基于商用802.11硬件的工业确定性应用多跳TDMA MAC实现

摘要

近年来，工业自动化无线控制系统由于其易于部署和组件成本低而越来越受欢迎。然而，传统的低采样率工业无线传感器网络无法支持高速应用，而高速的IEEE 802.11网络不是为实时应用而设计的，不能提供确定性特征。因此，在本文中，我们提出了一种用于高速多跳工业应用的实时TDMA MAC实现Det-WiFi。它结合了IEEE802.11高速物理层和基于软件时分多址接入(TDMA)的MAC层的优点，能够支持高速应用，并提供确定性的网络特性。我们在商用现货硬件上实现了Det-WiFi，并比较了802.11s和Det-WiFi在充满现场设备和工业设备的真实工业环境下的确定性性能。在每次实验中，我们都改变了跳数和数据包有效载荷大小，所有的结果都表明Det-WiFi具有更好的确定性性能。

1.介绍

近年来，无线通信在工业自动化中取得了重大意义。大量的工业应用采用无线网络控制系统[1- - - - - -5与有线控制系统相比，它们易于部署，组件成本低。大多数工业应用程序需要保证最大的端到端交付延迟和可靠的传输，即系统的确定性特性。此外，不同应用程序的采样率是不同的，有些应用程序要求网络提供极高的传输速度。因此，在设计控制系统时，既要考虑网络的传输速率，又要考虑网络的确定性。

有几个标准是专门用于制造自动化和过程自动化的，如WirelessHART [6], ISA100.11a [7]和WIA-PA [8］．它们基于IEEE 802.15.4-2006 [9]标准，并已应用。它们的主要特点是使用了基于TDMA的MAC协议，使通信更加可靠和实时。然而，IEEE 802.15.4中定义的传输速率高达250kbps，无法为高速应用提供足够高的采样速率。另一方面，IEEE 802.11 [10]能够支持高速通信(在802.11n中高达150mbps)。此外，IEEE 802.11s [11修正案，旨在为包括静态拓扑和临时网络（包括静态拓扑和临时网络）提供支持，似乎希望适用于多彩工业应用。然而，它仍然采用了基于碰撞避免（CSMA / CA）的MAC层的载波侦听了多次访问，这不提供数据传送的任何时间延迟保证，并且对于大多数工业自动化应用是不可行的。

为了解决这个问题，已经提出了大量的文学。所提出的方案可以分为两组。第一组旨在优化传统的802.11 MAC层[12- - - - - -15］．对802.11 MAC中的一些默认参数，如争用窗口和回退机制进行了优化，以满足工业应用的需求。但是，CSMA/CA带来的不确定延迟仍然无法避免。第二组采用TDMA MAC层代替传统的802.11 MAC层，在没有CSMA/CA机制的情况下，可以获得更好的确定性性能。本文属于这一组，因此，下面将回顾这组解决方案。

许多基于TDMA的MAC协议已经在商用802.11硬件上被提出。SoftMAC [16]开始实现对无线传输和接收的精确控制。基于Atheros MadWifi驱动，作者提出了商品802.11硬件应该禁用的几个属性，使其成为一个灵活的平台。Soft-TDMAC [17]是一个多跳TDMA协议，据说是实现微秒同步。由于集中式网络结构和基于TDMA的MAC层，软TDMAC的实时性能很大。但是，它不是为控制应用而设计的。RT-WiFi [18]的目的是为无线控制系统提供高采样率和确定性定时保证。它也是基于一个TDMA数据链路层结合IEEE 802.11物理层。但它只能部署在完全连接的网络中;也就是说，它不能支持任何类型的多跳应用程序。

在本文中，我们提供了DET-WiFi的详细介绍，可以为高速多跳工业确定性应用提供支持。它采用集中式网络架构，并使用时分复用访问策略来提供数据的端到端延迟保证。本文的主要贡献可归纳如下：(1）我们设计了DET-WIFI，这是一个用于高速多跳工业确定性应用的新型MAC协议。考虑详细的MAC功能以确保系统可以在实践中使用。与存在的协议相比，DET-WiFi能够同时启用实时和高速通信。（2）我们基于常见且相对便宜的802.11硬件实现了dett - wifi。经过几次驱动修改，Det-WiFi既简单又经济适用于工业控制系统。（3）我们在真实的工业环境下搭建了测试平台来验证Det-WiFi的性能。对Det-WiFi和802.11s协议进行了详细的测试和分析。所有结果表明，Det-WiFi具有比802.11s更好的确定性性能。

本文的其余部分安排如下。部分2介绍了Det-WiFi的系统设计。部分3.描述Det-WiFi的实现细节。部分4解释了测试的配置和实验结果。部分5总结本文。

2.Det-WiFi协议设计

Det-WiFi是一种无线多跳协议，旨在为各种工业实时应用提供高速、实时和可靠的通信。在本节中，我们介绍Det-WiFi协议的设计细节。

数字1显示了工业实时控制系统的典型DET-WIFI网络结构。网络结构由四个部分：管理器，接入点（AP），站和执行器和传感器组成。经理是网络的大脑，它位于结构的顶部。当站加入网络时，管理器从站接收信息，包括站地址，父站地址和接收信号强度指示符（RSSI）。因此，管理器持有大量信息的信息，并且具有使用该信息来控制整个网络的能力。AP是经理和站之间的桥梁。它负责将所有上行链路或下行链路消息传递给管理器或站点。AP和该站形成多跳网络;每个站都配有一个执行器和一个传感器。台间根据来自AP的管理信息控制执行器，并监视来自传感器的数据。 Since the sensors generate a big amount of data and almost all of the traffic in the network requires deterministic guarantee, it is challenging to design a scheme to fulfill such stringent requirements, especially for a multihop network solution.

为了解决这一问题，Det-WiFi采用了TDMA方案，而不是常规Wi-Fi中的分布式协调功能(DCF)，以保证网络的可靠性和实时性。DCF是一种基于冲突避免的载波侦听多址访问(CSMA/CA)机制。它是一种通用的媒体访问方法，但由于信道争用和退避机制带来的不确定时间延迟，在严格的实时通信中似乎不可行。因此，DCF无法提供端到端延迟保证，不适合确定性通信。相比之下，在时分多址方案中，通信资源被划分为时隙并分配给台站。该算法具有无争用和可预测的时延，适用于确定性通信。此外，Det-WiFi采用集中式网络架构，管理者负责整个网络的控制，如时间分配和调度，向站点发送路由信息。通过管理者的控制和TDMA方案，Det-WiFi在工业实时应用中是可行的。

2．1．网络连接过程

Det-WiFi的网络加入过程包括两个步骤:AP加入过程和站点加入过程。

当经理开机时，Det-WiFi开始工作。开始时，如果AP检测到管理器在线，它将为网络加入过程做准备。它发送的帧，其中包含加入信息，如MAC地址和跳数。这些信息片段由管理器在接收到在连接信息完全存储后，调用一个帧从经理发送回AP。帧包含控制信息和资源分配信息。其中最重要的信息是时隙分配信息，包括信标时隙偏移和上行时隙偏移。Manager利用时隙偏移量的值分别为AP分配信标时隙和上行时隙。根据这些信息，AP知道它应该占据哪个时隙，并调整自己以适应适当的传输状态。最后，AP发送回一个被调用的帧使经理确认其加入状态。如果经理收到帧正确时，认为AP处于连接状态，完成三次握手连接过程。

AP加入网络后，各站点应做好加入过程的准备。此时，美联社将广播信标帧(图)2)，包含ASN(绝对槽位号)、信标槽位偏移量、角色、level和up槽位偏移量。ASN用来记录全局槽号;level为AP可控制的最大子站;role显示信标发送方(AP或台站)的角色;信标槽偏移显示AP占用的信标槽;而up slot offset则表示哪个up slot被分配给了AP。如果任何一个电台听到了信标，它将根据信标帧选择AP作为它的邻居和父基站。实际上，一个站点可能会听到来自不同邻居的多个信标，所以它会选择一个作为它的父信标。当父代选择完成后，它可以发送帧通过AP发送给管理员，以便加入网络。站的加入程序与AP的加入程序相似;唯一的区别是它通过AP而不是直接将帧发送给管理器。值得一提的是，AP在站点接入过程中起到了管理者与站点之间的桥梁作用。它只是转发连接帧和时隙分配信息。AP不生成数据包或做任何调度工作。一旦这个电台加入网络，它就定期广播自己的信标帧。其他听到信标的站点也按照类似的步骤加入网络，直到所有的站点都加入网络。从那时起，Det-WiFi的部署就完成了，它可以收集传感器数据和控制执行器。

2.2。帧和时隙设计

基本的帧结构由一个802.11头和Det-WiFi域组成。IEEE 802.11头用于控制802.11网络的基本特性，Det-WiFi网络的功能实际上是由Det-WiFi场控制的。Det-WiFi有三种主要的帧类型，包括信标帧、数据帧和管理帧。帧由类型和子类型字段区分。

为了避免冲突，将TDMA中的数据传输过程划分为时隙。只有一个站点可以同时访问该信道，并且每个站点只能访问分配给它的时隙中的信道。在Det-WiFi中，当站点接收到时，即完成站点的时隙分配(由美联社转发)2.1)，时隙信息记录在本站的时隙表中。由于我们的目标是设计和实现一个确定性无线网络的基本架构，因此对时隙分配和时隙调度的各种方法的详细讨论超出了本文的范围。

在Det-WiFi中，超帧由所有分配的时间段的无限循环序列组成。时隙在超帧经过时循环。一般来说，超帧中有三种主要的时隙:信标时隙、发送时隙()槽，接收()槽。AP和台站在信标槽广播信标，数据分别在发射槽和接收槽发送和接收。三种主要时隙的结构如图所示3.．

信标槽用于广播信标帧;因此不需要确认(ACK);其他帧在插槽并需要确认帧是否成功发送到目标;在RX插槽中接收到数据帧之后，它应该将ACK返回以确认其接收状态。由于三种类型的槽之间的差异，这些时隙的设计不相同。可以简单地表达三种类型的插槽的插槽大小（对应于图3.)如下: 在哪里是使站能够容忍轻微同步误差的一个间隔。表示数据传输的延迟。这是由Linux内核延迟和无线电传输延迟造成的。是ACK传输时间，它类似于．是接收端等待传入帧的时间。这些参数的实测值见本节3．3．

2．3.同步

精确的同步是时分多址机制的基础。在Det-WiFi网络时间系统中，使用AP的本地时钟作为网络参考时钟。每个站都应该直接或间接地与AP保持同步。同步过程包括两部分:ASN同步和时隙同步。

我们在部分内提到2.1， ASN用来记录全局槽位号。每经过一个时隙，ASN就增加一个时隙，自网络启动以来，它就不断增加。它包含在每个信标帧中。当一个父站广播它的信标时，子站读取ASN信息并使它的本地ASN与父站同步。这是很重要的，因为同步ASN确保AP和所有站点处于相同的时隙状态。除了ASN同步之外，当子站从它们的父站接收到信标时，时隙同步也完成了(图)4)．当儿童站接收信标时，接收时间是记录。此外，每个时间段的开始时间由站记录。如果忽略传输延迟，则儿童站的校准值是 在哪里是Linux内核延迟的补偿，幸运的是，延迟非常稳定。在我们的测试中，这个延迟是10 μ年代±2。因此，当下一个插槽到来时，子站点可以使用更改的插槽大小与父站点同步:

之后，子站应不断重复时隙程序同步，以保持同步状态。与父站交换的任何帧，无论是数据帧还是信标帧，都可以基于相同的同步机制用于同步，而不是信标帧。

为了减少同步误差的影响，在Det-WiFi中，同步保护时间(节2.2)在一个时段开始时设置。保护时间可以提高同步过程中的容错能力。然而，还有一个问题叫做变化积累，这意味着同步变化可以在多跳网络中积累。为了解决这个问题，Det-WiFi限制了跳数。Det-WiFi支持的最大跳数为: 在哪里为最大跳数，是保护时间，设置为100 μ在Det-WiFi，和同步变量是2吗μ由此可知，支持的最大跳数为25跳。在实践中，跳数可以设置为10，以避免任何未知的同步变化，这对于许多工业应用程序仍然足够。

3.实现

在本节中，我们将从系统架构、驱动修改和定时器三个部分来描述Det-WiFi的实现细节。

3．1.系统架构

我们在部分内提到3.， Det-WiFi的网络结构由管理器、AP、站以及附加的传感器和执行器组成。传感器和执行器在不同的工业应用中是不同的，因此我们只为它们保留了一个接口，并使用一个数据生成器在试验台实验中模拟它们的工作过程。由于我们关注的是Det-WiFi的确定性特性，所以我们只是简单地实现了管理器的基本功能。它只存储来自站点的信息，并在站点加入后向站点分发一个固定的时隙表。AP和工作站采用相同的硬件和网络栈，只是工作模式不同而已。在下一段中，我们将重点介绍台站和AP的实施。

站(AP)系统架构如图所示5．为了实现确定性性能，需要修改硬件的一些默认特性。因此，在我们的系统中，我们使用基于AR9287芯片组的商用802.11 b/g/n硬件。它采用Linux系统上的ath9k硬件驱动模块，开源且易于修改。在ath9k之上，mac80211是一个提供标准IEEE802.11 MAC相关功能的框架。我们使用Ubuntu 14.04作为操作系统，内核版本是3.14.57。考虑到兼容性问题，我们只是对这两个模块进行了轻微的修改。我们将在本节中讨论详细的修改步骤3．2．

基于两个内核模块，Det-WiFi由三个组件组成：数据包队列，任务调度程序和系统状态容器（SSC）。det-wifi中有两个数据包队列：发送队列（队列)和接收队列(队列）。当已准备好发送数据包时，将它们放在发送队列中，等待适当的时隙，然后将其发送到驱动程序传输。类似地，当从下层接收分组时，它们存储在接收队列中。任务调度程序用于安排任务并控制DET-WiFi的行为，包括发送信标，插槽循环和网络加入。这些任务根据任务的紧迫性而通过优先级的优先级别来分辨，并且任务调度程序将首先执行高优先级任务而不是低优先级任务。SSC由时隙表，邻居表和定时器组成：时隙表记录时隙循环序列，当它加入网络时从管理器获取;邻居表用于存储在邻居信标中宣传的邻居信息;定时器负责维护DET-WiFi的时间信息;大多数任务都被几个定时器触发。定时器的详细信息将显示在一节中3．3．

由于兼容的MAC设计，原有的网络上层得到了良好的支持。许多基于标准UDP/TCP的应用程序可以工作，没有任何问题。此外，由于具有确定性的网络特性，一些以前无法部署的实时多跳应用程序现在可以部署。

３．２．驱动程序修改

为了实现多跳确定性特征，需要修改驱动程序的一些默认特征。幸运的是，ath9k是一个开源驱动程序，网络接口卡的许多MAC特性都可以改变。主要研究了两部分:帧格式修改和禁用CSMA机制。

由于Det-WiFi与802.11的拓扑结构不同，802.11的帧格式很难直接重用。因此，IEEE 802.11中的大多数默认控制和管理帧都被抛弃了，只保留了数据帧。控制和管理信息包含在默认802.11数据帧的有效载荷(Det-WiFi字段)中。但是，为了正确且成功地发送修改后的帧，IEEE 802.11报头的几个地方需要进行修改:帧需要声明广播，这样发送过程就不会受到默认MAC地址的干扰;片段位被设置为零，告诉接收者它不是片段帧;每个源地址字段都是自定义地址，而不是网卡的MAC地址。这些帧格式的修改给多跳通信带来了很大的方便，保证了帧仍然可以被驱动程序识别。

虚拟载波感知(NAV) PHY清晰信道评估(CCA)和传输后退等几种CSMA机制对确定性特征有负面影响。因此，应该禁用这些机制。AR9287芯片组提供了一个具有几个特殊功能的诊断寄存器。我们设置和标志，分别禁用导航和强制CCA。为了禁用传输回退，在驱动队列初始化过程中将争用窗口CWmin和CWmax设置为0。值得一提的是，在驱动程序中有四个队列被称为，，， 和．这些对应于IEEE 802.11e中提出的增强分布式信道接入(EDCA)业务的四个优先级[19] 修正案。确保所有帧仅以顺序传输队列被保留，我们将所有帧映射到这个队列。在传输速率方面，禁用默认的minstrel速率控制算法，我们采用固定的传输速率54mbps。但是，当使用固定传输速率时，驱动程序将以最低速率(802.11g的1mbps)发送帧。原因是当帧被声明为广播或没有ACK策略时，驱动程序会自动修改传输速率。经过修改，该网卡可以以54mbps的固定速率发送帧。

3．3．计时器

为了实现微秒精度的定时功能，不能使用基于Linux内核jiffies的计时器，因为它们只提供毫秒粒度。相反，我们采用高分辨率定时器(hrtimer) [20.，21]用于定时任务。HRTimer能够提供亚微秒定时精度，可以完全满足时序需求。

在DET-Wifi中有几个定时器，负责触发多个任务。称为MTImer的最重要的计时器是保持时隙生成。当触发MTIMER时，启动新的时光。一slot由发送过程和接收ACK过程组成(在本节中讨论)2.2)．因此传输延迟 在哪里无线电传输延迟和吗是Linux内核延迟。如果数据以54mbps的速率发送，帧长为524字节(载荷500字节，802.11报头24字节)，则无线电传输延迟为

但是，我们测量了从帧刚刚传递给驱动到帧成功发送的总传输延迟;平均延迟是236μ从(s。7），我们可以弄清楚平均Linux内核延迟为158.4 μ然后我们将帧长度改为224字节和34字节，而平均内核延迟几乎没有变化。我们测量ACK延迟是167μS也是一样的，这与期望值是一致的。如果我们将同步保护时间设置为150μS，我们可以计算（2)：

信标槽的大小和槽是较小;因此,(9）可用于确定系统插槽大小和MTIMER定时值。

4.绩效评估

为了评估DET-WiFi的确定性多跳功能，我们在真正的工业环境下建立了一个测试平台（图6)，里面装满了现场设备和工业设备。我们比较了Det-WiFi和802.11s在这个场景下的性能。Open80211s [22]是IEEE 802.11无线mesh标准的开源实现。此外，它在ath9k驱动程序中得到了良好的支持。因此，我们打算在open80211的基础上测试802.11的性能。在我们的实验中有三台pc，它们都配备了Atheros AR9287 IEEE 802.11兼容网卡。每个设备都安装了UDP包生成程序，它以固定的间隔(5毫秒)生成包来模拟采样过程。网卡频率设置为2.462 Ghz对应IEEE 802.11 b/g/n的11通道。我们把时间间隔设置为600μS，它比553长μS为时隙内部防护预留足够的时间，并为实验固定时隙表。

在我们的实验中，我们重点研究了MAC层的传输延迟和丢包率，这表明了网络的确定性性能。在时延度量中，最大时延和时延标准差是比较合适的，可以反映网络的确定性特征。此外，平均时延也是一个关键指标。为了测量丢包率，我们设置了两个计数器，分别记录发送的数据包和接收的数据包。丢包的计算方法是接收包数减去发送包数。为了测量网络的延迟，当帧准备在MAC层传输时，我们启动一个计时器。当帧到达目的站时，它立即返回相同长度的帧。最后，我们在MAC层测量帧开始时间和响应帧到达时间之间的时间。基于此测量方法，我们分别比较了Det-WiFi和802.11s在两跳和四跳网络场景下的时延和丢包率。两个测试拓扑如图所示7．在每个场景中，我们传输三种不同大小的数据包(50b、200b和500b载荷)来模拟不同的采样数据。每次实验持续10分钟。另外，为了保证测试数据的可靠性，每个实验进行了5次，结果为5次的平均值。

试验结果如表所示1．我们比较了802.11s与Det-WiFi的MAC时延、丢包率的均值、max、标准差。当采用不同的数据包大小时，在两跳和四跳场景中，除了平均延迟外，其他指标几乎没有变化。对于Det-WiFi，平均延迟随着数据包大小的增加而略有增加，这是因为在传输速率固定的情况下，数据包越大，传输时间越长。由于其他指标不受有效载荷大小的影响，我们以500 B有效载荷大小条件为例来验证Det-WiFi的确定性性能。在两种场景下，802.11s网络的时延标准差都是Det-WiFi的12.5倍，在两跳和四跳实验中，802.11s的最大时延分别是Det-WiFi的15倍和9.5倍。802.11s网络的高延迟标准差和最大延迟应该归因于随机回退机制，使得时间延迟不确定。但是我们观察到Det-WiFi的丢包率分别为0.22%和0.58%。这是由于工业领域其他基于802.11的设备引入了轻微的干扰流量，我们通过Wireshark监控通道确认了这一点。与802.11s网络的高延迟标准差相比，丢包完全可以接受。 The same conclusion can be drawn from the 50 B and 200 B payload size condition.

我们还绘图直方图（数字8- - - - - -10)来更直观地说明802.11s和Det-WiFi的确定性性能。考虑到数据包有效负载大小对平均延迟的影响很小，我们仍然采用500 B有效负载大小的条件(图)10)为例。在两跳场景中(图10 ())， 95%以上的报文在1100 ~ 1200的时间间隔内下发μS和近100％的数据包到达1200 μs在det-wifi。相反，802.11s的延迟分开分发。只有86.2％的数据包到达1200 μS和4.7%的包超过1400个μs。在四跳场景中（图10 (b))，在802.11s网络中，确定性性能更差，因为更多的跳会带来更多的信道争用和回退，而Det-WiFi的延迟仍然相当稳定。在802.11s网络中，超过20%的数据包的发送量超过2400个μS和延迟方差甚至大于两个跳方案。在50 b和200 b有效载荷尺寸条件下（图8和9)，直方图显示相似的结果。

5.结论

在本文中，我们提出了DET-WiFi，旨在为高速多跳工业确定性需求应用提供支持。它基于IEEE 802.11的物理层，采用集中式网络架构，并使用TDMA策略而不是CSMA / CA机制。此外，DET-WiFi是基于商业IEEE 802.11硬件实现的，具有几种修改，这使得它具有良好的兼容性。为了验证DET-WiFi的表现，我们在真正的工业环境下建立了测试平台，并比较了802.11年网络和DET-WiFi之间的确定性性能。选择时间延迟和分组丢失比以反映两者的确定性特征。在500 b有效载荷尺寸条件下，802.11s网络中的延迟标准偏差高达DET-WiFi的12.5倍，802.11s中的最大延迟是两个跳中的DET-WIFI的15倍和9.5倍四跳实验分别。我们还在50 B和200 B有效载荷尺寸条件下重复实验;测试结果表明，与802.11年网络相比，DET-WiFi具有更好的确定性性能。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本研究由电子信息技术创新与培育基金资助(批准号:20091010901)。中央高校基本科研业务费资助项目(no. 2015JBM006、no. 2015YJS011)和国家863计划资助项目(no. Z171100001217004);2015 aa016103)。

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