（通信与信息系统专业论文）无线工业控制网络wicn协议的开发.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的日趋成熟，无线通信技术在工业控制网络中的大范围 应用也正成为可能，无线工业控制网络w i c n ( w i r e l e s si n d u s t r i a lc o n t r o l n e t w o r k s ) 就是顺应这一形势发展起来的新技术。随着网络化、信息化进程的 发展，w i c n 技术将在工业控制领域大放异彩。 本文指出了无线通信技术在工业控制中应用存在的问题，在分析了现有无 线网络信道接入协议后，建立了w i c n 的三层协议结构，并重点提出一个基于令 牌的满足实时性和健壮性要求的适用于w i c n 的m a c 协议，定义了该协议的整套 运行机制和帧格式。 为了验证该协议，在离散事件网络仿真平台o m n e t + + 上对该i i a c 协议进行 了仿真试验，在信道接入的公平性、吞吐量和数据传输时延等方面与c s m a c a 协议的性能进行了比较，并对影响协议实时响应能力的重要参数令牌目标循环 时间t 。的设置进行了试验，对仿真结果进行了分析。 接着在中科院计算所自主研发的无线传感器网络节点g a i n s 平台上实现了 w i c n 协议，并详细说明了协议软件设计和调试过程，然后通过改进和扩展无线 传感器网络w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 分析和管理平台s n a m p 对w i c n 协议的运行进行实时监控，在实际的工业控制环境中，对协议的性能进行了测 试和分析。 无线工业控制网络的研究是一个开放的课题，也是与应用结合很紧密的一 个课题，本文提出的w i c n 协议模型在有的方面还不完善，象多跳、路由等问题 还没有做深入研究，还需要在下一步的工作和实际应用中不断改进和完善。 关键词：无线工业控制网络、令牌、o m n e t + + 、g a i n s 、m a c 协议。 a b s t r a c t w i t ht h em a t u d t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i t sa p p l i c a t i o ni n i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k sw i l lb er e a l i z e di n l a r g ea r e a s w i c n ( w i r e l e s s i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k s ) h a sb e e nd e v e l o p e da tt h i sb a c k g r o u n d w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , w i c nt e c h n o l o g yw i l lb e s h i n i n gi nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n 舡0 1 t h i sd i s s e r t a t i o np o i n t so u tt h ee x i s t i n gp r o b l e mo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o ni nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k s at h r e e - l a y e rp r o t o c o l s y s t e mc o n s t r u c t i o nh a sb e e ne s t a b f i s h e da f t e ra n a l y z i n gt h em a cp r o t o c o lo ft h e t r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k st e c h n o l o g y t h et o k e n - b a s e dm a c p r o t o c o lw h i c h f u l f i l st h er e q u i r e m e n t so fr e a lt i m ea n dr o b u s th a sb e e np r o p o s e d , t h ef r a m ef o r m a t a n dt h eo p e r a t i n gm e c h a n i s mo ft h ep r o t o c o la r eb o t hd e f i n e d as i m u l a t i o nt r i a lh a sb e e ni m p l e m e n t e dt oc o m p a r et h et o k e n - b a s e dp r o t o c o l w i t ht h ec s m a j c a p r o t o c o lb yt h eu s eo fo m n e t + + c o n c r e t ee v e n ts i m u l a t i o n p l a t f o r m t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o t o c o lh a sb e e nt e s t e da n dt h er e s u ro ft h e s i m u l a t i o nh a sb e e na n a l y z e d a f t e r w a r d , t h ew i c np r o t o c o lh a sb e e nr e a l i z e db y u s eo ft h ew i r e l e s ss e b s o rn e t w o r k sn o d e g a i n s ( g l o b a la c t a b l ei n t e l l i g e n t n e t w o r k s ) w h i c hd e v e l o p e db yi n s t i t u t eo fc o m p u t e rt e c h n o l o g yc h m c s ea c a d e m y o fs c i e n c e s ，a n dt h es n a m p ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n a l y z ea n dm a n a g e p l a t f o r m ) h a sb e e ne x t e n d e dt om o n i t o rt h er u n n i n go ft h ew i c np r o t o c 0 1 t h es t u d yo nw i r e l e s si n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k si sa no p e ns u b j e c t ，a n di t i n t e g r a t e sw i t ha p p f i c a t i o nc l o s e l y , i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ep r o p o s e dp r o t o c o li ss t i l l i m p e r f e c ti ns o m ea s p e c t s ，s u c ha sp r o b l e m so fm u l t i - h o pa n dr o u t e ，s oi tn e e d s t ob e c o n s u m m a t e di nt h en e x ts t a g e k e y w o r d s ： w i r e l e s si n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k s ，t o k e n , m a cp r o t o c o l ， o m n e t + + ，g a i n s 引言 第一章引言 1 1无线工业控制网络w i c n 2 0 世纪9 0 年代，人们对随时随地都能访问信息的渴望促进了无线通信技 术的飞速发展。近年来，蜂窝移动通信系统、无线局域网( i e e e 8 0 2 1 1 和 h i p e r l a n ) 、蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 、家庭无线网( h o m e r f ) 及a dh o c 网络等 无线移动通信技术纷纷涌现。这些技术的出现，极大地方便了人们的生活。伴 随着2 0 0 3 年3 月初i n t e l 宣布的迅驰移动计算平台的出现，在全世界范围内掀 起了新一轮的无线移动技术的研究热潮。专用短程通信技术的发展在2 0 0 4 年如 火如荼，无线传感器网络技术被称为2 1 世纪的4 大产业之一 无线通讯技术的飞速发展已使得其应用范围不仅局限于传统的语言信息的 传输，而且在数据传输中正发挥着越来越大的作用。其实单纯的无线技术本身 仅是有线通讯技术的一种补充，但在工业现场控制中有许多情形，如移动或旋 转对象上的传感器、手持数据采集设备、需临时安装的设备等，电缆的使用是 较难甚至无法实现的，同时在极其冷热、危险、潮湿的环境中使用有线的物理 介质连接也将降低通讯系统的可靠性，这就使得在某些工业控制场合应用无线 通信技术具有有线技术无法或很难取代的优势“1 。随着无线通信技术的日趋成 熟，无线通信技术在工业控制网络中的大范围应用也正成为可能，无线工业控 制网络w i c n ( w i r e l e s si n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k s ) 就是顺应这一形势发 展起来的新技术。 工业控制网络是自动控制领域的网络技术，是计算机网络、通信与自动控 制技术结合的产物。工业控制网络是将多个分散在生产现场，具有数字通信能 力的测量控制仪表作为网络节点，采用公开、规范的通信协议，以现场总线作 为通信的纽带，把现场控制设备连接成可以相互沟通信息，共同完成自动控制 任务的网络系统与控制系统卜日。工业控制网络技术起源于现场总线，现场总线 技术产生于2 0 世纪8 0 年代，但对它的研究开发之热却是近年之举。这一方面 是因为信息时代各项技术的发展对自动化系统提出的新要求，促进了该领域的 网络化、信息化进程；另一方面也是由于它本身所蕴涵的技术经济潜力。十多 引言 年来欧洲、北美的一些公司推出了几十种控制网络，其中有一些也被列入国际 标准，如f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、l o n w o r k s 、c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 、 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 、工业以太网( i n d u s t r i a le t h e r n e t ) 等。但 是这些标准几乎都是采用有线传输介质，例如双绞线、同轴电缆、光纤等。因 此，针对无线介质，如何设计一个合适的适用于工业控制网络的无线通信协议 是目前国际上的一个重要的研究热点。 1 2无线通信技术在工业控制中应用所面临的问题 工业控制网络属于一种特殊的计算机网络，是用于完成自动化任务的网络 系统。由于控制网络肩负的特殊任务和工作环境，使它具有许多不同于普通计 算机网络的特点。因此，传统的无线通信技术在工业控制环境的应用会面临一 些问题，具体来说要达到以下的要求： 1 ) 工控环境中充斥着大量的因负载驱动开关等引起的集簇电磁干扰，生产 现场中的大面积金属部件会对无线信号的传输造成多径漫射，易使数据帧 同步信号丢失，因此要求无线信道有很好的抗干扰、纠错码能力； 2 ) 网络拓扑结构可交，是典型的无线移动网，节点的协议栈和路由问题不 同于传统的有线和无线网； 3 ) 无线工业控制网络要求能够准确测知移动节点的位置； 4 ) 数据的监控点要求无线前端耗能低，能长时间可靠工作； 5 ) 网络的协议应保证通讯的实时性，即传输的时间确定性； 6 ) 数据通讯的安全保密性要求高。 但是，目前的各种无线通信技术都没有针对工业环境，尚不能完全满足对 无线工业控制网络的各种要求。尽管人们提出了许多新的解决方法，针对无线 工业控制中的两个主要的问题：无线网络的传输时间确定性和空间位置的确定 性还是不能达到要求“1 。 1 3无线工业控制网络实时性的研究现状 无线局域网的实时性主要取决于数据链路层的介质访问控制子层m a c 层， 对该问题的研究已有一段时间，但是基本上仍限于传统的载波监听多址接入 引言 c s m a 法”。对这种平等竞争使用无线信道的方法，尽管人们用了各种改进措 施，如增加c a ( 碰撞避免) 等功能，但它仍不能保证工业控制系统中对响应时 间确定性的要求。 从文献看，目前仅有德国的马格德堡大学( u n i v e r s i t yo f m a g d e b u r g ) 通 过在i e e e 8 0 2 i i 的点协调功能p c f 中强制加入轮询确认机制，来保证每一个点 的传输时间上限，成功地在机器人的控制上应用了自己的实时无线网络技术伽 美国的纽约州立大学( s t a t eu n i v e r s i t yo fn e wy o r ka ts t o n yb r o o k ) 采用 的方法改变了传输帧的结构，须对原有i e e e 8 0 2 1 1 协议修改，还停留在实验室 阶段“”美国加利福尼亚的伯克利大学( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i aa t b e r k e l e y ) 在智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 开发中 采用了无线令牌环协议w t r p ( w i r e l e s st o k e nr i n gp r o t o c 0 1 ) ，也能提供确定 的数据时延，但w t r p 目前还在研究阶段，且主要面向大型的a dh o c 自组织移 动网络“。经过检索，在国内还未见有针对无线工业控制网络的研究文献。 1 4 课题来源 本课题的来源是河南省教育厅自然科学基金( 2 0 0 5 1 0 4 5 9 0 1 7 ) ；上海市科委 重点攻关项目( 0 4 1 1 1 1 0 3 7 ) 。 1 5 论文内容与结构 课题提出了一个基于令牌的具有实时响应能力的适用于w i c n 的m a c 协议， 定义该协议的运行机制和帧结构，然后在离散事件网络仿真平台o m n e t + + ( o b j e c t i v em o d u l a rn e t w o r kt e s t e di nc + + ) 上对协议进行了仿真和验证， 并且研究了在中科院计算所设计的无线传感器网络节点g a i n s ( g l o b a la c t a b l e i n t e l l i g e n tn e t w o r k s ) 上实现该协议的开发过程。 本论文的正文主要包括以下几部分： 第一章论述了无线工业控制网络w i c n 研究的背景和意义，提出了在工业控 制环境中应用无线通信技术所面临的问题，介绍了w i c n 实时性的研究现状和发 展前景。 第二章介绍了现有的无线网络技术：蜂窝移动通信系统、i e e e 8 0 2 1 1 、家 3 引言 庭射频( h o m e r f ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、a dh o c 网络以及无线令牌环( r r r p ) ， 并对其性能、信道接入机制和应用领域进行了分析和对比。 第三章研究了w i c n 的通信协议的体系结构，建立了w i c n 的三层协议体系 结构，重点提出一个基于令牌的适用于w i c n 的m a c 协议，定义了该协议的整套 运行机制和帧格式，并对令牌目标循环时间t 。和数据帧优先级别的设置进行 了论述。 第四章研究了在离散事件网络仿真平台o n e t + + 上对该m a c 协议进行仿真 和验证的过程，并与c s m a c a 协议的性能进行了比较，对协议的信道接入公平 性、吞吐量和数据传输时延进行了测试，对仿真结果进行了分析。 第五章研究了在中科院计算所开发的无线传感器网络节点g a i n s 上实现 w i c n 协议的开发过程，详细说明了协议的软件设计和调试过程，并通过改进无 线传感器网络w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 分析和管理平台s n a m p 对w l c n 协议运行进行实时监控，在实际的工业控制环境中，对协议的性能进行了测试 和分析。 第六章对现有工作进行了总结和对下一步工作进行了展望。 4 第二章现有无线网络信道接入机制的分析 第二章现有无线网络信道接入机制分析 随着掌上电脑、笔记本电脑和其他移动设备的大量普及，以及网络应用的 日益深入与信息共享要求的日益增多，无线网络技术越来越显示出自身所特有 的实用价值。但不同的无线通信技术是为了不同的应用而开发的，它们有不同 的性能和各自的应用领域，下面对现有的几种无线通信技术的信道接入机制进 行了分析。 2 1 蜂窝移动通信系统 蜂窝移动通信系统已经经过了三代发展，每一代都有不同的技术。第一代 移动通信系统使用模拟语音，第二代移动通信系统使用数字语音，第三代移动 通信系统面向数字语音和数据通信。蜂窝移动通信系统的信道多址接入方式分 为三种：频分多址f d 姒、时分多址t d m a 和码分多址c d 姒“”。 f d m a 将系统的总频段分为若干个等间隔的频段( 信道) ，由于采用不同的 频率，各信道可以同时收发信息而互不干扰。多数蜂窝移动通信系统都使用了 f d m a 技术，每部移动电话都在一个频率上发送数据，在另一个高一点的频率上 接收数据。 t d m a 把时间分割成周期性的帧，每一帧又分成若干个时隙，然后根据一定 的分配原则，使每个移动台在每帧内只能在指定的时隙向基站发送信号。同时， 基站发向多个移动台的信号都按顺序安排在预定时隙中进行传输。各移动台只 要在指定的时隙内接收，就可将发给它的信号在合路信号中区分出来。 c d m a 并不将整个可用的频率范围分成几百条窄的信道，相反，它允许每个 站在任何时候都可以在整个频段范围内发送信号，然后利用编码技术将多个并 发的传输过程分离开。在c d m a 中，每一位时间被分成m 个时间间隔，称为时间 片( c h i p ) ，每一个站被分配一个唯一的m 位的代码，称为时间片序列( c h i p s e q u e n c e ) 。为了传输位“1 ”，一个站将它的时间片序列发送出去；为了传输位 “0 ”，它将时间片序列的补码发送出去。除此之外，不再允许有其他模式。 5 第二章现有无线网络信道接入机制的分析 2 2 i e e e 8 0 2 1 1 协议 i e e e s 0 2 1 1 标准是由i e e e 在1 9 9 7 年推出的w l a n 的协议标准，它支持两 种信道访问操作模式：一种模式称为分布式协调功能d c f ( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) ，另一种模式称为点协调功能p c f ( p o i n t c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 叫 其中d c f 模式是节点共享无线信道的基本接入模式，它把c s m a c a ( c s 姒 w i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 技术和确认( a c k ) 技术结合起来，并使用了虚拟 信道监听机制和帧分片技术，从而提高了整个网络的吞吐量。但i e e e 8 0 2 i i 协议仍采用b e b 退避机制，所以无法保证无线信道接入的公平性。 当处于p c f 模式时，接入点将询问所有客户端以获取数据，客户端只有在 被查询到的时候，才能向接入点收取和发送数据。由于p c f 处理每个客户端的 时间和顺序是固定的，所以能保证一个固定的时延，但当网络规模变大以后， 由于轮询客户端数量的增多和网络开销的增大，将会造成网络效率的急剧下降 和传输时延的增大。并且，p c f 模式不适于移动自组织网络，当单个节点移入 接入点的通信范围时，它必须通过竞争向接入点发送加入信息，但当网络处于 忙时，它的加入时间将被延迟。 2 3 家庭射频h o m e r f 家庭射频( h o m e r f ) 技术是对现有无线通信标准的综合和改进，无绳电话 技术d e c t 和w l a n 技术相互融合构成了h o m e r f 采用的共享无线应用协议s w a p ( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c 0 1 ) 。s w a p 采用t d m a 和c s m a c a 相结合的 信道接入方式，适用于小范围内的多种传输业务类型，并且能够与公众交换电 话网p s t n 和互联网i n t e r n e t 进行交互式操作“”。 h o m e r f 把业务类型分为三种：交互式语音、高速分组数据和有优先级的流 介质业务，并根据业务的不同采用不同的接入机制。对实时性要求不高的数据 业务采用c s m a c a 机制，其接入方式与i e e e 8 0 2 1 1 中的d c f 相一致。对实时性 要求较高的同步全双工均衡语音服务完全以d e c t 规范为基础，采用t d m a 方式 和分组预约话音插空技术，以满足对时延的要求和提高网络容量。而对实时性 6 第二章现有无线网络信道接入机制的分析 要求介于两者之间的流介质业务则采用u d p i p 协议，规定了高级别的优先权并 采用了带有优先权的重发机制，可随时占用数据信道资源，这样就确保了实时 性流介质业务所需的带宽、低干扰和低误码。s w a p 最多可以同时支持8 个工作 在单工、双工及多播方式的流介质业务。 2 4 蓝牙技术b l u e t o o t h 蓝牙是由以e r i c s s o n 公司为首的五家i t 界巨人( e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、 n o k i a 和t o s h i b a ) 于1 9 9 8 年共同提出的一种近距离无线数字通信的技术标准， 旨在创立一项软、硬件结合的公开规范，为所有不同设备提供具备互操作性、 可交叉开发的工具。与其他规范不同，蓝牙规范是针对整个系统的，从物理层 到应用层，面面俱到“o 。 蓝牙系统的基本单元是一个微微网( p i c o n e t ) ，微微网包含一个主节点， 以及1 0 米距离之内至多7 个活动的从节点。微微网之间可以通过一个桥节点连 接起来，一组相互连接的微微网称为一个分散网( s c a t t e r n e t ) 。在一个微微网 中，除了7 个活动的从节点以外，还可以有多达2 5 5 个静观节点( p a r k e dn o d e ) 。 所谓静观节点是指这样的设备，主节点已经将它们切换到一种低功耗状态，以 便降低它们的电源消耗。一个处于静观状态的设备，除了响应主节点的激活或 者指示信号以外，不做其他任何事情。 蓝牙系统采用这种主从模式的设计是为了降低实现成本，但造成的直接后 果是，从设备基本上都是一些哑设备，只能完成一些主节点告诉它们该做的事 情。实际上，微微网就是一个中心化的t d m a 系统，主节点控制了时钟，它决定 了每个时隙中哪个设备可以进行通信，并且所有通信都是在主节点和从节点之 间进行的，从节点与从节点之间直接通信是不可能的。 2 5a dh o c 网络 a dh o c 网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时 性自治系统。移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑 结构。这种网络可以独立工作，也可以与i n t e r n e t 或蜂窝移动通信系统连接。 与传统无线通信网络相比，a dh o c 网络具有以下显著特点：无中心和自组织性、 第二章现有无线阿络信道接入机制的分析 动态变化的网络拓扑、多跳路由、移动终端的便携性和安全性差“”。 由于a dh o c 网络还未实现标准化，不同传输环境的信道接入协议也是不同 的。经过长期与广泛的研究，现已提出了数十种a dh o c 网络信道接入协议。对 信道接入协议进行严格的分类是非常困难的，这里把a dh o c 网络的信道接入协 议按其使用的信道数目划分为以下三种。 第一种为基于单信道的信道接入协议，这种信道接入协议用于只有一个共 享信道的a dh o c 网络。所有的控制报文和数据报文都在同一个信道上发送和接 收。受传播时延、隐终端和节点移动等因素的影响，单信道的a dh o c 网络中有 可能发生控制报文之间、控制报文和数据报文、数据报文之间的冲突。一般来 讲数据报文要比控制报文长得多，数据报文的冲突会严重影响信道的利用率。 所以，这种信道接入协议的主要目标之一就是通过使用控制报文尽量减少甚至 消除数据报文的冲突，即设计合适的冲突避免策略。典型的基于单信道的a dh o c 网络信道接入协议有m a c a 、m a c a w 、c s 姒c a 和f a m a ( f l o o ra c q u i s i t i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 7 “等。 第二种为基于双信道的信道接入协议，这种信道接入协议用于有两个共享 信道的a dh o c 网络。两个信道分别为控制信道和数据信道。控制信道只传送信 道接入协议的控制报文，而数据信道只传送数据报文。因为使用了两个不同的 信道，控制报文不会和数据报文发生冲突。双信道在解决隐藏终端和暴露终端 方面具有独特的优势，通过适当的控制机制，可以完全避免数据报文的冲突。 典型的基于双信道的a dh o c 网络信道接入协议有队p u ( b a s i ca c c e s sp r o t o c o l s o l u t i o nf o rw i r e l e s s ) 1 钔和d b t m a ( d u a lb u s yt o n em u l t i p l ea c c e s s ) 2 1 3 等。 第三种为基于多信道的信道接入协议，这种信道接入协议用于具有多个信 道的a dh o c 网络。由于网络中有多个信道，相邻节点可以通过不同的信道同时 进行通信。在使用多信道的情况下，接入控制更加灵活。可以使用其中一个信 道作为公共信道，也可以让控制报文和数据报文在同一个信道上混合传送。这 种信道接入协议主要关注两个问题：信道分配和接入控制。信道分配负责为不 同的通信节点分配相应的信道，消除数据报文的冲突，使尽量多的节点可以同 时进行通信。接入控制负责确定节点接入信道的时机、冲突的避免和解决等问 8 第二章现有无线网络信道接入机制的分析 题。典型的基于多信道的信道接入有h p m a ( h o pr e s e r v a t i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、 m u l t i c h a n n e lc s m a 、d c a ( d y n a m i cc h a n n e la s s i g n m e n t ) 、删a c ( m u l t i c h a n n e l m a c ) 等恤堋。 2 6 无线令牌环w t r p 无线令牌环是为智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 开发的一种无线信道接入协议。它是从令牌总线i e e e s 0 2 4 协议上改进而成的， 能保证无线信道接入的公平性，满足系统的实时性要求。 无线令牌环w t r p 按照某种分群算法将网络初始化为若干环形拓扑结构的 子网络( 令牌环) ，分群算法的目的就是获得相互连通、覆盖所有节点的群。每 一个群由一个中心节点和普通节点构成，中心节点选为群首。群与群之间使用 不同的信道，群与群之间的通信由网关节点中转，网关节点能在几个不同的信 道中切换。为防止令牌丢失，每个节点都有权利生成一个新的令牌，因此，一 个令牌环中可能会同时存在两个或两个以上的令牌嘲。 由于智能交通系统i t s 的应用环境区域较大，无线令牌环f r r p 倾向于解决 无线网络的部分互连问题。为此，无线令牌环w t r p 采用了多环机制，环与环之 问使用不同的信道。整个系统使用类似蜂窝移动电话的频率重用思想，以提高 系统的空间复用度。为了保证系统的健壮性，采用了分布式结构，每一个节点 都设置了代表令牌环拓扑结构的连接表数据库，在每一个环中都采用多令牌控 制机制，因此，令牌和令牌环的管理和维护比较复杂。 2 7 无线网络技术比较 表2 1 无线网络技术比较 、种类 i e e e 8 0 2 1 l家用射频 蓝牙 项目 协议 h o m e r fb l u e t o o t h 信道接入 控制机制 c s m a c a c s m a c a 、t d m a t m n 长距离无线高速家庭或s o h o 的无短距离无线通信 应用领域 数据通信线通信 9 第二章现有无线网络信道接入机制的分析 使用频段 2 4 g h z2 4 g h z2 4 g h z 传输距离 1 5 0 m5 0 m1 0 c m - 1 0 m 采用技术f h s s d s s s f h s sf h s s 表2 2 无线网络技术比较 种类 蜂窝移动无线令牌环 a dh o c 网络 牙 通信系统 甲r r p 信道接入 c s h 瞌二0 a 、f a j a 、 控制机制 f d m a c d i i a t 啪a w t r p d 鲫雌、m m a c 等 长距离无线移动无中心的自组织 应用领域智能交通系统i t s 语音数据通信无线网络 使用频段 9 0 0 m h z 1 8 g h z非标准化2 4 g h z 传输距离 5 0 0 玎_ r 3 5 k m非标准化 5 0 0 m 以上 采用技术g m s k f h s sf h s s 2 8 本章小结 本章介绍了现有的无线网络技术：蜂窝移动通信系统、i e e e 8 0 2 i i 、家庭 射频( h o m e r f ) 、蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 、a dh o c 网络以及无线令牌环( w t r p ) ， 并对其性能、信道接入机制和应用领域进行了分析和对比。 1 0 第三章w i 删通信协议的研究 第三章w i c n 通信协议的研究 在工业生产现场存在大量的传感器、控制器、执行器等，它们通常相当零 散地分布在一个较大地范围内。对由它们组成的控制网络，其单个节点面向控 制的信息量不大，信息传输的任务也相对比较简单，但对实时性、快速性的要 求较高。如果按照七层协议的参考模型，由于层间操作与转换的复杂性，网络 接口的造价和时间开销显得过高。为满足实时性要求和降低成本，工业控制网 络的通信模型大都在o s i 模型的基础上进行了不同程度的简化。 3 1w i c n 的通信模型 参照o s i 模型，无线工业控制网络w l c n 的通信参考模型采用三层结构： 物理层、数据链路层和应用层。其中数据链路层根据其主要功能特点又分为两 个相对独立的子层：介质访问子层( m a c ) 和逻辑链路子层( l l c ) 。这种简化的 协议结构适用于实时系统，它减少了协议内部数据处理的开销，满足时间约束 条件。 物理层作为整个协议的最低层，为介质访问子层m a c 提供服务，主要提供 以下功能：帧传输控制服务、信道的激活失效服务、保障无线通信链路服务、 物理层状态指示服务。 数据链路层用来处理介质访问和逻辑链路，其中介质访问子层i v i a c 用来控 制无线信道的接入，逻辑链路子层l l c 用于提供数据组帧、错误检测和链路控 制等功能。 应用层主要功能是为完成特定的工业控制任务提供通信工具。应用层与其 服务对象之间利用应用层提供的服务原语进行通信，从而完成想要达到的工业 控制目的。 为了满足无线通信技术在工业控制网络中应用的要求，在物理层使用一种 具有超强抑止干扰、特低功耗的肋m a ( m u l t id i m e n s i o n a lm u l t i p l ea c c e s s ) 多维多址机制位刀。在数据链路层加入一个能兼容原有的c s m a 协议的虚拟令牌控 制机制，以保证数据传输的实时性，这也是本文重点解决的问题。在应用层使用 第三章w i c n 通信协议的研究 符合c i p ( c o n t r o l i n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议的用户接口。 w i c n 的通信模型与o s i 模型的对照参见图3 一l ： o s i 模型 w i c n 应用层 用户接口c 口 表示层 会话层 传输层 网络层 虚拟令牌控制 数据链路层l l c m a c 物理层 物理层 m d m a 图3 一lo s i 模型与w i c n 的分层对照 3 2 基于令牌的适用于w i c n 的m a c 协议 为了开发一个适用于w i c n 的m a c 协议，总结了w i c n 环境的一些特点和需 求：无线工业控制网络一般局限于一个小区域内，并且移动性有限；为了适应 工业信息化的进程，应当和企业网的上层网络进行集成；系统的从站数目有限， 且小于w s n 中的数目。因此，总的来说，w i c n 可以看作一个特殊的只有单跳的 a dh o c 网络啪) 。 根据无线工业控制网络的特点和需求，提出一个基于令牌的满足w i c n 实时 性和可靠性要求的m a c 协议，并定义了协议的整套运行机制和帧格式。该协议 能兼容原有的c s m a 协议，所以能在原有无线局域网m a c 协议上方便的嵌入，为 以后的应用开发提供了便利。 3 2 1 拓扑结构 工业控制网络需要与企业上层网络( i n t r a n e t ) 相连以便与外界实现信息 交互，工业控制网络中与企业上层网络相连的站点被定义为主站。在全互连的 无线分布式系统中由主站建立一个逻辑环，系统中其它所有以接收发送模式工 作的s t a ( 从站) 都要加入该逻辑环，并分配一个唯一的站点地址，逻辑环上 所有站点都知道其前驱站和后继站。 第三章肌o i 通信协议的研究 建立逻辑环后主站生成一个控制令牌，令牌沿着逻辑环依次传递，直到等 待发送数据帧的s t a 接收到它，s t a 得到令牌后，独占无线信道发送数据帧。 整个系统的建立与维护都由主站完成，因此从站可以采用廉价的、计算能力较 弱的低功耗设备。由于工业控制网络站点的移动性，从站可以随时退出逻辑环， 也能在主站的调控下随时加入逻辑环。主站要在网络拓扑结构发生变化时实时 更新与之相对应的连接表。 w i c n 的拓扑结构如图3 2 ： 囵_ 主站 o _ 从站 图3 2w i c n 的拓扑结构 3 2 2 逻辑环的建立 初始时，各个从站都未加入逻辑环，它们首先进入复位状态，然后侦听信 道，等待主站的邀请加入主站得电后也先复位，然后发送s o l i c i ts u c c e s s o r 帧，邀请其他的从站加入。其它从站侦听到s o l i c i ts u c c e s s o r 帧后，退避一 随机时隙发送s e ts u c c e s s o r 帧，竞争成功的站点成为主站的后继站。后继站 再把主站先前的后继站设置为它的后继站( 对第一个加入的从站来说，主站先 前的后继站就是主站本身) ，由此构成了一个2 个站点的逻辑环。主站生成一个 令牌( t o k e n ) ，令牌在该逻辑环上传递。当令牌回到主站，主站先处理队列中 的数据帧，如队列为空或数据帧处理完毕后令牌持有时间t h t 还未耗尽，主站 就再次发送s o l i c i t _ s u c c e s s o r 帧，邀请其他的从站加入。依据此机制，经过 一段时间后，无线分布式系统中的站点就会自动组建成一个逻辑环。下面举例 第三章町洲通信协议的研究 说明逻辑环的建立。 假设系统有6 个站点，其中主站a 发送第一个s o l i c i t _ s u c c e s s o r 帧。b 竞争成功，发送s e t 帧，成为主站a的后继站。接下来b又把设_successor a 为它的后继站( 因为此时a 先前的后继站就是a ) ，由此构成了2 个站点的逻辑 环，如图3 3 ( a ) 所示。当主站a 收到令牌且队列为空时，再次发送 s o l i c i t _ s u c c e s s o r 帧，d 竞争成功，成为a 的后继站，此时a 先前的后继站是 b ，故d 把b 设置为它的后继站，如图3 3 ( b ) 所示。依此类推，经过一段时 间后，5 个从站都加入逻辑环，系统初始化完成，如图3 3 ( c ) 所示。 图3 - 3 逻辑环的建立 3 2 3 连接表的建立与维护更新 在逻辑环建立之后，要在主站中建立一个与逻辑环一一对应的连接表。连 接表包含四个域，其中序列号( s e q u e n c e ) 是s t a 的逻辑地址，它用于统计系 统中站点的个数，站点地址( s t a t i o n a d d r ) 是站点的物理地址，前驱站地址 ( p r e a d d r ) 是站点前驱站的物理地址，后继站地址( s u c a d d r ) 是站点后继站 的物理地址。 序列号s e q u e n c e 这个参数非常重要，因为在基于令牌或时分的系统中，系 统的传输时间延迟与系统中站点的个数密切相关，当系统的站点超过一定数目 时，系统的实时性将无法保证。主站可利用该参数来限制系统中站点的个数， 当该参数大于某一规定值时，就不再允许从站加入，以保证系统的最低传输时 间延迟。序列号s e q u e n c e 的操作由主站和从站共同完成，主站发出的令牌帧的 1 4 第三章曹io l 通信协议的研究 s e q u e n c e 字节设为0 ，当从站收到令牌时，它就把令牌帧的s e q u e n c e 字节加1 。 当令牌帧再次回传到主站时，主站就清楚的知道目前逻辑环中从站的个数，主 站再次把令牌帧的s e q u e n c e 字节清零。 连接表在逻辑环拓扑结构发生改变的时候要随着拓扑结构的变化而更新， 其进行更新所需的信息由令牌捎带。主站通过“偷听”令牌帧而获得更新连接 表的信息。令牌中的p r e a d d r 、s t a t i o n a d d r 和s u c a d d r 字节为建立和更新连接 表提供了信息。每次主站侦听到令牌帧后，取出其中p r e a d d r 、s t a i o n a d d r 和 s u c a d d r 字节的信息与连接表中相对应的域的信息相比较，如果信息有变化则 更新连接表，否则简单的丢弃。 对照图3 2 ，这里给出一个连接表的例子，如表3 - - 1 所示： 站点序列号 前驱站点后继站点 s t a t i o n a d d rs q u e n c ep r e a d d rs u c a d d r aofb b1ac c28d d3ce e4df f5ea 3 2 4 帧的格式 表3 1 一个连接表的例子 本协议定义了6 种帧的格式，其中控制帧6 个，数据帧1 个。其帧格式如 下所示： 1 令牌帧t o k e n 88888l1 6b i t 其中t y p e 指明帧的类型( 令牌，令牌控制帧等) ，s e q ( s e q u e n c e ) 为站点 第三章_ l c n 通信协议的研究 s t a t i o n 的逻辑号，p r e a d d r ( p r e d e c e s s o ra d d r e s s ) 为前驱站地址， s t a t i o n a d d r ( s t a t i o na d d r e s s ) 为本地站地址，也是消息发送站点地址 f r o m a d d r ，s u c a d d r ( s u c c e s s o ra d d r e s s ) 为后继站地址，也是消息接收站点地 址t o a d d r ，t r c ( t o k e nr o t a t ec o u n t e r ) 为令牌在环中循环的次数，每当令牌 旋转一周，主站就将t r c 加一c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 为循环冗余 码校验。 2 s o l i c i t _ s u c c e s s o r 帧 8 8 ss1 6b i t 其中t y p e 指明帧的类型，b r 表示该帧用于广播，h o s t s u c a d d r 为主站后 继站的地址，h o s t a d d r 为主站的地址，c r c 为循环冗余码校验。 3 s e t _ s u c c e s s o r 帧 其中t y p e 指明帧的类型，t o a d d r 为该帧的目的地址，f r o m a d d r 为该帧 的源地址，s u c a d d r 为设置的后继站地址，c r c 为循环冗余码校验。 4 s e t _ p r