基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统，该实现系统基于传统工业控制系统中广泛使用的两线制数据传输网络；引入多载波正交频分复用技术，达到百兆以上高带宽；设计特殊帧结构，结合物理层资源块的静态及动态合理配置，及介质访问控制层数据业务的调度策略设计，实现传输业务与时间片的合理映射；针对工业互联网现场层宽带总线架构需要满足高性能、高可靠、高实时和高安全的要求提供了一种快速同步、实时、高速、可靠的实现方案。

Implementation system of broadband bus architecture based on field layer of industrial Internet

The invention relates to a system for realizing industrial Internet broadband field layer bus architecture based on two wire data transmission network system based on the traditional industrial control system widely used; the introduction of multi carrier orthogonal frequency division multiplexing technology, reach hundreds of megabytes of high bandwidth; the design of special frame structure, combined with the static physical layer resource block the dynamic and reasonable configuration, and medium access control layer and data service scheduling strategy design, realize the reasonable mapping transmission service and time slot; for the industrial Internet field layer broadband bus architecture meet the needs of high performance, high reliability, high real-time and high security requirements and provides a scheme to realize fast synchronization, real-time, high-speed and reliable the.

【技术实现步骤摘要】
基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统
本专利技术涉及工业互联网
，尤其一种基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统。
技术介绍
随着互联网技术的发展，各类总线被广泛的应用于工业现场自动化中，实现控制端对工业现场的实时监控。目前，应用于工业现场中的总线均为采用单载波技术的总线，较为常用的有控制器局域网(ControllerAreaNetwork，CAN)、以太网总线等。其中，CAN总线传输带宽一般在五十兆以下，当应用在大型工业现场中时，CAN总线需要挂接众多工业现场设备，这些工业现场设备均需要占用传输带宽来进行与控制端之间的数据通信，但由于CAN总线的传输带宽较低，导致数据在总线中的传输速率较低，传输性能较差。而以太网总线在工业现场中应用时，需要借助以太网交换机来实现工业现场设备的接入以及数据传输，这导致网络系统的构成较为复杂，现场布线困难，并且以太网的信道分配方式采用带有冲突监测的载波侦听多路访问协议CSMA/CD，适合于突发性数据的传输，不具有实时性，故以太网总线很难适用在大型工业现场以及对传输实时性的要求较高的工业现场中。基于此，上述采用单载波技术的总线很难满足大型工业现场中众多工业现场设备的传输性能需求。
技术实现思路
本申请提供一种基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统，用以解决现有技术中采用单载波技术的总线很难满足大型工业现场中众多工业现场设备的传输性能需求的问题。本申请实施例提供的一种基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统，包括：总线控制器、至少一个总线终端和两线制总线，总线控制器与总线终端通过两线制总线连接构成一个网络，其中，所述总线控制器与任一总线终端之间、以及各总线终端之间基于正交频分复用OFDM技术进行通信，各总线终端占用的子载波之间互不干扰；通信时所使用的信号帧的帧结构包括下行系统子帧、下行子帧、以及上行子帧；所述总线控制器，用于在下行系统子帧上发送下行导频信号；在下行子帧上发送用于指示总线终端进行初始化配置的广播消息；在接收到总线终端在上行子帧上发送的接入请求后，基于所述接入请求中的业务信息，为所述总线终端分配信道资源块，并在下行子帧上向所述总线终端发送信道资源块的分配结果；所述总线终端，用于基于接收的下行导频信号进行系统同步以及信道估计，并在接收到所述广播消息后，在上行子帧上发送接入请求；基于接收的所述信道资源块的分配结果，进行业务数据的发送和接收。进一步地，所述下行系统子帧为每个信号帧中的第一个子帧；所述总线控制器，具体用于：在通过下行子帧向总线终端发送下行信号之前，在下行系统子帧上向所述总线终端发送下行导频信号；所述总线终端，具体用于：基于接收的所述下行导频信号，确定所述总线终端与所述总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；基于所述时钟偏差分别对接收信号以及发送信号进行时钟纠正，并基于所述符号偏差分别对接收信号以及发送信号的开窗位置进行调整；并在确定所述总线终端与所述总线控制器之间的传输时延后，对发送给所述总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，以便达到系统同步。进一步地，所述业务信息中包含有业务类型以及业务类型对应的业务量；其中，所述总线控制器为总线终端分配的信道资源块包括上行子帧信道资源块以及下行子帧信道资源块；所述总线控制器，具体用于：基于所述业务类型，为所述总线终端分配与所述业务类型对应的信道资源块；基于所述业务类型对应的业务量，确定分配的与所述业务类型对应的信道资源块的数量；所述总线终端，具体用于：利用所述信道资源块的分配结果中与所述业务类型对应的上行子帧信道资源块，向所述总线控制器发送业务数据；从与所述业务类型对应的下行子帧信道资源块中获取所述总线控制器针对接收的所述业务数据所反馈的响应消息。进一步地，所述上行子帧的每一个OFDM符号除承载有数据信号之外，还承载有上行导频信号；其中，所述上行导频信号用于指示所述总线控制器进行信道估计；所述数据信号与所述上行导频信号占用所述上行子帧的子载波按预设比例分配。进一步地，所述信号帧的下行子帧与上行子帧之间、以及所述信号帧的上行子帧与下一信号帧的下行系统子帧之间分别设置有保护间隔一、保护间隔二，其中，保护间隔一用于为信号帧的下行子帧与上行子帧的切换预留时间，保护间隔二用于为信号帧的上行子帧与下一信号帧的下行系统子帧的切换预留时间。进一步地，所述信号帧中还包含上行随机接入系统子帧；所述总线终端，还用于在上行随机接入系统子帧上向所述总线控制器发送上行导频信号以及数据信号，所述数据信号中包含接入请求；所述总线控制器，还用于：根据所述上行导频信号进行信道估计，并根据所述接入请求为所述总线终端分配信道资源块。进一步地，所述总线控制器利用由下行子帧和下行系统子帧所构成的第一时间片来发送数据；所述至少一个总线终端共用由上行子帧所构成的第二时间片来发送数据；当总线终端与所述总线控制器之间进行通信时，所述总线终端通过所述下行子帧以及下行系统子帧接收数据；当总线终端之间进行通信时，所述总线终端通过所述上行子帧接收数据。进一步地，包含有上行随机接入系统子帧的信号帧为特殊帧，不包含上行随机接入系统子帧的信号帧为普通帧，其中，所述普通帧中各子帧的排布位置依次为下行系统子帧、下行子帧、保护间隔一、上行子帧、保护间隔二；所述特殊帧中各子帧的排布位置依次为下行系统子帧、下行子帧、保护间隔一、上行子帧、上行随机接入系统子帧、保护间隔二；所述下行系统子帧、下行子帧、保护间隔一、保护间隔二、上行子帧、上行随机接入系统子帧中分别包含的OFDM符号的个数按需求来设定。进一步地，所述总线控制器与任一总线终端之间、各个总线终端之间基于OFDM技术进行通信时，在所述信号帧上发送的数据中包含有目的IP地址以及源IP地址。进一步地，所述系统中还包括备用总线控制器；在确定系统中的总线控制器工作异常时，启用所述备用总线控制器。本申请实施例提供的基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统中，总线控制器与各总线终端之间、以及各总线终端之间能够基于正交频分复用技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术实现数据传输，各总线终端占用的子载波之间互不干扰，可以有效避免总线终端之间的通信干扰，提高了数据传输时的带宽利用率，实现了高达百兆以上的高带宽的技术效果。并且，该系统中总线控制器可在下行系统子帧上发送下行导频信号，以使总线终端基于该下行导频信号实现了系统快速同步，并且本申请中在每个信号帧中都包含承载下行导频信号的下行系统子帧，进而总线终端可根据下行导频信号进行信道估计，提高系统纠错能力，进而提高了系统的可靠性。进一步，总线控制器可在下行子帧上发送用于指示总线终端进行初始化配置的广播消息，以使总线终端完成初始化配置。进一步，总线终端可在上行子帧上发送携带有业务信息的接入请求，以便总线控制器可基于接入请求中的业务信息，为用户分配信道资源块，这种基于业务需求来分配信道资源快的方式能够使得资源分配更为合理，进而保证数据传输的实时性需求。基于此，本申请针对工业互联网现场层宽带总线架构需要满足高性能、高可靠、高实时和高安全的要求提供了一种快速同步、实时、高速、可靠的实现方案。附图说明图1为本申请实施例提供的基于工本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统，其特征在于，该系统包括：总线控制器、至少一个总线终端和两线制总线，总线控制器与总线终端通过两线制总线连接构成一个网络，其中，所述总线控制器与任一总线终端之间、以及各总线终端之间基于正交频分复用OFDM技术进行通信，各总线终端占用的子载波之间互不干扰；通信时所使用的信号帧的帧结构包括下行系统子帧、下行子帧、以及上行子帧；所述总线控制器，用于在下行系统子帧上发送下行导频信号；在下行子帧上发送用于指示总线终端进行初始化配置的广播消息；在接收到总线终端在上行子帧上发送的接入请求后，基于所述接入请求中的业务信息，为所述总线终端分配信道资源块，并在下行子帧上向所述总线终端发送信道资源块的分配结果；所述总线终端，用于基于接收的下行导频信号进行系统同步以及信道估计，并在接收到所述广播消息后，在上行子帧上发送接入请求；基于接收的所述信道资源块的分配结果，进行业务数据的发送和接收。

【技术特征摘要】
1.基于工业互联网现场层宽带总线架构的实现系统，其特征在于，该系统包括：总线控制器、至少一个总线终端和两线制总线，总线控制器与总线终端通过两线制总线连接构成一个网络，其中，所述总线控制器与任一总线终端之间、以及各总线终端之间基于正交频分复用OFDM技术进行通信，各总线终端占用的子载波之间互不干扰；通信时所使用的信号帧的帧结构包括下行系统子帧、下行子帧、以及上行子帧；所述总线控制器，用于在下行系统子帧上发送下行导频信号；在下行子帧上发送用于指示总线终端进行初始化配置的广播消息；在接收到总线终端在上行子帧上发送的接入请求后，基于所述接入请求中的业务信息，为所述总线终端分配信道资源块，并在下行子帧上向所述总线终端发送信道资源块的分配结果；所述总线终端，用于基于接收的下行导频信号进行系统同步以及信道估计，并在接收到所述广播消息后，在上行子帧上发送接入请求；基于接收的所述信道资源块的分配结果，进行业务数据的发送和接收。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述下行系统子帧为每个信号帧中的第一个子帧；所述总线控制器，具体用于：在通过下行子帧向总线终端发送下行信号之前，在下行系统子帧上向所述总线终端发送下行导频信号；所述总线终端，具体用于：基于接收的所述下行导频信号，确定所述总线终端与所述总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；基于所述时钟偏差分别对接收信号以及发送信号进行时钟纠正，并基于所述符号偏差分别对接收信号以及发送信号的开窗位置进行调整；并在确定所述总线终端与所述总线控制器之间的传输时延后，对发送给所述总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，以便达到系统同步。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述业务信息中包含有业务类型以及业务类型对应的业务量；其中，所述总线控制器为总线终端分配的信道资源块包括上行子帧信道资源块以及下行子帧信道资源块；所述总线控制器，具体用于：基于所述业务类型，为所述总线终端分配与所述业务类型对应的信道资源块；基于所述业务类型对应的业务量，确定分配的与所述业务类型对应的信道资源块的数量；所述总线终端，具体用于：利用所述信道资源块的分配结果中与所述业务类型对应的上行子帧信道资源块，向所述总线控制器发送业务数据；从与所述业务类型对应的下行子帧信道资源块中获取所述总线控制器针对接收的所述业务数据所反馈的响应消息。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平，
申请(专利权)人：北京东土科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11