專利名稱：一種面向工廠自動化tdma無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地說是一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是繼現(xiàn)場總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個熱點技術(shù)，是降低工業(yè)測控系統(tǒng)成本，提高工業(yè)測控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù)，也是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面向設(shè)備間短程、低速率信息交互，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境使用，具有很強的抗干擾能力、超低能耗、實時通信等技術(shù)特征，是對現(xiàn)有無線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴展和技術(shù)創(chuàng)新，并最終轉(zhuǎn)化為新的無線技術(shù)標準。目前，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于高速的工廠自動化領(lǐng)域，成為繼面向過程自動化的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，國際上無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)競爭的又一焦點。相對于傳統(tǒng)的有線總線技術(shù)，工廠自動化無線網(wǎng)絡(luò)不僅具有低成本、易安裝、易維護的優(yōu)勢，而且能夠避免設(shè)備因移動導(dǎo)致的線纜易老化、線纜污染、滑環(huán)電力接觸易失敗等問題。TDMA機制因其確定性的資源分配以及有效避免沖突的特點，可以實現(xiàn)較高的可靠性和實時性，因此成為工廠自動化無線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制層的首選。然而，在基于簡單的TDMA機制的無線網(wǎng)絡(luò)中存在一個帶寬利用率低的問題，這導(dǎo)致它在工業(yè)現(xiàn)場通信時難以支持大規(guī)模的節(jié)點數(shù)量。另外，工業(yè)應(yīng)用中較短的采集數(shù)據(jù)加大了物理層的開銷，進一步降低了帶寬的有效利用率。包聚合的方法在無損數(shù)據(jù)聚合的前提下，能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，增加有效載荷的比例，從而降低了物理層的開銷，提高了網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量，同時避免了大量數(shù)據(jù)傳輸過程中帶來的沖突碰撞問題，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實時性。包聚合的實質(zhì)在于把多個包按照一定的格式重新封裝成一個包發(fā)送出去，接收端收到該包后，進行反向的解聚合操作，還原成原始的多個包。目前，多數(shù)應(yīng)用，如802.1ln,都采用這類技術(shù)來提高吞吐量。然而，現(xiàn)有的包聚合方法僅支持一對一或者多對一的數(shù)據(jù)聚合模式，尚未有一對多的聚合方法且缺乏有效的ACK機制保證聚合包傳輸?shù)目煽啃浴?br>
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有的包聚合方法僅支持一對一或者多對一的數(shù)據(jù)聚合模式，尚未有一對多的聚合方法且缺乏有效的ACK機制保證聚合包傳輸可靠性的缺陷，提出了一種介質(zhì)訪問控制層(Medium Acess Control layer,MAC)的包聚合方法,充分利用工廠自動化應(yīng)用中確認幀長度短的特點，在保證數(shù)據(jù)無損的前提下，減少網(wǎng)絡(luò)中包的數(shù)量和包頭開銷，提高包的有效載荷，優(yōu)化面向工廠自動化的無線網(wǎng)絡(luò)的性能。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法，包括以下步驟:將工廠自動化無線網(wǎng)絡(luò)的各類節(jié)點搭建成星型拓撲結(jié)構(gòu)；
AP為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分配通信所需時隙；基于上述拓撲結(jié)構(gòu)和時隙分配結(jié)果，如果緩存空間足夠，AP將需要發(fā)送給多個節(jié)點的包按照聚合包格式封裝成一個包；節(jié)點收到來自AP的聚合包后，判斷該節(jié)點是否為該聚合包的目的節(jié)點，如果是則接收并解聚該包，否則丟棄該包；收到聚合包的節(jié)點向AP回復(fù)ACK響應(yīng)，AP向未發(fā)來ACK的節(jié)點重傳聚合包；AP根據(jù)ACK響應(yīng)的結(jié)果，決定重傳。所述星型拓撲結(jié)構(gòu)包括接入點AP和在AP —跳通信范圍內(nèi)的節(jié)點。所述時隙包括節(jié)點向AP發(fā)送數(shù)據(jù)，AP向節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)和用于數(shù)據(jù)重傳所需的時隙。如果緩存空間不夠，則將部分包聚合或者不聚合包。所述聚合幀格式包括兩個部分:主頭和載荷，其中，主頭部分包括四個子域，分別為幀控制、序列號、源地址和ACK掩碼；載荷部分由聚合后的多個幀的片段組成，每個片段包括一個輔助頭和可變長度的數(shù)據(jù)。所述幀控制子域包括六個子域，分別為協(xié)議掩碼、上行鏈路標識、后繼數(shù)據(jù)標識、網(wǎng)絡(luò)標識符、包類型和聚合包數(shù)量。所述輔助頭包括兩個子域:子幀控制和目的地址，其中，子幀控制子域包括三個子域，分別為子幀長度、子幀類型和ACK掩碼分配。所述AP將需要發(fā)送給多個節(jié)點的包按照聚合包格式封裝成一個包的過程為:AP將其內(nèi)部需要發(fā)送給節(jié)點的包按照接收時間進行排序，并將各個包按照聚合包載荷中片段的格式填充相應(yīng)內(nèi)容后，存儲在緩存中，其中，緩存的第一項存儲主頭的內(nèi)容；收到一個新包后，AP判斷其緩存中的已有數(shù)據(jù)長度的和+待聚合包的數(shù)據(jù)域的長度+4字節(jié)是否小于Nmax個字節(jié)，其中，Nmax的值取決于具體的協(xié)議和硬件，其值限定緩存中每一項的大小，如果小于Nmax個字節(jié),則放棄聚合待加入的包；否則，轉(zhuǎn)入下一步；聚合待聚合的包，在AP緩存增加包含“子幀控制、目的地址和數(shù)據(jù)”元素的項，用于填充待聚合報文的內(nèi)容；根據(jù)待聚合報文MAC層頭域中的ACK標識判斷是否需要ACK響應(yīng)，如果不需要ACK響應(yīng)，則將子幀控制子域中的ACK掩碼分配子域置0，否則，將ACK掩碼分配子域置I 15之間的值，且所置值尚未被緩存中其他待聚合的包使用。所述包解聚的過程為:節(jié)點收到來自AP的廣播包后，解析廣播包，根據(jù)主頭中的幀控制子域的包類型子域，判斷包的類型，如果為聚合包，則按照聚合包的格式解析聚合包主頭后面的數(shù)據(jù)；對于解析后的聚合包，如果輔助頭對應(yīng)的目的地址與本地地址匹配，則存儲對應(yīng)的輔助頭和數(shù)據(jù)；解析輔助頭，根據(jù)其中的ACK掩碼分配子域的值mask_b判斷是否需要回復(fù)ACK響應(yīng)；如果需要回復(fù)，則執(zhí)行ACK響應(yīng)步驟，否則，不做處理。所述ACK響應(yīng)和重傳的過程為:節(jié)點向AP返回ACK響應(yīng)；如果AP收到節(jié)點的ACK響應(yīng)，則將ACK掩碼ACKjnask中對應(yīng)的位的值置為I ;如果AP未收到某個節(jié)點的ACK響應(yīng)，則重傳聚合包，并將聚合包的主頭的ACK掩碼子域的值置為ACK_mask ；節(jié)點收到重傳包后，將自身的ACK掩碼與ACKjnask執(zhí)行與運算，如果對應(yīng)位的結(jié)果為0，則表示節(jié)點的ACK響應(yīng)發(fā)送失敗，節(jié)點重新解析發(fā)來的重傳包；否則，丟棄重傳的聚合包。本發(fā)明提出的面向面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法是在充分考慮工業(yè)自動化無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和傳輸特點的前提下提出的，能夠提高網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量，具有無損聚合、低能耗和易實現(xiàn)等優(yōu)點，具體表現(xiàn)在:1.本發(fā)明方法設(shè)計的包聚合方法降低了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的載荷，提高了網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量;2.本發(fā)明方法設(shè)計了基于掩碼處理的ACK響應(yīng)和重傳方法以及基于搭載的ACK響應(yīng)結(jié)果傳 輸方法，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時，降低了開銷，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量；3.本發(fā)明方法設(shè)計了用于包聚合的幀格式，一方面它能夠使數(shù)據(jù)融合機制易于實現(xiàn)，另一方面它解決了聚合后ACK響應(yīng)多對一的問題。


圖1為本發(fā)明中采用的網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖；圖2為AP為節(jié)點分配時隙的一個實例結(jié)果示意圖；圖3為本發(fā)明中設(shè)計的聚合包的格式；圖4為聚合包中幀控制域的格式；圖5為聚合包中子幀控制子域的格式；圖6為AP聚合包的流程圖；圖7為節(jié)點解聚包的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。本發(fā)明方法包括以下步驟:將工廠自動化無線網(wǎng)絡(luò)的各類節(jié)點搭建成星型拓撲結(jié)構(gòu)；AP為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分配通信所需時隙；基于上述拓撲結(jié)構(gòu)和時隙分配結(jié)果，設(shè)計包聚合和解聚的過程和包格式；聚合包的目的節(jié)點回復(fù)ACK響應(yīng)；AP根據(jù)ACK響應(yīng)的結(jié)果，決定重傳。本發(fā)明采用的星型拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括接入點AP(Access Point)和節(jié)點(Node)。其中，將AP標記為N。。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都在AP的一跳通信范圍內(nèi)。AP根據(jù)節(jié)點的數(shù)據(jù)率和實時性要求為網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點分配相應(yīng)的時隙。圖2給出時隙分配的一個實例。假設(shè)節(jié)點NpN2、N3和N4的數(shù)據(jù)率和實時性要求相同，AP分別為其分配時隙Slot4、Slot5、Slot6以及Slot7用于上行數(shù)據(jù)通信(即節(jié)點向AP發(fā)送數(shù)據(jù))；時隙Slot24、Slot25、Slot26以及Slot27用于重傳；時隙Slot1^Slot20以及Slot4ci用于下行數(shù)據(jù)通信(即AP向節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù))。時隙分配結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點和AP之間進行正常通信。在網(wǎng)絡(luò)通信過程中，為了降低網(wǎng)絡(luò)中包的數(shù)量以及包頭開銷，本發(fā)明設(shè)計如下包聚合和解聚過程，具體包括三個步驟:包聚合、包解聚和確認巾貞(ACKnowledgement, ACK)響應(yīng)。步驟I包聚合:AP根據(jù)緩存空間的大小，將需要發(fā)送給多個節(jié)點的包聚合為一個包；如果緩存空間不夠，則將部分包聚合或者不聚合包；否則，按照所設(shè)計的聚合包格式將需要聚合的包封裝成一個包。步驟2包解聚:節(jié)點收到來自AP的聚合包后，判斷是否為目的節(jié)點。如果是目的節(jié)點，則接收并解聚該包；否則，丟棄該包。步驟3ACK響應(yīng)和重傳:收到聚合包的節(jié)點向AP回復(fù)ACK響應(yīng)，AP通過ACK掩碼標識ACK的回復(fù)結(jié)果，并且將ACK掩碼搭載在重傳的聚合包中廣播出去。節(jié)點根據(jù)ACK掩碼的值和目的地址判斷是否接收重傳的聚合包。所述聚合幀格式見圖3，包括兩個部分:主頭(Main Header, MH)和載荷(Payload)。其中，主頭部分包括四個子域，分別為幀控制、序列號、源地址和ACK掩碼；載荷部分由聚合后的多個幀的片段組成，每個片段包括一個輔助頭(Sub Header, SH)和可變長度的數(shù)據(jù)(Data)。下面將對各個子域的長度和功能作詳細說明。幀控制:2個字節(jié)長，用于控制MAC層接入的一些參數(shù)，包括協(xié)議掩碼、上行鏈路標識、后繼數(shù)據(jù)標識以及網(wǎng)絡(luò)標識符(Identifier，ID)，其格式見圖4。1.協(xié)議掩碼:占用4個比特，用于標識所采用無線協(xié)議的類型和版本號；本發(fā)明中該值假設(shè)為Obllll。2.上行鏈路標識:占用I個比特，用于指示報文上行或者下行。其中，O表示下行，I表示上行。3.后繼數(shù)據(jù)標識:占用I個比特，用于指示發(fā)送端的發(fā)送隊列中是否有待發(fā)送的數(shù)據(jù)；值為O表示發(fā)送端的發(fā)送隊列為空。4.網(wǎng)絡(luò)標識符:占用4個比特，用于區(qū)分同一個網(wǎng)絡(luò)的不同子網(wǎng)。5.包類型:占2個比特，用于標識包的類型。其中，O標識數(shù)據(jù)包；1標識命令包；2表示聚合包；3保留。6.聚合包數(shù)量:占4個比特，用于標識聚合包中載荷域中被聚合包的數(shù)量。如果包類型的值不為2，則該域無效。序列號(Sequence Number, SN):2個字節(jié)長,用于標識巾貞的序號；序列號由一個16位的內(nèi)部計數(shù)器維護；節(jié)點或者AP發(fā)送幀時，將內(nèi)部計數(shù)器的值拷貝到該域，隨后，內(nèi)部計數(shù)器的值作加I運算；重傳幀的序列號保持不變。源地址:2個字節(jié)長，用于標識當前幀的發(fā)送者。ACK掩碼:2個字節(jié)長，用于指示是否已經(jīng)接收到來自前一聚合幀的接收端發(fā)來的ACK響應(yīng)；如果該域的值為0x00，則表示所有的被聚合幀的接收端都已經(jīng)回復(fù)ACK響應(yīng)；否貝U，如果該域的某一位為1，則表示對應(yīng)該位的接收端尚未回復(fù)ACK響應(yīng)。由于ACK掩碼子域為2個字節(jié)長，因此，最多可以標識16個節(jié)點的ACK響應(yīng)情況。數(shù)據(jù)長度:2個字節(jié)長，用于標識載荷部分數(shù)據(jù)的字節(jié)長度。輔助頭:4個字節(jié)長，包括子幀控制子域和目的地址子域。1.子幀控制:2個字節(jié)長，如圖5所示，包括以下信息:
(I)子幀長度:占用7個比特，表示子幀的總長度，即從子幀控制域開始到數(shù)據(jù)結(jié)束的整個長度；(2)子幀類型:占用4個比特，表示子幀的類型，其含義見表I ;表I幀類型標識
權(quán)利要求
1.一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法，其特征在于，包括以下步驟: 將工廠自動化無線網(wǎng)絡(luò)的各類節(jié)點搭建成星型拓撲結(jié)構(gòu)； AP為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分配通信所需時隙； 基于上述拓撲結(jié)構(gòu)和時隙分配結(jié)果，如果緩存空間足夠，AP將需要發(fā)送給多個節(jié)點的包按照聚合包格式封裝成一個包； 節(jié)點收到來自AP的聚合包后，判斷該節(jié)點是否為該聚合包的目的節(jié)點，如果是則接收并解聚該包，否則丟棄該包； 收到聚合包的節(jié)點向AP回復(fù)ACK響應(yīng)，AP向未發(fā)來ACK的節(jié)點重傳聚合包； AP根據(jù)ACK響應(yīng)的結(jié)果，決定重傳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法，其特征在于，所述星型拓撲結(jié)構(gòu)包括接入點AP和在AP —跳通信范圍內(nèi)的節(jié)點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法，其特征在于，所述時隙包括節(jié)點向AP發(fā)送數(shù)據(jù)，AP向節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)和用于數(shù)據(jù)重傳所需的時隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法，其特征在于，如果緩存空間不夠，則將部分包聚合或者不聚合包。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法，其特征在于，所述聚合幀格式包括兩個部分:主頭和載荷，其中，主頭部分包括四個子域，分別為幀控制、序列號、源地址和ACK掩碼；載荷部分由聚合后的多個幀的片段組成，每個片段包括一個輔助頭和可變長度的數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法，其特征在于，所述幀控制子域包括六個子域，分別為協(xié)議掩碼、上行鏈路標識、后繼數(shù)據(jù)標識、網(wǎng)絡(luò)標識符、包類型和聚合包數(shù)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法，其特征在于，所述輔助頭包括兩個子域:子幀控制和目的地址，其中，子幀控制子域包括三個子域，分別為子幀長度、子幀類型和ACK掩碼分配。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法，其特征在于，所述AP將需要發(fā)送給多個節(jié)點的包按照聚合包格式封裝成一個包的過程為: AP將其內(nèi)部需要發(fā)送給節(jié)點的包按照接收時間進行排序，并將各個包按照聚合包載荷中片段的格式填充相應(yīng)內(nèi)容后，存儲在緩存中，其中，緩存的第一項存儲主頭的內(nèi)容； 收到一個新包后，AP判斷其緩存中的已有數(shù)據(jù)長度的和+待聚合包的數(shù)據(jù)域的長度+4字節(jié)是否小于Nmax個字節(jié)，其中，Nmax的值取決于具體的協(xié)議和硬件，其值限定緩存中每一項的大小，如果小于Nmax個字節(jié),則放棄聚合待加入的包；否則，轉(zhuǎn)入下一步； 聚合待聚合的包，在AP緩存增加包含“子幀控制、目的地址和數(shù)據(jù)”元素的項，用于填充待聚合報文的內(nèi)容；根據(jù)待聚合報文MAC層頭域中的ACK標識判斷是否需要ACK響應(yīng)，如果不需要ACK響應(yīng)，則將子幀控制子域中的ACK掩碼分配子域置O，否則，將ACK掩碼分配子域置I 15之間的值，且所置值尚未被緩存中其他待聚合的包使用。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法，其特征在于，所述包解聚的過程為: 節(jié)點收到來自AP的廣播包后，解析廣播包，根據(jù)主頭中的幀控制子域的包類型子域，判斷包的類型，如果為聚合包，則按照聚合包的格式解析聚合包主頭后面的數(shù)據(jù)； 對于解析后的聚合包，如果輔助頭對應(yīng)的目的地址與本地地址匹配，則存儲對應(yīng)的輔助頭和數(shù)據(jù)； 解析輔助頭，根據(jù)其中的ACK掩碼分配子域的值mask_b判斷是否需要回復(fù)ACK響應(yīng)；如果需要回復(fù)，則執(zhí)行ACK響應(yīng)步驟，否則，不做處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法，其特征在于，所述ACK響應(yīng)和重傳的過程為: 節(jié)點向AP返回ACK響應(yīng)； 如果AP收到節(jié)點的ACK響應(yīng)，則將ACK掩碼ACKjnask中對應(yīng)的位的值置為I ; 如果AP未收到某個節(jié)點的ACK響應(yīng)，則重傳聚合包，并將聚合包的主頭的ACK掩碼子域的值置為ACK_mask ； 節(jié)點收到重傳包后，將自身的ACK掩碼與ACKjnask執(zhí)行與運算，如果對應(yīng)位的結(jié)果為O,則表示節(jié)點的ACK響應(yīng)發(fā)送失敗， 節(jié)點重新解析發(fā)來的重傳包；否則，丟棄重傳的聚合包。
全文摘要
本發(fā)明涉及工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地說是一種面向工廠自動化TDMA無線網(wǎng)絡(luò)的包聚合方法。將工廠自動化無線網(wǎng)絡(luò)的各類節(jié)點搭建成星型拓撲結(jié)構(gòu)；AP為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分配通信所需時隙；基于上述拓撲結(jié)構(gòu)和時隙分配結(jié)果，如果緩存空間足夠，AP將需要發(fā)送給多個節(jié)點的包按照聚合包格式封裝成一個包；節(jié)點收到來自AP的聚合包后，判斷該節(jié)點是否為該聚合包的目的節(jié)點，如果是則接收并解聚該包，否則丟棄該包；收到聚合包的節(jié)點向AP回復(fù)ACK響應(yīng)，AP向未發(fā)來ACK的節(jié)點重傳聚合包；AP根據(jù)ACK響應(yīng)的結(jié)果，決定重傳。本發(fā)明充分利用工廠自動化應(yīng)用中確認幀長度短的特點，在保證數(shù)據(jù)無損的前提下，減少網(wǎng)絡(luò)中包的數(shù)量和包頭開銷，提高包的有效載荷，優(yōu)化面向工廠自動化的無線網(wǎng)絡(luò)的性能。
文檔編號H04W28/06GK103179613SQ20111044176
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者梁煒, 林俊如, 張曉玲, 于海斌, 楊雨沱 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所