實時工業(yè)無線局域網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議的研究.pdf

1、隨著工業(yè)控制等實時系統(tǒng)網(wǎng)絡通信中工作站需要傳輸數(shù)據(jù)量的增長,以及數(shù)據(jù)類別的增多,傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術漸漸不能滿足實時工業(yè)控制的需要.人們開始考慮將通用的以太網(wǎng)或無線局域網(wǎng)等局域網(wǎng)技術運用到工業(yè)現(xiàn)場的通信中.其中無線局域網(wǎng)由于不需增加額外的布線,并且支持節(jié)點的位置移動,因而近年來受到更多的青睞.但是這些局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制協(xié)議先天具有著令數(shù)據(jù)幀等待時間不確定等缺點,所以不適合直接應用在對實時性具有要求的通信中.因此能夠保證對系統(tǒng)安全性起到至

2、關重要的實時數(shù)據(jù)的傳輸?shù)却龝r間上界,并且滿足多類數(shù)據(jù)幀的不同實時性要求的實時無線局域網(wǎng)介質(zhì)訪問控制協(xié)議具有很大的研究價值.數(shù)據(jù)幀的等待傳輸時間(延遲)的均值和二階矩是衡量一個實時通信網(wǎng)絡的重要的性能參數(shù).尋找這些物理量的解析值求解算法歷來是一個重要的研究內(nèi)容,現(xiàn)有的研究結(jié)果只是能對工作站具有一類數(shù)據(jù)幀,服務策略采用窮盡式或門限式時給出精確的求解過程. 分析以往的研究成果發(fā)現(xiàn),在設計實時局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制協(xié)議時一般忽略了對突發(fā)性

3、實時數(shù)據(jù)幀生成過程的考慮.如果假定數(shù)據(jù)幀的到達服從泊松分布,采取任何措施都不能保證相鄰的兩個實時幀都能在規(guī)定的最大等待時間內(nèi)被成功傳輸.本文在考慮了安全關鍵系統(tǒng)中實時幀的到達特點之后,在泊松分布基礎上定義了一種相鄰幀到達時刻間距具有最小值限制的隨機分布.于是本文的基于競爭與基于輪詢的兩種實時協(xié)議便都可以保證最高傳輸優(yōu)先級別的數(shù)據(jù)幀在規(guī)定的上界時間內(nèi)被成功傳輸.本文的主要工作和貢獻有以下幾個方面: ◇研究了工作站只含一類數(shù)據(jù)幀的情

4、況,根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的不同工作站分為突發(fā)性實時節(jié)點、周期性實時節(jié)點和非實時節(jié)點.對周期性節(jié)點信道預留指定的時間段傳輸,而突發(fā)性實時節(jié)點通過RTS/CTS方式優(yōu)先傳輸.◇研究了由中央節(jié)點(即服務器)負責輪詢的系統(tǒng)模型,每個工作站產(chǎn)生兩類需要區(qū)分傳輸優(yōu)先級別的數(shù)據(jù)幀,即實時幀和非實時幀.相應地工作站通過窮盡式和門限式服務策略傳輸這兩類數(shù)據(jù)幀.本文給出了兩類幀的平均等待時間的解析結(jié)果的精確求解算法,并用仿真實驗的結(jié)果進行了驗證. ◇研究

5、了當輪詢系統(tǒng)中工作站的兩類幀的到達過程都服從一種到達時間間距受限的泊松分布情況下,數(shù)據(jù)幀的平均等待時間.在此模型中兩類幀的等待時間均具有確定的上界值.本文給出了近似的等待時間均值求解算法.◇接下來的研究中,通過限制每次服務非實時幀的最大訪問時間的方式來保證實時幀的有界傳輸.在這種基于輪詢的實時介質(zhì)訪問控制協(xié)議(PB-RTMAC)中,令實時幀服從受限的泊松分布,而非實時幀服從一般的泊松分布.當輪詢信息到達時,工作站分別采用窮盡式與K-有限

6、式服務策略傳輸兩類數(shù)據(jù)幀.通過Matlab仿真程序研究了服務參數(shù)對于輪詢系統(tǒng)性能參數(shù)的影響. ◇最后本文研究了一種基于競爭的、用在無線局域網(wǎng)上的實時訪問介質(zhì)協(xié)議(CB-RTMAC).除了在兩個實時幀發(fā)生傳輸沖突的時候,由接入點(AP)輪詢控制工作站的發(fā)送順序外,平時各個工作站通過競爭的方式獲得信道的訪問權.但是由于實時幀比非實時幀等待較短的幀間隙時間,所以實時幀的平均等待時間要小于非實時的平均等待時間.本文分析了實時幀的最人等待