摘  要： 針對(duì)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(wèn)題，提出了一種基于介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議的智能建筑工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。分析了實(shí)時(shí)幀的最大等待時(shí)間，運(yùn)用OPNET軟件構(gòu)建了智能建筑無(wú)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(wèn)題。
關(guān)鍵詞：智能建筑; 等待時(shí)間上界; 工業(yè)以太網(wǎng); 介質(zhì)訪問(wèn)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(jì)算機(jī)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(lèi)在生態(tài)文明時(shí)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(guò)20余年的實(shí)踐，其功能不斷發(fā)展和完善，實(shí)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(shí)期具有不同的特點(diǎn)[4-5]。本文站在建筑技術(shù)與現(xiàn)代IT技術(shù)的交匯點(diǎn)上進(jìn)行了如下幾個(gè)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(duì)建筑發(fā)展的影響，以推動(dòng)智能建筑的可持續(xù)發(fā)展。
　　介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議是智能建筑工業(yè)以太網(wǎng)、無(wú)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(wèn)控制協(xié)議的智能建筑工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，以圖有效地解決這一問(wèn)題。
1 智能建筑工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)
1.1實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議
　　考慮到在智能建筑工業(yè)以太網(wǎng)等實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中，大量的數(shù)據(jù)幀均為短幀，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀之間的沖突可以通過(guò)CB-RTMAC在確定的時(shí)間內(nèi)得到解決。雖然無(wú)線信道存在著隱蔽終端問(wèn)題，但工作站在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)仍然不必發(fā)送大量RTS幀及CTS幀。如果實(shí)時(shí)幀和非實(shí)時(shí)幀在一個(gè)工作站的MAC層緩沖中同時(shí)需要等待傳輸，工作站將等待1個(gè)輪詢時(shí)間間隙(PIFS)后先傳輸實(shí)時(shí)幀。如果工作站只有非實(shí)時(shí)幀，它將等待1個(gè)分布幀間隙(DIFS)然后退避隨機(jī)數(shù)量的時(shí)間槽。如果某站的非實(shí)時(shí)幀與另一個(gè)站的非實(shí)時(shí)幀同時(shí)到達(dá)，實(shí)時(shí)幀將經(jīng)歷較短的等待時(shí)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(gè)工作站同時(shí)只會(huì)有1個(gè)實(shí)時(shí)幀等待傳輸,說(shuō)明ACK幀為目的站發(fā)送的。如果被輪詢的工作站沒(méi)有實(shí)時(shí)幀傳輸，AP將在等待PIFS后輪詢下一個(gè)工作站。因?yàn)槠渌臄?shù)據(jù)幀在信道受控階段不被允許傳輸，所以輪詢幀和實(shí)時(shí)幀將不再遇到?jīng)_突。
　　假設(shè)此非實(shí)時(shí)幀退避完畢時(shí)刻，恰好與站0的實(shí)時(shí)幀延遲PIFS完畢為同一時(shí)刻,這樣2個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)便造成沖突。沖突的解決辦法是：由于實(shí)時(shí)幀長(zhǎng)度小于非實(shí)時(shí)幀，站0發(fā)送完成后先是等待站1傳輸非實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)幀比非實(shí)時(shí)幀較高的優(yōu)先級(jí)別得到保證。
1.2 實(shí)時(shí)信息等待時(shí)間上界

2 過(guò)程模型
　　OPNET Modele的模型庫(kù)提供了用來(lái)實(shí)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(guò)程中參考了這個(gè)過(guò)程模塊。工作站的MAC過(guò)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(jì)工作。如圖1所示，工作站的MAC過(guò)程由1個(gè)強(qiáng)制(forced)初始化(Initialize)狀態(tài)與5個(gè)非強(qiáng)制的(unforced)狀態(tài)組成，包括空閑(Idle，沒(méi)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(shuō)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(guò)某種幀間隙的時(shí)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(guò)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?shí)時(shí)幀。
　　從‘Idle’狀態(tài)開(kāi)始，當(dāng)有數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生時(shí)，如果信道的空閑時(shí)間超過(guò)某個(gè)幀間隙的時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)幀時(shí)才執(zhí)行退避過(guò)程。在退避過(guò)程中到達(dá)了實(shí)時(shí)幀，則將此退避過(guò)程暫停，而立即轉(zhuǎn)入‘Transmit’狀態(tài)傳輸此實(shí)時(shí)幀。而在信道變忙時(shí)，轉(zhuǎn)入‘Defer’狀態(tài)等待信道狀態(tài)的改變?cè)僦匦卵舆t并退避。
　　圖1所示當(dāng)工作站傳輸結(jié)束后，只有當(dāng)2個(gè)等待隊(duì)列同時(shí)為空，并且傳輸?shù)氖谴_認(rèn)幀(不需要等待確認(rèn)幀)時(shí)，MAC過(guò)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(shí)時(shí)幀發(fā)生沖突的(純?yōu)榉菍?shí)時(shí)幀之間或非實(shí)時(shí)幀與實(shí)時(shí)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(shí)間中斷，然后轉(zhuǎn)入‘Defer’狀態(tài)等待延遲時(shí)間的結(jié)束。
　　MAC過(guò)程傳輸完數(shù)據(jù)幀后，并不將該數(shù)據(jù)幀從等待隊(duì)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(gè)非實(shí)時(shí)幀的傳輸超過(guò)了允許的重傳次數(shù)后，才將其移除。
　　AP的MAC過(guò)程實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，因?yàn)樗墓δ軆H為識(shí)別實(shí)時(shí)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(gè)強(qiáng)制的初始化(Init)狀態(tài)和等待(Wait,實(shí)時(shí)幀之間的沖突發(fā)生)、延遲(Defer)與傳輸輪詢幀(Poll)等3個(gè)非強(qiáng)制的狀態(tài)構(gòu)成。在Wait狀態(tài)時(shí)AP等待實(shí)時(shí)幀發(fā)生沖突，沖突一旦發(fā)生即設(shè)置SIFS延遲時(shí)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(shí)間，TX_FIN表示傳輸完輪詢幀。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
　　圖2為一個(gè)對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)的例子。網(wǎng)絡(luò)情景含1個(gè)AP節(jié)點(diǎn)與4個(gè)工作站，分布在1個(gè)10 m×10 m的區(qū)域內(nèi)。
表1所示的參數(shù)對(duì)于所有工作站都是一樣的。4個(gè)工作站均分局域網(wǎng)總負(fù)荷ρ，實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)幀類(lèi)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?yàn)椋赫?←→站1，站2←→站3。在信道受控階段輪詢順序?yàn)閺恼?到站3。仿真時(shí)間為5×103 s。

　　圖3顯示了工作站0中兩類(lèi)數(shù)據(jù)的等待時(shí)間在10 s內(nèi)的變化情況。可以看出，與實(shí)時(shí)幀相比，非實(shí)時(shí)幀的等待時(shí)間變化十分劇烈。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙或沖突產(chǎn)生時(shí)，非實(shí)時(shí)幀等待隊(duì)列中幀大量積壓;而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改善時(shí)，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(shí)時(shí)幀到達(dá)過(guò)程的隨機(jī)性所引起的站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)饑餓(starvation)和資源霸占(capture)。

　　表2給出了仿真時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)等待時(shí)間的一些統(tǒng)計(jì)特性。表中：

　　可以看出，4個(gè)工作站的實(shí)時(shí)幀經(jīng)歷的平均等待時(shí)間和方差都顯著地低于同站的非實(shí)時(shí)幀，并且工作站實(shí)時(shí)幀的平均等待時(shí)間沿著輪詢順序依次增加。這是因?yàn)樵跊_突發(fā)生時(shí)，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(jí)的機(jī)制。否則如果想公平對(duì)待工作站，就必須在每次輪詢時(shí)隨機(jī)地選擇AP輪詢的次序。然而非實(shí)時(shí)幀的等待時(shí)間均值和方差在4個(gè)工作站間沒(méi)有變化，這是因?yàn)榉菍?shí)時(shí)幀的傳輸與輪詢順序無(wú)關(guān)。
　　由表2還可看出，實(shí)時(shí)幀的等待時(shí)間總是低于它的上界并隨著輪詢次序增加。這說(shuō)明本文的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)幀等待時(shí)間上界的方法可以通過(guò)縮短輪詢幀的長(zhǎng)度和幀間隙。
　　Marco[2]的實(shí)時(shí)環(huán)(RT-Ring)協(xié)議為了使輪詢周期長(zhǎng)度受到限制，在受到輪詢時(shí)，讓工作站的兩類(lèi)數(shù)據(jù)幀都被發(fā)送有限數(shù)目。然而與本文的實(shí)時(shí)協(xié)議比較，實(shí)時(shí)環(huán)協(xié)議只做到了使實(shí)時(shí)幀的部分等待時(shí)間有上界，即從數(shù)據(jù)幀被授權(quán)(Authorization)傳輸?shù)絺鬏旈_(kāi)始的時(shí)間。而從數(shù)據(jù)幀的產(chǎn)生時(shí)刻到傳輸開(kāi)始時(shí)刻的整個(gè)等待時(shí)間沒(méi)有上限的限制。因?yàn)樾旁礊椴此尚旁矗却?duì)列中的幀數(shù)目可能為無(wú)窮大。
　　本文提出了一種基于介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議的智能建筑工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。分析了實(shí)時(shí)幀的最大等待時(shí)間,運(yùn)用OPNET軟件構(gòu)建了智能建筑無(wú)線局域網(wǎng)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，實(shí)時(shí)幀比非實(shí)時(shí)幀經(jīng)歷更短的平均等待時(shí)間，并且只需等待一個(gè)總小于上界值的時(shí)間。
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