WIA-PA工业无线网络多信道MAC协议设计.pdf

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1、研究与应用化工自动化及仪表，2010，37(5)：78—8lControlandInstrumentsinChemicallndustryWIA．PA工业无线网络多信道MAC协议设计何鸿，杜小杰，刘枫(西南大学计算机与信息科学学院，重庆400715)摘要：WIA．PA是我国制定的用于过程自动化的工业无线网络协议标准，基于传统单信道和信道竞争的MAC协议不能满足工业无线网络对通信抗干扰、实时性和可靠性的较高要求。提出基于WIA·PA分簇网络的多信道TDMAMAC协议即TMCC．MAC。该协议改进了IEEE802．15．4超帧结构，并

2、主要研究了WlA．PA网络簇问通信信道和时隙分配问题。实验表明该协议同时具有低功耗、多信道和时分通信的优点，能较好地满足工业无线通信要求。关键词：分簇网络；多信道；TMCC-MAC；TDMA；IEEE802．15．4中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1000-3932(2010)05-0078-041引言近年来，随着传感器技术和无线通信技术的发展，无线传感器网络已经成为国内外研究的热点。在工业界，已经专门制定了无线HART、SPl00和ZIGBEE等用于无线传感器网络的应用协议。WIA．PA(WirelessNetwo

3、rksforIndustrialAutomation—ProcessAutomation)是我同制定的用于过程自动化的工业无线网络规范，用于工业控制现场的测控和监控等，对无线通信的可靠性和实时性提出了较高的要求⋯。WIA．PA的MAC协议处于无线通信网络协议的底层，它决定了WIA—PA传感器节点的信道接入方式和带宽的分配，对WIA-PA网络的性能起到很大作用，是保证该网络高效、可靠、实时通信的关键网络协议之一。无线传感器网络由于硬件资源有限，节点电池能量有限，使用的通信频段带宽较窄，工作环境较为恶劣等缺点，为适应传感器网络的上述特

4、点，人们提出了很多新的MAC协议，按信道的接入方式竞争与否分为基于竞争的MAC协议和基于时分的MAC协议。其中S-MAC旧1和T—MAC旧1协议是典型的基于竞争的MAC协议，采用竞争的方式接人信道，当网络流量较大时，多个数据源节点同时竞争信道，会导致某些节点竞争失败，不能保证每个节点能及时地传输数据。TRAMA’41和TDMA．W一1等采用基于时分无竞争的访问机制，每个节点拥有属于自己的时间片，只有当属于自己的通信时间片到来时，节点开启收发器，其余时间处于睡眠节能状态，同时避免了信息包的碰撞，能保证数据传输的町靠性和实时性。由于工

5、业现场环境复杂，信道容易受到f扰，如果采用单信道的通信模式，当该信道受到干扰而无法通信时，将使整个网络通信中断，影响数据传输，在工业通信中对数据的可靠性和实时性要求很高，这样的通信中断往往是不能容忍的。同时随着硬件技术的发展，如MICAZ和TELOS平台使用的CC2420等射频收发器支持使用多个信道的通信。基于多信道的通信协议逐渐成为了满足无线通信网络抗干扰和保证数据传输町靠性方法的研究热点。文献[6]、[7]提出了基于多信道的MAC协议，但都是基于硬件节点包含多个射频收发器的情况，这样增加了节点成本，特别是在大规模的无线传感器网

6、络中，节点众多，成本是一个不容忽视的问题。文献[8]、[9]虽然提出了单射频收发器多信道协议，但他们都没有专门针对满足工业通信要求而设计，因此也小能直接应用于WIA—PA网络。本文首先介绍了WIA·PA的网络结构及关键技术；然后在该网络模型基础上，详细设计了适用于工业通信的TMCC—MAC协议，其中包括WIA—PA超帧结构设计，通信资源分配以及节能策略等内容；最后进行了协议性能的分析和验证。2WIA-PA基本介绍WIA—PA标准足中国工业无线联盟针对过程自动化领域的迫切需求而率先制定的WIA子标准，定义了用于过程自动化的WIA系统

7、结构与通信规范。WIA—PA协议采用了start．mesh两层网络拓扑结构，如图1所示。第一层是mesh结构，由路由设备构成；第二层是星型结构，由路由设备及现场设备构收稿日期：2010-03-29(修改稿)基金项目：国家“863”计划项目(2007AA041201-7)第5期何鸿等．WIA．PA工业无线网络多信道MAC协议设计·79·成。本文中的路由设备包括网关路由设备(为保证数据的可靠传输，采用有线方式与网关相连)、簇首路由(指星型网内的簇首，完成对簇内设备管理和数据转发)、mesh路由设备(指处在mesh网络中的路由设备，完成

8、簇间数据转发)。下文除非特别提及，路由设备均指mesh路由。根据工业无线网络稳定性高、可靠性高、实时性高、低功耗等特征，WIA—PA网络采用集中式和分布式相结合的管理结构、多信道技术以及跳频技术等多种技术。同时基于802．15．4标准，采用超低能耗