一种适用于WIA-PA的无线网络的功率调整方法概述
2021-12-25刘东张锋
刘东 张锋
1. 奥维通信股份有限公司 辽宁 沈阳 110179；2. 沈阳中科奥维科技股份有限公司 辽宁 沈阳 110179
1 技术背景
工业无线传感网络技术被广泛应用于工业现场中。目前主要的工业无线传感网络技术WIA-PA无线网络[1-2]、Bluetooth、WIFI、Zig Bee、Wireless HART以及其他私有协议无线网络均使用2.4GHzISM自由频段。而2.4GHzISM自由频段频率资源有限，导致WIA-PA无线网络、Wireless HART采用CSMA-CA载波监听多路访问/冲突避免方法和TDMA时分多址接入技术来扩展通信资源，避免干扰；Bluetooth、Wi-Fi、Zig Bee以及其他私有协议无线网络仅使用CSMA-CA载波监听多路访问/冲突避免方法来避免干扰。虽然通过相应的介质访问控制协议可以避免干扰，但是如此多的网络共用有限的频率资源，干扰的概率非常大，数据成功率低，将严重影响网络数据的实时性。
2 功率调整方法实现
2.1 网络拓扑
WIA-PA无线网络的网络拓扑为MESH网络和星形网络的混合网络，网关设备、路由设备之间组成MESH网络，路由设备和节点设备之间组成星形网络。子节点设备为具有单一目的地址的网络内无线设备，父节点设备为多目的地址的网络内无线设备。
2.2 功率调整方法
功率调整方法有两种：周期功率调整方法、快速功率调整方法。周期功率调整方法的参数统计周期为TL大于快速功率调整方法的参数统计周期TS；周期功率调整方法功率调整的属性及步进取决于接收成功率RSR与接收成功率RSR阈值的比较；快速功率调整方法功率调整的属性及步进取决于链路质量LQI与链路质量LQI阈值的比较；周期功率调整方法的功率调整步进分为长步进ΔPLL和短步进ΔPLS，快速功率调整方法的功率调整步进分为长步进ΔPSL和短步进ΔPSS，步进值对应的关系为ΔPLL>ΔPLS>ΔPSL>ΔPSS。
子节点设备的功率调整方法为功率参数统计周期结束，向父节点设备发送功率调整参数交互报文，父节点设备根据统计的相应子节点设备的LQI平均值与LQI阈值的关系或者接收成功率RSR与接收成功率RSR阈值的关系，判断子节点设备是以大的功率步进间隔向下调整功率、以小的功率步进间隔向下调整功率、以最近一个功率调整周期内的向下调整的功率步进间隔启动向上调整功率、还是不进行调整。父节点设备根据此判断生成功率调整报文，并将此报文发送到对应的子节点设备。每个功率调整统计周期内仅仅调整一次功率值，父节点设备根据本周期的功率调整参数统计来计算判断并给出子节点设备下一个功率调整周期的功率调整策略。
父节点设备的功率调整方法同子节点的调整方法。由于父节点有多个子节点设备，需要父节点设备将各个子节点发送来的功率调整报文汇总，最终形成功率调整值、调整属性、子节点设备对应列表，在父节点设备同各个子节点设备的通信过程中分别进行功率调整。
3 功率调整方法流程设计
本方法的WIA-PA无线网络功率长周期调整方法流程如下：
首先节点设备应当先组建WIA-PA无线网络，节点设备根据自身在网络拓扑中的位置生成角色，即为子节点设备还是父节点设备，启动长周期功率调整定时及功率调整参数统计。统计定时到达，子节点设备和父节点设备交互功率调整报文，并各自统计信息并计算。
子节点设备将统计计算的接收成功率RSR分别与接收成功率阈值比较并根据WIA-PA无线网络功率周期调整方法中的功率调整报文生成流程生成对应父节点设备的功率调整报文。
父节点设备按照功率调整报文指示调整下一个功率调整周期的发射功率。由于父节点设备对应多个子节点设备，父节点设备会收到不同子节点设备的功率调整报文，父节点设备将各个子节点发送来的功率调整报文汇总，最终形成父节点设备发射功率表，在父节点设备同各个子节点设备的通信过程中分别进行功率调整。
父节点设备将针对不同的节点设备分别统计计算的接收成功率RSR分别与接收成功率阈值比较并根据WIA-PA无线网络功率周期调整方法中的功率调整报文生成流程生成对应子节点设备的功率调整报文。子节点设备按照功率调整报文指示调整下一个功率调整周期的发射功率。
本方法的WIA-PA无线网络功率快速调整方法流程如下：
首先子节点设备、父节点设备启动快速功率调整周期TS定时和LQI统计，当快速功率调整周期TS定时到达，子（父）节点设备根据统计的链路质量LQI的值判断功率调整命令是否为启动、功率调整属性为向下调整、向上调整还是不调整；然后根据接收信号强度统计的RSSI与RSSI阈值进行比较，判断是长步进还是短步进，调整端采用ΔPSS调整发射功率。通过以上流程子（父）节点设备将功率调整报文信息中的功率调整命令、功率调整属性、功率调整步进全部统计完毕。父（子）节点设备将功率调整报文发送到子（父）节点设备，父（子）节点设备按照功率调整报文指示调整下一个快速功率调整周期TS的发射功率。
4 结束语
采用本论文设计的功率调整方法对WIA-PA无线网络内的设备进行功率调整，可以降低网络内无线设备的能量消耗，提高电池的放电容量，延长网络内无线设备的电池使用寿命。可以消除环境温度变化对无线射频参数的影响，保证了通信链路的稳定可靠。可以降低不同WIA-PA无线网络间或者WIA-PA无线网络对其他使用2.4GHzISM频段的无线网络间的干扰，网络共存性好。采用此方法设计的WIA-PA无线网络产品广泛应用在石油、石化、冶金、电力场合，产生了巨大的经济效益。
