[发明专利]一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法。

背景技术

无线网络技术已经开始应用于工厂自动化领域，并逐渐成为发展的热点。相对于传统的有线总线技术，无线技术具有易安装、易维护的优势，并且能够避免设备因移动导致的线缆易老化，滑环之间电力接触易失败等问题。因此在面向高速车间级的工厂自动化中，无线技术非常具有应用潜力。

无线通信中，多个终端共享信道资源引发冲突问题。为了解决这个问题，IEEE 802.11协议提出了两种方法，一种是分布式协调功能（DCF，Distributed Coordination Function）模式下的带冲突避免的载波多路访问（CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）机制，另一种是点协调功能（PCF，Point Coordination Function）模式下的轮询机制。

DCF模式下的CSMA/CA机制采用随机的冲突退避算法，无法满足车间级工业无线网络对时延的确定性要求。此外，车间级工业无线网络往往要求较大的网络规模，导致大量节点竞争信道的状况更加严重。上述情况下，CSMA/CA机制在实时性和可靠性方面难以满足工业应用的需求。

PCF模式下的轮询机制保证每个节点只有在被允许的情况下才能占有信道发送数据，因此可以较大程度地冲突避免。

图1所示为PCF轮询机制下的各个节点接入信道的调度情况。其中，接入点（AP，Access Point）作为点协调者，在无竞争访问阶段(CFP，Contention-Free Period)内依次轮询三个节点。AP首先广播信标beacon，发布CFP阶段的相关信息；其他节点收到beacon后，等待接收AP的轮询报文；经过短帧间间隔（SIFS，Short InterFrame Space）时间后，AP向节点1发送轮询报文，节点1收到轮询报文并有数据需要发送，则在SIFS时间后发送。随后，AP向节点2发送轮询报文，站点2没有数据需要发送，则不做响应；AP在PCF帧间间隔（PIFS，PCF InterFrame Space)）内未收到节点2的响应，则向节点3发送轮询报文，站点3收到轮询报文后向AP发送其缓存中的数据。

现有轮询方法的协议开销大。工业无线网络中的报文往往较短，AP从节点获得一个报文而需发送的轮询报文占据大量带宽，导致控制报文的开销较大；特别是当节点没有数据需要发送时，轮询失败。此时，轮询机制的资源利用率虽然高，但轮询报文本身占据了大量带宽，不仅不能提高网络的有效吞吐量，而且当频繁发生轮询失败时，将导致网络的吞吐量明显下降。此外，当网络规模较大时，由于需要轮询每一个节点，整个轮询周期较长，难以满足工业应用对实时性的要求。

除了上述两种方法，能够解决多个无线通信终端共享信道资源引发的冲突问题，还有以下方法：

时分多路访问（TDMA，Time Division Multiple Access）机制因其有效避免冲突的特性，可以保证确定性的通信时延。TDMA机制除了时间同步开销外，协议自身的开销较小。然而，为了满足工业无线网络的可靠性需求，TDMA机制需要在时隙分配过程中为每个节点分配大量的重传时隙，而这些重传时隙的使用率往往较低。因此，静态分配的TDMA机制的资源利用率较低，对于较高可靠性和实时性要求的网络，网络中无法容纳较多的节点，难以满足工业应用的大规模需求。

正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）属于多载波调制技术，其原理在于将信道划分为若干个正交的子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。OFDM技术已经大量应用于无线通信中，如IEEE 802.11a/g，但现有的无线通信技术仅利用了OFDM技术物理层的数据高效传输功能，尚未利用OFDM技术来实现低开销、高带宽利用率的MAC层功能。

发明内容

针对现有方法开销较大、资源利用率低、性能无法保障等问题，本发明提出了一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法，旨在解决现有面向工业无线网络的轮询技术开销大、TDMA方法带宽利用率低、实时性和网络规模等难以保证的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于OFDM技术的工业无线网络频域轮询方法，其特征在于，包括以下步骤：

轮询初始配置：AP为新加入网络的节点分配轮询组ID和子载波ID；