基于無線HART協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議模型設計

1、基于無線HART協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議模型設計無線HART是一種專門為過程控制領域而設計的網(wǎng)絡通信協(xié)議，是HART現(xiàn)場總線在無線領域的延伸，其通信模型主要由應用層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層組成。其中數(shù)據(jù)鏈路層在物理層提供服務的基礎上向網(wǎng)絡層提供服務，其最基本的服務就是將來自節(jié)點網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)可靠的傳輸?shù)较噜徆?jié)點的網(wǎng)絡層。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議主要用于建立可靠的點到點的單跳通信。在層型的拓撲結構上實現(xiàn)無線HART數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議，這里所設計的算法已成功應用于無線HART單跳網(wǎng)絡。1 無線HARRT拓撲結構構無線通信網(wǎng)絡拓拓撲主要包括括星型和網(wǎng)狀狀兩種結構，星星型單跳網(wǎng)絡絡支持高可靠靠性的網(wǎng)絡通通信，而網(wǎng)

2、狀狀多跳網(wǎng)絡支支持遠距離通通信，無線HHART協(xié)議議支持網(wǎng)狀拓拓撲結構和星星型拓撲兩種種結構，用戶戶可根據(jù)實際際需要選擇星星型或網(wǎng)狀拓拓撲結構，或或者介于二者者之間的拓撲撲結構。本文文根據(jù)工業(yè)現(xiàn)現(xiàn)場的實際要要求，采用星星型和網(wǎng)狀結結合的兩層網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結構構，第一層是是網(wǎng)狀結構，由由網(wǎng)關和路由由設備構成;第二層是星星型結構，由由路由設備以以及現(xiàn)場設備備構成。其中中，網(wǎng)關負責責無線HARRT網(wǎng)絡與工工廠內的其他他網(wǎng)絡的協(xié)議議轉換與數(shù)據(jù)據(jù)映射。簇首首作為網(wǎng)絡管管理者的代理理，負責構建建由現(xiàn)場設備備和路由設備備構成的星型型結構，監(jiān)測測星型結構性性能;作為安安全管理者代代理，負責合合并及轉發(fā)簇簇成員的數(shù)

3、據(jù)據(jù);負責轉發(fā)發(fā)其他簇首的的數(shù)據(jù)。簇成成員負責獲取取現(xiàn)場數(shù)據(jù)并并發(fā)送到簇首首。2 無線HARRT數(shù)據(jù)鏈路路層協(xié)議無線HART數(shù)數(shù)據(jù)鏈路層包包括邏輯鏈路路層協(xié)議(LLLC)和介介質訪問控制制層協(xié)議(MMAC)，數(shù)數(shù)據(jù)鏈路層主主要定義數(shù)據(jù)據(jù)幀格式，介介質訪問控制制層主要負責責管理和協(xié)調調通信資源的的分配和使用用。2.1 邏輯鏈鏈路層2.1.1 幀幀格式其中，地址指示示為無線HAART網(wǎng)絡支支持兩種地址址格式，一種種用于局域網(wǎng)網(wǎng)的短地址，一一種用于廣域域網(wǎng)的長地址址。其中短地地址由16位位二進制組成成，用戶可自自行定義：長長地址由644位二進制數(shù)數(shù)組成，644位中高244位表示設備備ID，低224位

4、表示00UI地址(由IEEEE STD 802.115.4協(xié)議議分配，其中中無線HARRT的OUII地址為0 xx001811E)，中間間16位表示示設備類型(設備生產廠廠家確定);時序號為絕絕對時序號的的最低8位;網(wǎng)絡ID為為無線HARRT根據(jù)網(wǎng)絡絡應用類型確確定的網(wǎng)絡IID號：數(shù)據(jù)據(jù)包指示為數(shù)數(shù)據(jù)包指示由由8位二進制制數(shù)組成，低低3位表示數(shù)數(shù)據(jù)包的類型型，第4位表表示網(wǎng)絡密鑰鑰，第5、66位表示數(shù)據(jù)據(jù)包的優(yōu)先級級。無線HART數(shù)數(shù)據(jù)包分為AACK、Addvertiise、Keeep allive、DDisconnnect、DData5種種類型，分為為命令、過程程數(shù)據(jù)、一般般、報警4種種優(yōu)先

5、級。發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)來自自網(wǎng)絡層并需需要發(fā)送的數(shù)數(shù)據(jù)。MICC為網(wǎng)絡授權權檢測。CRRC為數(shù)據(jù)完完整性檢測。2.2 MACC協(xié)議分析無線HART鏈鏈路調度主要要通過以鄰居居表位核心的的五張表實現(xiàn)現(xiàn)，其中超幀幀表記錄超幀幀的分配和使使用狀態(tài);鏈鏈路表記錄鏈鏈路(通信資資源)的分配配和使用狀態(tài)態(tài);鄰居表記記錄著節(jié)點本本身的鄰居節(jié)節(jié)點(處于節(jié)節(jié)點單挑通信信范圍之類的的節(jié)點稱為該該節(jié)點的鄰居居節(jié)點);路路由表記錄著著多跳網(wǎng)絡中中的路由信息息;緩沖表存存儲著待發(fā)送送的數(shù)據(jù)同時時記錄優(yōu)先級級以及等待時時間等狀態(tài)。無線HART網(wǎng)網(wǎng)絡中每一個個節(jié)點都支持持多個超幀，網(wǎng)網(wǎng)絡管理者完完成超幀的構構建和維護，并并根據(jù)網(wǎng)絡

6、需需求進行時隙隙鏈路的分配配。每一個超超幀包含一定定數(shù)量的時隙隙。超幀一旦旦建立，網(wǎng)絡絡管理者為該該超幀增加、刪刪除、優(yōu)化鏈鏈路時隙。一一旦分配時隙隙，超幀應該該使能從而允允許鏈路的調調度。鏈接表表中一個鏈接接表示一個通通信機會，通通過鏈接表實實現(xiàn)目標鄰居居節(jié)點的識別別，時隙、超超幀序列號、發(fā)發(fā)送接收方向向、鏈路類別別、信道。鄰鄰居表維護并并記錄著一組組能與節(jié)點直直接通信(單單跳)鄰居節(jié)節(jié)點，通過鄰鄰居表可查詢詢鄰居節(jié)點地地址、時鐘源源標志、通信信數(shù)據(jù)量、節(jié)節(jié)點最后通信信時間、通信信節(jié)點狀態(tài)、節(jié)節(jié)點通信優(yōu)先先級。圖表提提供上行和下下行多跳網(wǎng)絡絡的路由信息息，其元素主主要由多個路路由路徑節(jié)點點信

7、息，圖標標主要由網(wǎng)絡絡管理者實現(xiàn)現(xiàn)管理。緩沖沖表主要用于于節(jié)點存儲待待發(fā)送數(shù)據(jù)，記記錄著數(shù)據(jù)包包的ID、優(yōu)優(yōu)先級、目的的地址類型、保保存時間。3 無線HARRT數(shù)據(jù)鏈路路層設計與實實現(xiàn)3.1 通信資資源分配無線HART網(wǎng)網(wǎng)絡采用頻分分多址(FDDMA)和時時分多址(TTDMA)混混合的信道訪訪問機制。無無線HARTT協(xié)議采用集集中式資源分分配方式，即即通信資源由由網(wǎng)絡管理器器統(tǒng)一分配。無無線HARTT網(wǎng)絡工作于于2.4 GGHz射頻頻頻段。為了保保證系統(tǒng)能在在非常惡劣的的工業(yè)現(xiàn)場通通信環(huán)境中實實時、可靠的的工作，無線線HART采用TDMA和和FDMA的的混合信道分分文機制。TTDMA技術術將每

8、一個時時隙復用到22.4 GHHz的16個個信道上，使使系統(tǒng)的有效效帶寬提高了了16倍。為了進行資源分分配，首先建建立通信資源源矩陣?？v坐坐標表示信道道頻率，橫坐坐標表示時隙隙，矩陣中的的每個單元表表示一個通信信資源，每個個通信資源用用頻率和時隙隙的二元組來來唯一標示。每每個矩陣元素素包含如下通通信資源和鏈鏈路的信息：占用標志位位，鏈路的源源節(jié)點、鏈路路的目的節(jié)點點、鏈路的類類型。矩陣中中每個元素都都被初始化為為0，當某個個通信資源已已經被分配，矩矩陣中對應元元素的占用標標志位被置為為1，并填充充相應的通信信資源信息。無線HART網(wǎng)網(wǎng)絡中，通信信資源有NOORMAL、AADVERTTIS、JO

9、OIN和DIISCOVEERY 4種種類型，NOORMAL通通信資源主要要用于過程數(shù)數(shù)據(jù)和管理命命令的傳輸，AADVERTTISE通信信資源用于廣廣播網(wǎng)絡信息息以方便新節(jié)節(jié)點加入網(wǎng)絡絡，JOINN通信資源用用于新設備加加入，DISSCOVERRY通信資源源用于鄰居發(fā)發(fā)現(xiàn)。其中NNORM-AAL類型的通通信資源與路路由路徑相關關，其他的資資源都與路由由路徑無關，重重點考慮NOORMAL通通信資源的分分配。NORRMAL通信信資源分配以以所建立的拓拓撲結構為基基礎，以圖表表和鄰居表為為分配圖，根根據(jù)所建立的的兩層結構進進行兩層分配配。1)簇內通信 簇內所有的的通信節(jié)點的的通信資源位位于矩陣的同同一

10、行，并按按照時隙進一一步分配。對對于下行通信信，每一資源源的源地址為為簇首節(jié)點，目目的地址為節(jié)節(jié)點地址;對對于上行通信信，每一分資資源的源地址址為節(jié)點地址址，目的地址址為簇首節(jié)點點。2)簇間通信 簇間通信主主要是負責簇簇首與網(wǎng)關之之間的通信，而而其資源主要要占據(jù)矩陣中中兩行，其中中上行網(wǎng)絡通通信資源，一一行為下行網(wǎng)網(wǎng)絡通信資源源。在資源不不滿足的情況況下，可以根根據(jù)資源分配配的具體情況況進行拓展，但但必須以雙行行網(wǎng)絡為前提提，而且上行行還有下行資資源不能占據(jù)據(jù)同一個時隙隙。分配的路路徑以圖表和和鄰居表為分分配路徑，進進行上行和下下行節(jié)點的分分配。3.2 時間同同步實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的時鐘鐘同步對于無

11、無線HARTT的TDMAA通信是十分分必要的，設設備間的時鐘鐘偏移是不可可避免的，TTDMA網(wǎng)絡絡節(jié)點實現(xiàn)全全網(wǎng)完全同步步并不現(xiàn)實，而而且精確度越越高能量消耗耗就越大，因因此無線HAART節(jié)點需需要在精確度度與能耗之間間取得平衡，在在滿足網(wǎng)絡TTDMA時隙隙通信要求的的基礎上盡可可能的降低能能耗。無線HART為為工業(yè)環(huán)境的的無線通信協(xié)協(xié)議，其對穩(wěn)穩(wěn)定性、可靠靠性有著比一一般通信網(wǎng)絡絡更高的要求求;而無線HHART作為為一個messh的無線通通信網(wǎng)需要實實現(xiàn)全局的時時間同步，但但是由于硬件件設備以及能能量等問題，使使得傳統(tǒng)的有有線時間同步步的算法以及及常規(guī)的WSSN時間同步步算法無法在在無線HA

12、RRT中實現(xiàn)。為為此以最小能能耗為設計目目標，設計一一個多層次、全全局、不問斷斷的同步策略略應用簡易但但有效的同步步算法實現(xiàn)無無線HARTT-TDMAA時間同步。圖圖1為相鄰節(jié)節(jié)點通信。圖1中描述了無無線HARTT節(jié)點A與節(jié)節(jié)點B間的一一次通信，節(jié)節(jié)點A在T11時刻發(fā)送一一個數(shù)據(jù)包給給節(jié)點B，節(jié)節(jié)點B在T22時刻接收到到A所發(fā)送的的數(shù)據(jù)包，節(jié)節(jié)點B在T33數(shù)據(jù)包發(fā)送送一個應答數(shù)數(shù)據(jù)包，節(jié)點點A在T4時時刻接收到BB所發(fā)送的應應答數(shù)據(jù)包。TT1、T2、TT3，T4為為節(jié)點時鐘，四四者存在以下下關系：式中，表示A到B的時時間延遲，表示B到A的時時間延遲。在在整個通信過過程中，延遲遲主要發(fā)送在在層與

13、層間數(shù)數(shù)據(jù)傳送以及及點與點之間間數(shù)據(jù)傳輸過過程中。式(1)中以及式(2)中中分別表示T1時時刻節(jié)點A對對節(jié)點B的時時鐘漂移和TT4時刻節(jié)點點A對節(jié)點BB的時鐘漂移移，盡管由于于環(huán)境因數(shù)(如溫度、壓壓力等)的影影響，時鐘漂漂移每一個時時刻都在發(fā)生生，二者并不不完全相等，但但一般情況二二者一次通信信進行的時間間間隔較短，可可以認為二者者幾乎相等。同同樣假定和相等。通過式(1)和和式(2)可可得出延遲時時間以及漂移移時間：節(jié)點將根據(jù)式(3)和式(4)所求出出的延遲時間間以及漂移時時間進行時鐘鐘的主動同步步與被動同步步。時鐘同步由兩步步驟完成，首首先選取時鐘鐘源，網(wǎng)絡管管理節(jié)點作為為時鐘服務器器，并選

14、取若若干節(jié)點作為為網(wǎng)絡時鐘源源：然后在同同步過程，每每一個節(jié)點通通過與時鐘源源進行被動或或主動的時鐘鐘同步。其中中，主動同步步為當高層節(jié)節(jié)點向低層節(jié)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)據(jù)時，低層節(jié)節(jié)點記錄數(shù)據(jù)據(jù)包實際到達達時間與計算算達到時間的的偏移調整本本地時鐘;被被動同步為當當?shù)蛯庸?jié)點向向高層節(jié)點發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)時，底底層節(jié)點等待待并接收高層層節(jié)點的應答答數(shù)據(jù)包，并并利用應答數(shù)數(shù)據(jù)包中所包包含的時鐘偏偏移信息進行行時鐘調整。高層節(jié)點發(fā)送邀邀請數(shù)據(jù)包，待待加入節(jié)點接接收邀請數(shù)據(jù)據(jù)包并完成一一次被動同步步過程;高層層節(jié)點發(fā)送偵偵聽數(shù)據(jù)包，判判斷臨近節(jié)點點是否處于網(wǎng)網(wǎng)絡并完成一一次被動同步步過程;低層層節(jié)點通過接接收一次數(shù)據(jù)

15、據(jù)包完成一次次被動同步過過程;底層節(jié)節(jié)點通過接收收高層節(jié)點的的應答數(shù)據(jù)包包完成一次主主動同步過程程。整個同步步網(wǎng)絡低層同同步高層，整整個網(wǎng)絡時鐘鐘以根時鐘源源為基準實現(xiàn)現(xiàn)整個網(wǎng)絡的的時鐘同步。根根時鐘源可根根據(jù)實際情況況采用可行方方法(如GPRSS等)與理想想時鐘同步。3.3 數(shù)據(jù)鏈鏈路調度實現(xiàn)現(xiàn)3.3.1 調調度數(shù)據(jù)鏈路層在實實現(xiàn)無線HAART網(wǎng)絡全全網(wǎng)時鐘同步步的基礎上，主主要負責鏈路路的調度，控控制著數(shù)據(jù)的的發(fā)送和接收收，從而保證證網(wǎng)絡的正常常通信。鏈路路調度通過查查詢活動超幀幀表、鏈接表表、數(shù)據(jù)等表表從而決定下下一個將要通通信的時隙。所所有的接收鏈鏈接將會被允允許通信。網(wǎng)網(wǎng)絡層發(fā)出發(fā)發(fā)

16、送數(shù)據(jù)請求求，若待定表表中已無空余余空間，調用用失敗，否則則數(shù)據(jù)包進入入待定表中的的同時查詢等等待表是否存存在相同目的的地址的高優(yōu)優(yōu)先級數(shù)據(jù)包包，若不存在在，數(shù)據(jù)包進進入等待表中中等待發(fā)送，否否則保存在待待定表中，待待發(fā)送表根據(jù)據(jù)目的地址的的類型進行查查詢，鄰居地地址查詢鄰居居表、圖地址址查詢圖表的的基礎上再查查詢鄰居表，最最終鄰居地址址、圖地址、廣廣播地址、代代理地址的44種都將查詢詢鏈路表獲得得相應鏈路并并設置為發(fā)送送類型(TXX=1)，之之后進入等待待狀態(tài)。當ASN到達相相應時隙，數(shù)數(shù)據(jù)包根據(jù)TTXRX的值值進入發(fā)送、接接收、休眠狀狀態(tài)。如圖22所示。3.3.2 狀狀態(tài)機圖3為TDMAA

17、狀態(tài)機，該該狀態(tài)機建立立在邏輯鏈路路層所建立的的四張調度表表以及調度機機制的基礎上上，TDMAA狀態(tài)機開始始于節(jié)點加入入無線HARRT網(wǎng)絡，加加入的同時建建立狀態(tài)機所所需要的超幀幀表、圖表、鏈鏈路表，開始始從鄰居節(jié)點點接收數(shù)據(jù)并并以此為基礎礎建立鄰居表表。節(jié)點維護護存儲著一列列待發(fā)送數(shù)據(jù)據(jù)包，當一個個發(fā)送時隙發(fā)發(fā)生，節(jié)點將將會嘗試發(fā)送送數(shù)據(jù)包。發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)包包包括發(fā)送數(shù)據(jù)據(jù)包和接收AACK應答兩兩個過程。當當一個發(fā)送時時隙產生，進進入發(fā)送狀態(tài)態(tài)。成功發(fā)送送一個廣播地地址的數(shù)據(jù)包包在數(shù)據(jù)包發(fā)發(fā)送之后結束束，并從等待待表中刪除。成成功發(fā)送一個個非廣播地址址的數(shù)據(jù)包，節(jié)節(jié)點將等待AACK應答數(shù)數(shù)據(jù)包，ACCK數(shù)據(jù)包將將表明數(shù)據(jù)包包是成功接收收還是出現(xiàn)接接收錯誤。如如果目的地址址是廣播地址址，將不會有有ACK應答答數(shù)據(jù)包，發(fā)發(fā)送完成并進進入空閑狀態(tài)態(tài)進行調度表表的更新;成成功發(fā)送一個個非廣播地址址數(shù)據(jù)包，進進行數(shù)據(jù)完整整性和權限完完整性檢驗，TTDMA狀態(tài)態(tài)機進入等待待ACK狀態(tài)態(tài)，如果無AACK應答表表明發(fā)送失敗敗。如果是一一個共享鏈接接，將啟動重重發(fā)機制，若若最終依然失失敗，進入空空閑狀態(tài)更新新調度表。如如果一個ACCK應答數(shù)據(jù)據(jù)包被成功接接收，節(jié)點根根據(jù)ACK確確定發(fā)送是否否成功，若發(fā)發(fā)送成功，進進入空閑狀態(tài)態(tài)更新調度表表。如果顯示示發(fā)送錯誤，將將啟動重發(fā)機機制。所有的的