面向控制網(wǎng)絡的介質(zhì)訪問控制相關問題研究.pdf

1、信息技術的快速發(fā)展導致了自動化領域的深刻變革,逐漸形成了自動化領域的開放式系統(tǒng)互連通信網(wǎng)絡。各種通信網(wǎng)絡越來越多的進入系統(tǒng)的控制閉環(huán),為控制系統(tǒng)的分析和設計帶來了新的發(fā)展機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)在實現(xiàn)網(wǎng)絡化的同時一個重要的課題隨之出現(xiàn),即必須盡量降低通信網(wǎng)絡對控制系統(tǒng)的不良影響。這就要求一方面在網(wǎng)絡化的背景下針對控制理論研究新的分析和設計方法,與此同時,從通信網(wǎng)絡的角度而言,采用與之適應的通信協(xié)議也是非常重

2、要的一項措施,有助于從根本上解決新的網(wǎng)絡問題,降低理論研究復雜程度。
　　 以太網(wǎng)是目前最有希望彌補現(xiàn)場總線技術不足的有線控制網(wǎng)絡技術,其發(fā)展前景為各界一致看好。然而,以太網(wǎng)的實時性一直是限制其進入控制系統(tǒng)應用的一個重要障礙,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、時序性和優(yōu)先級等特殊要求,即使是采用交換結(jié)構或者改進上層實時通信協(xié)議,也面臨著諸如不確定性轉(zhuǎn)移、傳遞時延增加、實現(xiàn)復雜等諸多新問題。無線控制網(wǎng)絡無需布線

3、、支持移動、成本低廉,可以作為有線網(wǎng)絡的有效補充手段在特定應用中發(fā)揮重要作用,比如無線傳感器網(wǎng)絡。由于通常不能進行能量補充,功率控制成為無線控制網(wǎng)絡中的一個突出問題,直接影響無線信號的傳輸質(zhì)量、電池或節(jié)點壽命、網(wǎng)絡拓撲。無線功率控制與以太網(wǎng)的實時性是目前控制網(wǎng)絡研究中比較突出的兩個問題,而且都與網(wǎng)絡的介質(zhì)訪問控制協(xié)議密切相關。本文結(jié)合其研究的最新進展,針對控制網(wǎng)絡中介質(zhì)訪問控制的相關問題進行進一步探討,并取得了如下幾方面研究成果和創(chuàng)新。

4、
　　 針對上層協(xié)議提供實時性時會導致消息傳遞的協(xié)議棧層次過多、處理時延增加等問題,
　　 本文分析了在數(shù)據(jù)鏈路層定義優(yōu)先級機制的可行性,提出一種基于可變載波長度的物理信令傳播機制:利用標準協(xié)議中的可變幀長和CSMA網(wǎng)絡固有的載波偵聽功能實現(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)先級等多種控制信息,也可將優(yōu)先級的動態(tài)管理交付上層協(xié)議,面向應用,對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)絡自身的功能和特點,便于實現(xiàn)。
　　 針對以太網(wǎng)傳輸時延的不確定問題,提出了一與現(xiàn)有的以太網(wǎng)兼容的實時介質(zhì)訪問控制協(xié)議。新協(xié)議基于可變載波長度信令原理獲取多種信道狀態(tài)信息,在信道發(fā)生沖突時采用持續(xù)發(fā)送競爭幀和阻塞信道的方法決定的信道訪問權的歸屬,以此實現(xiàn)優(yōu)先級傳輸,同時保證高優(yōu)先級信息在滿足一定偽周期條件下具有確定性的傳輸時延。信道不發(fā)生競爭時,節(jié)點仍然按照基于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)議充分保留標準以太網(wǎng)的優(yōu)點和特征,并與以太網(wǎng)標準兼容,實時以太網(wǎng)總線不需經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置即可與現(xiàn)有網(wǎng)關實現(xiàn)互連。
　　 時序排隊系統(tǒng)在控制網(wǎng)絡中大量存在,鑒于傳統(tǒng)虛時鐘協(xié)議采用隨機延遲的退避重傳策略導致時序傳輸?shù)姆菄栏裥詥栴},提出一個即時的虛時軸消息沖突解析算法BOVTA。與Tree和Window等算法不同,BOVTA算法利用與虛時鐘信道訪問規(guī)則完全一致的方式進行解析過程的同步,避免了

7、引入額外的站點相關信息,使沖突解析過程變得簡單易行,而帶來的信道負荷卻保持很小。在此基礎之上,提出基于BOVTA算法的多優(yōu)先級虛時鐘以太網(wǎng)協(xié)議,保證了傳輸時序的嚴格性。
　　 針對無線控制網(wǎng)絡的功率控制問題,基于帶干擾范圍的無線傳輸模型,指出導致PCM協(xié)議犧牲能效的過度保護問題,并提出一種自適應功率控制解決方案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地控制忙音的傳輸功率,使載波偵聽范圍以獨立于干擾