面向现场级工业无线网络混合流量分级调度的时隙分配策略

袁亚洲 ,郑雷雷 ,张健民 ,孙明月 ,关新平

(1.燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛 066000;2.宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999;3.上海交通大学自动化系,上海 200240)

1 引言

典型的无线传感网络(wireless sensor networks,WSN)主要应用于健康监测和环境监测等领域[1-2],随着工业4.0的发展,在无线传感网络的基础上衍生了工业无线传感网络(industrial wireless sensor networks,IWSNs)这一特殊分支,IWSNs为特定的应用提供服务[3],其较传统的无线传感器网络而言,突出强调低延时和高可靠性的关键特性.

在一些工业场景中,多种混合业务流量共存.ISA 100委员会根据低时延和可靠性的指标将过程自动化中的流量分为安全、控制和监测三类[4],其中安全类流量数据一般为事件驱动型,例如:紧急制动装置和火灾报警装置,其他两种类型数据为周期性数据.一般在工业环境中认为事件驱动型数据,也就是突发关键流量,较周期性流量而言更为重要.以钢铁生产中的热轧产线为例,安全类数据为紧急制动装置所产生的数据,若此类数据不能及时传达到控制中心,很可能导致工作人员伤亡等严重后果.因此,保障此类不可预测数据的确定性传输是一项重大挑战.

此外,周期性数据也有优先级之分,同样以热轧产线为例,轧辊为轧钢生产中的主要部件,在复杂应力下容易产生表面裂纹,对轧辊的使用寿命、轧材质量产生不良的影响[5],轧辊出现损伤时,其固有频率也会发生变化.因此一般通过振动变送器监测轧辊状态.相对于实时性要求不高采集类数据,如当前轧件的温度.显然振动变送器的数据优先级要高于轧件温度数据.因此，如何保障混合业务流量的高效有序传输同样是IWSNs的一大挑战.

IWSNs的设计核心为媒体访问控制协议(media access control,MAC),IEEE 802.15.4标准为多数无线传感网络的解决方案[6],但其MAC 层采用的载波侦听多路访问和冲突避免(carrier sense multiple access with collision avoid,CSMA/CA)信道接入机制无法为关键数据提供有界的传输时延.为了提高IWSNs数据传输的可靠性,工业现场通常采用时分多址(time division multiple access,TDMA)来保障各种数据的传输.近些年提出的WirelessHART[7],ISA100.11a[7],WIA-PA[8]工业无线传感网络标准基于TDMA作为主要的信道接入方式,虽然相比于CSMA/CA提供了有界的时延,但其采用预留共享时隙的方式无法为突发关键流量提供实时的信道接入.而且在有限的频谱资源下,为突发关键流量额外预留时隙会造成大量时隙资源的浪费.

不同于其他应用场景,工业通信往往对时延和可靠性传输具有严格的要求[9],近年来,随着工业无线传感网络的发展,有许多研究工作者针对无线传输的可靠性和实时性开展了研究.

在建模分析层面,文献[10]通过建立多服务台离散时间排队模型,得出混合业务下各业务到达率、服务率、信道个数、缓冲器容量与各业务损失率的关系.文献[11]针对信道容量有限的问题,研究基于时隙ALOHA通信协议的控制与通信协同设计方法,建立了控制-通信协同设计的框架结构,可将控制器的增益矩阵和时隙ALOHA通信协议进行协同设计.

在数据链路层面,文献[12]中提出了一种WirArb MAC协议,该协议利用无线仲裁的方式来保障关键流量的接入,根据不同优先级数据的子载波来区分流量优先级,但该方法需要对物理层进行修改,复杂性较高.文献[13-14]采用了时隙窃取机制,高优先级流量可以窃取低优先级传输时隙来保障传输的可靠性.其中文献[14]中还采用了短时隙的设计以提高信道利用率.文献[15]针对3种不同的流量类型来设计传输方案,其中突发流量监测节点承担簇头,当有突发流量时,簇头节点停止当前的接收或者转发行为,转而处理突发流量数据来保障突发流量的实时接入.需要注意的是,该接入机制下簇头节点在接收突发流量数据前后均需要同步整个网络中的周期节点传输时序.文献[16]所设计的SS-MAC协议中,采用基于TDMA的方法使非周期流量机会式的窃取周期流量的传输时隙,并且引入基于截止期限的调度.

然而,上述研究工作虽然实现了非周期数据的实时接入,但没有保障周期性高优先级数据的可靠传输,而且没有避免同优先级流量之间的竞争.文献[17,19]考虑了同优先级流量之间的冲突避免,其中文献[17]采用集中式的调度算法来保障各类优先级数据在截止期限内传输至目标节点,文献[19]设计了分离超帧(separated superframe)来避免同优先级流量之间的冲突.但这两个工作重点关注集中式资源分配.

本文提出了时隙预留接入协议(slot reservation access protocol,R-MAC)和时隙争用接入协议(slot contention access protocol,C-MAC),两种接入协议均以抢占机制保障突发流量的传输,不同的是在R-MAC协议中,被抢占的高优先级传输时隙将在预定的低优先级时隙中进行重传,此协议只需少量子时隙,而在C-MAC协议中,被抢占的高优先级时隙将会在最近的次优先级时隙中重传,带来更低的时延.两种协议为不同优先级的周期流量设计了不同的重传方案,满足了工业生产中不同优先级流量传输的实时性和可靠性需求.

2 应用场景分析

本文以图1现实工业场景为基础进行需求分析,构建网络拓扑,设计满足场景需求的超帧架构并引入所提出的接入协议.

2.1 场景分析

混合临界流量[18]共存普遍存在于工业场景当中,带钢热轧工艺过程便是一个实例,下面将结合该工艺过程分析不同混合临界监控参数的传输需求,并结合所提出协议的工作原理,进一步说明其在热轧工艺过程中对各优先级流量传输改善的工作机理,从而增强数据传输的实时性和可靠性.

图1所示为典型带钢热轧工艺过程示意图.热轧生产工序将200～300 mm厚的板坯钢坯轧成几毫米厚度的高精度带钢,生产过程包括板坯加热、粗轧除鳞、粗轧立辊及水平辊多道次轧制、飞剪、精轧除鳞、精轧7机架连轧、层流冷却及卷取等多个工序[19].热轧生产过程要通过精确控制各个道次负荷保证厚度、宽度、板形等高尺寸精度;通过控制加热温度、精轧温度、卷取温度保证产品性能指标.整个轧制流程工序复杂,过程监控对于安全性和产品质量发挥着不可或缺的作用.

图1 典型带钢热轧工艺过程Fig.1 Typical hot rolling process of strip steel

首先,热轧生产过程是一种高温、大负荷生产过程.生产过程中安全是最重要的.生产安全包括生产人员的安全性和设备的安全性,生产过程中一旦发生异常而无预警,可能导致重大安全事故或重大设备损毁,带来重大经济损失.因此整个产线的安全监控及轧制设备上布置振动等关键传感器可以实时监控产线状态,保障产线的正常运行.

轧件的厚度、宽度和板形是评价产品质量的重要指标,为了提高产品的质量,在每个工序中需要实时监控关键设备状态,例如全线的轧辊的状态;需要在各个关键控制点使用测宽仪、测厚仪和多功能仪对轧件宽度、厚度、板形等尺寸指标进行测量.

热轧生产过程中带钢温度对于产品性能有重要影响,特别是对于热轧高强钢等高附加值产品,金属离子的析出对温度十分敏感,需要为轧件构建实时、丰富的温度履历,及时调整轧制力与轧制速度.因此,为更好地跟踪轧件温度的变化,需要增量部署多个温度传感器,以提升模型的感知精度.

此外,为保证工作人员的安全以及工厂财产,产线应布置火灾报警器,紧急制动等设备,以防止突发状况发生,此类事件发生频率极低,而且不可预测,一旦有意外情况,需将此类数据第一时间传送至控制中心以采取相应措施.

因此,在典型带钢热轧工艺过程中,主要有3种关键数据流量并存,并根据流量的特性将其分为突发流量和周期流量两类,现给出如下定义:

TP0流量: 代表最高优先级的数据流,一般指紧急制动、消防报警.具有不可预测,发生率低的特性.但其需要可靠的链路条件,最高的优先权.

TP1流量: 代表监测设备状态和轧件状态的周期性流量,如轧辊和传送辊上的振动变送器,以及测宽仪和测厚仪产生的数据,此类流量需要实时可靠传输以避免设备停工和轧件质量不达标带来经济损失.

TP2流量: 指周期性采集轧件温度的高温传感器数据,用于后续建模分析.

综上,TP0为非周期流量,TP1,TP2为周期流量,在可靠性和实时性需求方面,TP0流量需要实时接入且在发送过程中尽量避免竞争冲突.TP1流量尽可能在较短的时间内接入信道,而TP2流量属于采集类数据,不需要实时传输,而且少量丢包产生影响较小,以上分析结果可以映射到其他工业系统中.

2.2 系统模型和超帧架构

根据热轧产线结构,本文考虑如图2所示的一个簇状网络拓扑,有若干网络簇以及中心控制节点,由热轧工艺过程不难发现,传感器节点分布在每个工序上,且每道工序都有上述的不同优先级的数据.每个簇包含有若干终端节点和一个簇头节点CH,考虑到星型网络拓扑的低时延特性更适用于工业应用,因此本文将每个簇视为星型网络拓扑.采用周期性的启用信标帧方式进行通信,每个簇内终端节点只能和相应的簇头通信,且簇内每个节点的活动都可以被其他节点检测到.簇头将接收到的数据进一步转发到控制中心节点,这代表完成一次传输.为了便于分析所提出的接入策略,本文针对一个簇进行分析.假设该网络下存在若干不同优先级周期流量监测节点,一个突发流量监测节点.在单信道场景下,若多个TP0流量节点同时产生待发送数据,至多只有一个TP0流量节点接入信道,其他节点只能推迟发送数据进而无法实时接入信道.因此一个簇中多个突发流量监测节点容易带来不可预测的接入冲突,进而增加传输时延,这在复杂工业现场是不可容忍的.

图2 网络拓扑Fig.2 The network topology

为了满足各类流量的传输需求,本文设计了如图3所示的流量分区超帧架构,每个超帧由信标帧(beacon)和周期优先级流量接入时隙组成,且同优先级流量集中分布在超帧中,且从左(帧起始)到右(帧尾)优先级依次降低.每个时隙还划分出若干子时隙,用于侦听抢占.这一架构结合本文所提出的协议避免了同级流量的冲突,同时简化了流量重传策略,提高了流量传输效率.具体不同优先级周期流量子时隙数目划分将在第3节说明.

图3 超帧架构Fig.3 Superframe architecture

基于该超帧架构所提出的协议适用于混合关键流量系统,本文应用场景中存在两种周期流量和一种突发流量的热轧生产线上,但是并不局限于该场景,可以根据不同场景实际需求映射到其他工业场景中.

3 提出协议

针对上述章节分析,并考虑到设计复杂度和应用场需求,本文对所提出的两种接入协议R-MAC和CMAC的具体实现方式进行分析.

3.1 R-MAC

在本文设计图3中的流量分区超帧架构的前提下,所设计的R-MAC协议支持3种不同优先级混合流量共存,包括周期流量和非周期流量.其中不同优先级流量传输采用如图4(a)所示不同的接入方案,每个时隙由信道评估阶段和数据传输阶段构成,其中信道评估阶段包含用于侦听TP0 节点抢占载波信号的阶段(E-CCA)和TP1流量节点抢占载波信号的阶段(PCCA)中的一个或者两个阶段,为了便于分析,假设TP1流量节点与TP2流量节点数相同并将{H1,…,Hi,…,Hn},{L1,…,Lj,…,Ln}分别为两类节点编号.其中1 ≤i≤n,1 ≤j≤n.TP1流量的重传策略如图4(b)所示,这里使用的每个时隙大小是固定的.

图4 R-MAC协议Fig.4 R-MAC protocol

1) TP0流量时隙接入.

由于TP0流量是突发的,因此在超帧结构中并未给TP0流量节点分配特定的时隙,但是TP0流量可以接入超帧中的任意一个时隙.接入方式采用非侦听模式下的直接抢占接入模式,当关键位置监测节点有TP0流量待发时,会在E-CCA阶段发送抢占载波信号,该阶段由每个时隙起始位置的第1个子时隙组成,原本预定在该时隙发送的节点监听到抢占载波信号后将进入休眠等待重传或者丢包,该TP0节点将占用该时隙的数据传输阶段进行TP0流量的传输.

2) TP1流量时隙接入.

在TP1流量传输期间,仅可能被TP0流量抢占.因此TP1流量的传输时隙由E-CCA阶段和数据传输阶段构成,周期性的TP1流量在发送前先在E-CCA阶段侦听TP0的抢占载波信号,如果未侦听到抢占载波信号,则在所对应的时隙数据传输阶段进行数据的传输.如果侦听到抢占载波信号,则在当前时隙进行休眠等待重传,具体重传策略在下方展示出.

3) TP2流量时隙接入.

在TP2流量传输期间,可能被TP0流量和进行重传的TP1流量抢占.考虑到上述情况,TP2流量的传输时隙由E-CCA阶段、P-CCA阶段、数据传输阶段构成,在该协议下P-CCA阶段由TP2流量传输时隙的第2个子时隙构成.TP2流量传输前,首先在E-CCA阶段侦听TP0的抢占载波信号,再于P-CCA阶段侦听重传的TP1流量抢占载波信号,若在两个阶段均未侦听到抢占载波信号,则按预定时隙于数据传输阶段正常发送数据.若侦听到抢占载波信号,则丢弃当前数据包.

4) 重传策略.

假设信道是理想信道,引起节点重传的唯一因素为所预定数据传输时隙被抢占.

针对非周期流量,在理想信道下所搭建的模型中一个簇中仅有一个TP0节点,且优先级最高,在成功接入信道后不会进行重传.

针对周期流量,如图4(b)所示,两种类型的周期流量在超帧中是一一对应的,被抢占的节点将在所对应的低等级的时隙中进行抢占重传.例如,如果Hi节点被TP0流量抢占,节点Hi将休眠n个时隙,在设计的流量分区超帧架构中,这种机制避免了同级流量冲突,然后在Li时隙唤醒,在该时隙的E-CCA阶段侦听,若未侦听到TP0流量的抢占载波信号,将在P-CCA阶段发送抢占载波信号,然后在数据传输阶段发送数据.若侦听到抢占载波信号,意味着两次传输均被抢占,则丢弃数据包,认为该次传输失败.根据TP2流量的特性不设重传处理,所对应的传输时隙被抢占后就丢包处理.这里考虑的是不同优先级节点数目相等情况下的策略,在各优先级时隙数目不等的情况下,若TP1流量接入时隙少于TP2流量,无需对超帧做出修改.当TP1流量多于TP2的流量的情况下,可以在TP2流量后增加一些空时隙,即该时隙采用TP2流量接入机制但并没有TP2流量节点需要安排到此时隙.此时TP1流量在首次传输失败后仍可以按照本文所设计的RMAC协议进行重传.

3.2 C-MAC

立足于实时性和可靠性需求,为提高TP1流量的可靠性并降低其接入时延,在C-MAC协议中,基于R-MAC着重对TP1流量的重传方式进行了改进,接入策略如图5(a)所示,将{H1,…,Hi,…,Hn},{L1,…,Lj,…,Lm}分别为TP1和TP2流量节点编号.其中1≤i≤n,1≤j≤m.C-MAC协议中支持流量的类型和TP0,TP1流量的接入方式与R-MAC协议相同,不再重述.这里重点陈述与预定时隙策略的不同之处.

图5 C-MAC协议Fig.5 C-MAC protocol

与R-MAC相比,存在TP1流量在首次接入时隙失败时,在TP2流量起始处就开始尝试重传.为实现这一策略,着重改变了在TP2时隙的接入方式,TP2流量的传输时隙由E-CCA阶段、P-CCA阶段、数据传输阶段构成,该协议下的E-CCA阶段同R-MAC,P-CCA阶段由从第2个子时隙起始的n个(TP1流量节点数)子时隙构成.

具体重传策略如图5(b)所示.

TP2流量时隙中P-CCA阶段的竞争子时隙数目与TP1时隙一一对应,假设Hi被抢占,那么Hi将休眠n-i+1个时隙以避免同级流量竞争,并于TP2流量时隙起始处即L1时隙唤醒,依次在E-CCA阶段和PCCA阶段的1 到i-1子时隙侦听抢占载波信号.若期间未监听到抢占载波信号,则在第i个子时隙发送抢占载波信号,并在该时隙的数据传输处传输数据.若该期间监听到抢占载波信号,则进入休眠并于下个时隙唤醒,重复上述过程直至成功接入信道或者在Lm时隙失败后丢弃数据包.由上述过程可知,该策略下TP1流量节点和TP2流量节点数设置更为灵活,每个TP1流量节点不仅避免同级竞争还可以在最短的时间内接入信道进行传输,同时具备m次重传机会,显著提升了TP1流量传输的可靠性.

4 模型分析

在本节中,针对提出的两种MAC协议,分析其关键特性如TP0流量的最差传输时延,和其他周期流量的平均成功接入率和平均接入时延.在对两个协议的分析过程中,假设信道是理想的,被抢占和同级流量冲突是引发重传的唯一因素.

4.1 R-MAC协议分析

1) TP0流量的最差接入时延分析.

本文将TP0流量的接入时延定义为从TP0流量产生到被簇头接收的时间段.当TP0流量产生后,若恰好在E-CCA阶段,则发送抢占载波信号抢占当前时隙传输数据,若不在E-CCA阶段,则将抢占下一时隙发送数据.因此TP0流量最差接入时延为在当前超帧的最后一个时隙P-CCA起始阶段产生待发送数据,该流量将在下一个超帧的第1个时隙才能进行发送,这一段时间被定义为最差接入时延.(假设TP0流量节点在发送一个数据包未收到ACK帧之前不会再继续发送新的数据包.)

其中:T为单个时隙的持续时间,Ts为单个子时隙的持续时间,Tbeacon为信标帧的持续时间,通过上述分析,本文所提出R-MAC协议可以保证TP0流量最差接入时延上界.

2) TP1-TP2流量的平均接入成功率、接入时延分析.

在该节,本文分析了C-MAC协议下不同优先级周期流量的平均成功接入率和接入时延.首先假设该簇网络中不同优先级周期流量的节点数均为n个,TP0流量节点数1个.假设TP0 流量在每个时隙发送的概率为σ,且相互独立.针对上述所设计的一一对应原则,逐级分析抢占重传情况.针对TP1流量,在无差错信道中,仅可能被TP0流量抢占,而且睡眠降级重传机制避免了同级优先级之间的冲突,设事件A为TP1流量单次成功接入,事件B为TP2流量单次成功接入,TP1流量单次成功接入的概率由Prh-s1给出:

TP1流量重传成功接入的概率由Prh-s2给出:

则TP1流量成功接入的概率为Prh-s:

以TP1流量成功接入时隙平均所需要的时隙数目作为平均接入时延,那么首先需要针对不同成功接入情况进行归一化处理,然后将归一化的接入成功率与该情况下接入信道所需的时隙数作乘,那么可得平均接入时延Davel如下:

其中T为单个时隙的持续时间.

本文所考虑多种不同流量共存的场景中,TP2流量因为属于收集类数据,所以部分丢失不会造成重大影响,因此TP2流量未设定重传机制.仅对TP2流量进行丢包率分析,针对Li时隙所对应的节点,当且仅当所对应的TP1时隙和本身均不被抢占时,才能保证它的正常传输,因此TP2流量的成功接入概率如下:

至此本文完成R-MAC协议平均接入成功率和平均接入时延的分析.

4.2 C-MAC协议分析

在该协议下,以R-MAC协议为基础,主要针对TP1流量的平均接入成功率和接入时延两个关键特性进行了优化.针对TP0流量,与上述的R-MAC协议接入方式相同,因此与R-MAC协议具有相同的最差接入时延上界,这里不再赘述.

假设存在n个TP1流量节点,1个TP2流量节点,也就是对应n个TP1流量时隙,一个TP2 流量时隙,以某一时刻TP1流量时隙被TP0流量抢占包的数量建立离散马尔科夫链(discrete Markov chain,DTMC)如图6所示.

图6 DTMC模型Fig.6 DTMC model

设存在i,0 ≤i≤n个被抢占包,表示当前系统所处的状态,在重发阶段下某个TP1流量成功抢占低优先级时隙时,系统状态将由i转移至i-1,如果重发阶段TP1流量抢占该低优先级时隙失败,那么系统将仍保持在状态i下.如果初始状态为i0,那么经过状态转移后只能为状态0.设qi,j为稳态转移概率,则有以qi,j作为基本元素的状态转移矩阵:

稳态转移概率qi,j的取值如下所示:

在此基础上,假设有m个低优先级流量节点,那么可以得到Q的m步状态转移概率Qm.

设πi,0 ≤i≤n作为初始状态i个被抢占包重传的概率,则由πi构成行向量→π.假设每个TP1流量节点发生重传服从二项式分布,那么根据如下公式得:

设0 ≤i≤n作为经过m步状态转移后的稳态概率,以→πm作为系统经过m步状态转移后的稳态矩阵,则有如下关系:

在当前超帧TP1流量平均传输失败的概率可由如下公式计算出:

则平均成功接入概率为

TP1流量在第1阶段成功接入时隙的概率为1-σ.由于每个TP1流量均具备m次重传机会,那么一个TP1流量节点重传且成功接入时隙的先决条件为:本身传输时隙被抢占且成功接入的TP2流量时隙未被其他TP1流量节点或者TP0流量节点抢占,此概率为σ(1-σ).在此先决条件下分析TP1流量重传接入情况.

其中P(i,j)为TP1流量第i个时隙被抢占,在TP2流量的第j个时隙成功接入的概率.

第i个TP1流量节点成功接入的概率为

对每种接入情况概率进行归一化处理,并与当前接入方式所需时隙数作乘,可得第i个TP1 节点的平均接入时延

进一步的,可得TP1流量的平均接入时延为

5 数值仿真

在本节中,对所提出的两种接入协议中TP0流量的最差接入时延上界和TP1流量的接入成功率,平均接入时延两方面进行了数值评估,数值结果由第4节分析结果得到,并与基于TDMA 的工业无线传感网络如WirelessHART相比,其中传输速率,时隙持续时间T,可接收抢占载波信号的子时隙最小单位持续时间Ts主要采用WirelessHART 标准[20],Tbeacon的持续时间可根据信标帧的长度计算得出[16].文献[14]中给出了常见工业场景中不同类型流量分组大小,仿真数值在表1和表2给出.

表1 系统参数Table 1 System parameters

表2 分组大小Table 2 Packet’s length

根据每个时隙长度T为10 ms,在不包含子时隙的情况下,每个时隙可传输的数据长度Lbyets为

1) TP0流量的最差接入时延.

图7为不同数目周期流量节点的情况下,本文所提出的两种协议中TP0流量和WirelessHART的最差接入时延对比.本文所提出的两种协议,为TP0流量的最差接入时延限定了上界,在理想信道的条件下,不受其他条件的影响,最差接入时延是固定的.而WirelessHART中的TP0流量在周期流量发送结束后于未使用的预留时隙中发送分组,所以TP0流量接入时延受周期流量节点数目的影响.随着周期流量节点数量的增多,TP0流量节点的最差接入时延会随之线性增长.假设当前超帧有z个已分配时隙,当一个TP0流量监测节点于帧起始位置产生待发送数据,那么该数据需等到周期流量发送完后,再进行接入时隙,则Dworst-whT(z+1)ms为Wireless-HART的最差接入时延.

图7 最差接入时延对比Fig.7 Comparison of worst access latency

2) R-MAC协议仿真分析.

为了便于分析,假设TP1流量时隙数和TP2流量时隙数相等.图8展示了在不同突发流量发生率下TP0,TP1流量和TP2流量的成功接入概率,由图可以看出当突发流量发生率高的时候,睡眠降级重传策略的存在将丢包率转移至TP2流量,从而降低TP1流量的丢包率,因此R-MAC 协议在TP0流量发生率较高的情况下,TP1流量仍能保持较高的接入成功率.

图8 各优先级流量成功接入率Fig.8 Successful access rate of traffic of different priorities

图9中可以看出,在WirelessHART的接入方式下,假设每个时隙发送分组失败的概率σ0.1,则位于该超帧的不同优先级节点的接入概率都是相同的,这样的情况下无法保障关键数据的传输.而本文所提出的R-MAC协议实现了不同优先级流量服务差异化,在时隙资源紧张时,TP1 流量以抢占重传的方式减少实时性和可靠性需求不高的TP2流量接入时隙,进而提高自身的接入成功率.此外本文还给出在TP0流量发生率不同情况下,随TP1流量时隙数增加下的TP1流量平均接入时延如图10,此时超帧中的时隙数为TP1流量时隙数的两倍.

图9 周期流量服务差异化对比Fig.9 Comparison of periodic traffic service differentiation

图10 TP1流量平均接入时延Fig.10 Average TP1 traffic access latency

3) C-MAC协议仿真分析.

本文所设计的C-MAC协议在超帧的灵活性上更高,首先图11-13展示了当TP1流量节点为10,20,30时,TP2流量时隙为10个时TP1流量的平均接入成功率.此外本文还考虑了不同TP0流量发生率情况下的TP1流量平均接入成功率.由图11-13可以得出如下结论,在σ为3%的情况下,当TP1流量节点分别为10,20,30时,TP1流量节点分别在TP2流量时隙3,4,5的平均接入成功率接近100%;在σ为6%的情况下,当TP1流量节点分别为10,20,30时,TP1流量节点分别在TP2流量时隙4,5,6的平均接入成功率接近100%;在σ为10%的情况下,当TP1流量节点分别为10,20,30时,TP1流量节点分别在TP2流量时隙6,7,9的平均接入成功率接近100%.在10个TP2流量时隙的情况下,可以保证在本文所提的前提下保障30个TP1流量的成功接入概率.

图11 TP1流量接入成功率(n=10)Fig.11 TP1 traffic access success rate(n=10)

图12 TP1流量接入成功率(n=20)Fig.12 TP1 traffic access success rate(n=20)

在保障成功接入率的前提下,对不同TP1流量时隙数目下的平均接入时延进行了仿真,如图14所示.

图13 TP1流量接入成功率(n=30)Fig.13 TP1 traffic access success rate(n=30)

图14 TP1流量平均接入时延Fig.14 TP1 traffic average access latency

与R-MAC协议相比,C-MAC保障了接入的成功率,进一步降低了平均接入时延而且用了更少的TP2流量时隙.但是在20个TP1流量时隙的情况下每个TP2流量时隙将需要21个子时隙,那么每个TP2流量时隙损失的传输容量为Llost.

即每个时隙减少了TP2流量84个字节的传输容量,而且睡眠唤醒更加频繁,一定程度上增加了能量消耗.而TP2流量的分组大小为36 bytes,因此,在小规模网络中,C-MAC协议并不会影响常见工业网络各类数据的传输.R-MAC协议和C-MAC协议是考虑到设计复杂度和应用场景等因素制定的,两者均保障了TP0流量接入时延的上界,在实际应用当中可从TP1流量的实时性需求和能耗角度考虑来选取合适的协议.

6 结论

本文结合热轧产线工业场景,分析了混合关键系统各种流量传输需求,提出流量分区超帧架构,并基于该超帧架构设计了R-MAC协议和C-MAC协议两种独立的信道接入机制,最后采用了概率学和离散马尔科夫链的方式对所提出的协议进行了评估,得到了两种MAC协议下TP0流量的最差接入时延,TP1流量的平均接入成功率和接入时延.与实时工业无线传感网络WirelessHART相比,所提出的两种MAC协议支持多种流量的接入调度.针对突发流量,限定了最差接入时延的上界,保障了突发流量的实时接入.针对周期流量,引入重传机制提升了高优先级流量的成功接入率,并且实现了多优先级流量服务差异化.值得注意的是,目前的工作主要聚焦于单信道场景下的时隙分配算法,后续工作将考虑多信道树状网络拓扑下的时频域联合优化策略,实现大规模节点的可靠有序接入.