基于WirelessHART的无线网络控制系统仿真改进外文翻译资料

文章历史：

2012年9月12 日收到

2013年2月1日收到修订版

2013年4月13日接收

2013年4月21日上线

关键词：

协同仿真

无线工业通信

无线网控制系统

实时系统

最近，WirelessHART（2007）和ISA100.11a（2009）被提出作为无线现场总线的通信标准。然而，无线网络控制系统的性能在现实世界中很难验证，因为测试台昂贵且难以实现。

本文提出了一种基于TrueTime交互的协同仿真框架，以及一种基于OMNET 的跨层无线网络仿真平台。特别是，OMNET 模型显示了网络和设备的精确方面，以改进总体共存管理。研究了无线shart网络控制的一个采样系统，分析了无线shart相对于传统IEEE802.15.4的控制性能和共存免疫性。

copy; 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

1. 背景介绍

过程和伺服控制系统现在被实现为网络控制系统（NCSs），其中控制和反馈信号通过网络（通常是现场总线）在设备之间交换。传统上，即使在网络控制系统（NCS）中，控制算法的设计通常假设传感元件和执行元件之间的信息交换是瞬时的，而网络上的数据交换会引入网络时延和可能的丢包。这种情况可能导致系统性能的严重和不可预测的下降，具体取决于应用程序[1,2]。因此，需要设计后验证阶段，通常通过仿真来执行。在网络控制系统中，控制算法和通信都必须进行仿真。为了评估通信系统的性能，有许多专门设计的工具，通常基于网络协议的离散事件模拟器和控制器任务的实时调度。相反，系统建模和控制算法的实现，如常微分方程（ODEs），都是基于连续时间仿真。NCSs的仿真需要在所谓的协同仿真方法中同时集成两种仿真样式。同时进行网络和控制系统的仿真可以提高仿真精度，并且可以研究所采用的通信和控制策略之间的相互作用，从而最大限度地提高整体性能。

如果考虑到无线NCSs（WNCSs），协同仿真就显得尤为重要，因为相对于有线NCSs，此类系统的无线链路[5–7]具有较低的可靠性和不确定性行为[3,4]。在文献中，一些与统计性能分析[14–16]和离散时间模拟[17,18]相关的工作，如WirelessHART[11,12]和ISA100.11a等工业过程自动化标准通信协议可用[13]。然而，据作者所知，一个专门定制的联合仿真工具仍然没有。

⁎ Corresponding author. Tel.: 39 030 3715445; fax: 39 030 380014.

E-mail address: paolo.ferrari@ing.unibs.it (P. Ferrari).

如以下章节所述，最著名的（W）NCS联合仿真工具是PiccSIM[8,9]和TrueTime[10]以及MATLAB。不幸的是，这些工具面向通用应用；参考无线通信解决方案，它们非常适合IEEE802.15.4和IEEE802.11，但缺乏适当模拟用于工业过程控制的新无线现场总线的详细信息。这些协议最关键的方面与它们用于媒体访问（即时分多址）的时间保持同步机制有关，可用的联合仿真工具通常不考虑这种机制。此外，无线信道模型通常被简化，它只考虑了加性高斯白噪声（AWGN），因此不能很容易地评估与其他共定位无线系统的共存性。应该强调的是，共存是需要模拟和测量工具的主要原因之一[19–21]。此外，有关共存的具体国际标准（如IEC6257系列标准）正在批准中，可能需要进一步研究。

基于以上原因，本文提出了一个标准的协同仿真框架TrueTime的改进方案，介绍了一个用OMNET 编写的WirelessHART的详细仿真模型。结果将更好地满足WNCS协同仿真的需要。作为一个例子，所开发的仿真工具被用来比较无线shart解决方案与参考解决方案的性能，该解决方案基于裸IEEE802.15.4实现，在存在强干扰的情况下（即IEEE802.11通信系统，其选择是因为其具有广泛的美国i o n h o m e/o o ffice应用）。

论文的结构如下。在下一节中，对NCS的联合仿真进行了概述，并提出了一种新的方法

第3节对WirelessHART作了一般介绍，第4节和第5节分别介绍了所采用的软件工具的特点，即“TrueTime”包和OMNET “UnibsFramework”[21,22]。这些注释介绍了第6节中对co模拟器的描述。第7节描述了控制网络和参考场景，并讨论了一些仿真结果。最后，报告了结论。

该方法的可行性将被证明实现一个基于WirelessHART的WNCS，并考虑在同一区域内干扰无线通信系统的影响。

3. WirelessHART

2. 联合仿真概述及提出方法

文献中有一些关于NCSs分析的联合仿真的工作。文中[23]介绍了一种基于MATLAB和OPNET的联合仿真工具，该工具将控制机制应用于多跳移动自组织网络（MANETs），并考虑了时延问题和路由算法。在[24]中，提出了一种集成网络仿真的ns-2扩展和ODE求解器的工具。PiccSIM[8,9]是一个联合仿真平台，其中Simulink（用于动态系统仿真）和ns-2（用于网络仿真）可以在同一台或不同的计算机上运行，因为两个环境之间的信息是基于UDP/IP交换的。目前，WNCS的协同仿真研究还很少。TrueTime[10]是Simulink的一个库，它支持有线和无线网络的模拟，包括IEEE802.11和IEEE802.15.4。由于Simulink在控制系统设计中的广泛应用，TrueTime是一个非常有趣的工具，但是网络仿真是通过不受用户控制的黑盒模型进行的，并且常常会将一些关键方面过于简单化。因此，不能将TrueTime单独视为真正的联合仿真工具。

然而，据作者所知，目前还没有尝试对基于WirelessHART协议的WNCSs进行联合仿真；对这种WNCSs的唯一分析可以在[25]和[26]中找到，其中描述了WirelessHART协议的TrueTime包的扩展。论文分析了实时仿真的优缺点。TrueTime限制在网络方面模拟和协议实现中突出显示。事实上，它只允许模拟物理层和MAC（媒体访问控制）层。当MAC在设备间分布时，采用集中的方法模拟物理层。因此，介质的物理特性与模拟协议密切相关，并且很难根据所考虑的情况进行修改。通信协议的实现不是模块化的和/或根据ISO–OSI堆栈组织的，但是节点只是模仿了WirelessHART介质访问仲裁的行为。在[25]和[26]中，不考虑网络管理器的存在，因此无法模拟用于构建和维护网络的算法。更重要的是，所考虑的超帧调度是微不足道的，不足以满足真实场景。例如，不实现加入/通告和同步链路的存在；也不模拟重发分组的能力。

作者在OMNET 环境下开发了用于无线网络仿真的UnibsFramework。它的实现是为了评估在同一区域内运行的不同网络的共存性，对节点行为建模，因为它们是用真正的硬件实现的[21,22]，包括MAC和商用收发器的定时。

基于以上原因，本文的研究方法是将最初开发的WirelessHART的UnibsFramework与TrueTime和MATLAB相结合，以增强整体的协同仿真能力。因此，TrueTime使其能够在多任务实时核心节点控制逻辑实现中进行上下文切换和中断处理。同时，UnibsFramework能够准确地模拟MAC和无线链路在实际设备（包括收发器）中的性能。

WirelessHART是第一个面向流程工业的开放式标准无线技术。由于它与有线对等技术共享相同的上层，因此最终用户几乎看不到从一种技术到另一种技术的迁移，因此保留了遗留的技术诀窍。WirelessHART已于2007年9月获得正式批准，许多真正的加工厂正在使用它。

WirelessHART是一种低成本、相对低速（例如，与WLAN-IEEE802.11相比）的无线现场总线。它采用IEEE 802.15.4-2006[27]物理层，在2.4ghz的ISM无线频段内工作，使用15个不同的信道，总数据速率为250kb/s。无线共享网络基于典型的由“网络管理器”组成的集中式架构，该架构具有一个或多个“网关”（包括接入点[28]）s“现场设备”。“网络管理器”设备与“安全管理器”实体通信，后者管理身份验证和数据加密密钥。典型的网络如图1所示。如图所示，网络和安全管理器通常嵌入到网关中，表示单个物理实体。手持设备用于调试/故障排除。

WirelessHART的主要特点是：同步和安全通信；信道跳跃支持的时分多址（TDMA）介质访问机制；以及完全冗余的网状路由[12]。以下是一些额外的细节。

bull; 时间保持同步：提供“时间保持”机制。至少一个节点用作时间源，即其本地时钟确定网络时间参考。每次接收到帧时，其到达时间（时间戳）被记录，并且与理想到达时间和实际到达时间的差异被传送到应答分组中。如果目标是时间源，则此时间偏移量可用于跟踪网络参考时间。在长时间不活动的情况下，发送一个特别包（“保持活动”）以在保护时间内保持时钟漂移。标准规范要求至少每隔30秒进行一次同步交换，时钟不确定度为10ppm，温度变化为每分钟2°C（或更低）。

bull; 介质访问控制：TDMA机制基于10毫秒宽的时隙。每个时隙可以承载源和目的地之间的通信机会（即链路）。链路被组织成一个预先确定的重复调度结构，称为超帧。为了抵消干扰，通过信道跳变在消息的基础上改变传输信道；如果需要，还可以排除通过黑名单已经占用的信道上的通信。

bull; 全冗余网状路由：WirelessHART通过“全网状”拓扑实现路径冗余；每个节点可以充当路由器，沿着网络管理器计算的路由转发传入消息。由于采用了集中式方法，现场设备的复杂性保持在较低水平。

bull; 数据安全：所有通信必须加密。一个初步的连接密钥（通过“带外”devic提供）用于绑定过程；由于动态更改的密钥，所有事务都在网络和会话级别加密。特别地，使用AES 128加密机制。必须注意，包完整性是通过评估“消息完整性代码”校验和来检查的，因此降低了计算时间。

HART通信基金会（HCF）和其他研究小组为工业装置的调试和诊断提供了测量工具[29,30]。

Host Application

Plant network

Field

Devices

Network

Manager

Security

Manager

Handheld Device

4. OMNET/UnibsFramework

用于无线网络仿真的UnibsFramework采用多层多层方法[31]。该框架基于OMNET 环境，由层次嵌套（复合）模块组成，通过交换消息相互通信。采用这种模块化方法是为了用相同的硬件模拟不同的协议，反之亦然。称为“节点模块”的复合模块描述单个无线节点，如下图所示。2。协议层包括所

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