[發明專利]一種基于OFDM技術的工業無線網絡頻域輪詢方法

有效

• 申請號: 201210171074.2
• 申請日: 2012-05-29
• 公開（公告）號: CN103457893A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 梁煒;于海斌;林俊如;張曉玲;曾鵬;楊中興;李世明
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: H04L27/26
• 分類號: H04L27/26
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 周秀梅;許宗富

技術領域

本發明涉及工業無線網絡技術，具體地說是一種基于OFDM技術的工業無線網絡頻域輪詢方法。

背景技術

無線網絡技術已經開始應用于工廠自動化領域，并逐漸成為發展的熱點。相對于傳統的有線總線技術，無線技術具有易安裝、易維護的優勢，并且能夠避免設備因移動導致的線纜易老化，滑環之間電力接觸易失敗等問題。因此在面向高速車間級的工廠自動化中，無線技術非常具有應用潛力。

無線通信中，多個終端共享信道資源引發沖突問題。為了解決這個問題，IEEE?802.11協議提出了兩種方法，一種是分布式協調功能（DCF，Distributed?Coordination?Function）模式下的帶沖突避免的載波多路訪問（CSMA/CA，Carrier?Sense?Multiple?Access?with?Collision?Avoidance）機制，另一種是點協調功能（PCF，Point?Coordination?Function）模式下的輪詢機制。

DCF模式下的CSMA/CA機制采用隨機的沖突退避算法，無法滿足車間級工業無線網絡對時延的確定性要求。此外，車間級工業無線網絡往往要求較大的網絡規模，導致大量節點競爭信道的狀況更加嚴重。上述情況下，CSMA/CA機制在實時性和可靠性方面難以滿足工業應用的需求。

PCF模式下的輪詢機制保證每個節點只有在被允許的情況下才能占有信道發送數據，因此可以較大程度地沖突避免。

圖1所示為PCF輪詢機制下的各個節點接入信道的調度情況。其中，接入點（AP，Access?Point）作為點協調者，在無競爭訪問階段(CFP，Contention-Free?Period)內依次輪詢三個節點。AP首先廣播信標beacon，發布CFP階段的相關信息；其他節點收到beacon后，等待接收AP的輪詢報文；經過短幀間間隔（SIFS，Short?InterFrame?Space）時間后，AP向節點1發送輪詢報文，節點1收到輪詢報文并有數據需要發送，則在SIFS時間后發送。隨后，AP向節點2發送輪詢報文，站點2沒有數據需要發送，則不做響應；AP在PCF幀間間隔（PIFS，PCF?InterFrame?Space)）內未收到節點2的響應，則向節點3發送輪詢報文，站點3收到輪詢報文后向AP發送其緩存中的數據。

現有輪詢方法的協議開銷大。工業無線網絡中的報文往往較短，AP從節點獲得一個報文而需發送的輪詢報文占據大量帶寬，導致控制報文的開銷較大；特別是當節點沒有數據需要發送時，輪詢失敗。此時，輪詢機制的資源利用率雖然高，但輪詢報文本身占據了大量帶寬，不僅不能提高網絡的有效吞吐量，而且當頻繁發生輪詢失敗時，將導致網絡的吞吐量明顯下降。此外，當網絡規模較大時，由于需要輪詢每一個節點，整個輪詢周期較長，難以滿足工業應用對實時性的要求。

除了上述兩種方法，能夠解決多個無線通信終端共享信道資源引發的沖突問題，還有以下方法：

時分多路訪問（TDMA，Time?Division?Multiple?Access）機制因其有效避免沖突的特性，可以保證確定性的通信時延。TDMA機制除了時間同步開銷外，協議自身的開銷較小。然而，為了滿足工業無線網絡的可靠性需求，TDMA機制需要在時隙分配過程中為每個節點分配大量的重傳時隙，而這些重傳時隙的使用率往往較低。因此，靜態分配的TDMA機制的資源利用率較低，對于較高可靠性和實時性要求的網絡，網絡中無法容納較多的節點，難以滿足工業應用的大規模需求。

正交頻分復用（OFDM，Orthogonal?Frequency?Division?Multiplexing）屬于多載波調制技術，其原理在于將信道劃分為若干個正交的子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到每個子信道上進行傳輸。OFDM技術已經大量應用于無線通信中，如IEEE?802.11a/g，但現有的無線通信技術僅利用了OFDM技術物理層的數據高效傳輸功能，尚未利用OFDM技術來實現低開銷、高帶寬利用率的MAC層功能。

發明內容

針對現有方法開銷較大、資源利用率低、性能無法保障等問題，本發明提出了一種基于OFDM技術的工業無線網絡頻域輪詢方法，旨在解決現有面向工業無線網絡的輪詢技術開銷大、TDMA方法帶寬利用率低、實時性和網絡規模等難以保證的問題。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種基于OFDM技術的工業無線網絡頻域輪詢方法，其特征在于，包括以下步驟：

輪詢初始配置：AP為新加入網絡的節點分配輪詢組ID和子載波ID；