以無(wú)線(xiàn)HART協(xié)議為基礎的數據鏈路層協(xié)議模型設計

無(wú)線(xiàn)HART是一種專(zhuān)門(mén)為過(guò)程控制領(lǐng)域而設計的網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議，是HART現場(chǎng)總線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域的延伸，其通信模型主要由應用層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層、物理層組成。其中數據鏈路層在物理層提供服務(wù)的基礎上向網(wǎng)絡(luò )層提供服務(wù)，其最基本的服務(wù)就是將來(lái)自節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )層的數據可靠的傳輸到相鄰節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )層。

數據鏈路層協(xié)議主要用于建立可靠的點(diǎn)到點(diǎn)的單跳通信。在層型的拓撲結構上實(shí)現無(wú)線(xiàn)HART數據鏈路層通信協(xié)議，這里所設計的算法已成功應用于無(wú)線(xiàn)HART單跳網(wǎng)絡(luò )。

　　1 無(wú)線(xiàn)HART拓撲結構

　　無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )拓撲主要包括星型和網(wǎng)狀兩種結構，星型單跳網(wǎng)絡(luò )支持高可靠性的網(wǎng)絡(luò )通信，而網(wǎng)狀多跳網(wǎng)絡(luò )支持遠距離通信，無(wú)線(xiàn)HART協(xié)議支持網(wǎng)狀拓撲結構和星型拓撲兩種結構，用戶(hù)可根據實(shí)際需要選擇星型或網(wǎng)狀拓撲結構，或者介于二者之間的拓撲結構。本文根據工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)際要求，采用星型和網(wǎng)狀結合的兩層網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，第一層是網(wǎng)狀結構，由網(wǎng)關(guān)和路由設備構成;第二層是星型結構，由路由設備以及現場(chǎng)設備構成。其中，網(wǎng)關(guān)負責無(wú)線(xiàn)HART網(wǎng)絡(luò )與工廠(chǎng)內的其他網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議轉換與數據映射。簇首作為網(wǎng)絡(luò )管理者的代理，負責構建由現場(chǎng)設備和路由設備構成的星型結構，監測星型結構性能;作為安全管理者代理，負責合并及轉發(fā)簇成員的數據;負責轉發(fā)其他簇首的數據。簇成員負責獲取現場(chǎng)數據并發(fā)送到簇首。

　　2 無(wú)線(xiàn)HART數據鏈路層協(xié)議

　　無(wú)線(xiàn)HART數據鏈路層包括邏輯鏈路層協(xié)議(LLC)和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層協(xié)議(MAC)，數據鏈路層主要定義數據幀格式，介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層主要負責管理和協(xié)調通信資源的分配和使用。

　　2.1 邏輯鏈路層

　　2.1.1 幀格式

　　其中，地址指示為無(wú)線(xiàn)HART網(wǎng)絡(luò )支持兩種地址格式，一種用于局域網(wǎng)的短地址，一種用于廣域網(wǎng)的長(cháng)地址。其中短地址由16位二進(jìn)制組成，用戶(hù)可自行定義：長(cháng)地址由64位二進(jìn)制數組成，64位中高24位表示設備ID，低24位表示0UI地址(由IEEE STD 802.15.4協(xié)議分配，其中無(wú)線(xiàn)HART的OUI地址為0x00181E)，中間16位表示設備類(lèi)型(設備生產(chǎn)廠(chǎng)家確定);時(shí)序號為絕對時(shí)序號的最低8位;網(wǎng)絡(luò )ID為無(wú)線(xiàn)HART根據網(wǎng)絡(luò )應用類(lèi)型確定的網(wǎng)絡(luò )ID號：數據包指示為數據包指示由8位二進(jìn)制數組成，低3位表示數據包的類(lèi)型，第4位表示網(wǎng)絡(luò )密鑰，第5、6位表示數據包的優(yōu)先級。

　　無(wú)線(xiàn)HART數據包分為ACK、Advertise、Keep alive、Disconnect、Data5種類(lèi)型，分為命令、過(guò)程數據、一般、報警4種優(yōu)先級。發(fā)送數據來(lái)自網(wǎng)絡(luò )層并需要發(fā)送的數據。MIC為網(wǎng)絡(luò )授權檢測。CRC為數據完整性檢測。

　　2.2 MAC協(xié)議分析

　　無(wú)線(xiàn)HART鏈路調度主要通過(guò)以鄰居表位核心的五張表實(shí)現，其中超幀表記錄超幀的分配和使用狀態(tài);鏈路表記錄鏈路(通信資源)的分配和使用狀態(tài);鄰居表記錄著(zhù)節點(diǎn)本身的鄰居節點(diǎn)(處于節點(diǎn)單挑通信范圍之類(lèi)的節點(diǎn)稱(chēng)為該節點(diǎn)的鄰居節點(diǎn));路由表記錄著(zhù)多跳網(wǎng)絡(luò )中的路由信息;緩沖表存儲著(zhù)待發(fā)送的數據同時(shí)記錄優(yōu)先級以及等待時(shí)間等狀態(tài)。

　　無(wú)線(xiàn)HART網(wǎng)絡(luò )中每一個(gè)節點(diǎn)都支持多個(gè)超幀，網(wǎng)絡(luò )管理者完成超幀的構建和維護，并根據網(wǎng)絡(luò )需求進(jìn)行時(shí)隙鏈路的分配。每一個(gè)超幀包含一定數量的時(shí)隙。超幀一旦建立，網(wǎng)絡(luò )管理者為該超幀增加、刪除、優(yōu)化鏈路時(shí)隙。一旦分配時(shí)隙，超幀應該使能從而允許鏈路的調度。鏈接表中一個(gè)鏈接表示一個(gè)通信機會(huì )，通過(guò)鏈接表實(shí)現目標鄰居節點(diǎn)的識別，時(shí)隙、超幀序列號、發(fā)送接收方向、鏈路類(lèi)別、信道。鄰居表維護并記錄著(zhù)一組能與節點(diǎn)直接通信(單跳)鄰居節點(diǎn)，通過(guò)鄰居表可查詢(xún)鄰居節點(diǎn)地址、時(shí)鐘源標志、通信數據量、節點(diǎn)最后通信時(shí)間、通信節點(diǎn)狀態(tài)、節點(diǎn)通信優(yōu)先級。圖表提供上行和下行多跳網(wǎng)絡(luò )的路由信息，其元素主要由多個(gè)路由路徑節點(diǎn)信息，圖標主要由網(wǎng)絡(luò )管理者實(shí)現管理。緩沖表主要用于節點(diǎn)存儲待發(fā)送數據，記錄著(zhù)數據包的ID、優(yōu)先級、目的地址類(lèi)型、保存時(shí)間。

　　3 無(wú)線(xiàn)HART數據鏈路層設計與實(shí)現

　　3.1 通信資源分配

　　無(wú)線(xiàn)HART網(wǎng)絡(luò )采用頻分多址(FDMA)和時(shí)分多址(TDMA)混合的信道訪(fǎng)問(wèn)機制。無(wú)線(xiàn)HART協(xié)議采用集中式資源分配方式，即通信資源由網(wǎng)絡(luò )管理器統一分配。無(wú)線(xiàn)HART網(wǎng)絡(luò )工作于2.4 GHz射頻頻段。為了保證系統能在非常惡劣的工業(yè)現場(chǎng)通信環(huán)境中實(shí)時(shí)、可靠的工作，無(wú)線(xiàn)HART

　　采用TDMA和FDMA的混合信道分文機制。TDMA技術(shù)將每一個(gè)時(shí)隙復用到2.4 GHz的16個(gè)信道上，使系統的有效帶寬提高了16倍。

　　為了進(jìn)行資源分配，首先建立通信資源矩陣?？v坐標表示信道頻率，橫坐標表示時(shí)隙，矩陣中的每個(gè)單元表示一個(gè)通信資源，每個(gè)通信資源用頻率和時(shí)隙的二元組來(lái)唯一標示。每個(gè)矩陣元素包含如下通信資源和鏈路的信息：占用標志位，鏈路的源節點(diǎn)、鏈路的目的節點(diǎn)、鏈路的類(lèi)型。矩陣中每個(gè)元素都被初始化為0，當某個(gè)通信資源已經(jīng)被分配，矩陣中對應元素的占用標志位被置為1，并填充相應的通信資源信息。

　　無(wú)線(xiàn)HART網(wǎng)絡(luò )中，通信資源有NORMAL、ADVERTIS、JOIN和DISCOVERY 4種類(lèi)型，NORMAL通信資源主要用于過(guò)程數據和管理命令的傳輸，ADVERTISE通信資源用于廣播網(wǎng)絡(luò )信息以方便新節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )，JOIN通信資源用于新設備加入，DISCOVERY通信資源用于鄰居發(fā)現。其中NORM-AL類(lèi)型的通信資源與路由路徑相關(guān)，其他的資源都與路由路徑無(wú)關(guān)，重點(diǎn)考慮NORMAL通信資源的分配。NORMAL通信資源分配以所建立的拓撲結構為基礎，以圖表和鄰居表為分配圖，根據所建立的兩層結構進(jìn)行兩層分配。

　　1)簇內通信 簇內所有的通信節點(diǎn)的通信資源位于矩陣的同一行，并按照時(shí)隙進(jìn)一步分配。對于下行通信，每一資源的源地址為簇首節點(diǎn)，目的地址為節點(diǎn)地址;對于上行通信，每一分資源的源地址為節點(diǎn)地址，目的地址為簇首節點(diǎn)。

　　2)簇間通信 簇間通信主要是負責簇首與網(wǎng)關(guān)之間的通信，而其資源主要占據矩陣中兩行，其中上行網(wǎng)絡(luò )通信資源，一行為下行網(wǎng)絡(luò )通信資源。在資源不滿(mǎn)足的情況下，可以根據資源分配的具體情況進(jìn)行拓展，但必須以雙行網(wǎng)絡(luò )為前提，而且上行還有下行資源不能占據同一個(gè)時(shí)隙。分配的路徑以圖表和鄰居表為分配路徑，進(jìn)行上行和下行節點(diǎn)的分配。

　　3.2 時(shí)間同步實(shí)現

　　整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘同步對于無(wú)線(xiàn)HART的TDMA通信是十分必要的，設備間的時(shí)鐘偏移是不可避免的，TDMA網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)實(shí)現全網(wǎng)完全同步并不現實(shí)，而且精確度越高能量消耗就越大，因此無(wú)線(xiàn)HART節點(diǎn)需要在精確度與能耗之間取得平衡，在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )TDMA時(shí)隙通信要求的基礎上盡可能的降低能耗。

　　無(wú)線(xiàn)HART為工業(yè)環(huán)境的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，其對穩定性、可靠性有著(zhù)比一般通信網(wǎng)絡(luò )更高的要求;而無(wú)線(xiàn)HART作為一個(gè)mesh的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)需要實(shí)現全局的時(shí)間同步，但是由于硬件設備以及能量等問(wèn)題，使得傳統的有線(xiàn)時(shí)間同步的算法以及常規的WSN時(shí)間同步算法無(wú)法在無(wú)線(xiàn)HART中實(shí)現。為此以最小能耗為設計目標，設計一個(gè)多層次、全局、不問(wèn)斷的同步策略應用簡(jiǎn)易但有效的同步算法實(shí)現無(wú)線(xiàn)HART-TDMA時(shí)間同步。圖1為相鄰節點(diǎn)通信。