一種工業無線自適應退避競爭接入方法的研究

王寶珠+李蓬勃+齊存康+郭志濤

摘 要： 在工業網絡中，無線通信已經成為一個研究熱點。傳統的輪詢方法具有可靠、穩定的優點，但對于子節點猝發的異常數據不能做到實時監測。設計一種保證工業異常數據實時接入信道的自適應退避競爭調度方法，該方法以輪詢方式作為基礎通信方式，并設計超幀結構以提供數據接入時隙，同時采用自適應退避競爭的方法避免信道碰撞。實驗結果表明，異常數據以此方式接入信道具有較高的實時性和可靠性，滿足工業對異常數據傳輸的苛刻要求。

關鍵詞： 競爭間隙； 異常數據； 自適應退避競爭； 數據接入； 數據傳輸

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0028?05

Study on an adaptive keeping?off competition access

method of industrial wireless networks

WANG Baozhu1， LI Pengbo1， QI Cunkang2， GUO Zhitao1

（1. School of Electronic and Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300400， China；

2. School of Aviation， Aerospace and automobile， Tianjin Sino?German University of Applied Sciences， Tianjin 300400， China）

Abstract： Wireless communication has become a hot research topic in the industrial network. The traditional polling method has the advantages of high stability and reliability， but it cannot provide real?time monitoring for abnormal data of subnodes. A method of adaptive keeping?off competition scheduling to guarantee abnormal data′s real?time access to the channel is designed in this paper. In this method， the polling mode is adopted as the basic communication mode， superframe structure is designed to provide the slot time for data access， and the adaptive keeping?off competition method is adopted to avoid channel collisions. The experimental results show that the method of accessing abnormal data to the channel has high real?time performance and reliability， which can satisfy the strict requirements for abnormal data transmission in industry.

Keywords： competition gap； abnormal data； adaptive keeping?off competition； data access； data transmission

0 引 言

隨著無線技術的飛速發展，在工業生產中工業無線網絡（Industrial Wireless Sensor Network，IWSN）[1]逐步得到廣泛應用。由于其具有低成本、易維護、易使用和泛在感知等特點，人們可以以較低費用實現對工業全流程的全面檢測[2]。工業無線網絡已經成為工業自動化和無線研究領域的一個新的熱點方向[3]。在工業自動化中，實時監測生產數據是一個非常重要的環節。監測數據又分為正常運行數據和異常數據。在工業生產中設備產生異常數據即意味著生產出現問題，甚至可能是關乎生命安全的重大問題[4]。所以，異常數據的捕捉必須有著高優先級、苛刻的實時性和可靠性[5]。

1 研究現狀

由于異常數據的緊急性和硬實時性，必須要保證其能迅速競爭到信道資源，在此領域學者進行了大量的研究。文獻[6]提出以異步多信道的形式處理緊急異常數據接入信道，這在某種程度上增加了硬件的成本開銷。文獻[7]提出節點本地計算信道擁堵度，并以此劃分工作狀態，進而改變不同速率、帶寬的調整策略。目前大部分學者都是針對多信道異常數據處理協議做的相關研究，對單信道的研究較少，而且多信道的使用在工業成本上會比較高，所以本文將對工業單信道異常數據的處理協議做出相關研究，提出一種保證工業異常數據在單信道工業網絡中實時接入的自適應退避競爭時隙調度方法。

2 設計思想

星型拓撲結構相對簡單，便于管理，是工業通信中普遍采用的一種拓撲結構[8]，網絡結構中分為主節點和從節點兩種設備，如圖1所示。主、從節點共存于同一信道，在任何網節點都可以監聽到信道中的所有信息，主、從節點間通信報文主要包括以下幾點：網絡維護信息報文；監測數據報文；數據確認報文。

2.1 超幀時隙分配

通信以周期性的超幀結構完成，超幀結構分為網絡維護區和通信區，其超幀模型如圖2所示。網絡維護區主要包括信標幀，通信區為[N]個通信時隙。通信區的[N]個通信時隙由主節點的數據確認報文實時劃分，在每個時隙分為上傳間隙和競爭間隙，其長度分別為[Tu]和[Tr。]從節點在上傳間隙上傳數據；競爭間隙為主節點的數據確認報文和從節點隨機退避競爭信道提供信道資源。endprint

如圖2所示，定義超幀長度為[T，]網絡維護區長度為[Tm，]通信區長度為[Tc，]即有：

[T=Tm+Tc] （1）

類似于時隙ALOHA算法，把超幀劃分為[N]個時隙，每個時隙長度為[Ts，]即有：

[Tc=N×Ts] （2）

節點之間所有通信都在相應時隙中完成。在信標幀時隙中主節點負責維護網絡，其主要任務包括：

（1） 設置網絡參數，工作為主站模式；

（2） 掃描自由節點，使自由節點進入網絡通信；

（3） 設置通信起始端。

在時隙的上傳間隙中從節點上傳數據，競爭間隙的主要任務包括：

（1） 主節點回復接收消息確認，并同時附帶時隙位置標志；

（2） 從節點監聽信道中主節點的回復消息，讀取消息中時隙位置；

（3） 從節點做出隨機延時，準備上傳數據；

（4） 從節點做出隨機延時，競爭上傳告警信息。

2.2 通信模型

在通信系統中，要滿足通信的實時性、有效性、低碰撞率等要求，就得必須科學地規劃超幀通信的時隙。通信系統中的主節點首先在信標幀時隙組建網絡，使自由節點捕捉到信道頻率，采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）算法進入通信網絡。從節點在捕捉到信號之后，監聽信道載波，根據各節點獨一無二的ID設置隨機延時[Tdelay1]申請入網。入網之后，各從節點都將擁有一個通信時隙，其通信模型如圖3所示。

在通信網絡系統中，主、從節點之間傳遞的數據包括正常輪詢數據和異常數據，其通信流程如圖4所示。

在正常情況下，已入網從節點根據信標幀時隙中的通信時隙標志，在各自相應時隙的上傳間隙上傳數據。主節點在接收到從節點上傳數據之后，立即回復數據確認幀。確認幀包括下一時隙通信節點信息，其格式如圖5所示。已入網從節點根據節點信息匹配自己地址，確認是否被詢問，從而避免了時隙ALOHA中因丟失從節點而留下空白時隙導致的延時通信問題，同時也避免CSMA/CA中的無序碰撞退避的問題。從節點在被詢問之后，在競爭間隙里監聽信道，做出隨機延時[Tdelay2Tdelay1

當異常狀況出現時，采用CSMA/CA退避算法，異常節點首先立即監聽信道，在監聽到主節點的任意時隙確認幀之后，在競爭間隙做出隨機延時，隨后發出異常數據。由于異常數據幀非常短，僅包含了激發節點ID號和異常數據，所以在很大程度上可以節約上傳延時，同時也可以降低隱藏節點異常數據幀的碰撞概率[9]。競爭時隙上傳數據的過程如通信模型圖3中競爭上傳的③和④所示。競爭上傳③的[k]號節點處于異常狀態，其在時隙1的競爭間隙搶時隙2上傳數據，則原時隙2的2號節點時隙會被順延到下一個時隙，這樣順延節點就產生了。在異常數據上傳完畢，主節點做出數據確認幀，2號節點在時隙3上傳數據。假設在一超幀周期[T]內，有[MMTc]就會出現[（n+M）×Ts-Tc]個節點進入下一超幀周期，依次順延節點到相應時隙。當[Tm+Tc>T]時，超幀進入下一周期。

2.3 模型分析

在工業通信中，從節點設備出現異常數據的概率服從泊松分布。設從節點在平均進入[λ1]次異常狀態的情況下，其發生[x1]次的概率為：

[pgx1=λx11x1！×e-λ1] （3）

從節點監聽信道上傳數據為隨機事件，其服從泊松分布，設從節點在平均[λ2]個節點進入監聽信道上傳的情況下，其發生[x2]個節點上傳的概率為：

[pupx2=λx22x2！×e-λ2] （4）

2.3.1 自適應退避競爭方法

由于所有已入網從節點實時在監聽信道狀態，所以該方法未設置嚴格的時間節點劃分時隙，而是應用主節點的信標幀和數據確認幀來實時設置時隙，從而避免了嚴格定點時隙帶來的信道資源浪費。節點時間結構如圖6所示，其中標注的A區域的[Tdelay2]是輪詢的從節點必須等待的延時，在這一延時過程中激發節點可以競爭時隙，如C區域的[Tdelay1]為異常節點的退避區，如同CSMA/CA的幀間空間（Interframe Space，IFS）和競爭窗口（Contention Window，CW）。

在競爭窗口中采用分段競爭機制[10]，隨機延時[Tdelay1]將根據設備節點ID和競爭信道次數決定，以此實現自適應退避競爭。其獲得方法如下：

① 首先劃定[Tdelay1]的最大范圍[Tdelay1∈0，Tdelay_max]；

② 假設設備節點[IDnum∈1，n]，則最大競爭節點數為：

[Ncontention_max=n×pg] （5）

③ 設置競爭信道次數為：

[Ccompete∈（0，Ncontention_max）] （6）

用其代替CSMA/CA隨機退避指數。

根據設備競爭節點數，將延時區間[0，Tdelay_max]劃分為[Ncontention_max]段小區間，則有：

[T1段： 0，Tdelay_maxn×PgT2段： Tdelay_maxn×Pg，2×Tdelay_maxn×Pg ?Tn×Pg段： （n×Pg）-1×Tdelay_maxn×Pg，（n×Pg）×Tdelay_maxn×Pg] （7）

與此同時，將節點ID號劃分為與延時區間相對應的[Ncontention_max]段區間，則有：

[IDnum_1段： 0，1PgIDnum_2段： 1Pg，2Pg ?IDnum_n×Pg段： （n×Pg）-1Pg，n] （8）

異常節點根據自己[IDnum]和節點ID的段區作比較，得到自己所屬區間，然后對應找出延時區間。

信道競爭次數為[Ccompete]將在競爭失敗之后自加1，當[Ccompete>n×pg]時，[Ccompete]將復位為0，然后將延時段位降低一位，遵從First in First out原則，以保證下次競爭退避時間變短。

由于異常節點出現之后，理論上要立即回饋給主節點，但是當同時出現多個異常節點競爭信道時，為了避免競爭失敗的節點在下一輪競爭信道中處于劣勢，必須根據競爭次數以減少從節點做的隨機延時時間，即在隨機退避指數上減少競爭次數。設某異常節點屬于延時區間[TNsection，]其中：

[Nsection∈1，Ncontention_max] （9）

由式（9）可得出隨機延時為：

[Tdelay1=Nsection×Tdelay_maxNcontention_max-Ccompete×Tdelay_max（Ncontention_max）2] （10）

由于[Tdelay1

2.3.2 最大平均延時

由于采用輪詢機制，在一定程度上解決了CSMA/CA的正常節點競爭信道帶來的信道資源浪費。除此之外，由于異常節點出現的機率為[pg，]即在競爭間隙里存在監聽競爭信道的節點數不大于[Ncontention_max]。所以同時上傳數據出現碰撞的概率為：

[Pcollisionn=1-1-pupn×pg-1×n×pg-1×pup+1] （11）

則相應的異常節點上傳延時為：

[T本文=Pcollision×Tu+1-Pcollision×Tdelay1] （12）

所以，由式（12）可以得出[n]個從節點下，異常節點的可能最大平均延時為：

[TD_本文=n×pg×T本文] （13）

3 仿真測試結果與分析

為了驗證本文方法在異常節點通信上的短延時的優勢，本文采用Matlab R2014a作為仿真工具，對以上三種方法針對通信延時和異常數據發送成功率進行仿真。在不考慮捕捉效應的情況下，仿真參數設置如表1所示，節點數從1開始，以步長為10增加到400，將異常數據率定為0.05，然后根據600次測量數據求取平均值。

呈線性上升趨勢；CSMA/CA法在節點數小于20時，其延時會比輪詢稍微大些，但是在節點數超過20以后，其延時情況明顯低于輪詢機制，而且其增長趨于平緩；本文方法延時明顯低于輪詢和CSMA/CA的延時，在從節點數目未達到170之前，延時增長率保持穩定，當從節點數大于170之后延時曲線出現波動，但是其延時也大幅低于CSMA/CA。在存在400個節點時，本文方法比CSMA/CA延時減少250 ms。

根據從節點數的變化，仿真出異常數據發送成功的概率，如圖8所示。

理論上輪詢通信方式比CSMA/CA具有更高的可靠性。由圖8可以看出，本文方法的異常數據發送成功率接近輪詢方式，并且能夠保持穩定，保證了異常數據傳輸的可靠性。

4 結 語

隨著工業技術水平的不斷提高，工業網絡通信也相繼提出新的需求。工業總線中異常設備的異常數據的獲取對工業生產來說相當重要，關乎生產安全的問題。本文針對工業網絡通信中異常延時通信問題設計了一種解決方案。應用傳統的輪詢機制，從節點實時監聽信道忙/閑狀態，在主節點回復幀之后預留微小的間隙用來為異常節點使用CSMA/CA競爭信道提供資源。異常節點從而可以通過自適應退避爭搶正常節點時隙，減小延時進行通信，實現主節點對異常數據的實時獲取。經過分析和驗證，本文方法有助于提高工業的安全生產能力和實時應變水平。

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