工业自动化等时无线通信

9 用于工业自动化的等时无线通信系统

9.1 工业通信的特征，即过程自动化与工厂自动化以及实时周期性 （RTC）、实时非周期性（RTA）和尽力而为（BE）数据

近年来，工厂自动化应用发展迅速，规模和复杂性不断增加。如今，机器人、可编程逻辑控制器（PLC）以及工业PC（IPC）等工业设备嵌入了强大的逻辑功能，能够根据对周围环境的评估以及与其他设备的交互来调整自身行为。为了提高制造过程的控制水平和功能性能，从而提升整体性能与效率，推动了这一进步。充分了解工厂内发生的情况是取得这些成果的基础；因此，现代应用需要共享由越来越多的联网设备所产生的大量信息。工业通信研究的目标之一是实现横向与纵向通信的集成，这是一个关键且复杂的问题。传统上，工厂自动化的通信按照所谓的自动化金字塔结构进行分层组织（‐见图9.1）。这种分层方法使得在金字塔的不同层级可以采用不同类型的通信技术。

从历史上看，设备层和传感器层主要采用基于现场总线（如 Profibus 或 CAN）的网络架构，而典型的办公网络（如以太网或 Wi‐Fi）仅在工厂级被采用。相反，这些基于以太网的架构如今正越来越多地被考虑应用于底层。特别是，以太网能够轻松满足此前强调的大多数需求，例如将智能从集中式控制器转移到分布式节点的需求、纵向集成的需求，以及最重要的一点——采用消费市场中广为人知的标准所带来的显著成本降低优势。此外，如果在工业场景中采用通用技术，则为“物联网”范式提出的许多解决方案也可以轻松应用。事实上，继承相同的协议栈和软件工程方法将带来进一步的成本降低和更短的上市时间。

消费市场场景的实际前沿是彻底去除电缆；工业自动化领域也在追求这一目标，即使在传感器层，设备数量较多，因此电缆数量也较多。制造商正推动采用经济实惠且功能强大的无线通信技术，例如IEEE 802.11（无线局域网的基础）、IEEE 802.15.4（ZigBee的基础）和IEEE 802.15.1（蓝牙），仅举几例。然而，并不存在“一刀切”的解决方案，最合适方案的选择显然取决于具体的应用需求，尤其是在考虑恶劣环境的情况下（Ferrari et al., 2009; Barac et al., 2014）。

为了清晰起见，必须牢记，工业领域通常区分“连续型”和“离散型”工厂。前者由连续模型（或传递函数）来表征，而后者具有有限数量的状态，并通过有限状态机、佩特里网、状态转换表或顺序功能图进行描述。在连续型工厂中，主要任务是过程调节，而在离散型工厂中，主要任务则是工厂控制。根据这一分类，工业领域将应用分为以下几类：“过程控制”、“批量控制”以及“制造”或“工厂自动化”。然而，尽管各类应用差异广泛，自动化的基本原理相似，信息交换的需求也类似，即使节点密度和时间约束可能大不相同。

因此，真正需要理解的是自动化金字塔底层的主要通信需求。事实上，在控制层，不同类型的控制器/监控器（如工业个人计算机或可编程逻辑控制器）相互连接，而底层的传感器层则提供了与各个设备的连接。在工厂自动化应用中，至少存在三种不同类型的通信：

• 周期性数据通信 ，也称为实时周期通信（RTC）数据。此类数据传输主要包含过程数据，具有不同的时间约束，从软实时到在多个设备上分布执行的分布式控制算法。

系统，对于运动控制等关键应用需满足硬实时要求。硬实时以及确定性意味着在所有可能条件下均能确保最大延迟时间，而软实时应用则允许出现例外情况。在控制层，过程变量的更新周期时间可能为几十毫秒（10、50、100 ms），而在传感器层可能需要几百微秒的周期时间。根据具体应用需求，还需满足同步性要求，即数据更新时间的抖动（即最大与最小周期时间之间的差值）必须保持在固定阈值以下。

• 非周期数据通信 ，也称为实时非周期（RTA）数据。这种数据传输形式指的是偶发数据，包括报警和事件通知。此外，RTA数据必须在最大延迟范围内传输（即具有一定的实时性约束），其值与应用的性质密切相关。

• 非‐时间‐关键通信 ，也称为尽力而为（BE）数据。所有非时间关键的通信均属于此类，包括来自分布式设备的配置数据、参数化和诊断信息的交换，以及过程控制参考设定值的更新等。这些操作主要用于工业应用的配置和监控，通常不需要反馈动作。

最后需要强调的是，RTC和RTA流量的有效载荷大小通常为10–100字节，而BE流量可能需要发送大量数据，例如配置、报告或日志文件。本章旨在简要概述工业应用中采用的无线通信常见解决方案（通常称为“无线现场总线”），以实现RTA、RTC和BE数据的传输。

9.2 工业应用的无线通信协议栈：从物理层到应用层

无线工业通信系统（ICS）根据广为人知的ISO/OSI协议栈进行建模，这与几乎所有其他现代通信系统的情况相同。然而，与为家庭/办公使用、IT管理等设计的通用系统相比，ICS具有截然不同的需求，这一点在上一节中已简要讨论。事实上，尤其是在使用低功耗、低复杂度无线传感器时，等时行为通常意味着需要采用一种高效轻量协议方案（祖拉夫斯基，2015）。

此外，由于工业网络的特性及其旨在解决的通信问题，它们还具有一些特殊性。许多自动化应用依赖于对物理过程的采样以及随后与现场的数据共享，尽管这些网络可能包含多个节点并覆盖较长距离，但从网络角度来看通常相当简单。因此，据观察，ISO/OSI模型所规定的完整七层堆栈在资源（内存、处理能力、执行时间等）方面需求过高，会导致等时网络在性能上的下降以及低效实现（阿米蒂奇等，1988）。例如，这通常是

通常，无线工业网络由单个网段（或跳）组成，而复杂的网状结构并不常见。此外，这些网络也具有很强的应用特异性，因此通常采用专为特定任务定制的设备（Flammini等人，2009）。基于所有这些原因，可以合理地认为ISO/OSI协议栈中某些层的功能实际上并不需要，特别是第3层（网络层）到第6层（表示层）通常被省略，从而形成工业网络中广泛采用的简化协议栈，如图9.2所示。

也就是说，在（无线）工业实时通信解决方案中，最重要的层次是物理层（PHY）、数据链路层（DLL）和应用层（APP）（Pleinevaux和 Decotignie，1988）。然而，必须强调的是，这可以被视为对大量工业协议的简化表示，这些协议实际上都可以有效地映射到这一简化的协议栈上，即使每个协议在现实中都有其独特性，并可能相对于该简化协议栈存在轻微偏差。

物理层和数据链路层实际上是定义任何工业实时协议时最关键的层级。事实上，物理层定义了所使用的无线技术，一个非常常见的选择是采用一种广为人知的通用物理层，例如 IEEE 802.11 或 IEEE 802.15.4。这种选择使得可以重用市场上已有的射频设备。相反，数据链路层的设计变得至关重要，正如下一节所述，因为它实际上负责无线信道管理，而该层的具体实现通常会显著影响协议的整体性能，包括数据传输的实时能力和确定性。此外，一些通常位于上层 OSI 层级的功能，例如基本的网络规则，经常被大多数工业协议规范引入到这一层级（例如网络寻址、新终端设备的连接与断开连接管理、安全功能等）。

在这方面，最常见的组网方式是使用回传（有线或无线）网络来互连多个“单个”现场网络，从而在“网络邻居”之间通过数据链路层执行典型的路由过程。一个有意义的例子是 ISA100.15 标准（Miyata，2012），或近年来对软件定义网络的兴趣（Kalman，2014）。

最后这一观察结果也得到了IEC 61158标准的证实，该标准预见通常位于第3层和第4层的上层功能最终可在数据链路层实现，而应用层可包含第5层和第6层功能，必要时甚至可下延至第3层（国际电工委员会，2003年）。

就应用层而言，值得强调的是它在工业环境中所承担的决定性重要性。事实上，前述特性、互操作性以及开放系统的互联需求，要求必须全面实现应用层。其自然功能是通过提供适当的服务并适应底层网络结构，来支持实际自动化应用的执行。然而，由于上述工业网络之间互联的需求，应用层必须包含一种针对实际工业应用的抽象层，通常通过“对象”来表示其功能。这正是日益普及的基于CAN的应用协议的情况，例如CANopen或DeviceNet（自动化中的CAN）。出于相同原因，大多数工业通信解决方案不仅规定了应用层，还通过一组用于不同应用的“配置文件”来定义数据语义和组织结构。

9.3 介质访问控制协议的重要性

在对无线工业控制系统（WICS）中通常采用的协议栈进行简要分析时，动态链接库（DLL）层的关键作用已被重点强调。特别是，在该协议层内可以识别出一组功能，这些功能在工业网络的设计与实现中最为引人关注且意义重大，而在无线网络的情况下，其重要性日益凸显。本节将对该子层进行更深入的描述和分析。

事实上，在任何由多个终端或节点组成的通信系统中，无论传输何种类型的业务，只要这些节点旨在通过共享介质将数据传输到某个目的地，就必须实施一种用于管理网络资源有效利用的规程。该规程由所谓的介质访问控制（MAC）协议执行。根据上一节所述的OSI模型，MAC属于动态链接库（DLL）的一部分，位于物理层（PHY层）之上，直接控制通信设备。因此，它对整个网络性能具有重大影响，包括能耗（从而影响节点的自然寿命）以及整体服务质量（QoS）。

WICS 的 MAC 协议的好坏可以通过一组众所周知的性能指标来评估（Tramarin 等，2012），其目标是量化以下非穷尽的属性集：

• 延迟 ：延迟要求严格取决于具体的应用。等时通信（例如，用于传感器网络应用）要求检测到的事件必须在一定期限内（实时）报告给目的节点（汇聚节点），以便能够及时采取相应措施。

• 可靠性 ：由于介质的共享特性，无线通信本质上是不可靠的，可能会受到干扰的影响。然而，必须强调的是，网络可靠性可以在数据包级别和事件级别两个层面进行考察。在前一种情况下，可靠性指的是在最终目的地成功接收到的数据包数量；而后者则指某个特定数据对象（或事件）实际被接收方接收的情况。

• 能量效率 ：无线节点通常需要自主运行，因此由有限且不连续的能源（如电池、能量收集器或能量采集装置等）供电。即使采用二次电池（可充电电池），更换电池也是一项成本高昂的操作，应尽可能延迟。基于以上所有原因，最小化功耗是一个重要问题。

• 公平性 ：在许多应用（尤其是无线传感器网络）中，尽管存在带宽限制，仍需确保每个节点能够公平地发送其信息。

• 安全性 ：安全问题也应在整个媒体访问控制层设计过程中予以考虑。例如，设计者必须考虑可能的窃听企图（无论是被动还是主动的），而这些行为在无线传输中不幸更容易实现。

一种MAC协议分类可以确定两类（Gummalla 和 Limb，2000年），即分布式和集中式方法，这取决于它们所针对的网络架构类型。在前一类中，每个节点自主运行以获得介质接入权；在后一类中，所有协议复杂性都集中到一个集中式仲裁器（在无线传感器网络中通常称为基站或汇聚节点），由其调控各个（简单）节点的行为。

另一种分类将接入协议区分为随机接入协议、保证接入协议和混合接入协议。在随机接入协议中，允许发生碰撞，节点必须竞争介质的接入权。其基本思想是：如果某一时刻只有一个节点尝试发送数据包，则该数据包可以被正确接收；否则就会发生碰撞。因此，必须根据一组规则预先解决碰撞，这些规则即所谓的竞争解决算法（CRA）。在此类协议中，一个典型的例子是 ALOHA协议，它是为分组无线电网络提出的首个MAC协议。通常，分布式 MAC协议主要基于随机接入机制，而集中式MAC可以基于上述三类中的任意一种。

在保证接入协议中，由于节点以有序的方式接入介质（例如，使用轮转方案），利用时间、频率、空间或码域等不同资源，因此避免了碰撞。基于主从架构的轮询协议属于此类；主节点逐个轮询指定的节点，该节点仅在接收到轮询请求后才发送其数据。例如，这正是有线现场总线（如Profibus）通常采用的方法。另一种分布式方法是节点之间交换令牌。只有持有令牌的站点才有权接入介质；一旦数据传输完成，令牌将传递给下一个站点。因此，这类协议也称为令牌传递协议。然而，由于信道的不可靠性和时变特性，无线应用中很可能发生令牌丢失，因此在这种情况下需要进行令牌恢复

策略，从而带来额外的开销。因此，大多数甚至所有提出的分布式MAC协议都属于随机接入混合类别。混合接入协议将前述两种策略相结合，以提高整体效率。使用请求‐授权机制是一种可能的解决方案。需要传输数据的节点通过随机接入协议向仲裁器（基站）发送请求，初步指明数据传输所需的介质占用时间和/或带宽。随后，仲裁器为实际数据传输分配一个时隙，并通过授权消息通知该节点信道预留信息（包括所分配的时隙）。根据仲裁器的智能程度，混合接入协议可进一步分为随机预留接入（RRA）协议和按需分配（DA）协议。DA协议与前者不同，因为在此类协议中，仲裁器根据节点的需求分配时隙，即仲裁器会询问所有节点的QoS需求，并运行调度算法以满足这些需求。

从之前的讨论可以看出，轮询和混合接入协议是集中式MAC协议的示例，因为它们依赖于中心站进行带宽分配。相反，随机接入协议可以在任一种架构下运行。

图9.3是MAC分类的图示说明。

总之，可以认为之前报告的指标是在假设通信由集中式时分多址（TDMA）方式或基于轮询的机制管理的情况下，针对实时且可能为等时的关键工业流量进行了优化。如果需要让常规的非时间关键流量共存，则最常见的解决方案是采用混合方法。然而，轮询方案存在额外的协议开销：虽然它们实际上实现了确定性的介质访问，但效率较低，并且系统可扩展性较差。因此，采用类TDMA方案的结果更具前景。在这种情况下，要实现有效的基于TDMA的通信，必须在参与网络的所有节点之间共享统一的时间概念，因此同步问题非常重要。

9 用于工业自动化的等时无线通信系统

9.4 实际案例：专有方案与标准方案

在本节中，分析了一些标准和专有方案，以重点说明其协议栈的实际结构以及为确保实时和等时行为所采用的策略。特别是，考虑了IEEE 802系列中两个最有前景的无线标准（针对分布式传感应用），即IEEE 802.15.4和IEEE 802.11。IEEE 802.15.4也是最初两个专门为过程控制应用量身定制的标准的基础；两者均继承了IEEE 802.15.4‐PHY，同时定义了专门设计的上层以满足工业需求。如第9.4.1节所述，主要改进可在MAC层实现。关于专有方案，最后简要介绍了基于IEEE 802.11的iWLAN和Flexware协议，以及ABB基于蓝牙的WISA。

9.4.1 IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4标准为所谓的低速无线个域网（LR‐WPAN）定义了媒体访问控制层（MAC）和物理层（PHY）的规范。该标准最早于2003年批准，此后又经历了两次修订，最近且现行的版本发布于2011年（IEEE局域网和城域网标准，2011年）。该标准的目标是实现极低成本、低功耗的通信设备，这些设备能够实现长使用寿命，并在采用低发射功率的同时达到低传输速率。这些特性非常适合多种应用，例如家庭自动化、家居与楼宇自动化、能源监控以及工厂自动化系统。这些应用通常既不需要高吞吐量，也不需要广覆盖范围。此外，由于使用通用协议栈（如TCP/IP或UDP/IP）会带来较大的带宽、内存和能量开销，因此这些应用通常不依赖此类协议栈运行（在这方面，6LoWPAN是一个显著的例外）。基于上述特点，该标准因其高度的灵活性而受到工业界的日益关注。

因此，以下简要总结该标准的主要功能。

IEEE 802.15.4 规范定义了两种类型的设备，即全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。前者实现所有可用的标准功能，而后者仅提供其中一部分功能。一个 FFD 节点可以以三种不同方式工作，即作为个域网协调器、简单协调器或普通设备（即无特殊功能的设备）。在任何 IEEE 802.15.4 无线个域网中，至少应有一个 FFD 担任网络协调器的角色。RFD 则用于实现仅作为普通设备的节点，例如发送少量信息到另一设备的小型传感器，常用于远程控制目的。一个主要区别是，RFD 无法转发接收的消息至最终目的地，而是通信的终端节点。这些节点可按照标准所涵盖的三种不同拓扑结构进行组合，如图 9.4所示。

低发射功率导致通信范围为10到75米，具体取决于环境。协同网络和多跳技术能够实现更远距离的覆盖（Willig, 2014）：多个节点作为其他节点的中继器，收集其帧并通过特定链路进行转发，例如在簇树拓扑中。

最广泛的物理层在2.4–2.4835 GHz的免许可工业、科学和医疗（ISM）频段运行。整个频段被划分为16个信道，信道之间间隔5 MHz，编号从11到26。物理层传输采用正交QPSK调制和直接序列扩频（DSSS）技术，以增强与其他无线系统的共存能力并提高传输鲁棒性。该调制方式能够提供250 kbit/s的原始比特率。根据该标准的低功耗要求，最大允许发射功率限制为1 mW（0 dBm）。

IEEE 802.15.4 MAC层提供了多种功能，其中最重要的是信道接入方法、个域网形成与关联、信标和保证时隙（GTS）管理以及加密/认证。然而，最引人关注的方面是其信道接入技术。该标准主要采用了非常常见的载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）算法，即一种基于信道状态估计并引入指数随机退避时间以延迟帧传输的随机方法（分布式随机接入方法，参见图9.3），用于解决信道竞争和传输错误。

此外，IEEE 802.15.4标准引入了两种不同的工作模式，任何无线个域网都可以在这两种模式下运行，即无信标或信标模式。

前者实际上是基于CSMA/CA技术的纯竞争方式实现的，在这种情况下使用的是非时隙变体，即超时和退避的值来自连续分布。

在信标模式下，个域网协调器则采用超帧结构来规范对信道的接入。为了描述该超帧结构，协调器使用称为信标的特殊帧，这些帧还用于标识个域网并使设备保持同步。信标帧以周期性方式发送，时间间隔范围从15.36毫秒到 251.65秒。在两个连续的信标之间，时间被划分为第一部分“活动”时段，随后是“非活动”时段，在该时段内设备进入不允许通信的空闲状态，从而实现非常低的网络功耗。超帧结构的图示说明如图9.5所示。

活动部分被划分为若干个等间距的时隙，并组成两个不同的集合：第一个称为竞争访问期（CAP）阶段，随后是无竞争期（CFP）阶段。在CAP阶段，设备使用带时隙的CSMA/CA算法变体来传输数据，并需确保该过程在CAP时间内完成。相反，CFP由若干个所谓的保证时隙（GTS）组成，这些时隙由个域网协调器分配。在一个可跨越多个时隙的GTS内，节点被授予对信道的直接接入权限，而无需使用CSMA/CA机制。CFP本质上是一种TDMA技术形式，可用于满足实时需求。然而，其主要限制是每帧中GTS的数量较少，仅有七个。

在此简要的MAC层描述中的最后一点涉及IEEE 802.15.4帧：根据规范，MAC帧允许的最大尺寸与其他无线系统相比相对较小，限制为127字节，其中有效载荷可根据（复杂）帧地址字段的内容在102至122字节之间。

IEEE 802.15.4标准的特定特性使其在工业自动化环境中非常具有吸引力，主要归因于其灵活性、鲁棒性以及设备的低成本，这些设备可以有效地采用电池供电。此外，低成本节点的可用性以及多个开源协议栈实现（参见，例如，TinyOS项目）也使得能够深入研究为使该标准更适用于工业通信可采取的措施，例如增强其鲁棒性和实时能力（Gamba等人，2010）。基于这些基础，工业领域中两个主要的竞争协议——WirelessHART和ISA100.11a（Petersen和Carlsen，2011）——已采用此标准作为其运行的基础。然而必须强调的是，这两种工业协议还在MAC层引入了改进，以克服使用随机MAC带来的局限性，并确保在恶劣环境中的鲁棒性（De Dominicis等人，2009），例如采用纯TDMA方式、增加输出功率、跳频和信道黑名单。特别是所谓的网络或系统管理器（根据WirelessHART和ISA100.11a的术语命名）是通信的集中式仲裁器，它根据各个节点的请求，在超帧内动态调度时隙（长度约为10毫秒）分配。此外，节点之间的路径建立由管理器计算，因此节点可以基于简单且低成本的硬件，而所有复杂性均由唯一的一个管理器处理。

最后，这些标准的受关注度也通过专为测试和模拟真实网络而设计的工具的发展得到证实（Ferrari等人，2010，2013）。

9.4.2 IEEE 802.11

IEEE 802.11标准（信息技术IEEE标准，2012）定义了一种广泛应用的技术，称为无线局域网（WLAN），其主要目标是为典型IT安装中普遍部署的有线局域网提供无线对应方案：IEEE 802.11需要像有线IEEE 802局域网一样支持上层协议（链路层控制（LLC））。

IEEE 802.11实际上是一个标准系列，在过去15年中不断定义和完善。第一个重要版本（或更准确地说，修正案）是IEEE 802.11b（发布于1999年），它支持在2.4 GHz的免许可ISM频段运行，最大原始传输速率为11 Mbit/s。同年，修正案802.11a也发布了，引入了基于正交频分复用（OFDM）的调制技术，在5 GHz ISM频段上将原始速率提升至最高54 Mbit/s。目前部署最广泛的版本是2003年发布的802.11g，它将修正案“a”的功能扩展到较低的2.4 GHz频段。后续的改进来自于QoS支持的引入，以及最近的MIMO系统和非常大的信道带宽。

这一复杂的标准也引起了工业通信领域特别的关注，因为其某些特性能够应对实时通信通常所要求的严格限制，这些限制通常表现为在确保高时效性的同时具备强可靠性（Vitturi 等，2013a）。在这方面，值得指出的是多速率支持，它能够通过自动选择最合适的传输调制方式来适应变化的信道条件（Vitturi 等，2013b）、帧优先级能力，以及丰富的配置参数，这些使得其性能（至少在理论上）接近有线局域网。

对物理层和媒体访问控制层的全面分析超出了本简要描述的范围，这主要是由于该标准所具有的复杂性、随时间引入的多种不同物理层，以及媒体访问控制层所涵盖的多种使用场景。尽管如此，我们将尝试简要描述其中最重要的特性，特别关注那些与工业环境密切相关的特性。

在本节的其余部分，我们将主要参考最广泛的IEEE 802.11a/g标准。该物理层技术于1999年首次引入，通过利用正交频分复用在介质上传输的潜力，支持6–54 Mbit/s范围内的高速传输。正交频分复用可提高鲁棒性，并改善网络共存能力。实际上，比特流首先由卷积编码器处理；然后应用八种不同的调制方案之一；最后，将编码后的比特分配到为数据保留的48个OFDM子载波（总共64个子载波）上，以形成一系列待传输的符号。调制参数的简要概述见表 9.1。

发射功率可高达100毫瓦（20 dBm），比IEEE 802.15.4系统的发射功率高两个数量级。因此可以实现更远的传输距离，并确保对低速率无线个域网通信干扰具有一定的免疫力，但代价是功耗显著增加，这通常使得在工业场景中避免使用由电池供电的IEEE 802.11设备。

MAC层提供了三种不同的“功能”用于信道和帧管理。这些功能分别是分布式协调功能（DCF）、点协调功能（PCF）和混合协调功能（HCF），其中前者应用最为广泛，且是PCF和HCF的基础。简而言之，与IEEE 802.15.4类似，DCF采用载波侦听多路访问/冲突避免算法，通过在帧重传之间插入随机退避时间作为错误恢复方法。只有在判定当前信道功率低于给定阈值时才接入信道，否则将接入推迟到后续时间。传输错误则

Mode	传输速率（Mbit/s）	调制	码率	N BPSd
1*	6	BPSK	1/2	3
2	9	BPSK QPSK QPSK	3/4	4.5
3*	12	16进制正交幅度调制	1/2	6
4	18	16进制正交幅度调制	3/4	9
5*	24	64‐QAM	1/2	12
6	36	64‐QAM	3/4	18
7	48	64‐QAM	2/3	24
8	54	64‐QAM	3/4	27

表9.1 IEEE 802.11g 所涵盖的传输速率和调制方式
标有星号的模式为必选模式。这也是任何设备必须实现的唯一强制性功能。

通过数据帧的确认传输推断得出。DCF 还允许通过一种称为请求发送/允许发送的先前“握手”过程以某种方式预留信道，其中交换 RTS/CTS 管理帧，以通知所有其他节点信道将在一段时间内处于繁忙状态。HCF 功能是随着 IEEE 802.11e 修正案引入的，以支持服务区分，即提供 QoS机制。实际上，通过定义四个不同的类别来考虑流量优先级的概念，并通过适当调整 DCF（或更准确地说 CSMA/CA）参数来实现帧管理，以增加（或减少）在竞争或退避阶段接入信道的概率。特别是，支持QoS的站点（QSTA）由混合协调器（HC）授予在特定时间点使用介质的权利，并在一定最大持续时间内以传输机会（TXOP）的形式进行。TXOP 的允许持续时间通过信标消息在全球范围内发布。

然而，从工业控制系统（ICS）的角度来看，最有趣的MAC功能是PCF，其可在基础设施网络中被利用。在此情况下，接入点（AP）实现了一个点协调器（PC），这是一个提供信道无竞争访问的逻辑单元。由于该功能基于DCF，几乎任何站点（但实际上只有AP）都能自然地遵循PCF规则而无需特别努力。如果AP指示使用PCF，则DCF与PCF交替进行，分别实现无竞争周期（CFP）和竞争周期（CP）。参见 图9.6 以获得图示说明。在PCF中，实际上PC持续对所有连接的站点（STAs）执行轮询，以授予特定站点的接入权限。为了实现CFP，PCF使用虚拟载波侦听功能，并启用优先级规则。在理想情况下，站点受到严格调控，使得每次接入尝试时信道都为空闲状态，因为介质完全由接入点（AP）控制。

遗憾的是，很少有商用AP支持这种MAC接入功能。然而，由于PCF的方法倾向于避免服务时间的随机性，因此在实时通信领域受到了广泛关注。在这方面，自动化领域的巨头之一西门子就是一个显著的例子，该公司实际上采用了一种专有的PCF功能版本，作为其基于IEEE 802.11的无线设备的基础。

9.4.3 工业无线局域网：西门子的iWLAN与flexWare欧盟项目

iWLAN（其中“i”代表工业）是西门子基于IEEE 802.11b/g标准开发的一种专有解决方案，专门设计用于满足大型工业区域中的高吞吐量数据传输需求 （WFCS, 2006）。如第9.3节所述，确定性行为与MAC策略密切相关；iWLAN可被视为对IEEE 802.11的改进版本，旨在根据消息优先级和截止时间实现公平的介质访问。iWLAN的核心是所谓的iPCF。与PCF类似，通信采用时分方法进行管理，每个站点在每个周期内通过轮询机制获得一个宽度为2毫秒的时间窗口。然而，与常规PCF功能不同的是，iPCF不包含竞争周期，省略该周期是为了更好地控制周期时间抖动（因此失去了向后兼容性）。

作为一种纯TDMA方法，可能会产生额外的共存问题。此外，尽管在 IEEE 802.11标准中未明确定义，iPCF还规定了漫游协议，可实现约20–30 ms的切换时间：与在全带宽范围内进行典型扫描、执行常规的（可能复杂的）认证流程不同，iPCF仅在固定信道上进行扫描，并可采用更简单的安全技术以减少认证时间（例如，通过使用短距离天线缓解现有的安全性问题）。该方法使得在工厂中实现VoIP应用或管理多个自动导引车（AGV）成为可能。

同样，“flexWARE——实时环境中的灵活无线自动化”协议是一个国际项目的结果，其目标是为采用基于标准IEEE 802.11的无线通信基础设施的工业自动化应用专门设计一种系统架构（Gaderer等人，2008年）。该系统采用了三层架构，围绕flexWARE控制器（FC）、flexWARE接入点（FAP）和 flexWARE节点（FN）进行设计，如图9.7所示。

FC是整个系统的管理器，负责包括为所有节点分配资源在内的多种功能。此外，它还在骨干网和FAP之间转发实时流量。FAP与常规的IEEE 802.11接入点类似，是连接有线和无线介质的桥梁。最后，现场设备（例如传感器、仪器等）通过FN将数据发送到FAP。这三个组件共同参与提供实时通信服务，利用一种由FN实现并由FAP控制的新型MAC层，称为“IsoMAC”。

专有的IsoMAC协议已开发出来，旨在克服IEEE 802.11e提供的混合 HCF机制的缺点和不足。特别是，在需要传输小数据包时，轮询消息会导致较大的开销。IsoMAC基于TDMA方案，并能够与标准802.11站点共存。这一结果是通过在标准PCF的竞争自由周期（CFP）内进行额外的资源预留过程以及接入控制和调度来实现的，同时保留了传统

IEEE 802.11 站点在 CP 中运行。可用带宽可根据先前的资源预留动态分配，以适应不同的需求。当某个 FN 维持特定业务流时，需通过包含详细业务描述（例如，延迟、抖动、更新时间、有效载荷大小）的资源请求帧预先通知 FAP。FC 随后执行准入控制过程，根据已调度的业务流和可用资源，决定是否接受该新节点。

基于TDMA方案，通信被组织成包含不同阶段的帧：用于过程数据（即实时流量）的调度阶段（SP）；以及用于尽力而为（BE）和管理（M）流量的竞争阶段（CP）。调度阶段进一步划分为上行链路（UL）和下行链路（DL）两部分。实时数据通过下行链路从FAP传输到FN，而上行链路部分则用于从 FN向FAP传输实时数据。调度阶段的重复间隔称为网络更新时间（NUT），因为它等于节点的最短可能更新时间。

BE业务和管理帧（如用于时钟同步的消息）在竞争阶段传输。图 9.8给出了图示说明。

如图9.9所示，每个帧都由一个包含所有节点调度信息的信标包标记；通过这种方式，调度可以在每个信标间隔内动态调整一次。因此，信标帧对于 IsoMAC协议至关重要，必须避免其接收时出现任何延迟，例如由于竞争周期过长导致的延迟。此外，为了使信标能够在等距的时间间隔（NUT）内传输，竞争周期进一步划分为开放阶段和受限阶段。在前一阶段，允许所有 flexWARE节点和传统站点竞争信道；而在后一阶段，则预留足够时间以传输最大长度帧。

IsoMAC错误恢复过程的设计也旨在减少通信开销。下行链路帧接收确认帧（ACKs）的发送被推迟到UL子阶段开始之前。相反，FAP不会显式地确认上行链路数据帧，而是自主处理错误恢复，并利用其对调度的了解来判断应接收到哪些帧以检测是否发生了通信错误。具体而言，UL阶段进一步细分为一个恢复阶段，该阶段紧随调度阶段之后开始。在恢复阶段期间，允许进行下行链路和/或上行链路帧的帧重传。

时分多址方法需要严格的时钟同步，通过类似IEEE 1588的程序实现。时间分发利用现有的信标帧进行，仅需很小的额外带宽即可实现时钟同步，从而提高了整体效率。

9.4.4 ABB的WISA解决方案

WISA 是由 ABB 开发的一种专有解决方案，专门用于满足离散自动化的需求 （Dzung 等，2005）。例如，典型应用包括采用无线链路来避免或减轻在恶劣环境中运行的移动设备互连时出现的问题（如导线和连接器承受过度应力），如圆桌式生产设备，或生产线上使用的机器人焊接臂。在所考虑的场景中，周期时间通常从不到1秒到1分钟不等，而可容忍延迟可在毫秒级范围内。此外，在离散自动化中，节点密度可能非常高，达到每立方米一个设备。常规的 WPAN 技术（其中大多数基于 IEEE 802.15.4 无线电）无法满足所有这些需求，必须采用不同的范式。WISA 的物理层部分源自蓝牙（IEEE 802.15.1），后者可被视为消费市场解决方案，能够满足类似需求，主要用于在移动应用中实时传输音频流。WISA 物理层工作在 ISM 2.4 GHz 频段，提供 1 Mbps 的原始数据速率；调制方式尽可能简单，以降低整体成本，基于高斯频移键控（GFSK）。信道宽度为 1 MHz。最大发射功率为 1 mW，可实现几十米范围内的节点与基站之间的通信；必须注意到，这种有限的范围与应用需求兼容，支持共存并有助于频率复用。根据 第9.2节所述，协议软件部分（即上层）尽可能简化，以限制延迟。其示意图如 图9.10所示。

从 图9.10 可以明显看出，中间层被忽略；特别是在网络层仅支持最简单的星型拓扑（这由所考虑的应用场景所决定；典型配置如 图9.11 所示）。

WISA的介质访问策略采用时分多址（为每个设备分配一个固定的时隙）和频分双工（FDD），使得现场设备与基站能够同时传输。通过实施伪随机跳频来缓解共存问题并提高鲁棒性。在基站（或主模块）与节点之间建立通信链路。定义了四个上行链路组{UL1, UL2, UL3, UL4}，每组使用独立的射频信道，每组最多可分配30个节点。因此，每个主模块所支持的设备总数为120个。下行链路（DL）传输，即从基站向现场方向的传输，其目的是实现帧和时隙同步

节点并向现场设备提供输出。UL1‐4和下行链路信道在时间上的分配如图9.12所示。

具体而言，基站决定实际的参考时间，节点据此校正其漂移；通过这种方式，节点可以在频域中同步跳频。节点的上行链路传输是事件触发的（即仅在节点有数据或确认需要发送时才发生）。

WISA 可能提供了比目前所有可用的无线解决方案（包括本章前面描述的那些）更优的短周期时间与高节点密度之间的权衡。因此，详细分析用户数据如何被组织成帧是很有意义的。主站建立一个周期性重复的帧，其帧长 Tframe 为 2048 μ秒；下行链路被分为16个时隙，每个时隙持续时间为 128 μ秒，而有32个上行链路时隙，大小为 64 μ秒，并与下行链路时隙边界对齐。上行链路和下行链路时隙结构的示意图见 图9.13。

用户层面的数据完整性由自动重传请求（ARQ）机制来保证。现场设备在其分配的上行链路时隙中传输其数据包。在相应的下行链路时隙中预期收到确认；若未收到，该设备将在下一帧中重传该数据包。其基本思想是，跳频机制触发的传输频率变化能够避免（或至少大幅减少）通常具有突发性的干扰效应，从而提高成功接收的整体概率。设计WISA协议的目标之一是实现15毫秒的最大传输延迟，以确保实时性

行为；帧长度为2毫秒；因此最多允许七次重传。

应用层是专有的，即使过去曾进行过一些努力（遗憾的是现在已暂停）以支持IO‐Link 协议的应用层。

在WISA项目中，ABB还解决了无线系统的另一个问题，即自主供电。传统的储能装置（即一次和二次电池）存在多种缺点，包括寿命有限，因而需要频繁维护。此外，目前通过能量采集或收集所获得的功率也尚不足以供应 WISA节点。第三种方式可能是通过光学、感应或射频链路进行能量传输。在此背景下，感应链路的应用尤为引人关注，该技术也被用于为移动设备充电 （例如，由无线充电联盟推广的Qi标准）。磁耦合也广泛应用于射频识别（RFID）无源标签。实际上，这种系统利用变压器原理将能量从电源端传输到接收端。WISA设计人员开发了WISA‐电源系统，该系统采用工作频率为120千赫兹的谐振线圈为简单设备供电，该谐振频率是在电压幅值、损耗和尺寸之间权衡后选定的。“初级”侧作为开放空气中的变压器环绕整个生产单元，而每个节点都配备三个正交的接收线圈，以确保不受磁场方向的影响（参见图9.14）。

接收端的目标功率范围为10–100毫瓦；因此，典型的场强低于国际职业安全法规和建议所规定的全部阈值，从而允许人员在该系统环境中长期停留。