工业无线标准ISA100.11a数据链路层解析

王明达 田沛

摘要：概述无线标准的发展，描述了ISA100.11a数据链路层的主要关键技术，包括数据链路层协议数据单元、共存策略、信道跳跃方案、数据链路层路由方案、邻居发现，最后分析总结了数据链路层的特色及优点。

关键词：工业无线；ISA100.11a；数据链路层；共存策略1引言

无线技术被广泛采用,几乎集成到我们日常生活的每一个部分。由一些组织和机构引入無线传感器网络到工业过程自动化证明了无线技术有很多的好处。可靠性、灵活性、自动化解决方案费用的有效性和降低成本，通过改变自动化系统采用无线的方式易于维护工业工厂是显著的优点。

2工业无线传感器网络标准的发展

随着工业无线传感器网络技术的快速发展，对于工业无线自动化应用有一种趋势那就是采用低功耗,成本和速率的标准。Zigbee，其下层规范基于IEEE STD 802.15.4，它是操作于868/915MHz和2.4GHz频段低速率的个人无线局域网的一个主要标准，作为一个低功耗/成本、监视、控制的工业无线标准和蓝牙（Bluetooth）技术一起出现。然而，事实证明Zigbee不适合于工业应用主要是是因为它不能满足工区控制的严格需求，涉及到关键性的迟延、安全和高可靠性。这些Zigbee都不能达到。因此两个新的工业无线标准WirelessHART和ISA100.11a出现了，他们有着明显突出的严格的时延和高可靠性。WirelessHART是由HART通讯基金会于2007年9月正式发布的第一个开放式的无线通讯标准，它可以概括为基于时分多址（TDMA）的无线网状网络技术，运行在不受限制的2.4GHz ISM无线电频段，针对于有着严格的时间和安全需要的工业自动化过程。除此之外，由我国提出的工业无线标准被称为工业自动化无线网络-过程自动化（WIA-PA）并且获得了IEC国际组织的认可。

ISA100.11a标准。ISA100.11a是由ISA标准与实践董事会在2009年9月通过并且作为官方的一个ISA标准，是一个无线网状网络标准，目标是对于过程控制和相关的应用提供可靠的安全的无线通讯和操作。ISA SP100委员会的目标是ISA100标准族，它是一系列的工业无线标准包括不同的应用比如过程应用，资产追踪和认证等等。ISA100.11a是ISA100标准族的第一个对于过程自动化包括管理和安全的范围有着明确规定的标准。

3ISA100.11a数据链路层

总的来说，该标准的数据链路层负责安全性、可靠性和在恶劣的工业环境中基于IEEE STD 802.15.4物理层无线网状网络设备间数据包的无错误传输。ISA100.11a使用IEEE Std 802.15.4的媒体访问控制层，但是仅仅使用其数据帧。MAC的扩展（MAC extension），其包括了数据链路层的某些方面IEEE没有相应的规定但是在逻辑上是媒体访问控制层（MAC）的功能。数据链路层上层（Upper Data Link）负责处理在MAC之上的链路和网状方面的问题。

3.1 共存策略

由于2.4GHz频段是ISM非限制频段的一部分，对于可靠性和共存问题，该标准的数据链路层采用了：时分多址（TDMA）基于时隙和调度操作来减少在网络中传播的可能碰撞；信道跳跃方案来减小交叉干扰或者是多径衰减；由安全机制提供的数据验证和完整性，同时还提供一种不作为默认设置的数据保密性的选择；限制使用有着相对较高的干扰和可能性错误信道，比如信道黑名单，频谱管理；可配置的时隙在10到12ms之间。

3.2 信道跳跃方案

基于来自IEEE STD 802.15.4物理层多个信道的可用性，ISA100.11a结合TDMA定义的信道跳跃方案提出了信道多样性和时间多样性的三种跳信道方案来进一步减小在相对较高的干扰下进行通讯的可能性。它们是时隙跳信道，慢跳信道和混合跳信道。

在时隙跳信道中，每个时隙使用在跳跃模式中下一个继承的无线电信道。时隙跳跃中的时隙应当有持续时间并且能够适应一个单独的事物比如DPDU和它的ACKs/NACKs。时隙跳信道在时隙明确分配的通讯中使用。在慢跳信道的过程中一个信道被连续的时隙占用，并且慢跳信道持续时间典型的是系统管理者指定的100~400ms。更长的时隙持续时间能够支持设备不精确的时间设定或者是设备临时和网络失去通信，同时，信道15、20和25被用于设计作为慢跳信道并且也可能被用于邻居发现。方便想要加入一个确定网络的设备能够主要扫描现场路由器在这些信道上的特定网络的广播。混合跳信道实际上是一个自适应的慢跳信道和时隙跳信道的结合，时隙跳信道适合与有计划和安排的信息，并且慢跳信道适用于难以预测的信息比如警报和重试。

3.3 数据链路层路由方案

由于ISA100.11a标准有着子网的概念，所有在数据链路层它也会执行路由策略。在ISA100.11a的无线网络内，在数据链路层的基础上通过系统管理者配置，信息能够遍历子网。一旦信息路由至主干网络路由（子网的终端），它将被装配上网络层的首部，目的是通过主干网络被路由至它的最终目的地。

设备的数据链路层支持图路由和源路由。路由表比如图ID或者是源路由表都被存储在DL首部一个特定的区域。来源于邻居发现，设备已经产生一个确定数量的报告来给周围的邻居表明当前信息和过去的链接。然后系统管理者能够分析这些参考，目的是配置符合这个标准的设备的路由需求。因此所谓的自适应性DL路由能够很方便的实现原因是在一个持续的进程中基于邻居发现的生成报告，基于生成报告系统管理者能够优化路由的选择。

3.4 邻居发现

邻居发现是一个至关重要的步骤对于网状网络的操作来维持和优化网络结构来达到要求的可靠性和效率。它也是一个持续的进程，在整个设备的运行周期都被执行，从未配置状态开始并且延伸至加入过程及加入网络以后。通常邻居发现包含两个步骤：

⑴想要加入一个网络的设备发现和接收广播来初始加入请求，这个广播包含了来自指定广播路由或者代理的网络信息。

⑵在变成网络的一份子之后，设备发送和接收广播到/来自它的邻居来构建内部的候选名单目的地是帮助系统管理者来更新和优化最终的网络拓扑和网状配置。

ISA100.11a标准在邻居发现上不但像WirelessHART标准一样保持相同的被动侦听方案，目的是节约能源，而且提出了一个主动扫描的方案，这个方案是主动请求广播。主动请求主机在主动请求的模式下也能够配置周期性在网络内发送广播信息，为的是方便设备执行被动扫描。设备如何完成邻居发现的方式是由子网的系统管理者通过和DL管理对象及其DMAP属性相互交流管理来调度和配置的。此外，还提供了一种过滤机制，这种机制将子网的ID和请求联系起来以便只有首选的一组子网广播信息被侦听到。

4总结

根据上文的分析可以发现，ISA100.11a无线工业标准包括和延伸了其它标准比如WirelessHART已经存在的服务和功能。例如可配置的时隙，更多的信道跳跃方案的选择来适应具有不同时间能力的设备。此外，它还开发了一系列的可选方案，这使得能够有更加灵活的解决方案，例如数据链路层子网路由。所有数据链路层的行为都被由系统管理者通过和管理对象的交互作用进行管理和维护的。

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