基于无线HART协议的数据链路层协议模型设计30068.docx

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1、基于无线HART协议的数据链路层协议模型设计无线HART是一种专门为过程控制领域而设计的网络通信协议，是HART现场总线在无线领域的延伸，其通信模型主要由应用层、网络层、数据链路层、物理层组成。其中数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务就是将来自节点网络层的数据可靠的传输到相邻节点的网络层。数据链路层协议主要用于建立可靠的点到点的单跳通信。在层型的拓扑结构上实现无线HART数据链路层通信协议，这里所设计的算法已成功应用于无线HART单跳网络。1 无线HARRT拓扑结构构无线通信网络拓拓扑主要包括括星型和网状状两种结构，星星型单跳网络络支持高可靠靠性的网络通通信，而网

2、状状多跳网络支支持远距离通通信，无线HHART协议议支持网状拓拓扑结构和星星型拓扑两种种结构，用户户可根据实际际需要选择星星型或网状拓拓扑结构，或或者介于二者者之间的拓扑扑结构。本文文根据工业现现场的实际要要求，采用星星型和网状结结合的两层网网络拓扑结构构，第一层是是网状结构，由由网关和路由由设备构成;第二层是星星型结构，由由路由设备以以及现场设备备构成。其中中，网关负责责无线HARRT网络与工工厂内的其他他网络的协议议转换与数据据映射。簇首首作为网络管管理者的代理理，负责构建建由现场设备备和路由设备备构成的星型型结构，监测测星型结构性性能;作为安安全管理者代代理，负责合合并及转发簇簇成员的数

3、据据;负责转发发其他簇首的的数据。簇成成员负责获取取现场数据并并发送到簇首首。2 无线HARRT数据链路路层协议无线HART数数据链路层包包括逻辑链路路层协议(LLLC)和介介质访问控制制层协议(MMAC)，数数据链路层主主要定义数据据帧格式，介介质访问控制制层主要负责责管理和协调调通信资源的的分配和使用用。2.1 逻辑链链路层2.1.1 帧帧格式其中，地址指示示为无线HAART网络支支持两种地址址格式，一种种用于局域网网的短地址，一一种用于广域域网的长地址址。其中短地地址由16位位二进制组成成，用户可自自行定义：长长地址由644位二进制数数组成，644位中高244位表示设备备ID，低224位

4、表示00UI地址(由IEEEE STD 802.115.4协议议分配，其中中无线HARRT的OUII地址为0xx001811E)，中间间16位表示示设备类型(设备生产厂厂家确定);时序号为绝绝对时序号的的最低8位;网络ID为为无线HARRT根据网络络应用类型确确定的网络IID号：数据据包指示为数数据包指示由由8位二进制制数组成，低低3位表示数数据包的类型型，第4位表表示网络密钥钥，第5、66位表示数据据包的优先级级。无线HART数数据包分为AACK、Addvertiise、Keeep allive、DDisconnnect、DData5种种类型，分为为命令、过程程数据、一般般、报警4种种优先级

5、。发发送数据来自自网络层并需需要发送的数数据。MICC为网络授权权检测。CRRC为数据完完整性检测。2.2 MACC协议分析无线HART链链路调度主要要通过以邻居居表位核心的的五张表实现现，其中超帧帧表记录超帧帧的分配和使使用状态;链链路表记录链链路(通信资资源)的分配配和使用状态态;邻居表记记录着节点本本身的邻居节节点(处于节节点单挑通信信范围之类的的节点称为该该节点的邻居居节点);路路由表记录着着多跳网络中中的路由信息息;缓冲表存存储着待发送送的数据同时时记录优先级级以及等待时时间等状态。无线HART网网络中每一个个节点都支持持多个超帧，网网络管理者完完成超帧的构构建和维护，并并根据网络需

6、需求进行时隙隙链路的分配配。每一个超超帧包含一定定数量的时隙隙。超帧一旦旦建立，网络络管理者为该该超帧增加、删删除、优化链链路时隙。一一旦分配时隙隙，超帧应该该使能从而允允许链路的调调度。链接表表中一个链接接表示一个通通信机会，通通过链接表实实现目标邻居居节点的识别别，时隙、超超帧序列号、发发送接收方向向、链路类别别、信道。邻邻居表维护并并记录着一组组能与节点直直接通信(单单跳)邻居节节点，通过邻邻居表可查询询邻居节点地地址、时钟源源标志、通信信数据量、节节点最后通信信时间、通信信节点状态、节节点通信优先先级。图表提提供上行和下下行多跳网络络的路由信息息，其元素主主要由多个路路由路径节点点信息

7、，图标标主要由网络络管理者实现现管理。缓冲冲表主要用于于节点存储待待发送数据，记记录着数据包包的ID、优优先级、目的的地址类型、保保存时间。3 无线HARRT数据链路路层设计与实实现3.1 通信资资源分配无线HART网网络采用频分分多址(FDDMA)和时时分多址(TTDMA)混混合的信道访访问机制。无无线HARTT协议采用集集中式资源分分配方式，即即通信资源由由网络管理器器统一分配。无无线HARTT网络工作于于2.4 GGHz射频频频段。为了保保证系统能在在非常恶劣的的工业现场通通信环境中实实时、可靠的的工作，无线线HART采用TDMA和和FDMA的的混合信道分分文机制。TTDMA技术术将每一

8、个时时隙复用到22.4 GHHz的16个个信道上，使使系统的有效效带宽提高了了16倍。为了进行资源分分配，首先建建立通信资源源矩阵。纵坐坐标表示信道道频率，横坐坐标表示时隙隙，矩阵中的的每个单元表表示一个通信信资源，每个个通信资源用用频率和时隙隙的二元组来来唯一标示。每每个矩阵元素素包含如下通通信资源和链链路的信息：占用标志位位，链路的源源节点、链路路的目的节点点、链路的类类型。矩阵中中每个元素都都被初始化为为0，当某个个通信资源已已经被分配，矩矩阵中对应元元素的占用标标志位被置为为1，并填充充相应的通信信资源信息。无线HART网网络中，通信信资源有NOORMAL、AADVERTTIS、JOO

9、IN和DIISCOVEERY 4种种类型，NOORMAL通通信资源主要要用于过程数数据和管理命命令的传输，AADVERTTISE通信信资源用于广广播网络信息息以方便新节节点加入网络络，JOINN通信资源用用于新设备加加入，DISSCOVERRY通信资源源用于邻居发发现。其中NNORM-AAL类型的通通信资源与路路由路径相关关，其他的资资源都与路由由路径无关，重重点考虑NOORMAL通通信资源的分分配。NORRMAL通信信资源分配以以所建立的拓拓扑结构为基基础，以图表表和邻居表为为分配图，根根据所建立的的两层结构进进行两层分配配。1)簇内通信 簇内所有的的通信节点的的通信资源位位于矩阵的同同一行

10、，并按按照时隙进一一步分配。对对于下行通信信，每一资源源的源地址为为簇首节点，目目的地址为节节点地址;对对于上行通信信，每一分资资源的源地址址为节点地址址，目的地址址为簇首节点点。2)簇间通信 簇间通信主主要是负责簇簇首与网关之之间的通信，而而其资源主要要占据矩阵中中两行，其中中上行网络通通信资源，一一行为下行网网络通信资源源。在资源不不满足的情况况下，可以根根据资源分配配的具体情况况进行拓展，但但必须以双行行网络为前提提，而且上行行还有下行资资源不能占据据同一个时隙隙。分配的路路径以图表和和邻居表为分分配路径，进进行上行和下下行节点的分分配。3.2 时间同同步实现整个网络的时钟钟同步对于无无

11、线HARTT的TDMAA通信是十分分必要的，设设备间的时钟钟偏移是不可可避免的，TTDMA网络络节点实现全全网完全同步步并不现实，而而且精确度越越高能量消耗耗就越大，因因此无线HAART节点需需要在精确度度与能耗之间间取得平衡，在在满足网络TTDMA时隙隙通信要求的的基础上尽可可能的降低能能耗。无线HART为为工业环境的的无线通信协协议，其对稳稳定性、可靠靠性有着比一一般通信网络络更高的要求求;而无线HHART作为为一个messh的无线通通信网需要实实现全局的时时间同步，但但是由于硬件件设备以及能能量等问题，使使得传统的有有线时间同步步的算法以及及常规的WSSN时间同步步算法无法在在无线HAR

12、RT中实现。为为此以最小能能耗为设计目目标，设计一一个多层次、全全局、不问断断的同步策略略应用简易但但有效的同步步算法实现无无线HARTT-TDMAA时间同步。图图1为相邻节节点通信。图1中描述了无无线HARTT节点A与节节点B间的一一次通信，节节点A在T11时刻发送一一个数据包给给节点B，节节点B在T22时刻接收到到A所发送的的数据包，节节点B在T33数据包发送送一个应答数数据包，节点点A在T4时时刻接收到BB所发送的应应答数据包。TT1、T2、TT3，T4为为节点时钟，四四者存在以下下关系：式中，表示A到B的时时间延迟，表示B到A的时时间延迟。在在整个通信过过程中，延迟迟主要发送在在层与层

13、间数数据传送以及及点与点之间间数据传输过过程中。式(1)中以及式(2)中中分别表示T1时时刻节点A对对节点B的时时钟漂移和TT4时刻节点点A对节点BB的时钟漂移移，尽管由于于环境因数(如温度、压压力等)的影影响，时钟漂漂移每一个时时刻都在发生生，二者并不不完全相等，但但一般情况二二者一次通信信进行的时间间间隔较短，可可以认为二者者几乎相等。同同样假定和相等。通过式(1)和和式(2)可可得出延迟时时间以及漂移移时间：节点将根据式(3)和式(4)所求出出的延迟时间间以及漂移时时间进行时钟钟的主动同步步与被动同步步。时钟同步由两步步骤完成，首首先选取时钟钟源，网络管管理节点作为为时钟服务器器，并选取

14、若若干节点作为为网络时钟源源：然后在同同步过程，每每一个节点通通过与时钟源源进行被动或或主动的时钟钟同步。其中中，主动同步步为当高层节节点向低层节节点发送数据据时，低层节节点记录数据据包实际到达达时间与计算算达到时间的的偏移调整本本地时钟;被被动同步为当当低层节点向向高层节点发发送数据时，底底层节点等待待并接收高层层节点的应答答数据包，并并利用应答数数据包中所包包含的时钟偏偏移信息进行行时钟调整。高层节点发送邀邀请数据包，待待加入节点接接收邀请数据据包并完成一一次被动同步步过程;高层层节点发送侦侦听数据包，判判断临近节点点是否处于网网络并完成一一次被动同步步过程;低层层节点通过接接收一次数据据

15、包完成一次次被动同步过过程;底层节节点通过接收收高层节点的的应答数据包包完成一次主主动同步过程程。整个同步步网络低层同同步高层，整整个网络时钟钟以根时钟源源为基准实现现整个网络的的时钟同步。根根时钟源可根根据实际情况况采用可行方方法(如GPRSS等)与理想想时钟同步。3.3 数据链链路调度实现现3.3.1 调调度数据链路层在实实现无线HAART网络全全网时钟同步步的基础上，主主要负责链路路的调度，控控制着数据的的发送和接收收，从而保证证网络的正常常通信。链路路调度通过查查询活动超帧帧表、链接表表、数据等表表从而决定下下一个将要通通信的时隙。所所有的接收链链接将会被允允许通信。网网络层发出发发送

16、数据请求求，若待定表表中已无空余余空间，调用用失败，否则则数据包进入入待定表中的的同时查询等等待表是否存存在相同目的的地址的高优优先级数据包包，若不存在在，数据包进进入等待表中中等待发送，否否则保存在待待定表中，待待发送表根据据目的地址的的类型进行查查询，邻居地地址查询邻居居表、图地址址查询图表的的基础上再查查询邻居表，最最终邻居地址址、图地址、广广播地址、代代理地址的44种都将查询询链路表获得得相应链路并并设置为发送送类型(TXX=1)，之之后进入等待待状态。当ASN到达相相应时隙，数数据包根据TTXRX的值值进入发送、接接收、休眠状状态。如图22所示。3.3.2 状状态机图3为TDMAA状

17、态机，该该状态机建立立在逻辑链路路层所建立的的四张调度表表以及调度机机制的基础上上，TDMAA状态机开始始于节点加入入无线HARRT网络，加加入的同时建建立状态机所所需要的超帧帧表、图表、链链路表，开始始从邻居节点点接收数据并并以此为基础础建立邻居表表。节点维护护存储着一列列待发送数据据包，当一个个发送时隙发发生，节点将将会尝试发送送数据包。发发送数据包包包括发送数据据包和接收AACK应答两两个过程。当当一个发送时时隙产生，进进入发送状态态。成功发送送一个广播地地址的数据包包在数据包发发送之后结束束，并从等待待表中删除。成成功发送一个个非广播地址址的数据包，节节点将等待AACK应答数数据包，A

18、CCK数据包将将表明数据包包是成功接收收还是出现接接收错误。如如果目的地址址是广播地址址，将不会有有ACK应答答数据包，发发送完成并进进入空闲状态态进行调度表表的更新;成成功发送一个个非广播地址址数据包，进进行数据完整整性和权限完完整性检验，TTDMA状态态机进入等待待ACK状态态，如果无AACK应答表表明发送失败败。如果是一一个共享链接接，将启动重重发机制，若若最终依然失失败，进入空空闲状态更新新调度表。如如果一个ACCK应答数据据包被成功接接收，节点根根据ACK确确定发送是否否成功，若发发送成功，进进入空闲状态态更新调度表表。如果显示示发送错误，将将启动重发机机制。所有的的接收链接都都将在没有发发送请求的基基础被全部服服务，节点接接收数据有三三种可能：11)数据包的的目的地址就就是节点地址址;2)数据据包目的地址址是路由地址址;3)数据据包目的地址址非以上两种种情况。每一一次接收数据据，邻居表都都将被更新维维护。4 结论以无线HARTT协议为基础础根据工业现现场的特点，设设计并实现了了数据链路层层协议模型。在在以无线HAART适配器器节点为平台台的实验结果果表明，模型型所实现的时时钟同步精度度达到30s，满足工工业现场要求求的前提下降降低了节点的的能耗，以模模型为基础的的无线HARRT节点成功功组建形成无无线HARTT单跳网络。