[发明专利]一种面向工业无线网络的混合介质访问控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术，具体地说明是一种面向工业无线网络的混合介质访问控制方法。

背景技术

与有线网络相比，无线网络具有无需布线、易于维护、高度灵活、快速实施等特点，对于工业应用而言这无疑是一个巨大的优势。随着无线通信技术的成熟与成本的降低，工业网络无线化已成为趋势之一。一个典型的工业无线测控网络如附图1所示，大量的无线传感器或执行器节点分布在工业现场的各个监测点上，这些节点与具有路由功能的节点共同形成网络，并将现场监测数据以多跳的方式传送回网关节点。工业网络无线化带来便利的同时，工业应用对无线网络提出了更为严格的可靠性、实时性和节能性等通信质量要求。在可靠性方面，工业现场环境下，窄带多频噪声、共存网络干扰和多途效应，使得利用稀缺的信道资源实现可靠通信成为急需解决的难题；在实时性方面，工业对实时性的要求较其它应用更为严格，微小的延迟都会造成重大事故，具有硬实时保证的通信是工业的基本要求；在节能性方面，低能耗是保证设备长期运行、降低维护成本的关键，也是工业应用的又一要求，特别是对电源更换困难的设备而言。

介质访问控制方法负责在相互竞争的节点间分配信道资源，是关系网络性能的关键技术。介质访问控制方法主要分为基于调度的和基于竞争的两种方式。为了满足工业应用的需要，一些基于调度的介质访问控制方法被应用于工业无线网络。然而，单纯的基于调度的介质访问控制方法缺乏灵活性；单纯的基于竞争的介质访问控制机无法保证实时性。

发明内容

针对现有技术中介质访问控制方法存在缺乏灵活性以及实时性差的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种可靠、实时、灵活的面向工业无线网络的混合介质访问控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种面向工业无线网络的混合介质访问控制方法包括以下步骤：

将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构；

在混合拓扑结构的基础上，定义结构化超帧；

针对上述网状及星型混合拓扑结构和超帧结构按照从网关到路由设备以及从路由设备到现场设备两个阶段对通信资源进行调度；

针对上述定义的超帧结构，采用固定信道和跳频相结合的策略进行通信。

所述网状及星型混合拓扑结构为：

星型网络：由路由设备节点和现场设备节点构成，又称为簇；现场设备节点之间不直接通信，现场设备节点只和一个路由设备节点通信；

网状网络：由路由设备节点、网关设备节点及上位机构成；路由设备节点至少和一个现场设备节点通信，和网关通信或者至少和一个其它路由设备节点通信，上位机和网关通信；

其中，上位机为用户及管理者提供与工业无线网络交互的平台；网关设备提供工业无线网络与其他工业网络之间的接口；路由设备完成网络互连、现场设备数据的简单处理和局部的网络管理功能；现场设备将传感器或执行器接入工业无线网络。

本发明方法还可具有手持设备，为用户临时访问工业无线网络的接入设备，用于现场维护与网络配置。

所述结构化超帧包括信标帧阶段、基于竞争的簇内通信阶段、基于局部调度的簇内通信阶段、基于全局调度的簇内通信阶段、基于全局调度的簇间通信阶段以及休眠阶段，网关设备和路由设备发送信标帧，但不转发信标帧；网关节点发送信标帧，用于其邻居路由设备的加入；路由设备发送信标帧，用于其下属现场设备的加入和时隙同步以及超帧信息的广播，其中，信标帧至少包括以下信息：绝对时隙号、超帧长度、基于竞争的簇内通信阶段长度、基于局部调度的簇内通信阶段长度、基于局部调度的簇内通信阶段的时隙分配信息以及下一个超帧不跳频部分所用信道。

基于竞争的簇内通信阶段用于设备加入和簇内管理，采用时隙载波监听多路访问/冲突避(CSMA/CA)算法实现介质访问控制。

基于局部调度的簇内通信阶段用于紧急通信和可移动的现场设备与路由设备之间的通信。

基于全局调度的簇内通信阶段用于不可移动的现场设备与路由设备之间的通信。

基于全局调度的簇间通信阶段用于路由设备之间以及路由设备与网关之间的通信。

每个设备维护各自的超帧，超帧各阶段的长度自定义，超帧长度、信标帧阶段+基于竞争的簇内通信阶段+基于局部调度的簇内通信阶段的长度、基于全局调度的簇内通信阶段+基于全局调度的簇间通信阶段的长度为2N个时隙；现场设备的超帧长度由应用的数据更新速率决定，路由设备的超帧长度取其星型网络内所有现场设备的最小超帧长度，网关设备的超帧长度取其邻居路由设备的最小超帧长度。