基于UWB的工业无线监控网络MAC协议设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷　第９期　Ｉ１ｏ１．３４　・计算机工程　２００８年５月　Ｍａｙ２００８　Ｎｏ．９　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　网络与通信・　文章编号：１ｏｏｏ—３４２８（２ｏｏ８）ｏ９＿－ｏ１３　文献标识码：Ａ　中图分类号：ＴＰ３９３　基于ＵＷＢ的工业无线监控网络ＭＡＣ协议设计　曾文　，一，王宏　，徐皑冬　（１．中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳１１００１６；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９）　摘要：将超宽带技术应用于工业无线网络，分析基于脉冲的超宽带技术特点——低复杂度、低功耗、低成本、抗多径衰落、抗干扰、定　位性好。讨论ＭＡＣ层协议的同步和定位性这２个关键问题，提出ＭＡＣ层的设计思想和解决方案。仿真实验表明了该方案的正确性。　关键词：工业无线监控网络；超宽带；媒体访问控制层；同步；定位　ＭＡＣ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｂａｓｅｄ　０ｎ　ＵＷＢ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｒｅｌｅｓｓ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ＺＥＮＧ　Ｗｅｎ　，ＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇ　，ＸＵ　Ａｉ．ｄｏｎｇ　（１．ＳｈｅｎｙａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１００１６；　２．Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００３９）　［Ａｂｓｔｒａｃｔｌ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｐｐｌｉｅｓ　ｕｌｔｒａ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎａｌｙｚｅｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｉｍｐｕｌｓｅ—ｒａｄｉｏ—ｂａｓｅｄ　ｕｌｔｒａ　ｗｉｄｅｂａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｌｏｗ　ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ．Ｉｔ　ｉｓ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｔｏ　ｓｅｖｅｒｅ　ｍｕｌｉｔ—ｐａｔｈ　ａｎｄ　ｊａｍｍｉｎｇ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ．　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｏｓｉｉｔｏｎｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ　ｋｅｙ　ｉｄｅａｓ　ａｎｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｆｏｒ　Ｍｅｄｉａ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）ｐｒｏｔｏｃｏ１．　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ　ｓｈｏｗ　ｖａｌｉｉｔｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ；Ｕｌｒｔａ　Ｗｉｄｅ　Ｂａｎｄ（ＵＷＢ）；Ｍｅｄｉａ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）ｌａｙｅｒ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　无线通信技术存在多种不同的通信技术标准，最热门的　无线技术标准有：ＧＰＲＳ／ＧＳＭ，无线局域网（ＷＬＡＮ），蓝牙　２　ＭＡＣ层协议设计中的关键问题　２．１同步性　在无线网络系统中，单个节点的能力非常有限，整个系　统所要实现的功能需要网络内所有节点相互配合共同完成。　（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ），ＺｉｇＢｅｅ标准等，这些传统的载波无线通信技术　已经在工业监控网络系统中得到应用，但也存在诸如能耗、　多径衰落、噪音／干扰、工作距离等方面的问题，这些问题使　工业监控网络系统的实时性和可靠性难以保证。ＵＷＢ是近年　来发展十分迅速的一种通信方式。与其他无线通信技术相比，　ｕｗＢ技术具有低功耗、低成本特点；多径分辨率能力极高；　高达厘米级的定位精度；传输速率快；带宽宽和天然的安全　性等优势。因此，ＵＷＢ技术能够解决传统正弦载波通信无线　电技术难以解决的问题。　时间同步在无线网络系统中起着非常重要的作用。由于ＵＷＢ　技术使用皮秒级的脉冲，因此发射机和接收机之间取得同步　比特的时间相当长，大约达到几毫秒。与窄带系统的微秒级　的信道获取时间相比，这是超宽带系统的一个缺点，该缺点　在一个无线多路接入环境中将严重影响媒体访问控制协议的　执行。　分析和仿真表明：即使脉冲级的跟踪偏差只有脉冲的　１／１０（相对较小的时间抖动），也会导致吞吐量的明显降低和传　输延迟的增加，这对实时性要求极高的工业无线监控网络来　说是难以想象的。因此，在ＭＡＣ层的设计上考虑影响网络　１研究现状　到目前为止，关于ＵＷＢ系统的研究大都致力于解决物　理层的传输问题，ＭＡＣ层的研究仍处于起步阶段。而基于　ＵＷＢ技术的工业无线监控网络的ＭＡＣ层设计则是一个崭新　的研究方向。　运行的获取时间非常重要。而且使用已有的针对窄带无线系　统的ＭＡＣ层协议，对于基于ＵＷＢ技术的工业无线监控网络　显然是不适宜的。　通过对ＵＷＢ技术的物理层研究，可以发现ＵＷＢ技术　本身所独有的特性，其适合于工业无线监控网络，由此产生　了基于ＵＷＢ技术的工业无线监控网络，使用的协议有：　ＡＬＯＨＡ，ＣＳＭＡ，ＴＤＭＡ等。　２．２定位性　按照传统的分层设计方法，在ＭＡＣ层执行的功能不必　考虑物理层。但是一个有效的ＭＡＣ层的设计常常需要对物　文献［１—３】分别从不同的角度分析和阐述基于ＵＷＢ的　ＭＡＣ层方面的最新研究成果，但它们都不是针对工业无线监　控网络这一特殊应用而提出的。工业无线监控网络相对于其　他无线网络，更关注的是数据传输的实时性，以及在恶劣的　理层的知识有准确的了解。由于ＵＷＢ技术具有较高的时间　分辨率和较强的穿透材料的能力，因此理论上可以达到厘米　基金项目：国家“８６３”计划基金资助项目（２００４ＡＡ４１２０２０）　作者简介：曾文（１９７３一），女，博士研究生，主研方向：工业无线　通信，超宽带技术；王究员　工业环境下数据传输的完整性和可靠性。研究和解决ＵＷＢ　技术对工业无线监控网络的协议设计带来的影响，并设计能　够同时满足工业无线通信需求的相关协议是本文的目的。　宏，研究员、博士生导师；徐皑冬，研　Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｗｅｎ＠ｓｉａ．ｃｎ　收稿日期：２００７—０６—０２　维普资讯 http://www.cqvip.com 极的测距精度，完全能够满足精确定位的需求　。这种良好　的性能为ＭＡＣ层协议的设计提供了很好的支撑。同时定位　性在工业无线监控网络系统中的地位也相当重要，在工业无　线监控网络的通信过程中，无线通信节点实时采集所需信息，　并以多跳中继的方式传送到用户的终端，节点所采集到的数　据必须结合其位置信息才有意义；节点自身的定位性还可以　在恶劣的工业环境下，解决不易维护节点的节约能耗等方面　发挥作用。　当一个发射机以一个全向天线发送数据，所有的在其发射范　围内的邻居节点都能接收到这个发射，因此，利用这个特点，　能够组装具有不同信宿地址的分组，来进步一步降低同步的　开销。若汇聚帧被正确接收，则信宿返回一个ＡＣＫ帧。帧间　的通信通过ＲＴＳ／ＣＴＳ／ＡＣＫ的握手和确认机制来保证节点间　数据的可靠性传输。　３．２定位性的利用　利用ＵＷＢ的定位性获得节点之间的距离，其值保存在　定位帧中。再根据节点之间的距离，使用能耗模型计算节点　发送数据所需要的能耗。当发送方传输ｋ　ｂｉｔ到距离为ｄ的接　收方时，可根据文献［５］得出的公式计算其能量消耗，即　ＥＴＸ（ｋ，　）：ＥＴＸ　ｅｌｅｃ（七）＋　ｘａｍｐ（七，　）＝　３　ＭＡＣ层协议设计　３．１同步闻题的解决　现有的同步问题研究包括面向ＰＨＹ（物理层）和面向　ＭＡＣ层２个方面，主要关注的是ＭＡＣ层协议的研究。为了　１ｅｃ＋七　ｍｐｄ　（１）　降低时间同步的开销，文献［１］提出了一个链路维护方案，当　没有数据包需要发送时数据信道通过传输低速率的控制包来　维护，尽管链路维护方案在仿真中取得了很好的性能，仍有　很多关键的问题是不清楚的。其中一个潜在的问题是链路维　其中，　１。　表示无线收发电路所消耗的能量；ＥＴ　。表示　放大器消耗的能量；参数ｓ　。的取值与应用需求的接收器灵　敏度和接收器噪音系数密切相关。此外，网络中节点周期性　地用ｈｅｌｌｏ信息（即能耗帧）通报它目前的可用能耗值，当节点　需要发射信息之前，ｈｅｌｌｏ信息中的能耗值　。１ｌ。和经过式（１）　计算的结果进行比较，若计算后的值大于　。１－。，则说明节点　护方案将增加发射机的传输时间，因此，会降低节点的生命　周期和引进额外的干扰。　文献［２］讨论了超宽带网络中长时间同步对ＣＳＭＡ／ＣＡ　ＴＤＭＡ方案的影响，但没有提出解决方案。文献［３］提出了加　不具备发送信息的能力，该节点是“问题”节点，做出标记，　若Ｅｈｅ１１。小于规定的能耗闽值，则通过相应的策略向网络内所　大帧长解决同步开销的方法，但是却没有考虑节点能耗的问　题。如果当前节点的能耗过大使其已不具备传输帧的能力，　则对于该节点意味着最终仍是传输失败，整个网络系统会更　耗时、更耗能。这对于实时性和可靠性要求极高的工业无线　监控网络来说，是不能接受的。　有节点发布信息，宣布该节点“死亡”，更新网络定位表。对　于帧则意味着发送失败，对于汇聚帧，可能是由于汇聚的分　组过多使ｋ增大，而造成出现大于　。１－。的情况，这也同样意　味着帧发送失败。这种节点能耗与定位机制的结合，可以及　时发现“问题”节点，从整体上降低通信的延迟和开销，提　高网络的吞吐量，这对于保证工业监控网络数据通信的实时　性和可靠性是非常重要的。　本文改进文献［３］的思想，利用汇聚帧加大帧长，并且引　入定位机制。这样既解决节点间的时间同步问题，又考虑了　节点的能耗问题，使其更适用于工业无线监控网络。　ＭＡＣ层中帧的结构如图１所示。　４传输延迟和吞吐量分析　假设不考虑信号的传播延迟，平均传输延迟等于发送前　在发送缓冲区的等待时间与帧在信道上的传输时间之和　；　若能耗过大，不能发射该信息，还应再加上修改帧长造成的　延迟　；若发生碰撞，还应再加上碰撞后的随机延迟和重传　时间　；若发生位传输错误，还应再加上位出错造成的重传　延迟　。这样平均传输延迟可表示为　Ｄｅｌａｙ－二　＋　＋　＋　１　（２）　＝４　ｙｎｃ＋　＋　（４　Ｈ＋ＬＲＴＳ＋ＬＣＴＳ＋ＬＡＣＫ＋ＬＭＨ＋ｌｅｎｇｔｈ（ｂ））　１　二－２Ｔｓｙｎｃ＋￣（Ｖ２ＬｐＨ＋ＬＲＴＳ＋，＿ｃＴＳ）　１　Ｔｂ＝２Ｔｓｙｎｃ＋￣（２ＬｐＨ＋ＬＲＴＳ＋ＬＣＴＳ＋ＬＭＨ）　其中，　。表示同步时间；　ＰＨ表示物理层首部的长度；￡ＭＨ　表示ＭＡＣ帧首部的长度；ＬＡｃＫ表示ＡＣＫ帧的长度；ＬＲＴｓ　表示ＲＴＳ帧的长度；ＬｃＴｓ表示ＣＴＳ帧的长度；ｌｅｎｇｔｈ（ｂ）表示　图１帧结构　分组的长度（ｂｉｔ）；Ｖ表示数据传输速率。在［０，ｆ］时间内，成功　传输的数据大小为　整个帧由固定长度的ＭＡＣ首部和长度可变的ＭＡＣ主体　组成。在帧的类型中，命令帧指定位帧、能耗帧；控制帧指　ＲＴＳ帧、ＣＴＳ帧、ＡＣＫ帧；数据帧指工业通信中的通信信息；　ｓ　，　）＝ｖ　）×嘞￣ｌｅｎｇｔｈ（ｂ）×１一ｆＰ　）　ｌ×（１－ｐａ）　Ｌ　（３）　汇聚帧是由多个具有相同信宿地址的不同或相同帧类型的帧　组成的长帧。汇聚帧的最大和最小长度分别为ｌｅｎｇｔｈ　和　ｌｅｎｇｔｈｍｉｎ。　则在给定的时间ｔ内，ＭＡＣ层每个节点成功接收的数据　总数即吞吐量定义为　：　ｂ＝ｐａｃｋｅｔｌＩ¨ｎ　警　ｍ“　：　ｆ　ｎ　当缓冲区中队列的长度大于或等于ｌｅｎｇｔｈ　，将组装成　一个小于ｌｅｎｇ　的汇聚帧；在一个汇聚帧中分组的最大最　ｌｅｎｇｔｈ（ｂ　）×　　∑ｂ　＝ｐａｃｋ　ｅｔ　ｖ（ｂ）ｘｂ　１×［ｌ　１　－（ｐ５）ｍ＋ｌ］ｌ×（（一１一Ｐ　））（　ｆ４）、　其中，ｐ　表示帧中位发生错误的概率；　表示位出错速率；　分组数为ｂ的汇聚帧且能耗满足发射的概率为Ｐｂｉ发射速率　＿小数分别用ｐａｃｋｅｔｍａ　和ｐａｃｋｅｔ　来表示。有相同信宿地址的　分组能被组装成一个汇聚帧，并放入相应的缓冲区中，此外　维普资讯 http://www.cqvip.com 为Ｖ（６）。　５仿真试验与性能分析　通过仿真、对比普遍应用的ＣＳＭＡ，ＷＬＡＮＭＡＣ协议来　分析和评价本文提出的ＭＡＣ协议（ＵＷＢＭＡＣ），假设网络的　节点之间可以直接通信，网络中各个节点的初始能耗值均为　２　Ｊ。表１给出了在仿真中用到的控制参数的数值。仿真中考　察的主要性能指标是传输延迟、吞吐量和能耗。　表１仿真参数和值　～　一　一一～　一一Ａ　（　吣　一雪　ｖ／（ｐｋｔ　ｓ。　）　ＣＳＭＡ，ＷＬＡＮＭＡＣ，ＵＷＢＭＡＣ　５０Ｍｂ／ｓ　１ｏｏｍ×１００ｍ　１０ｍ　６４Ｂ～８　１９２Ｂ　１　ｍｓ　圈３吞吐量比较　５。　４５　４。　２ＯＢ　１４Ｂ　襄　３。　２５　一．　暑一．，ｊ　§警２式ｈ　ｌ４　Ｂ　∞　如　加　ｍ　１００　ｐｓ　Ｏ　在图２中，给出了节点数为２Ｏ，数据包产生速率逐渐增　大的情况下，３个协议传输延迟的比较。当数据包速率和负　载很小时，因为网络没有饱和，所以协议之间的延迟差距不　２Ｏ　０　１０　２：０　３０　４０　５Ｏ　６０　ｖ／（ｐｋｔ・Ｓ　）　是很大，但随着速率的增大，同步时间过长导致协议之间延　迟差距变大，ＵＷＢＭＡＣ协议的延迟相对较低，而ＣＳＭＡ的　延迟最大。　圈４能耗性能比较　６结束语　该ＭＡＣ协议（ＵＷＢＭＡＣ）在传输延迟、吞吐量和能耗方　面性能良好。因此，ＵＷＢＭＡＣ协议更符合工业无线监控网　络的实时性和可靠性需求，但是如何对ＭＡＣ层的数据信息　分类进行细化、如何建立在多跳环境下传输延迟，吞吐量和　能耗的均衡等问题还有待于进一步的研究。　参考文献　图３是在与图２条件相同的情况下，３个协议吞吐量的　比较，ＷＬＡＮＭＡＣ和ＣＳＭＡ协议由于信道获取时间长，使　得信道利用率低，同时由于竞争开销和相应的延迟，因此吞　吐量度低于ＵＷＢＭＡＣ协议。　３Ｏ　２５　［１］Ｋｏｌｅｎｃｈｅｒｙ　Ｓ　Ｓ，Ｔｏｗｎｓｅｎｄ　Ｊ　Ｋ，Ｆｒｅｅｂｅｒｓｙｓｅｒ　Ｊ　Ａ．Ａ　Ｎｏｖｅ１　Ｉｍｐｕｌｓｅ　Ｒａｄｉｏ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｆｏｒ　Ｔａｃｔｉｃａｌ　Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　１／／　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ　ＭＩＬＣＯＭ’０２．［Ｓ．１，］　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｗｅｅｋ　Ｐｒｅｓｓ．　１９９９．　董　。　吝１５　１Ｏ　［２］Ｊｉｎ　Ｄｉｎｇ，Ｌｉ　Ｚｈａｏ．ＭＡＣ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ　ｆｏｒ　Ｕｌｔｒａ　Ｗｉｄｅｂａｎｄ（ＵＷＢ　）　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ：Ｉｍｐａｃｔ，ｏｆ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｔｉｍｅ［Ｃ］／／　５　ｒｏｃｅｅｄｉＰｎｇｓ　ｏｆ　ＳＰＩＥ　ＩＴＣＯＭ’０２．Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ：　Ｓ　ｎ．］，２００２．　［３］Ｂｉａｎｃｈｉ　Ｇ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ．ＩＥＥＥ　８０２．１　１　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｏ　Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｒｅａｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２０００，１　８（３）：５３５－　ｖ／（ｐｋｔ・Ｓ　）　５４７．　圈２传籍迟延比较　【４】Ｏｐｓｈａｕｇ　Ｇ　Ｒ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ．ＧＰＳ　ａｎｄ　ＵＷＢ。Ｎａｖｉｇ撕ｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ：　Ｍｏｔｉｖａｔｅｓ　ｔｈｅ　Ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ　ｏｆ。Ｎｏｎ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｕｌｔｒａ　Ｗｉｄｅｂａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．　３种协议在数据包产生的速率恒定，在网络中节点数增　大的情况下，延迟和吞吐量的仿真比较与图２、图３相似。　图４显示了在数据包产生速率增大、网络中节点数不变的情　况下，３个协议的能耗比较。结果表明，由于ＷＬＡＮＭＡＣ、　ＣＳＭＡ协议没有节能机制，因此共网络能耗较大。　Ｍａｒｙｌａｎｄ，ＵＳＡ：［Ｓ．ｎ．］，２００２．　、　【５】Ｓｍｉｈｇａｌｔｌ　Ｄ．Ｔｏｗａｒｄ　ｔｈｅ　６０ｇｉｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｐｈｏｎｅ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１９９８　Ｒａｄｉｏ　ａｎｄ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｃｏｌｏｒａｄｏ　Ｓｐｒｉｎｇｓ：　［Ｓ．ｎ．］，１９９８：１５７—１５９．　１４ｌ一