一種適用于WIA-PA的無線網絡的功率調整方法概述

劉東 張鋒

1. 奧維通信股份有限公司 遼寧 沈陽 110179；2. 沈陽中科奧維科技股份有限公司 遼寧 沈陽 110179

1 技術背景

工業無線傳感網絡技術被廣泛應用于工業現場中。目前主要的工業無線傳感網絡技術WIA-PA無線網絡[1-2]、Bluetooth、WIFI、Zig Bee、Wireless HART以及其他私有協議無線網絡均使用2.4GHzISM自由頻段。而2.4GHzISM自由頻段頻率資源有限，導致WIA-PA無線網絡、Wireless HART采用CSMA-CA載波監聽多路訪問/沖突避免方法和TDMA時分多址接入技術來擴展通信資源，避免干擾；Bluetooth、Wi-Fi、Zig Bee以及其他私有協議無線網絡僅使用CSMA-CA載波監聽多路訪問/沖突避免方法來避免干擾。雖然通過相應的介質訪問控制協議可以避免干擾，但是如此多的網絡共用有限的頻率資源，干擾的概率非常大，數據成功率低，將嚴重影響網絡數據的實時性。

2 功率調整方法實現

2.1 網絡拓撲

WIA-PA無線網絡的網絡拓撲為MESH網絡和星形網絡的混合網絡，網關設備、路由設備之間組成MESH網絡，路由設備和節點設備之間組成星形網絡。子節點設備為具有單一目的地址的網絡內無線設備，父節點設備為多目的地址的網絡內無線設備。

2.2 功率調整方法

功率調整方法有兩種：周期功率調整方法、快速功率調整方法。周期功率調整方法的參數統計周期為TL大于快速功率調整方法的參數統計周期TS；周期功率調整方法功率調整的屬性及步進取決于接收成功率RSR與接收成功率RSR閾值的比較；快速功率調整方法功率調整的屬性及步進取決于鏈路質量LQI與鏈路質量LQI閾值的比較；周期功率調整方法的功率調整步進分為長步進ΔPLL和短步進ΔPLS，快速功率調整方法的功率調整步進分為長步進ΔPSL和短步進ΔPSS，步進值對應的關系為ΔPLL>ΔPLS>ΔPSL>ΔPSS。

子節點設備的功率調整方法為功率參數統計周期結束，向父節點設備發送功率調整參數交互報文，父節點設備根據統計的相應子節點設備的LQI平均值與LQI閾值的關系或者接收成功率RSR與接收成功率RSR閾值的關系，判斷子節點設備是以大的功率步進間隔向下調整功率、以小的功率步進間隔向下調整功率、以最近一個功率調整周期內的向下調整的功率步進間隔啟動向上調整功率、還是不進行調整。父節點設備根據此判斷生成功率調整報文，并將此報文發送到對應的子節點設備。每個功率調整統計周期內僅僅調整一次功率值，父節點設備根據本周期的功率調整參數統計來計算判斷并給出子節點設備下一個功率調整周期的功率調整策略。

父節點設備的功率調整方法同子節點的調整方法。由于父節點有多個子節點設備，需要父節點設備將各個子節點發送來的功率調整報文匯總，最終形成功率調整值、調整屬性、子節點設備對應列表，在父節點設備同各個子節點設備的通信過程中分別進行功率調整。

3 功率調整方法流程設計

本方法的WIA-PA無線網絡功率長周期調整方法流程如下：

首先節點設備應當先組建WIA-PA無線網絡，節點設備根據自身在網絡拓撲中的位置生成角色，即為子節點設備還是父節點設備，啟動長周期功率調整定時及功率調整參數統計。統計定時到達，子節點設備和父節點設備交互功率調整報文，并各自統計信息并計算。

子節點設備將統計計算的接收成功率RSR分別與接收成功率閾值比較并根據WIA-PA無線網絡功率周期調整方法中的功率調整報文生成流程生成對應父節點設備的功率調整報文。

父節點設備按照功率調整報文指示調整下一個功率調整周期的發射功率。由于父節點設備對應多個子節點設備，父節點設備會收到不同子節點設備的功率調整報文，父節點設備將各個子節點發送來的功率調整報文匯總，最終形成父節點設備發射功率表，在父節點設備同各個子節點設備的通信過程中分別進行功率調整。

父節點設備將針對不同的節點設備分別統計計算的接收成功率RSR分別與接收成功率閾值比較并根據WIA-PA無線網絡功率周期調整方法中的功率調整報文生成流程生成對應子節點設備的功率調整報文。子節點設備按照功率調整報文指示調整下一個功率調整周期的發射功率。

本方法的WIA-PA無線網絡功率快速調整方法流程如下：

首先子節點設備、父節點設備啟動快速功率調整周期TS定時和LQI統計，當快速功率調整周期TS定時到達，子（父）節點設備根據統計的鏈路質量LQI的值判斷功率調整命令是否為啟動、功率調整屬性為向下調整、向上調整還是不調整；然后根據接收信號強度統計的RSSI與RSSI閾值進行比較，判斷是長步進還是短步進，調整端采用ΔPSS調整發射功率。通過以上流程子（父）節點設備將功率調整報文信息中的功率調整命令、功率調整屬性、功率調整步進全部統計完畢。父（子）節點設備將功率調整報文發送到子（父）節點設備，父（子）節點設備按照功率調整報文指示調整下一個快速功率調整周期TS的發射功率。

4 結束語

采用本論文設計的功率調整方法對WIA-PA無線網絡內的設備進行功率調整，可以降低網絡內無線設備的能量消耗，提高電池的放電容量，延長網絡內無線設備的電池使用壽命。可以消除環境溫度變化對無線射頻參數的影響，保證了通信鏈路的穩定可靠。可以降低不同WIA-PA無線網絡間或者WIA-PA無線網絡對其他使用2.4GHzISM頻段的無線網絡間的干擾，網絡共存性好。采用此方法設計的WIA-PA無線網絡產品廣泛應用在石油、石化、冶金、電力場合，產生了巨大的經濟效益。