[发明专利]使用冲突避免协议的无线通信方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及具有使无线信号发生冲突的风险和/或干扰的环境中的无线通信。尤其是，本发明涉及用于时隙分配的方法和系统，所述时隙分配包含专用时分多址事务时隙和共享事务时隙二者，所述共享事务时隙具有用于冲突竞争的机制。当出于在工业过程控制和自动化领域中的监测和控制目的而在无线网络中使用时，本发明尤其有利。

背景技术

在生产率和灵活性增益方面，无线技术给工业自动化带来若干益处。工业站点通常是对电缆类型和质量具有严格需求的苛刻环境。此外，大型站点通常需要成千上万的线缆且在已经拥塞的站点中可能难以安装或工程设计附加布线。因而，在安装阶段中，无线通信可以节省成本和时间。再者，无线网络的adhoc属性允许在网络规模增加时的简单设置和重配置。

无线网络的需求是无线网络与其他设备和竞争无线系统的共存。已经发展了WirelessHART标准来满足这些需求。WirelessHART是用于过程自动化应用(包括过程测量、控制和评估管理应用)的无线网状网络通信协议。它基于HART协议，但是它添加了无线能力以使得在维持与现有HART设备、工具和命令的兼容性的同时，用户能够受益于无线技术。WirelessHART网络可以通过网关连接到工厂自动化网络。工厂自动化网络可以是基于TCP的网络、远程I/O系统或诸如PROFIBUS的总线。诸如现场设备和接入点之类的所有网络设备传输和接收WirelessHART包，且执行支持网络形成和维护所必须的基本功能。网络设备之间的通信使用TDMA(时分多址)进行仲裁，这允许对通信链路活动的调度。

MAC协议是无线通信技术的基础，其用于在通信节点之间分配共享无线信道。在大多数情况中，MAC协议可以分成两类：无冲突协议(FDMA、TDMA、CDMA等)和冲突竞争协议(分段式ALOHA、CSMA、信道跳跃等)。在下面简要地总结了一些域无线技术及其MAC协议：

12G蜂窝电话系统。GSM(全球移动通信系统)蜂窝系统组合了FDMA(频分多址)和TDMA的使用以允许多个手机在单个小区中工作。

22.5G蜂窝电话系统。具有GPRS(通用分组无线服务)分组交换服务的GSM使用动态TDMA方案来传递数据。

33G蜂窝电话系统。CDMA2000使用CDMA(码分多址)来发送语音、数据且在移动电话和小区站之间信令传送数据。

4蓝牙。蓝牙[1]分组模式通信使用信道跳跃用于若干私有局域网之间的共享信道接入。

5WLAN。IEEE 802.11[2]无线局域网使用CSMA/CA用于小区内的多址接入。

6IEEE 802.15.4。IEEE 802.15.4[3]针对周期性业务包使用TDMA且针对于突发性业务包使用CSMA(载波监听多址)。

7.WirelessHART。WirelessHARAT[4]组合了针对周期性业务包的TDMA和信道跳跃以及用于突发业务包的分段式ALOHA的使用。

上述摘要概览显示：蜂窝电话系统(2G、2.5G和3G)仅使用无冲突MAC协议；蓝牙和WLAN仅使用冲突竞争MAC协议。IEEE802.15.4和WirelessHART使用所有无冲突和冲突竞争MAC协议，且在IEEE 802.15.4和WirelessHART中区分不同业务类型。

在工业无线应用中存在两种业务：周期性业务和突发业务。诸如TDMA(时分多址)的无冲突MAC(多址)协议更适用于周期性业务；另一方面，诸如CSMA(载波监听多址)的冲突竞争MAC协议更适用于突发业务。

TDMA是无冲突协议，其将时间轴分割成超帧。每个超帧被进一步分割成多个时隙，且这些时隙被排他性预分配给不同用户。每个用户被允许在分配给它的时隙期间，即在整个系统资源专用于该用户的分配时隙期间，自由地进行传输。TDMA适用于可预测以便预分配的周期性业务。然而，对于突发业务包，TDMA退化为像低效分段式ALOHA协议那样工作。

分段式ALOHA的基本思想很简单：使得无线用户在下一时隙的开始进行传输，而不管他们是否具有需要发送的包。分段式ALOHA协议具有较差性能，因为无论何时只要一个发送者具有需要传输的包，它都进行传输而不管其他。当要传输突发包时，CSMA是优于分段式ALOHA的改进。CSMA的基本原理在于当发送者产生新包时，信道被监听且如果发现该信道空闲，则包被传输。当冲突发生时，每个发送者在未来的一些其他时间随机地重新调度冲突包的重新传输。然而，常规CSMA在连续时间工作，这并未直接应用于纯TDMA系统。