一种工业无线自适应退避竞争接入方法的研究
2017-10-12王宝珠李蓬勃齐存康郭志涛
王宝珠+李蓬勃+齐存康+郭志涛
摘 要： 在工业网络中，无线通信已经成为一个研究热点。传统的轮询方法具有可靠、稳定的优点，但对于子节点猝发的异常数据不能做到实时监测。设计一种保证工业异常数据实时接入信道的自适应退避竞争调度方法，该方法以轮询方式作为基础通信方式，并设计超帧结构以提供数据接入时隙，同时采用自适应退避竞争的方法避免信道碰撞。实验结果表明，异常数据以此方式接入信道具有较高的实时性和可靠性，满足工业对异常数据传输的苛刻要求。
关键词： 竞争间隙； 异常数据； 自适应退避竞争； 数据接入； 数据传输
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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
随着无线技术的飞速发展，在工业生产中工业无线网络（Industrial Wireless Sensor Network，IWSN）[1]逐步得到广泛应用。由于其具有低成本、易维护、易使用和泛在感知等特点，人们可以以较低费用实现对工业全流程的全面检测[2]。工业无线网络已经成为工业自动化和无线研究领域的一个新的热点方向[3]。在工业自动化中，实时监测生产数据是一个非常重要的环节。监测数据又分为正常运行数据和异常数据。在工业生产中设备产生异常数据即意味着生产出现问题，甚至可能是关乎生命安全的重大问题[4]。所以，异常数据的捕捉必须有着高优先级、苛刻的实时性和可靠性[5]。
1 研究现状
由于异常数据的紧急性和硬实时性，必须要保证其能迅速竞争到信道资源，在此领域学者进行了大量的研究。文献[6]提出以异步多信道的形式处理紧急异常数据接入信道，这在某种程度上增加了硬件的成本开销。文献[7]提出节点本地计算信道拥堵度，并以此划分工作状态，进而改变不同速率、带宽的调整策略。目前大部分学者都是针对多信道异常数据处理协议做的相关研究，对单信道的研究较少，而且多信道的使用在工业成本上会比较高，所以本文将对工业单信道异常数据的处理协议做出相关研究，提出一种保证工业异常数据在单信道工业网络中实时接入的自适应退避竞争时隙调度方法。
2 设计思想
星型拓扑结构相对简单，便于管理，是工业通信中普遍采用的一种拓扑结构[8]，网络结构中分为主节点和从节点两种设备，如图1所示。主、从节点共存于同一信道，在任何网节点都可以监听到信道中的所有信息，主、从节点间通信报文主要包括以下几点：网络维护信息报文；监测数据报文；数据确认报文。
2.1 超帧时隙分配
通信以周期性的超帧结构完成，超帧结构分为网络维护区和通信区，其超帧模型如图2所示。网络维护区主要包括信标帧，通信区为[N]个通信时隙。通信区的[N]个通信时隙由主节点的数据确认报文实时划分，在每个时隙分为上传间隙和竞争间隙，其长度分别为[Tu]和[Tr。]从节点在上传间隙上传数据；竞争间隙为主节点的数据确认报文和从节点随机退避竞争信道提供信道资源。endprint
如图2所示，定义超帧长度为[T，]网络维护区长度为[Tm，]通信区长度为[Tc，]即有：
[T=Tm+Tc] （1）
类似于时隙ALOHA算法，把超帧划分为[N]个时隙，每个时隙长度为[Ts，]即有：
[Tc=N×Ts] （2）
节点之间所有通信都在相应时隙中完成。在信标帧时隙中主节点负责维护网络，其主要任务包括：
（1） 设置网络参数，工作为主站模式；
（2） 扫描自由节点，使自由节点进入网络通信；
（3） 设置通信起始端。
在时隙的上传间隙中从节点上传数据，竞争间隙的主要任务包括：
（1） 主节点回复接收消息确认，并同时附带时隙位置标志；
（2） 从节点监听信道中主节点的回复消息，读取消息中时隙位置；
（3） 从节点做出随机延时，准备上传数据；
（4） 从节点做出随机延时，竞争上传告警信息。
2.2 通信模型
在通信系统中，要满足通信的实时性、有效性、低碰撞率等要求，就得必须科学地规划超帧通信的时隙。通信系统中的主节点首先在信标帧时隙组建网络，使自由节点捕捉到信道频率，采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）算法进入通信网络。从节点在捕捉到信号之后，监听信道载波，根据各节点独一无二的ID设置随机延时[Tdelay1]申请入网。入网之后，各从节点都将拥有一个通信时隙，其通信模型如图3所示。
在通信网络系统中，主、从节点之间传递的数据包括正常轮询数据和异常数据，其通信流程如图4所示。
在正常情况下，已入网从节点根据信标帧时隙中的通信时隙标志，在各自相应时隙的上传间隙上传数据。主节点在接收到从节点上传数据之后，立即回复数据确认帧。确认帧包括下一时隙通信节点信息，其格式如图5所示。已入网从节点根据节点信息匹配自己地址，确认是否被询问，从而避免了时隙ALOHA中因丢失从节点而留下空白时隙导致的延时通信问题，同时也避免CSMA/CA中的无序碰撞退避的问题。从节点在被询问之后，在竞争间隙里监听信道，做出随机延时[Tdelay2Tdelay1 当异常状况出现时，采用CSMA/CA退避算法，异常节点首先立即监听信道，在监听到主节点的任意时隙确认帧之后，在竞争间隙做出随机延时，随后发出异常数据。由于异常数据帧非常短，仅包含了激发节点ID号和异常数据，所以在很大程度上可以节约上传延时，同时也可以降低隐藏节点异常数据帧的碰撞概率[9]。竞争时隙上传数据的过程如通信模型图3中竞争上传的③和④所示。竞争上传③的[k]号节点处于异常状态，其在时隙1的竞争间隙抢时隙2上传数据，则原时隙2的2号节点时隙会被顺延到下一个时隙，这样顺延节点就产生了。在异常数据上传完毕，主节点做出数据确认帧，2号节点在时隙3上传数据。假设在一超帧周期[T]内，有[MM 2.3 模型分析 在工业通信中，从节点设备出现异常数据的概率服从泊松分布。设从节点在平均进入[λ1]次异常状态的情况下，其发生[x1]次的概率为： [pgx1=λx11x1！×e-λ1] （3） 从节点监听信道上传数据为随机事件，其服从泊松分布，设从节点在平均[λ2]个节点进入监听信道上传的情况下，其发生[x2]个节点上传的概率为： [pupx2=λx22x2！×e-λ2] （4） 2.3.1 自适应退避竞争方法 由于所有已入网从节点实时在监听信道状态，所以该方法未设置严格的时间节点划分时隙，而是应用主节点的信标帧和数据确认帧来实时设置时隙，从而避免了严格定点时隙带来的信道资源浪费。节点时间结构如图6所示，其中标注的A区域的[Tdelay2]是轮询的从节点必须等待的延时，在这一延时过程中激发节点可以竞争时隙，如C区域的[Tdelay1]为异常节点的退避区，如同CSMA/CA的帧间空间（Interframe Space，IFS）和竞争窗口（Contention Window，CW）。 在竞争窗口中采用分段竞争机制[10]，随机延时[Tdelay1]将根据设备节点ID和竞争信道次数决定，以此实现自适应退避竞争。其获得方法如下： ① 首先划定[Tdelay1]的最大范围[Tdelay1∈0，Tdelay_max]； ② 假设设备节点[IDnum∈1，n]，则最大竞争节点数为： [Ncontention_max=n×pg] （5） ③ 设置竞争信道次数为： [Ccompete∈（0，Ncontention_max）] （6） 用其代替CSMA/CA随机退避指数。 根据设备竞争节点数，将延时区间[0，Tdelay_max]划分为[Ncontention_max]段小区间，则有： [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）
与此同时，将节点ID号划分为与延时区间相对应的[Ncontention_max]段区间，则有：
[IDnum_1段： 0，1PgIDnum_2段： 1Pg，2Pg ?IDnum_n×Pg段： （n×Pg）-1Pg，n] （8）
异常节点根据自己[IDnum]和节点ID的段区作比较，得到自己所属区间，然后对应找出延时区间。
信道竞争次数为[Ccompete]将在竞争失败之后自加1，当[Ccompete>n×pg]时，[Ccompete]将复位为0，然后将延时段位降低一位，遵从First in First out原则，以保证下次竞争退避时间变短。
由于异常节点出现之后，理论上要立即回馈给主节点，但是当同时出现多个异常节点竞争信道时，为了避免竞争失败的节点在下一轮竞争信道中处于劣势，必须根据竞争次数以减少从节点做的随机延时时间，即在随机退避指数上减少竞争次数。设某异常节点属于延时区间[TNsection，]其中：
[Nsection∈1，Ncontention_max] （9）
由式（9）可得出随机延时为：
[Tdelay1=Nsection×Tdelay_maxNcontention_max-Ccompete×Tdelay_max（Ncontention_max）2] （10）
由于[Tdelay1 2.3.2 最大平均延时 由于采用轮询机制，在一定程度上解决了CSMA/CA的正常节点竞争信道带来的信道资源浪费。除此之外，由于异常节点出现的机率为[pg，]即在竞争间隙里存在监听竞争信道的节点数不大于[Ncontention_max]。所以同时上传数据出现碰撞的概率为： [Pcollisionn=1-1-pupn×pg-1×n×pg-1×pup+1] （11） 则相应的异常节点上传延时为： [T本文=Pcollision×Tu+1-Pcollision×Tdelay1] （12） 所以，由式（12）可以得出[n]个从节点下，异常节点的可能最大平均延时为： [TD_本文=n×pg×T本文] （13） 3 仿真测试结果与分析 为了验证本文方法在异常节点通信上的短延时的优势，本文采用Matlab R2014a作为仿真工具，对以上三种方法针对通信延时和异常数据发送成功率进行仿真。在不考虑捕捉效应的情况下，仿真参数设置如表1所示，节点数从1开始，以步长为10增加到400，将异常数据率定为0.05，然后根据600次测量数据求取平均值。 呈线性上升趋势；CSMA/CA法在节点数小于20时，其延时会比轮询稍微大些，但是在节点数超过20以后，其延时情况明显低于轮询机制，而且其增长趋于平缓；本文方法延时明显低于轮询和CSMA/CA的延时，在从节点数目未达到170之前，延时增长率保持稳定，当从节点数大于170之后延时曲线出现波动，但是其延时也大幅低于CSMA/CA。在存在400个节点时，本文方法比CSMA/CA延时减少250 ms。 根据从节点数的变化，仿真出异常数据发送成功的概率，如图8所示。 理论上轮询通信方式比CSMA/CA具有更高的可靠性。由图8可以看出，本文方法的异常数据发送成功率接近轮询方式，并且能够保持稳定，保证了异常数据传输的可靠性。 4 结 语 随着工业技术水平的不断提高，工业网络通信也相继提出新的需求。工业总线中异常设备的异常数据的获取对工业生产来说相当重要，关乎生产安全的问题。本文针对工业网络通信中异常延时通信问题设计了一种解决方案。应用传统的轮询机制，从节点实时监听信道忙/闲状态，在主节点回复帧之后预留微小的间隙用来为异常节点使用CSMA/CA竞争信道提供资源。异常节点从而可以通过自适应退避争抢正常节点时隙，减小延时进行通信，实现主节点对异常数据的实时获取。经过分析和验证，本文方法有助于提高工业的安全生产能力和实时应变水平。 参考文献 [1] LIANG W， ZHANG X， XIAO Y， et al. Survey and experiments of WIA?PA specification of industrial wireless network [J]. Wireless communications and mobile computing， 2011， 11（8）： 1197?1212. [2] 曾鹏.无线传感器网络与工业无线测控系统[J].软件，2007（10）：44?46. [3] WILLIG A. Recent and emerging topics in wireless industrial communications： a selection [J]. IEEE transactions on industrial informatics， 2008， 4（2）： 102?124. [4] 杨莉，张晓玲，梁炜，等.面向紧急数据的异步多信道工业无线网络调度方法[J].计算机应用，2015（1）：35?38. [5] GUO Y， HU J. Emergency data gathering with buffer constraint in actuator?based wireless sensor networks [C]// Procee?dings of 2015 IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. [S.l.]： IEEE， 2015： 284?289. [6] 杨莉.面向紧急数据的异步多信道工业无线网络调度方法[D].沈阳：沈阳理工大学，2015. [7] 梁露露，高德云，秦雅娟，等.无线传感器网络中面向緊急信息可靠传输协议[J].电子与信息学报，2012（1）：95?100. [8] RASHEED M B， JAVAID N， HAIDER A， et al. An energy consumption analysis of beacon enabled slotted CSMA/CA IEEE 802.15.4 [C]// Proceedings of 2014 IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops. [S.l.]： IEEE Computer Society， 2014： 372?377. [9] JIANG Z， ZHOU X， SHE Y， et al. An enhanced slotted CSMA/CA algorithm based on data aggregation for IEEE802.15.4 in wireless sensor network [C]// Proceedings of 2014 IEEE International Conference on Information Science and Technology. [S.l.]： IEEE， 2014： 635?639. [10] TANG C， SONG L， BALASUBRAMANI J， et al. Comparative investigation on CSMA/CA?based opportunistic random access for Internet of Things [J]. IEEE Internet of Things， 2014， 1（2）： 171?179.
