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基于无线HART协议的数据链路层协议模型设计

发布时间:2019-06-18 23:35 来源:未知 编辑:admin

  主要由应用层、网络层、层、物理层组成。其中层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务,其最基本的服务就是将来自节点网络层的

  数据链路协议主要用于建立可靠的点到点的单跳通信。在层型的拓扑结构上实现数据链路层通信协议,这里所设计的算法已成功应用于无线HART单跳网络。

  无线通信网络拓扑主要包括星型和网状两种结构,星型单跳网络支持高可靠性的网络通信,而网状多跳网络支持远距离通信,无线HART协议支持网状拓扑结构和星型拓扑两种结构,用户可根据实际需要选择星型或网状拓扑结构,或者介于二者之间的拓扑结构。本文根据工业现场的实际要求,采用星型和网状结合的两层网络拓扑结构,第一层是网状结构,由网关和路由设备构成;第二层是星型结构,由路由设备以及现场设备构成。其中,网关负责无线HART网络与工厂内的其他网络的协议转换与数据映射。簇首作为网络管理者的代理,负责构建由现场设备和路由设备构成的星型结构,监测星型结构性能;作为安全管理者代理,负责合并及转发簇成员的数据;负责转发其他簇首的数据。簇成员负责获取现场数据并发送到簇首。

  无线HART数据链路层包括逻辑链路层协议(LLC)和介质访问控制层协议(MAC),数据链路层主要定义数据帧格式,介质访问控制层主要负责管理和协调通信资源的分配和使用。

  其中,地址指示为无线HART网络支持两种地址格式,一种用于局域网的短地址,一种用于广域网的长地址。其中短地址由16位二进制组成,用户可自行定义:长地址由64位二进制数组成,64位中高24位表示设备ID,低24位表示0UI地址(由IEEE STD 802.15.4协议分配,其中无线HART的OUI地址为0x00181E),中间16位表示设备类型(设备生产厂家确定);时序号为绝对时序号的最低8位;网络ID为无线HART根据网络应用类型确定的网络ID号:数据包指示为数据包指示由8位二进制数组成,低3位表示数据包的类型,第4位表示网络密钥,第5、6位表示数据包的优先级。

  无线HART数据包分为ACK、Advertise、Keep alive、Disconnect、Data5种类型,分为命令、过程数据、一般、报警4种优先级。发送数据来自网络层并需要发送的数据。MIC为网络授权检测。CRC为数据完整性检测。

  无线HART链路调度主要通过以邻居表位核心的五张表实现,其中超帧表记录超帧的分配和使用状态;链路表记录链路(通信资源)的分配和使用状态;邻居表记录着节点本身的邻居节点(处于节点单挑通信范围之类的节点称为该节点的邻居节点);路由表记录着多跳网络中的路由信息;缓冲表存储着待发送的数据同时记录优先级以及等待时间等状态。

  无线HART网络中每一个节点都支持多个超帧,网络管理者完成超帧的构建和维护,并根据网络需求进行时隙链路的分配。每一个超帧包含一定数量的时隙。超帧一旦建立,网络管理者为该超帧增加、删除、优化链路时隙。一旦分配时隙,超帧应该使能从而允许链路的调度。链接表中一个链接表示一个通信机会,通过链接表实现目标邻居节点的识别,时隙、超帧序列号、发送接收方向、链路类别、信道。邻居表维护并记录着一组能与节点直接通信(单跳)邻居节点,通过邻居表可查询邻居节点地址、时钟源标志、通信数据量、节点最后通信时间、通信节点状态、节点通信优先级。图表提供上行和下行多跳网络的路由信息,其元素主要由多个路由路径节点信息,图标主要由网络管理者实现管理。缓冲表主要用于节点存储待发送数据,记录着数据包的ID、优先级、目的地址类型、保存时间。

  无线HART网络采用频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)混合的信道访问机制。无线HART协议采用集中式资源分配方式,即通信资源由网络管理器统一分配。无线 GHz射频频段。为了保证系统能在非常恶劣的工业现场通信环境中实时、可靠的工作,无线HART

  采用TDMA和FDMA的混合信道分文机制。TDMA技术将每一个时隙复用到2.4 GHz的16个信道上,使系统的有效带宽提高了16倍。

  为了进行资源分配,首先建立通信资源矩阵。纵坐标表示信道频率,横坐标表示时隙,矩阵中的每个单元表示一个通信资源,每个通信资源用频率和时隙的二元组来唯一标示。每个矩阵元素包含如下通信资源和链路的信息:占用标志位,链路的源节点、链路的目的节点、链路的类型。矩阵中每个元素都被初始化为0,当某个通信资源已经被分配,矩阵中对应元素的占用标志位被置为1,并填充相应的通信资源信息。

  无线HART网络中,通信资源有NORMAL、ADVERTIS、JOIN和DISCOVERY 4种类型,NORMAL通信资源主要用于过程数据和管理命令的传输,ADVERTISE通信资源用于广播网络信息以方便新节点加入网络,JOIN通信资源用于新设备加入,DISCOVERY通信资源用于邻居发现。其中NORM-AL类型的通信资源与路由路径相关,其他的资源都与路由路径无关,重点考虑NORMAL通信资源的分配。NORMAL通信资源分配以所建立的拓扑结构为基础,以图表和邻居表为分配图,根据所建立的两层结构进行两层分配。

  1)簇内通信 簇内所有的通信节点的通信资源位于矩阵的同一行,并按照时隙进一步分配。对于下行通信,每一资源的源地址为簇首节点,目的地址为节点地址;对于上行通信,每一分资源的源地址为节点地址,目的地址为簇首节点。

  2)簇间通信 簇间通信主要是负责簇首与网关之间的通信,而其资源主要占据矩阵中两行,其中上行网络通信资源,一行为下行网络通信资源。在资源不满足的情况下,可以根据资源分配的具体情况进行拓展,但必须以双行网络为前提,而且上行还有下行资源不能占据同一个时隙。分配的路径以图表和邻居表为分配路径,进行上行和下行节点的分配。

  整个网络的时钟同步对于无线HART的TDMA通信是十分必要的,设备间的时钟偏移是不可避免的,TDMA网络节点实现全网完全同步并不现实,而且精确度越高能量消耗就越大,因此无线HART节点需要在精确度与能耗之间取得平衡,在满足网络TDMA时隙通信要求的基础上尽可能的降低能耗。

  无线HART为工业环境的无线通信协议,其对稳定性、可靠性有着比一般通信网络更高的要求;而无线HART作为一个mesh的无线通信网需要实现全局的时间同步,但是由于硬件设备以及能量等问题,使得传统的有线时间同步的算法以及常规的WSN时间同步算法无法在无线HART中实现。为此以最小能耗为设计目标,设计一个多层次、全局、不问断的同步策略应用简易但有效的同步算法实现无线HART-TDMA时间同步。图1为相邻节点通信。

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