任振興

摘要：該文對LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議模型進行了分析，采用MATLAB7.4.0仿真軟件對LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)通信實時性進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，影響通信實時性能的主要因素是不同站點數(shù)下的負載提供情況。網(wǎng)絡(luò)在輕負載情況下，如果提供負載不超過400包/s，節(jié)點數(shù)在一定數(shù)目下，沖突率就能控制在2%以下，同時平均訪問延時在負載為400包/s時也是很小的；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在輕負載情況下，隨著BL值的增加，插入的隨機時間片減少，節(jié)點發(fā)送速度較快；在重負載下，隨著BL值增加，插入的隨機時間片較多，可有效避免沖突。最后初步提出幾種改善LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)通信延遲的可行性方法。

關(guān)鍵詞：LonWorks總線；實時性；沖突；仿真

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）30-0217-03

LonWorks（Local Operating Network，局部操作網(wǎng)絡(luò)）是美國Echelon公司開發(fā)的一種局域網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能夠建立生產(chǎn)過程現(xiàn)場級設(shè)備之間及其與更高控制管理層之間的通訊，負責(zé)底層設(shè)備數(shù)據(jù)的上傳和管理層控制命令的下達。實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化功能。已在電力監(jiān)控系統(tǒng)、制造自動化、過程自動化、樓宇、交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1][2]。由于LonWorks網(wǎng)絡(luò)為底層控制網(wǎng)必須滿足對現(xiàn)場控制設(shè)備的實時性和信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝砸?。LonWorks總線使用LonTalk協(xié)議，其介質(zhì)訪問控制層采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問（CSMA/CD）控制方式。各個站點采用“優(yōu)先級可預(yù)測P—持續(xù)CSMA/CD”二進制指數(shù)退避算法來處理沖突，導(dǎo)致每次信號重發(fā)的等待時間不一致，使得通信延遲時間不確定?？紤]LonWorks網(wǎng)絡(luò)的通信延遲降低監(jiān)控系統(tǒng)的實時性能，因而目前對LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)實時性能進行分析是LonWorks技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一。

1 LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型分析

1.1 協(xié)議模型

LonWorks總線采用LonTalk協(xié)議，LonTalk協(xié)議的 MAC子層的報文周期見圖1[3]。由圖1可知[β1]出現(xiàn)在一幀報文的后面，其中[β1]是一個空閑時間，作用是隔離信道上的所有報文幀，在[β1]期間沒有任何信息傳送才表示網(wǎng)絡(luò)空閑，任何節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前需先確定網(wǎng)絡(luò)是否空閑。緊跟在[β1]后的是優(yōu)先級時間片，它由大小相等的n個傳送延時Tslot組成，LonTalk協(xié)議規(guī)定n值可以為128，緊跟在優(yōu)先級時間片后面的是隨機時間片，它由大小相等的傳送延時[β2]組成，隨機傳送延時[β2]的個數(shù)允許為1008個，優(yōu)先傳送延時Tslot和[β2]的大小相等。LonTalk協(xié)議規(guī)定在一個報文周期內(nèi)只能有一幀報文被發(fā)送，Tslot對應(yīng)的節(jié)點比[β2]對應(yīng)的節(jié)點優(yōu)先級高，越靠近[β1]的傳送延時對應(yīng)的節(jié)點優(yōu)先級就越高。

節(jié)點發(fā)送報文前隨機插入[0～w]個隨機時隙，為此信道中的任一節(jié)點在發(fā)送報文之前平均插入了[w2]個隨機時隙，公式為[w=BL×wbase]，其中[w]會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載變化而變化，[wbase]是基本隨機窗口內(nèi)隨機時隙的個數(shù)，在此BL為某一時刻網(wǎng)上將發(fā)送消息包的數(shù)目的預(yù)估值，[wbase]=16。

節(jié)點有報文需要利用信道發(fā)送時，首先需要在[β1]周期內(nèi)確認網(wǎng)絡(luò)是否空閑，是否有報文。若網(wǎng)絡(luò)被確認為空閑，一個隨機等待時間會被節(jié)點產(chǎn)生，隨機等待時間為[0～w]隨機時間片[β2]中的一個，待到延時結(jié)束，網(wǎng)絡(luò)仍被確認為空閑，這個時候節(jié)點才可以發(fā)送報文；否則，節(jié)點檢測是否需要接收信息，然后再重復(fù)MAC算法。

BL值是某一時刻網(wǎng)上將發(fā)送信息包的數(shù)目的預(yù)估值，每個節(jié)點都有一個當(dāng)前信道使用情況的BL估計值。當(dāng)檢測到一個MPDU（報文格式）發(fā)送或接收時，BL值會增加1；同時每隔一個固定報文周期BL值會減1，然后BL值會被放到MPDU/LPDU中。由于BL值需要大于等于1，所以當(dāng)BL值為1時就不再減了。

概率[p]值的動態(tài)變化與隨機時隙數(shù)的動態(tài)變化之間的關(guān)系說明如下：

（1）概率[p]值的動態(tài)變化取決于隨機時隙數(shù)的動態(tài)變化。

當(dāng)網(wǎng)上將發(fā)送的信息包的數(shù)目增加時，數(shù)據(jù)將被節(jié)點分布在更多的時隙上發(fā)送，參數(shù)BL（backlog）決定了增加的時隙數(shù)量，其中BL為網(wǎng)絡(luò)負載，BL的取值范圍為1～63，隨機時隙數(shù)目R=16×BL=16～1008。

（2）節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)負載的預(yù)測能力決定了隨機時隙數(shù)目的動態(tài)變化。

每一個節(jié)點在網(wǎng)上啟動發(fā)送信息之前，首先隨機時隙數(shù)會根據(jù)BL值進行調(diào)整，然后以概率[1BL?16]在某一隨機分配的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。每一個網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點都擁有一個自己的BL值，BL是節(jié)點對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負載的估計。BL是按照如下方法預(yù)測得出的：節(jié)點在它發(fā)送的消息包中增加了接收到該消息需要肯定應(yīng)答的節(jié)點數(shù)目，也就是發(fā)送消息包將帶來的應(yīng)答數(shù)信息，新的BL值由收到該信息包的節(jié)點的BL值加上對應(yīng)的應(yīng)答數(shù)得來，從而達到更新隨機時隙的目的，同時節(jié)點在發(fā)送完消息包時，它的BL值將會自動減l，必須選擇應(yīng)答服務(wù)才能實現(xiàn)預(yù)測，如果應(yīng)答服務(wù)類型被數(shù)據(jù)包所采用，則可以預(yù)測50%或更高的網(wǎng)絡(luò)負載。

2 LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信延遲分析

2.1 LonTalk協(xié)議的實時特性

有多個節(jié)點設(shè)備同時在總線上發(fā)送報文時會產(chǎn)生沖突，根據(jù)退避算法，各節(jié)點設(shè)備發(fā)送報文之前等待一段時間。LonTalk網(wǎng)絡(luò)的通信延時主要包括以下幾點。

1）數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r[Ttran]：從數(shù)據(jù)進入發(fā)送節(jié)點的排隊隊列時起，至目的節(jié)點成功接收該數(shù)據(jù)時止；

2）數(shù)據(jù)排隊的延時[Tque]：從數(shù)據(jù)進入發(fā)送節(jié)點的排隊隊列時起，到該數(shù)據(jù)所在隊列的前面數(shù)據(jù)被發(fā)送完時止；

3）數(shù)據(jù)阻塞的時間[Tblock]：從節(jié)點將向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)時起，到將數(shù)據(jù)真正發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上為止；

4）數(shù)據(jù)發(fā)送的凈延時[Tframe]：完整的數(shù)據(jù)被一次性成功發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上所需要的時間。數(shù)據(jù)的幀長度和比特位時間[Tbit]等參數(shù)決定了該時間的大小；

5）通道傳播的延時[Tprop]：該延時大小取決于數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸速度和目的節(jié)點與發(fā)送節(jié)點之間的距離；

6）接收的延時[Tdrv]：數(shù)據(jù)被目的節(jié)點完整接收所需要的時間。

由此得到：

在多數(shù)的實際控制應(yīng)用中，一個節(jié)點的新報文到來時，舊的報文就會丟失[3]，因此[Tque]可以忽略。總線傳輸距離不是很長，LonWorks的總線形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)最長距離為2700m[5]，因此[Tprop]和[Tdrv]可以忽略。所以式（1）可簡化為以下公式：

2.2 信道吞吐量和沖突率

吞吐量：指的是單位時間內(nèi)，信道成功傳輸?shù)膸颍〝?shù)據(jù)量）。在這里是信道比特率的百分比。設(shè)一個幀長度為[L]。

[τsucc]是一個幀周期傳輸報文成功的平均時間長度；

[τcoll]是一個幀周期傳送過程中發(fā)生碰撞的平均時間長度。

[dsucc]為平均時隙個數(shù)，在此節(jié)點贏得總線使用權(quán)開始傳輸數(shù)據(jù)。

[dcoll]為平均時隙個數(shù)，在此節(jié)點傳輸過程中發(fā)生沖突。

就目前所研究的吞吐量而言，一般取[β1=4bits]，[β2=2bits]，幀長度[L=96bits]。

沖突率：幀傳輸過程中發(fā)生沖突的小部分時間。

3 仿真結(jié)果及其分析

影響LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信延遲的主要因素是不同站點數(shù)下的負載提供情況，本文是在MATLAB7.4.0軟件環(huán)境下借助于TrueTime工具箱進行仿真，來分析這幾個參數(shù)對LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)實時性能的影響。對LonTalk MAC算法在不確認服務(wù)下仿真，假定數(shù)據(jù)包長度為12Bytes，信道速率為78kbps。

3.1站點數(shù)（節(jié)點數(shù)）下負載與信道吞吐量之間的關(guān)系。

由圖2可以看出，當(dāng)節(jié)點數(shù)個數(shù)很小時，即為2以內(nèi)，信道吞吐量隨著所提供負載的增長而增長，吞吐量達到最大值84%左右，將保持穩(wěn)定，即使負載再增長，吞吐量將保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)；當(dāng)節(jié)點數(shù)為6時，信道吞吐量隨著所提供負載的增長而增長，達到最大值75%左右，將保持穩(wěn)定，即使負載再增長，吞吐量將保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)；隨著節(jié)點的持續(xù)增多，信道所達到的最大吞吐量的值會持續(xù)下降，便穩(wěn)定在某一范圍之內(nèi)；最后當(dāng)節(jié)點數(shù)達到30時，信道吞吐量所能達到的最大值只有56%左右。

3.2不同站點數(shù)下負載與沖突率之間的關(guān)系仿真分析

由圖3可知：當(dāng)節(jié)點數(shù)為30時，對應(yīng)所提供的負載為1600包/秒時，這時的信道沖突率是最大的為60%；當(dāng)站點數(shù)減少到24時，信道沖突率隨著所提供負載的增長而增長，當(dāng)提供的負載為1600包/秒時，隨對應(yīng)的沖突率已減小到52%左右，并將穩(wěn)定在這個范圍內(nèi)，即使負載的增加。由圖可以看出，節(jié)點數(shù)越少，所對應(yīng)的沖突率就越小，最后當(dāng)節(jié)點數(shù)減少到2時，信道的沖突率基本保持在5%左右，即使負載的增加，信道沖突率將保持恒定不變。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在輕負載下，如果提供的負載不超過400包/秒，節(jié)點數(shù)在一定數(shù)目下，沖突率就能控制在2%以下。

3.3 不同站點數(shù)下的平均訪問延時與負載之間的關(guān)系仿真分析

由圖3可知，當(dāng)節(jié)點數(shù)為2～30時，對應(yīng)所提供的負載在800包/秒時，平均訪問延時將保持在最小值，延時幾乎為0，當(dāng)隨著所提供負載的增加，平均訪問延時也開始相應(yīng)的增加，節(jié)點數(shù)越多的，所對應(yīng)的平均訪問延時就越大，當(dāng)負載增加到1600包/秒時，對應(yīng)的平均訪問延時達到3200bit。因此可知網(wǎng)絡(luò)在輕負載情況下，如果所提供負載不超過400包/秒，節(jié)點數(shù)在一定數(shù)目下，平均訪問延時在這個范圍內(nèi)是很小的。

3.4 改善LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)實時性能的方法：

為滿足工業(yè)或企業(yè)所用系統(tǒng)的實時要求，用以下方法減少LonWorks網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延和沖突：

（1）一般影響網(wǎng)絡(luò)實時性和信道利用率最為關(guān)鍵的因素是網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，因此可以從LonWorks的介質(zhì)訪問機制入手，從沖突避免方面考慮，可以對LonTalk協(xié)議的MAC仲裁機制進行硬實時改進，即通過選擇網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點作為主節(jié)點來發(fā)送同步幀，去解決因較高優(yōu)先級節(jié)點交替占用總線，而使較低優(yōu)先級節(jié)點得不到總線使用權(quán)的問題。從而去避免沖突的發(fā)生。

（2）可以使用基于馬爾科夫鏈的方法對LonTalk協(xié)議——可預(yù)測的P-堅持CSMA協(xié)議在沖突檢測情況下對信道進行負荷效率預(yù)測分析與研究，分析對于指定的負載情況下的馬爾科夫鏈的轉(zhuǎn)移概率，通過計算競爭窗口的平穩(wěn)分布，和傳輸成功/失敗的概率[6]。來減少沖突提高LonTalk協(xié)議的實時性能。

（3）也可以從沖突解決方面去考慮，對LonTalk協(xié)議的軟實時性去改進，如改進二進制退避算法，使網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臎_突率盡可能小，也就是系統(tǒng)有效吞吐量盡可能大，可以使用增強的二進制退避算法—基于馬爾科夫鏈的模型來分析競爭窗口[7]，通過選擇最優(yōu)競爭窗口及動態(tài)的估計要發(fā)送報文的站點數(shù)目，來改善LonWorks網(wǎng)絡(luò)的實時性能。

4 結(jié)論

本文對LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)的實時協(xié)議模型進行了分析同時分析了影響實時通信的性能參數(shù)，用MATLAB7.4.0軟件對不同的站點（節(jié)點）的不同負載情況下的LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)進行了仿真分析，仿真結(jié)果表明基于LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)可以滿足目前工業(yè)應(yīng)用的實時性要求，同時提出了幾種改善LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)實時性能的可行性方法。

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