文档介绍：2 / 13
基于无线HART协议的数据链路层协议模型设计
无线HART是一种专门为过程控制领域而设计的网络通信协议,是HART现场总线在无线领域的延伸,其通信模型主要由应用层、网络层、数据链路层、物理层组成。其中数据链路层在物理层提供：占用标志位,链路的源节点、链路的目的节点、链路的类型。矩阵中每个元素都被初始化为0,当某个通信资源已经被分配,矩阵中对应元素的占用标志位被置为1,并填充相应的通信资源信息。
无线HART网络中,通信资源有NORMAL、ADVERTIS、JOIN和DISCOVERY 4种类型,NORMAL通信资源主要用于过程数据和管理命令的传输,ADVERTISE通信资源用于广播网络信息以方便新节点加入网络,JOIN通信资源用于新设备加入,DISCOVERY通信资源用于邻居发现。其中NORM-AL类型的通信资源与路由路径相关,其他的资源都与路由路径无关,重点考虑NORMAL通信资源的分配。NORMAL通信资源分配以所建立的拓扑结构为基础,以图表和邻居表为分配图,根据所建立的两层结构进行两层分配。
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1>簇通信 簇所有的通信节点的通信资源位于矩阵的同一行,并按照时隙进一步分配。对于下行通信,每一资源的源地址为簇首节点,目的地址为节点地址;对于上行通信,每一分资源的源地址为节点地址,目的地址为簇首节点。
2>簇间通信 簇间通信主要是负责簇首与网关之间的通信,而其资源主要占据矩阵中两行,其中上行网络通信资源,一行为下行网络通信资源。在资源不满足的情况下,可以根据资源分配的具体情况进行拓展,但必须以双行网络为前提,而且上行还有下行资源不能占据同一个时隙。分配的路径以图表和邻居表为分配路径,进行上行和下行节点的分配。
时间同步实现
整个网络的时钟同步对于无线HART的TDMA通信是十分必要的,设备间的时钟偏移是不可避免的,TDMA网络节点实现全网完全同步并不现实,而且精确度越高能量消耗就越大,因此无线HART节点需要在精确度与能耗之间取得平衡,在满足网络TDMA时隙通信要求的基础上尽可能的降低能耗。
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无线HART为工业环境的无线通信协议,其对稳定性、可靠性有着比一般通信网络更高的要求;而无线HART作为一个mesh的无线通信网需要实现全局的时间同步,但是由于硬件设备以与能量等问题,使得传统的有线时间同步的算法以与常规的WSN时间同步算法无法在无线HART中实现。为此以最小能耗为设计目标,设计一个多层次、全局、不问断的同步策略应用简易但有效的同步算法实现无线HART-TDMA时间同步。图1为相邻节点通信。
图1中描述了无线HART节点A与节点B间的一次通信,节点A在T1时刻发送一个数据包给节点B,节点B在T2时刻接收到A所发送的数据包,节点B在T3数据包发送一个应答数据包,节点A在T4时刻接收到B所发送的应答数据包。T1、T2、T3,T4为节点时钟,四者存在以下关系：
式中,
表示A到B的时间延迟,
表示B到A的时间延迟。在整个通信过程中,延迟主要发送在层与层间数据传送以与点与点之间数据传输过程中。式<1>中
以与式<2>中
分别表示T1时刻节点A对节点B的时钟漂移和T4时刻节点A对节点B的时钟漂移,尽管由于环境因数<如温度、压力等>的影响,时钟漂移每一个时刻都在发生,二者并不完全相等,但一般情况二者一次通信进行的时间间隔较短,可以认为二者几乎相等。同样假定
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和
相等。
通过式<1>和式<2>可得出延迟时间以与漂移时间：
节点将根据式<3>和式<4>所求出的延迟时间以与漂移时间进行时钟的主动同步与被动同步。
时钟同步由两步骤完成,首先选取时钟源,网络管理节点作为时钟服务器,并选取若干节点作为网络时钟源：然后在同步过程,每一个节点通过与时钟源进行被动或主动的时钟同步。其中,主动同步为当高层节点向低层节点发送数据时,低层节点记录数据包实际到达时间与计算达到时间的偏移调整本地时钟;被动同步为当低层节点向高层节点发送数据时,底层节点等待并接收高层节点的应答数据包,并利用应答数据包中所包含的时钟偏移信息进行时钟调整。
高层节点发送邀请数据包,待加入节点接收邀请数据包并完成一次被动同步过程;高层节点发送侦听数据包,判断临近节点是否处于网络并完成一次被动同步过程;低层节点通过接收一次数据包完成一次被动同步过程;底层节点通过接收高层节点的应答数据包完成一次主动同步过程。整个同步网络低层同步高层,整个网络时钟以根时钟源为基准实现整个网络的时钟同步。根时钟源可根据实际情况采用可行方
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法<如GPRS等>与理想时钟同步。
数据链路调度实现
调度
数据链路层在实现无线HART网络全网时钟同步的基础上,主要负责链路