实时工业无线局域网介质访问控制协议的研究

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1、摘要随着工业控制等实时系统网络通信中工作站需要传输数据量的增长，以及数据类别的增多，传统的现场总线技术渐渐不能满足实时工业控制的需要。人们开始考虑将通用的以太隔或无线局域网等局域网技术运用到工业现场的通信中。其中无线局域网由于不需增加额外的布线，并且支持节点的位置移动，因而近年来受到更多的青昧。但是这些局域网的介质访问控制协议先天具有着令数据帧等待时间不确定等缺点，所以不适合直接应用在对实时性具有要求的通信中．因此能够保证对系统安全性起到至关重要的实时数据的传输等待时间上界，并且满足多类数据帧的

2、不同实时性要求的实时无线局域网介质访问控制协议具有很大的研究价值。数据帧的等待传输时间(延迟)的均值和二阶矩是衡量一个实时通信网络的重要的性能参数。寻找这些物理量的解析值求解算法历来是一个重要的研究内容，现有的研究结果只是能对工作站具有一类数据帧，服务策略采用穷尽式或门限式时给出精确的求解过程。分析以往的研究成果发现，在设计实时局域网的介质访问控制协议时一般忽略了对突发性实时数据帧生成过程的考虑。如果假定数据帧的到达服从泊松分布，采取任何措施都不能保证相邻的两个实时帧都能在规定的最大等待时间内被

3、成功传输。本文在考虑了安全关键系统中实时帧的剑达特点之后，在泊松分布基础上定义了一种相邻帧到达时刻间距具有最小值限制的随机分布。于是本文的基于竞争与基于轮询的两种实时协议便都可以保证最高传输优先级别的数据帧在规定的上界时间内被成功传输。本文的主要．1：作和贡献有以下几个方面：◆研究了工作站只含一类数据帧的情况，根据发送数据帧的不同1：作站分为突发性实时节点、周期性实时节点和非实时节点。对周期性节点信道预留指定的时间段传输，而突发性实时节点通过RTS／CTS方式优先传输。◆研究了由中央节点(即服务

4、器)负责轮询的系统模硝。每个：亡作站产生两类需要区分传输优先级别的数据帧，即实时帧和1}实时帧。相应地一J：作站通过穷尽式和lrJ限式服务策略传输这两类数据帧。本文给出了两类帧的平均等待时间的解析结果的精确求解算法，井用仿真实验的结果进行了验证。◆研究了当轮询系统中工作站的两类帧的到达过程都服从一种到达时间间距受限的泊松分布情况下，数据帧的平均等待时间。在此模型中两类帧的等待时间均具有确定的上界值．本文给出了近似的等待时间均值求解算法。接下来的研究中，通过限制每次服务非实时帧的最大访问时间的方式

5、来保证实时帧的有界传输。在这种基于轮询的实时介质访问控制协议(PB-RTMAC)中，令实时帧服从受限的泊松分布，而非实时帧服从一般的泊松分布。当轮询信息到达时，工作站分别采用穷尽式与七_有限式服务策略传输两类数据帧。通过Matlab仿真程序研究了服务参数对于轮询系统性能参数的影响。◆最后本文研究了一种基于竞争的、用在无线局域网上的实时访问介质协议(CB．RTMAC)。除了在两个实时帧发生传输冲突的时候，由接入点CAP)轮询控制工作站的发送顺序外，平时各个工作站通过竞争的方式获得信道的访问权。但是

6、由于实时帧比非实时帧等待较短的帧问隙时间。所以实时帧的平均等待时间要小于非实时的平均等待时间。本文分析了实时帧的最大等待时间，运用OPNET软件构建了实时无线局域嘲的仿真模型。最后本文比较了PB．RTMAC与CB．RTMAC两种协议的网络性能。发现在网络负荷较轻时，采用CB-RTMAC协议能比采用PB-RTMAC降低两类信息的平均等待时间。关键词；实时，信息类别，等待时间上界，平均等待时间。无线局域网，介质访问控制协议nABSTRACTInthecommunicationnetworksofth

7、erealtimesystemsuch鹊industrialcontr01．withtheincreaseofthetrafficintensityanddifferentiatedserviceclasses，thetraditionalfieldbustechniquesarcgraduallyfoundtobeincapabletocopewiththeseneeds．TheLANtechniquessucha5EthornctorWirelessLAN(WLAN)a∞adoptedint

8、heindustrycommunications．EspeciallybecausethedeploymentofWLANdoesnotdemandadditionalcablelayout,andthemovementofthenodeissupposed,sotheWLANisfavored．ButtheseLANshavetheinherentdisadvantagethatc翻鹏theindeterminablewaitingtimeforthedatafranla&)sotheyc∞n