撞带来的带宽浪费，当数据包较大时，发送站与接收站在发送数据包之前可 以采用交换发送请求发送帧( r t s ，r e q u e s tt os e n d ) 允许发送帧( c t s ，c l e a r t os e n d ) 来预留 带宽，这是i e e e8 0 2 1 l 中的一个选项。r t s 帧和c t s 帧相对数据帧而言通常要小得多( r t s 为2 0 字节，c t s 为1 4 字节，最大帧长为2 3 4 6 字节长) 。因而一旦发生碰撞，浪费的带宽也 会大大减小。i e e e8 0 2 1 1 中可以选择不用r t s 方式，也可在数据帧长度超过预定值 ( r t s - t h r e s h o l d ) 时使用r t s 。否则运用基本( b a s i c ) 的发送模式，即发送站直接发送数据包， 这省却了握手的开销，但是容易造成数据的重传。 为了尽量减少冲突。i e e e8 0 2 1 i 设计了独特的m a c 层。如图1 2 所示，它包括p c f 和d c f 两个子层。在下面的一个叫做分步协调功能( d c f , d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。 d c f 在每一个节点使用c s m a 机制的分布式接入算法，让各站通过争用信道来获取发送权。 分布协调功能是i e e e8 0 2 ，ll 的基本接入功能，缺省情况下所有节点都支持这种方式。它基 于传统的多路访问冲突避免( c s m a c a ，c a r r i e r 辩n 辩m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 协议，以尽力而为( b e s t e f f o a ) 方式接入信道。实质是通过窗口的指数退避来达到当前链路状 态的自适应和主机接入概率的调整。 d c f 的载波监听是通过空中接口的物理载波监听和m a c 层的虚拟载波监听完成的。物 理载波监听主要是通过监测链路信号的强弱来感知其他站点是否在发送数据。m a c 层的虚 拟载波监听主要是发送站点通过在数据包中携带信道预留信息的方式来告知其他站点进行 带宽预留。其他站点一旦接到预留数据包，会根据其中预留持续时间信息重新设置自己的网 络分配向量( n a v , n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ) ，用来表明一定时间内信道将繁忙。以上两种 监听只要其中的一种显示忙，当前信道就标记为忙。由于无线局域网不能检测冲突从而及时 中断数据传输，所以采取了很多措施米避免冲突。如定义了在发送前需要等待三种不同的帧 间间隔i f s ，( i f s ，i n t e r - f r a m es p a c e ) 来安排帧访问信道的先后顺序。包括s 1 f s 、p i f s 和 o t is ，其时问长度依次递增。此外还返_ j 了数据冲突后的二进制指数随机退避算法。所以 这种分布协调功能提供给土层的是时筵不确定的服务。 d c f 难以对实时业务提供任何时延、丢包率等q o s 保证。由于应_ h j 的需要，在d c f 的 基础上形成了以下点协调功能( p c f ，p o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) 的接入方式。p c f 是一个 可选项，提供了面向连接不需竞争的轮询传输方式。轮淘表的维护以及轮询序列的决定可以 根据不同的实现有所不同。p c f 是通过集中式控制达到q o s 的保证。p c f 使用集中控制的 6 上海交通大学博士擘位论文 接入算法，如果信道空闲超过p i f s ( p c fi n t e r - f r a m es p a c e ) ，则接入点a p 发出信标( b e a c o n ) 表明一个“超帧”( s u p e r f r a m e ) 的开始。首先是无竞争阶段( c f e , c o n t e n t i o n - f r e ep e r i o d ) ， a p 以轮询的方式在a p 和主机之问进行数据包的交换。在这个时期主机发包是完全被动的， 接入点让有需要的各站依次发送。轮询完毕将剩下的时间作为各站竞争发送的阶段，执行 d c f 功能。 i e e e8 0 2 1 i b 无线局域网标准在媒体访问控制层采用c s m a c a 协议以实现无线信道的 共享。在网络负荷较轻的情况下，发生冲突的机会很少。再加上一些无线网络产品采取了一 些附加的措施甚至可以完全避免冲突的发生。这使得无线技术在工业控制网络中的应用成 为可能 在p c f 方式中，接入点a p 用类似轮询的方法将发送数据权交给各个站，从而避免了冲 突的产生。对于时间敏感的业务。如分组话音，就应当使用点协调功能p c f p c f 提供的是 无争用服务i 捌。 1 4实时通信网络系统 1 4 1实时任务调度 支持实时应用、具有满足时间限制能力的系统破成为实时系统1 5 3 1 。对于实时系统，系 统行为的正确性不但依赖于计算结果，