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Wireless HART分布式分组分析仪的实现和性能评估
摘要 - 无线传感器网络现在已经成为现实。IEEE 802.15.4标准所取得的广泛共识促进了无线连接的前瞻性选择，而不仅仅是消费者的世界，也是传统有线工业网络的有效替代。特别是，IEEE 802.15.4的物理层规范符合低成本和低功耗的工业应用的关键要求。这一策略最引人注目的例子是无线HART（WH），它基于开放标准，专门为过程测量和控制应用设计的无线现场总线。它使用传统的IEEE 802.15.4无线电，但采用同步时分中等接入策略，并且依靠HART协议作为上层。其网状拓扑允许大面积有效和可靠的覆盖。它于2007年9月发布，但测试规范已于几个月前正式发布，同时还发布了仅适用于HART联盟成员的“无线测试系统”。在本文中，作者深入讨论了专为WH协议设计的新型创新型分组分析仪的设计和性能。就作者所知，它是第一个采用分布式方法的仪器，可用于实验室测试和工厂调试期间的现场测量。它可以同时扫描所有可用的RF信道，并提供精确的微秒级数据包时间戳，如同广泛的测量活动一样。此外，著名的Wireshark软件的解析器也已经实施和描述，提供了一个非常简单和直观的分析。此外，拟议的文书已与HART联盟提供的软件的初步版本进行了衔接。
一、介绍
工业通信世界对无线现场总线表现出越来越高的兴趣，即使用无线通信将现场级别的设备互连：传感器，执行器，仪表，控制器等。除了专有解决方案之外，一些标准正在出现，如Wireless HART（WH）或ISA100 [1]，[2]。两项提案的目标都是为过程自动化应用建立无线通信标准。相反，广为人知的ZigBee似乎并不适合这种应用领域，因为它并没有专门设计用于可靠的实时循环通信[3]。尽管ZigBee，WH和ISA100使用与IEEE 802.15.4相同的物理层，但它们在介质访问控制（MAC）级别方面存在很大差异，实际上阻碍了常见设备和工具的使用。例如，WH和ISA100都是采用频率捷变和功率适应来提高通信可靠性的网状解决方案。因此，商用可用分布式协议分析仪不能使用，因为它们被设计用于IEEE 802.15.4，并且不能够同时收听所有可用信道。从这个考虑出发，作者的工作集中在WH，其规格自2007年9月起可用。到目前为止，专门为WH系统的调试或诊断设计的仪器仍然缺乏。大多数已发表的作品都反映了仿真结果和缺乏实验的结果[6]，[7]。过去已经提出了一些可定制和多标准的分析工具，例如Peyton的分析工具（也可用于多通道听力[8]），但只有HART联盟最近宣布了一种专门用于WH设备符合性验证的仪器[ 9]，[10]。本系统中的“Wi-Test”是基于Linux的嵌入式PC机，执行一致性脚本。其他组件是实现无线接口的“Wi-Analyze”，以及分析空中收集的流量的后处理软件。这些工具对于实验室测试非常有用（因为我们处于WH的早期阶段，所以很多工作要做！），但不能用于现场测量。特别是，单探针仪器在真实工业工厂中有很多限制，其中大面积可以通过网格拓扑覆盖。这样，只有单一的网络可以进行分析，即仪器本身的面积覆盖范围与单个设备的面积覆盖率相同。相反，非正式的分布式诊断工具可以用于正常操作中的植入，为网络管理员提供有用的反馈，以便设计最佳图形路由和调整网格参数（例如，WH节点调整发射功率的能力可以有效地只有当仪器能够同时测量工厂几个点的通信质量时才能使用）。在本文中，作者详细介绍了设计，并根据所提出的架构指导来展示创新型分布式仪器的性能评估[11]。本文的主要目的是定义一种使用商用硬件设计的低成本仪器。所提出的解决方案能够收集（在广泛的地理区域内）同时出现在所有可用射频信道上的无线业务。一个重要的方面是能够精确地标记新分组到达的时间，以验证时隙分配的重要性。本文的另一个目标是提供一个有效的系统来显示和分析收集到的数据。为此，设计了一个流行的“嗅探”工具（Wireshark）的接口。使用由HART联盟提供的Wi-Analyze软件工具的能力也得到了验证。本文的组织结构如下：第二节，报告了WH特性的概述。在第III节中，详细介绍了可用于WH系统的诊断和调试的新型分布式仪器的体系结构。在第四节中讨论了探测器的实现，并在第五节介绍了在监测站上运行的软件。最后，第六节报告了评估仪器性能的广泛测量活动的结果，而第七节包含了一些结论性意见。
二、无线HART标准
WH是众所周知的广泛的有线HART协议的扩展;它保留了向后兼容性，并提供了新的可能性，因为无线网络具有更大的灵活性和可扩展性。如前所述，它主要致力于过程自动化;出于这个原因，WH支持的应用程序的最小周期时间为几秒。它是一个时间同步的超低功耗网状无线现场总线。为了最大限度地提高可靠性，它使用频率分集，时间分集和空间分集，并允许发射功率的自适应。 WH规范遵循开放系统互连层，并包含Physical，数据链路（包括MAC）和Network层。 Transport和Application层对于有线和无线HART都是相同的。 WH还被最近成立的第16工作组在标准委员会SC65C中为工业通信[12]批准为国际电工委员会公共可用标准。AWH network通过一个独立的活动网络管理器来形成，该管理器由安全管理器支持分发加密密钥。至少有一个网关将现场设备与工厂自动化系统互连。但是，并非所有设备都必须在通信（即源设备），但是设备托管人，手持设备（用于调试和/或维护目的）以及适配器（用于将传统硬件与无线网络连接）中发挥积极作用。关于物理层，已经选择了IEEE 802.15.4-2006，即符合该标准的物理设备可以用于实现WH节点。这意味着调制模式完全相同，但所有其他协议层不同;这些标准之间没有兼容性，互操作性必须在应用层实现。例如，WH仅支持IEEE 802.15.4的16个通道中的15个（避免最后一个通道），并且网络管理员可以创建黑名单以避免某些频道并改善共存。 MAC层协议基于时分多址和慢跳频方法的混合使用。参与网络的所有节点必须共享相同的时间感，即它们必须全部对齐到由固定数量的10ms宽时隙组成的相同超帧结构。特别是，两个（或更多）设备只有在它们共享“链路”时才能通信。每个链路不仅包含对通信中涉及的邻居的引用，还包含超帧内的槽号，通信的方向（传输/接收），链路特性（例如，由于提供了清晰的信道评估机制而共享/专用）以及初始通信信道。后面的参数和绝对槽号是计算当前链路中使用的激活信道所需要的。时间同步是通过利用数据消息内的时间信息和确认之间的成对交换来实现的，然后通过关于理论时间（在网络管理器时间参考中）的实际分组到达时间（在节点时间参考中）进行比较。数据包的路由基于图路由而不是（可选的）地址路由。每一对节点都由一个图形互连，即连接它们的有向线的集合。 WH中使用上游（朝向网关）和下游图。只有负责正确配置每个图的网络管理员才能知道整个路由;节点内的图形信息仅指示下一跳的目的地。
三、架构拟议文书
所提出的分布式仪器基于部署由有线测量网络（即，以太网链路）互连的多个“探测器”。该系统的概述如图1所示。每个探测器的目标是嗅探并收集符合WH规范的空中业务，以提供有关被测无线网络正确行为的重要信息。每个探针都有一个模块化的组织结构，可以容纳最少的符合IEEE802.15.4物理层的收发器。这样，可以同时嗅探当前时隙的活动信道和下一个时隙的活动信道。有关频率图的信息可以从网络管理员获得，网络管理员必须始终存在，或在调试期间从工程软件获取。最多可管理15个收发器，可同时扫描所有可用带宽。所提出的仪器探头不仅可以记录流量，还可以获取具有相同时间戳参考的物理输入信号。该功能可用于测量应用层的性能。例如，可以测量一个事件（在输入线上监视）和它在网络上的通知之间的延迟。可以部署任意数量的探针，例如覆盖植物不同区域的探针，它们的数量仅受“测量网络”的可用带宽的限制。记录的数据，时间戳和辅助数据（作为输入信号功率...）被封装在用户数据报协议（UDP）数据包中，以用于查看和收集传统的嗅探工具。后续的数据分析可以通过用户开发的软件进行，详见第五节。显然，每个探针的可用带宽必须高于来自所有通道的总流量;然而，这不是一个“真正的”问题，因为网络的最大理论可用带宽约为4 Mb / s。在更实际的情况下，每个WH链路传输最大数据包（133字节）和ACK（26字节）以及大约60 B辅助数据时，总带宽低于3.5 Mb / s（15个通道，2296每个通道10 ms内的位）。根据这些考虑，使用千兆位以太网链路作为测量网络（考虑200 Mb / s的合理吞吐量），可以将多达50个探针互连在一起。监测站已经放宽了限制，因为它的任务不需要实时执行。实际上，监测站的主要任务是存储和处理所有传入的数据。因此，唯一关键的一点是系统带宽，即在不丢帧的情况下管理所有数据的能力。该设备的另一项任务是配置测量网络并传输探测参数，如探测器ID，同步方法等。此外，该站还必须与网络和安全管理人员交换信息，例如网络配置或密钥。这些数据对分析收集的数据很有用。这些监视器可以通过在传统的个人电脑上运行指令来实现。另一个关键点是探针之间的时间同步;需要高精度同步来比较来自测量网络中不同探头的时间戳流量。也如[13]所示，可以实施两种不同的方法;同步信号可以通过有线或通过测量网络传输。在第一种情况下，所有的探头都有专用的电线，用于同步的1脉冲 - 秒（PPS）信号。在第二种情况下，通过测量网络使用网络协议（例如IEEE 1588 PTP [14]）分配时间参考。在所提出的解决方案中，每个探头可以连接到GPS接收器或其他1-PPS源。而且，任何探针都可以作为参考时间源，并将该参考分发给其他探针。
图1 所提出的仪器的体系结构
四、PROBE实现
提议的分布式仪器的实现影响成本，紧凑性，整体仪器能力（例如，探测器的最大数量），特别是同步性能。每个探头都可以使用符合IEEE 802.15.4规范的商业可用收发器轻松实现，这些收发器由管理程序现场可编程门阵列（FPGA）管理。 FPGA管理射频收发器和监控端口“M端口”。提供附加的“辅助端口”作为用于同步信号的输入/输出端口，例如GPS或1PPS.A缓冲存储器被使用的扩频数据。必须记住，通用IEEE 802.15.4收发器的物理接口不是标准化的;换言之，与以太网或蓝牙的主机控制器接口不同的媒体独立接口（用于千兆版本的G-MII）是不同的。然而，收发器通常是由同步串行接口[即串行外设接口（SPI）]通过非常少的控制线支持的访问。另外，一些收发器还提供数字线路来通知新数据包的到达;在下文中，这样的一条线被称为SFD，因为它可能与IEEE 802.15.4-PHY兼容包中的“起始帧定界符”字段的检测有关。每个收发器都有自己的专用SPI控制器和一个“输入捕捉”工具来对SFD线进行采样（在图2的“端口X逻辑和时间戳”模块内）。这种选择会影响资源利用，提高性能。更详细的描述可以在[11]中找到。特别是，飞思卡尔的MC13192已经在实际的原型中用作RF收发器。假设要实现具有15个无线电模块的分组分析仪，可以同时扫描所有通道，并且所有传入数据包都可以使用相同的参考时间进行时间戳。所有模块都通过内部总线互连，并链接到一个体现CPU核心（32位NIOS2 IP内核）的“监督和同步模块”（SSB）。可选的直接内存访问外设可以实现进一步提高吞吐量。 SSB通过测量网络（端口M）与监测站交换配置参数。非常少量的非时间关键数据不会影响测量网络的带宽和性能。通过配置消息，可以远程地写入或读取探测属性（例如，地址，同步方法，探测状态等）和记录设置（例如记录滤波器，数据解密等）。但是，SSB不仅管理探测配置，而且还处理同步协议。它通过以太网链路实现IEEE 1588 PTP [14]（端口M，由FPGA内的硬编码模块处理）。为了支持以太网上的精确时钟同步，已经实现了一个支持PTP的以太网MAC模块（包含在“端口M逻辑和时间戳”模块中）。该模块提供了一些对PTP堆栈有用的服务，如硬件时间戳输入和输出的PTP帧。另外，如果需要，SSB处理GPS或其他有线同步信号，在图2中引用为“同步I / O”。参考相同的框图，这些同步方法调整“本地时间参考”，给所有的时间戳块。
图2 仪器仪表的详细框图
图3 封装方法（字段长度为字节）
图4 WHISHARK与WH剖析器截屏
图5 HCF WiDelphi工具用于显示所提出的仪器收集的数据
表一当前探测实现所需的资源
图6 研制探针
五、监测站的分析软件
监测站可以通过具有100/1000 Base以太网端口的传统PC实现。为了尽可能简化系统并降低开销 - 最大化管理探测器的数量 - 每个收发器收集的数据包都封装在UDP / IP数据包中。如前所述，WH标准对所有通信实行加密。如果解密不是硬件实现的，则嗅探数据由原始加密数据包组成，解密过程必须由分析软件实施。无论如何，这意味着监控台必须知道加密密钥。这又意味着安全管理者，网络管理者和监控者之间必须进行沟通。通常，两个管理器都是在同一硬件上运行的逻辑设备。另外，它们是由专业制造商实现的，通信专用通常是专有的，并不适用于第三用户（例如Nevis的Edge System Manager SM4800 [16]或E-Senna的Senna NMP [17]）。
即使本文没有明确处理这些方面，也可以根据需要提供包括调试工具在内的HART命令的扩展。这样，网络中的所有参与者都可以看作是HART设备，并且可以使用标准的“HART TCP / IP通信接口”来共享信息。后者规范尚处于草案状态，其中包含了如何通过传输控制协议（TCP）/ IP传输发送标准HART和WH应用层命令的定义。目前，UDP / IP套件中的专有应用协议已经用于原型测试。正如前一节所述，SSB可以完成一项初步的筛选行动，可以通过编程工作来使不特定的模式包包含在关节节点中。随后，原始输入分组数据和辅助信息构成UDP / IP分组的有效载荷，如图3所示。特别是，“Sniffer Header”以一个“Type”字段开头，意味着它具有意义。
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