摘  要： 針對現有智能建筑局域網協議不能滿足服務質量需要的問題，提出了一種基于介質訪問控制協議的智能建筑工業以太網設計方案。分析了實時幀的最大等待時間，運用OPNET軟件構建了智能建筑無線局域網的仿真模型。仿真結果證明,本方案具有更好的性能，能夠較好地解決現有智能建筑工業存在的問題。
關鍵詞：智能建筑; 等待時間上界; 工業以太網; 介質訪問控制協議

　　智能建筑是IT技術在建筑領域應用的必然結果，是建立在以計算機技術為基礎的現代IT技術之上且能與人和自然高度和諧、平衡共生和可持續發展的綠色建筑，是人類在生態文明時代可持續發展戰略在建筑領域的具體表現[1-3]。智能建筑經過20余年的實踐，其功能不斷發展和完善，實現技術也不斷更新和成熟。智能建筑仍將不斷地采用高新技術，并不斷發展。這種不斷發展的特性使智能建筑在不同的時期具有不同的特點[4-5]。本文站在建筑技術與現代IT技術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技術在建筑領域中的具體應用和對建筑發展的影響，以推動智能建筑的可持續發展。
　　介質訪問控制協議是智能建筑工業以太網、無線局域網控制系統中主要采用的技術。然而現有智能建筑局域網協議不能滿足QoS（Quality of Service）的需要[1]。因此,本文提出一種基于介質訪問控制協議的智能建筑工業以太網設計方案，以圖有效地解決這一問題。
1 智能建筑工業以太網協議設計
1.1實時介質訪問控制協議
　　考慮到在智能建筑工業以太網等實時應用系統中，大量的數據幀均為短幀，實時數據幀之間的沖突可以通過CB-RTMAC在確定的時間內得到解決。雖然無線信道存在著隱蔽終端問題，但工作站在發送數據幀時仍然不必發送大量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，實時幀將經歷較短的等待時間。目的站收到數據幀后向源站傳輸確認幀，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。因為其他的數據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沖突。
　　假設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個數據幀發送時便造成沖突。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先結束延遲并成功發送。從而實時幀比非實時幀較高的優先級別得到保證。
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IEEE 802.11 MAC層協議標準的process(“wlan_mac”)。本文在構建工作站的MAC過程中參考了這個過程模塊。工作站的MAC過程負責數據幀生成、傳輸、接收以及一些網絡性能的統計工作。如圖1所示，工作站的MAC過程由1個強制(forced)初始化(Initialize)狀態與5個非強制的(unforced)狀態組成，包括空閑(Idle，沒有幀待發)狀態、延遲（Defer）狀態、傳輸（Transmit）狀態、等待應答（WaitF）狀態和退避(Backoff)狀態。

　　下面說明圖1狀態轉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表示傳輸結束；RETX表示工作站仍然有數據幀要傳輸并且已經不需要等待確認幀；BACK_FIN表示退避過程結束；DEFER_FIN_BACK表示延遲結束并且工作站要傳輸的是非實時幀。
　　從‘Idle’狀態開始，當有數據幀產生時，如果信道的空閑時間超過某個幀間隙的時間,則直接傳輸轉入‘Transmit’狀態；否則設置相應幀間隙時間中斷后，轉入‘Defer’狀態。
　　從‘Defer’狀態的退出條件可以看出，工作站僅在準備傳輸非實時幀時才執行退避過程。在退避過程中到達了實時幀，則將此退避過程暫停，而立即轉入‘Transmit’狀態傳輸此實時幀。而在信道變忙時，轉入‘Defer’狀態等待信道狀態的改變再重新延遲并退避。
　　圖1所示當工作站傳輸結束后，只有當2個等待隊列同時為空，并且傳輸的是確認幀(不需要等待確認幀)時，MAC過程才從‘Transmit’狀態到‘Idle’狀態。在其他情況下則轉到‘WaitF’狀態。其中在非實時幀發生沖突的(純為非實時幀之間或非實時幀與實時幀之間)情況下，MAC不在‘WaitF’狀態停留，而是立即設置延遲時間中斷，然后轉入‘Defer’狀態等待延遲時間的結束。
　　MAC過程傳輸完數據幀后，并不將該數據幀從等待隊列中移除。只有到工作站確認數據幀已經成功發送到目的站后(收到了確認幀)，或某個非實時幀的傳輸超過了允許的重傳次數后，才將其移除。
　　AP的MAC過程實現比較簡單，因為它的功能僅為識別實時幀之間發生的沖突，然后再傳輸輪詢幀。AP的狀態由一個強制的初始化(Init)狀態和等待(Wait,實時幀之間的沖突發生)、延遲(Defer)與傳輸輪詢幀(Poll)等3個非強制的狀態構成。在Wait狀態時AP等待實時幀發生沖突，沖突一旦發生即設置SIFS延遲時間中斷，然后跳入Defer狀態。延遲完成之后跳到Poll狀態傳輸輪詢幀。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 實驗結果與分析
　　圖2為一個對稱網絡的例子。網絡情景含1個AP節點與4個工作站，分布在1個10 m×10 m的區域內。
表1所示的參數對于所有工作站都是一樣的。4個工作站均分局域網總負荷ρ，實時與非實時幀類別承擔工作站的負荷比例為2:3。設置工作站之間的數據幀傳輸方向為：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中兩類數據的等待時間在10 s內的變化情況。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。當網絡繁忙或沖突產生時，非實時幀等待隊列中幀大量積壓;而當網絡狀態改善時，又可以將等待的數據幀連續地發出。其原因是非實時幀到達過程的隨機性所引起的站點網絡饑餓(starvation)和資源霸占(capture)。

　　表2給出了仿真時間內數據等待時間的一些統計特性。表中：

　　可以看出，4個工作站的實時幀經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分服務優先級的機制。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。
　　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議可以滿足安全關鍵通信網絡的需要。根據上面的分析，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(RT-Ring)協議為了使輪詢周期長度受到限制，在受到輪詢時，讓工作站的兩類數據幀都被發送有限數目。然而與本文的實時協議比較，實時環協議只做到了使實時幀的部分等待時間有上界，即從數據幀被授權(Authorization)傳輸到傳輸開始的時間。而從數據幀的產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，等待隊列中的幀數目可能為無窮大。
　　本文提出了一種基于介質訪問控制協議的智能建筑工業以太網設計方案。分析了實時幀的最大等待時間,運用OPNET軟件構建了智能建筑無線局域網的仿真模型。仿真結果表明，實時幀比非實時幀經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
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