基于WIA-PA工业无线传感器网络的自适应调度型MAC协议

王 平，李华松，王 恒，罗志勇，杨 健

(1.重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆400065;2.华为技术有限公司北京研究所，北京100085)

0 引言

作为信息领域一个新兴方向，工业无线通信技术［1］是一种面向节点间短距离、低速率、低功耗的无线通信技术，以其使用方便、节省资源等优势正广泛应用于工业自动化领域。WIA-PA(wireless networks for industrial automation-process automation)［2］是我国首个自主研发的一项工业无线标准，主要用于过程自动化的监测、管理、控制。

WIA-PA标准的媒体访问控制(media access control，MAC)层规定了设备无线接入网络 的方式。通常接入信道的方式可分为竞争接入方式、时分复用接入方式(time division multiple access，TDMA)以及混合接入方式。其中，基于竞争的MAC协议主要有S-MAC［4］协议及其改进的协议，它们竞争接入信道，算法简单，同时使用休眠机制，能节省能耗，但却不能保证设备发送数据的确定性;基于TDMA的方式，保证每个设备拥有固定的时隙，提高了设备发送数据的确定性，但对时间同步的要求很高，同时网络的扩展性也不强。

基于工业应用现场对网络的可靠性、稳定性、实时性以及低功耗等特性的要求，本文给出了一种基于 CSMA(carrier sence multiple access)，TDMA，FDMA(frequency division multiple access)相结合的信道接入方式，它既能增强设备入网的实时性，减少发送数据产生的冲突，同时也能充分利用带宽资源，扩大网络容量，并降低系统的能耗［5］。

1 一种自适应接入方法

本文的设计思路是在WIA-PA网络中，设备(包括簇首和簇内终端节点)在加入网络前，在超帧的竞争访问期(contention access period，CAP)阶段采用CSMA/CA竞争算法发送非周期性数据。而在加入网络后，超帧结构中既有周期性数据传输，也有非周期性数据传输。非周期性数据在CAP阶段传输，周期性数据在专用时隙内(无竞争期(contention free period，CFP)、簇内、簇间)传输。由于设备在入网前后，数据类型和数据吞吐量都有较大的变化，本文根据这种变化来自适应地调整超帧结构［6-7］，这里分为加入网络前和加入网络后2个阶段来进行分析研究。

1.1 加入网络前数据的传输

在WIA-PA网络中，设备在入网前，超帧结构的活动期只有信标帧和CAP阶段，非活动期只有休眠阶段，此时的超帧结构如图1所示。图1中，TCAP0为竞争接入期长度;Tsleep0为休眠期长度。

图1 WIA-PA超帧结构Fig.1 WIA-PA super frame structure

本文设置的超帧周期为一个固定值(设为Tsuperframe)，根据图1可以得到

(1)式中，TBeacon为信标帧长度。设备在加入网络的过程中，在CAP阶段会发送比较多的非周期性数据(例如发送入网请求帧、资源分配请求帧等)，这时网络管理器会根据CAP阶段数据吞吐量的变化情况实时调整CAP长度，使数据在CAP阶段能够完整、及时地发送出去，并尽量节省带宽资源，减少能耗［8］。

假设设备在单位时间内能成功传输的数据量为E0，那么在CAP阶段能传输的数据吞吐量的最大值为

在WIA-PA无线网络系统中，各设备之间发送数据是相互独立的、随机的，且每个设备发送数据的速率一定，假设一个设备在TCAP0阶段的数据吞吐量为S，那么对于N个设备在CAP阶段加入网络，其总的数据吞吐量为SN，则

那么，网络管理器根据SN的大小来动态地调节CAP长度，调节CAP阶段长度的数据流程如图2所示。

图2 调整CAP阶段流程图Fig.2 Flow chart of adjusting CAP phase

图2中，P1，P2为调整因子。通过观察，在一段时间T(T≥TCAP0)内，当SN≥P1·Smax时，表明该时间段内设备传输非周期性数据的吞吐量比较大，为了避免因为CAP阶段带宽太小而导致大量数据发生碰撞或者传输延迟，网络管理器需要及时调整CAP阶段长度，并以较快的速度增大CAP带宽，同时缩短休眠时间的长度，图3为调整超帧结构图。

根据图3所示，有(4)式成立

(4)式中:T'CAP0表示TCAP0增大以后的CAP阶段长度;T'sleep0表示Tsleep0减小以后的休眠时间长度;T0为增量，T0=K·Ttimeslot，其中，K为自然数，Ttimeslot为一个时隙的长度。此时的超帧活动期是整个CAP阶段，非活动期是整个休眠阶段。

图3 入网前超帧结构调整Fig.3 Adjust super frame structure before joining the network

同理，当SN≤P2·Smax时，表明该时间段内传输的数据吞吐量比较小，在不影响数据及时接入信道的情况下，需要适当减小TCAP0，同时增大Tsleep0，以便于提高带宽利用率、减少能耗。

当P2·Smax≤SN≤P1·Smax时，表明此 CAP 阶段的长度传输N个设备的非周期数据量比较合适，网络管理器对超帧结构不作调整。

1.2 加入网络后数据的传输

设备成功入网后，网络管理器为设备分配了专用时隙和链路等通信资源。此时，超帧结构中既有周期性数据的传输，也有非周期性数据的传输，周期性数据在专用时隙内(CFP、簇内、簇间)传输。网络管理器根据当前数据吞吐量大小来自适应调整超帧结构中各阶段的比例。图4显示了调整前后的超帧结构图。

1.2.1 专用时隙传输阶段

在WIA-PA标准中，设备在入网后，主要在专用时隙阶段进行数据通信，网络管理器实时监测网络状态，统计网络中传输的周期性数据，计算周期性数据吞吐量Q，根据Q计算出在超帧中应该分配的时隙数，并根据数据帧中的地址域信息来统计出当前在线的设备数量，方便调整超帧结构。假设网络管理器分配给CFP、簇内和簇间通信段的总时隙数目为m，单个时隙内的数据吞吐量为q，可以得出m和Q具有如下关系

通过(5)式可以算出应该分配的专用时隙数m，此时就可以重新调整超帧结构。

图4 入网后超帧结构调整Fig.4 Adjust super frame structure after joining the network

当时隙数m确定了，就可得到CFP、簇内和簇间阶段所占用的超帧长度值Tm，然后重新分配时隙和链路。此时，假设CAP阶段和休眠阶段的长度分别为 TCAP1，T'sleep1，如图 4 所示，有

从(6)式可以看出，第3个等式表明网络管理器将休眠阶段的一部分带宽分配给簇内通信和簇间通信，将活动期的一部分带宽资源分配给CFP阶段。

1.2.2 CAP 传输阶段

设备加入网络后，在CAP阶段主要用来传输非周期性数据，使用基于时隙的CSMA/CA算法竞争信道，CAP阶段的调整不仅与该阶段非周期性数据吞吐量的变化有关，而且还与专用时隙内周期性数据吞吐量的变化有关。假设成功加入网络的设备数量为N，这N个设备在专用时隙内传输的周期性数据吞吐量大小为QN，N个设备在CAP阶段传输非周期性数据吞吐量的大小为SN，SN与周期性数据吞吐量QN之间存在一种函数关系，则有

(7)式表明，每一次周期性数据吞吐量QN值的变化，都有可能引起CAP阶段非周期性数据吞吐量SN的变化，从而需要重新调整CAP阶段的长度，具体调整方法类似设备加入网络时的调整方法。

2 验证与测试结果

图5显示的是WIA-PA网络系统的测试平台，本测试结果都是基于此平台。

图5 WIA-PA系统测试平台Fig.5 WIA-PA system test platform

从图5中可以看到，本系统由网关、冗余网关、路由以及终端节点构成。其中，终端节点包括各种传感器节点(如温湿度、烟雾、粉尘、瓦斯、一氧化碳、二氧化硫等传感器节点)和智能仪器仪表(如热能表、压力表、阀门、智能电表等)。终端节点采集并发送数据至其父节点(路由设备)，路由通过一跳或多跳的转发将数据汇聚到网关，网关经过以太网连接到上位机进行远程监控，冗余网关加强了网络的可靠性。

图6显示的是用数据分析仪Packet Sniffer抓到的数据包。Packet Sniffer用来分析基于IEEE802.15.4标准的数据包，它可以捕捉到空中传输的数据包，并显示出完整的数据包帧格式。

开始时，网关发送信标帧，如图6所示，从帧的内容中可以观察到初始化信标级数(beacon order，BO)，超帧级数(superframe order，SO)的值分别为07和01。其中，BO的值决定超帧的周期长度，整个测试过程中保持BO不变。SO的值为01，决定超帧结构的CAP阶段，此时由于没有非周期数据在CAP阶段传输，所以初始化时CAP长度比较小。

图7显示的是设备加入网络时的数据通信情况，在这一过程中，由于有较多的设备申请加入网络，此时网络中需要传输很多的入网请求帧，资源分配请求帧以及相应的响应帧等非周期性数据，导致网络中数据吞吐量变大，网络管理器会根据这一变化将SO初始化时的值01改变为05，CAP阶段也随之自适应地调整增大，由此也就避免了数据在CAP阶段发生碰撞或者延迟，网络管理器重新分配超帧中各个阶段的比例，例如要为新加入网络的设备分配专用时隙等，在设备入网完成后，SO的值又会慢慢变小。

图6 初始化信标帧抓包图Fig.6 Diagram of beacon frames initialization

3 结束语

本文基于WIA-PA标准，给出了一种自适应接入信道的方法。它根据设备在入网前后网络中数据吞吐量的变化，动态地调整超帧中各阶段的长度，从而使通信资源得到更加合理的分配使用，扩大网络容量。测试结果表明，本方法避免了数据在CAP阶段发生碰撞或者延迟，既避免了带宽的浪费，同时也节省了能耗。

图7 设备入网时数据抓包图Fig.7 Diagram of data frames joining the network

［1］王平，王泉，王恒.测量与控制用无线通信技术［M］.北京:电子工业出版社，2008:229-244.WANG Ping，WANG Quan，WANG Heng.Measurement and control in wireless communication technology［M］.Beijing:Electronic Industry Press，2008:229-244.

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［3］王晓东，闵捷，周宇，等.一种动态占空比的无线传感器网络 MAC 协议［J］.计算机工程，2011，37(24):97-99.WANG Xiaodong，MIN Jie，ZHOU Yu，et al.A dynamic duty ratio MAC protocol for wireless sensor network［J］.Computer Engineering，2011，37(24):97-99.

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