王明達(dá) 田沛

摘要：概述無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，描述了ISA100.11a數(shù)據(jù)鏈路層的主要關(guān)鍵技術(shù)，包括數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元、共存策略、信道跳躍方案、數(shù)據(jù)鏈路層路由方案、鄰居發(fā)現(xiàn)，最后分析總結(jié)了數(shù)據(jù)鏈路層的特色及優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)無(wú)線；ISA100.11a；數(shù)據(jù)鏈路層；共存策略1引言

無(wú)線技術(shù)被廣泛采用,幾乎集成到我們?nèi)粘Ｉ畹拿恳粋€(gè)部分。由一些組織和機(jī)構(gòu)引入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)到工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化證明了無(wú)線技術(shù)有很多的好處。可靠性、靈活性、自動(dòng)化解決方案費(fèi)用的有效性和降低成本，通過(guò)改變自動(dòng)化系統(tǒng)采用無(wú)線的方式易于維護(hù)工業(yè)工廠是顯著的優(yōu)點(diǎn)。

2工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

隨著工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于工業(yè)無(wú)線自動(dòng)化應(yīng)用有一種趨勢(shì)那就是采用低功耗,成本和速率的標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee，其下層規(guī)范基于IEEE STD 802.15.4，它是操作于868/915MHz和2.4GHz頻段低速率的個(gè)人無(wú)線局域網(wǎng)的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)，作為一個(gè)低功耗/成本、監(jiān)視、控制的工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)一起出現(xiàn)。然而，事實(shí)證明Zigbee不適合于工業(yè)應(yīng)用主要是是因?yàn)樗荒軡M足工區(qū)控制的嚴(yán)格需求，涉及到關(guān)鍵性的遲延、安全和高可靠性。這些Zigbee都不能達(dá)到。因此兩個(gè)新的工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)WirelessHART和ISA100.11a出現(xiàn)了，他們有著明顯突出的嚴(yán)格的時(shí)延和高可靠性。WirelessHART是由HART通訊基金會(huì)于2007年9月正式發(fā)布的第一個(gè)開(kāi)放式的無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)，它可以概括為基于時(shí)分多址（TDMA）的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，運(yùn)行在不受限制的2.4GHz ISM無(wú)線電頻段，針對(duì)于有著嚴(yán)格的時(shí)間和安全需要的工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程。除此之外，由我國(guó)提出的工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)被稱(chēng)為工業(yè)自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)-過(guò)程自動(dòng)化（WIA-PA）并且獲得了IEC國(guó)際組織的認(rèn)可。

ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)。ISA100.11a是由ISA標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)踐董事會(huì)在2009年9月通過(guò)并且作為官方的一個(gè)ISA標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是對(duì)于過(guò)程控制和相關(guān)的應(yīng)用提供可靠的安全的無(wú)線通訊和操作。ISA SP100委員會(huì)的目標(biāo)是ISA100標(biāo)準(zhǔn)族，它是一系列的工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)包括不同的應(yīng)用比如過(guò)程應(yīng)用，資產(chǎn)追蹤和認(rèn)證等等。ISA100.11a是ISA100標(biāo)準(zhǔn)族的第一個(gè)對(duì)于過(guò)程自動(dòng)化包括管理和安全的范圍有著明確規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

3ISA100.11a數(shù)據(jù)鏈路層

總的來(lái)說(shuō)，該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)安全性、可靠性和在惡劣的工業(yè)環(huán)境中基于IEEE STD 802.15.4物理層無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間數(shù)據(jù)包的無(wú)錯(cuò)誤傳輸。ISA100.11a使用IEEE Std 802.15.4的媒體訪問(wèn)控制層，但是僅僅使用其數(shù)據(jù)幀。MAC的擴(kuò)展（MAC extension），其包括了數(shù)據(jù)鏈路層的某些方面IEEE沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)定但是在邏輯上是媒體訪問(wèn)控制層（MAC）的功能。數(shù)據(jù)鏈路層上層（Upper Data Link）負(fù)責(zé)處理在MAC之上的鏈路和網(wǎng)狀方面的問(wèn)題。

3.1 共存策略

由于2.4GHz頻段是ISM非限制頻段的一部分，對(duì)于可靠性和共存問(wèn)題，該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層采用了：時(shí)分多址（TDMA）基于時(shí)隙和調(diào)度操作來(lái)減少在網(wǎng)絡(luò)中傳播的可能碰撞；信道跳躍方案來(lái)減小交叉干擾或者是多徑衰減；由安全機(jī)制提供的數(shù)據(jù)驗(yàn)證和完整性，同時(shí)還提供一種不作為默認(rèn)設(shè)置的數(shù)據(jù)保密性的選擇；限制使用有著相對(duì)較高的干擾和可能性錯(cuò)誤信道，比如信道黑名單，頻譜管理；可配置的時(shí)隙在10到12ms之間。

3.2 信道跳躍方案

基于來(lái)自IEEE STD 802.15.4物理層多個(gè)信道的可用性，ISA100.11a結(jié)合TDMA定義的信道跳躍方案提出了信道多樣性和時(shí)間多樣性的三種跳信道方案來(lái)進(jìn)一步減小在相對(duì)較高的干擾下進(jìn)行通訊的可能性。它們是時(shí)隙跳信道，慢跳信道和混合跳信道。

在時(shí)隙跳信道中，每個(gè)時(shí)隙使用在跳躍模式中下一個(gè)繼承的無(wú)線電信道。時(shí)隙跳躍中的時(shí)隙應(yīng)當(dāng)有持續(xù)時(shí)間并且能夠適應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的事物比如DPDU和它的ACKs/NACKs。時(shí)隙跳信道在時(shí)隙明確分配的通訊中使用。在慢跳信道的過(guò)程中一個(gè)信道被連續(xù)的時(shí)隙占用，并且慢跳信道持續(xù)時(shí)間典型的是系統(tǒng)管理者指定的100~400ms。更長(zhǎng)的時(shí)隙持續(xù)時(shí)間能夠支持設(shè)備不精確的時(shí)間設(shè)定或者是設(shè)備臨時(shí)和網(wǎng)絡(luò)失去通信，同時(shí)，信道15、20和25被用于設(shè)計(jì)作為慢跳信道并且也可能被用于鄰居發(fā)現(xiàn)。方便想要加入一個(gè)確定網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備能夠主要掃描現(xiàn)場(chǎng)路由器在這些信道上的特定網(wǎng)絡(luò)的廣播?；旌咸诺缹?shí)際上是一個(gè)自適應(yīng)的慢跳信道和時(shí)隙跳信道的結(jié)合，時(shí)隙跳信道適合與有計(jì)劃和安排的信息，并且慢跳信道適用于難以預(yù)測(cè)的信息比如警報(bào)和重試。

3.3 數(shù)據(jù)鏈路層路由方案

由于ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)有著子網(wǎng)的概念，所有在數(shù)據(jù)鏈路層它也會(huì)執(zhí)行路由策略。在ISA100.11a的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，在數(shù)據(jù)鏈路層的基礎(chǔ)上通過(guò)系統(tǒng)管理者配置，信息能夠遍歷子網(wǎng)。一旦信息路由至主干網(wǎng)絡(luò)路由（子網(wǎng)的終端），它將被裝配上網(wǎng)絡(luò)層的首部，目的是通過(guò)主干網(wǎng)絡(luò)被路由至它的最終目的地。

設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈路層支持圖路由和源路由。路由表比如圖ID或者是源路由表都被存儲(chǔ)在DL首部一個(gè)特定的區(qū)域。來(lái)源于鄰居發(fā)現(xiàn)，設(shè)備已經(jīng)產(chǎn)生一個(gè)確定數(shù)量的報(bào)告來(lái)給周?chē)泥従颖砻鳟?dāng)前信息和過(guò)去的鏈接。然后系統(tǒng)管理者能夠分析這些參考，目的是配置符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的路由需求。因此所謂的自適應(yīng)性DL路由能夠很方便的實(shí)現(xiàn)原因是在一個(gè)持續(xù)的進(jìn)程中基于鄰居發(fā)現(xiàn)的生成報(bào)告，基于生成報(bào)告系統(tǒng)管理者能夠優(yōu)化路由的選擇。

3.4 鄰居發(fā)現(xiàn)

鄰居發(fā)現(xiàn)是一個(gè)至關(guān)重要的步驟對(duì)于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的操作來(lái)維持和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到要求的可靠性和效率。它也是一個(gè)持續(xù)的進(jìn)程，在整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行周期都被執(zhí)行，從未配置狀態(tài)開(kāi)始并且延伸至加入過(guò)程及加入網(wǎng)絡(luò)以后。通常鄰居發(fā)現(xiàn)包含兩個(gè)步驟：

⑴想要加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備發(fā)現(xiàn)和接收廣播來(lái)初始加入請(qǐng)求，這個(gè)廣播包含了來(lái)自指定廣播路由或者代理的網(wǎng)絡(luò)信息。

⑵在變成網(wǎng)絡(luò)的一份子之后，設(shè)備發(fā)送和接收廣播到/來(lái)自它的鄰居來(lái)構(gòu)建內(nèi)部的候選名單目的地是幫助系統(tǒng)管理者來(lái)更新和優(yōu)化最終的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)狀配置。

ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)在鄰居發(fā)現(xiàn)上不但像WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)一樣保持相同的被動(dòng)偵聽(tīng)方案，目的是節(jié)約能源，而且提出了一個(gè)主動(dòng)掃描的方案，這個(gè)方案是主動(dòng)請(qǐng)求廣播。主動(dòng)請(qǐng)求主機(jī)在主動(dòng)請(qǐng)求的模式下也能夠配置周期性在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)送廣播信息，為的是方便設(shè)備執(zhí)行被動(dòng)掃描。設(shè)備如何完成鄰居發(fā)現(xiàn)的方式是由子網(wǎng)的系統(tǒng)管理者通過(guò)和DL管理對(duì)象及其DMAP屬性相互交流管理來(lái)調(diào)度和配置的。此外，還提供了一種過(guò)濾機(jī)制，這種機(jī)制將子網(wǎng)的ID和請(qǐng)求聯(lián)系起來(lái)以便只有首選的一組子網(wǎng)廣播信息被偵聽(tīng)到。

4總結(jié)

根據(jù)上文的分析可以發(fā)現(xiàn)，ISA100.11a無(wú)線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括和延伸了其它標(biāo)準(zhǔn)比如WirelessHART已經(jīng)存在的服務(wù)和功能。例如可配置的時(shí)隙，更多的信道跳躍方案的選擇來(lái)適應(yīng)具有不同時(shí)間能力的設(shè)備。此外，它還開(kāi)發(fā)了一系列的可選方案，這使得能夠有更加靈活的解決方案，例如數(shù)據(jù)鏈路層子網(wǎng)路由。所有數(shù)據(jù)鏈路層的行為都被由系統(tǒng)管理者通過(guò)和管理對(duì)象的交互作用進(jìn)行管理和維護(hù)的。

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