WIA-PA的制定与开发

WIA-PA标准中科院沈阳自动化研究所张晓玲2011年3月31日主要内容一、WIA-PA概况二、WIA-PA标准体系与关键技术三、WIA-PA运行过程四、WIA-PA开发要点五、WIA-PA原型产品的测试WIA-PA概况标准名称国家制定单位进展WIA-PA中国中科院沈阳自动化所牵头CDVWirelessHART美国HART基金会FDISISA100美国美国仪表学会，征集各国技术提案雷声大、雨点小注：标准制定历经的阶段：NP、PAS、CD、CDV、FDISWIA-PA标准体系与核心技术标准体系拓扑结构网络构成协议栈模型核心技术管理架构超帧结构多址方式跳频技术虚拟通信关系聚合与解聚WIA-PA标准体系与核心技术路由设备冗余路由设备现场设备网关设备冗余网关设备网状结构星型结构星型结构星型结构星型结构主控计算机手持设备Mesh网络连接星型网络连接其它网络现场设备网关设备冗余网关设备主控计算机手持设备星型网络连接其它网络星型+网状星型WIA-PA标准体系与关键技术—标准体系物理：主控计算机网关设备路由设备现场设备手持设备逻辑：网关冗余网关网络管理者安全管理者簇首冗余簇首簇成员网络构成：WIA-PA标准体系与关键技术—标准体系协议栈模型IEEE802.15.4MAC层IEEE802.15.4物理层网络层数据链路子层应用子层MLDE-SAPMLME-SAPDLDE-SAPNLDE-SAPASLDE-SAP设备管理应用进程（DMAP）ASLME-SAPNLME-SAPDLME-SAPASLME-SAPNLME-SAPDLME-SAP用户应用进程（UAP）管理实体数据实体网络管理管理信息库用户应用对象1用户应用对象n数据实体管理实体数据实体管理实体安全管理报文ASDUNSDUDSDUMSDUPSDU包头包头包头包头包尾包尾包头APDUNPDUDPDUMPDU待发送报文物理层MAC层数据链路子层网络层应用层报文格式WIA-PA标准体系与核心技术—核心技术集中式和分布式混合的管理架构网关设备网络管理者安全管理者路由设备现场设备路由设备现场设备现场设备现场设备现场设备现场设备到路由设备的管理信息流到现场设备的管理信息流网关设备网络管理者安全管理者路由设备现场设备簇首簇成员路由设备现场设备簇成员现场设备簇成员现场设备簇成员现场设备簇成员现场设备簇成员簇首到路由设备的管理信息流到现场设备的管理信息流WIA-PA标准体系与核心技术—核心技术超帧结构CAP:设备加入，簇内管理和重传CFP:移动设备与簇首间的通信非活动期:簇内通信、簇间通信/休眠信标BeaconCAPCFP休眠簇内通信簇间通信非活动期活动期上层网络协议栈应用层网络层数据链路层物理层网关设备APDU加密/解密,MIC校验报文聚合应用层网络层数据链路层MPDU/DPDU加密、解密MIC校验物理层现场设备应用层网络层数据链路层MPDU/DPDU加密、解密MIC校验物理层路由设备上层网络协议栈主控计算机报文聚合簇内网关到主控计算机WIA-PA网络上层网络网络层数据链路层物理层路由设备APDU加密/解密,报文解聚,MIC校验……MPDU/DPDU加密、解密MIC校验MPDU/DPDU加密、解密MIC校验簇间应用层如果支持报文聚合必选数据流可选数据流数据流多址访问超帧内TDMA:信标帧、CFP、簇内通信和簇间通信阶段CSMA:CAP超帧间(不同路由设备超帧的活动期)FDMATDMA:信道数量不足IEEE802.15.4本发明MAC机制跳频机制信标CAPCFP非活动期信标CAPCFP簇内通信段簇间通信段休眠TDMACSMATDMAFDMA+TDMATDMATDMA…AFSAFHTH…WIA-PA标准体系与核心技术—核心技术跳频机制自适应频率切换（AFS）：在不同的超帧周期内根据信道状况切换超帧活动期所用信道自适应跳频（AFH）：根据信道状况更换非活动期的簇内通信段的信道时隙跳频（TH）：按照一定规律改变非活动期的簇间通信段的信道信标BeaconCAPCFP休眠簇内通信簇间通信非活动期活动期WIA-PA标准体系与核心技术—核心技术虚拟通信关系目的：应用对象间通信网络协议对应用的透明化分层协议支持VCR类型Publisher-SubscriberReport-SinkClient-Server应用层用户应用用于用户应用对象的周期性数据传输用于报警、事件等非周期性事件的报告用于参数的读、写等信息获取或设置操作通信模式Publisher-SubscriberReport-SinkClient-Server是否双向否否是端到端重传否可选是是否支持聚合是否否网络层冗余路径支持簇内否否否簇间是是是单播/广播广播、单播广播、单播单播数据链路子层周期性是否否实时性是可选否通信资源簇内CFP、簇内通信阶段的专用时隙CAPCAP簇间簇间通信阶段的专用时隙簇间通信阶段共享时隙簇间通信阶段共享时隙虚拟通信关系两级聚合数据聚合：现场设备：数据聚合对象多个用户应用对象时包聚合路由设备：包聚合对象多个现场设备的数据包解聚网关设备：解聚对象AB数据更新周期：1sUAO：a1,a2数据更新周期：4sUAO：b1,b2RUAPASLa1a2协议栈UAPASLPAGO协议栈ASLDataimages协议栈NMDGOHostcomputerGW现场设备现场设备路由设备现场设备AUAPASLb1b2协议栈现场设备B路由设备R网关设备GWUAP网关设备A_vcr1A_vcr2PAG_vcrDAG_vcrDAGOWIA-PA运行过程设备加入路由配置与资源分配网络性能监视设备离开设备加入待加入路由设备网关设备信标加入请求转发加入响应网络管理者加入响应网络发现和时间同步安全管理者通信方式暂不做规定安全认证转发加入请求待加入路由设备已加入路由设备网状网络信标加入请求转发加入响应网络管理者转发加入请求转发加入请求加入响应转发加入响应网络发现和时间同步安全管理者通信方式不做规定安全认证路由设备通过网关加入路由设备通过在网路由设备加入待加入现场设备网关设备信标加入请求转发加入响应网络管理者转发加入请求加入响应网络发现和时间同步安全管理者通信方式不做规定安全认证待加入现场设备已加入路由设备网状网络信标加入请求转发加入响应网络管理者转发加入请求转发加入请求加入响应转发加入响应网络发现和时间同步安全管理者通信方式不做规定安全认证现场设备通过网关加入-仅适用于星型网络现场设备通过在网路由设备加入地址分配高位厂商ID设备类型设备ID低位3字节2字节3字节设备长地址高位低位簇地址01字节1字节路由设备短地址高位低位簇地址簇内地址1字节1字节现场设备短地址路由配置与资源分配路由设备通过加入验证后的路由设备已加入的路由设备网状结构网络管理者汇报邻居信息请求转发汇报邻居信息请求转发汇报邻居信息请求配置路由表请求转发配置路由表请求转发配置路由表请求配置路由表响应转发配置路由表响应转发配置路由表响应配置信道属性请求转发配置信道属性请求转发配置信道属性请求配置信道属性响应转发配置信道属性响应转发配置信道属性响应配置超帧请求转发配置超帧请求转发配置超帧请求配置超帧响应转发配置超帧响应转发配置超帧响应配置链路请求转发配置链路请求转发配置链路请求配置链路响应转发配置链路响应转发配置链路响应已通过加入验证的现场设备已加入路由设备网状网络网络管理者转发写VCR请求写VCR请求转发写VCR请求更新超帧请求转发更新超帧请求更新链路请求转发更新链路请求写路由请求转发写路由请求如果影响路由设备的超帧，则需要更新超帧、链路和路由写现场设备超帧请求写现场设备链路请求写VCR响应转发写VCR响应转发写VCR响应更新超帧响应转发更新超帧响应更新链路响应转发更新链路响应写路由响应转发写路由响应写现场设备超帧响应写现场设备链路响应网关主控计算机写用户配置信息通信方式不做规定转发用户配置信息写用户配置信息转发用户配置信息更新设备列表和UAO列表VCR设置VCR设置写C/S和R/S类型的VCR写VCR响应写现场设备信道属性请求写现场设备信道属性响应利用远程读属性服务读UAO配置VCR以及路由转发写VCR响应转发写VCR响应利用远程读属性服务读UAO利用远程读属性服务读UAO配置VCR以及路由读属性响应读属性响应读属性响应现场设备GWR3R2R1F2GW网关设备现场设备路由设备F4F5F3F1GW=R1R1=F1R1=F2GW=R2GW=R2R2=F5R2=R3R3=F3R3=F4休眠网状结构通信资源分配星型结构通信资源分配时隙通信资源分配信道通信资源分配示例网络性能监视路径失效报告设备状态报告信道状况报告：自适应跳频路由设备网状网络网络管理者路径失败报告转发路径失败报告路径失败报告过程现场设备路由设备设备状态报告请求ACK现场设备状态报告过程路由设备网状网络网络管理者设备状态报告请求转发设备状态报告请求路由设备状态报告过程设备网状网络网络管理者信道状况报告请求转发信道状况报告请求信道状况报告过程WIA-PA运行过程——设备离开设备离开主动离开：离开设备申请路由设备离开现场设备离开被动离开：簇首或网关指令路由设备离开现场设备离开WIA-PA运行过程——设备离开路由设备主动离开待离开路由设备在网路由设备网状网络离开请求离开响应释放资源请求网络管理者转发离开请求转发离开请求离开响应转发离开响应转发释放资源请求路由设备通知现场设备后离开释放网络地址和通信资源，更新网络拓扑WIA-PA运行过程——设备离开路由设备被动离开在网路由设备网状网络离开请求转发离开响应释放资源请求网络管理者转发离开请求转发离开请求离开响应转发离开响应转发释放资源请求释放网络地址和通信资源，更新网络拓扑待离开路由设备路由设备通知现场设备后离开WIA-PA运行过程——设备离开现场设备主动离开待离开现场设备网关设备网络管理者报告簇成员列表和UAO列表离开响应离开请求现场设备离开,释放簇内地址、VCR和通信资源，更新设备列表和UAO列表现场设备主动离开网关设备待离开现场设备路由设备网状网络离开响应网络管理者离开请求现场设备离开释放簇内地址、VCR和通信资源，更新设备列表和UAO列表报告簇成员列表和UAO列表转发簇成员列表和UAO列表释放簇内地址，更新设备列表和UAO列表现场设备主动离开路由设备WIA-PA运行过程——设备离开现场设备被动离开网关设备网络管理者离开请求离开响应现场设备离开现场设备报告簇成员列表和UAO列表释放簇内地址、VCR和通信资源，更新设备列表和UAO列表路由设备网状网络网络管理者离开请求离开响应现场设备离开现场设备报告簇成员列表和UAO列表释放簇内地址和通信资源，更新设备列表和UAO列表释放簇内地址，更新设备列表和UAO列表转发簇成员列表和UAO列表现场设备被动离开网关设备现场设备被动离开路由设备WIA-PA开发要点主要数据结构：管理信息库主要接口：各层的原语基于IEEE802.15.4-2006设备特征射频工作频率2.400~2.4835GHz信道数16信道间隔5MHz信道带宽2.7MHz调制OQPSK传输速率250kbps接收灵敏度-90dBm传输距离室内大于100m室外大于500m输出功率15dBmto+5dBm数据加密128-bitAES天线Chip设备特征数据端口以太网（可选）符合IEEE802.3标准，10Mbps串口（推荐）符合RS232电气接口协议，支持115kbps工作条件工作电压（推荐）2.8~3.6V工作温度-40~85℃工作湿度10~90%RHWIA-PA原型产品的测试网关路由设备现场设备WIA-PA原型产品的测试初始化测试网络管理者和网关的初始化安全管理者初始化测试运行过程测试设备的加入流程设备路由配置测试通信资源分配与分发测试设备退出网络流程关键功能测试网络超帧长度测试网络时间同步数据报文聚合与解聚Ke