[发明专利]用于工业机器到机器通信的包括传播延迟感知调度的无线TDMA调度的方法和系统

说明书

一种在基于TDMA的通信系统中借助相应通信链路在第一节点和多个第二节点之间进行调度的方法(100)。该方法包括：‑获取(102)每个通信链路的传播时间(PT.1‑PT.n)；以及‑确定(104)两个通信链路的传播时间(PT.1‑PT.n)的最大差值(MAXΔ)。该方法还包括在最大差值小于阈值的情况下选择第一调度模式(108、109)以及在最大差值大于阈值的情况下选择第二调度模式(110、112、114)。第一模式(108‑109)包括选择(109)要在时隙中的每个时隙中应用的保护时间，该保护时间是基于最大差值的。第二调度模式(110、112、114)是传播延迟感知的并且包括基于相应传播时间(PT.k)调度(110)来自每个第二节点的传输。

技术领域

本发明涉及工业通信，例如用于工业监测和控制目的(例如监视和控制电力系统、监测和控制工业制造设施中的设备)、和/或用于执行其他工业自动化控制和监视任务的通信方法和系统。

特别地，本发明涉及TDMA通信的调度，并且与无线和有线通信相关。

背景技术

在工业通信中，许多从节点(例如传感器和/或执行器节点)连接到中央网络控制器或网关，例如主节点。在许多工业应用(例如变电站自动化)中，从节点以距主节点的不同距离进行设置。一种已知的避免冲突的方法是使用有线通信系统，并且针对从节点和主节点之间的每条通信链路使用相同长度的光纤，使得每个从节点到主节点的传输时间将是相同的。这种解决方案在避免冲突方面是有效的，然而缺乏成本效益。使用无线通信是一种替代方案，其可以提供相对更低成本，然而无法通过平衡通信距离避免冲突。

在无线TDMA系统中避免冲突的一种方法是利用来自不同节点的数据包之间的保护时间。节点可以被调度成在时隙中进行传输，并且每个时隙中的保护时间确保传输不会干扰下一个时隙中的传输。这种调度相对简单，然而，使用保护时间可能会对节点之间的通信延迟产生负面影响。如果保护时间比时隙短，则保护时间对整体延迟的负面影响将是小的。如果保护时间的大小具有可比性(例如为传输时隙的持续时间的20％或更大)，则保护时间将具有更大负面影响。在许多实例中，所使用的保护时间可以相对较小。在与大数据包的短距离传输相关的例如Wi-Fi^TM通信系统中，保护时间相对较小，并且例如用于避免冲突的保护时间可以小于传输时间的1％，例如具有100μs(微秒)长数据包并使用1μs的保护时间。对于其他应用，使用保护时间将产生更大负面影响。

Chen等人的文章“LDMAC:A propagation delay-aware MAC scheme for long-distance UAV networks”(E1)描述了处理时间要求严格的无线通信中的传播延迟问题。E1尤其涉及基站和多个无人机或无人驾驶飞行器(UAV)之间的无线通信。UAV和基站之间的距离会发生变化并且从而导致传播延迟。为了避免通信冲突，E1建议使用“传播延迟感知接入方案”，参见E1的摘要。简而言之，见E1的4.1章中，无人机(UAV)包括GPS单元并使用GPS确定其与基站的距离和传播延迟。然后，无人机选择通信的到达时隙并计算对应传输时间。

E1的方法主要针对远距离，例如公里，并且这种“传播延迟感知方案”在更窄范围通信中可能比使用保护时间更复杂。

更短距离通信(比E1中更短)可能会遇到类似的冲突问题。在工业应用中(例如在制造自动化或变电站自动化中)，需要相对频繁地传输相对短的数据包。从传感器收集信息并将控制数据或设置通信到执行器或控制单元的数据包通信可以在包括大约100位的数据包中提供，其中，传输时间并且因此时隙持续时间可以大约为1μs。无线电波在1μs内传播大约300m，并且因此，用于避免分开30米的节点之间发生冲突的保护时间可以为这种1μs长时隙持续时间的大约十分之一。

在有线通信中，可以使用不同长度的光纤来平衡传输时间。无线传输在安装上可能更经济，并且设置保护时间可以是避免冲突的有效方法，然而，保护时间可能通过对通信的整体周期时间产生负面影响而引入问题。延续为每个时隙的约30％的保护时间将导致通信周期的延迟增加30％。