WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation 面向工業過程自動化的工業無線網路標準技術)標準是中國工業無線聯盟針對過程自動化領域制定的 WIA 子標準，是基於 IEEE 802.15.4 標準的用於工業過程測量、監視與控制的無線網路系統。
基本介紹
- 中文名：WIA-PA
- 外文名：Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation
- 類別：無線網路系統
- 構成：主控計算機、網關設備
簡介,拓撲結構,協定棧結構,特點,總結,
簡介
WIA-PA標準是具有我國自主智慧財產權、符合我國工業套用國情的一種無線標準體系。
WIA-PA標準是由863先進制造技術領域《工業無線技術及網路化測控系統研究與開發》項目(2007AA041201)提出的。參加該項目的有中科院瀋陽自動化研究所、北科大、浙大、重慶郵電大學、上海工業自動化儀表研究院等。
拓撲結構
WIA-PA 網路由主控計算機、網關設備、路由設備、現場設備和手持設備5 類物理設備構成。此外還定義了兩類邏輯設備：網路管理器、安全管理器，在實現時可位於網關或者主控計算機中。
WIA-PA 網路採用星型和網狀結合的兩層網路拓撲結構，如圖所示，第一層的網狀結構由網關和路由設備組成；第二層的星型結構由路由設備及現場設備或手持設備組成。
WIA-PA網路拓撲結構
WIA-PA網路拓撲結構協定棧結構
WIA-PA 網路協定遵循ISO/OSI 的七層結構，但只定義了數據鏈路層、網路層、套用層，如圖所示。
特點
WIA-PA具有了以下特點。
1、基於網狀及星型混合網路拓撲
WIA-PA為兩層拓撲結構，其下層為星型結構，由簇首和簇成員構成；上層為網狀結構，由網關和各簇首(兼作路由設備)構成。這樣的設計保證簇成員不必選擇傳輸路徑，僅一跳即可將測量信息傳送給簇首，克服了網狀拓撲傳送延遲的不確定性；又能利用網狀結構的節點部署的靈活性和多路徑抗於擾的能力，平衡了工業自動化要求無線傳輸確定性和可靠性的矛盾。
2、 IEEE 802．15．4協定體系
WIA—PA完全採用IEEE 802．15．4協定體系，這是因為該體系是當前無線短程網的主流協定體系，所有工業用、民用和軍用的無線體系協定幾乎都在物理層和MAC層遵循其規範，而在數據鏈路子層、網路層、套用層上則各自自行定義。
3、 集中式和分散式混合的管理架構
WIA—PA網路中使用集中式管理和分散式管理相結合的管理架構。集中式管理由網路管理者和安全管理者集中完成，它們直接管理路由設備和現場設備。在網路管理者和安全管理者直接對現場設備進行管理時，路由設備只執行管理信息的轉發，不承擔簇首角色。分散式管理由網路管理者/安全管理者和簇首共同完成，網路管理者/安全管理者直接管理路由設備，並將對現場設備的管理許可權下放給路由設備，路由設備承擔簇首角色，執行網路管理者/安全管理者代理的功能。這一設計克服了全網狀結構的網管採用集中管理的可能弊端，便於維護網路的長期可靠運行。
4、面向由簇首構成的Mesh結構的集中式管理架構
網路管理者主要負責集中管理功能，即構建和維護由路由設備構成的Mesh結構；分配Mesh結構中路由設備之間通信所需資源；預分配路由設備可向下分配給構成Star結構的現場設備的資源；檢測WIA—PA網路性能，包括設備狀態、路由健康狀態和信道狀況。
5、面向簇的分散式管理架構
簇首作為網路管理者的代理，主要執行以下管理功能，即負責構建和維護有現場設備和路由設備構成的Star結構；負責將網路管理者預留給星型結構的通信資源分配給簇內現場設備；負責向網路管理者提供星型結構的網路性能。簇首作為安全管理者的代理，主要執行以下安全功能，即負責管理星型結構中使用的部分密鑰；負責認證路由設備之間和路由設備與現場設備之間的通信關係。在節點資源有限的情況下，分散式管理保證了網路長期可靠的運行。
6、 虛擬通信關係VCR
按照所支持的套用定義了三種類型的VCR，即發布方/預訂方類型(主要用於支持預先配置的周期性的數據通信，即占通信量80%以上的循環通信)，報告/匯聚類型(主要用於非周期的事件、趨勢報告等)和客戶端/伺服器類型(以請求/回響形式支持非周期的、動態的成對單播信息傳輸)。這樣覆蓋了工業通信所需要的所有類型。
7、 超幀結構
超幀結構的設計主要為解決無線傳輸數據的效率和處理無線傳輸的資源有限的矛盾。將其設計為活動期和非活動期兩部分，劃分進行不同網路管理功能的時隙分配。活動期分為CAP(進行設備加入，簇內管理和重傳)和CFP(進行移動設備與簇首間的通信)；非活動期則完成簇內通信、簇間通信以及休眠。
8、三種多路存取機制
WIA-PA考慮到工業自動化對通信的要求分為具有確定性通信和隨機通信兩種，80%以上的數據傳送為循環傳送，其餘為事件觸發的數據和其他無確定性要求的數據。另外還要考慮無線傳輸的可靠性，因此設計了時分多路存取TDMA、頻分多路存取FDMA和載波偵聽多路存取CSMA 種機制。在超幀內信標幀、CFP、簇內通信和簇間通信階段為TDMA；CAP階段為CSMA；在超幀間，不同簇超幀的活動期採用FDMA機制，使用不同的信道。如果信道數量不足，則採用TDMA機制
9、 三種跳頻機制
通過在不同的階段使用不同的跳頻機制的設計，來提高無線傳輸的抗干擾能力和可靠性。白適應頻率切換(AFS)，這是活動期在同一個超幀周期內使用相同的信道，在不同的超幀周期內根據信道狀況切換信道；白適應跳頻(AFH)，這是非活動期的簇內通信段在每個時隙根據信道狀況更換通信信道；時隙跳頻(TH)，這是非活動期的簇間通信段在每個時隙按照一定規律改變通信信道。
10、 聚合與解聚
為提高無線數據傳輸的資源利用率，設計了兩級聚合功能，即數據聚合和包聚合。對現場設備和多個用戶套用對象可運用數據聚合功能；對路由設備或/和多個現場設備可運用包聚合。
總結
綜上所述，WIA-PA是一種經過實際套用驗證的、適合於複雜工業環境套用的無線通信網路協定。它在時間上(時分多址TDMA)、頻率上(巧妙的FHSS跳頻機制)和空間上(基於網狀及星型混合網路拓撲形成的可靠路徑傳輸)的綜合靈活性，使這個相對簡單但又很有效的協定具有嵌入式的自組織和自愈能力，大大降低了安裝的複雜性，確保了無線網路具有長期而且可預期的性能。
