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面向控制网络的介质访问控制相关问题研究

尹汝泼  
【摘要】: 信息技术的快速发展导致了自动化领域的深刻变革,逐渐形成了自动化领域的开放式系统互连通信网络。各种通信网络越来越多的进入系统的控制闭环,为控制系统的分析和设计带来了新的发展机遇和前所未有的挑战。由于引入特殊的非线性,控制系统在实现网络化的同时一个重要的课题随之出现,即必须尽量降低通信网络对控制系统的不良影响。这就要求一方面在网络化的背景下针对控制理论研究新的分析和设计方法,与此同时,从通信网络的角度而言,采用与之适应的通信协议也是非常重要的一项措施,有助于从根本上解决新的网络问题,降低理论研究复杂程度。 以太网是目前最有希望弥补现场总线技术不足的有线控制网络技术,其发展前景为各界一致看好。然而,以太网的实时性一直是限制其进入控制系统应用的一个重要障碍,以太网还不能很好地满足工业控制环境下数据传输的确定性、时序性和优先级等特殊要求,即使是采用交换结构或者改进上层实时通信协议,也面临着诸如不确定性转移、传递时延增加、实现复杂等诸多新问题。无线控制网络无需布线、支持移动、成本低廉,可以作为有线网络的有效补充手段在特定应用中发挥重要作用,比如无线传感器网络。由于通常不能进行能量补充,功率控制成为无线控制网络中的一个突出问题,直接影响无线信号的传输质量、电池或节点寿命、网络拓扑。无线功率控制与以太网的实时性是目前控制网络研究中比较突出的两个问题,而且都与网络的介质访问控制协议密切相关。本文结合其研究的最新进展,针对控制网络中介质访问控制的相关问题进行进一步探讨,并取得了如下几方面研究成果和创新。 针对上层协议提供实时性时会导致消息传递的协议栈层次过多、处理时延增加等问题,本文分析了在数据链路层定义优先级机制的可行性,提出一种基于可变载波长度的物理信令传播机制:利用标准协议中的可变帧长和CSMA网络固有的载波侦听功能实现信道多状态信息反馈。链路层可共享全局冲突、成功和优先级等多种控制信息,也可将优先级的动态管理交付上层协议,面向应用,对消息传递的中间层次做透明处理,具有一定通用性。该方法充分考虑了CSMA网络自身的功能和特点,便于实现。 针对以太网传输时延的不确定问题,提出了一与现有的以太网兼容的实时介质访问控制协议。新协议基于可变载波长度信令原理获取多种信道状态信息,在信道发生冲突时采用持续发送竞争帧和阻塞信道的方法决定的信道访问权的归属,以此实现优先级传输,同时保证高优先级信息在满足一定伪周期条件下具有确定性的传输时延。信道不发生竞争时,节点仍然按照基于best-effort原理的CSMA/CD规则访问信道,保证消息以最快速度获得传输。与现有方法相比,新协议充分保留标准以太网的优点和特征,并与以太网标准兼容,实时以太网总线不需经过协议转换装置即可与现有网关实现互连。 时序排队系统在控制网络中大量存在,鉴于传统虚时钟协议采用随机延迟的退避重传策略导致时序传输的非严格性问题,提出一个即时的虚时轴消息冲突解析算法BOVTA。与Tree和Window等算法不同,BOVTA算法利用与虚时钟信道访问规则完全一致的方式进行解析过程的同步,避免了引入额外的站点相关信息,使冲突解析过程变得简单易行,而带来的信道负荷却保持很小。在此基础之上,提出基于BOVTA算法的多优先级虚时钟以太网协议,保证了传输时序的严格性。 针对无线控制网络的功率控制问题,基于带干扰范围的无线传输模型,指出导致PCM协议牺牲能效的过度保护问题,并提出一种自适应功率控制解决方案IP-PCM,在不违背数据传输功率最小化的情况下,利用干扰平衡原理自适应地控制忙音的传输功率,使载波侦听范围以独立于干扰范围的方式实现最佳控制。与传统PCM协议相比,IP-PCM改进了信道的空间重复利用效率,实现能量效率的进一步提高。 以OPNET通信网络建模和仿真环境为例,详细描述了以上介质访问控制协议基于离散事件原理的有限状态机(FSM)建模原理,为协议的理论分析和设计提供参考。


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