工業(yè)無線標準ISA100.11a數(shù)據(jù)鏈路層解析

王明達 田沛

摘要：概述無線標準的發(fā)展，描述了ISA100.11a數(shù)據(jù)鏈路層的主要關鍵技術，包括數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元、共存策略、信道跳躍方案、數(shù)據(jù)鏈路層路由方案、鄰居發(fā)現(xiàn)，最后分析總結了數(shù)據(jù)鏈路層的特色及優(yōu)點。

關鍵詞：工業(yè)無線；ISA100.11a；數(shù)據(jù)鏈路層；共存策略1引言

無線技術被廣泛采用,幾乎集成到我們日常生活的每一個部分。由一些組織和機構引入無線傳感器網(wǎng)絡到工業(yè)過程自動化證明了無線技術有很多的好處。可靠性、靈活性、自動化解決方案費用的有效性和降低成本，通過改變自動化系統(tǒng)采用無線的方式易于維護工業(yè)工廠是顯著的優(yōu)點。

2工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡標準的發(fā)展

隨著工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，對于工業(yè)無線自動化應用有一種趨勢那就是采用低功耗,成本和速率的標準。Zigbee，其下層規(guī)范基于IEEE STD 802.15.4，它是操作于868/915MHz和2.4GHz頻段低速率的個人無線局域網(wǎng)的一個主要標準，作為一個低功耗/成本、監(jiān)視、控制的工業(yè)無線標準和藍牙（Bluetooth）技術一起出現(xiàn)。然而，事實證明Zigbee不適合于工業(yè)應用主要是是因為它不能滿足工區(qū)控制的嚴格需求，涉及到關鍵性的遲延、安全和高可靠性。這些Zigbee都不能達到。因此兩個新的工業(yè)無線標準WirelessHART和ISA100.11a出現(xiàn)了，他們有著明顯突出的嚴格的時延和高可靠性。WirelessHART是由HART通訊基金會于2007年9月正式發(fā)布的第一個開放式的無線通訊標準，它可以概括為基于時分多址（TDMA）的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡技術，運行在不受限制的2.4GHz ISM無線電頻段，針對于有著嚴格的時間和安全需要的工業(yè)自動化過程。除此之外，由我國提出的工業(yè)無線標準被稱為工業(yè)自動化無線網(wǎng)絡-過程自動化（WIA-PA）并且獲得了IEC國際組織的認可。

ISA100.11a標準。ISA100.11a是由ISA標準與實踐董事會在2009年9月通過并且作為官方的一個ISA標準，是一個無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡標準，目標是對于過程控制和相關的應用提供可靠的安全的無線通訊和操作。ISA SP100委員會的目標是ISA100標準族，它是一系列的工業(yè)無線標準包括不同的應用比如過程應用，資產追蹤和認證等等。ISA100.11a是ISA100標準族的第一個對于過程自動化包括管理和安全的范圍有著明確規(guī)定的標準。

3ISA100.11a數(shù)據(jù)鏈路層

總的來說，該標準的數(shù)據(jù)鏈路層負責安全性、可靠性和在惡劣的工業(yè)環(huán)境中基于IEEE STD 802.15.4物理層無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡設備間數(shù)據(jù)包的無錯誤傳輸。ISA100.11a使用IEEE Std 802.15.4的媒體訪問控制層，但是僅僅使用其數(shù)據(jù)幀。MAC的擴展（MAC extension），其包括了數(shù)據(jù)鏈路層的某些方面IEEE沒有相應的規(guī)定但是在邏輯上是媒體訪問控制層（MAC）的功能。數(shù)據(jù)鏈路層上層（Upper Data Link）負責處理在MAC之上的鏈路和網(wǎng)狀方面的問題。

3.1 共存策略

由于2.4GHz頻段是ISM非限制頻段的一部分，對于可靠性和共存問題，該標準的數(shù)據(jù)鏈路層采用了：時分多址（TDMA）基于時隙和調度操作來減少在網(wǎng)絡中傳播的可能碰撞；信道跳躍方案來減小交叉干擾或者是多徑衰減；由安全機制提供的數(shù)據(jù)驗證和完整性，同時還提供一種不作為默認設置的數(shù)據(jù)保密性的選擇；限制使用有著相對較高的干擾和可能性錯誤信道，比如信道黑名單，頻譜管理；可配置的時隙在10到12ms之間。

3.2 信道跳躍方案

基于來自IEEE STD 802.15.4物理層多個信道的可用性，ISA100.11a結合TDMA定義的信道跳躍方案提出了信道多樣性和時間多樣性的三種跳信道方案來進一步減小在相對較高的干擾下進行通訊的可能性。它們是時隙跳信道，慢跳信道和混合跳信道。

在時隙跳信道中，每個時隙使用在跳躍模式中下一個繼承的無線電信道。時隙跳躍中的時隙應當有持續(xù)時間并且能夠適應一個單獨的事物比如DPDU和它的ACKs/NACKs。時隙跳信道在時隙明確分配的通訊中使用。在慢跳信道的過程中一個信道被連續(xù)的時隙占用，并且慢跳信道持續(xù)時間典型的是系統(tǒng)管理者指定的100~400ms。更長的時隙持續(xù)時間能夠支持設備不精確的時間設定或者是設備臨時和網(wǎng)絡失去通信，同時，信道15、20和25被用于設計作為慢跳信道并且也可能被用于鄰居發(fā)現(xiàn)。方便想要加入一個確定網(wǎng)絡的設備能夠主要掃描現(xiàn)場路由器在這些信道上的特定網(wǎng)絡的廣播?；旌咸诺缹嶋H上是一個自適應的慢跳信道和時隙跳信道的結合，時隙跳信道適合與有計劃和安排的信息，并且慢跳信道適用于難以預測的信息比如警報和重試。

3.3 數(shù)據(jù)鏈路層路由方案

由于ISA100.11a標準有著子網(wǎng)的概念，所有在數(shù)據(jù)鏈路層它也會執(zhí)行路由策略。在ISA100.11a的無線網(wǎng)絡內，在數(shù)據(jù)鏈路層的基礎上通過系統(tǒng)管理者配置，信息能夠遍歷子網(wǎng)。一旦信息路由至主干網(wǎng)絡路由（子網(wǎng)的終端），它將被裝配上網(wǎng)絡層的首部，目的是通過主干網(wǎng)絡被路由至它的最終目的地。

設備的數(shù)據(jù)鏈路層支持圖路由和源路由。路由表比如圖ID或者是源路由表都被存儲在DL首部一個特定的區(qū)域。來源于鄰居發(fā)現(xiàn)，設備已經(jīng)產生一個確定數(shù)量的報告來給周圍的鄰居表明當前信息和過去的鏈接。然后系統(tǒng)管理者能夠分析這些參考，目的是配置符合這個標準的設備的路由需求。因此所謂的自適應性DL路由能夠很方便的實現(xiàn)原因是在一個持續(xù)的進程中基于鄰居發(fā)現(xiàn)的生成報告，基于生成報告系統(tǒng)管理者能夠優(yōu)化路由的選擇。

3.4 鄰居發(fā)現(xiàn)

鄰居發(fā)現(xiàn)是一個至關重要的步驟對于網(wǎng)狀網(wǎng)絡的操作來維持和優(yōu)化網(wǎng)絡結構來達到要求的可靠性和效率。它也是一個持續(xù)的進程，在整個設備的運行周期都被執(zhí)行，從未配置狀態(tài)開始并且延伸至加入過程及加入網(wǎng)絡以后。通常鄰居發(fā)現(xiàn)包含兩個步驟：

⑴想要加入一個網(wǎng)絡的設備發(fā)現(xiàn)和接收廣播來初始加入請求，這個廣播包含了來自指定廣播路由或者代理的網(wǎng)絡信息。

⑵在變成網(wǎng)絡的一份子之后，設備發(fā)送和接收廣播到/來自它的鄰居來構建內部的候選名單目的地是幫助系統(tǒng)管理者來更新和優(yōu)化最終的網(wǎng)絡拓撲和網(wǎng)狀配置。

ISA100.11a標準在鄰居發(fā)現(xiàn)上不但像WirelessHART標準一樣保持相同的被動偵聽方案，目的是節(jié)約能源，而且提出了一個主動掃描的方案，這個方案是主動請求廣播。主動請求主機在主動請求的模式下也能夠配置周期性在網(wǎng)絡內發(fā)送廣播信息，為的是方便設備執(zhí)行被動掃描。設備如何完成鄰居發(fā)現(xiàn)的方式是由子網(wǎng)的系統(tǒng)管理者通過和DL管理對象及其DMAP屬性相互交流管理來調度和配置的。此外，還提供了一種過濾機制，這種機制將子網(wǎng)的ID和請求聯(lián)系起來以便只有首選的一組子網(wǎng)廣播信息被偵聽到。

4總結

根據(jù)上文的分析可以發(fā)現(xiàn)，ISA100.11a無線工業(yè)標準包括和延伸了其它標準比如WirelessHART已經(jīng)存在的服務和功能。例如可配置的時隙，更多的信道跳躍方案的選擇來適應具有不同時間能力的設備。此外，它還開發(fā)了一系列的可選方案，這使得能夠有更加靈活的解決方案，例如數(shù)據(jù)鏈路層子網(wǎng)路由。所有數(shù)據(jù)鏈路層的行為都被由系統(tǒng)管理者通過和管理對象的交互作用進行管理和維護的。

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