面向控制網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制相關(guān)問題研究.pdf

1、信息技術(shù)的快速發(fā)展導(dǎo)致了自動(dòng)化領(lǐng)域的深刻變革,逐漸形成了自動(dòng)化領(lǐng)域的開放式系統(tǒng)互連通信網(wǎng)絡(luò)。各種通信網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多的進(jìn)入系統(tǒng)的控制閉環(huán),為控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇和前所未有的挑戰(zhàn)。由于引入特殊的1F線性,控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的同時(shí)一個(gè)重要的課題隨之出現(xiàn),即必須盡量降低通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制系統(tǒng)的不良影響。這就要求一方面在網(wǎng)絡(luò)化的背景下針對(duì)控制理論研究新的分析和設(shè)計(jì)方法,與此同時(shí),從通信網(wǎng)絡(luò)的角度而言,采用與之適應(yīng)的通信協(xié)議也是非常重

2、要的一項(xiàng)措施,有助于從根本上解決新的網(wǎng)絡(luò)問題,降低理論研究復(fù)雜程度。
　　 以太網(wǎng)是目前最有希望彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不足的有線控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù),其發(fā)展前景為各界一致看好。然而,以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性一直是限制其進(jìn)入控制系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)重要障礙,以太網(wǎng)還不能很好地滿足工業(yè)控制環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性、時(shí)序性和優(yōu)先級(jí)等特殊要求,即使是采用交換結(jié)構(gòu)或者改進(jìn)上層實(shí)時(shí)通信協(xié)議,也面臨著諸如不確定性轉(zhuǎn)移、傳遞時(shí)延增加、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等諸多新問題。無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)無(wú)需布線

3、、支持移動(dòng)、成本低廉,可以作為有線網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充手段在特定應(yīng)用中發(fā)揮重要作用,比如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于通常不能進(jìn)行能量補(bǔ)充,功率控制成為無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)突出問題,直接影響無(wú)線信號(hào)的傳輸質(zhì)量、電池或節(jié)點(diǎn)壽命、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。無(wú)線功率控制與以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性是目前控制網(wǎng)絡(luò)研究中比較突出的兩個(gè)問題,而且都與網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制協(xié)議密切相關(guān)。本文結(jié)合其研究的最新進(jìn)展,針對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)中介質(zhì)訪問控制的相關(guān)問題進(jìn)行進(jìn)一步探討,并取得了如下幾方面研究成果和創(chuàng)新。

4、
　　 針對(duì)上層協(xié)議提供實(shí)時(shí)性時(shí)會(huì)導(dǎo)致消息傳遞的協(xié)議棧層次過多、處理時(shí)延增加等問題,
　　 本文分析了在數(shù)據(jù)鏈路層定義優(yōu)先級(jí)機(jī)制的可行性,提出一種基于可變載波長(zhǎng)度的物理信令傳播機(jī)制:利用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中的可變幀長(zhǎng)和CSMA網(wǎng)絡(luò)固有的載波偵聽功能實(shí)現(xiàn)信道多狀態(tài)信息反饋。鏈路層可共享全局沖突、成功和優(yōu)先級(jí)等多種控制信息,也可將優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)管理交付上層協(xié)議,面向應(yīng)用,對(duì)消息傳遞的中間層次做透明處理,具有一定通用性。該方法充分考慮了C

5、SMA網(wǎng)絡(luò)自身的功能和特點(diǎn),便于實(shí)現(xiàn)。
　　 針對(duì)以太網(wǎng)傳輸時(shí)延的不確定問題,提出了一與現(xiàn)有的以太網(wǎng)兼容的實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制協(xié)議。新協(xié)議基于可變載波長(zhǎng)度信令原理獲取多種信道狀態(tài)信息,在信道發(fā)生沖突時(shí)采用持續(xù)發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)幀和阻塞信道的方法決定的信道訪問權(quán)的歸屬,以此實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)傳輸,同時(shí)保證高優(yōu)先級(jí)信息在滿足一定偽周期條件下具有確定性的傳輸時(shí)延。信道不發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí),節(jié)點(diǎn)仍然按照基于best-effort原理的CSMA/CD規(guī)則訪問信道,保證

6、消息以最快速度獲得傳輸。與現(xiàn)有方法相比,新協(xié)議充分保留標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)和特征,并與以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)兼容,實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線不需經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置即可與現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互連。
　　 時(shí)序排隊(duì)系統(tǒng)在控制網(wǎng)絡(luò)中大量存在,鑒于傳統(tǒng)虛時(shí)鐘協(xié)議采用隨機(jī)延遲的退避重傳策略導(dǎo)致時(shí)序傳輸?shù)姆菄?yán)格性問題,提出一個(gè)即時(shí)的虛時(shí)軸消息沖突解析算法BOVTA。與Tree和Window等算法不同,BOVTA算法利用與虛時(shí)鐘信道訪問規(guī)則完全一致的方式進(jìn)行解析過程的同步,避免了

7、引入額外的站點(diǎn)相關(guān)信息,使沖突解析過程變得簡(jiǎn)單易行,而帶來(lái)的信道負(fù)荷卻保持很小。在此基礎(chǔ)之上,提出基于BOVTA算法的多優(yōu)先級(jí)虛時(shí)鐘以太網(wǎng)協(xié)議,保證了傳輸時(shí)序的嚴(yán)格性。
　　 針對(duì)無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)的功率控制問題,基于帶干擾范圍的無(wú)線傳輸模型,指出導(dǎo)致PCM協(xié)議犧牲能效的過度保護(hù)問題,并提出一種自適應(yīng)功率控制解決方案IP-PCM,在不違背數(shù)據(jù)傳輸功率最小化的情況下,利用干擾平衡原理自適應(yīng)地控制忙音的傳輸功率,使載波偵聽范圍以獨(dú)立于干擾