基于無線ATM的CAN信息傳遞方法

摘　要　本文介紹了一種應(yīng)用于無線ATM的CAN信息傳遞方法，這種方法采用無線異步傳送模式（WATM）作為一種無線電協(xié)議來描述無線CAN網(wǎng)絡(luò)。文中還闡述了如何使用封裝技術(shù)來解決從CAN到WATM的映射的問題。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果說明，在工業(yè)化實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中互連的CAN節(jié)點(diǎn)中，采用WATM可以為全局系統(tǒng)的集成和控制提供有效的作用。

關(guān)鍵詞　控制局域網(wǎng)　無線異步傳送模式　網(wǎng)絡(luò)互連　實(shí)時(shí)控制

1　引言

CAN是一種為解決現(xiàn)代汽車中的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議，最早是由德國(guó)BOSCH公司提出的，按照ISO有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，CAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線式，因此也稱為CAN總線。CAN協(xié)議是眾多高級(jí)通信協(xié)議中的一種協(xié)議。雖然最初只打算在汽車應(yīng)用方面使用，但是由于它的高性能和優(yōu)越特征，使其在許多其他工業(yè)應(yīng)用方面也得到了很好的開展。

異步傳送模式（ATM）是一種新的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。其特點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)復(fù)用、信元長(zhǎng)度固定、虛通道（VP）與虛通路（VC）交換、帶寬的動(dòng)態(tài)分配、能綜合多種業(yè)務(wù)。ATM技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的結(jié)合形成無線ATM技術(shù)，無線異步傳送模式（WATM）實(shí)質(zhì)上是將ATM網(wǎng)上寬帶業(yè)務(wù)延伸至無線移動(dòng)網(wǎng)，把ATM無縫隙地?cái)U(kuò)展到移動(dòng)通信終端。而本文就是研究如何通過無線網(wǎng)絡(luò)和ATM終端將信息從一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)（允許使用WATM）傳送到另一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)（允許使用WATM）。

2　無線ATM中的CAN總線

2.1　控制局域網(wǎng)CAN

CAN協(xié)議支持兩種報(bào)文格式，其唯一的區(qū)別是標(biāo)識(shí)符（ID）長(zhǎng)度的不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11bit，擴(kuò)展格式為29bit。

在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11bit標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求（RTR）比特組成的仲裁區(qū)。RTR比特標(biāo)明的是數(shù)據(jù)幀還是請(qǐng)求幀，在請(qǐng)求幀中是沒有數(shù)據(jù)字節(jié)的�？刂茀^(qū)包括標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展（IDE）比特，IDE指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式，控制區(qū)還包括一個(gè)保留比特（ro），為將來擴(kuò)展使用，控制區(qū)的最后4bit用來指明數(shù)據(jù)區(qū)中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)區(qū)范圍為0~8字節(jié)，其后有一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查（CRC）比特。在一幀報(bào)文中加入冗余檢查比特可以保證報(bào)文的正確性。接收站通過CRC可判斷報(bào)文是否有錯(cuò)。應(yīng)答區(qū)（ACK）包括應(yīng)答比特和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩個(gè)比特均為隱性電平（邏輯1），這時(shí)正確接收?qǐng)?bào)文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。

2.2　無線異步傳送模式（WATM）

通信發(fā)展導(dǎo)致了ATM的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送技術(shù)的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)則作為了寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B-ISDN）概念的依據(jù)。為了滿足QoS最大限度的要求，ATM已經(jīng)成為國(guó)際上認(rèn)可的集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。ATM網(wǎng)絡(luò)是采用固有地定向連接方式，并且具備QoS的保證。ATM提供如下的優(yōu)越特點(diǎn)，包括靈活性、可測(cè)量性、快速的開關(guān)和高效率地運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)多路技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的用途。通過一種可升級(jí)的方式，它能支持不同的特性。在ATM中，信息以信元方式被傳送。我們可以根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)傳送的信元數(shù)去計(jì)算傳輸率。53字節(jié)的ATM信元包括48字節(jié)的信息域和5字節(jié)的報(bào)頭。信元報(bào)頭包括一個(gè)虛通道/虛通路標(biāo)識(shí)符（VCI/VPI），這個(gè)標(biāo)簽被應(yīng)用在多路技術(shù)中，用于表示路由地址。這個(gè)報(bào)頭還包含其他4個(gè)部分，即通用流量控制（GFC）、凈荷類型標(biāo)識(shí)（PTI）、信元丟棄優(yōu)先權(quán)（CLP）和信頭錯(cuò)誤校驗(yàn)（HEC）。剩余的48字節(jié)的信息段是凈荷的數(shù)據(jù)。

WATM網(wǎng)絡(luò)主要有兩種工作模式，即本機(jī)模式WATM和IP結(jié)束WATM模式。前者所支持的應(yīng)用，比如：通過直接使用WATM實(shí)現(xiàn)住宅之間的無線視頻傳送。而后者為現(xiàn)有的基于IP的應(yīng)用提供WATM作為傳輸技術(shù)。因此，后者廣泛地用于數(shù)據(jù)應(yīng)用方面。在本文中，通過使用WATM，CAN信息被傳輸在固定的無線CAN節(jié)點(diǎn)之間。

2.3　采用WATM的遠(yuǎn)程CAN節(jié)點(diǎn)互連方法

在本節(jié)中，我們把WATM作為ATM本地網(wǎng)到遠(yuǎn)程的CAN用戶/結(jié)點(diǎn)的延伸。在易出錯(cuò)和低帶寬的無線媒介下，為了保證進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腝oS，我們必須利用一個(gè)有效的MAC協(xié)議，這種協(xié)議是基于TDMA D/FDD并能夠被WATM使用的。這樣做的目的是允許在二個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)無線服務(wù)，而這種服務(wù)不會(huì)影響到其他彼此連接的節(jié)點(diǎn)之間的工作（如圖1所示）。

在從CAN到WATM的映射機(jī)制中，通過使用WATM的激活將CAN節(jié)點(diǎn)的信息提取出來。CAN信息的協(xié)議數(shù)據(jù)單位（PDU）被封裝在那些通過無線ATM信道傳輸?shù)腁TM信元中。由于一條CAN信息是108bit，它能夠很容易地適合一條凈荷的ATM信元。通過WATM有目的地激活CAN結(jié)點(diǎn)，去掉ATM信元的報(bào)頭部分，并且從ATM信元的凈荷中提取出能夠被CAN總線處理或者傳遞CAN信息。

W-CAN的功能模型如圖2所示。這個(gè)W-CAN模型包含一個(gè)CAN接口實(shí)體（CAN-IE），一個(gè)WATM接口實(shí)體（WATM-IE），一個(gè)W-CAN查尋表（W-CAN-LT），一個(gè)CAN學(xué)習(xí)、過濾和解釋實(shí)體（CAN-LFTE），一個(gè)WATM過濾和解釋實(shí)體（WATM-FTE）和四個(gè)先入先出（FIFO）緩存器。而FIFO緩存器的主要功能是將CAN/WATM信息/信元格式轉(zhuǎn)換和接收/發(fā)送信息。

CAN接口實(shí)體（CAN-IE）不僅給CAN總線提供信息，而且還具有一臺(tái)總線接收器和發(fā)送器。另一方面，如果FIFO4從WATM-FTE收到一條CAN信息，則它就可把這條信息傳遞給CAN總線。

WATM接口實(shí)體（WATM-IE）可以為無線通信媒體提供必要的作用，并且還具有一臺(tái)無線接收器和發(fā)送器。另一方面，如果FIFO3從CAN-LFTE收到一條WATM信元，則它將對(duì)無線媒體廣播這條信元。

FIFO1緩存器主要用于存儲(chǔ)CAN信息，而FIFO2緩存器主要用于存儲(chǔ)從CAN-IE和WATM-IE傳送過來的WATM信元。

W-CAN查尋表（W-CAN-LT）用于處理基于報(bào)文的CAN在WATM之上的通信的優(yōu)先權(quán)。在一個(gè)學(xué)習(xí)過程（W-CAN-LP）的開始階段它就被創(chuàng)建，每一個(gè)W-CAN找出它自己附上的CAN節(jié)點(diǎn)的本地信息和來自其它W-CAN的遠(yuǎn)程信息，然后將具有一定優(yōu)先權(quán)的信息同相關(guān)的W-CAN聯(lián)系在一起。

CAN學(xué)習(xí)、過濾和解釋實(shí)體（CAN-LFTE）具有支持W-CANLP的特點(diǎn)，基本上，在W-CAN-LT中使用的每一條CAN信息標(biāo)識(shí)符都會(huì)被校驗(yàn)是否適合本地或遠(yuǎn)程CAN節(jié)點(diǎn)。在這個(gè)預(yù)制的W-CAN-LT中，如果一條CAN信息標(biāo)識(shí)符有相應(yīng)的匹配的話，那么這條CAN信息標(biāo)識(shí)符就被封裝在WATM信元中，并且被發(fā)送到FIFO3緩存器中。否則，由于它是一條本地信息，它就會(huì)被過濾掉。

WATM過濾和解釋實(shí)體（WATM-FTE）先從WATM-IE提供的WATM信元中析取CAN信息。然后搜索W-CAN查尋表（W-CAN-LT），查找與之相匹配的一條CAN信息標(biāo)識(shí)符。如果找到了相匹配的標(biāo)識(shí)符，那么這條CAN信息就被發(fā)送到FIFO4緩存器中。否則，它也會(huì)被過濾掉。

由于在CAN信息領(lǐng)域中需要通信，所以不同種類的實(shí)時(shí)應(yīng)用通信需要考慮到ATM機(jī)QoS的支持。通過ATM網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)際數(shù)據(jù)之前，例如，關(guān)于不同種類的CAN數(shù)據(jù)通信量，可用比特率（ABR）的通信被多路傳輸?shù)紸TM適配層3/4（AAL3/4）連接，而恒定比特率（CBR）的通信被多路傳輸?shù)紸TM適配層1連接。

3　計(jì)算機(jī)模擬仿真

圖3所示的模擬模型即表示了CAN節(jié)點(diǎn)如何在ATM網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行存取數(shù)據(jù)。

本次模擬仿真是基于兩個(gè)不同的應(yīng)用系統(tǒng)源D和V在CAN節(jié)點(diǎn)與CAN總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的性能比較。這些節(jié)點(diǎn)都可以通過WATM鏈路連接到ATM中樞上，且進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET 9.0提供了一個(gè)比較齊全的基本模型庫(kù)，包括路由器、交換機(jī)、服務(wù)器、客戶機(jī)、ATM設(shè)備、DSL設(shè)備、ISDN設(shè)備等，而這些模型庫(kù)正好可以滿足以上模擬仿真所需要的條件。

表1列出了兩種系統(tǒng)源的模擬參數(shù)，而圖4則顯示了兩種系統(tǒng)源的信元延遲平均量和變動(dòng)量曲線圖。從圖4中，我們可以清楚地看到兩種系統(tǒng)源的信元延遲平均量（ACD）和信元延遲變動(dòng)量（CDV）的不同。系統(tǒng)源D的信元延遲平均量主要是在6~22ms之間波動(dòng)，而系統(tǒng)源V的信元延遲平均量則是在2~7ms之間波動(dòng)。

4　結(jié)論

本文主要講述了一種可以應(yīng)用于無線ATM中的CAN信息傳遞方法——采用WATM技術(shù)來進(jìn)行傳送信息量。在工業(yè)公司中，采用這種方法可以非常容易地控制遠(yuǎn)端CAN節(jié)點(diǎn)。

文中，不同數(shù)據(jù)類型的信息量均可以通過無線網(wǎng)絡(luò)和ATM終端從一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)（允許使用WATM）傳送到另一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)（允許使用WATM）。使用封裝技術(shù)的CAN與WATM之間的映射對(duì)于CAN節(jié)點(diǎn)（允許使用WATM）和ATM網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)有非常重要的作用。模擬仿真的結(jié)果顯示不但不同類型的CAN系統(tǒng)信息量能夠通過WATM進(jìn)行傳送，而且還能夠?yàn)槭褂谜咛峁┧�需的服�?wù)質(zhì)量�！　�

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