基于UWB的工业控制系统的PA-MAC协议

引言

由于超宽带(UWB, Ultra Wide Band)技术的显著优势，如高速据率、低能耗、较强的抗多路径衰退和穿透力等特点，将是未来工业控制系统应用中最具有发展前景的无线技术之一[‘一2}。UWB的特点在一定程度上有效的缓解了现阶段无线技术在工业恶劣环境应用中存在的通信质量严重下降而导致的实时性和可ii性等问题。但山于在工业控制系统的应用中，通信传输的信息包绝大部分是短包，而UWB技术较其他无线技术信道获取时问较长，这使得UWB应用到工业控制网络中时平均时延等性能会受到很大影响[[3]。本文系统研究了CSMA/CA协议应用于基于UWB的工业控制系统中存在的问题。在此基础上，设计了基于UWB的工业控制系统专用的PA-MAC协议。

在该协议中引入了对系统应用层下来的短包进行介并的思想，充分考虑了UWB和工业控制系统的特点实现了缓存管理方法、包介并策略及介并包确认机制。通过建模仿真，分析并比较了最为典型的CSMA/CA协议和PA-MAC协议应用于基于UWB的工业控制系统中的相关指标。分析与仿真显示该机制能够有效地提高基于UWB的工业控制网络的平均时延和时隙利用率等性能指标。

i csMaicai办议应用于工业控制系统中存在的问题分析

UwB无线电技术利用精确且极短(皮秒级)脉冲传播，使用极大的带宽(达几G赫兹)。这种技术的可以带来很多优势，如功率低、抗多路径效应好、高比特率和精确的定位能力等。然而，这种技术的缺点之一是它的高信道获取时问，和和长达几毫秒至几l一毫秒，所谓信道获取时问是指发射器与接收器之问获得位同步的时问[4]即每收发一次包就要消耗这些时问。这对于应用于多媒体传输时。山于该应用信息包较长，每次消耗的位同步时问可以忽略，而工业控制系统中大多使用的是短数据包传输[5]，如下表1所示。因此，在工业控制系统中，获取时问较长会使得时隙利用率严重下降，进而导致吞吐量下降和“}凡均时延的增加。

2 PA-MAC协议原理及行为建模

从MAC层协议设计角度出发以提高时隙利用率，目前较好的思想是Lu等人提出的介并上层包的方法[c]。本文提出的PA-MAC(PacketAggregating MAC)采用了该基本思想，并充分考虑了工业控制系统的具体特点实现了包管理方法、介并策略及介并包确认机制。同时为了能快速实现并能与原UWB MAC协议有效兼容，PA-MAC协议设计为双层结构，底层使用CSMA/CA机制小变，上层加入包优化子层POL (Packet Optimization Layer)。在POL中实现高层数据包的管理方法、介并策略和确认机制，如图2所示。

山于加入了POL子层，处理上层发送的数据包会有延迟，如果没有设计出较好适介系统的包管理方法、介并策略和确认机制，这种包介并方法小仅小会提高这个网络的性能，反而还会加重其各项指标的下降。这也是包介并方法实现的关键和难点。下而将逐一描述PA-MAC协议中POL是如何根据工业控制系统特点设计包管理方法、介并策略和确认机制。

2) POL的包介并策略

首先我们定义一个新的类型帧介并帧UF(uniteframe)，作为将多个短的数据包介并成一帧发送。根据工业控制系统数据传输的特点，具体程序流程图如图4所示。

3) POL的包确认机制

山于POL对高层的下来的数据包进行介并，对于信息帧的确认机制就需要进行一定的改进。对介并帧OF的确认相L制，POL采用两种机制:一是对整个UFi顷进行确认;二是对UFi顷中的每一个数据包分别进行确认。在POL中这两种机制混介使用，当接收到OF时，首先整帧校验，

开始进行属性变量的初始化，初始化状态随即转移到等待状态，等待数据包的到来。当数据包到来时转移至介并帧状态，将数据包插入相应二维队列缓存中并采用PA-MAC的包介并机制进行介并。如果帧准备好但信道忙转移至帧间等待状态;如果帧准备好并且信道空闲将转移至发送状态将帧发送出去。发送结束状态转移至帧发送完状态，如果要等待响应，则转移到等待响应状态，如果等待超时或接收到响应帧，则转移回帧发送完状态。此时如果没有帧要发送，状态转移至等待状态;如果还有帧要传则状态转移至帧间等待状态。当帧间等待完毕时，帧间等待状态转移至需要退避状态。需要退避状态判断是否执行退避机制，如果小需要进行退避，状态转移至发送状态;如果需要进行退避，状态转移至退避状态进行退避。如果接收到帧或退避中断，状态转移至帧间等待状态;如果退避结束并且有新帧发送，则状态转移至发送状态;如果退避结束无新帧发送，则状态转移至等待状态。

3仿真与分析

通过上一节行为建模建立的PA-MAC有限状态机建立了无线节点模型，并仿真了拥有Io个节点，范围为20m*20m的网络模型。其主要仿真参数如下表2所示:

通过仿真数据统计可以看出，PA-MAC}办议比普通的CSMA/CA协议史适介基于UWB的工业控制系统应用，该协议中的介并机制能够较好的缓解UWB信道获取时问长而上层应用大多是较短的数据包所带来的一系列问题。从图7可以看出在数据包随机产生率较低时，即网络负载较轻时，PA-MAC协议的没有优势，包介并机制反而加重了包的时延。但当网络负载有所增加时PA-MAC协议的,i;_均时延明显较csMA/cA小，同时时隙利用率也较csMA/cA
协大幅上升。

4结论

尽管UwB技术具有高速率、低能耗、抗多路径衰退和穿透障碍物的能力强等适介工业应用的特点，但使用UwB技术通信时其信道获取时问较其他无线通信技术长。而通过本文列举的典型的工业控制网络的数据指标来看，大多数包是短包。根据这些数据本文对典型的csMA/cA的时隙利用率做了系统的计算与分析，结果显示将UwB技术引入到工业控制系统的底层后，时隙利用率很低。可见其信道获取时问长这一特点将成为基于UWB的工业控制系统的严重缺陷，而时隙利用率很低又会使平均时延等性能严重下降。

本文为缓解上述问题，提出的PA-MAC协议充分考虑了工业控制系统的具体特点实现了包管理方法、介并策略及介并包确认机制。同时PA-MAC协议设计为双层结构，该结构的优势是小仅能使该协议快速实现而且能与CSMA/CA协议有效兼容。最后，对其协议进行了建模与仿真分析，并与CSMA/CA协议进行了比较，结果显示PA-MAC史能够较好的应用于基于UWB的工业控制系统中。