一種基于ofdm技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及工業(yè)無線網絡技術，具體地說是一種基于OFDM技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法。本發(fā)明包括以下步驟：輪詢初始配置：AP為新加入網絡的節(jié)點分配輪詢組ID和子載波ID；OFDM頻域輪詢：AP發(fā)送輪詢請求報文，節(jié)點收到輪詢請求報文后，AP在頻域利用OFDM子載波進行響應；TDMA時隙分配和節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸：AP根據(jù)各個被輪詢節(jié)點的響應情況，為需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點分配TDMA時隙；節(jié)點收到TDMA時隙分配結果后，在對應的時隙內進行數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明在充分考慮工業(yè)無線網絡應用特點的前提下提出的，能夠減少網絡協(xié)議開銷、提高帶寬利用率和網絡有效吞吐量，進而提升網絡的實時性和規(guī)模。
【專利說明】一種基于OFDM技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)無線網絡技術，具體地說是一種基于OFDM技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法。
【背景技術】
[0002]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(fā)展的熱點。相對于傳統(tǒng)的有線總線技術，無線技術具有易安裝、易維護的優(yōu)勢，并且能夠避免設備因移動導致的線纜易老化，滑環(huán)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。
[0003]無線通信中，多個終端共享信道資源引發(fā)沖突問題。為了解決這個問題，IEEE802.11協(xié)議提出了兩種方法，一種是分布式協(xié)調功能(DCF, Distributed CoordinationFunction)模式下的帶沖突避免的載波多路訪問(CSMA/CA, Carrier Sense MultipleAccess with Collision Avoidance)機制，另一種是點協(xié)調功能(PCF,Point CoordinationFunction)模式下的輪詢機制。
[0004]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(yè)無線網絡對時延的確定性要求。此外，車間級工業(yè)無線網絡往往要求較大的網絡規(guī)模，導致大量節(jié)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(yè)應用的需求。
[0005]PCF模式下的輪詢機制保證每個節(jié)點只有在被允許的情況下才能占有信道發(fā)送數(shù)據(jù)，因此可以較大程度地沖突避免。
[0006]圖1所示為PCF輪詢機制下的各個節(jié)點接入信道的調度情況。其中，接入點(AP，Access Point)作為點協(xié)調者,在無競爭訪問階段(CFP,Contention-Free Period)內依次輪詢三個節(jié)點。AP首先廣播信標beacon，發(fā)布CFP階段的相關信息；其他節(jié)點收到beacon后，等待接收AP的輪詢報文；經過短巾貞間間隔(SIFS, Short InterFrame Space)時間后，AP向節(jié)點I發(fā)送輪詢報文，節(jié)點I收到輪詢報文并有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則在SIFS時間后發(fā)送。隨后，AP向節(jié)點2發(fā)送輪詢報文，站點2沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則不做響應;AP在PCF幀間間隔(PIFS，PCF InterFrame Space))內未收到節(jié)點2的響應，則向節(jié)點3發(fā)送輪詢報文，站點3收到輪詢報文后向AP發(fā)送其緩存中的數(shù)據(jù)。
[0007]現(xiàn)有輪詢方法的協(xié)議開銷大。工業(yè)無線網絡中的報文往往較短，AP從節(jié)點獲得一個報文而需發(fā)送的輪詢報文占據(jù)大量帶寬，導致控制報文的開銷較大；特別是當節(jié)點沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)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(jù)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(fā)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(guī)模較大時，由于需要輪詢每一個節(jié)點，整個輪詢周期較長，難以滿足工業(yè)應用對實時性的要求。
[0008]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(fā)的沖突問題，還有以下方法:[0009]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(xié)議自身的開銷較小。然而，為了滿足工業(yè)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(jié)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(tài)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(jié)點，難以滿足工業(yè)應用的大規(guī)模需求。
[0010]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(shù)據(jù)信號轉換成并行的低速子數(shù)據(jù)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 802.1la/g，但現(xiàn)有的無線通信技術僅利用了 OFDM技術物理層的數(shù)據(jù)高效傳輸功能，尚未利用OFDM技術來實現(xiàn)低開銷、高帶寬利用率的MAC層功能。

【發(fā)明內容】

[0011]針對現(xiàn)有方法開銷較大、資源利用率低、性能無法保障等問題，本發(fā)明提出了一種基于OFDM技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法，旨在解決現(xiàn)有面向工業(yè)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(guī)模等難以保證的問題。
[0012]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:一種基于OFDM技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0013]輪詢初始配置:AP為新加入網絡的節(jié)點分配輪詢組ID和子載波ID ；
[0014]OFDM頻域輪詢:AP發(fā)送輪詢請求報文，節(jié)點收到輪詢請求報文后，AP在頻域利用OFDM子載波進行響應；
[0015]TDMA時隙分配和節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸:AP根據(jù)各個被輪詢節(jié)點的響應情況，為需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點分配TDMA時隙；節(jié)點收到TDMA時隙分配結果后，在對應的時隙內進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0016]所述輪詢初始配置的實現(xiàn)過程為:節(jié)點加入網絡后，AP判斷已有輪詢組中是否存在未被分配的子載波；如果存在，則隨機選擇一個未被分配的子載波，并記錄和標識對應的輪詢組ID和子載波ID ;否則，生成新的輪詢組，新輪詢組中的子載波均初始化為未被分配狀態(tài)，新加入網絡的節(jié)點在新輪詢組中選擇任意子載波，并記錄和標識對應的輪詢組ID和子載波ID。
[0017]所述輪詢請求報文中搭載輪詢請求標志和輪詢組ID信息。
[0018]所述節(jié)點接收到輪詢請求報文時，判斷輪詢請求報文中的輪詢組ID是否與節(jié)點所屬的輪詢組ID相同；如果不同，表明節(jié)點不在此次輪詢范圍內，節(jié)點不做任何響應；否貝U，節(jié)點等待一個SIFS時間后，利用分配的子載波發(fā)送一個或多個符號。
[0019]所述在頻域利用OFDM子載波進行響應具體為:AP通過檢測各個子載波上的能量，判斷子載波是否處于活躍狀態(tài)，不需要還原出子載波上的原始信號，如果子載波處于活躍狀態(tài)，則此子載波對應的節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，AP記錄對應的節(jié)點；否則，表明此子載波對應的節(jié)點沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，AP不做任何處理。
[0020]所述TDMA時隙分配和節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸具體包括以下實現(xiàn)過程:
[0021]AP為記錄的有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的每個節(jié)點分配TDMA時隙，并廣播時隙分配結果；[0022]有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的節(jié)點收到時隙分配結果后，提取出自身的時隙分配信息，并在對應的時隙內向AP發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0023]所有有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的節(jié)點完成數(shù)據(jù)傳輸后，AP將需要回復的確認報文進行聚合后廣播給網絡中的節(jié)點；
[0024]有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的每個節(jié)點接收到聚合的確認報文后，提取對應于自身的確認報文，判斷AP是否正確接收自身的數(shù)據(jù)。
[0025]本發(fā)明提出的一種基于OFDM技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法，是在充分考慮工業(yè)無線網絡應用特點的前提下提出的，能夠減少網絡協(xié)議開銷、提高帶寬利用率和網絡有效吞吐量，進而提升網絡的實時性和規(guī)模。具體表現(xiàn)在:
[0026]1.本發(fā)明方法提出的基于OFDM頻域輪詢的方法一次可以并行輪詢多個節(jié)點，降低了輪詢的開銷，提高了網絡的有效吞吐量；
[0027]2.本發(fā)明方法基于頻域輪詢的結果設計TDMA時隙分配算法，實現(xiàn)了通信資源(時隙)的按需分配，提高了帶寬利用率，保證了實時性和可靠性，適合應用于大規(guī)模的工業(yè)無線網絡。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為現(xiàn)有技術中PCF輪詢機制的原理示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明中網絡節(jié)點初始分布的示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明實施例中OFDM輪詢時序示意圖；
[0031]圖4為本發(fā)明實施例中節(jié)點進行頻域響應的示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0033]本發(fā)明提出的一種基于OFDM技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法，其主要思想在于:利用OFDM子載波實現(xiàn)頻域的輪詢響應，使得AP能夠在一個或多個物理符號(symbol)時間內一次輪詢多個站點；AP收到節(jié)點在頻域的響應后，不需要精確還原各個節(jié)點在各個子載波上發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，僅需要通過閾值/峰值檢測或其他技術手段檢測出子載波是否活躍；如果活躍，則表示有數(shù)據(jù)需要傳輸，否則表示沒有數(shù)據(jù)。
[0034]本發(fā)明方法包括輪詢初始配置、OFDM頻域輪詢、TDMA時隙分配和節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸，具體包括以下步驟:
[0035]步驟(I)輪詢初始配置:AP為新加入網絡的節(jié)點分配相應的輪詢組標識符(ID，Identifier)和子載波 ID ；
[0036]步驟(2)0FDM頻域輪詢:AP發(fā)送輪詢請求報文，節(jié)點收到輪詢報文后，AP在頻域利用OFDM子載波進行響應；
[0037]步驟(3) TDMA時隙分配和節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸:AP根據(jù)各個被輪詢節(jié)點的響應情況，為需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點分配TDMA時隙；節(jié)點收到TDMA時隙分配結果后，在對應的時隙內進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0038]所述的輪詢組ID用于標識不同的輪詢組。OFDM頻域輪詢雖然能夠實現(xiàn)并行輪詢，但并行輪詢的節(jié)點數(shù)量受到OFDM子載波數(shù)量的限制。采用輪詢組ID將節(jié)點進行分組，并要求節(jié)點僅響應所屬輪詢組的輪詢報文，以避免不同組之間的輪詢響應產生碰撞，從而擴大了網絡規(guī)模。
[0039]所述的子載波ID用于標識節(jié)點返回輪詢響應的子載波。同一輪詢組內的節(jié)點使用不同的子載波ID，可以避免組內輪詢響應產生碰撞。
[0040]所述的輪詢請求報文搭載輪詢請求標志和輪詢組ID信息。
[0041]所述步驟(I)輪詢初始配置，具體包括以下實現(xiàn)過程:
[0042](1.1)節(jié)點加入網絡后，AP判斷已有輪詢組中是否存在未被分配的子載波；如果存在，則隨機選擇一個未被分配的子載波，并記錄和標識對應的輪詢組ID和子載波ID ;否貝11，執(zhí)行(1.2);
[0043](1.2)如果已有輪詢組中不存在未被分配的子載波，則生成新的輪詢組，并賦予對應的輪詢組ID，新輪詢組中的子載波均初始化為未被分配狀態(tài)；新加入網絡的節(jié)點從新生成的輪詢組中選擇任意子載波，并記錄和標識對應的輪詢組ID和子載波ID。
[0044]所述步驟(2) OFDM頻域輪詢，具體包括以下實現(xiàn)過程:
[0045](2.DAP發(fā)送輪詢請求報文，其中，輪詢報文中搭載輪詢請求標志和輪詢組ID信息；
[0046](2.2)節(jié)點接收到輪詢請求報文時，判斷輪詢請求報文中的輪詢組ID是否與節(jié)點所屬的輪詢組ID相同；如果不同，則表明節(jié)點不在此次輪詢范圍內，節(jié)點不做任何響應，否則執(zhí)行(2.3);
[0047](2.3)節(jié)點等待一個SIFS時間后，利用分配的子載波發(fā)送一個或多個符號(symbol)；
[0048](2.4)AP通過檢測各個子載波上的能量，判斷子載波是否處于活躍狀態(tài)，不需要還原出子載波上的原始信號；如果子載波處于活躍狀態(tài)，則此子載波對應的節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，AP記錄對應的節(jié)點；否則，表明此子載波對應的節(jié)點沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，AP不做任何處理。
[0049]所述步驟(3) TDMA時隙分配和節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸，具體包括以下實現(xiàn)過程:
[0050](3.1) AP為(2.4)中記錄的每個節(jié)點分配TDMA時隙，并廣播時隙分配結果；
[0051](3.2)節(jié)點收到時隙分配結果后，提取出自身的時隙分配信息，并在對應的時隙內向AP發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0052](3.3)所有節(jié)點完成數(shù)據(jù)傳輸后，AP將需要回復的確認(ACK，ACKnowledgement)報文進行聚合后廣播給網絡中的節(jié)點。
[0053]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。本發(fā)明方法中的實施例旨在于解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明的實際應用。
[0054]如圖2所示為一個網絡的初始分布圖，在IOOmX IOOm的平面區(qū)域內隨機分布有20個節(jié)點，分別編號為Ni (i e [1，20] ) ;AP記為Ntl，位于(50，50)處。網絡中的節(jié)點可以和AP直接通信，邏輯上為一個星型拓撲結構。節(jié)點利用OFDM物理層的52個子載波進行通信，其中，48個子載波可用于輪詢功能。48個子載波對應的ID記為f 48。
[0055]在輪詢初始配置階段，AP為每個節(jié)點分配輪詢組ID和子載波ID。假設節(jié)點按照其編號依次加入網絡，則節(jié)點N1加入網絡時，網絡不存在輪詢組。AP生成輪詢組0x01，將0x01輪詢組中的48個子載波標識為未被分配，并將子載波I分配給節(jié)點N1，則節(jié)點N1輪詢初始化配置的結果(輪詢組ID，子載波ID)為(0x01，OxOl )。此時，OxOl輪詢組中未被分配的子載波為2~48。節(jié)點N2加入網絡時，網絡中已有輪詢組0x01，且子載波2~48未被分配，AP選擇子載波2分配給節(jié)點N2,則節(jié)點N2輪詢初始化配置的結果(輪詢組ID，子載波ID)為(0x01，0x02)。以此類推，鑒于本實施例中的節(jié)點數(shù)量小于子載波的數(shù)量，節(jié)點NiQ e [1，20])輪詢初始化配置的結果(輪詢組ID，子載波ID)為(0x01，i)。
[0056]下面結合圖3和圖4說明本實施例中的OFDM頻域輪詢以及TDMA時隙分配和節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸。
[0057]在OFDM頻域輪詢階段，假設節(jié)點Ni (i e [I, 20])都屬于輪詢組0x01，節(jié)點N4、N8、N13、N14和N19有數(shù)據(jù)需要發(fā)送且都需要回復ACK。本實施例執(zhí)行以下過程:
[0058]AP廣播輪詢請求報文，且輪詢請求報文中的輪詢組ID為0x01 ;
[0059]節(jié)點收到輪詢請求報文后，比較自身輪詢組ID是否等于0x01。本實施例中的節(jié)點Ni (i e [1,20])都屬于輪詢組0x01 ;但由于節(jié)點NiQ e [1,20])中僅節(jié)點N4、N8、N13、N14和N19有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，因此，節(jié)點N4、N8, N13、N14和N19在收到輪詢請求報文后的SIFS時間后利用自身的子載波發(fā)送I符號(symbol)數(shù)據(jù)進行響應；
[0060]AP檢測到節(jié)點N4、N8、N13、N14和N19的子載波活躍，則AP已知節(jié)點N4、N8、N13、N14和N19有數(shù)據(jù)需要發(fā)送；
[0061]AP將時隙1、2、3、4和5分別分配給節(jié)點N4、N8、N13、N14和N19,并廣播時隙分配的結果;
[0062]節(jié)點N4、N8, N13、N14和N19解析AP廣播的時隙分配報文后，分別提取對應的時隙為
1、2、3、4 和 5 ；
[0063]節(jié)點N4、N8, N13、N14和N19分別在時隙1、2、3、4和5內向AP發(fā)送數(shù)據(jù)；
[0064]AP將節(jié)點N4、N8, N13> N14和N19的所有ACK聚合后進行廣播；
[0065]節(jié)點N4、N8、N13、N14和N19接收到聚合的ACK后，提取對應于自身的ACK，判斷AP是否正確接收自身的數(shù)據(jù)；
[0066]此次輪詢過程結束。
【權利要求】
1.一種基于OFDM技術的工業(yè)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(jié)點分配輪詢組ID和子載波ID ； OFDM頻域輪詢:AP發(fā)送輪詢請求報文，節(jié)點收到輪詢請求報文后，AP在頻域利用OFDM子載波進行響應； TDMA時隙分配和節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸:AP根據(jù)各個被輪詢節(jié)點的響應情況，為需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點分配TDMA時隙；節(jié)點收到TDMA時隙分配結果后，在對應的時隙內進行數(shù)據(jù)傳輸。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于OFDM技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法，其特征在于，所述輪詢初始配置的實現(xiàn)過程為:節(jié)點加入網絡后，AP判斷已有輪詢組中是否存在未被分配的子載波；如果存在，則隨機選擇一個未被分配的子載波，并記錄和標識對應的輪詢組ID和子載波ID ;否則，生成新的輪詢組，新輪詢組中的子載波均初始化為未被分配狀態(tài)，新加入網絡的節(jié)點在新輪詢組中選擇任意子載波，并記錄和標識對應的輪詢組ID和子載波ID。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于OFDM技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法，其特征在于，所述輪詢請求報文中搭載輪詢請求標志和輪詢組ID信息。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于OFDM技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法，其特征在于，所述節(jié)點接收到輪詢請求報文時，判斷輪詢請求報文中的輪詢組ID是否與節(jié)點所屬的輪詢組ID相同；如果不同，表明節(jié)點不在此次輪詢范圍內，節(jié)點不做任何響應；否則，節(jié)點等待一個SIFS時間后，利用分配的子載波發(fā)送一個或多個符號。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于OFDM技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法，其特征在于，所述在頻域利用OFDM子載波進行響應具體為:AP通過檢測各個子載波上的能量，判斷子載波是否處于活躍狀態(tài)，不需要還原出子載波上的原始信號，如果子載波處于活躍狀態(tài)，則此子載波對應的節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，AP記錄對應的節(jié)點；否則，表明此子載波對應的節(jié)點沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，AP不做任何處理。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于OFDM技術的工業(yè)無線網絡頻域輪詢方法，其特征在于，所述TDMA時隙分配和節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸具體包括以下實現(xiàn)過程: AP為記錄的有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的每個節(jié)點分配TDMA時隙，并廣播時隙分配結果； 有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的節(jié)點收到時隙分配結果后，提取出自身的時隙分配信息，并在對應的時隙內向AP發(fā)送數(shù)據(jù)； 所有有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的節(jié)點完成數(shù)據(jù)傳輸后，AP將需要回復的確認報文進行聚合后廣播給網絡中的節(jié)點； 有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的每個節(jié)點接收到聚合的確認報文后，提取對應于自身的確認報文，判斷AP是否正確接收自身的數(shù)據(jù)。
【文檔編號】H04L27/26GK103457893SQ201210171074
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年5月29日 優(yōu)先權日:2012年5月29日
【發(fā)明者】梁煒, 于海斌, 林俊如, 張曉玲, 曾鵬, 楊中興, 李世明 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所