羊靜，楊勇波，陳纓，徐敏，劉剛，崔弘，劉堃

（1.四川電力科學(xué)研究院，四川成都610071；2.四川啟明星蜀達(dá)電氣有限公司，四川成都610081）

近年來隨著研究的深入和相關(guān)硬件技術(shù)的發(fā)展與成熟，無線通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中得到越來越多的部署。在工業(yè)控制領(lǐng)域，無線通訊技術(shù)已成為繼現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)之后的又一個熱點(diǎn)技術(shù)。工業(yè)無線通信技術(shù)主要面向各類現(xiàn)場設(shè)備間短程、低速率信息交互，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)例化。

工業(yè)無線通信技術(shù)是面向應(yīng)用，以任務(wù)和數(shù)據(jù)為中心。目前，業(yè)內(nèi)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究集中于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，各種數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層算法、協(xié)議層出不窮[1-5]。這些算法、協(xié)議各有其優(yōu)勢也有缺陷，而且針對不同的具體應(yīng)用表現(xiàn)出來的性能也大不一樣。然而，由于無線通信技術(shù)的全空間輻射通信方式和工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性等因素，現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議難以保證工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和實(shí)時性[6-7]。

相較于通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，面向工業(yè)領(lǐng)域的無線通信技術(shù)還需要滿足可靠性、實(shí)時性、安全性和低功耗要求[8]。目前在工業(yè)無線通信技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，圍繞國際標(biāo)準(zhǔn)的制定展開了激烈的競爭。其中以美國Honeywell 公司主導(dǎo)的SP100.11a（美國ISA 學(xué)會的標(biāo)準(zhǔn)）、以美國Emerson Process 公司主導(dǎo)的無線HART[9-11]（HART 通信基金會的規(guī)范）以及由中國工業(yè)無線聯(lián)盟提出的WIA-PA[12]，從流程工業(yè)的無線應(yīng)用所規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)中脫穎而出，成為獲得國際認(rèn)可的三大工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)。

然而這3種工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)具有以下不足：1）3種無線標(biāo)準(zhǔn)主要面向大型的工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)部署、維護(hù)過于復(fù)雜，而且時間同步對于設(shè)備的硬件要求過于嚴(yán)格。因而整體成本對于中小型網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用來說，有點(diǎn)過高；2）3種無線標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)鏈路層均主要采用TSMP[13]協(xié)議，雖然時分的介質(zhì)共享方式提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性，但是卻忽視了競爭接入帶來的實(shí)時性的優(yōu)勢[5，14]。而且，二者在一定程度下，是可以取得平衡的；3）目前3種無線標(biāo)準(zhǔn)，無論哪種都沒有大規(guī)模的現(xiàn)場應(yīng)用[15]，對于實(shí)際應(yīng)用而言，協(xié)議本身更多的還是指導(dǎo)性的，這也是影響3種無線標(biāo)準(zhǔn)大規(guī)模商用的原因之一。

基于以上現(xiàn)實(shí)問題，從工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，本文中設(shè)計了一種更適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的輕量級無線自組織網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議—TWRP（Treed Wireless Routing Protocol）。

1 TWRP協(xié)議

1.1 協(xié)議概述

TWRP（Treed Wireless Routing Protocol，樹形無線自組網(wǎng)協(xié)議）網(wǎng)絡(luò)中包含中心節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)。除中心節(jié)點(diǎn)外，每個節(jié)點(diǎn)有且僅有1個父節(jié)點(diǎn)；除葉子節(jié)點(diǎn)外，中心節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)都可以做父節(jié)點(diǎn)；每個父節(jié)點(diǎn)可以有多個子節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)（SN，Sink Node）每個網(wǎng)絡(luò)中有且僅有1個，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，保存到全網(wǎng)所有路由節(jié)點(diǎn)的路由（LN 除外）；路由節(jié)點(diǎn)（RN，Routing Node）具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，保存到SN的路由；葉子節(jié)點(diǎn)（LN，Leaf Node）不具有路由功能，并保存到SN的路由。

TWRP的網(wǎng)絡(luò)層地址、MAC層地址為同一地址，統(tǒng)一稱為網(wǎng)絡(luò)地址。在協(xié)議幀結(jié)構(gòu)中用MAC地址表示。TWRP 不包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址分配，只包括網(wǎng)絡(luò)組建、數(shù)據(jù)路由的方法。每個節(jié)點(diǎn)上電后隨機(jī)生成自己的網(wǎng)絡(luò)地址，如果有手動配置地址，則以手動配置地址作為自己的網(wǎng)絡(luò)地址。

1.2 協(xié)議結(jié)構(gòu)

TWRP網(wǎng)絡(luò)從下到上依次分為物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層。TWRP 物理層負(fù)責(zé)射頻部分硬件驅(qū)動實(shí)現(xiàn)；MAC層負(fù)責(zé)無線介質(zhì)訪問控制；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建、網(wǎng)絡(luò)路由等控制。TWRP以簡單、輕量為主，MAC層與網(wǎng)絡(luò)層部分輕度耦合，優(yōu)點(diǎn)是提高協(xié)議效率，減小協(xié)議開銷。

一個完整的TWRP 數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)如表1所示，包括協(xié)議部分（MAC層頭部、網(wǎng)絡(luò)層頭部、校驗(yàn)）和用戶數(shù)據(jù)部分，分組最大長度不超過256字節(jié)。

表1 TWRP幀格式

1.2.1 MAC層幀格式

MAC層格式如表2所示，包括MAC 源地址、MAC 目的地址、控制字、MAC層Payload和CRC校驗(yàn)5個字段。其中MAC 源地址、MAC 目的地址分別占用6個字節(jié)，控制字即代表MAC層幀類型,占用1個字節(jié)，MAC層Payload 占用N個字節(jié)，CRC校驗(yàn)占用2個字節(jié)。MAC層控制字標(biāo)識具體的幀類型見表3，每種幀類型結(jié)構(gòu)分析如表4所示。

表2 MAC層幀格式

表3 MAC層幀類型

表4 鄰接點(diǎn)探測和響應(yīng)分組格式

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)層幀格式

網(wǎng)絡(luò)層格式如表5所示，包括操作字、網(wǎng)絡(luò)層Payload。其中，操作字占用1個字節(jié)，解釋為3bit幀類型+2bit設(shè)備類型+3bit自定義字段。對應(yīng)于每種網(wǎng)絡(luò)層幀類型，3bit 自定義字段的含義有所不同。網(wǎng)絡(luò)層Payload 占用N個字節(jié)。網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)識的具體幀類型如表6所示。需要注意的是，只有SN、RN節(jié)點(diǎn)間發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)幀類型。網(wǎng)絡(luò)層每種幀類型的結(jié)構(gòu)分析如表7～8所示。

表5 網(wǎng)絡(luò)層幀格式

表6 網(wǎng)絡(luò)層幀類型

表7 入網(wǎng)請求和響應(yīng)分組

表8 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)請求、響應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)路由器錯誤分組

如前文所述，每種網(wǎng)絡(luò)層分組操作字中自定義字段含義有所不同，代表的具體含義如表9所示。表中響應(yīng)位域表示肯定或否定響應(yīng)。

表9 操作字含義

1.2.3 數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)幀類型如表10所示。數(shù)據(jù)幀的操作字定義為1bit方向+1bit 攜帶路由序列+6bit 保留字段。1bit方向：0表示上行，1表示下行；1bit 攜帶路由序列：0表示攜帶，1表示未攜帶。這是因?yàn)?，協(xié)議支持兩種數(shù)據(jù)發(fā)送方式，即攜帶路由序列和不攜帶路由序列，區(qū)別在于，攜帶路由序列時，中間節(jié)點(diǎn)直接根據(jù)方向位和地址列表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組；未攜帶路由序列時，中間節(jié)點(diǎn)通過查找自己的路由表決定轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳地址。

表10 數(shù)據(jù)幀格式

LN節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，必須攜帶路由序列，中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)地址列表中的地址直接轉(zhuǎn)發(fā)；而RN節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，不必攜帶路由序列，中間節(jié)點(diǎn)通過查找路由表確定下一跳轉(zhuǎn)。

此方式減小了網(wǎng)絡(luò)路由建立的時間和空間復(fù)雜度，提高了網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

1.3 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

TWRP 數(shù)據(jù)鏈路層采用隨機(jī)接入算法，算法流程如圖1所示。每個節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前都要執(zhí)行載波監(jiān)聽，載波監(jiān)聽窗口即節(jié)點(diǎn)執(zhí)行載波監(jiān)聽的最大時間長度。節(jié)點(diǎn)判斷是否存在載波的依據(jù)是物理層檢測到的RSSI（接收信號強(qiáng)度指示），RSSI大于一定的閾值，則認(rèn)為存在載波；否則認(rèn)為沒有載波。如果節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到載波，則執(zhí)行隨機(jī)退避，然后根據(jù)是否到達(dá)載波窗口決定發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，還是繼續(xù)進(jìn)行下一輪載波監(jiān)聽。

1.4 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

圖1 隨機(jī)接入算法

圖2 入網(wǎng)請求流程

TWRP 入網(wǎng)請求流程如圖2所示。每個待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)輪訓(xùn)所有可用信道，如果再某個信道上收到MAC_ADDR_REP分組，則選擇最合適的節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送NWK_JOIN_REQ分組。中繼節(jié)點(diǎn)接收到NWK_JOIN_REQ分組，將自己的地址壓入路由序列，并依次轉(zhuǎn)發(fā)NWK_JOIN_REQ分組，直到NWK_JOIN_REQ分組到達(dá)SN。SN判斷該待入網(wǎng)新節(jié)點(diǎn)是否屬于自己管理的節(jié)點(diǎn)，如果是，則保存到達(dá)該節(jié)點(diǎn)的路由；如果不是，則不保存該節(jié)點(diǎn)路由。然后SN節(jié)點(diǎn)將NWK_JOIN_REQ分組中的路由序列拷貝到NWK_JOIN_REP分組中，進(jìn)入入網(wǎng)響應(yīng)流程。

TWRP 入網(wǎng)響應(yīng)流程如圖3所示。SN節(jié)點(diǎn)根據(jù)NWK_JOIN_REP分組中路由序列字段，將NWK_JOIN_REP分組轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點(diǎn)。下一跳節(jié)點(diǎn)收到分組后，檢查入網(wǎng)標(biāo)志，如果是入網(wǎng)肯定標(biāo)志且待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是RN節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)NWK_JOIN_REP分組中的路由序列，將待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)加入自己的路由表。否則，根據(jù)路由序列將NWK_JOIN_REP分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳。中間節(jié)點(diǎn)重復(fù)這個過程，直到NWK_JOIN_REP分組到達(dá)待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。待入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)判斷入網(wǎng)肯定還是否定標(biāo)志，如果是入網(wǎng)肯定標(biāo)志，則將SN加入自己的路由表，否則，返回到入網(wǎng)請求流程的（a）處，繼續(xù)搜索下一個網(wǎng)絡(luò)。

圖3 入網(wǎng)響應(yīng)流程

TWRP網(wǎng)絡(luò)維護(hù)流程如圖4所示。每個已加入網(wǎng)絡(luò)的RN，以T為周期發(fā)送NWK_STAT_REQ分組，SN 收到NWK_STAT_REQ分組，更新對應(yīng)RN 路由表的超時時間。如果SN等待某個RN 發(fā)送NWK_STAT_REQ分組超時，則SN 刪除對應(yīng)的RN的路由，并向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送NWK_STAT_ERR 分組，通知該RN的上游節(jié)點(diǎn)刪除到對應(yīng)RN的路由，直到分組到達(dá)該RN的父節(jié)點(diǎn)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)流程

2 性能比較

使用NS2（Network Simulator-Version 2）搭建仿真環(huán)境，將TWRP與通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)DSDV、AODV協(xié)議進(jìn)行仿真比較。鑒于考察可靠性和實(shí)時性因素，仿真選擇的性能指標(biāo)為端到端平均時延和分組平均投遞率。

分組平均遞交率即目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)報個數(shù)與源發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)之比，反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?。投遞率越高，可靠性越大。

端到端的平均時延包括路由查找時延、數(shù)據(jù)包在接口隊列中的等待時延，傳輸時延及MAC層的重傳時延，反映了路由的有效性。有實(shí)時傳輸要求的應(yīng)用對時延指標(biāo)較為敏感。

仿真時節(jié)點(diǎn)配置的參數(shù)如下：仿真環(huán)境是10個固定節(jié)點(diǎn)、50個移動節(jié)點(diǎn)，共60個節(jié)點(diǎn)。其運(yùn)動的拓?fù)浞秶鸀?500 m×500 m，鑒于節(jié)點(diǎn)移動速度要求不高，節(jié)點(diǎn)移動速度選擇1m/s。業(yè)務(wù)連接類型為CBR，業(yè)務(wù)源發(fā)包率為1packet/s,數(shù)據(jù)報長度為64bytes?；谠摶緱l件，改變業(yè)務(wù)源連接個數(shù)，分析比較TWRP與DSDV、AODV協(xié)議的性能。

TWRP的MAC層大部分及網(wǎng)絡(luò)層在NS2中由文件TWRP.cc和TWRP.h實(shí)現(xiàn)。

TWRP中結(jié)構(gòu)體類型MAC_HEADER表示MAC層頭部、NWK_HEADER表示網(wǎng)絡(luò)層頭部。每個RN節(jié)點(diǎn)維護(hù)自己的路由表Routing_Table，同時，SN節(jié)點(diǎn)還要維護(hù)達(dá)到LN節(jié)點(diǎn)的臨時路由表

Temporary_Routing_Table。

TWRP中每個分組類型對應(yīng)一個分組處理函數(shù)。分組處理函數(shù)解包協(xié)議分組，執(zhí)行相應(yīng)的操作。TWRP：：recv（Packet*p,Handler*handle）函數(shù)根據(jù)收到的分組類型，調(diào)用響應(yīng)的分組處理函數(shù)。其中，分組處理函數(shù)TWRP_recvMAC（Packet*p）處理MAC層分組，TWRP_recvNWK（Packet *p）處理網(wǎng)絡(luò)層分組，WRP_recvAPP（Packet*p）處理用戶數(shù)據(jù)分組。

從圖5可以看到，3種協(xié)議的平均端到端時延都隨網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)連接數(shù)的增加而增加，因?yàn)锳ODV是按需路由協(xié)議，其端到端平均時延要高于表驅(qū)動路由協(xié)議。同時，TWRP 雖然屬于類表驅(qū)動的路由協(xié)議，但TWRP協(xié)議開銷更小，因此TWRP端到端平均時延更低于DSDV?？梢?，TWRP 更適合應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場這類需要保證數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性的場景。

圖5 端到端平均時延比較

圖6顯示3種協(xié)議分組平均投遞率的比較結(jié)果。在網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)較少的時候，3種協(xié)議的分組投遞率相差不大，TWRP的分組投遞率還要略低于DSDV和AODV。隨著連接數(shù)的增大，3種協(xié)議的分組投遞率都有所下降，DSDV的下降趨勢最快，AODV 其次，TWRP的下降趨勢最緩?？梢姡谶B接數(shù)增大的情況下，TWRP 支持的2種數(shù)據(jù)傳輸方式對于提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性具有有益效果。

圖6 分組平均投遞率比較

在實(shí)際能效管理現(xiàn)場應(yīng)用中，選取了一個試點(diǎn)項(xiàng)目——一個工業(yè)制造行業(yè)的煉鋼車間。該車間具有32個監(jiān)測點(diǎn)，即LN節(jié)點(diǎn)、8個中繼節(jié)點(diǎn)，即RN節(jié)點(diǎn)，1個SN節(jié)點(diǎn)。終端硬件平臺采用ARM Cortex-M3，分別采用TWRP、HART以及WIA-PA 搭建通信網(wǎng)絡(luò)。表11 顯示了TWRP與HART、WIAPA協(xié)議開銷的比較，TWRP在ROM和RAM資源開銷上都要小于HART、WIA-PA。在硬件資源受限的嵌入式應(yīng)用，TWRP 更加靈巧、高效，相比HART、WIA-PA具有部署簡單、成本低廉的優(yōu)勢。

表11 資源占用比較圖

同時，TWRP與HART、WIA-PA端到端時延的比較結(jié)果如圖7所示。可見，采用競爭接入機(jī)制的TWRP在端到端平均時延上要優(yōu)于采用時分接入的HART與WIA-PA協(xié)議，更能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場對數(shù)據(jù)采集實(shí)時性的要求。

圖7 端到端平均時延比較

3 應(yīng)用場景

目前TWRP 已應(yīng)用于蜀達(dá)能效管理系統(tǒng)（圖8）中，蜀達(dá)能效管理系統(tǒng)主要應(yīng)用于各類工業(yè)環(huán)境或?qū)懽謽堑刃枰獙δ苄?shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、改進(jìn)等一體化能效合同管理的場景。能效管理系統(tǒng)中包括各類采集設(shè)備，如氣體、溫濕度、電能量等采集設(shè)備。各類采集設(shè)備通過現(xiàn)場總線連接到能效采集終端，能效采集終端將各類能效數(shù)據(jù)匯總到能效監(jiān)測終端，并由能效監(jiān)測終端通過以太網(wǎng)或GPRS等方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)端能效管理平臺。

圖8 能效管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖8中，手機(jī)能效設(shè)備、能效采集終端與能效監(jiān)測終端采用TWRP組成了無線自組織網(wǎng)絡(luò)。其中，手機(jī)能效設(shè)備具有移動、隨機(jī)接入的特點(diǎn)，是LN節(jié)點(diǎn)；能效采集終端是RN節(jié)點(diǎn)，一方面通過各類傳感采集前端設(shè)備，另一方面通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到能效監(jiān)測終端；能效監(jiān)測終端SN節(jié)點(diǎn)，是數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，TWRP協(xié)議在工業(yè)環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定工作，對于提高工業(yè)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時性具有有益效果。

4 結(jié)束語

在工業(yè)控制領(lǐng)域，無線通訊技術(shù)已成為繼現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)之后的又一個熱點(diǎn)技術(shù)。本文中從工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，引出了工業(yè)無線自組織網(wǎng)絡(luò)可靠性、實(shí)時性面臨的諸多問題，設(shè)計了一種更適合于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的輕量級無線自組織網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（TWRP），并從物理層到網(wǎng)絡(luò)層詳細(xì)描述了各層的協(xié)議內(nèi)容和工作原理，TWRP 物理層采用低功耗的無線芯片、媒體接入層基于接收信號強(qiáng)度監(jiān)測與CSMA/CA、網(wǎng)絡(luò)層結(jié)合了傳統(tǒng)無線自組織網(wǎng)絡(luò)表驅(qū)動路由協(xié)議與按需路由協(xié)議、帶路由表轉(zhuǎn)發(fā)與不帶路由表轉(zhuǎn)發(fā)的工作方式。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)和蜀達(dá)能效管理系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了TWRP協(xié)議在工業(yè)環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定工作，并且對于提高工業(yè)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時性具有有益效果。

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