[发明专利]一种基于信道模型的工厂自动化无线网络ARQ重传方法

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信道模型的工厂自动化无线网络ARQ重传方法。

背景技术

工业无线网络技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低工业测控系统成本，提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。工业无线网络技术面向设备间短程、低速率信息交互，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征，是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，并最终转化为新的无线技术标准。目前，工业无线网络技术应用于高速的工厂自动化领域，成为继面向过程自动化的工业无线网络技术之后，国际上无线网络技术竞争的又一焦点。相对于传统的有线总线技术，工厂自动化无线网络不仅具有低成本、易安装、易维护的优势，而且能够避免设备因移动导致的线缆易老化、线缆污染、滑环电力接触易失败等问题。然而，工厂自动化对无线通信系统有着更苛刻的要求：（1）高可靠性，可靠性达99.99%；（2）高通信速率，传输速率在Mbit/s的量级；（3）高实时性，要求延迟低于10ms；（4）大规模网络，要求支持百点至千点的节点数量。

对应于工厂自动化无线网络的上述要求，IEEE 802.11标准族因其物理层具有高速的特点以及单跳网络具有高实时性的特点，成为工厂自动化无线网络物理层的首选。同时，时分多路访问（TDMA，Time Division Multiple Access）机制因其确定性的资源分配以及有效避免冲突的特点，可以实现较高的可靠性和实时性。而这些对于工厂自动化的高指标要求还不够，因为与有线链路相比无线链路的报文传输有较大的不确定性，通过在无干扰短距离的环境内现场测试，发送功率为20dBm的IEEE 802.11射频芯片的丢包率为0.2245%，因此就需要设置多个重传时隙达到其可靠性要求。根据公式（1），每个报文至少需要3个重传时隙才能达到99.99%的可靠性，其中P为n次重传后的可靠性，P_e为单次传输的丢包率。

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高可靠性与大规模网络在高实时性的无线网络中成为了一对矛盾体。如果采用WirelessHART、ISA100.11a等目前面向过程自动化网络标准所采用的方法，为每个网络设备预留固定数目的重传时隙的方法，则需要为大量网络设备分配大量的重传时隙，从而导致通信资源的过度浪费。

自动重传请求（Automatic Repeat-reQuest，ARQ）技术是无线通信系统中保证数据可靠传输的关键技术之一，通过重传的方式实现可靠传输，已经被广泛应用于非实时数据传输系统中。

传统的ARQ技术是开放式系统互联（Open System Interconnect，OSI）模型中数据链路层的错误纠正协议之一。它通过使用确认和超时这两个机制，如果发送方在发送后一段时间之内没有收到确认帧，它就会重新发送直到其收到确认帧为止。传统的ARQ技术是在不可靠服务的基础上实现可靠的信息传输，其针对的是发送端与单个接收端间的报文传输与确认的研究，而未涉及在有限时间内达到限定的可靠性指标的相关研究，以及在TDMA网络中发送端与多个接收端间数据报文与确认帧的发送时隙资源分配方面的相关研究。更为重要的一点是在传统ARQ中针对每个报文都进行ACK应答，这种方法如果运用到节点数量较大的工厂自动化无线网络中，会因接入点（Access Point，AP）与各站点间频繁的ACK报文传输而浪费大量的通信资源。因此针对工厂自动化无线网络中网络规模大与实时性高等特点，亟需一种在TDMA调度下达到给定可靠性指标的高效率、低开销的ARQ重传方法。

TDMA机制下ARQ重传时隙的分配需要AP广播资源分配报文，当重传次数较多时，AP在每组重传时隙前都需要预先分配网络资源，并广播资源分配报文，这一方面会为TDMA系统带来很大开销，另一方面这种频繁的时隙分配也无法满足工厂自动化网络高实时性的要求。

发明内容