一种基于多接入点的TDMA接入装置及其接入方法

摘要

本发明涉及一种基于多接入点的TDMA接入装置及其接入方法。本发明根据现有方法不能同时满足实际工业应用中的实时性和可靠性需求，且存在资源利用率低等问题，充分考虑无线网络的传输特点以及工业自动化应用特点，提出一种基于多接入点的TDMA接入装置及其接入方法。本发明方法的主要思想在于：采用多接入点冗余通信方式以提高系统可靠性；利用多个接入点的信标帧进行时间同步以提高同步精度；针对可靠的接入点回复确认消息以降低重传次数；采用模块化的多接入点装置设计方法以降低装置维护和管理难度。

权利要求

1.一种基于多接入点的TDMA接入装置的接入方法，其特征在于，包括

令多AP接入装置作为整个网络的时间源，STA利用多AP接入装置广播的信标帧进行时间同步；

将包含n个AP的多AP接入装置分成k组，k为自然数，且1≤k≤n；

根据任意组Bi＝{APi1,APi2,…APij}内AP的数量j，将长度为m的超帧划分成k个子超帧，其中，第i个子超帧对应组Bi；

任意组Bi在其对应的第i个子超帧内，从第i个子超帧开始预留时隙，预留时隙的数量等于组Bi内AP的数量j；

对于任意组Bi(1≤i≤k)内的APij，如果ASN％m＝(m/k)*(i-1)+j为真，则APij在时隙ASN内广播信标帧，否则不作任何响应，其中ASN为当前的绝对时隙号并从1开始计数。

2.根据权利要求1所述的一种基于多接入点的TDMA接入装置的接入方法，其特征在于，所述信标帧是由AP发出的广播帧，包括网络编号、时隙戳和网络资源管理。

3.根据权利要求1所述的一种基于多接入点的TDMA接入装置的接入方法，其特征在于，所述将包含n个AP的多AP接入装置分成k组的分组原则为：(1)组内各个AP传输范围的重叠部分最小；

(2)组内所有AP的传输范围的并集能够覆盖整个网络。

4.根据权利要求1所述的一种基于多接入点的TDMA接入装置的接入方法，其特征在于，所述任意组Bi＝{APi1,APi2,…APij}内AP的数量j的计算方法为：如果n％k＝＝0，则j＝n/k；

否则，1≤i≤k-1时， i＝k时，

5.根据权利要求1所述的一种基于多接入点的TDMA接入装置的接入方法，其特征在于，当多AP接入装置收到STA的数据包后，网络管理模块给STA回复ACK的方法为：如果只有一个AP收到STA的数据包，则该AP直接回复ACK；如果多个AP收到STA的数据包，则各个AP根据包接收成功率以及接受信号强度RSSI回复ACK。

6.根据权利要求5所述的一种基于多接入点的TDMA接入装置的接入方法，其特征在于，所述各个AP根据包接收成功率以及接受信号强度RSSI回复ACK的原则为：当多个AP收到STA的数据包时，搜索通信链路质量映射表，找到对应STA中包接收成功率最大的AP，由该AP在对应的时隙发送ACK；对于包接收成功率相同的多个AP，则在这些AP中进一步搜索RSSI值最大的AP，由该AP在对应的时隙发送ACK；对于包接收成功率相同且RSSI值相等的多个AP，随机选择一个AP回复ACK。

7.根据权利要求6所述的一种基于多接入点的TDMA接入装置的接入方法，其特征在于，所述通信链路质量映射表是网关中维护的一个关于网络中每个STA与所有AP通信链路质量的映射表，包括包接收成功率以及RSSI指标值，随着通信过程不断更新。

说明书

一种基于多接入点的TDMA接入装置及其接入方法

技术领域

[0001] 本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种基于多接入点的TDMA接入装置及其接入方法。

背景技术

[0002] 工业无线网络技术是继现场总线之后，工业测控领域的又一个热点技术，是降低工业测控系统成本、提高应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。工业无线网络技术适用于恶劣的工业现场环境，具有抗干扰能力强、能耗低、实时通信等技术特征，是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，并最终转化为新的无线技术标准。目前，工业无线网络技术逐渐应用于高速的工厂自动化领域，成为继面向过程自动化的工业无线网络技术之后，国际上无线网络技术竞争的又一焦点。面向工厂自动化的工业无线网络，即工厂自动化无线网络，不仅具有工业无线网络低成本、易安装、易维护的优势，而且能够避免工厂设备因移动导致的线缆易老化、线缆污染、滑环电力接触易失败等问题。然而，工厂自动化无线网络面临着更加苛刻的需求：(1)大网络规模，要求支持百点至千点的节点数量；(2)高通信速率，传输速率要求Mbit/s的量级；(3)高可靠性，端到端的传输成功率要求10e-9；(4)高实时性，端到端的通信延迟要求低于10ms。

[0003] 基于工厂自动化无线网络的上述需求，时分多路访问(TDMA，Time Division Multiple Access)机制是工业无线网络较为理想的机制访问控制(MAC，Medium Access Control)层的接入机制。究其原因在于：首先，工业无线网络对性能具有确定性要求；其次，受工业应用环境的限制，现有大多数网络的拓扑结构相对固定且常为层次性结构；此外，工业现场中的数据大多具有周期性特征。

[0004] 然而，采用TDMA机制的工厂自动化无线网络中仍存在下述问题：(1)由于无线介质的开放性以及工业电磁干扰环境的特殊性，数据包传输有较大的不可控、不确定性，甚至多次重传后也难以达到端到端的可靠性要求，特别是工厂自动化应用；(2)预先分配固定数目的重传时隙实现高可靠性是工业无线网络最为常用的方法，然而实际中多数重传时隙都得不到利用，导致资源利用率低，从而使得工业无线网络难以容纳大规模的节点。

[0005] 目前的工厂自动化无线网络多采用单接入点(AP，Access Point)的星型网络拓扑，使得单个AP成为整个网络的瓶颈。一旦单个AP出现故障，则网络崩溃；此外，工厂环境中有许多诸如机器人、轨道挂载设备、无人搬运车(AGV，Automated Guided Vehicle)等移动设备，从而要求对其监控的工业无线网络节点具有移动能力。在这种应用场合下，网络节点可能移动到与单个AP无法通信的区域，导致报文传输失败，影响工业无线网络的可靠性。解决上述问题的一种直观而有效的方法是网络中布设多个AP，其他站点可以与多个AP进行通信。

发明内容

[0006] 针对现有静态网络中AP故障导致网络崩溃的问题，以及现有针对工业无线网络的TDMA方法无法同时满足实际工业应用的实时性和可靠性需求的现状，本发明引入多个接入点，提出一种基于多接入点的TDMA接入装置及其接入方法。

[0007] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于多接入点的TDMA接入装置，包括站点STA、接入点AP、网关和控制器，其中STA在工业现场连接现场设备，负责采集现场数据以及控制生产过程，STA与多AP接入装置中的多个接入点AP无线连接；所述多个接入点AP与多AP接入装置中的一个网关有线连接；所述多AP接入装置用于将STA采集的现场设备的传感器数据转发到控制器，将控制器的控制信息转发给现场设备上的执行器。

[0008] 所述多个AP共用一个地址，并行工作。

[0009] 所述多AP接入装置包括：TDMA模块、用户数据报协议通信模块、滤包模块、缓存区管理模块以及网络管理模块；其中，用户数据报协议通信模块采用UDP通信协议，用于转发来自于多个AP的数据包；滤包模块连接用户数据报协议通信模块，用于过滤多余的重复包；缓存区管理模块连接用户数据报协议通信模块和滤包模块，用于管理存取缓存区；网络管理模块连接缓存区管理模块，用于将数据包发送给网关；TDMA模块连接用户数据报协议通信模块和网络管理模块，用于组织TDMA超帧通信，包括ACK回复子模块。

[0010] 一种基于多接入点的TDMA接入装置的接入方法，包括

[0011] 令多AP接入装置作为整个网络的时间源，STA利用多AP接入装置广播的信标帧进行时间同步；

[0012] 将包含n个AP的多AP接入装置分成k组，k为自然数，且1≤k≤n；

[0013] 根据任意组Bi＝{APi1,APi2,…APij}内AP的数量j，将长度为m的超帧划分成k个子超帧，其中，第i个子超帧对应组Bi；

[0014] 任意组Bi在其对应的第i个子超帧内，从第i个子超帧开始预留时隙，预留时隙的数量等于组Bi内AP的数量j；

[0015] 对于任意组Bi(1≤i≤k)内的APij，如果ASN％m＝(m/k)*(i-1)+j为真，则APij在时隙ASN内广播信标帧，否则不作任何响应，其中ASN为当前的绝对时隙号并从1开始计数。

[0016] 所述信标帧是由AP发出的广播帧，包括网络编号、时隙戳和网络资源管理。

[0017] 所述将包含n个AP的多AP接入装置分成k组的分组原则为：

[0018] (1)组内各个AP传输范围的重叠部分最小；

[0019] (2)组内所有AP的传输范围的并集能够覆盖整个网络。

[0020] 所述任意组Bi＝{APi1,APi2,…APij}内AP的数量j的计算方法为：如果n％k＝＝0，则j＝n/k；否则，1≤i≤k-1时， i＝k时，

[0021] 当多AP接入装置收到STA的数据包后，网络管理模块给STA回复ACK的方法为：如果只有一个AP收到STA的数据包，则该AP直接回复ACK；如果多个AP收到STA的数据包，则各个AP根据包接收成功率以及接受信号强度RSSI回复ACK。

[0022] 所述各个AP根据包接收成功率以及接受信号强度RSSI回复ACK的原则为：当多个AP收到STA的数据包时，搜索通信链路质量映射表，找到对应STA中包接收成功率最大的AP，由该AP在对应的时隙发送ACK；对于包接收成功率相同的多个AP，则在这些AP中进一步搜索RSSI值最大的AP，由该AP在对应的时隙发送ACK；对于包接收成功率相同且RSSI值相等的多个AP，随机选择一个AP回复ACK。

[0023] 所述通信链路质量映射表是网关中维护的一个关于网络中每个STA与所有AP通信链路质量的映射表，包括包接收成功率以及RSSI指标值，随着通信过程不断更新

[0024] 本发明具有以下优点：

[0025] 本发明提出的一种基于多接入点的TDMA接入装置及其接入方法，是在充分考虑无线网络的传输特点以及工业自动化应用特点的前提下提出的，采用多接入点，可以极大地减少丢包率，提高系统可靠性，减少重传次数，提高资源利用率，增加网络容量，提高系统有效吞吐量，具体表现在：

[0026] 1.本发明方法采用多接入点冗余通信方式，对于某个站点(STA，STAtion)发送数据，即使由于工业环境电磁干扰或遮挡导致部分AP没有接收到数据，但只要保证至少一个AP接收到数据即可，因此提高了系统的可靠性；

[0027] 2.本发明方法中，STA在一个超帧周期内，可以接收来自多个AP的信标帧进行时间同步，提高了时间同步精度，进而可缩短时隙，提高了资源利用率；

[0028] 3.本发明方法设计根据通信链路质量选择STA对应的可靠AP回复确认消息(ACK，ACKnowledgement)方法，在保证了ACK回复的高可靠性的前提下，避免了多AP情况下接入设备回复ACK的冲突，减少重传次数，提高资源利用率；

[0029] 4.本发明提出的多AP接入装置，基于模块化设计方法，针对多AP收到具有相同序列号的重复包与工业不同类型数据等情况特点，特别设计了滤包模块和缓存区管理模块，降低了整个装置维护和管理的难度，具有灵活、低能耗和易于实现等优点。

附图说明

[0030] 图1为一个典型的工业无线网络的星型拓扑结构示意图；

[0031] 图2为TDMA超帧示意图；

[0032] 图3为多AP接入装置的结构示意图；

[0033] 图4为UDP通信模块的数据接收流程图；

[0034] 图5为滤包模块的工作流程图。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

[0036] 本发明提出的一种基于多接入点的TDMA接入装置及其接入方法，建立在由多个STA设备和多AP接入装置搭建成的星型结构的工厂自动化无线网络的基础上，如图1所示。其中，STA在工业现场连接传感器、制动器、执行器等的设备，负责采集现场数据以及控制生产过程；多AP接入装置由多个AP和一个网关组成，负责现场设备与控制器间的数据交互，具体说，是将现场设备上的传感器数据转发到控制器或者将控制器的控制信息转发给现场设备上的执行器。多AP接入装置和网关之间采用有线连接，多AP接入装置中的多个AP共用一个地址，并行工作。

[0037] 网络组建后，多AP接入装置与STA之间的通信采用基于信标的TDMA超帧进行组织。TDMA超帧是周期性重复的时隙集合，如图2(a)所示为单AP超帧的示意图。假设超帧的长度为m，AP利用超帧的第一时隙广播信标帧，经过m个时隙后，AP再次广播信标帧表示下一个超帧的开始。信标帧是由AP发出的广播帧，包含网络编号、时间戳、网络资源管理等组织通信的信息。

[0038] 在TDMA通信的整个过程中，网络要求进行严格的时间同步。网络中的多AP接入装置作为整个网络的时间源，网络中的STA利用多AP接入装置广播的信标帧进行时间同步。

[0039] 对于包含n个AP的多AP接入装置，信标帧的发送过程采用分组管理模式。将n个AP分成k组，k为自然数，且1≤k≤n。其中，对于任意组Bi(1≤i≤k)，AP的分组原则包括：

[0040] (1)组内各个AP传输范围的重叠部分最小；

[0041] (2)组内所有AP的传输范围的并集能够覆盖整个网络。

[0042] 将任意组Bi(1≤i≤k)内的AP标记为Bi＝{APi1,APi2,…APij}，其中，j的数值计算如下：

[0043] (3)如果n％k＝＝0，则j＝n/k；

[0044] (4)否则，1≤i≤k-1时，j＝，i＝k时，j＝+(n％k)。

[0045] 分组后的AP对应的TDMA通信过程具体包括以下步骤：

[0046] (1)根据任意组Bi(1≤i≤k)内AP的数量，将长度为m的超帧(满足m>>n)划分成k个子超帧。其中，第i个子超帧对应组Bi(1≤i≤k)；

[0047] (2)任意组Bi(1≤i≤k)在其对应的第i个子超帧内，从第i个子超帧开始预留时隙，预留时隙的数量等于组Bi(1≤i≤k)内AP的数量；

[0048] (3)假设当前的绝对时隙号为ASN(从1开始计数)，对于任意组Bi(1≤i≤k)内的APij，如果ASN％m＝(m/k)*(i-1)+j为真，则APij在时隙ASN内广播信标帧，否则不作任何响应。

[0049] 下面结合图2(b)具体说明多AP接入装置分组广播信标帧的过程。假设多AP接入装置包含6个AP(n＝6)，分别表示为AP11、AP12、AP13、AP21、AP22、AP23，分为两组(k＝2)，分组结果为B1＝{AP11，AP12，AP13}，B2＝{AP21，AP22，AP23}，则B1组和B2组内均包含3个AP。假设超帧长度为16(m＝16)，并将该超帧划分为两个子超帧，分别对应B1组和B2组；预留两个子超帧的前三个时隙，分别用于B1组和B2组内AP广播信标帧。对于ASN＝2，则i＝1，j＝2时，满足公式ASN％m＝(m/k)*(i-1)+j为真，即此时AP12发送信标帧。其他信标帧的广播情况类似，最后的结果如图2(b)所示。

[0050] 对AP信标帧的广播采取分组管理的方法，即采用多AP技术，对于每个STA，只要保证在超帧周期内接收任意一个AP的信标帧，即可完成时间同步，且STA可能在超帧周期内进行多次时间同步，提高了时间同步精度；此外，该方法简单灵活，降低了维护和管理的难度。

[0051] 所述多AP接入装置中的多个AP共用一个地址，并行工作，其具体机制在于当STA发送数据包的时候，多个AP同时接收。对于多个AP收到来自STA的同一个数据包的情况，网关通过序列号等方法过滤掉重复包。

[0052] 多AP接入装置给STA回复ACK的方法如下：

[0053] (1)如果只有一个AP收到STA的数据包，则该AP直接回复ACK；

[0054] (2)如果多个AP收到STA的数据包，则各个AP根据包接收成功率以及接受信号强度(RSSI，Received Signal Strength Indication)回复ACK，具体原则包括：

[0055] 当多个AP收到STA的数据包时，搜索通信链路质量映射表，找到对应STA中包接收成功率最大的AP,由该AP在对应的时隙发送ACK；

[0056] 对于包接收成功率相同的多个AP，则在这些AP中进一步搜索RSSI值最大的AP，由该AP在对应的时隙发送ACK；

[0057] 对于包接收成功率相同且RSSI值相等的多个AP，随机选择一个AP回复ACK。

[0058] 所述通信链路质量映射表，是指为支持基于通信链路质量的ACK回复机制，网关中维护的一个关于网络中每个STA与所有AP通信链路质量的映射表。其中，通信链路质量主要包括包接收成功率以及RSSI指标值，通信链路质量映射表随着通信过程不断更新。

[0059] 为实现上述方法，本发明提出了一种多AP接入装置，如图3所示，该多AP接入装置包括五个模块：TDMA模块、用户数据报协议(UDP，User Datagram Protocol)通信模块、滤包模块、缓存区管理模块以及网络管理模块。其中，TDMA模块负责组织TDMA超帧通信；UDP通信模块采用UDP通信协议，用于转发来自于多个AP的数据包；滤包模块用于过滤多余的重复包；缓存区管理模块用于管理存取缓存区；网络管理模块是整个装置的核心，负责管理、维护整个网络，其中包括ACK回复子模块。

[0060] 多AP接入装置的各个模块的功能和流程具体如下：

[0061] (1)TDMA模块：TDMA模块包含整个系统的时间源，用于在时间域上划分时隙，当触发“时隙开始”事件时，TDMA模块查询网络管理模块提供的链路表，判断在此时隙是否有通信业务。如果没有通信业务，则不动作，进入休眠状态。如果有通信业务，则进一步判断是发送时隙还是接收时隙：如果为接收时隙，则将多个AP设置为接收状态；如果为发送时隙，TDMA模块调用UDP通信模块。

[0062] (2)UDP通信模块：UDP模块首先通过缓存区管理模块提供的接口取出发送缓存区中的数据包，然后通过UDP通信协议转发给对应的AP进行发送，选择原则同回复ACK的原则。在接收时隙中，多AP接入装置中的多个AP可能同时接收到来自于同一个STA的数据包，并通过UDP通信协议将其转发给UDP通信模块。此时，UDP通信模块中可能包含多个重复包，UDP通信模块调用滤包模块来过滤多余的重复包，并通过缓存区管理模块提供的接口将过滤后的数据包放入接收缓存区，网络管理模块通过缓存区管理模块提供的接口获取数据包，并做相应的处理。

[0063] UDP通信模块具有不需要保持连接、适合较短的控制信息传输等特点，能够满足工业无线通信的高实时性、带宽要求。UDP通信模块的数据接收流程如图4所示，初始化部分包括UDP模块初始化、缓存区模块初始化以及滤包模块初始化。UDP通信模块查询AP的UDP数据并返回数据长度，如果数据长度大于0，则说明AP已经将数据通过UDP通信协议转发给了UDP通信模块，并调用滤包模块中函数对数据进行处理；否则切换到下一个AP进行处理。如此往复，循环轮询每个AP的UDP数据。

[0064] (3)滤包模块：滤包模块内部维护一个滑动窗口，用于记录最近接收的多个UDP数据包的序列号，并且随着接收缓存区中数据包的增加而不断更新。滤包模块的输入为数据包首地址、数据包长度、数据包的序列号。滤包模块的程序流程图如图5所示，首先判断滑动窗口中是否有此数据包的序列号，如果存在，则是重复包，丢弃此数据包；如果不存在，则进一步判断接收缓存区是否已满，若已满，则丢弃此数据包，否则将此数据包加入接收缓存区，然后更新滑动窗口。

[0065] (4)缓存区管理模块：缓存区管理模块采用由数组实现的环形队列，构建和维护发送缓存区和接收缓冲区，不需要频繁调用内存分配函数，具有运行速度快、变化灵活、存取效率高等特点；同时针对实际工业通信中不同类型帧(一般可分为数据帧、命令帧、Beacon帧、ACK帧)的长度不同这一情况，在各个帧的缓存区，首先记录了其长度信息，使其存取程序能够自动正确处理不同类型的帧，保证了不同长度帧存取的一致性。

[0066] (5)网络管理模块：网络管理模块根据接收到的数据包的内容，对网络进行管理和维护，并回复ACK。