摘 要： 針對現(xiàn)有智能建筑局域網(wǎng)協(xié)議不能滿足服務(wù)質(zhì)量需要的問題，提出了一種基于介質(zhì)訪問控制協(xié)議的智能建筑工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計方案。分析了實時幀的最大等待時間，運用OPNET軟件構(gòu)建了智能建筑無線局域網(wǎng)的仿真模型。仿真結(jié)果證明,本方案具有更好的性能，能夠較好地解決現(xiàn)有智能建筑工業(yè)存在的問題。
關(guān)鍵詞：智能建筑; 等待時間上界; 工業(yè)以太網(wǎng); 介質(zhì)訪問控制協(xié)議
智能建筑是IT技術(shù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的必然結(jié)果，是建立在以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代IT技術(shù)之上且能與人和自然高度和諧、平衡共生和可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑，是人類在生態(tài)文明時代可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在建筑領(lǐng)域的具體表現(xiàn)[1-3]。智能建筑經(jīng)過20余年的實踐，其功能不斷發(fā)展和完善，實現(xiàn)技術(shù)也不斷更新和成熟。智能建筑仍將不斷地采用高新技術(shù)，并不斷發(fā)展。這種不斷發(fā)展的特性使智能建筑在不同的時期具有不同的特點[4-5]。本文站在建筑技術(shù)與現(xiàn)代IT技術(shù)的交匯點上進行了如下幾個方面的研究[6-7]，目的是正確把握IT技術(shù)在建筑領(lǐng)域中的具體應(yīng)用和對建筑發(fā)展的影響，以推動智能建筑的可持續(xù)發(fā)展。
介質(zhì)訪問控制協(xié)議是智能建筑工業(yè)以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)控制系統(tǒng)中主要采用的技術(shù)。然而現(xiàn)有智能建筑局域網(wǎng)協(xié)議不能滿足QoS（Quality of Service）的需要[1]。因此,本文提出一種基于介質(zhì)訪問控制協(xié)議的智能建筑工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計方案，以圖有效地解決這一問題。
1 智能建筑工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議設(shè)計
1.1實時介質(zhì)訪問控制協(xié)議
考慮到在智能建筑工業(yè)以太網(wǎng)等實時應(yīng)用系統(tǒng)中，大量的數(shù)據(jù)幀均為短幀，實時數(shù)據(jù)幀之間的沖突可以通過CB-RTMAC在確定的時間內(nèi)得到解決。雖然無線信道存在著隱蔽終端問題，但工作站在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時仍然不必發(fā)送大量RTS幀及CTS幀。如果實時幀和非實時幀在一個工作站的MAC層緩沖中同時需要等待傳輸，工作站將等待1個輪詢時間間隙(PIFS)后先傳輸實時幀。如果工作站只有非實時幀，它將等待1個分布幀間隙(DIFS)然后退避隨機數(shù)量的時間槽。如果某站的非實時幀與另一個站的非實時幀同時到達(dá)，實時幀將經(jīng)歷較短的等待時間。目的站收到數(shù)據(jù)幀后向源站傳輸確認(rèn)幀，之前只需等待短幀間隙(SIFS)。
一般情況下由于最小間隙的限制，1個工作站同時只會有1個實時幀等待傳輸,說明ACK幀為目的站發(fā)送的。如果被輪詢的工作站沒有實時幀傳輸，AP將在等待PIFS后輪詢下一個工作站。因為其他的數(shù)據(jù)幀在信道受控階段不被允許傳輸，所以輪詢幀和實時幀將不再遇到?jīng)_突。
假設(shè)此非實時幀退避完畢時刻，恰好與站0的實時幀延遲PIFS完畢為同一時刻,這樣2個數(shù)據(jù)幀發(fā)送時便造成沖突。沖突的解決辦法是：由于實時幀長度小于非實時幀，站0發(fā)送完成后先是等待站1傳輸非實時幀的完成,然后站0延遲PIFS，而站1延遲DIFS，于是站0先結(jié)束延遲并成功發(fā)送。從而實時幀比非實時幀較高的優(yōu)先級別得到保證。
1.2 實時信息等待時間上界
2 過程模型
OPNET Modele的模型庫提供了用來實現(xiàn)IEEE 802.11 MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的process(“wlan_mac”)。本文在構(gòu)建工作站的MAC過程中參考了這個過程模塊。工作站的MAC過程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀生成、傳輸、接收以及一些網(wǎng)絡(luò)性能的統(tǒng)計工作。如圖1所示，工作站的MAC過程由1個強制(forced)初始化(Initialize)狀態(tài)與5個非強制的(unforced)狀態(tài)組成，包括空閑(Idle，沒有幀待發(fā))狀態(tài)、延遲（Defer）狀態(tài)、傳輸（Transmit）狀態(tài)、等待應(yīng)答（WaitF）狀態(tài)和退避(Backoff)狀態(tài)。
下面說明圖1狀態(tài)轉(zhuǎn)移的一些重要宏條件。READY表示工作站需要的傳輸幀；LOW_TILL表示信道已經(jīng)空閑了超過某種幀間隙的時間；RV_H表示信道變忙；TX_FIN表示傳輸結(jié)束；RETX表示工作站仍然有數(shù)據(jù)幀要傳輸并且已經(jīng)不需要等待確認(rèn)幀；BACK_FIN表示退避過程結(jié)束；DEFER_FIN_BACK表示延遲結(jié)束并且工作站要傳輸?shù)氖欠菍崟r幀。
從‘Idle’狀態(tài)開始，當(dāng)有數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生時，如果信道的空閑時間超過某個幀間隙的時間,則直接傳輸轉(zhuǎn)入‘Transmit’狀態(tài)；否則設(shè)置相應(yīng)幀間隙時間中斷后，轉(zhuǎn)入‘Defer’狀態(tài)。
從‘Defer’狀態(tài)的退出條件可以看出，工作站僅在準(zhǔn)備傳輸非實時幀時才執(zhí)行退避過程。在退避過程中到達(dá)了實時幀，則將此退避過程暫停，而立即轉(zhuǎn)入‘Transmit’狀態(tài)傳輸此實時幀。而在信道變忙時，轉(zhuǎn)入‘Defer’狀態(tài)等待信道狀態(tài)的改變再重新延遲并退避。
圖1所示當(dāng)工作站傳輸結(jié)束后，只有當(dāng)2個等待隊列同時為空，并且傳輸?shù)氖谴_認(rèn)幀(不需要等待確認(rèn)幀)時，MAC過程才從‘Transmit’狀態(tài)到‘Idle’狀態(tài)。在其他情況下則轉(zhuǎn)到‘WaitF’狀態(tài)。其中在非實時幀發(fā)生沖突的(純?yōu)榉菍崟r幀之間或非實時幀與實時幀之間)情況下，MAC不在‘WaitF’狀態(tài)停留，而是立即設(shè)置延遲時間中斷，然后轉(zhuǎn)入‘Defer’狀態(tài)等待延遲時間的結(jié)束。
MAC過程傳輸完數(shù)據(jù)幀后，并不將該數(shù)據(jù)幀從等待隊列中移除。只有到工作站確認(rèn)數(shù)據(jù)幀已經(jīng)成功發(fā)送到目的站后(收到了確認(rèn)幀)，或某個非實時幀的傳輸超過了允許的重傳次數(shù)后，才將其移除。
AP的MAC過程實現(xiàn)比較簡單，因為它的功能僅為識別實時幀之間發(fā)生的沖突，然后再傳輸輪詢幀。AP的狀態(tài)由一個強制的初始化(Init)狀態(tài)和等待(Wait,實時幀之間的沖突發(fā)生)、延遲(Defer)與傳輸輪詢幀(Poll)等3個非強制的狀態(tài)構(gòu)成。在Wait狀態(tài)時AP等待實時幀發(fā)生沖突，沖突一旦發(fā)生即設(shè)置SIFS延遲時間中斷，然后跳入Defer狀態(tài)。延遲完成之后跳到Poll狀態(tài)傳輸輪詢幀。圖中變量default表示需要延遲SIFS或PIFS的時間，TX_FIN表示傳輸完輪詢幀。
3 實驗結(jié)果與分析
圖2為一個對稱網(wǎng)絡(luò)的例子。網(wǎng)絡(luò)情景含1個AP節(jié)點與4個工作站，分布在1個10 m×10 m的區(qū)域內(nèi)。
表1所示的參數(shù)對于所有工作站都是一樣的。4個工作站均分局域網(wǎng)總負(fù)荷ρ，實時與非實時幀類別承擔(dān)工作站的負(fù)荷比例為2:3。設(shè)置工作站之間的數(shù)據(jù)幀傳輸方向為：站0←→站1，站2←→站3。在信道受控階段輪詢順序為從站0到站3。仿真時間為5×103 s。
圖3顯示了工作站0中兩類數(shù)據(jù)的等待時間在10 s內(nèi)的變化情況。可以看出，與實時幀相比，非實時幀的等待時間變化十分劇烈。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙或沖突產(chǎn)生時，非實時幀等待隊列中幀大量積壓;而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改善時，又可以將等待的數(shù)據(jù)幀連續(xù)地發(fā)出。其原因是非實時幀到達(dá)過程的隨機性所引起的站點網(wǎng)絡(luò)饑餓(starvation)和資源霸占(capture)。
表2給出了仿真時間內(nèi)數(shù)據(jù)等待時間的一些統(tǒng)計特性。表中：
可以看出，4個工作站的實時幀經(jīng)歷的平均等待時間和方差都顯著地低于同站的非實時幀，并且工作站實時幀的平均等待時間沿著輪詢順序依次增加。這是因為在沖突發(fā)生時，位于輪詢表前面的工作站總是先收到輪詢幀。這提供了一種在工作站間區(qū)分服務(wù)優(yōu)先級的機制。否則如果想公平對待工作站，就必須在每次輪詢時隨機地選擇AP輪詢的次序。然而非實時幀的等待時間均值和方差在4個工作站間沒有變化，這是因為非實時幀的傳輸與輪詢順序無關(guān)。
由表2還可看出，實時幀的等待時間總是低于它的上界并隨著輪詢次序增加。這說明本文的實時協(xié)議可以滿足安全關(guān)鍵通信網(wǎng)絡(luò)的需要。根據(jù)上面的分析，減小實時幀等待時間上界的方法可以通過縮短輪詢幀的長度和幀間隙。
Marco[2]的實時環(huán)(RT-Ring)協(xié)議為了使輪詢周期長度受到限制，在受到輪詢時，讓工作站的兩類數(shù)據(jù)幀都被發(fā)送有限數(shù)目。然而與本文的實時協(xié)議比較，實時環(huán)協(xié)議只做到了使實時幀的部分等待時間有上界，即從數(shù)據(jù)幀被授權(quán)(Authorization)傳輸?shù)絺鬏旈_始的時間。而從數(shù)據(jù)幀的產(chǎn)生時刻到傳輸開始時刻的整個等待時間沒有上限的限制。因為信源為泊松信源，等待隊列中的幀數(shù)目可能為無窮大。
本文提出了一種基于介質(zhì)訪問控制協(xié)議的智能建筑工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計方案。分析了實時幀的最大等待時間,運用OPNET軟件構(gòu)建了智能建筑無線局域網(wǎng)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，實時幀比非實時幀經(jīng)歷更短的平均等待時間，并且只需等待一個總小于上界值的時間。
參考文獻(xiàn)
[1] DECOTIGNIE J D.Ethernet-based real-time and industrial communications.Proceedings of the IEEE,2005,93(6): 1102-1117.
[2] CONTI M, DONATIELLO L, FURINI M. Design and analysis of RT-Ring: a protocol for supporting real-time communications.IEEE Transactions on Industrial Electronics, Dec.2002,49(6):1214-1226.
[3] WANG Zhi. Queuing analysis of polling system with mixed serve.Proceedings High Performance Computing in the Asia-Pacific Region,The Fourth International Conference/Exh-
ibition, 2000,2:648-653.
[4] 王智，于海斌，宋葉瓊,等.混合服務(wù)方式下的M1＋M2/G/1輪詢系統(tǒng)的平均運行周期。通信學(xué)報，2002，23(7):8-18.
[5] TIANRAN W, ZHI W,HAITAO Y,et al. Wait time for multi-messages polling system under mixed service(in chinese).Intelligent Control and Automation,2000. Proceedings of the 3rd World Congress,2000，5:3576-3580.
[6] TRAN-GIA.Analysis of polling systems with general input process and finite capacity. IEEE Transactions on Communication,1992，40(2):337-344.
[7] CHOUDHURY G L, TAKAGI H. Comments on exact results for nonsymmetric token ring systems. IEEE Transactions on Communications,1990,38(8):1125-1127.