由于超寬帶（UWB， Ultra Wide Band）技術的顯著優(yōu)勢，如高速據率、低能耗、較強的抗多路徑衰退和穿透力等特點，將是未來工業(yè)控制系統(tǒng)應用中最具有發(fā)展前景的無線技術之一。UWB的特點在一定程度上有效的緩解了現(xiàn)階段無線技術在工業(yè)惡劣環(huán)境應用中存在的通信質量嚴重下降而導致的實時性和可ii性等問題。但山于在工業(yè)控制系統(tǒng)的應用中，通信傳輸?shù)?a target="_blank">信息包絕大部分是短包，而UWB技術較其他無線技術信道獲取時問較長，這使得UWB應用到工業(yè)控制網絡中時平均時延等性能會受到很大影響。本文系統(tǒng)研究了CSMA/CA協(xié)議應用于基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)中存在的問題。在此基礎上，設計了基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)專用的PA-MAC協(xié)議。

在該協(xié)議中引入了對系統(tǒng)應用層下來的短包進行介并的思想，充分考慮了UWB和工業(yè)控制系統(tǒng)的特點實現(xiàn)了緩存管理方法、包介并策略及介并包確認機制。通過建模仿真，分析并比較了最為典型的CSMA/CA協(xié)議和PA-MAC協(xié)議應用于基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)中的相關指標。分析與仿真顯示該機制能夠有效地提高基于UWB的工業(yè)控制網絡的平均時延和時隙利用率等性能指標。

i csMaicai辦議應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中存在的問題分析

UwB無線電技術利用精確且極短（皮秒級）脈沖傳播，使用極大的帶寬（達幾G赫茲）。這種技術的可以帶來很多優(yōu)勢，如功率低、抗多路徑效應好、高比特率和精確的定位能力等。然而，這種技術的缺點之一是它的高信道獲取時問，和和長達幾毫秒至幾l一毫秒，所謂信道獲取時問是指發(fā)射器與接收器之問獲得位同步的時問即每收發(fā)一次包就要消耗這些時問。這對于應用于多媒體傳輸時。山于該應用信息包較長，每次消耗的位同步時問可以忽略，而工業(yè)控制系統(tǒng)中大多使用的是短數(shù)據包傳輸，如下表1所示。因此，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，獲取時問較長會使得時隙利用率嚴重下降，進而導致吞吐量下降和“}凡均時延的增加。

2 PA-MAC協(xié)議原理及行為建模

從MAC層協(xié)議設計角度出發(fā)以提高時隙利用率，目前較好的思想是Lu等人提出的介并上層包的方法［c］。本文提出的PA-MAC（PacketAggregating MAC）采用了該基本思想，并充分考慮了工業(yè)控制系統(tǒng)的具體特點實現(xiàn)了包管理方法、介并策略及介并包確認機制。同時為了能快速實現(xiàn)并能與原UWB MAC協(xié)議有效兼容，PA-MAC協(xié)議設計為雙層結構，底層使用CSMA/CA機制小變，上層加入包優(yōu)化子層POL （Packet Optimization Layer）。在POL中實現(xiàn)高層數(shù)據包的管理方法、介并策略和確認機制，如圖2所示。

山于加入了POL子層，處理上層發(fā)送的數(shù)據包會有延遲，如果沒有設計出較好適介系統(tǒng)的包管理方法、介并策略和確認機制，這種包介并方法小僅小會提高這個網絡的性能，反而還會加重其各項指標的下降。這也是包介并方法實現(xiàn)的關鍵和難點。下而將逐一描述PA-MAC協(xié)議中POL是如何根據工業(yè)控制系統(tǒng)特點設計包管理方法、介并策略和確認機制。

（2） POL的包介并策略

首先我們定義一個新的類型幀介并幀UF（uniteframe），作為將多個短的數(shù)據包介并成一幀發(fā)送。根據工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據傳輸?shù)奶攸c，具體程序流程圖如圖4所示。

（3） POL的包確認機制

山于POL對高層的下來的數(shù)據包進行介并，對于信息幀的確認機制就需要進行一定的改進。對介并幀OF的確認相L制，POL采用兩種機制：一是對整個UFi頃進行確認;二是對UFi頃中的每一個數(shù)據包分別進行確認。在POL中這兩種機制混介使用，當接收到OF時，首先整幀校驗，

開始進行屬性變量的初始化，初始化狀態(tài)隨即轉移到等待狀態(tài)，等待數(shù)據包的到來。當數(shù)據包到來時轉移至介并幀狀態(tài)，將數(shù)據包插入相應二維隊列緩存中并采用PA-MAC的包介并機制進行介并。如果幀準備好但信道忙轉移至幀間等待狀態(tài);如果幀準備好并且信道空閑將轉移至發(fā)送狀態(tài)將幀發(fā)送出去。發(fā)送結束狀態(tài)轉移至幀發(fā)送完狀態(tài)，如果要等待響應，則轉移到等待響應狀態(tài)，如果等待超時或接收到響應幀，則轉移回幀發(fā)送完狀態(tài)。此時如果沒有幀要發(fā)送，狀態(tài)轉移至等待狀態(tài);如果還有幀要傳則狀態(tài)轉移至幀間等待狀態(tài)。當幀間等待完畢時，幀間等待狀態(tài)轉移至需要退避狀態(tài)。需要退避狀態(tài)判斷是否執(zhí)行退避機制，如果小需要進行退避，狀態(tài)轉移至發(fā)送狀態(tài);如果需要進行退避，狀態(tài)轉移至退避狀態(tài)進行退避。如果接收到幀或退避中斷，狀態(tài)轉移至幀間等待狀態(tài);如果退避結束并且有新幀發(fā)送，則狀態(tài)轉移至發(fā)送狀態(tài);如果退避結束無新幀發(fā)送，則狀態(tài)轉移至等待狀態(tài)。

3 仿真與分析

通過上一節(jié)行為建模建立的PA-MAC有限狀態(tài)機建立了無線節(jié)點模型，并仿真了擁有Io個節(jié)點，范圍為20m*20m的網絡模型。其主要仿真參數(shù)如下表2所示：

通過仿真數(shù)據統(tǒng)計可以看出，PA-MAC}辦議比普通的CSMA/CA協(xié)議史適介基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)應用，該協(xié)議中的介并機制能夠較好的緩解UWB信道獲取時問長而上層應用大多是較短的數(shù)據包所帶來的一系列問題。從圖7可以看出在數(shù)據包隨機產生率較低時，即網絡負載較輕時，PA-MAC協(xié)議的沒有優(yōu)勢，包介并機制反而加重了包的時延。但當網絡負載有所增加時PA-MAC協(xié)議的，i;_均時延明顯較csMA/cA小，同時時隙利用率也較csMA/cA

協(xié)大幅上升。

4 結論

盡管UwB技術具有高速率、低能耗、抗多路徑衰退和穿透障礙物的能力強等適介工業(yè)應用的特點，但使用UwB技術通信時其信道獲取時問較其他無線通信技術長。而通過本文列舉的典型的工業(yè)控制網絡的數(shù)據指標來看，大多數(shù)包是短包。根據這些數(shù)據本文對典型的csMA/cA的時隙利用率做了系統(tǒng)的計算與分析，結果顯示將UwB技術引入到工業(yè)控制系統(tǒng)的底層后，時隙利用率很低?？梢娖湫诺阔@取時問長這一特點將成為基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)的嚴重缺陷，而時隙利用率很低又會使平均時延等性能嚴重下降。

本文為緩解上述問題，提出的PA-MAC協(xié)議充分考慮了工業(yè)控制系統(tǒng)的具體特點實現(xiàn)了包管理方法、介并策略及介并包確認機制。同時PA-MAC協(xié)議設計為雙層結構，該結構的優(yōu)勢是小僅能使該協(xié)議快速實現(xiàn)而且能與CSMA/CA協(xié)議有效兼容。最后，對其協(xié)議進行了建模與仿真分析，并與CSMA/CA協(xié)議進行了比較，結果顯示PA-MAC史能夠較好的應用于基于UWB的工業(yè)控制系統(tǒng)中。

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