基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)的PA

1、基于uwb的工業(yè)控制系統(tǒng)的pa因?yàn)槌瑢拵?uwb, ultra wide band)技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)，如高速據(jù)率、低能耗、較強(qiáng)的抗多路徑衰退和穿透力等特點(diǎn)，將是將來(lái)工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用中最具有進(jìn)展前景的無(wú)線技術(shù)之一。uwb的特點(diǎn)在一定程度上有效的緩解了現(xiàn)階段無(wú)線技術(shù)在工業(yè)惡劣環(huán)境應(yīng)用中存在的通信質(zhì)量嚴(yán)峻下降而導(dǎo)致的實(shí)時(shí)性和可ii性等問(wèn)題。但山于在工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用中，通信傳輸?shù)男畔^大部分是短包，而uwb技術(shù)較其他無(wú)線技術(shù)信道獵取時(shí)問(wèn)較長(zhǎng)，這使得uwb應(yīng)用到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中時(shí)平均時(shí)延等性能會(huì)受到很大影響。本文系統(tǒng)討論了csma/ca協(xié)議應(yīng)用于基于uwb的工業(yè)控制系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基

2、于uwb的工業(yè)控制系統(tǒng)專(zhuān)用的pa-mac協(xié)議。在該協(xié)議中引入了對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用層下來(lái)的短包舉行介并的思想，充分考慮了uwb和工業(yè)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了緩存管理辦法、包介并策略及介并包確認(rèn)機(jī)制。通過(guò)建模，分析并比較了最為典型的csma/ca協(xié)議和pa-mac協(xié)議應(yīng)用于基于uwb的工業(yè)控制系統(tǒng)中的相關(guān)指標(biāo)。分析與仿真顯示該機(jī)制能夠有效地提高基于uwb的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延和時(shí)隙利用率等性能指標(biāo)。i csmaicai辦議應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中存在的問(wèn)題分析uwb技術(shù)利用精確且極短(皮秒級(jí))脈沖傳揚(yáng)，用法極大的帶寬(達(dá)幾g赫茲)。這種技術(shù)的可以帶來(lái)無(wú)數(shù)優(yōu)勢(shì)，如功率低、抗多路徑效應(yīng)好、高比特率和精確的定位能力等

3、。然而，這種技術(shù)的缺點(diǎn)之一是它的高信道獵取時(shí)問(wèn)，和和長(zhǎng)達(dá)幾毫秒至幾l一毫秒，所謂信道獵取時(shí)問(wèn)是指放射器與接收器之問(wèn)獲得位同步的時(shí)問(wèn)即每收發(fā)一次包就要消耗這些時(shí)問(wèn)。這對(duì)于應(yīng)用于多媒體傳輸時(shí)。山于該應(yīng)用信息包較長(zhǎng)，每次消耗的位同步時(shí)問(wèn)可以忽視，而工業(yè)控制系統(tǒng)中大多用法的是短數(shù)據(jù)包傳輸，如下表1所示。因此，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，獵取時(shí)問(wèn)較長(zhǎng)會(huì)使得時(shí)隙利用率嚴(yán)峻下降，進(jìn)而導(dǎo)致吞吐量下降和“凡均時(shí)延的增強(qiáng)。2 pa-mac協(xié)議原理及行為建模從mac層協(xié)議設(shè)計(jì)角度動(dòng)身以提高時(shí)隙利用率，目前較好的思想是lu等人提出的介并上層包的辦法c。本文提出的pa-mac(packetaggregating mac)采納了該

4、基本思想，并充分考慮了工業(yè)控制系統(tǒng)的詳細(xì)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了包管理辦法、介并策略及介并包確認(rèn)機(jī)制。同時(shí)為了能迅速實(shí)現(xiàn)并能與原uwb mac協(xié)議有效兼容，pa-mac協(xié)議設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，底層用法csma/ca機(jī)制小變，上層加入包優(yōu)化子層pol (packet optimization layer)。在pol中實(shí)現(xiàn)高層數(shù)據(jù)包的管理辦法、介并策略和確認(rèn)機(jī)制，2所示。山于加入了pol子層，處理上層發(fā)送的數(shù)據(jù)包會(huì)有延遲，假如沒(méi)有設(shè)計(jì)出較好適介系統(tǒng)的包管理辦法、介并策略和確認(rèn)機(jī)制，這種包介并辦法小僅小會(huì)提高這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，反而還會(huì)加重其各項(xiàng)指標(biāo)的下降。這也是包介并辦法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。下而將逐一描述pa-mac協(xié)議

5、中pol是如何按照工業(yè)控制系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)包管理辦法、介并策略和確認(rèn)機(jī)制。(2) pol的包介并策略首先我們定義一個(gè)新的類(lèi)型幀介并幀uf(uniteframe)，作為將多個(gè)短的數(shù)據(jù)包介并成一幀發(fā)送。按照工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，詳細(xì)程序流程圖4所示。(3) pol的包確認(rèn)機(jī)制山于pol對(duì)高層的下來(lái)的數(shù)據(jù)包舉行介并，對(duì)于信息幀確實(shí)認(rèn)機(jī)制就需要舉行一定的改進(jìn)。對(duì)介并幀of確實(shí)認(rèn)相l(xiāng)制，pol采納兩種機(jī)制:一是對(duì)囫圇ufi頃舉行確認(rèn);二是對(duì)ufi頃中的每一個(gè)數(shù)據(jù)包分離舉行確認(rèn)。在pol中這兩種機(jī)制混介用法，當(dāng)接收到of時(shí)，首先整幀校驗(yàn)，開(kāi)頭舉行屬性變量的初始化，初始化狀態(tài)隨即轉(zhuǎn)移到等待狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包

6、的到來(lái)。當(dāng)數(shù)據(jù)包到來(lái)時(shí)轉(zhuǎn)移至介并幀狀態(tài)，將數(shù)據(jù)包插入相應(yīng)二維隊(duì)列緩存中并采納pa-mac的包介并機(jī)制舉行介并。假如幀預(yù)備好但信道忙轉(zhuǎn)移至幀間等待狀態(tài);假如幀預(yù)備好并且信道空閑將轉(zhuǎn)移至發(fā)送狀態(tài)將幀發(fā)送出去。發(fā)送結(jié)束狀態(tài)轉(zhuǎn)移至幀發(fā)送完?duì)顟B(tài)，假如要等待響應(yīng)，則轉(zhuǎn)移到等待響應(yīng)狀態(tài)，假如等待超時(shí)或接收到響應(yīng)幀，則轉(zhuǎn)移回幀發(fā)送完?duì)顟B(tài)。此時(shí)假如沒(méi)有幀要發(fā)送，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至等待狀態(tài);假如還有幀要傳則狀態(tài)轉(zhuǎn)移至幀間等待狀態(tài)。當(dāng)幀間等待完畢時(shí)，幀間等待狀態(tài)轉(zhuǎn)移至需要退避狀態(tài)。需要退避狀態(tài)推斷是否執(zhí)行退避機(jī)制，假如小需要舉行退避，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至發(fā)送狀態(tài);假如需要舉行退避，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至退避狀態(tài)舉行退避。假如接收到幀或退避中斷，

7、狀態(tài)轉(zhuǎn)移至幀間等待狀態(tài);假如退避結(jié)束并且有新幀發(fā)送，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移至發(fā)送狀態(tài);假如退避結(jié)束無(wú)新幀發(fā)送，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移至等待狀態(tài)。3 仿真與分析通過(guò)上一節(jié)行為建模建立的pa-mac有限狀態(tài)機(jī)建立了無(wú)線節(jié)點(diǎn)模型，并仿真了擁有io個(gè)節(jié)點(diǎn)，范圍為20m*20m的網(wǎng)絡(luò)模型。其主要仿真參數(shù)如下表2所示:通過(guò)仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，pa-mac辦議比一般的csma/ca協(xié)議史適介基于uwb的工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用，該協(xié)議中的介并機(jī)制能夠較好的緩解uwb信道獵取時(shí)問(wèn)長(zhǎng)而上層應(yīng)用大多是較短的數(shù)據(jù)包所帶來(lái)的一系列問(wèn)題。從圖7可以看出在數(shù)據(jù)包隨機(jī)產(chǎn)生率較低時(shí)，即網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)，pa-mac協(xié)議的沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，包介并機(jī)制反而加重了包的時(shí)

8、延。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載有所增強(qiáng)時(shí)pa-mac協(xié)議的,i;_均時(shí)延顯然較csma/ca小，同時(shí)時(shí)隙利用率也較csma/ca協(xié)大幅升高。4 結(jié)論盡管uwb技術(shù)具有高速率、低能耗、抗多路徑衰退和穿透障礙物的能力強(qiáng)等適介工業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)，但用法uwb技術(shù)通信時(shí)其信道獵取時(shí)問(wèn)較其他無(wú)線通信技術(shù)長(zhǎng)。而通過(guò)本文列舉的典型的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)指標(biāo)來(lái)看，大多數(shù)包是短包。按照這些數(shù)據(jù)本文對(duì)典型的csma/ca的時(shí)隙利用率做了系統(tǒng)的計(jì)算與分析，結(jié)果顯示將uwb技術(shù)引入到工業(yè)控制系統(tǒng)的底層后，時(shí)隙利用率很低?？梢?jiàn)其信道獵取時(shí)問(wèn)長(zhǎng)這一特點(diǎn)將成為基于uwb的工業(yè)控制系統(tǒng)的嚴(yán)峻缺陷，而時(shí)隙利用率很低又會(huì)使平均時(shí)延等性能?chē)?yán)峻下降。本文為緩解上述問(wèn)題，提出的pa-mac協(xié)議充分考慮了工業(yè)控制系統(tǒng)的詳細(xì)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了包管理辦法、介并策略及介并包確認(rèn)機(jī)制。同時(shí)pa