低延迟工业网络的多址接入

原创于 2025-10-14 14:18:22 发布 · 240 阅读

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#工业无线传感器网络 #多址接入 #低延迟 #优先级调度 #MAC协议

3 低延迟关键工业网络的多址接入与资源共享

穆赫辛·拉扎1,阿纳斯·阿姆贾德2,和萨贾德·侯赛因3
1科学与技术学院，密德萨斯大学，英国
2斯塔福德郡大学，英国
3詹姆斯·瓦特工程学院，格拉斯哥大学，英国

3.1 引言

传感器与控制单元之间的通信在工业系统的顺利运行中起着重要作用。由于通信在工业各个领域中具有至关重要的作用，该领域已见证了大量的研究。随着工业的快速发展，通信系统也在不断演进。目前，工业无线传感器网络（IWSNs）提供了多种标准以应对不同的应用需求。这些标准和研究进展已显著提升了不同工业系统的性能（拉扎等，2018a）。

工业无线传感器网络为应对工业系统不断变化的需求提供了基础设施。工业无线传感器网络的持续发展和研究进展为工业领域的改进开辟了新的途径。多种工业过程的共存以及对低延迟通信的需求带来了诸多挑战，因此必须提供适当的解决方案。

关键工业应用需要低延迟通信，以有效管理自动化、过程控制和反馈系统（拉扎等，2017年）。工业内应用的多样性以及对时间和可靠性要求的不同，不同应用的需求要求基于非线性和优先级的信息调度与通信，以更好地优化关键过程。在工业无线传感器网络中，多址接入技术提供了根据应用需求和关键性有效管理和共享资源的手段。在工业系统中，由于某些应用可能比其他应用更具关键性，因此高效且按需的资源共享有助于满足延迟和可靠性要求。

本章详细讨论了工业系统内的流量。涵盖了对各种介质访问控制（MAC）协议的详细回顾。此外，还提出了一种介质访问控制应急通信方案，以应对工业通信中的挑战。

近年来，工业无线传感器网络（IWSNs）的发展在工业演进和广泛工业应用的性能提升中发挥了重要作用。由于工业中自动化流程的广泛应用，传感数据及其及时通信的重要性日益凸显。工业中的通信基础设施已进行全面升级，以支持传感器与决策模块/控制单元之间的高速通信。通信架构也已转变，以支持工业系统不同模块间的低延迟通信（Kan 等，2013年）。此外，工业中还引入了相应的改进措施，以优先处理紧急和高关键性通信。工业内多种应用和流程的紧密共存也给工业无线传感器网络带来了信息调度和传输问题。同时，严格的时间截止期限也带来了一系列挑战。

工业系统内的通信可以根据不同应用的需求划分为不同的类别。为了满足IWSNs中多样化的通信需求，已提出不同的信道接入方案和架构变更。根据所考虑的工业系统，工业内产生的数据和流量可以分为多个类别。

工业无线传感器网络在数据通信方面的主要关注点主要来自工业关键过程产生的流量。工业产生的关键数据流量主要涉及紧急、监管和监控控制系统。由于这些流程具有高优先级且时间截止期限相对较短，因此为上述工业系统的流量提供基于优先级或专用的访问。

在工业无线传感器网络中，流量分为六类，包括紧急/安全流量、监管控制流量、监控控制流量、开环控制流量、告警流量和监控流量（Raza 等，2018a）。以下简要说明这些业务类型。

1) 安全或紧急系统是工业系统的核心，可确保过程的安全运行。此类流量通常在工业内部产生，当某些关键过程受到威胁或记录到可能造成危害的事件时，这些事件可能会危及设备和人身安全。紧急系统产生的流量具有最高优先级，需要立即上报。通常，工业无线传感器网络中紧急流量的通信通过专用的通信/导频信道实现，并采用优先时隙接入方式（Gungor 和 Hancke，2009）。

2) 监管控制流量对于流程的顺利运行至关重要。此类信息的延迟或丢失可能导致最终产品质量下降或批次准备失败。此外，监管控制流量的延迟还可能影响流程效率，并导致生产成本增加。监管控制流量具有高可靠性要求，通常通过保证的时隙接入或优先时隙争用机制进行通信（Raza 等，2018a）。

3) 监控控制流量相对于紧急/安全和监管控制流量而言重要性较低。其通信需求具有异步性，当阈值被违反时触发通信。因此，监控控制流量可分为关键和非关键两类。通常使用时隙接入来支持监控流量的通信。

4) 开环流量通常用于开环控制系统的传感数据异步通信。开环流量的通信通常为信息性内容，对流程的影响有限。但在某些情况下，开环流量的通信会被转发至控制中心，用于手动控制流程中的执行器。其可靠性要求相对较低，偶尔的数据包丢失容易被容忍（Raza 等，2018a）。

5) 告警流量提供了对当前运行过程影响较小的情况发出警报的手段。然而，如果告警系统产生的流量延迟超过合理时间，可能会导致某些操作隐患的发生。此类通信的可靠性要求较低，频繁的通信故障可在无任何后果的情况下被容忍。通常采用基于时隙竞争的信道接入方式将告警流量传输至控制中心。

6) 监控流量主要用于从工业流程中收集监测数据，这些数据对正在运行的流程没有直接影响。然而，在许多情况下，从监控系统收集的数据将用于未来工艺的改进。这类流量通常会被记录到存储设备中，并在较长时间内进行累积，以提出适合的工业流程改进建议，从而在未来实现整体性能的提升。监控流量具有最低的优先级和较低的可靠性要求，因此其通信采用尽力而为服务，重点在于提高传感器网络的寿命和能效（Raza 等，2018a）。这些业务类型在工业中的优先级和时间约束如图3.1所示。

多种流量类型与严格的性能限制（可靠性、延迟）并存带来了诸多挑战。为了提供可行的解决方案，以确保所需的可靠性，同时不违反严格的时间截止期限，已提出多种方案。此外，针对不同类型流量的共存问题，也提出了不同的调度算法。接下来的章节将详细讨论这些提出的解决方案，并提供一种可行的基于优先级的通信架构，以应对工业无线传感器网络中的可靠性和延迟挑战。此外，还介绍了静态调度，以促进多种业务类型和流程的共存，而无需永久性的资源分配。

3.2 研究进展

大多数工业无线传感器网络（IWSNs）的开发使用了IEEE 802.15.4（信息技术标准，2006年）定义的物理层属性。此外，还引入了多种MAC协议以应对工业系统和关键流量的严格要求。

由于MAC职责范围广泛，MAC协议的发展在确保工业领域内有效通信策略方面具有重要影响。多年来，这些协议采用了不同的多址接入方案，以满足不同工业应用的独特需求。

研究界提出的MAC层最新进展旨在提高可靠性、实时数据通信、能效和确定性网络形成。

由于MAC层负责处理对无线介质的访问并管理无线电的使用，因此对MAC层进行适当的改进可以显著提升协议性能，无论其目标是可靠性、实时数据传输还是能效。此外，通过各个节点系统化地使用无线电，可以更好地管理信道拥塞。由于通过MAC层对无线电的管理还支持自适应电源管理，从而确保更长的网络寿命（Pei 等，2013）。

由于MAC层的重要性，基于MAC的协议具有显著意义，多年来已提出了大量的MAC协议。这些协议可以分为若干类别。其中一些类别可基于信道接入方式划分，将MAC协议分为基于载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）、基于时分多址（TDMA）以及多信道和混合方案。另一种分类方式根据通信周期性对MAC协议进行划分，将其分为异步、同步和混合型。其他一些类别包括异步、同步、时隙、基于优先级的混合方案以及多信道等。

由于本章讨论的是低延迟工业网络，因此以能效和尽力而为通信为目标的MAC协议不在讨论范围之内。有关这些MAC协议的更多详细信息可参见（Demirkol 等，2006；Naik 和 Sivalingam，2004）。此外，关于能效MAC协议的详细综述见（Roy 和 Sarma 2010–Kumar 等 2018）。

在过去十年中，提出了大量的MAC协议。在Langendoen (2008)中，作者将MAC协议分为周期性、时隙、随机和混合型。在Pei等(2013)中，作者将MAC协议分为异步、同步、时隙和多信道方案。

MAC协议的各个子类都具有独特的优点以及一定的局限性。异步MAC协议通信频率较低，因此更适合节省大量能量以延长网络寿命。由于此类协议目前不在讨论范围内，感兴趣的读者可参考 Doudou 等 (2013)，其中详细介绍了多种协议。由于异步协议更适合监控应用，因此在工业应用中存在的通信挑战已在同步协议中得到解决；然而，在同步协议中，拥塞和冲突避免仍然是一个挑战。为了克服异步、同步/时隙方案中的拥塞和冲突问题，采用了基于TDMA的信道接入以提供保证的信道接入。虽然TDMA解决了拥塞和冲突问题，但TDMA中预定义的时隙接入引入了额外的延迟。为了减少延迟，还提出了多信道方案，但由于TDMA的存在，延迟对于关键工业应用而言仍然不可接受，特别是当多种业务类型共存时。

除了这些之外，还存在一些协议，旨在对基于CSMA/CA和基于TDMA的信道接入进行MAC优化，以应对周期性和紧急通信。

在本章中，MAC协议根据信道接入方式进行分类，因此分为基于CSMA/CA、基于TDMA、基于多信道和基于优先级。每一类如下所列。

3.2.1 基于CSMA/CA的介质访问控制方案

许多MAC协议可归类为基于CSMA/CA的介质访问控制协议。然而，这些协议无法提供确定性行为。由于数据包碰撞和信道拥塞，数据包可能丢失或延迟。因此，这些方案不适用于关键工业应用。但是，由于基于CSMA/CA的协议采用按需驱动的信道接入方式，这类方案更适合非关键工业应用，在此类应用中可以受益于长期电池的使用。Anastasi 等人 (2011) 对基于CSMA/CA的MAC协议进行了关键性分析。其他一些竞争型方案则采用了多种技术来改善数据包传输、信息延迟和功耗利用，相关研究见于Pangun 等人 2013–Marchenko 等人 2014。

3.2.2 基于TDMA的介质访问控制方案

基于TDMA的MAC协议在提供具有有界延迟的可靠通信方面更为有效。该协议可确保信道在基于TDMA的MAC协议中，信道接入相比基于CSMA/CA的方案具有更广泛的可接受性。因此，在监管和开环控制系统中，可以观察到基于TDMA的信道接入方案被更广泛地采用。然而，时间同步在这些协议中成为一个主要挑战，尤其是在网状和树形网络中。该问题在树形拓扑中较为不显著。无论如何，基于TDMA的方案都需要时间同步以实现有效通信（Dobslaw 等，2014；Ergen 和 Varaiya，2010）。目前已有一些针对同步问题的解决方案。在（Ergen 和 Varaiya，2010）中，作者提出了两种启发式算法来解决调度问题，并评估了这些调度方案的上界，该上界是网络中生成的总数据包数量的函数，同时确保了数据包传输。在（Shen 等，2013；Yan 等，2014）中，进一步改进了（Ergen 和 Varaiya，2010）的结果，新提出的协议声称提升了（Ergen 和 Varaiya，2010）的性能。（Shen 等，2013）在考虑严苛动态环境的情况下评估了结果，但数据包可靠性有所下降。（Yan 等，2014）构建了一个超图，以提高在恶劣环境下的调度灵活性和可靠性。此外，该论文还提出了两种方案，即专用和共享调度，以提升性能。

ShedEx 是另一种采用基于TDMA的信道接入方案（Dobslaw 等，2014），该方案通过复制收益最高的时隙来提高可靠性，并通过调度算法提供指定的可靠性。

3.2.3 多信道介质访问控制方案

使用多信道方案可以提高信道利用率，从而提升时分多址方案的性能和容量。近年来已提出了相对较多的基于TDMA的多信道介质访问控制方案。(Zhao 等，2014年) 的作者提出了一种用于静态网络的基于多信道TDMA的源感知调度方案。所提出的方案虽然使用了多个信道，但未能提供可靠性保障。(Dobslaw 等，2015年) 的作者改进了ShedEx，以支持多信道场景。该方案声称在调度中将总延迟降低了20%。

与ShedEx相比。在冀明等，2015中，作者提出了一种基于遗憾匹配的信道分配算法（RMCA）。该方案旨在最小化使用多信道所带来的开销。论文通过仿真和实际实现验证了结果，观察到性能的整体提升和复杂性的降低。在德莫雷亚斯和席尔瓦（2014）中，作者提出了一种分析方法来建模多信道场景。采用基于数值和仿真的评估来验证该模型。

3.2.4 基于优先级的介质访问控制方案

在工业无线传感器网络中，TDMA和多信道方案为监管控制系统、开环控制系统提供了合适的解决方案，而基于CSMA/CA的方案则更适合报警与监控系统。然而，针对应急/安全系统和监控系统，需要有适当的解决方案以支持及时的信道接入，避免因TDMA方案带来的额外延迟或因基于CSMA/CA的信道接入导致的不可靠和易丢包的链路。为确保可靠的实时数据传输，基于优先级的通信开辟了新的途径。由于工业中的大多数过程具有不同级别的优先级，因此相应地处理这些过程更具意义。在感知优先级的MAC协议中，不同通信流量的优先级被确立，并作为决定哪种流量/数据应优先传输的依据。文献中已提出了一些基于优先级的MAC方案，但相关研究仍相对有限。部分基于优先级的MAC协议见于（德莫雷亚斯和席尔瓦 2014–郑等 2015）。在（安德森等，2008）中，作者利用消息内容对网络内的通信进行优先级排序。该协议还根据时间截止期限对通信进行优先级划分；然而，该论文中的假设相对不现实，例如假设了全双工通信。另一项针对关键过程的MAC协议由孟等（2015）提出。该方案采用基于优先级的通信，将流量分为四组，基于优先级的协议使更关键的流量相比较不关键的流量获得更高的优先级。在魏等（2014）中，作者提出了一种基于仲裁频率的优先级使能MAC协议。该协议为用户分配仲裁频率，并根据分配的仲裁频率确定通信的关键性。通过离散时间马尔可夫链模型对该协议进行评估，确保最高优先级用户的保证访问。

尽管已有一些协议提供基于优先级的通信，但基于优先级的MAC协议的发展仍相对有限，且大多数已提出的方案本质上是静态的。本章提出了一种动态的基于TDMA的信道接入方案，旨在以及时可靠的方式实现关键数据的低延迟通信。

3.3 基于优先级的信息调度与传输

工业领域首选基于TDMA的通信。然而，为了整合监控和紧急通信，需要按需信道接入。此外，由于紧急流量的关键性，必须确保从信道请求到信道分配的低延迟。

本节介绍了一种基于MAC的信道接入方案，该方案考虑了关键信息，并对信道时隙进行调度以促进通信。由于应急通信和监控控制通信具有异步性，因此通过在控制信道上请求来分配信道，而不是在超帧中分配固定的时隙。(Raza 等，2018b) 提出的方案采用了IEEE的超帧格式，并做了一些改进，以支持紧急流量的及时通信。通信采用的是IEEE MAC低延迟确定性网络（LLDN），该网络已更新以支持应急通信。IEEE 802.15.4e MAC LLDN 的传统超帧结构如图3.2所示。如图所示，每个超帧被划分为n个时隙，每个时隙的持续时间为t。TN1表示N1（节点1）的传输，G‐Ack是组确认，S‐Slot表示共享时隙。支持应急通信的更新后超帧结构如图3.3所示。

所示系统中的通信采用星型拓扑结构，数据在簇头处汇聚。如图3.3所示，网络中的应急节点在紧急情况发生时可请求立即信道接入。紧急数据请求通过控制信道发起，在此期间常规信息传输被暂时中断，以优先让紧急数据获得信道访问权。预调度通信通过 HT序列被停止。一旦簇头广播HT序列，所有来自常规调度节点的通信即被暂停，直至簇头广播RT序列后恢复。在常规通信暂停的时间窗口内，紧急数据被传输至簇头以进行即时处理。由于单个传感器的通信仅占用一个时隙，理想情况下常规通信仅需暂停一个时隙。然而，在特定时刻可能产生多个请求，因此需要为紧急数据分配多个时隙。通信将取决于接收到的信道请求的数量。
所提出协议的性能与IEEE 802.15.4e、MACLLDN框架进行了比较，其中给出了两者的数学模型。

LLDN的超帧持续时间表示为TLLDN，而所提协议的超帧持续时间Tp由以下给出
$$ T_p = T_{LLDN} + e \quad (3.1) $$
其中e表示超级帧中增加的应急时隙持续时间。由于紧急事件的发生具有异步性，紧急通信本质上是事件驱动的，因此被建模为泊松 (α)分布。时隙（t）的持续时间在公式3.2中给出，而紧急事件发生的概率质量函数在公式3.3中给出。
$$ t = \frac{T_{LLDN} - MAC_Payload}{n} \quad (3.2) $$
此处n表示超帧中的时隙数量，而MAC_Payload取为3.84ms。
$$ P_X(x) =
\begin{cases}
\frac{\alpha^x e^{-\alpha}}{x!} \Big/ \sum_{y=0}^{m} \frac{\alpha^y e^{-\alpha}}{y!}, & \text{where } x = 0, 1, 2, …, m \
0, & \text{otherwise}
\end{cases} \quad (3.3) $$
此处m表示一个簇中包含的应急节点数量，而 $ \alpha = \lambda t $ 中 λ表示应急场景的平均发生次数。增加的应急时隙总时长由以下公式给出
$$ e = t \times \left{ \left( \sum_{x=0}^{m} \left( x \times \frac{\alpha^x e^{-\alpha}/x!}{\sum_{y=0}^{m} \alpha^y e^{-\alpha}/y!} \right) \right) \pm \sqrt{ \sum_{x=0}^{m} \left( x - \sum_{x=0}^{m} \left( x \times \frac{\alpha^x e^{-\alpha}/x!}{\sum_{y=0}^{m} \alpha^y e^{-\alpha}/y!} \right) \right)^2 } \right} \quad (3.4) $$

LLDN的平均接入延迟（dLLDN）和所提方案的平均接入延迟（dp）分别在公式3.5和3.6中给出。而LLDN和所提方案在成功通信中的平均延迟（dLLDN_s、dp_s）则分别在公式3.7和3.8中给出。
$$ d_{LLDN} = \frac{1}{2} T_{LLDN} \quad (3.5) $$
$$ d_p = \sum_{x=1}^{m} \left[ \left( \delta t + \frac{1}{2} t + (x - 1) \times t + \frac{x}{n} \times PL_{delay} \right) \left( \frac{\alpha^x e^{-\alpha}/x!}{\sum_{y=1}^{m} \alpha^y e^{-\alpha}/y!} \right) \right] \quad (3.6) $$
$$ d_{LLDN_s} = d_{LLDN} \times \sum_{w=1}^{\infty} w \times p(1-p)^{w-1} \quad (3.7) $$
$$ d_{p_s} = d_{EE-MAC} \times \sum_{w=1}^{\infty} w \times p(1-p)^{w-1} \quad (3.8) $$
其中p为成功传输概率，w为成功通信发生前的传输次数。

所提协议的性能与IEEE802.15.4e LLDN进行了比较，结果表明平均接入延迟整体有所降低。

在图3.4中，MAC LLDN和所提出的MAC方案的平均接入延迟作为紧急事件数量的函数被呈现。

节点。由于LLDN提供基于TDMA的接入方式，应急节点必须等待指定时隙才能接入信道，从而导致均匀的平均接入延迟，如图所示。相比之下，所提出的方案针对按需信道接入，因此在应急通信中的接入延迟相对低于LLDN。图中显示，即使在极端条件下[m= 8, λ= 400每秒应急通信请求（平均）]，EE‐MAC仍能实现应急通信接入延迟降低50%。此外，在较温和的情况下，延迟保持在1 ms以下。

为进一步研究紧急通信中的延迟问题，图3.5展示了不同λ值（每秒紧急通信请求数量）和m（应急节点数量）下成功通信的平均延迟。该图表明，即使在信道条件较差（p= 0.7）以及紧急请求数量较多（平均每秒400个请求）的情况下，本文所提出方法中的平均成功通信延迟仍将延迟降低至仅4毫秒。对于非关键信道和较低紧急信道请求，与 IEEE 802.15.4eLLDN相比，总延迟最多减少了90%。

通过引入基于控制信道的请求机制，并在请求发出后为应急通信进行时隙预留，可改善关键信息向控制中心传输的低延迟通信。所观测到的延迟处于可接受范围内，与LLDN相比提供了相对较快的信道接入。

3.4 总结

延迟是工业无线传感器网络中的一个重要属性。任何增加的延迟都会影响实施的过程控制的性能/效率和系统稳定性。在本研究中，提出了一种改进的MAC方案，允许应急节点基于优先级请求信道接入。这减少了信道接入的总延迟以及成功通信的延迟，即使在恶劣环境下也显著有效，从而相较于IEEE802.15.4eLLDN提供了更优的信道接入延迟。