CN101321127B - 工业无线网络的一种确定性通信调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种工业无线网络的确定性通信调度方法，涉及工业自动控制领域，本发明针对现有工业无线网络不能从根本上解决多跳网络的信标碰撞问题，根据IEEE 802.15.4标准，重新定义超帧结构，在超帧结构中定义竞争阶段、专用阶段、临时专用阶段和休眠阶段，根据超帧结构控制节点间的通信调度；采用跳信道技术在每一个超帧的开始改变一次信道，使得整个网络的信道序列一样，每一个簇的起跳点不一样。本发明解决了多跳网络的信标碰撞问题，可广泛适用于工业无线控制网络。

Description

工业无线网络的一种确定性通信调度方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种工业无线网络的调度技术。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，802.11b、ZigBee、蓝牙、IEEE 802.15.4等技术逐渐被应用到工业现场。这些无线通信技术的引入解决了工业现场布线困难、安装维护成本高等问题，但无法适应复杂的工业现场环境，不能满足工业现场的实时性、确定性、可靠性和低功耗等需求。

IEEE 802.15.4标准作为一个低功耗、低速率的PHY/MAC标准，由于其自身的优点，被ISA100.11a，无线Hart等采用作为底层的标准。IEEE 802.15.4定义的时隙的信标使网络具有节能的特点，并且保障时隙的使用也可以满足单跳内的确定性调度。但正如《A Time Division Beacon Scheduling Mechanismfor IEEE 802.15.4/Zigbee Cluster-Tree Wireless Sensor Networks》(Koubaa，A.；Cunha，A.；Alves，M.；Real-Time Systems，2007.ECRTS’07.19th Euromicro Conference on 4-6July 2007Page(s)：125-135DigitalObject Identifier 10.1109/ECRTS.2007.82)一文中所指出的，IEEE 802.15.4没有解决多跳网络的信标碰撞问题。信标使能的多跳网络可能产生两类碰撞：直接碰撞和信标碰撞。当信标帧产生碰撞，节点设备就可能丢失与协调器的同步，调度也就存在不确定性。文章中给出了两种解决方案：时分多址方案和Beacon-Only方案，但上述两种方案并没有从根本上解决多跳网络的信标碰撞问题。采用时分多址的方案限制了占空比，并且相邻的两个簇头之间不能通信；Beacon-Only方案虽然解决了信标帧的碰撞问题，但是使用保障时隙时，依然会产生数据帧的碰撞，因此不适合进行调度。另外，IEEE 802.15.4标准中的竞争阶段不区分优先级，非竞争阶段最多也只有7个保障时隙，这限制了网络的扩展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的上述缺陷，根据工业无线网络的特点，提出了一种能满足工业应用的实时性、确定性、可靠性和低功耗等要求的确定性调度机制，通过修改IEEE 802.15.4的超帧结构，规范了星型网络的信道接入机制，解决多跳网络信道间的相互干扰，从而完成对树型网络的实时通信调度。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，根据IEEE 802.15.4标准，重新定义超帧结构，在超帧结构中定义竞争阶段、专用阶段、临时专用阶段和休眠阶段，规范星型网络的信道接入机制。当子节点有非周期性的数据报文(例如命令帧)时，在竞争阶段竞争接入信道；当子节点有周期性的数据报文时，在竞争阶段发送保障时隙请求帧，然后侦听并解析信标帧，判断是否申请保障时隙成功，如果申请成功，子节点在所申请到的保障时隙内无碰撞的发送数据报文。当子节点有大量的突发性数据报文时，申请临时专用阶段内的保障时隙，申请成功后无碰撞的传输大量数据报文。当父节点有周期性或者大量突发数据报文时，在信标帧中进行指示，然后直接分配专用阶段或者临时专用阶段中的保障时隙给子节点，然后无碰撞的发送数据报文，子节点侦听并解析信标帧；根据信标帧中信息判断是否成功申请竞争阶段的保障时隙，根据信标帧中的指示及时醒来接收数据报文。竞争阶段采用支持优先级的时隙CSMA/CA算法确定接入信道的子设备，不同的数据帧设置不同的优先级。临时专用阶段的保障时隙具有生命周期，生命周期到期以后保障时隙自动失效。在专用阶段子设备可申请一个或者多个保障时隙，也可以和簇内的其他子设备共享一个保障时隙。当簇头收到子设备的保障时隙申请帧时，申请分配保障时隙，并确定申请保障时隙的类型、数量，根据查找到的空时隙，插入保障时隙当前地址。

重新定义超帧结构之后，结合跳信道技术实施通信调度解决相邻簇头之间的通信问题。在每一个超帧的开始改变一次信道，使得整个网络的信道序列一样，但是每一个簇的起跳点不一样，因此在任意时刻，相邻的簇处在不同的信道内，发送数据并不会产生碰撞。当簇之间要通信时，子设备改变信道，并和父设备处在同一个信道，从而可以进行通信。最后将树型网络的调度进行优化，在分配保障时隙时考虑让路由器在收到数据的下一个时隙时就马上转发数据，这样在网络中传输的数据可以在最短的时间内到达目的节点。

通过将调度与跳信道相结合，有效的解决了树型网络中覆盖区域有重叠的簇之间的干扰问题，这种解决方法不再受到占空比的制约，也解决了相邻簇头之间的通信问题。本调度算法使星型网络的信道接入机制变得更加规范，提高了数据发送的效率；还解决了多跳网络中的干扰问题，实现了树型网络中的通信调度。这样就更好的满足了工业无线网络中应用的实时性、确定性、可靠性和低功耗等要求。

附图说明

图1为超帧结构图

图2为一个时隙的使用分配示意图

图3为保障时隙请求帧的格式图

图4为支持优先级的时隙CSMA/CA算法图

图5为保障时隙请求处理流程图

图6为多跳申请保障时隙示例图

具体实施方式

本发明在遵循IEEE 802.15.4标准的基础上，通过修改IEEE 802.15.4的超帧结构，在超帧结构中定义竞争阶段、专用阶段、临时专用阶段和休眠阶段。将调度与跳信道相结合，有效解决了树型网络中覆盖区域有重叠的簇之间的干扰问题，对树型网络调度进行了网络优化，使得在网络中传输的数据可以在最短的时间内到达目的节点。

1、超帧结构

本发明通过MAC子层超帧(Superframe)结构来规定簇内的信道接入控制。下面对本发明的超帧结构进行具体描述。如图1所示为根据IEEE 802.15.4标准修改的超帧结构。超帧由24个时隙构成，以信标帧开始，跟随的是竞争阶段、专用阶段、临时专用阶段和休眠阶段。其中，在竞争阶段控制命令帧的发送，允许设备申请加入网络、申请分配和解除保障时隙等，竞争阶段采用时隙的CSMA/CA(免冲突载波监听多路接入)算法，并支持优先级，提供服务质量；在专用阶段发送周期性的数据，支持设备共享一个时隙，支持网络扩展；在临时专用阶段用于发送大量的突发性数据；在休眠阶段通过休眠终端设备节省能量，簇头在休眠阶段完成扫描、路由等功能。

1)时隙

每个超帧的活跃部分可以分为24个时隙，每个时隙为10.24ms。如图2所示为一个时隙的使用分配示意图。当时隙开始，如果需要(在树型网络中)可以先进行信道切换，然后接收设备立即打开接收机，接收数据，而发送设备在等待时间t₀以后才开始发送数据。t₀应该满足公式t₀≥Δt，其中Δt指同步的最大误差。发送数据需要的最长时间为发送132个字节所需要的时间，即4.224ms。

2)信标帧

信标帧占用超帧的第一个时隙，它不与其他数据进行竞争。在信标帧中包含了超帧序列、信标序列、是否电池寿命扩展、是否允许设备加入以及超帧的各个阶段的长度等相关信息。一个完整的信标帧还包含调度信息、跳信道信息和时间同步信息等关键信息。协调器和路由器都可以发送信标帧，当发送信标帧时，它的子设备必须醒来接收信标帧并解析，以得到上述相关信息。

3)竞争阶段

竞争阶段占用超帧中的6个时隙，时间长度为51ms。在竞争阶段，子设备通过竞争接入信道，向父设备申请加入网络或者申请专用保障时隙。竞争阶段采用支持优先级的时隙CSMA/CA算法，在CSMA/CA算法的基础上支持优先级。

该算法将所有的数据帧根据对实时性的要求分为四个级别，不同优先级别的数据帧具有不同的数值变量AIFS，四个优先级分别对应AIFS0、AIFS1、AIFS2和AIFS3，他们的值分别为0、1、2和3，以此来代表数据帧优先级的高低。这样，通过在传统的CSMA/CA算法的随机退避之前先退避2^AIFS-1个退避周期来支持数据帧获得发送时隙的优先级。其中2^AIFS-1为退避周期数目，把优先级的值AIFS(0、1、2或3)带入式2^AIFS-1，即可得出数据帧的退避周期数目。这样，不同优先级别的帧在随机退避之前的延迟不同，接入信道的能力就不同。当不同类型的帧同时开始竞争信道时，级别高的帧总的延迟时间短，可以更快的接入信道，从而为高优先级的数据帧提供更好的服务。支持优先级的时隙CSMA/CA算法流程如图4所示。

步骤1：算法开始，MAC层首先初始化变量NB、CW以及BE，并且锁定下一个退避周期的边界。NB表示当前的传输退避的次数，它初始化为0，退避一次并检测到信道忙时其值增加1，当NB的值大于最大的退避次数时，则传输失败。CW表示退避窗口的大小，它初始化为2，当退避以后检测到信道空闲则减1，当值减为0时表示可以进行当前的传输。BE为退避指数，初始化为macMinBE，与设备在试图访问信道之前，需要等待的退避周期数有关。(此步骤与IEEE 802.15.4标准的步骤1相同)

当电池寿命扩展为0时，MAC层将确认在随机的退避以后，剩余的竞争阶段是否可以完成整个传输过程。如果需要退避的周期数目大于竞争阶段剩余的退避周期数，MAC子层将在竞争阶段结束以后停止退避的计数，并在下个超帧内的竞争阶段恢复退避计数。如果需要退避的周期数目小于或者等于竞争阶段剩余的退避周期数，MAC子层将继续退避，并继续评估是否可以完成后面的步骤。如果竞争阶段剩余的时间可以完成后面的CCA检测、数据的传输以及可能的确认帧的传输，则MAC子层将请求物理层进行CCA检测。如果MAC层不能处理，它会等待下一个超帧的竞争阶段开始以后回到步骤2，这一次的退避会比上一次更久。

当电池寿命扩展为1时，MAC子层同样要确认在随机的退避以后，剩余的竞争阶段是否可以完成整个传输过程。信标帧后面的短帧间隔以后有一个电池寿命扩展周期，这个扩展周期的长度由所选择的物理周期决定。退避计数只在这个扩展周期内才能进行。退避计数后的进程与电池寿命扩展为0时一样。

步骤2：退避2^AIFS-1个退避周期来支持优先级。其中AIFS为一数值变量。这样不同级别的帧退避的退避周期的个数(2^AIFS-1)也就不同。这样就实现了当不同类型的帧同时开始竞争信道时，级别高的数据帧退避次数就少，这样就缩短了的延迟，从而更快的接入信道。

步骤3：为了避免MAC子层请求物理层进行CCA(空闲信道评估)检测时的碰撞，MAC层将从(0，2^BE-1)中随机延迟一个退避周期(320μs)。

步骤4：MAC子层请求物理层进行CCA，CCA检测会在退避周期的边界处开始进行。

步骤5：当信道被检测为忙时，MAC子层将把NB、BE的值增加1，把CW的值恢复为2，并确保BE的值不大于MAC子层规定的BE最大值(macMaxBE)。如果NB的值小于最大CSMA退避次数(macMaxCSMABackoffs)，将跳转到第二个步骤。如果NB的值大于最大CSMA退避次数，则发送失败。

步骤6：当信道被检测为空闲时，MAC子层将把CW的值减去1，如果CW的值为1，则跳转到步骤3；如果CW的值为0时，MAC子层会在下一个退避周期的边界处开始传输数据。

4)专用阶段

专用阶段最多可以占用17个时隙，当子设备有周期性数据需要发送时，在超帧的竞争阶段发送保障时隙请求帧申请使用专用阶段的保障时隙，然后在专用阶段中的保障时隙内发送数据。在专用阶段子设备通过发送保障时隙请求帧可申请一个或者多个保障时隙，也可以和簇内的其他子设备共享一个保障时隙。父设备有数据要发送给子设备时，直接分配保障时隙给子设备。由于保障时隙由要通信的两个设备所占有，其他设备不允许占用，所以设备在保障时隙内发送数据时，就不会与其他的数据发生冲突。当设备不需要保障时隙时，应该向父设备发送保障时隙请求帧，申请解除保障时隙。

MAC层保障时隙请求帧的格式如图3所示。

帧控制域MHR域表示MAC层的帧头，它具有七个字节。因为保障时隙请求帧总是子设备发送给父设备，所以目标地址模式子域应设置为0(即不存在目标地址信息)，源地址模式子域应设置为2(16位短地址)。

保障时隙特性域长度为1个字节。特性类型子域为1个比特位，当申请分配时隙时该位设置为1；当申请解除保障时隙时该位设置为0。只有当设备解除的是专用阶段的保障时隙时，保障时隙的特性类型子域才有效。

保障时隙方向子域表示保障时隙的方向，保障时隙的方向是相对于设备发送数据帧的方向而言的。当子设备发送数据给父设备时，该方向子域设置为1；当父设备发送数据给子设备时，该方向子域设置为0。

保障时隙长度子域为4个比特位，表示申请保障时隙的数目。

保障时隙类型子域为两个比特位，表示保障时隙类型。

如果保障时隙的长度值为n，当保障时隙类型子域的值为00时，表示申请n个专用阶段的保障时隙；当保障时隙类型子域为01时，表示申请1/n个专用阶段的保障时隙，这时表示几个子设备可以共享一个保障时隙；当保障时隙类型子域为10时，表示申请n个临时专用阶段的保障时隙；当保障时隙类型子域为11时，表示多跳申请n个专用阶段的保障时隙，在特性域后面添加三个字节的载荷，如图3中虚线所示。

在用于多跳申请的保障时隙请求帧中，当前时隙域表示当前一跳所申请到的时隙。目的地址域为当前设备需要最终通信的目的地址。

当子设备有大量的突发性数据报文时，子设备就会发送保障时隙请求帧申请临时专用阶段内的保障时隙，申请成功后无碰撞的传输大量数据报文。当父设备有周期性数据包或者大量突发数据包时，在信标帧中进行指示，父设备直接分配专用阶段或者临时专用阶段中的保障时隙给子设备，无碰撞的发送数据，子设备根据信标帧中的指示及时醒来接收数据。当超帧周期进入休眠阶段，终端的节点设备进入休眠模式以节省能量。

5)临时专用阶段

临时专用阶段最多可以占用5个时隙，当子设备有大量突发性数据时，子设备就会在超帧的竞争阶段申请使用临时专用阶段的保障时隙；当父设备有大量突发性数据时，父设备会直接给相应的子设备分配临时专用阶段的保障时隙，子设备可以申请一个或者多个临时专用阶段的保障时隙，临时专用阶段的保障时隙具有生命周期(通常为几个超帧的长度)，生命周期到期以后保障时隙自动失效，不需要设备申请解除。

6)休眠阶段

休眠阶段的时间长度由协调器根据当前网络的负载决定的。可以由超帧序列和信标序列公式：

休眠时间＝aBaseSuperframeDuration*(2^BO-2^SO)计算得出。其中BO、SO分别为信标序列和超帧序列，aBaseSuperframeDuration为MAC协议信息数据库中的一个常量值，它是当超帧序列(SO)为0时形成一个超帧所占的符号数，通常为960个符号。当超帧周期进入休眠阶段，终端的节点设备进入休眠模式来节省能量，而路由设备和协调器则可以在空闲时间完成路由或者扫描等功能。

2、单跳范围内调度分配

专用阶段和临时专用阶段因为生命周期的不同，提供的服务也就不同。专用阶段给周期性数据提供接入信道的方式，而临时专用阶段则适用于大量突发性数据的传输。两个阶段都是由一定数量的保障时隙组成，对保障时隙的申请方式也是相同的。

1)请求保障时隙

保障时隙请求帧用来管理和维护保障时隙的使用。设备可以用该命令来请求分配专用阶段和临时专用阶段的保障时隙，也可以用该命令来申请解除专用阶段的保障时隙。通过改变请求参数长度、方向、特性和类型，就可以完成专用阶段内的保障时隙的分配和解除，也可以申请分配临时专用阶段内的保障时隙。

2)保障时隙请求帧的处理

当簇头(协调器或者路由器)收到子设备的保障时隙申请帧时，申请分配保障时隙，并确定申请保障时隙的类型、数量，根据查找到的空时隙，并插入保障时隙帧当前地址。对其进行处理，处理过程如图5所示。

首先，簇头取一个子设备的保障时隙帧，通过保障时隙申请帧获得保障时隙帧相关参数：特性、类型、长度、方向和地址，然后根据这些参数，作相应处理。

当特性值为1，即申请分配保障时隙时，如果其类型值为10，即申请n个临时专用阶段的保障时隙，则看是否有空时隙，如果有则在临时专用阶段添加保障时隙帧当前地址，完成处理，如果没有则退出。如果其类型值为00，即申请n个专用阶段保障时隙，则查找专用阶段第一个空时隙，然后从查找到的时隙开始插入保障时隙帧当前地址，完成处理。如果其类型值为01，即申请1/n个专用阶段保障时隙，则查找加上当前设备长度不大于1的时隙，然后从查找到的时隙开始插入保障时隙帧当前地址，完成处理。如果其类型值为11，即保留时隙给多跳调度使用，则从本地分配保障时隙，并计算时隙数，最后转发保障时隙请求帧，完成处理。

当特性值为0，即申请解除保障时隙时，如果其类型值为10，则退出。否则从调度信息序列(DS队列)查找保障时隙帧当前地址信息，如果地址参数匹配，则从调度信息序列释放包含当前地址的保障时隙，如果不匹配则退出。然后继续查看保障时隙申请帧的类型，如果为11，则直接计算时隙数，最后转发保障时隙请求帧，完成处理；如果保障时隙申请帧的类型为01或00，直接完成处理。

3)信标帧的形成与解析

根据信标帧中专用阶段信息、临时专用阶段信息、跳信道信息等相关调度信息判断是否有本设备的保障时隙，如有则在保障时隙内发送或者接收数据，否则将不会发送或者接收数据。

簇头在超帧的第一个时隙会形成信标帧并发送。在形成信标帧之前，需要先查询是否有新的对保障时隙的申请。如果有则运用以上描述的调度算法对新申请进行处理。在形成信标帧时，簇头会根据标志位判断信标帧的类型和变化域，如果该域中的专用阶段或者临时专用阶段的变化标志位为1，则将调度信息序列按照信标帧的格式添加到信标帧的载荷域。

设备在超帧的第一个时隙都会醒来并侦听信标帧。当解析信标帧的载荷域在专用阶段或者临时专用阶段有本地短地址或者自己的子节点地址时，设备会记录专用阶段信息域和临时专用阶段信息域中所分配的时隙数和时隙长度，根据信标帧中专用阶段信息、临时专用阶段信息等相关调度信息判断是否有本设备的保障时隙，如果设备发现有本地的保障时隙，会在保障时隙内发送或者接收数据，否则将不会发送或者接收数据。

3、多跳范围内调度分配

调度与跳信道结合可以解决多跳时的数据碰撞问题。跳信道技术有慢跳信道和快跳信道两种。慢跳信道只一段时间内改变一次信道，可以连续发送几个数据。快跳信道指一个时隙改变一次信道，它只发送一个数据，以及可能的确认帧。

我们在超帧的竞争阶段采用慢跳信道技术，这段时间内一个设备占用一个信道，通过CSMA/CA技术竞争接入信道。在超帧的专用阶段和临时专用阶段采用快跳信道技术，每一个时隙改变一次信道。簇头在休眠阶段可以跳转到特殊信道中进行能量扫描、被动扫描等，也可以跳转到父设备所处的信道与父设备进行数据交互以完成路由功能。同一个网络使用相同的信道序列，而不同的簇使用不同的起跳点，从而不同簇在同一时间使用的是不同信道，数据不会发生碰撞。

保障时隙的使用支持网络优化，它可以为一特定的应用提供预留带宽，以保证服务质量。如图6所示为簇树网络内节点设备N3需要经路由器R1发送数据给协调器C，其中N3为R1的子设备，R1为C的子设备。

多跳申请保障时隙的过程如下：

节点设备N3侦听路由器R1的信标帧，在竞争阶段申请保障时隙，保障时隙申请帧中类型域为11，目的地址0x0000(协调器短地址)，当前时隙为0。

路由器根据本簇内所有节点设备的申请综合考虑，给N3分配一个时隙slot1。

路由器侦听协调器的信标帧，解析信标帧中的相关信息，并在竞争阶段申请保障时隙，保障时隙中类型域为11，目的地址0x0000，当前时隙为slot2＝slot1+offset，其中offset为路由器R1与协调器C之间的信标帧偏差。

协调器C给路由器R1分配保障时隙slot2+Δ，其中Δ为一定的时隙数，它是需要满足N3仍在协调的专用阶段的最小值，通常取为1。

通过两跳保障时隙的分配，最终建立了节点设备N3到协调器C的通路，满足了应用所需的带宽并使得延迟最小。

第一阶段申请保障时隙时，协调器C整个超帧处于11信道。路由器R1和其子设备N3整个超帧处于13信道。R1在协调器C发送信标帧之前会转换信道到协调器C所处的信道11上，成功接收信标帧以后回到13信道。R1需要发送保障时隙请求帧时要转换到11信道，申请结束回到13信道。

第二阶段发送数据时，协调器C整个超帧处于16信道。路由器R1和其子设备N3整个超帧处于17信道。当路由器R1收到数据以后，下一个时隙会跳到16信道将数据转发给协调器，再下一个时隙回到17信道。

以上只是本发明的优选实施例说明，本发明的保护范围基于本领域技术人员的理解结合权利要求进行限定。

Claims (7)

1.工业无线网络的确定性通信调度方法，其特征在于，在超帧结构中定义竞争阶段、专用阶段、临时专用阶段和休眠阶段；在每个超帧的开始改变一次信道，使得整个网络的信道序列一样，每个簇的起跳点不一样；当子节点有非周期性数据报文时，在竞争阶段竞争接入信道；当子节点有周期性数据报文时，在竞争阶段发送保障时隙请求帧，然后侦听并解析信标帧，判断是否申请竞争阶段内的保障时隙成功，如果申请成功发送周期性数据报文；当子节点有大量的突发性数据报文时，申请临时专用阶段内的保障时隙，申请成功传输突发性数据报文；当父节点有周期性或者大量突发性数据报文时，在信标帧中进行指示，直接分配专用阶段或者临时专用阶段的保障时隙给子节点，发送周期性或者突发性数据报文，子节点根据信标帧中的指示及时醒来接收所述数据报文。

2.根据权利要求1所述的确定性通信调度方法，其特征在于，协调器或路由器的簇头根据专用阶段或者临时专用阶段的标志位判断信标帧的类型和变化域，在超帧的第一个时隙形成信标帧并发送。

3.根据权利要求1所述的确定性通信调度方法，其特征在于，临时专用阶段的保障时隙具有生命周期，生命周期到期以后保障时隙自动失效。

4.根据权利要求1所述的确定性通信调度方法，其特征在于，竞争阶段采用支持优先级的时隙CSMA/CA算法确定接入信道的子节点，不同的数据帧设置不同的优先级。

5.根据权利要求1所述的确定性通信调度方法，其特征在于，由协调器根据当前网络的负载决定休眠阶段的时间长度。

6.根据权利要求1或2所述的确定性通信调度方法，其特征在于，网络中设备侦听信标帧，并解析信标帧的载荷域；根据信标帧中专用阶段信息、临时专用阶段信息判断是否有本地设备的保障时隙，如果有，本地设备在保障时隙内发送或者接收数据，否则将不发送或者接收数据。

7.根据权利要求1或2所述的确定性通信调度方法，其特征在于，当簇头收到子节点的保障时隙请求帧时，申请分配保障时隙，并确定申请保障时隙的类型、数量，根据查找到的空时隙，插入保障时隙当前地址。

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