频域轮询MAC协议设计

频域轮询：一种新的MAC用于工厂自动化工厂无线网络的协议

摘要

无线技术在工业通信领域正变得越来越具有吸引力。在工厂自动化领域，由于无线物理层和确定性介质访问控制（MAC）协议的效率低下，对可预测性、可靠性和实时性的高通信需求使得无线技术的应用面临挑战。本文提出了一种频域轮询MAC协议（FDP‐MAC），该协议利用正交频分复用（OFDM）技术实现同时轮询。在FDP‐MAC中，还提出了动态时分多址（TDMA）调度和下行链路确认聚合方法，以进一步提高通信效率。我们通过仿真验证了FDP‐MAC的有效性，结果表明FDP‐MAC能够满足典型工厂自动化应用的通信需求。

关键词 ：工业无线网络；工厂自动化；MAC；介质访问控制；OFDM；正交频分复用；轮询协议；频域轮询。

1 引言

无线技术已被认为是工业网络的一种有前景的选择（Willig等，2005；Willig，2008）。它们已广泛应用于过程自动化领域，如化工厂和石油工业中的设备监控与维护。针对过程自动化的无线通信，已提出多项标准，例如无线HART（Foundation，2007）、ISA100（ISA100，2009）和WIA‐PA（IEC 62601，2009；梁等，2011）。在工厂自动化中，无线技术在移动设备方面也具有吸引力，例如机器人末端执行器、轨道安装设备、旋转设备和移动资产，可用于控制与监控以及通用的线缆替代。通过使用无线技术，可以实现更简便且成本更低的安装和维护，并避免因重复运动导致的电缆老化和滑环接触故障。

与过程自动化中的通信相比，工厂自动化中的通信在可靠性和实时性方面要求更高，这给无线技术带来了巨大挑战。当需要高可靠性和实时性能时，无线技术的低效性主要体现在以下两个方面。首先，在工业应用中，无线物理层效率较低。在工业环境中，控制器与现场设备之间的数据包交换通常较短，因此物理层同步和信令开销相对于“实际”数据传输的开销而言非常大。正如Xiao和Rosdahl（2002，2003）、Xiao（2005a，2005b，2006）所指出的，短数据包中的开销相对较大，导致网络效率低下。其次，确定性介质访问协议效率不高。由于具备确定性传输能力，基于时分多址（TDMA）和基于轮询的MAC协议等确定性介质访问控制（MAC）协议在工业网络中被广泛使用。这些协议必须预留通信资源以应对无线信道或网络流量的不确定性。然而，这些资源导致了带宽利用率低下。例如，在基于TDMA的协议中，用于重传的时隙使用概率较低；在基于轮询的协议中，当轮询列表中只有一小部分节点有待发送的数据包时，大多数轮询请求都是浪费的。

为了提高工业环境中无线通信的效率并满足工厂自动化的高通信需求，我们提出了一种基于正交频分复用（OFDM）无线技术的频域轮询MAC协议（FDP‐MAC）。本文做出了以下贡献：
- 首先，通过将正交频分复用的子载波视为整数，提出了 一种在频域中进行的轮询方法。在所提出的方法中，并 发地轮询多个站点以提高轮询过程的效率。
- 其次，基于轮询方法的结果，还提出了一种动态TDMA调 度方案和一种下行链路确认聚合方案。动态TDMA调度能 够确保每个时隙都被充分利用，而下行链路确认聚合方案 则可以缓解无线物理层在工业应用中的低效问题。
- 最后，通过仿真，我们证明了FDP‐MAC在实时性能上优 于基于时域轮询的MAC协议和基于静态TDMA调度的 MAC协议。

本文的组织结构如下。在第2节中，我们回顾了相关工作的前期研究。在第3节中，讨论了背景与动机。FDP‐MAC的设计问题在第4节中提出。第5节展示了FDP‐MAC在不同测试环境下的性能与其他协议的比较。最后，在第6节中，我们对全文进行总结，并描述了正在进行的研究方向。

2 相关工作

2.1 无线网络中的轮询协议

同时发送响应轮询（STRP）（Sharon 和 Altman，2001年）利用捕获现象实现信息包的同步轮询和传输。STRP 可以同时轮询两个站点，其中一个被轮询的站点以强信号发送数据，而另一个若有待发送的数据，则发送较弱且略长的干扰信号。由于捕获效应，即使存在干扰信号，基站仍能接收到数据包。当业务负载适中时，STRP理论上可以实现更高的轮询效率；然而，捕获效应在实际中可能难以实现（Lam 等，2006； Zhao 等，2008；Wang 等，2013；Zhang 等，2008； Xiao，2005c）。此外，STRP每次最多轮询两个站点，当站点数量较多时，会导致较大的轮询开销。轮询列表管理是提高基于轮询协议的轮询效率的关键问题之一，可避免不必要的轮询。在基于学习自动机的轮询协议（LEAP）（Nicopolitidis 等，2003）中，接入点（AP）使用学习自动机选择获得发送权限的移动站，并根据网络反馈信息更新对每个移动站的选择。在自适应轮询方案（Kim 和 Suh，2004）中，使用可变定时器处理此前静默后重新变为活跃的站点。LEAP和自适应轮询方案均逐一轮询活动列表中的站点，导致显著的操作开销。

而等时协调功能（ICF）（Lam 等，2006）通过同时轮询多个站点并提供动态类TDMA服务以高效传输语音数据包，从而降低了该开销（Cai 等，2006a，2006b； Li 和 Xiao，2006；Li 等，2008）。在基于轮询列表的方案中，难以以较低开销准确判断站点应归属的列表，一旦活跃站点被加入非活动轮询列表，将无法保证实时性能，这在工业环境中可能引发严重问题。在随机寻址轮询（RAP）（Chen 和 Lee，1993）以及Ko 等（2009）提出的方法中，活跃站点使用正交信号（如 CDMA）同时通知接入点，从而使接入点能够高效识别活跃站点，显著减少不必要的轮询。然而，采用CDMA的信令方案在硬件和复杂性方面成本较高，且其准确性在（Chen 和 Lee，1993）和（Ko 等（2009））中均未通过实验评估。此外还有一些相关的轮询机制（Yin 等，2009；Huang 等，2013）。

2.2 工业通信中的轮询协议

基于轮询的协议由于其确定性操作，被广泛应用于有线工业通信标准中，例如以太网动力链路、Profibus和 WorldFIP。无线技术已被认为是工业和工厂自动化的有前景的选择，使用无线技术的好处包括移动性、降低布线成本、安装和维护以及减少连接器带来的麻烦（Willig，2008；梁等，2011；Zhao 等，2008； Wang 等，2013）。因此，学术界和工业界都高度重视将基于轮询的协议与无线技术相结合。Seno 等（2009）提出了一种基于IEEE 802.11 WLAN的以太网动力链路无线扩展，并对其轮询时间进行了理论分析。在甘巴等人（2010）中进行了实验评估。Seno 等（2009）未考虑 IEEE 802.11 规定的点协调功能（PCF）和混合协调功能（HCF）受控信道接入（HCCA）技术，而在莫里，2006中指出了 IEEE 802.11e 的轮询机制—PCF 对于时间触发应用的不足，并基于 HCF 提出了几种针对特定工业应用流量模式优化的轮询方案。在威利格（2003）中，提出了一组用于 Profibus 无线实现的基于轮询的 MAC 协议，结果表明基于轮询的协议是无线 Profibus 的良好候选方案。然而，当现场级网络中的实时性和可靠性要求较为严格时，由于轮询过程效率低下，大多数所提出的基于轮询的协议所能支持的站点数量有限。

2.3 基于物理层信令的技术

先前已提出利用信令的物理层能力来提高MAC效率。在哈斯和邓（2002）、吴和李（1987）、托巴吉和克莱因罗克（1975）的研究中，为解决隐藏终端问题，采用带外忙音以防止其他节点的传输。最近，一些研究提出了利用OFDM子载波在频域进行信令的方法。在SMACK（杜塔等人，2009）中，使用OFDM子载波同时对广播消息进行确认，以实现可靠广播并同时降低MAC开销。FICA（谭等人，2010）、T2F（森等人，2010）和 Back2F（森等人，2011）将OFDM子载波视为整数，节点不再在时间上选择随机退避时长，而是通过在随机选择的子载波上进行信令来竞争信道。通过利用OFDM子载波的信息，REPICK（冯等人，2012）在频域中采用反向竞争和捎带确认，以减少传统802.11 MAC协议中的开销。

3 背景与动机

本节首先介绍IEEE 802.11和正交频分复用中的轮询机制，然后讨论本文研究的网络模型和需求，最后阐述我们针对无线工业网络轮询方案的动机。

3.1 IEEE 802.11中的轮询协议

IEEE 802.11中的轮询过程在PCF下规定（IEEE，2007； Xiao 和 Rosdahl，2002；Xiao 和 Rosdahl，2003； Xiao，2005年a，2005年c）。在轮询操作期间，从接入点发送到站点的数据包可以同时包含信息、对先前轮询站点的确认应答以及轮询请求。图1展示了包含三个站点的轮询过程示例，在此轮询过程中，A站和C站有帧需要发送，而B站没有。接入点（AP）启动无竞争期（CFP），随后发送一个信标帧，所有站点（包括未关联到基本服务集（BSS）的站点）均根据该信标帧设置其网络分配向量（NAV）。可通过以下方式避免由未被轮询的站点传输引起的竞争。在短帧间间隔（SIFS）时段结束后，接入点（AP）通过发送轮询请求帧对A站进行轮询；A站解析轮询指示，并在SIFS时段后向接入点（AP）发送其帧。在接收到A站发送的帧并经过SIFS时段后，接入点（AP）发送一个包含对A站的确认信息以及对B站的轮询请求的数据包。由于没有响应，如果接入点检测到来自B站的轮询响应传输，则在上一次传输结束之后经过一个PCF帧间间隔（PIFS）时长，立即向C站发送下一个轮询请求。C站解析轮询指示后，与A站类似，在一个短帧间间隔（SIFS）时段后将其帧发送至接入点。轮询过程以接入点发送的CFP‐END帧结束。

PCF信道接入机制能够提供确定性的传输，使其成为支持VoIP等实时性服务的一种有前景的方式。然而，HCF机制是IEEE 802.11的可选接入方式，大多数商用硬件并未完全实现此功能（肖，2004）。

3.2 正交频分复用

正交频分复用（Zhang 等，2008）是一种将数字数据编码在多个称为子载波的小型且部分重叠的频带上的方法，即使这些子载波在频谱上可能重叠，它们之间也不会相互干扰。在 IEEE 802.11a/g 实现中，OFDM 的子载波总数为 52，其中 48 个用于数据传输。由于采用多个窄带子载波代替单一宽带信号，OFDM 中的信道均衡得以简化，且每个子载波的低符号速率使 OFDM 能够消除符号间干扰（ISI）。因此，OFDM 被广泛应用于许多现有的无线标准，如 802.11a/g/n、超宽带和 WiMax（肖，2005d；Zhang 等，2009；Ni 等，2007，2010；肖，2007）。此外，由于其灵活性和适应性，OFDM 也是认知无线电系统中最优的传输技术（马哈茂德等，2009）。

3.3 系统模型和需求

在工业通信系统的有线现场级网络中，传感器和执行器通过现场总线与可编程逻辑控制器（PLC）等控制器进行通信。工厂自动化中的传感器、执行器及其控制器几乎都位于同一工作单元内。传感器和执行器直接与控制器通信，而不是以逐跳方式通信，因此，本文仅考虑采用星型拓扑的网络。

工厂自动化通信中存在两种类型的数据：周期性过程数据和非周期性数据。周期性数据主要由受控物理系统测得的数值或控制应用计算出的设定值组成。非周期性数据包括控制命令、报警和参数配置数据。作为工厂车间自动化系统控制回路的一部分，通信系统具有毫秒级的高实时性要求。根据ABB研究有限公司（2006）、Flexware（2008）、Scheible等人（2007）和国际自动化学会（2010）的研究，可采用无线技术的工厂自动化应用的通信需求列于表1。现场级网络中的大多数数据包较短，仅为几个字节（Willig 等，2005），数据交换量可能有限，但由于时序约束非常严格，为了准确跟踪控制过程，控制器轮询传感器的间隔必须很短，因此传输速度需达到几兆比特每秒的量级（De Pellegrini等人，2006）。

3.4 动机

轮询机制和TDMA机制由于具有冲突避免和确定性传输的特性，被广泛应用于工业通信系统中。然而，在无线工厂自动化环境中应用时，二者均存在一些局限性。简而言之，我们的动机源于以下因素：

首先，轮询方案效率低下。轮询方案的一个主要缺点是，当轮询列表中只有一小部分节点有数据包需要发送时，其效率很低，因为轮询方案会轮询轮询列表中的所有节点，而不管它们的实际需求如何。在工业环境中，这一问题更加严重，因为为了精确跟踪控制状态，轮询周期必须非常短，同时如表1所示，工业网络的节点数量也很大。在如此短的轮询周期内，大多数节点并没有数据包需要发送。轮询方案的另一个缺点是其巨大的轮询开销：接入点需要向每个节点发送轮询请求，尽管轮询请求报文通常很短，但当节点数量较大时，开销仍然十分巨大。这种低效性和显著的协议开销导致轮询方案无法同时满足应用所要求的严格实时性要求和网络规模。

其次，静态TDMA方案效率低下。与轮询机制相比，TDMA机制的协议开销较小，但在需要高可靠性时仍存在效率低下的问题。由于衰落、路径损耗和符号间干扰，无线信道比有线电缆更容易出错，尤其是在工业环境中使用时，电磁环境更加复杂，移动设备引起的多普勒效应也增加了误码率。自动重传请求（ARQ）是提高协议可靠性性能的重要方法。当在静态TDMA调度中采用ARQ时，需要分配大量用于重传的时隙，但这些时隙的利用率较低，导致带宽利用率低下。举一个简单的例子，设Pchannel为无线信道的分组成功速率，Preliability为可靠性要求，则每个节点需要分配的时隙数量可表示为：

$$
n = \left\lceil \frac{\ln(1 - P_{\text{reliability}})}{\ln(1 - P_{\text{channel}})} \right\rceil
$$

时隙利用率可以表示为

$$
\text{slot_utilisation} = \frac{P_{\text{channel}}}{n \times P_{\text{channel}} + (1 - P_{\text{channel}})}
$$

当Pchannel介于90%和99%之间时，不同可靠性要求下的时隙利用率如图2所示。从图2可以看出，在工业环境中，静态TDMA调度导致带宽利用率非常低，例如，当需要99.99999%的可靠性时，时隙利用率仅为15%到30%。

第三，无线物理层在工业场景中效率低下。为了同步无线电发射器，无线技术必须在实际数据传输之前发送一些称为物理层汇聚过程（PLCP）前导码的训练序列，这些前导码由特定符号组成。此外，在前导码传输和实际数据传输之间还需要传输一个PLCP头部。例如，当IEEE 802.11a/g使用OFDM时，前导码传输需要16微秒，而PLCP头部的信令字段需要4微秒来传输。这类物理层开销在有线传输介质上通常要小得多（Willig 等，2005）。在工业环境中，大多数数据包都很短，仅为几个字节（Willig 等，2005），这使得物理层开销占据了传输带宽的主要部分。以OFDM物理层为例，物理层开销占整个数据包传输的比例可由下式给出（Xiao 和 Rosdahl，2002）：

$$
P_{\text{phy}} = \frac{T_{\text{preamble}} + T_{\text{signal}} + T_{\text{service}} + \left\lceil \frac{(16 + 8 \times \text{len} + 6)}{N_{\text{DBPS}}} \right\rceil \times T_{\text{sym}}}{T_{\text{preamble}} + T_{\text{signal}} + T_{\text{service}} + \left\lceil \frac{(16 + 8 \times \text{len} + 6)}{N_{\text{DBPS}}} \right\rceil \times T_{\text{sym}}}
$$

其中$T_{\text{preamble}}$是PLCP前导持续时间，$T_{\text{signal}}$是信令符号的持续时间，$T_{\text{sym}}$是符号间隔。当使用20 MHz信道间隔时，$T_{\text{preamble}}$、$T_{\text{signal}}$和$T_{\text{sym}}$分别为16微秒、4微秒和4微秒。$T_{\text{service}}$ 表示PLCP头部中服务字段的传输时间。然而，服务字段是使用PLCP头部信令字段中指示的数据速率进行传输的。由于其长度过短，无法完全占用一个符号，因此我们假设 $T_{\text{service}}$ 可忽略不计。$N_{\text{DBPS}}$ 是每个OFDM符号的数据比特数，其值取决于底层调制方式。图3显示了不同有效载荷和不同数据速率下 $P_{\text{phy}}$ 的变化情况。从图3可以看出，当数据包有效载荷长度仅为几个字节时，物理层开销占整个数据包传输的比例超过70%。例如，当使用54 Mbps且有效载荷长度为24字节时，该比例高达83.3%。这一结果表明，在工业环境中使用无线技术时，由于显著的物理层开销，导致其效率低下。

4 架构与设计

FDP‐MAC 可以从动机上分为三个部分。如图4所示，在轮询过程开始时，提出了一种频域轮询方法以实现同时轮询。在轮询结果的基础上，提出了一种动态TDMA调度，根据节点实际需求分配时隙。

最后提出了一种下行链路确认聚合方法，以缓解无线物理层的低效问题。

应用	实时性要求	密度/网络规模	需求
机器人末端执行器	离散信号的10毫秒或更短	离散信号 2/m³, 200节点每 7 × 6 × 2 m³
轨道安装式设备	100 毫秒	取决于
旋转设备	控制器之间 10毫秒	控制器之间 100 毫秒
自动导引车（自动导引车）用于智能仓库	在可编程逻辑控制器和主干网 50~100 ms	最多100台自动导引车位于 100 × 100 m
接近开关	20 毫秒	每单元120个

表1 工厂自动化中的通信需求

4.1 频域轮询

频域轮询的核心思想是利用子载波向接入点指示哪些站点有待发送数据包。我们假设每个站点都包含一个组ID和一个子载波ID。组ID可以根据站点的实时性要求或其他指标进行分配，并且可以方便地实现优先级调度。基于组的方式。然而，本文未讨论组ID分配策略及其调度方法。具有相同组ID的每个站点都有一个唯一的子载波ID，用于指示将使用哪个子载波进行信令传输。由于 IEEE 802.11a/g中的OFDM有48个数据子载波，因此每组最多可包含48个成员。换句话说，FDP‐MAC可以同时轮询48个站点，从而显著降低轮询开销。

频域轮询的一个示例如图5所示。在此示例中，站点A、B、C以及图5中未显示的其他站点具有相同的组ID，但在本次轮询过程中，只有站点A、B和C有待发送数据包。频域轮询由接入点发送的轮询请求包开始。该轮询请求包包含一个组ID。只有具有相同组ID的站点才可在本次轮询过程中获得发送数据包的机会。经过一个SIFS时段后，有待发送数据包的站点使用其分配的子载波发送一个或两个符号，在此示例中，站点A、B和C分别选择4、8、19。在时域上，这些符号传输是同时发生的，因为各站点几乎在同一时间检测到轮询请求传输的结束，从而使得子载波传输保持同步。接入点通过将各个子载波上的能量与阈值进行比较，来检测哪些子载波处于活动状态，进而得知哪些站点有待发送的数据包。所有48个站点回复轮询请求仅需一个或两个符号时间（= 4 us），因此轮询开销显著降低。

频域轮询中最受关注的问题是：接入点的子载波检测精度如何？在子载波检测过程中，接入点无需恢复子载波所传输的数据，这使其更易于硬件实现并获得更高的子载波检测精度。在USRP/GNURadio平台上的实验结果表明，子载波检测精度可达95%（Sen 等，2010，2011）。在这些实验中，来自发射天线的自信号可能会降低子载波检测精度。然而，在频域轮询中，由于接入点在等待信令时不会进行发送，因此不存在自信号。Tan 等，2010 的实验结果表明，通过设置合适的阈值，误报和漏报均可控制在<0.25%以内。基于上述结果，可以认为子载波检测技术是可靠且可行的。

4.2 动态TDMA

在此步骤中，每个有待发送数据包的站点将其数据包发送至接入点。接入点已在前一步骤中检测出哪些站点有待发送数据包。因此，接入点首先为这些站点中的每一个分配一个时隙，然后广播一个包含时隙分配信息的数据包。各站点从该广播中获取时隙分配信息。以图5为例，A站、B站和C站分别获得时隙1、时隙2和时隙3。经过一个SIFS时段（用于无线设备在发送和接收状态之间切换）后，各站点开始在指定的时隙中传输其待发送数据包，如图5所示。由于前一步骤已确保每个被分配时隙的站点均有待发送数据包，因此不会像静态TDMA调度那样浪费任何时隙。

在一定的实时性要求下，时隙的长度是决定网络可支持规模的主要因素。因此，其余的设计问题是如何最小化时隙持续时间。时隙的基本参数如图6所示。

同步误差 $T_s$ 包括同步后的初始同步误差以及随着时间推移产生的时钟漂移。IEEE 802.11 硬件中大多数时间同步功能定时器是 64 位微秒定时器。通过复制时隙分配报文中携带的时间戳，站点与接入点之间的初始同步误差小于 1 微秒，其中传播延迟（在纳秒量级）被忽略。设 $T_{\text{syn}}$ 为当前轮询过程中分配的所有时隙的持续时间。设 $F_{\text{ppm}}$ 为振荡器的频率稳定性。则站点与接入点之间的最大时钟漂移可表示为

$$
\Delta T_{\text{drift}} = \frac{F_{\text{ppm}} \times T_{\text{syn}}}{10^6} \times 2
$$

根据 IEEE 802.11（IEEE，2007）的规定，当采用 OFDM 物理层时，符号时钟频率容限在 20 MHz 和 10 MHz 信道上最大应为 ±20 ppm。实验表明，通常相对时钟漂移的差异约为 10 ppm（Krishna 和 Hoene，2009）。$T_{\text{syn}}$ 的最大值可由 $\min(48 \times T_{\text{slot}}, R_{\text{real-time}})$ 给出，因为在单个轮询请求报文中最多只能轮询 48 个站点，且 $T_{\text{syn}}$ 必须小于延迟约束 $R_{\text{real-time}}$ 才能满足实时性要求。正如我们在第3节中分析的，$R_{\text{real-time}}$ 始终不少于 10 毫秒，在保守估计下，$T_{\text{slot}}$ 不应超过 200 微秒，因此 $T_{\text{syn}}$ 的最大值不能超过 10 毫秒。从公式（1）可知，1 微秒已足以补偿时钟漂移。毕竟，2 微秒已足以补偿同步误差。

为了缓解无线物理层在短包传输中的低效性并减少时隙持续时间，时隙内将不传输确认应答（接下来将介绍一种保证通信可靠性的方法）。因此，分组传输持续时间$T_d$仅由最大分组大小和传输速率决定，如下所示：

$$
T_d = T_{\text{preamble}} + T_{\text{signal}} + \left\lceil \frac{(16 + 8 \times \text{MAX_PAYLOAD} + 6)}{N_{\text{DBPS}}} \right\rceil \times T_{\text{sym}}
$$

如前所述，现场级网络中的数据包大小仅为几个字节，因此我们将MAX_PAYLOAD设为20，然后在48 Mbps或54 Mbps的数据速率下，$T_d$将为24微秒。

时隙保护时间 $T_g$ 为与硬件相关的处理和通信延迟提供一定的缓冲时间。在 $T_g$ 期间，接入点需要容纳从天线传输接收信号的时间以及MAC处理延迟。接入点不会改变其无线状态，因此往返延迟可以忽略不计。在 $T_g$ 期间，站点需要预留从接收状态切换到发送状态的时间。站点在此步骤中不会接收数据包，因此不存在从天线传输接收信号或MAC处理延迟的时间。IEEE 802.11 中规定的短帧间间隔（SIFS）时间可以覆盖所有这些延迟，因此我们令 $T_g=$ 等于短帧间间隔（SIFS）（16微秒）。

基于上述分析，持续时间为42微秒的时隙可用于传输现场级设备生成的数据包。

4.3 下行链路ACK聚合

为了缩短时隙长度，在站点于时隙内向接入点发送数据包后不立即进行确认应答。我们在轮询过程结束时以聚合方式完成确认信息，原因如下：首先，在类似 TDMA的MAC协议中，无需尽快确认数据包传输，因为在下一个指定时隙到来之前没有机会重传失败的数据包；其次，数据包聚合可以有效消除边际头部、协议开销（如短帧间间隔（SIFS））和竞争开销，这种技术已被广泛用于提高吞吐量，例如在IEEE 802.11n（IEEE，2009年；肖，2005b，2006年）和Softspeak（Verkaik等，2009年）中。因此，我们可以利用聚合算法将所有确认信息集中处理，从而提升通信效率。

下行链路聚合算法非常简单，如下所述。接入点将所有确认信息合并到一个数据包中，站点对聚合后的数据包进行解封装。未收到确认应答的数据包将在下次被轮询时由站点重传。通过使用该聚合算法，可减少确认信息的开销：

$$
P_{\text{ack}} = \frac{n \times \left( T_{\text{preamble}} + T_{\text{signal}} + \left\lceil \frac{(16 + 8(\text{len} {\text{ack}} + \text{len} {\text{mac_header}}) + 6)}{N_{\text{DBPS}}} \right\rceil \times T_{\text{sym}} + \text{SIFS} \right)}{T_{\text{preamble}} + T_{\text{signal}} + \left\lceil \frac{(16 + 8(\text{len} {\text{ack}} + \text{len} {\text{mac_header}}) + 6)}{N_{\text{DBPS}}} \right\rceil \times T_{\text{sym}} + \text{SIFS}}
$$

其中，$\text{len} {\text{ack}}$ 表示确认信息有效载荷的长度，$\text{len} {\text{mac_header}}$ 表示 MAC 头部的长度，$n$ 是聚合的确认数量，以及短帧间间隔（SIFS）在采用20 MHz信道间隔OFDM物理层时，IEEE 802.11中的确认应答时间为16微秒。当$\text{len} {\text{ack}}$和$\text{len} {\text{mac_header}}$均设置为4时，从图7可以看出开销减少的百分比。结果表明，尽管该聚合算法非常简单，但能够显著降低确认信息传输的开销。

5 性能仿真

在本节中，我们使用网络仿真器OPNET对FDP‐MAC的性能进行评估。在我们的仿真中，所有仿真场景均为 100 × 100 m，每个场景包含一个AP和若干个站点。每个站点生成长度为10字节的数据，数据到达间隔时间服从均值为10毫秒、标准差为1毫秒的正态分布。数据包以 54 Mbps的数据速率进行传输。每次仿真运行100秒。为了消除不同可靠性要求对实时性能分析的影响，各仿真协议均采用具有无限重试次数的简单重传机制和先进先出队列策略。首先，我们研究子载波检测精度对 FDP‐MAC实时性能的影响。然后，我们将FDP‐MAC的实时性能与PCF轮询方案（时域轮询协议，TDP‐MAC）以及静态TDMA MAC协议（S‐TDMA）的性能进行比较。

如上所述，在当前技术下，子载波检测无法实现100%的准确性。因此，我们研究了子载波检测精度对 FDP‐MAC实时性能的影响。在本仿真中，共有60个站点，信道的分组成功速率设置为99%。如图8所示，当子载波检测精度从100%下降到95%时，平均延迟和最大延迟分别增加了5.13%和20.56%。子载波检测精度为100%时，99.99%到达延迟（99.99%的数据包可在该时间内到达接入点）为1.371 ms，而在子载波检测精度为95%时，该值为1.566 ms。结果表明，通信延迟，尤其是最大延迟，随着子载波检测精度的降低而增加。然而，在大多数典型的工厂自动化应用（10 毫秒， 100+节点）中，子载波检测不准确所带来的额外延迟是可以接受的。因此，从本次仿真可以得出结论：即使子载波检测技术并不完美，FDP‐MAC 在工厂自动化通信中仍然是可行的。

实时性要求和网络规模都是工厂自动化应用中的重要需求。我们研究了不同网络规模下多种MAC协议的实时性能。在本仿真中，信道的分组成功速率设为99%，FDP‐MAC的子载波检测精度设为99%。FDP‐MAC、TDP‐MAC和STDMA的网络延迟累积分布函数（CDF）分别如图9–11所示。结果表明，在相同实时性要求下，与TDP‐MAC和STDMA相比，FDP‐MAC能够支持更大的网络规模。例如，当要求10毫秒的实时性能时，采用 TDP‐MAC或STDMA的60个站点或90个站点的网络均无法满足要求；而即使网络中有90个站点，FDP‐MAC的最大网络延迟仍远小于10毫秒。此外，在相同网络规模下使用时，FDP‐MAC的性能优于 TDP‐MAC和STDMA。当网络中有60个节点时，FDP‐MAC的最大网络延迟仅为TDP‐MAC最大网络延迟的13.03%，STDMA最大网络延迟的19.92%。该仿真表明，FDP‐MAC不仅实时性更强，而且比TDP‐MAC和STDMA更具可扩展性，使其成为工厂自动化通信中的更优选择。

无线信道比有线电缆更容易出错，这使得在使用无线技术时更难保证可靠性和实时性要求。由于所有三种协议都采用了具有无限重试次数的重传机制，因此可靠性性能始终可以得到保证。因此，我们仅评估实时性能研究协议对信道条件变化的容忍度。在此仿真中，网络中有60个站点，FDP‐MAC的子载波检测精度设置为99 %。FDP‐MAC、TDP‐MAC 和 STDMA 的结果分别如图 12–14 所示。结果表明，FDP‐MAC中的重传耗时远小于TDP‐MAC和STDMA。这是因为在FDP‐MAC中，当数据包传输失败时，重传只需等待有数据包要发送的节点完成传输即可。由于 FDP‐MAC的高效性，其轮询周期远短于TDP‐MAC的轮询周期和STDMA的调度周期，且在每个周期内 FDP‐MAC所需的传输次数也远少于TDP‐MAC和 STDMA。而TDP‐MAC和STDMA在周期内必须额外花费时间处理那些没有数据包要发送的节点。因此，当信道的分组成功速率从100%下降到97%时，FDP‐MAC的 99.99%到达延迟和最大延迟分别增加0.87 ms和1.269 ms，而在TDP‐MAC中分别增加8.015 ms和15.618 ms，在S‐TDMA中分别增加4.531 ms和5.711 ms。仿真结果表明，在工业无线环境下，FDP‐MAC相比 TDP‐MAC和S‐TDMA具有更好的适应性和鲁棒性。

6 结论与未来工作

我们提出了用于工业无线网络的频域轮询MAC协议（FDP‐MAC）的设计与评估。通过利用OFDM系统的物理层信令技术进行轮询，FDP‐MAC 能够同时轮询多个站点，从而显著减少了开销。此外，基于轮询结果，引入了动态TDMA调度方案和下行链路ACK聚合方案，以缓解静态TDMA调度和无线物理层在工业场景中的低效问题。我们通过仿真在多种场景下对 FDP‐MAC 进行了评估。初步结果表明，即使子载波检测技术并不完美，FDP‐MAC 仍能满足典型工厂自动化应用的通信需求。结果还表明，FDP‐MAC 在实时性和网络规模方面优于时域轮询MAC协议和静态调度TDMA MAC协议。

在我们的FDP‐MAC设计中，轮询调度非常简单。假设所有站点具有相同的流量模式和相同的通信需求。我们将在未来引入一些针对具有多样化流量模式和多样化通信需求的工厂自动化应用的轮询调度策略。在认知无线电平台上实现FDP‐MAC也是未来值得考虑的工作。