CN101690011B

CN101690011B - 在无线网络中提高可靠性和减少等待时间

Info

Publication number: CN101690011B
Application number: CN200880019568.0A
Authority: CN
Inventors: 华莱士·A·普拉特; 马克·J·尼克松; 埃里克·D·罗特沃尔德; 罗宾·S·普罗马尼克; 托马斯·P·伦瓦尔; 特瑞思·L·贝利文斯
Original assignee: Hart Communication Foundation
Current assignee: Field Communications Group Co., Ltd.
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: EP2165471A1; CN101682542A; CN101682587B; US8798084B2; EP2140619B1; CN101868943B; WO2009008936A2; EP2165471B1; EP2171924B1; US8942219B2; EP2171924A2; US20090010233A1; US20090054033A1; CN101682546B; US20090010204A1; US8676219B2; CN101690010B; WO2009008937A2; EP2140615A4; EP2156617B1

Abstract

一种用于例如过程控制工厂中的网状通信网络包括多个网络设备，这些网络设备根据用一组并发重叠超帧定义的网络调度表并沿定义网络设备对之间的通信路径的一组图来发送和接收数据。驻留于通信网络内部或外部的网络管理器通过分析网络的拓扑和定义用于在网络的各节点之间路由或发送数据的一组图，开发出用于该网络的路由方案，其中每个图包括网络设备对之间的一条或多条通信路径。并发地或随后地，网络管理器至少鉴于各个网络设备处的发送要求、电源可用性以及信号质量定义网络调度表。如果需要的话，网络管理器可在完成通信网络的图的定义之后即开始定义网络调度表，使得网络管理器可鉴于所定义的图和与各个网络设备相关联的发送功率等参数来定义网络调度表。

Description

在无线网络中提高可靠性和减少等待时间

技术领域

本专利总的来说涉及无线通信，更具体地说，涉及提高无线网络中的可靠性。

背景技术

通信协议依赖于各种路由技术以在通信网络上的通信端点之间传输数据。通信或网络协议及对应的路由策略通常是鉴于多种因素而选择的，例如对网络拓扑的认识、网络的大小、用作信号载波的介质的类型、安全性和可靠性需求、容许发送延迟以及形成网络的设备的类型。由于大量这类因素，典型的路由技术满足了某些设计目标，而以牺牲其他设计目标为代价。例如，某种路由技术可以在数据数据输送上提供高水平的可靠性，但是也可能需要相对高的开销。因此，尽管有许多已知方法来进行路由以及许多与这些路由方法相兼容的协议，但是仍然存在有特定要求的通信网络，而这些特定要求没有被任何可用的路由方法和协议完全满足。而且，由于各种工业和商业应用中涌现出了对效率、吞吐量和可靠性的要求目益增长的新型通信网络，设计师和开发者经常遇到凭借现有协议和相关联的路由技术无法轻易解决的新问题。

一般而言，通信网络包括节点，这些节点是在连接这些节点的通信路径(硬线或无线通信路径)上发送数据的发送方和接收方。另外，通信网络通常包括负责在节点间引导业务的专用路由器，并且可选地包括负责配置和管理该网络的专用设备。某些或所有这些节点也可以适用于充当路由器，以便引导在其它网络设备之间发送的业务。网络设备可以采用有线或无线的方式相互连接，并且网络设备可以具有与该网络内的某些节点相比不同的路由和传输能力。例如，专用路由器可能能够进行高容量的发送，而某些节点在相同的时段内可能只能够发送和接收相对很少的业务。另外，网络上的节点之间的连接可具有不同的吞吐能力和不同的衰减特性。由于在介质的固有物理限制上的差别，例如光纤电缆可能能够用于提供比无线链路高几个数量级的带宽。

为了使节点在典型的网络上向另一节点发送数据，必须知道从源到目的地的完整路径或者该路径的直接相关部分。例如，万维网(WWW)允许计算机主机对在没有任一主机在发送信息之前知道完整路径的情况下在长距离上进行通信。相反，主机被配置以关于它们被指派的网关和专用路由器的信息。具体来说，网际协议(IP)提供到WWW的网络层连通性。IP定义被称为地址解析协议(ARP)的子协议，该子协议在每个主机处提供指定路由规则的本地表。因此，连接到WWW或类似的广域网(WAN)的典型主机可以知道将具有与预先配置的模式相匹配的预定地址的所有包路由至主机A并且将其余包路由至主机B。类似地，转发这些包直接主机或“跳”还执行部分路由决策并通常在目的地的大致方向上引导数据。

在大多数网络协议中，大多数或所有网络设备被充分地指派以唯一地址以使主机能够以明确的方式交换信息。至少在单播(一对一)传送的情况下，必须在源指定目的地址。出于这个原因，网络协议通常定义严格的寻址方案。如本领域普通技术人员将认识到的，修改或扩展寻址方案是个复杂而昂贵的过程。例如，从IP协议的版本4(IPv4)到版本6(IPv6)的转变需要对大量支持IPv4的基础设施进行重要更新。另一方面，为小网络定义具有大容量的寻址方案产生了不必要的开销。因此，理想地适应特定应用的网络协议提供了足够数目的可能地址而不会在数据传送中有过多的开销。

简而言之，有大量因素影响在特定行业中的特定协议的实现。在过程控制行业中，已知的是，使用标准通信协议使得由不同制造商制出的设备能够以易于使用和实现的方式与彼此通信。过程控制行业中使用的一个众所周知的通信标准是高速可寻址远程传感器(HART)通信基础协议，通常称为

协议。一般而言，

协议支持专用导线或导线组上的数字和模拟混合信号，在专用导线或导线组上，在线过程信号(如控制信号、传感器测量结果等)作为模拟电流信号(例如范围从4到20毫安)被提供，并且诸如设备数据、对设备数据的请求、配置数据、报警以及事件数据等等之类的其它信号，作为叠加或复用到与模拟信号相同的导线或导线组上的数据信号被提供。然而，HART协议当前需要使用专用、硬线通信线路，这导致需要在加工厂内大量布线。

在过去几年里，已经存在一种将无线技术结合到以某些有限方式包括过程控制行业的各种行业中的发展趋势。然而，在过程控制行业中，存在限制无线技术的完全结合、接受和使用的巨大障碍。具体来说，过程控制工业需要十分可靠的过程控制网络，因为信号的丢失失可能导致工厂失去控制，从而导致灾难性的后果，包括爆炸、致命化学制剂或气体的释放等等。例如，Tapperson等人的美国专利No.6,236,334公开了在过程控制行业中将无线通信作为副的或备用通信路径使用或用于发送非关键性的或冗余的通信信号。而且，在通常可以适用于过程控制行业的无线通信系统的使用上已经取得了许多进展，但是该无线通信系统尚未以在加工厂内允许或提供可靠的并且在某些情况下完全无线的通信网络的方式应用于过程控制行业。例如，美国专利申请公开No.2005/0213612、2006/0029060和2006/0029061公开了与一般无线通信系统相关的无线通信技术的各个方面。

与有线通信类似，无线通信协议被期望提供高效、可靠和安全的信息交换方法。当然，由于介质的共享和开放特征，在有线网络中被开发以解决这些重要问题的大多数方法并不适用于无线通信。进一步，除了在有线通信协议之后的典型客观事实外，无线协议还面临关于使用无线电频谱的同一部分的若干网络的干扰和共存的问题的其它要求。而且，某些无线网络在无许可证的或向公众开放的频段中运行。因此，为这种网络服务的协议必须能够检测或解决与频率(信道)争用、无线电资源共享和协商等等相关的问题。

在过程控制行业中，无线通信协议的开发者面临另外的挑战，例如，实现与有线设备的向后兼容、支持协议的先前有线版本，为改装了无线通信机的设备提供转变服务，并且提供可同时保证可靠性和有效性的路由技术。同时，仍然存在相当多的过程控制应用，在这些过程控制应用中存在即使有也很少的原地测量。当前，这些应用依赖于观测的测量结果(例如，水位正在上升)或检查(例如，空调单元、泵、风机等等的周期性维护)来发现异常情况。为了采取措施，操作员经常需要面对面的讨论。如果使用测量和控制设备，这些应用中的许多的应用可能被大大简化；然而，当前的测量设备通常需要电力、通信基础设施、配置以及简直是不可用的支持基础设施。

根据又一方面，过程控制行业要求为特定过程控制网络提供服务的通信协议能够适应具有不同数据发送要求、优先级和功率能力的现场设备。具体来说，某些过程控制系统可包括频繁(例如每秒钟好几次)向集中式控制器或向另一现场设备报告测量值的测量设备。同时，同一系统中的另一设备可能仅每一个小时报告一次测量值、警报或其它数据。然而，这两个设备可能都要求各个测量报告以尽可能小的时间和带宽开销传播到目的主机，例如控制器、工作站或同等现场设备。

发明内容

一种用于例如过程控制工厂中的网状通信网络包括多个网络设备，这些网络设备根据用一组并发重叠超帧定义的网络调度表并沿定义网络设备对之间的通信路径的一组图来发送和接收数据。在一些实施例中，驻留于通信网络内部或外部的网络管理器通过分析网络的拓扑和定义用于在网络的各节点之间路由或发送数据的一组图，开发出用于该网络的路由方案，其中每个图包括网络设备对之间的一条或多条通信路径。并发地或随后地，网络管理器至少鉴于各个网络设备处的发送要求、电源可用性以及信号质量定义网络调度表。如果需要的话，网络管理器可在完成通信网络的图的定义之后即开始定义网络调度表，使得网络管理器可鉴于所定义的图和与各个网络设备相关联的发送功率等参数来定义网络调度表。

在某些实施例中，网状通信网络是无线网络，图是有向图，并且相应地，通信路径是单向通信路径。网状通信网络的网络设备可代表其它网络设备发起和路由数据。在另一个实施例中，网状通信网络符合星型网格拓扑，在这种拓扑中，某些网络设备仅能接收数据或发起数据，而某些网络设备能够接收数据、发起数据以及在其它网络设备之间中继数据。

根据另一方面，各个超帧包括若干个预定持续时间的通信时隙，并且各个超帧在该超帧中的所有通信时隙都出现之后立即重复。通常来说，各个超帧中的时隙总数定义超帧的长度，各个特定时隙具有与该特定时隙之前的超帧中存在的时隙数相对应的相对时隙数。在一个实施例中，各个时隙包括一个或多个网络设备发送数据的发送时间段和一个或多个网络设备发送与所发送的数据相对应的确认的确认段。在某些实施例中，网络设备还执行纯信道评价以确定特定共用时隙是否可用于发送。

在定义了该组图和通信调度表后，网络管理器就将相关的路由和调度信息传达到某些或所有网络设备(节点)，使得从一个网络设备发送到另一网络设备的包能够根据由网络管理器定义的图并且在网络管理器分配的时隙内被使适当路由。在另一实施例中，分析网络和获取网络拓扑的功能分布于至少若干个网络设备中，以便一个或多个网络设备参与定义单向或双向图。

各个超帧的长度可对应于特定网络设备的发送要求。在这种情况下，专用服务根据网络设备和与网络设备通信的外部主机的需要定义超帧，并分配这些超帧中的每一个超帧内的时隙。在一个实施例中，专用服务将网络设备与特定超帧的一个或多个时隙进行关联，使得网络设备可在每次该时隙的出现期间发送或接收数据。如果需要的话，网络设备可参与多个超帧，以发送针对该网络设备的数据和在其它网络设备之间转发数据。

如果需要的话，专用服务可鉴于网络状况的变化，例如数据突发、拥塞、块传输以及网络设备进入或离开该网络，动态创建和毁灭超帧。此外，网络设备或专用服务可通过发布特定的命令有效地使超帧无效而无需毁灭该超帧。如果需要的话，专用服务可以是在专用物理主机上运行的软件实体，或者专用服务可以在将无线网状网络连接到外部网络或主机的网关设备上运行。

网络调度表可包括多个通信信道，并且在某些情况下，各个通信信道可对应于唯一的载波射频。各个网络设备可具有包括相对时隙数和通信信道标识符的单个调度表，并且该单个调度表可指定被该网络设备用来发送过程数据、路由发起自另一网络设备的数据、接收设备特定数据或接收广播数据的、分别调度的时隙。在某些实施例中，用于网络设备的单个调度表可在不同的超帧循环期间指定与若干个不同的通信信道相关联的时隙，使得网络设备在特定超帧的具有同一相对隙数的时隙内在不同的通信信道上发送或接收数据。在这些实施例中的某些实施例中，网络设备根据相对应的单个调度表以预定义的方式在与特定时隙相关联的若干个信道间迭代。在其它实施例中，网络调度表不将不同的通信信道分配给同一时隙。

如果需要的话，专用服务可创建用于根据预定义的调度表周期性地醒来的瞬变设备的长超帧，从而消除该瞬变设备为每个发送会话协商资源的必要。在又一实施例中，瞬变设备通过仅根据该瞬变设备的必需更新速率发送数据来节约功率。

在再一实施例中，网络设备中的至少某些为在过程控制环境下执行测量或控制功能的现场设备。这些现场设备中的每一个被规定了特定的更新速率，或者向另一网络设备传达过程数据的频率。在这种情况下，专用服务根据现场设备的更新速率定义超帧。此外，如果需要的话，现场设备能够由于需要高于正常或低于正常的带宽的瞬时状况的出现而协商时隙分配的暂时变化。

在一个实施例中，部分地负责定义单向图的管理实体是专用网络管理器，并且可用在驻留于网络内部或外部的主机上运行的软件模块来实现。在另一实施例中，网络管理器可以是以可通信方式连接到网络的专用物理设备。在又一实施例中，网络管理器可以分布在驻留于网络内部或外部的若干个设备中。

附图说明

图1示意性地示出了无线网络，其通过网关设备连接到工厂自动化网络，提供现场设备与路由器设备之间的通信，并使用本公开内容的路由技术。

图2是可在图1中示出的无线网络中使用的无线HART协议的各层的示意图。

图3是示出根据这里论述的实施例之一定义的通信时隙的各段的框图。

图4是示出三隙超帧的时隙与若干个通信设备的示例性关系的框图。

图5示意性地示出示例性超帧的时隙与若干个通信信道的关系。

图6示意性地示出包括若干个不同长度的并发超帧的示意性超帧定义的框图。

图7示意性地示出诸如图1或图3中示出的网络之类的无线网络可遵照的星型网络拓扑。

图8示意性地示出诸如图1或图3中示出的网络之类的无线网络可遵照的网状网络拓扑。

图9示意性地示出诸如图1或图3中示出的网络之类的无线网络可遵照的星型网状网络拓扑。

图10是示出利用本公开内容的某些图路由技术的无线网络中的冗余向上游数据路径的框图。

图11是示出利用本公开内容的某些图路由技术的无线网络中的冗余向下游数据路径的框图。

图12是示出利用本公开内容的某些图路由技术的无线网络中的冗余向上游和向下游数据路径的框图。

图13示意性地示出具有若干个网络设备的无线网络，这些网络设备根据特定设备调度表并利用本公开内容的某些路由和调度技术来传送数据。

图14示出针对图13中示出的两个设备的示例超帧定义。

图15和16示出可以在图13中示出的网络的管理超帧中传送的若干种数据的时隙分配。

图17-20示出在图13中示出的每个设备的示例通信调度定义。

具体实施方式

图1示出示例性网络10，在示例性网络10中，可以使用这里所描述的调度技术和路由技术。具体来说，网络10可以包括与无线通信网络14连接的工厂自动化网络12。工厂自动化网络12可以包括通过通信骨干20连接的一个或更多固定工作站16和一个或更多便携式工作站18，其中通信骨干20可以利用以太网、RS-485、Profibus DP或利用适合的通信硬件和协议来实现。这些工作站和形成工厂自动化网络12的其它装置可以向工厂员工提供各种控制和监督功能，包括对无线网络14中的设备的访问。工厂自动化网络12和无线网络14可以经由网关设备22进行连接。更为具体地，网关设备22可以采用有线方式连接到骨干20并且可以利用任何适合的(例如已知的)通信协议与工厂自动化网络12进行通信。可以采用任何其它想要的方式(例如，作为单机设备、可插入主机工作站16或18的扩展槽的卡、作为基于PLC或基于DCS的系统的输入/输出(I/O)子系统的一部分等等)来实现的网关设备22可以提供在网络12上运行且具有对无线网络14的各种设备的访问权限的应用程序。除了协议和命令转换，网关设备22还可以提供与在网络14中实现的无线协议(这里称为无线HART协议)相关联的调度方案的时隙和超帧(在时间上均匀分隔开的通信时隙组)所使用的同步计时。

在一些配置中，网络10可以包括多于一个网关设备22以提高网络10的效率和可靠性。具体来说，多个网关设备22可以提供用于无线网络14和工厂自动化网络12以及外部世界之间的通信的额外带宽。另一方面，网关设备22可根据无线网络14内的网关通信需要向适当的网络服务请求带宽。可以驻留在网关设备22中的网络管理器软件模块27可以在该系统在运行的同时进一步重新评价需要的带宽。例如，网关设备22可以从驻留在无线网络14外部的主机接收请求以检索大量的数据。然后，网关设备22可以请求网络管理器27分配额外带宽以适应该事务。例如，网关设备22可以发出适当的服务请求。然后，网关设备22可以在该事务完成时请求网络管理器27释放该带宽。

继续参照图1，无线网络14可以包括一个或更多现场设备30-36。通常，像那些在化工、石油或其它加工厂中使用的过程控制系统包括诸如阀、阀定位器、开关、传感器(例如温度、压力和流速传感器)泵、风机等等之类的现场设备。一般而言，现场设备执行该过程内的物理控制功能，例如，开阀或关阀或获得过程参数的测量值。在无线通信网络14中，现场设备30-36为无线通信包的生成者和使用者。

设备30-36可以利用无线通信协议进行通信，该无线通信协议提供了类似的有线网络的功能，具有类似或改进的运行性能。具体来说，该协议可以使得该系统能执行过程数据监测、关键数据监测(具有更严格的性能要求)、校准、设备状态和诊断监测、现场设备故障检修、试运转以及监督过程控制。然而，执行这些功能的应用程序通常要求无线网络14支持的协议在必要时提供快速更新，在需要时移动大量的数据，并且支持加入无线网络14的网络设备，即使仅仅暂时用于试运转和修护工作。

如果需要的话，网络14可包括非无线设备。例如，图1的现场设备38可以是遗留(legacy)4-20mA设备，并且现场设备40可以是传统的有线HART设备。为了在网络14内进行通信，现场设备38和40可以经由无线HART适配器(WHA)50或50A连接到无线HART网络14。另外，WHA 50可以支持其它通信协议，例如，

Fieldbus、PROFIBUS、DeviceNet等等。在这些实施例中，WHA 50支持在协议栈的较下层上的协议转换。另外，假设单个WHA 50也可以充当多路复用器并且可以支持多个HART或非HART设备。

通常，网络管理器27可以负责使无线网络14适应不断变化的状况并且负责调度通信资源。当网络设备加入和离开该网络时，网络管理器27可以更新它的无线网络14的内部模型并且使用这种信息产生通信调度表和通信路由。另外，网络管理器27可以考虑无线网络14的总体性能以及诊断信息，以使无线网络14适应拓扑和通信需求的变化。一旦网络管理器27已经产生总体通信调度表，总体通信调度表的所有或各个部分可以通过一连串命令从网络管理器27传输到这些网络设备。

为了进一步增加带宽并提高可靠性，网关设备22可以在功能上被分成虚拟网关24和一个或更多网络接入点25，网络接入点25可以是与网关设备22进行有线通信的分立物理设备。然而，虽然图1示出了物理上分离的网关网络22和接入点25之间的有线连接26，但是可以理解的是，元件22-26也可以是被提供为一体的设备。因为网络接入点25可以与网关设备22物理分离，接入点25可以在战略上放置在网络14的几个不同的位置。除了增加带宽，多个接入点25可以通过利用其它接入点25补偿一个接入点25处的可能差的信号质量来增加网络14的总体可靠性。在一个或更多接入点25出现故障的情况下，拥有多个接入点25还提供了冗余。

除了分配带宽，要不然的话桥接网络12和14，网关设备22还可执行无线网络14中的一个或更多管理功能。如图1中示出的，网络管理器软件模块27和安全管理器软件模块28可以存储在网关设备22中并在网关设备22中执行。可替代地，网络管理器27和/或安全管理器28可以在工厂自动化网络12中的主机16或18之一上运行。例如，网络管理器27可以在主机16上运行而安全管理器28可以在主机18上运行。网络管理器27可以负责配置网络14、调度无线设备之间的通信、管理与这些无线设备相关联的路由表、监测无线网络14的总体健康、向工作站16和18报告无线网络14的健康，以及其它管理和监督功能。虽然在网络14中有单个网络管理器27运行可能就足够了，但冗余网络管理器27可以类似地被提供以保护无线网络免受意料之外的设备故障。同时，安全管理器28可以负责保护无线网络14不受到未被授权的设备的恶意或无意入侵。为了这个目的，安全管理器28可以管理鉴权代码，验证由尝试加入无线网络14的设备提供的授权信息，更新诸如到期密钥之类的暂时性安全数据以及执行其它安全功能。

继续参照图1，无线网络14可以包括一个或更多现场设备30-36。通常，像那些在化工、石油或其它加工厂中使用的过程控制系统包括诸如阀、阀定位器、开关、传感器(例如温度、压力和流速传感器)、泵、风机等等之类的现场设备。现场设备执行该过程内的物理控制功能，例如，开阀或关阀或获取过程参数的测量值。在无线通信网络14中，现场设备30-36为无线通信包的生成者和使用者。

设备30-36可以利用无线通信协议进行通信，该无线通信协议提供了类似的有线网络的功能，具有类似或改进的运行性能。具体来说，该协议可以使得该系统能执行过程数据监测、关键数据监测(具有更严格的性能要求)、校准、设备状态和诊断监测、现场设备故障检修、试运转以及监督过程控制。然而，执行这些功能的应用程序通常要求由无线网络14支持的协议在必要时提供快速更新，在需要时移动大量的数据，并且支持加入无线网络14的网络设备，即使仅仅暂时用于试运转和修护工作。

在一个实施例中，支持无线网络14的网络设备30-36的无线协议是已知有线HART协议的扩展，这是一种被广泛接受的行业标准，其维护有线环境的简单工作流程和实践。在这种意义上，网络设备30-36可以被认为是无线HART设备。通过简单增加新的设备描述文件，用于有线HART设备的相同工具可以容易地适用于无线设备30-36。以这种方式，该无线协议可以借助利用有线HART协议获得的经验和知识的杠杆作用来使培训最少并简化维护和支持。一般而言，使协议适应于无线应用，以便在设备上运行的大多数应用程序没有“注意到”从有线网络到无线网络的转变可以是方便的。显然，这样的透明性大大减小了升级网络的成本，并且更为一般地，减小了与开发和支持可以和这样的网络一起使用的设备相关的成本。对众所周知的HART协议进行无线扩展的一些另外的好处包括：对用有线设备难以获得或需要昂贵的代价才能获得的测量结果的访问以及从可以安装在膝上型电脑、手持机、工作站等等上的系统软件配置和操作仪器的能力。另一个好处是有能力将诊断警告从无线设备返回通过通信基础设施送到在集中放置的诊断中心。例如，加工厂中的每个热交换器可能与无线HART设备安装在一起并且当交换器检测到问题时，可以警告终端用户和供应商。又一好处是有能力监测呈现严重健康和安全问题的状况。例如，无线HART设备可能放置在路上的洪水区并用于警告当局或司机有关水位的情况。其它好处包括：对宽范围的诊断警告的访问，和在无线HART设备处存储趋势值以及计算值的能力，以便当建立了与该设备的通信时，可以将这些值传输到主机。在这种方式下，无线HART协议可以提供使主机应用程序能够无线访问现有的HART使能现场设备的平台，并且该无线HART协议可以支持电池供电的、仅限无线的HART使能现场设备的部署。该无线HART协议可以用于建立过程应用的无线通信标准，并且可以进一步通过增强基本的HART技术以支持无线过程自动化应用，来扩展HART通信的应用以及该协议提供给过程控制行业的好处。

再次参见图1，现场设备30-36可以是无线HART现场设备，每个现场设备30-36采用整体单元的形式并且支持无线HART协议栈的所有层。例如，在网络14中，现场设备30可以是无线HART流量计，现场设备32可以是无线HART压力传感器，现场设备34可以是无线HART阀定位器，现场设备36可以是无线HART压力传感器。重要的是，无线设备30-36可以支持用户已经从有线HART协议见到的所有的HART特征。如本领域技术人员将会懂得的是，该HART协议的核心实力之一在于它的严格的协同工作能力要求。在一些实施例中，所有无线HART装置包括核心的强制性能力以便允许(例如，由不同厂商制造的)同等的设备类型被互换而不会危及系统运行。而且，无线HART协议向后兼容诸如设备描述语言(DDL)之类的HART核心技术。在优选实施例中，所有的无线HART设备应该支持DDL，其确保终端用户直接具有开始使用无线HART协议的工具。

如果需要的话，网络14可以包括非无线设备。例如，图1的现场设备38可以是遗留4-20mA设备，并且现场设备40可以是传统的有线HART设备。为了在网络14内进行通信，现场设备38和40可经由无线HART适配器(WHA)50连接到无线HART网络14。另外，WHA 50可以支持其它通信协议，例如，

工厂员工另外可使用手持式设备进行网络设备的安装、控制、监测和维护。一般而言，手持式设备是便携式装置，该便携式装置可以直接连接到无线网络14或通过网关设备22连接到无线网络14作为工厂自动化网络12上的主机。如图1示出的，连接无线HART的手持式设备55可以直接与无线网络14进行通信。当与形成的无线网络14一起运行时，手持式设备55可以只是作为另一无线HART现场设备加入网络14。当与没有连接到无线HART网络的目标网络设备一起运行时，手持式设备55可以通过与该目标网络设备形成它自己的无线网络，作为网关设备22和网络管理器27的结合来运行。

连接工厂自动化网络的手持式设备(未示出)可以用于通过诸如Wi-Fi之类的已知组网技术连接到工厂自动化网络12。该设备采用与外部工厂自动化服务器(未示出)相同的方式通过网关设备22与网络设备30-40进行通信，或者工作站16和18与设备30-40进行通信。

另外，无线网络14可以包括路由器设备60，该路由器设备60是从一个网络设备向另一个网络设备转发包的网络设备。正在充当路由器设备的网络设备使用内部路由表来指挥路由，即来决定特定的包应该被发送给哪个网络设备。在那些无线网络14上的所有设备都支持路由的实施例中，可以不需要诸如路由器60之类的单机路由器。然而，(例如为了扩展网络，或为了节省该网络中的现场设备的电力)添加一个或更多专用路由器60到网络14可以是有益的。

直接连接到无线网络14的所有设备可以被称为网络设备。具体来说，无线现场设备30-36、适配器50、路由器60、网关设备22、接入点25以及无线手持式设备55是为了路由和调度目的的网络设备，这些网络设备中的每一个形成无线网络14的节点。为了提供非常健壮的和容易扩展的无线网络，网络中的所有设备可以支持路由并且每个网络设备可以用诸如HART地址之类的实质上唯一的地址来进行全局标识。网络管理器27可以包含网络设备的完整列表，并且可以指派给每个设备短的、网络唯一的16位(例如)别名。另外，每个网络设备可以存储与更新(“扫描”)速率、连接会话以及设备资源相关的信息。简而言之，每个网络设备维护与无线网络14内的路由和调度相关的最新信息。每当新的设备加入该网络时或每当网络管理器27检测到或发起无线网络14的拓扑或调度的改变时，网络管理器27可以将该信息传达到网络设备。

此外，每个网络设备可以存储并维护该网络设备在侦听操作期间已经识别的邻居设备的列表。一般而言，网络设备的邻居是潜在能够根据由相应的网络强制实行的标准建立与该网络设备的连接的任何类型的另一个网络设备。在为无线HART网络14的情况下，该连接是直接无线连接。然而，将会理解的是，邻居设备还可以是以有线方式连接到特定设备的网络设备。如稍后将要讨论的，网络设备可通过广告或在指定的时段发出的特殊消息来促进其它网络设备发现它们。可操作地连接到无线网络14的网络设备具有一个或更多邻居，这些网络设备可以根据广告信号的强度或根据一些其它准则选择这些邻居。

在如图1示出的实例中，由直接无线连接65连接的一对网络设备中的每个设备将另一个识别为邻居。无线网络14的网络设备可以形成大量的设备间连接65。建立两个网络设备之间的直接无线连接65的可能性和愿望由诸如这些节点之间的物理距离、这些节点(设备)之间的障碍、这两个节点中的每一个节点处的信号强度等等若干因素来确定。通常每个无线连接65由与发送频率、接入无线电资源的方法等有关的一个大的参数组特征化。本领域普通技术人员将认识到的是，通常，无线通信协议可以在指定频率上运行，例如由美国的联邦电信委员会(FCC)指派的那些频率，或运行于无许可证的无线电频段(例如，2.4GHz)。尽管这里讨论的系统和方法可以应用于在任何指定频率或频率范围上运行的无线网络，但是下面讨论的示例性实施例涉及与运行于无线电频谱上的无许可证的或者共享部分的无线网络14。根据这个实施例，无线网络14可以被容易地驱使或调整为根据需要在特定的无许可证的频率范围中运行。

继续参照图1，两个或更多直接无线连接65可以形成在不能形成直接无线连接65的节点之间的通信路径。例如，无线HART手持式设备55和无线HART设备36之间的直接无线连接65A，连同无线HART设备36和路由器60之间的直接无线连接65B，可以形成设备55和60之间的通信路径。如以下更加详细讨论的，这些通信路径中的至少一些可以是有向通信路径(即仅允许或一对设备之间沿一个方向传输数据)。同时，无线HART设备36可以直接连接到网络设备55、60、32中的每一个，并且连接到网络接入点25A和25B。一般而言，在无线网络14中运行的网络设备可以发起数据包、中继由其它设备发送的数据包或执行这两种类型的操作。如这里所使用的，术语“终端设备”指不中继由其它设备发送的数据包的网络设备，而术语“路由设备”指中继在其他网络设备之间传播的数据包的网络设备。当然，路由设备还可以发起它自己的数据，或者在某些情况下也可以是终端设备。因此，一个或若干终端设备和路由设备，连同若干直接连接65，可以形成网状网络的一部分。

因为加工厂可以具有成百或者甚至上千个现场设备，所以在该工厂中运行的无线网络14可以包括大量的节点，并且在许多工作情况下包括更大量的节点对之间的直接连接65。结果，无线网络14可能具有复杂的网状拓扑，并且不共享直接连接65的一些设备对可能必须通过执行这些设备之间的通信的许多中间跳来进行通信。因此，在数据包离开源设备之后到达目的设备之前，可能有时需要沿许多直接连接65进行传播，并且每个直接连接65可能对该数据包的总传递时间添加一延迟。而且，这些中间设备中的某些中间设备可以位于网状网络的许多通信路径的交叉点处。同样，可能除了发起它自己包之外，这些设备还可能要负责中继由许多不同设备发起的大量的包。因此，相对忙的中间设备可以不马上转发瞬变的数据包，而是在相应的通信路径上向下一个节点发送该包之前，可以将该包排入队列等待相对长的时间。当数据包最终到达该目的设备时，该目的设备可以用确认包进行回复，该确认包也可能遇到类似的延迟。在该包传播到目的设备以及相应的确认包从该目的设备传播回到该发起设备期间，该发起节点可能不知道该数据是否已经成功到达该目的设备。而且，设备可能由于调度维护和升级或由于意外故障而离开无线网络14，从而改变了该网状网络的拓扑并破坏了这些通信路径中的某些路径。类似地，这些设备可以加入无线网络14，从而添加了另外的直接连接65。如果不以高效且及时的方式进行处理的话，无线网络14的拓扑的这些或其它改变可能会大大影响节点对之间的数据发送。

然而，重要的是，传递数据包的效率可以在很大程度上决定工厂运行的可靠性、安全性和总体质量。例如，包括指示反应器的过高温度的测量值的数据包应该快速并可靠地到达另一节点，例如手持式设备55或者甚至是工作站16，以便操作员或控制器可以马上采取适当的措施并且如果必要的话致力于解决危险情况。为了高效利用可用的直接无线连接65并完全适应频繁改变的网络拓扑，网络连接器27可以维护完整的网络地图68，定义连接至少某些网络设备对30-50的路由方案，并且将该路由方案的相关部分传达给参与该路由方案的每个网络设备。

具体来说，网络管理器27可以定义包括一个或更多单向通信路径的一组有向图，将图标识符指派给每个定义的有向图，并且可以将每个图定义的相关部分传达给每个相应的网络设备，每个相应的网络设备而后可以更新特定设备的、在本地存储的连接表69。如以下更详细的说明，网络设备30-50接着可以基于包括在数据包的包头或包尾等等的图标识符来路由这些数据包。如果需要的话，每个连接表69可以仅仅存储与相应的网络设备直接相关的路由信息，这样该网络设备不知道包括该网络设备的有向图的完整定义。换句话说，该网络设备可能无法“看到”其直接邻居之外的网络，并且在这种意义上，该网络设备可能不知道无线网络14的完整拓扑。例如，在图1中示出的路由器设备60可以存储连接表69A，其可以仅仅指定与相邻网络设备32、36、50和34相关的路由信息。同时，WHA 50A可以存储连接表69B，其相应地可以指定与WHA 50A的邻居相关的路由信息。

在某些情况下，网络管理器27可以在网络设备对之间定义双重通信路径，以确保在主通信路径的直接连接65之一变得不可用的情况下，数据包仍然可以沿副通信路径到达目的设备。然而，直接连接65中的一些可以在特定的网络设备对的主路径和副路径之间被共享。而且，网络管理器27在某些情况下可以将要使用的整个通信路径传达给某一网络设备，该网络设备接着可以发起数据包并且将完整的路径信息包括在该数据包的包头和包尾中。优选地，针对无严格的等待时间要求的数据，网络设备使用这种路由方法。如下详细讨论的，该方法(这里称为“源路由”)可以不提供相同程度的可靠性和灵活性，并且，一般而言，可以具有传递延迟较长的特征。

无线网络协议的(并且特别是在无许可证的频带中运行的无线网络的)另一核心要求是以最小的扰乱性与使用同一频带的其它装备共存。共存一般定义为一个系统在共享环境中执行任务的能力，在该共享环境中，其它系统能够类似地执行它们的任务，同时遵照同一准则组或者不同(并且可能未知的)的准则组。在无线环境中共存的一个要求是在该环境中出现干扰时该协议维持通信的能力。另一要求是该协议应该对其它通信系统造成尽可能小的干扰和扰乱。

换句话说，无线系统与周围的无线环境共存的问题大体具有两个方面。共存的第一方面是该系统用以影响其它系统的方式。例如，特定系统的操作员或开发者可以询问一个发射器发送的信号对接近该特定系统运行的其它无线电系统具有什么影响。更为具体地，该操作员可以询问，每当该发射机开启时该发射机是否扰乱某些其它无线设备的通信，或者该发射机是否在广播上花费过多的时间从而有效地“独占”(hogging)该带宽。理想地，每个发射机应该是不被其它发射机注意到的“安静邻居”。尽管该理想特性(如果有的话)很少能够达到，但创造了其它无线通信系统可以在其中运行得相当好的共存环境的无线系统可以被称为“好邻居”。无线系统的共存的第二方面是该系统在有其它系统或无线信号源的情况下运行得相当好的能力。具体来说，无线系统的健壮性可以取决于该无线系统防止在这些接收机处的干扰的能力有多好，取决于这些接收机是否由于接近的RF能量源而容易超载，取决于这些接收机对偶尔的位丢失的容忍度有多好，以及类似的因素。在某些行业中，包括过程控制行业，有许多重要的经常不允许数据丢失的潜在应用。能够在嘈杂的或动态的无线电环境中提供可靠通信的无线系统可以被称为“宽容的邻居”。

有效的共存(即，作为好邻居和宽容的邻居)部分地依赖于有效使用三方面的自由：时间、频率和距离。当通信在1)在干扰源(或者其它通信系统)安静的时候发生；2)以与干扰信号不同的频率发生；或3)在足以远离该干扰源的位置发生时，该通信可能是成功的。尽管这些因素中的单个因素可能用于在无线电频谱的共享部分提供通信方案，但是这些因素中的两个或所有三个的结合可以提供高度的可靠性、安全性和速度。

仍然参见图1，网络管理器27或在网络14或12上运行的另一应用或服务可以鉴于以上讨论的这些因素定义无线通信网络14的主网络调度表67。主网络调度表67可以为网络设备25和30-55指定将诸如时间段和无线电频率之类的资源的分配。具体来说，主网络调度表67可以指定网络设备25和30-55中的每一个何时发送过程数据、代表其它网络设备路由数据、侦听从网络管理器27传播来的管理数据以及为了希望加入无线网络14的设备而发送广告数据。为了以有效方式分配无线电资源，网络管理器27可以鉴于无线网络14的拓扑定义并更新主网络调度表67。更为具体地，网络管理器27可以根据在每个节点处标识的直接无线连接65来分配可用资源给无线网络14的节点中的每一个(即，无线设备30-36、50以及60)。在这种意义上，网络管理器27可以鉴于在每个节点处的发送要求和路由可能性来定义和维护网络调度表67。

主网络调度表67可以将可用的无线电资源分成独立的通信信道，并且进一步以例如时分多址(TDMA)通信时隙为单位在每个信道上测量发送和接收时机。具体来说，无线网络14可以在某一频带内运行，该频带在大多数情况下可以安全地与若干截然不同的载波频率相关联，以便以一个频率进行的通信可以与以该频带内的另一频率进行的通信同时发生。本领域普通技术人员将会理解的是，在典型应用中的载波频率(例如公共无线电)被充分地分隔开以防止相邻载波频率之间的干扰。例如，在2.4GHz频带中，IEEE指派频率2.455给信道号21，指派频率2.460给信道号22，从而允许2.4GHz频带的两个相邻段之间隔开5KHz。主网络调度表67可以因此将每个通信信道与截然不同的载波频率相关联，该载波频率可以是该频带的特定段的中心频率。

同时，如使用TDMA技术的行业中通常所用的，术语“时隙”指特定的持续时间段，较大的时段被分成该特定的持续时间段以提供受控的共享方法。例如，一秒可以分成10等分的100毫秒时隙。虽然主网络调度表67优选地以单个固定持续时间的时隙分配资源，但是只要无线网络14的每个相关节点都被适当地通知了这种改变，那么改变这些时隙的持续时间也是可能的。继续10个100毫秒时隙的实例定义，两个设备可以每秒交换一次数据，在每秒的第一个100ms时段(即第一时隙)期间一个设备进行发送，在每秒的第四个100ms(即第四时隙)期间，另一设备进行发送，而剩下的时隙未被占用。因此，在无线网络14上的节点可以通过发送频率以及相应的设备可以在其间发送和接收数据的时隙来标识被调度的发送时机和接收时机。

作为定义有效的和可靠的网络调度表67的一部分，网络管理器27可以在将时隙在逻辑上组织成循环重复的组或超帧。如这里所使用的，超帧可以被更为精确地理解为一连串相等的超帧循环，每个超帧循环对应于形成连续时间段的若干相邻接的时隙的逻辑分组。在给定超帧内的时隙的数目定义了超帧的长度并且确定了每个时隙多久重复一次。换句话说，超帧的长度与单个时隙的持续时间相乘，指定了一个超帧循环的持续时间。另外，为了方便起见，可以对每个帧循环内的时隙进行连续编号。举一个具体的实例，网络管理器27可以将时隙的持续时间固定在10毫秒，并且可以定义长度为100的超帧，以产生1秒帧循环(即，10毫秒乘以100)。在基于0的编号方案中，该实例超帧可以包括编号为0，1，...99的时隙。

如以下更详细的讨论，网络管理器27减少了等待时间并且另外通过将多个不同大小的并发超帧包括在网络调度表67中来优化数据发送。而且，网络调度表67的一些或所有超帧可以跨越多个信道或载波频率。因此，主网络调度表67可以指定各个超帧的各个时隙和可用信道之一之间的关联。

因此，主网络调度表67可以对应于独立的设备调度表的集合。例如，诸如阀定位器34之类的网络设备可以具有独立的设备调度表67A。设备调度表67A可以仅仅包括与相应的网络设备34相关的信息。类似地，路由器60可以具有独立的设备调度表67B。相应地，网络设备34可以根据设备调度表67A发送和接收数据而不知道诸如该设备60的调度表69B之类的其它网络设备的调度表。为了这个目的，网络管理器27可管理总的网络调度表67和各个独立的设备调度表67(例如，67A和67B)，并且当需要时将独立的设备调度表67传达给相应的设备。当然，设备调度表67A和67B从整个或主网络调度表67派生出来，并作为其子组。在其它实施例中，独立的网络设备25和35-50可以至少部分定义或协商设备调度表67并将向网络管理器27报告这些调度表。根据这个实施例，网络管理器27可以根据接收到的设备调度表67组合网络调度表67，同时检查资源竞争并解决潜在的冲突。

为了最优地利用可用无线资源并且保证有效的和可靠的数据传递，网络管理器27可以进一步鉴于路由来优化调度决定，可替代地，鉴于调度决策来优化路由。在一些特别有用的实施例中，网络管理器27可以在概念上将诸如有向图的边之类的路由概念与诸如时隙和超帧之类的调度资源相结合以定义链路。这些链路可以进一步包括若干截然不同的类型，例如与一已知设备对相关联的专用链路、发射机或接收机中的至少一个没有被预先指派的共享链路、用于从单个源对多个设备进行寻址的广播和组播链路等等。在这些实施例中，网络管理器27可以通过分析网络14的拓扑、形成一组指定网络设备对之间的通信路径的有向图、部分地基于这些网络设备处的更新速率定义超帧，并且顺序地将已定义的超帧内的时隙分配给这些设备之间的有向连接以定义一组指定每个数据发送的方向和时间的链路，来高效地利用链路资源。另外，在那些网络14在若干无线信道上运行的实施例中，每个链路可以指定发生特定发送所在的信道。如以下详细讨论的，网络管理器27由此可以确保这些网络设备高效而可靠地进行通信。例如，网络管理器27可以确保在多跳通信路径上，数据包在传输到该路径上的下一跳之前花费尽可能少的时间。

以上在一般描述的支持无线网络14的通信协议在这里被称为无线HART协议70，并且参照图2更详细地讨论该协议的操作。如将会被理解的，直接无线连接65中的每一个可以根据无线HART协议70的物理和逻辑要求来传输数据。同时，无线HART协议70可以高效地支持在时隙内并且在与特定设备调度表69所定义的超帧相关联的载波频率上进行通信。

图2示意性地示出了无线HART协议70的一个示例性实施例的各层，与众所周知的通信协议的ISO/OSI7层模型的各层近似对齐。作为比较，图2另外示出现有的“有线”HART协议72的各层。将会理解的是，无线HART协议70不一定要具有有线对等体。然而，如下面将要详细讨论的，无线HART协议70可以通过与现有协议共享该协议栈的一个或更多上层来大大方便其实现。如以上所指示的，如以上所指示的，与为类似网络提供服务的有线协议72相比，无线HART协议70可以提供相同或更高程度的可靠性和安全性。同时，通过消除安装有线的需要，无线HART协议70可以提供若干重要的优点，例如降低与安装网络设备相关的成本。还将会理解的是，虽然图2将无线HART协议70表现为HART协议72的无线对等体，但这种特定的对应在这里仅仅是作为实例被提供。在其它可能的实施例中，无线HART协议70的一或更多层可以对应于其它协议，或如以上所提及的，无线HART协议70甚至可以不与现有协议中的任何一个共享最上面的应用层。也可以使用无线HART协议栈作为根据诸如Foundation Fieldbus、Profinet、ModbusTCP、和因特网IP之类的其他通信标准的网络层。在这些情况下，无线HART协议70可负责传输实时数据、警报、报警、趋势或符合HART通信标准的其他信息。

如图2中示出的，HART技术的无线扩展可以将至少一个新物理层(例如，IEEE802.15.4无线电标准)和两个数据链路层(例如，有线和无线网格)添加给已知的有线HART实施。一般而言，无线HART协议70可以是安全的、在2.4GHz ISM无线电频带中运行的无线网格组网技术(块74)。在一个实施例中，无线HART协议70可以在一个事务接一个事务的基础上利用可兼容IEEE 802.15.4b的直接序列扩频通信(DSSS)无线电和信道跳频。可以利用TDMA对该无线HART通信进行调停以调度链路活动(块76)。同样，优选地，所有通信在指定的时隙内执行。一个或更多源设备和一个或更多目的设备可以被调度以在给定时隙中进行通信，并且每个时隙可以专门用于来自单个源设备的通信，或者这些源设备可以被调度为利用像CSMA/CA那样的共享通信接入模式进行通信。源设备可以发送消息到一个或更多特定的目标设备或者可以将消息广播到被指派时隙的所有目标设备。

因为这里描述的无线HART协议70允许部署网状拓扑，所以也可以指定重要的网络层78。具体来说，网络层78可以使得单独的设备之间能够建立直接无线连接65，并且使得无线网络14的特定节点(例如设备34)和网关22之间能够通过一个或更多中间跳来路由数据。在某些实施例中，网络设备对30-50可以建立包括一个或若干跳的通信路径，而在其它实施例中，所有数据可以要么向上游传播到网关设备22，要么从网关设备22向下游传播到特定的节点。

为了增强可靠性，无线HART协议70可以将TDMA与一种将多个无线电频率与单个通信源相关联的方法(例如，信道跳频)相结合。信道跳频提供了最小化干扰并减少多径衰落影响的频率分集。具体来说，数据链路76可以生成单个超帧和多个载波频率之间的关联，数据链路层76以受控的和预定义的方式在所述多个载波频率之间循环。例如，无线HART网络14的特定场合的可用频带可以具有载波频率F₁，F₂，...F_n。超帧S的相关帧R可以被调度为，在循环C_n中以频率F₁出现，在接下来循环C_n+1中以频率F₅出现，在循环C_n+2中以频率F₂出现，等等。网络管理器27可以利用该信息配置相关网络设备，以便在超帧S中进行通信的网络设备可以根据超帧S的当前循环调整发送频率或接收频率。

无线HART协议70的数据链路层76可以提供另外的将信道列入黑名单的特征，其限制这些网络设备使用该无线电频带中的某些信道。网络管理器27可以响应于检测到信道上的过多干扰或其它问题，将无线电信道列入黑名单。进一步，操作员或网管可以将信道列入黑名单以便保护使用无线电频带的固定部分的无线服务，否则的话该无线服务要与无线HART网络14共享该固定部分。在一些实施例中，无线HART协议70以超帧为基础控制列黑名单，以便每个超帧具有独立的被禁止信道的黑名单。

在一个实施例中，网络管理器27负责分配、指派并调整与数据链路层76相关联的时隙资源。如果网络管理器27的单个例子支持多个无线HART网络14，网络管理器27可以为无线HART网络14的每个例子生成总体调度表。该调度表可以被组织成包含相对于该超帧的起点进行编号的时隙的超帧。另外，网络管理器27可以维持全局性绝对时隙计数，该绝对时隙计数可以反映自从无线HART网络14启动以来被调度的时隙的总数。该绝对时隙计数可以用于同步目的。

无线HART协议70可以进一步定义链路或链路对象以便在逻辑上统一调度和路由。具体来说，链路可以与具体的网络设备、具体的超帧、相对隙数、一个或更多链路选项(发送、接收、共享)以及链路类型(正常、发现、广播、加入)相关联。如图2中示出的，数据链路层76可以是频率捷变的。更为具体地，信道偏移量可以用于计算用于执行通信的具体的无线电频率。网络管理器27可以鉴于每个网络设备处的通信要求定义一组链路。然后，每个网络设备可以被配置以所定义的该组链路。所定义的该组链路可以确定该网络设备何时需要醒来，以及该网络设备是否应该在醒来后即进行发送、接收或同时发送/接收。

继续参照图2，无线HART协议70的传输层80允许有效的尽力而为的通信和可靠的、端到端确认式通信。如本领域技术人员将会认识到的，尽力而为的通信允许设备发送包而不进行端到端的确认，并且不保证目的设备处的数据顺序。用户数据报协议(UDP)是这种通信策略的一个众所周知的实例。在过程控制行业中，该方法可以对公布过程数据是有用的。具体来说，因为设备周期性地传播过程数据，所以端到端确认和重试已经限制了效用，特别是考虑到新数据是在定期的基础上产生的。相反，可靠的通信允许设备发送确认包。除了保证数据传递，传输层80还可以安排网络设备间发送的包。对于请求/响应业务，或者当发送事件通知时，这种方法可以是优选的。当使用传输层80的可靠模式时，通信可以变得同步。

可靠的事务可以被建模为发出请求包的主设备和用响应包进行回复的一个或多个从设备。例如，主设备可以产生某一请求并且可以将该请求广播到整个网络。在某些实施例中，网络管理器27可以使用可靠的广播来告诉无线HART网络14中的每个网络设备激活新的超帧。可替代地，诸如传感器30之类的现场设备可以产生包并且将该请求传播到另一现场设备，例如传播到便携式HART通信装置55。作为另一实例，由现场设备34产生的警报或事件可以作为指向网关设备22的请求被发送。响应于成功接收到该请求，网关设备22可以产生响应包并且将该响应包发送到设备34，以对接收到该警报或事件通知进行确认。

再参见图2，会话层82可以提供网络设备之间的基于会话的通信。可以用会话在该网络层上管理端到端通信。网络设备可以具有为给定对等网络设备定义的多于一个会话。如果需要的话，几乎所有网络设备都可以具有至少两个与网络管理器27建立的会话：一个用于成对通信，一个用于从网络管理器27进行的网络广播通信。另外，所有网络设备都可以具有一个或若干网关会话密钥。这些会话可以通过指派给它们的网络设备地址来区分。每个网络设备可以跟踪该设备参与的每个会话的安全信息(加密密钥、临时计数器)以及传输信息(可靠传输顺序号、重试计数器等)。

最后，无线HART协议70和有线HART协议72可以支持公共HART应用层84。无线HART协议70的应用层可以另外包括子层86，其支持大数据组的自动分段传输。通过共享应用层84，协议70和72允许对HART命令和数据进行公共封装并且消除了在协议栈的最上层中进行协议转换的需要。

调度通信

图3-6提供了由无线HART协议70的数据链路层76和网络层78支持的信道和时隙资源分配的更详细的图示。如以上参照图1所讨论的，网络管理器27可以管理一个或更多超帧的定义并且可以将所定义的超帧中的每一个超帧内的独立的时隙与可用信道(例如，载波频率)之一相关联。作为一个具体的实例，图3示出了在独立的时隙内的可用通信方案，而图4示出了使用某一超帧的时隙在若干设备之间进行的示例性数据交换。接下来，图5示出示例性时隙和若干可用信道之间的可能关联，并且图6是若干包括图3-5示出的时隙的并发超帧的示意图。

具体参见图3，两个或更多网络设备可以在时隙100中交换数据，时隙100可以是由一个发送设备和一个接收设备共享的专用时隙，也可以是具有超过一个发射机和/或一个或更多接收机的共享时隙。在任一情况下，时隙100可以具有发送调度表102和接收调度表104。换句话说，一个或更多发送设备可以根据发送时隙调度表102在时隙100内进行通信，而一个或更多接收设备可以根据接收时隙调度表104在时隙100内进行通信。当然，时隙调度表102和104实质上精确地同步并且在同一相对时刻106开始。在时隙100的过程中，发送网络设备在诸如由特定载波无线电频率定义的通信信道上发送预定量的数据。在某些情况下，发送网络设备还可以期望在同一时隙100内接收肯定或否定的确认。

因此，如图3中示出的，发送时隙调度表102可以包括用于发送输出数据的发送段110，其之前有预发送段112，并且可以包括用于接收对在段110期间所发送的数据的确认的接收段122。发送段110与接收段122可以通过过渡段116分隔开，在过渡段116期间，相应的网络设备可以调整例如硬件设置。同时，如下所讨论的，接收调度表104可以包括用于执行补充段112-122中所实施的功能的功能的段。

具体来说，该发送设备可以在段110期间发出与时隙100的容量相关联的整个包或者流段。如以上所提及的，网络调度表69可以包括共享时隙，该共享时隙并不专门属于网络设备25和30-55之一的独立设备调度表67。例如，共享时隙可以具有诸如网关22之类的专用接收机，而非单个专用发射机。当必要时，网络设备25-60之一可以在共享时隙中发送诸如对额外带宽的请求之类的未经调度的信息。在这些情况下，可能发送的设备可以通过在预发送段112执行空闲信道评估(CCA)来检查共享时隙是否可用。具体来说，发送网络设备可以在预发送段112期间侦听与时隙100相关联的通信信道上传播的信号，以证实没有其它网络设备正尝试使用时隙100。

在时隙100的接收端，该接收设备可以在包接收段114内接收与时隙100相关联的整个包。如图3示出的，包接收段114可以开始于在时间上比发送段110更早的点。如果需要的话，包接收段114可延长到发送段110(未示出)之外以允许细微时序不匹配。接下来，在过渡段116中，发送时隙调度表102要求发送设备转换无线电模式。类似地，接收时隙调度表104包括过渡段118。然而，段116可以比段118更短，因为发送设备可以提早开始侦听确认数据以避免错过确认的开始。

更进一步，发送调度表102可以包括确认接收段122，在确认接收段122期间，该发送设备接收在与接收调度表104相关联的确认发送段124期间发送的确认。确认接收段122可在确认发送段124之前启动，并且如果需要的话，结束得晚于确认发送段124，以减少确认的丢失。该发送设备可以在接收到肯定的确认时，从相关联的发送队列中删去在发送段110期间发送的包。另一方面，如果没有确认到达或确认是否定的，则该发送设备可以尝试在下一被调度的专用时隙或在下一可用的共享时隙中重新发送该包。

如在图4中示意性示出的，以上讨论的若干时隙100可以组织成超帧140。具体来说，超帧140可以包括(通常)无限的成串超帧循环150-154，每个循环包括一组时隙，在图4中示出为相对时隙号为0的时隙142(TS0)、相对时隙号为1的时隙144(TS1)和相对时隙号为2的时隙146(TS2)。相应地，图4的超帧140的大小为三个时隙。换句话说，超帧140的时隙142-146中的每一个每隔两个中间时隙在时间上重复一次。因此，对于10毫秒的时隙，具有特定相对时隙号的时隙的结尾和具有相同的相对时隙号的下一个时隙的开始之间的间隔是20毫秒。在概念上，时隙142-146可以进一步被组成超帧循环150-154。如图4中示出的，每个超帧循环对应于时隙142-146的序列的新例子。

主网络调度表67可以将参与无线网络14的网络设备中的一些网络设备的发送和接收时机与超帧140的特定时隙相关联。再参见图4，网络片段160示意性地示出了在图1的网络设备34、60和36之间实施的局部通信方案。为了简化超帧140的图示，网络设备34、60和36在图4中分别被另外设计为节点A、B、C。因此，根据图4，节点A发送数据给节点B，节点B接下来发送数据给节点C。如以上所述，节点A-C中的每一个节点包括设备调度表67A-C，其指定用于在相应的设备处发送和接收数据时隙和信道(例如无线电载波频率)。主网络调度表67可以包括独立的设备调度表67A-C中存储的所有数据信息中的一部分。更为具体地，网络管理器27可以维护主网络调度表67作为与网络设备30-50中的每一个相关联的调度的集合体，包括设备调度表67A-C。

在这个实例中，时隙100(图3)的持续时间可以是10毫秒，并且网络设备A可以每30毫秒向设备C报告一次数据。相应地，网络管理器27可以鉴于网络设备A的更新速率在三个时隙处具体设定超帧140的长度。进一步，网络设备27可以将相对号为0的时隙142(TS0)指派给网络设备A和B，设备A作为发射机而设备B作为接收机。网络管理器27可以进一步将相对时隙号为1(TS1)的下一个可用时隙144分配为与从设备B到设备C的发送相关联。同时，时隙146保持未指派。在这种方式下，超帧140提供了一方案，根据该方案，网络管理器27可以鉴于设备A、B和C之间的可用无线连接在网络片段160中分配资源，以将数据从设备A发送到设备C。

在图4中示出的实例中，节点A处的网络设备可存储与时隙142相关的信息作为它的设备调度表67A的一部分。类似地，在节点B处的网络设备可以存储与时隙142(接收)和144(发送)相关的信息作为它的设备调度表69B的一部分。最后，网络设备C可以将与时隙144相关的信息存储在设备调度表67C中。在这些实施例的至少一些实施例中，网络管理器27存储关于整个超帧140的信息，包括时隙146是可用的指示。

重要的是，超帧140不需要局限于单个无线电频率或其它单个通信信道。换句话说，定义超帧140的独立时隙142-146可以以永久性或浮动为基础与不同的无线电频率相关联。而且，由各种设备使用的频率在电磁频谱中不需要总是相邻接。在一个实施例中，例如，超帧循环150-154中的每一个超帧循环的时隙142可以与载波频率F₁相关联，而超帧循环150-154中的每一个超帧循环的时隙144可以与载波频率F₂相关联，频率F₁和F₂在电磁频谱中相邻接或不相邻接。

在另一实施例中，时隙142-146中的至少一些时隙可以以预定义的方式在被分配的频带周围移动。图5示出了图4的时隙144与可用频带170中的信道172-179之间的示例性关联(对应于频率子带F₁-F₅)。具体来说，信道172-179中的每一个信道可以对应于中心频率F₁，F₂，...F₅之一，优选地，这些中心频率与它们各自的邻居相差同一偏移量。优选地，信道172-179可形成覆盖整个可用频带170的连续频段，虽然在所有实施例中，信道172-179需要是邻接的或形成连接续的频带。超帧140可以使用频带170的至少一部分，以便时隙142-146中的一个或更多时隙在至少两个邻接的循环中被调度到不同的载波频率上。

如图5中示出的，在帧循环150期间，时隙144可以使用信道176(频率F₃)，在帧循环152期间，可以使用信道174(频率F₄)，并且在帧循环154期间，可以使用信道178(频率F₂)。然后，时隙144可以在与循环150类似的下一超帧循环150A中“返回”到信道176。时隙144与信道172-179之一的具体关联中的每一个被示出为时隙/信道元组144A-C。例如，元组144A将循环150中被调度的时隙2指定在与中心频率F₃相关联的信道176上。类似地，元组144B将循环152中被调度的时隙2指定在与中心频率F₄相关联的信道174上。同时，与中心频率F₅相关联的信道172可以在循环150-152中的任何循环期间不指派给时隙2。然而，超帧140的不同时隙，例如时隙146，可以在循环150-152中的一个或更多期间与信道172相关联。

在这个实例中，与超帧循环150相关联的频率指派可以在循环154之后立即重复(如图5中示出为循环150A)，并且，在超帧140的两个循环之后，时隙144可以再次对应于元组144A。这样，时隙144可以定期循环通过信道176、174和178。将会理解的是，时隙144可以类似地循环通过更大或更小数目的信道，而不管超帧140的长度，当然，前提是在频带170中有足够的信道可用。以上关于图5讨论的并被称为“信道跳频”的不同超帧循环期间的单个时隙与多个信道之间的关联大大增加了无线网络14的可靠性。具体来说，信道跳频减少信道跳频降低了被调度在某一超帧的特定时隙中通信的一对设备在某一信道拥塞或不可用时不能发送和接收数据的概率。因此，例如，信道174的故障阻止使用时隙144的设备在帧循环152中通信，而不阻止其在帧循环150或154期间通信。

再参见图4，设备调度表67B和67C可以包括关于在以上参照图5讨论的元组144A-C中的每一个元组的信息。具体来说，设备调度表67B和67C中的每一个设备调度表可以存储循环150-152中的每一个循环内给信道172-179之一的时隙144指派。主网络调度表67(图1)可以类似地包括该信息。同时，设备调度表67A不需要必需包括与时隙144相关的信息，因为相应的节点A(设备34)在超帧140的时隙144期间不进行通信。在运行中，与节点B和C对应的设备60和36可以在每个时隙144的开始时分别准备数据发送和接收。为了确定时隙144当前对应于元组144A、144B还是144C，设备60和36可以应用全局性绝对隙计数以确定时隙144当前是在帧循环150、152还是154中。

在定义网络调度表69的过程中，网络管理器27可以鉴于网络设备25和35-50的更新速率定义多个并发超帧。如图6中示出的，网络调度表69可以包括长度为3的超帧140以及超帧190和192。超帧190可以是五隙超帧，而超帧192可以是四隙超帧，虽然不同的超帧可以具有不同的隙数并且各种不同的超帧可以具有相同的隙数。如图6中示出的，这些超帧不需要必须针对相对时隙号进行对齐。具体来说，在特定时刻194，超帧190可以调度相对号为2的时隙(TS2)，而超帧140和192可以调度具有相对号为1的时隙(TS1)。优选地，超帧140、190和192是时间同步的，以便在这些超帧的每一个超帧内，每个到新时隙的过渡同时发生。

超帧140、190和192中的每一个超帧可以主要与网络设备30-50中的独立网络设备或网络设备30-50的子组相关联，或者属于独立网络设备或网络设备30-50的子组。例如，在图4中示出的超帧140可以属于节点A(即网络设备34)，并且可以有利地选择超帧140的长度，以便在循环150-154中的每一个循环期间，节点A在时隙142(TS0)期间发出测量数据到节点B。如果无线网络14定义了10毫秒时隙，则节点A每30秒发送数据到节点B一次。然而，如果节点A被重新配置为每50毫秒报告测量值一次，网络管理器27独自，或与与节点A一道，可以将帧140重新配置为具有五个时隙的长度。换句话说，每个超帧的长度可以反映特定网络设备30-50的特定发送要求。

另一方面，超过一个的网络设备30-50可以使用用于发送和接收数据的超帧。再次参见图4，虽然超帧140可以主要与节点A相关联，但是节点B(网络设备60)也可以在超帧140的时隙144中定期发送数据到节点C(网络设备36)。因此，特定超帧的不同时隙可以被不同的网络设备用来发起、路由或接收数据。在某种意义上，每个超帧的时隙可以被理解为分配给不同设备的资源，并把特定的优先级指派给拥有该超帧的设备。此外，将会理解的是，每个网络设备可以参与多个超帧。例如，图4中的网络设备34除了由路由设备60进行传播它自己的数据之外，还可以代表其它网络设备(例如，在图1中示出的网络设备32)路由数据。优选地，参与多个超帧的设备并不在不同超帧中调度同时发生的通信。尽管在图6中示出了仅仅三个超帧，但是图1的无线网络14可以包括任何数目的超帧，这些不同超帧中的每一个超帧基于在特定的设备和设备组之间或之中执行的通信的类型和频率而具有任何想要的或有用的长度。

以上关于图1-6所描述的方法可以适用于过程控制系统，例如其中各种设备根据独立的设备调度表以及在偶然的、经常不可预知的数据“突发”期间报告测量值或其它数据的过程控制系统。

路由技术

如以上参照图1所讨论的，重要的是，考虑网络设备30-50的位置，以便无线网络14可以以高效和可靠的形式建立它本身。在某些情况下，有必要在那些工厂装置可能阻塞或严重影响无线连接的地方或网络设备彼此相隔很远的地方上添加路由器60。因此，在这种或类似情况下，期望无线网络14是“自修复”的，即能够自动处理传递故障中的至少一些故障。为了满足这种情况或其它设计要求，无线网络14可以定义冗余路径和调度表以便响应于检测到一个或更多直接无线连接65的故障，网络14可以经由备用路由对数据进行路由。而且，可以在不会关断或重启无线网络14的情况下添加和删除这些路径。因为在许多工业环境中的这些障碍或干扰源中的一些可以是暂时的或可移动的，因此，无线网络14可能够自动重新组织自己。更为具体地，响应于一个或更多预定的条件，网络设备对(例如，32和34、60和36，等等)可以将彼此识别为邻居，从而生成新的直接无线连接65或者相反地，解除现有的无线连接65。另外，网络管理器27可以生成、删去或暂时中止非邻居设备之间的路径。

不管特定的网络配置是永久性还是暂时性的，无线网络14一般要求快速且可靠的在节点间路由数据的方法。在一个可用的实施例中，网络管理器27可以分析关于网络的布局、每个网络设备32-50的发送能力和更新速率的信息，以及其它相关信息。然后，网络管理器27可以鉴于这些因素定义路由和调度表。在定义路由和调度表时，网络管理器27可以将无线网络140识别为符合若干与本公开内容的路由和调度技术相兼容的网络拓扑之一。

图7-9示意性地示出这些网络拓扑中的一些网络拓扑。为了清楚性起见，图7-9中的每一个示出设备对之间的双向连接。然而，将会理解的是，图7-9中示出的拓扑中的每一个拓扑也与单向连接或双向和单向混合连接(即包括双向和单向连接)相兼容。而且，图7-9中示出的每个连接可以在一个或两个方向上支持若干单向连接，例如，每个单向连接与特定的发送时刻相关联。具体参见图7，网络350可以具有星型网络拓扑。星型网络350包括路由设备352和一个或更多终端设备254。路由设备352可以是被设置成对数据进行路由的网络设备，而终端设备254可以是被设置成仅仅为它自己发送数据以及仅仅接收(或解码)寻址到终端设备254的数据的网络设备。当然，路由设备352也可以是数据的接收方或发起方，并且除其它任务之外，还可以执行路由功能。如在图7中示出的，终端设备254可以具有到路由设备352的直接连接265，但是终端设备254不能采用星型拓扑直接连接。直接连接265可以是直接无线连接65或有线连接。

终端设备254可以是与路由设备352类型相同的物理设备，并且在物理上可能能够路由数据。在安装终端设备254期间或者在相应的网络(例如无线HART网络14)运行期间，终端设备254的路由能力可以被禁用。而且，终端设备254的路由能力可以被终端设备254自己禁用或者被诸如网络管理器27之类的专用服务禁用。在某种意义上，星型网络350对应于最简单的可用拓扑。它可能适合要求低功耗和低等待时间的小型应用。另外，将注意到的是，星型网络350是确定性的，因此在路由设备352和特定的终端设备254之间仅仅有一个可用的路由。

现在参见图8，网络270被设置成网状网络拓扑。网状网络270的每个网络设备都是路由设备352。网状网络提供一种在各种设备之间具有多条路径的健壮性网络。在无线应用中，网状网络最好能适应于变化的无线电环境。例如，网络270的设备274可以经由中间跳278或中间跳380发送数据给设备276，只要相应的路径382-388允许在该方向上进行发送。如图8中示出的，路径382和路径384使得路由设备274能够发送数据到路由设备276，向网络270提供冗余和由此产生的提高的可靠性。

在图9中示出了另一种类型的网络拓扑。网络390结合了星型拓扑和网状拓扑的元素。具体来说，星型网状网络390包括若干路由设备352(标记为“R”)以及终端设备254(标记为“E”)。路由设备352可以采用网状形式进行连接并且可以支持冗余路径。特定拓扑的选择可以由诸如网络管理器27之类的网络部件自动执行，或者由配置该网络的用户来执行。具体来说，用户可以选择忽略由网络管理器27选择的拓扑或与无线HART协议70相关联的缺省拓扑。假设在大多数应用中，网状近拓扑因为该拓扑内在的可靠性、有效性以及冗余性可以是缺省拓扑。显然，因为无线HART设备可以充当路由器设备，所以若干不同的配置可以与现场设备和路由器的同一物理配置相兼容。

源路由和图路由可以适用于参照图7-9所讨论的拓扑。虽然在不同的情况下两种类型的路由可以是同等有用的，但是将首先讨论图路由。一般而言，在数学理论和应用中，图是一组向量(诸如352和254之类的节点)和边(直接连接65和265)。例如，无线HART协议70或为无线网络14或140提供服务的另一协议可以使用图来配置将诸如设备30之类的通信端点的连接到图1中示出的网关22的路径。在一些实施例中，图和相关联的路径由网络管理器27来配置。网络管理器27还可以用局部图和路径信息来配置诸如现场设备30-40、路由器60等等之类的独立的网络设备，这些局部图和路径信息可以存储在连接表69中。无线网络14可以包含多个图，这些图中的一些图可以重叠。进一步，某一网络设备可以在多个图中具有经过该设备的路径，这些路径中的一些路径可将数据引导到该设备的同一个邻居。优选地，网络中的每个图与唯一的图标识符相关联。

为无线网络14和140提供服务的协议(例如无线HART协议70)可以被配置为与许多不同的拓扑一起运行以支持各种应用要求。结果，无线网络14或140可以并发地支持诸如单向图路由和源路由之类的若干种路由方法。虽然无线网络的现有实例支持这两种方法，将会理解的是，无线网络14或140可以另外支持双向图路由或可以仅仅使用这些技术中的一种来路由数据。然而，不管并发路由技术的类型和数目如何，无线网络14或140上的每个设备可以被指派唯一的网络地址。一旦数据的每个可能的接收机获知关于其它网络元件的某种形式的明确标识，可以由诸如现场设备30-40之类的独立设备、由网络管理器27之类的集中式专用服务或由该集中式服务与独立设备协作做出与路由相关的决策。如以上所指示的，无线网络14的至少一个可能实现可以依赖于网络管理器27来实现大多数或所有路由决策，并且将相关的数据传达到网络设备30-50以存储在连接表69中。进一步，可以在发起点(即在数据包的源)或在中央位置做出路由决策。而且，可以在包从源点到目的地的路径中的每个中间停留或“跳”处调整路由决策。著名的优化技术，例如Dijkstra的用于寻找到特定节点的最低成本路径的经典算法，可用于优化图。

在以下讨论的实例中，无线网络提供至少两种进行路由的方法，可以根据给定系统的具体要求和状况，例如组成该系统的网络元件的物理布局、元件的数目、待发送到每个元件的或从每个元件发送的数据的期望数量等等之类，来选择。而且，这两种方法可以同时被该无线网络使用，并且每种方法可以，鉴于这两种方法中的每一种方法的性能的某些方面，被有选择性地应用于特定类型的数据或应用于特定的主机或主机组。例如，在传递中，过程变量的测量或打开阀门的命令可以容许相对小的延迟，并且无线网络14可以相应地应用这两种方法中更快更可靠的方法。同时，设备配置命令或响应可以容许较长的延迟并且可以适合于其它方法。

如以上简单指示的，对于某些分布式控制网络，特别是对于连接过程控制行业中的设备的网络，出于管理、诊断、日志收集以及其它目的将数据引导至某种设备是常见的。图10-12示出无线网络300的几种透视图，无线网络300在两个大体方向上实现数据传输：朝向网关202(这里被称为“上游”方向)以及离开网关202(这里被称为“下游”方向)。出于安全性原因，网络300并不允许对等现场设备之间的直接数据传输，虽然如果想要这样的话，这里所描述的技术可以用于这种情况。

图10示出在网络300中的上游路由。具体来说，网络管理器302A(或备用网络管理器302B)可以定义若干有向图，每个图包括作为终端节点的网络接入点305A或第二网络接入点305B。换句话说，在示例性网络300中的每个图的路径通往并终止在两个网络接入点305A或305B之一。具体来说，图310(用粗体实箭头表示)可以包括网络设备312、314、316、318以及网关305A，其中与图310相关联的那些路径可以包括直接无线连接320、322、324、326和328。图340(用粗体虚箭头表示)可以包括网络设备312、316、318、342以及网关305A，以及包括直接无线连接344、346、348、350以及352的路径。在有向图310中，网络设备312可以被称为有向图310的头而网络接入点305A可以被称为有向图310的尾。类似地，网络设备312是有向图340的头而网络接入点350是有向图340的尾。网络管理器302A，或者在一定运行条件下备用网络管理器302B，可以定义图310和340，并且可以将这些图310和340的完整或局部定义传达给网络设备312-318和342。如以上参照图1所讨论的，网络设备312-318和342可以维护存储这些局部路径定义的连接表69的最新版本。在一些实施例中，如果相应的通信路径在网络接入点305A-B之一处终止，则网络接入点305A-B可以不要求关于图310和340的信息。然而，将会理解的是，网络接入点305A-B也可以发起数据，并且可以存储与具有在网络接入点305A-B外发起的路径的一个或更多图有关的信息。将会进一步注意到的是，通常某一图的路径可以穿过作为中间节点的网络接入点305A或305B。然而，示例性网络300定义总是要么从网络接入点305A或305B发起要么在网关设备305A或305B终止的路径。

为了沿某一图发送数据包，源网络设备可以将该图的标识符包括在数据包中的包头或包尾中。该数据包可以穿过与该图标识符对应的那些路径，直到要么达到它的目的地，要么被丢弃。例如，为了能够在图310中路由包，属于图310的每个网络设备的连接表69可包含条目，这些条目包括该图标识符和邻居网络设备的地址，该邻居网络设备(1)属于相同的图，而且(2)离目的地更近一跳。例如网络设备316可以存储下列连接表：

图标识符	节点
		图_310	318
图_340	318
		图_340	342

而网络设备342可以在该连接表中存储下列信息：

图标识符	节点
		图_340	302

尽管以上示例性连接表只是列出与特定条目相关的设备，将会注意到的是，该连接表的节点列可以存储如网络300或无线HART网络14的寻址方案所定义的邻居设备的地址。

在另一实施例中，节点列可以存储邻居设备的别名、指向存储这些邻居的完整地址或短地址的数组的索引或任何其它明确标识网络设备的手段。可替代地，该连接表可以存储如以下示出的图标识符/无线连接元组。

图标识符	连接
		图_310	326
图_340	346
		图_340	348

换句话说，该连接表可以列出一个或更多与特定图对应的直接无线连接65。例如，网络设备316可以询问该连接表并且经由直接无线连接346或348发送携带图标识符340的包。

如图在10中和以上表中所示出的，可以通过将超过一个的邻居与同一图标识符相关联来建立冗余路径。因此，到达网络设备316并且将图标识符340包含在包头和包尾中的数据包可以被路由到网络设备318或路由到网络设备342。在执行路由操作的同时，网络设备316可以凭借图标识符340在该连接表中执行查找，并且发送包到网络设备318或342中的任一个(或两者)。而且，两个或更多可能的跳之间的路由选择可以是随机的或者根据预定义的算法来实施。例如，可以考虑负载均衡目的或者鉴于传递统计进行该选择。因此，网络设备316可以通过对等网络设备或从网络管理器27获知，在沿图340路由包时，选择网络设备318作为下一跳具有较低的成功传递该包的概率或者在传递中具有较长的预期或平均延迟。然后，网络设备316可以尝试将更多或可能所有与图340相关联的包路由到网络设备342。

在一个实施例中，邻居设备通过发送确认包对接收到数据包进行确认。在以上实例中，一旦邻居网络设备318或342对接收到该包进行确认，则网络设备316可以马上释放它。另一方面，如果没有在预定义的时段内接收到该确认，则网络设备316可以尝试重新发送该或经由备用跳或路径来路由该包。另外，网络设备316可以收集成功传递尝试和失败传递尝试的统计值。接下来的路由决策，例如，在跳318和342之间进行选择，可以包括被调整的统计数据或基于被调整的统计数据。当然，网络设备316可以将涉及网络设备318和342的统计值应用到其它相关图，并且也可以直接或经由网络管理器27将这些统计值传达给其它网络设备。

如以上所讨论的，在图路由方法中，网络设备沿一组去目的地的路径发送在网络包头中具有图标识符的包。重要的是，只有图标识符就足以对包进行路由，并且尽管其它路由信息也可以包括在该包头中，但仅基于该图标识符就可以正确地传递每个包。在去目的地的路上(即在该路径上)，所有网络设备可以被预先配置以图信息，该图信息指定这些包可以被转发到的邻居。因为图路由要求为每个可能的目的地预先配置中间网络设备，因此图路由可以更好地适用于从网络设备到网关的通信以及从网关到网络设备的通信。

现在参见图11，网络管理器302A或302B也可以支持关于网关305A-B中的一个或两者的下游路由。具体来说，图380(用粗体实箭头表示)可以包括节点315、314和312，以及直接无线连接382-386。网络接入点305A是图380的头，并且无线设备312是图380的尾。同时，图390(用粗体虚箭头表示)可以类似地将网络接入点305A连接到无线设备312，并且网络接入点305A作为图390的头。然而，图390可以包括节点305A、318、342、316和312，以及直接连接392-298。因此，为了发送数据包到无线设备312，网络接入点305A可以将对应于图380或390的图标识符包括在该数据包的包头或包尾中。将会理解的是，图380或390中的每一个也可以包括双重连接路径以确保可靠性，并且一般而言，网络管理器302A或302B可以使用类似于以上参照图10所讨论的技术。同样，将会注意到的是，无线设备312-318以及342中的每一个无线设备的连接表69可以包括与用于路由目的的下游图和上游图相关的图路由信息。

另外，如在图12中示出的，无线网络300可以使用源路由。在源路由中，没有必要对中继设备进行预先配置。为了使用源路由发送该包到它的目的地，该源网络设备可以在数据包的包头中包括例如设备的有序列表，该数据包必须通过有序列表上的设备进行传播。设备的有序列表可以有效地定义该数据包的通信路径。当该包穿过该指定的路径时，每个路由设备可以从该包提取出下一个节点地址以确定该数据包接下来应该传播到哪里，即在下一跳中下一个数据包应该被发送到哪里。因此，源路由要求提前知道该网络14的拓扑。然而，如果某一网络设备在该路由列表上没有发现它自己，则该网络设备可以将该包发送回源路由列表中指定的第一设备。源路由允许包在中间设备没有明确或以预定配置的方式被建立的情况下去往任意目的地。

例如，网络设备312可以通过在包头或包尾中指定该完整路径来发送包到网络接入点305A。如在图9中示出的，网络设备312可以产生包含网络设备314、315和305A的地址的列表310并且将该列表310连同该包发送到该列表上的第一跳或设备，即网络设备314。网络设备314接着可以遍历列表310、定位网络设备314的标识、从列表310中提取该字段、将网络设备315标识为接收包的下一跳并且最后发送该数据包到网络设备315。源路由列表可以驻留在网络包头的可选区域中，并且可以具有依赖于到目的地的跳数的可变大小。类似地，网络设备315可以遍历表310，定位它自己的地址和标识，并且发送该数据包到列表310中的下一跳或设备(在这种情况下，为网络接入点305A)。

一般而言，仅仅那些已从网络管理器27或302A-B获得的完整网络信息的网络设备使用源路由，因为仅仅网络管理器27或302A-B知道该网络的完全拓扑。源路由的另外的限制在于它不在中间网络设备中提供冗余，因为每个包以明确指定每个中间跳的包头或包尾被发起并且不提供任何路由备选项。因此，如果由包头或包尾指定的中间网络设备之一未能中继包，则该包的传递失败。因此，由网络管理器27或302A-B负责检测该故障并且用备用路由重新编程或重新配置该源。为了方便检测这些错误情况，无线网络设备14、140或300可以要求网络设备发送路由故障通知到网络管理器27或302A-B。相应地，诸如无线HART协议70之类的协议可以在该协议定义中提供消息类型或信息元素以报告这种或其它类型的传递故障。在另一实施例中，路由列表310(参见图9)可以指定备用路由，作为对由发送方选择的路由的补充。在又一实施例中，主路由以及一个或更多备用路由可以局部合并以避免在包头和包尾中重复该路径的公共部分。

总体参见图1、3以及10-12，网络管理器27或302A-B可以维护该网络中所有设备的列表。网络管理器27或302A-B也可以包含整个网络拓扑，整个网络拓扑包括该网络的完整图以及该图的已经被传达到每个设备的最新部分。网络管理器27或302A-B可以使用网络管理器从网络设备30-40、50、60、55等等接收的信息来产生路由和连接信息。网络管理器27或302A-B可以接着根据网络设备和由每个网络设备报告的邻居的列表来建立该网络的图。再参见图1，例如，网络设备50B可以报告“看到”邻居设备60和34。网络管理器也可以负责产生和维护该网络的所有路由信息。在一个实施例中，总是有一个完整网络路由和若干特定目的的路由，其用于从网关302A或302B发送设定点和其它设定到最终控制指挥部(图7-9)。此外，广播路由(其流过该网络中的大多数或所有设备)可以用于从网络管理器27、114或302A-B发送广播消息到网络14或300的所有设备。更进一步，一旦知道了路由信息和突发模式更新速率，网络管理器27、114或302A-B还在可以实施对网络资源的调度。

当设备最初被添加到网络14、140或300时，相应的网络管理器可以存储从每个网络设备报告的所有邻居条目。网络管理器27、114或302A-B可以使用该信息建立最初的完整网络图并且在运行期间修改这些图。该网络图被合并起来，优化了若干属性，这些属性包括：如由以上讨论的统计值采集反映的跳计数、报告速率、功率使用、以及总的业务流。该拓扑的一个关键方面是将设备连接在一起的连接列表。因为独立连接的存在和健康可以随时间而变化，所以网络管理器27、114或302A-B可以被另外编程或配置以更新总的拓扑，这可以包括在每个网络设备中添加和删除信息。在一些实施例中，仅仅网络管理器27、114或302A-B以及网关22或302A-B可以知道足够的信息来使用源路由。更为具体地，可能期望出于安全目的而阻止任何两个任意设备之间的对等通信。此外，尽管这里已经描述了发生在现场设备和网关设备之间的图路由和源路由，但是这些类型的路由均可用在网络中任何两个设备之间，包括例如网络中任意两个现场设备或网络设备之间，任意两个网关设备之间等。

简而言之，图路由可以针对网络管理器27或网关22向上游和下游引导业务，并且图路由和源路由都可以被优化以满足等待时间要求低的应用，其包括从网络设备传输到该网关的测量信息以及从网关设备传输到诸如调节阀、开关阀、泵、风机、档板以及采用许多其它方式使用的马达之类的最终控制指挥部的控制信息。

在一些实施例中，路径冗余可能是网络管理器27、114或302A-B的策略问题，而非图的巧合重叠。换句话说，网络27、114或302A-B可以尝试为每个设备定义至少两个邻居。因此，网络管理器27、114或302A-B可以被配置为主动追求网状拓扑或星型网状拓扑。因此，诸如无线HART协议70之类的支持协议可以提供很高的端到端的数据可靠性。从物理角度来看，每个现场设备或其它网络设备应该在可以从该现场设备接收消息并转发这些消息的至少两个其它设备的通信范围内。

网络管理器27、114或302A-B可以另外验证每个图定义，以便确保还没有形成回路。在网络管理器27、114或302A-B主动追求路径冗余并定义许多各种大小的图的实施例中，通信路径有时可能被错误地定义为将数据包从源引导回到同一个源。根据这样的错误图定义，可能将包从该源直接路由回到该源或者可以在回到该源之间访问一个或更多中间跳。每当例如由于添加或去除设备而使相关网络的拓扑变化时，或每当网络管理器27出于任何原因调整路由图和调度表时，可以执行回路验证。可替代地，网络管理器27可以周期性地执行回路检查作为后台任务。

结合路由和调度决策

在诸如无线网络14或300的无线网络中，同一图路由可以与若干调度表一起使用。具体来说，可以沿相同的路由发送包，同时更新该网络调度表变化和从某一节点发送该包或将该包发送到某一节点的时刻。在这种意义上，路由和调度可以在概念上和功能上是分离的以方便网络管理。然而，另一方面，网络管理器27可以实质上并行地执行路由和调度以实现健壮性并提高无线网络14或300的性能和可靠性。更为具体地，网络管理器27可以鉴于相关的路由约束进行至少某些调度决策，并且相反地，鉴于调度约束进行路由决策。在某些特别有用的实施例中，网络管理器27可以首先分析网络14或300的拓扑，构建网络图67，而后继续鉴于网络图67和诸如发送速率、功率容量等等之类的特定设备参数来建立网络调度表69。

当鉴于网络拓扑进行调度决策时，网络管理器27可以在概念上将特定超帧中的时隙与特定的有向图的边(其为这里所讨论的实例中的直接连接65)相结合以定义方便的组合空间和时间单元，即链路。具体来说，链路可以与两个通信端点之间的直接连接65以及这两个通信端点交换数据的时间相关联。

进一步，网络管理器27可以将隙与对应于分配和使用隙的不同原则的若干类型相关联。具体来说，特定的网络设备对32-50可以共享专用单播链路，以便该网络设备对中的一个网络设备用指定的时隙将信息发送给该网络设备对中的另一个网络设备。当然，如以上关于图3所讨论的，在一时隙期间发送某种信息的网络设备还可以从接收该信息的设备接收相应的确认，并且在这种意义上，该网络设备对中的每一个网络设备在单个时隙过程中充当发射机和接收机。然而，为了简单起见，在时隙中发送信息块的设备在这里被称为“讲话者”，并且接收该信息块的设备相应地被称为“侦听者”。

与专用链路相反，共享链路可以有超过一个的讲话者，但是仅仅有一个侦听者。在某种意义上，共享链路仍然是单播链路，因为该链路具仅仅有一个侦听者。另一方面，广播和组播链路可以具有一个讲话者和许多侦听者。进一步，专用链路具有一个讲话者和受限的一组侦听者。

根据另一方面，特定网络设备可以将专用的、共享的、有向的或广播的链路视为发送链路或接收链路。再参见图10，例如，无线设备312和314可以共享与某一特定时隙以及直接无线连接330相关联的专用链路，以便无线设备312经由该链路发送数据并且无线设备314经由该链路接收数据。相应地，无线设备312可以把该链路视为发送链路，而无线设备314可以将同一链路视为接收链路。因此，将链路分成发送和接收链路是设备角度的问题。还将会注意到的是，如果在与该链路相关联的图边缘的任一末端处的设备在相应时隙期间的某个时点上发送信息，某些链路可以被定义或用作发送/接收链路。

如以上所指示的，每个链路可以与某个时隙相关联，不管链路的类型如何。在无线网络14或300的运行中，网络管理器27或302A-B可以将链路指派给网络设备30-50、312、314、316、318等等。依赖于链路类型，与该链路相关联的网络设备可以发送包、接收包或保持空闲。如果该包的目的地与在该链路的另一末端上的一个或更多邻居相匹配，则与发送链路或发送/接收链路一起运行的网络设备可以在该链路的合适的段内发送包。另一方面，具有接收链路或其上没有包被发送的发送/接收链路的网络设备在与该链路相关联的时隙内侦听一个或更多进入的包。在那些也使用共享链路的实施例中，优选地，设备在该设备开始经由共享链路进行发送之前执行空闲信道评估(CCA)或者另一防止资源竞争的方法。在至少某些实施例中，所有参与专用或共享链路的设备在与这些专用或共享链路相关联的时隙期间必须醒来并且进行侦听。

如以上参照图3所说明的，在单个时隙的过程中，一个网络设备可以发送数据包并且另一设备可以用确认进行回复。类似地，经由链路的通信会话可以包括数据包的发送和对确认的发送，该确认可以是肯定(“ACK”)或否定(“NACK”)。一般而言，如果该接收机不是该包的最后目的地，则肯定确认可以指示接收机已经成功接收到该数据包，并且已经承担该数据包的所有权以进一步进行路由。同时，否定确认可以指示该接收机这时不能接收该数据包但已经检测到该包没有错误。进一步，ACK和NACK都可以携带定时信息以便相应的设备可以正确地保持网络同步。在一些实施例中，发送给单播网络设备地址的包可以要求在同一时隙内的链路层确认，而发送给广播网络设备地址(例如，0xFFFF)的包可以不要求确认。

例如，当网络管理器27定义网络设备30-50之间的直接连接65时，这些网络设备接收链路指派。这些设备可以相应地定义并维护相应的设备调度表67(参见图1和4)。链路指派可以部分指定该网络设备应该如何使用超帧中的某一时隙。因此，每个链路可以精确地包括一个时隙、类型指派(即发送和/或接收)、邻居信息或标识与该链路相关的双向图或单向图的边的其它数据以及其另外的发送和/或接收属性。

在某些实施例中，每个网络设备30-50的设备调度表67可以维护另外的标志或指示符以正确地维护各种类型的链路。例如，设备调度表67可以为每个共享链路设置共享标志以便相应的网络设备30-50可以正确地接入该链路以进行发送。进一步，关于共享链路，网络14或300可以使用众所周知的时隙式Aloha(阿罗哈)竞争管理算法以定义共享链路的生命周期。相应地，网络设备30-50、305A-B、312、314、316、318等等可以使用在冲突情况下具有后退(backoff)(延迟)的冲突避免方案。在一些实施例中，该延迟可以被实现为与单个时隙的持续时间不相关的时间测量。在其它特别有用的实施例中，该后退可以用以整数个时隙测得的延迟来实现。具体来说，已经遇到冲突的设备可以后退从下一个调度的时隙之初开始的单个时隙、两个时隙等等的持续时间。通过将后退间隔与时隙进行同步，设备可以优化重试机制并且确保重试尝试仅在有发送的可能性时才发生。当设备的带宽要求低和/或业务不定期或以突发方式发生时，使用共享链路可能是想要的。在某些情况下，使用共享链路可以减少等待时间，因为该网络设备不需要等待专用链路，虽然这通常仅在冲突的机率相对低时才是真的。

形成有效的调度和路由方案

除了通过分析网络拓扑来优化路由之外，网络管理器27可定义图，并在调度期间鉴于特定网络设备可发送的数据的类型和各个类型的数据在各个特定设备处的期望发送频率来分配资源。更为具体地，无线HART协议70可支持若干种网络通信业务。现有的HART协议72和无线HART协议70都支持交换请求/响应数据、过程数据的公布、发送广播消息以及大数据文件的块数据传输。无线HART协议70还可支持使用同一协议和同一资源池进行诸如网络配置数据之类的管理数据的传送和诸如由现场设备报告的周期性测量值之类的设备通信，从而使调度和路由具有更高的效率。

网络管理器可根据网络设备在每单位时间内可公布的数据量来为每个网络设备分配通信资源。例如，无线HART网络14中的无线HART流量计30可具有四秒钟的更新速率，而无线HART压力传感器32可具有十秒钟的更新速率。操作员可根据其中实现了无线HART网络14的过程控制系统的具体需要来用这些值配置网络设备30和32。如以上所指示的，多个超帧可用于为各种网络设备或网络设备组定义不同的通信调度表。最初，网络管理器27可为所有的网络管理器请求保留一特定的超帧。在接受诸如流量计30和压力传感器32之类的网络设备后，网络管理器27即可分配用于四秒钟和十秒钟的通信速率的附加超帧，并将该附加超帧指派给网络设备30和32。网络管理器27还可在将网络设备30和32添加到无线HART网络14之前或之后，分别定义用于警报和网络事件的超帧。网络设备30和32可以，但并不被要求，同时参与一个或多个超帧。通过将特定的网络设备配置为参与多个不同大小的重叠超帧，可建立可在无调度冲突的情况下并发工作的多个通信调度表和连通性矩阵。此外，因为一些诸如资产管理和特定设备应用之类的关键应用经常要求在短的持续时间内要具有相当大的带宽，所以网络管理器27也可以按照需要生成附加的暂时超帧。例如，用户可以发出观看或改变设备的配置或生成诊断屏幕的请求。网络管理器27可通过定义可在几分钟内(这仅仅是示例)保持有效的具有附加时隙的附加超帧，来支持该对通信隙的需求的暂时性增加。

网络管理器27在创建有向图时，可同时考虑网络设备的更新速率和无线HART网络27的拓扑。然而，网络管理器27还可以以独立于调度的方式作出图路由决策。例如，网络管理器可添加、删除或更新图，同时使网络调度表保持原样。更具体地说，网络调度表可具有在所定义的超帧中可用的时隙，网络管理器27可在定义新图或更新现有的图时将所定义的超帧当作资源来使用。从这个意义上说，无线HART协议70允许独立于调度决策而进行图配置决策。无线HART协议70的该特征可使无线HART网络14更快地对环境和网络设备的运行状态的变化做出响应，因为无线HART协议70可通过仅改变现有配置中的一部分来快速且以非侵入的方式调节路由。

将被认识到的是，以上论述的某些方法没有必要局限于数据包，并且可应用于其它通信技术。例如，网络可使用电路交换方法，并且，作为对以有限大小的包进行传播的替代，数据可通过通信终端之间的专用信道作为流被传送。

作为简化示例，图13-20以及附图说明示出高效路由方案和相对应的将以上论述的概念应用于四节点网状网络的通信调度表的形成。具体来说，图13示意性地示出网络400、形成在网络400的节点A、B、C和D(或网络设备402-408)之间的若干个直接无线连接以及鉴于诸如网络拓扑、信号强度和/或质量、等待时间需求等的因素可形成在网络400中的若干个有向图的边缘410-420。为进一步简化该示例，仅参照图13-20论述向上游的(即设备到网关的)数据传播。为了清楚起见，下面将网络节点称作节点A-D，而将与这些节点相对应的设备称作网关设备402或现场设备404-408。如图13中进一步示出的，节点A-D可存储、维护和更新特定设备连接表422-428。接下来，图14-16示出支持节点A-D之间的数据交换的若干个超帧的形成。最后，图17-20示出可与图13的节点A-D相对应的示例特定设备通信调度表432-438。

具体参见图13，无线网络400可包括网关设备402，其作为节点A在网络400中运行，并将无线网络400连接到外部网络(未示出)或单机外部设备(未示出)。由于典型的业务需求，该网关设备可以是带电设备，即通过电缆或电线连接到基本无限制的电源。另一方面，节点B-D可以是电池驱动的现场设备。当然，在其它实施例中，节点B-D中的某些或所有节点也可连接到电线或其它能源。还如在图13中示出的，现场设备404-408中的每一个都可具有特定的更新速率，该设备以该特定的更新速率向诸如网关设备402之类的另一节点发送数据。例如，现场设备404和406可每秒钟产生一次外发的数据，现场设备408可每四秒产生一次外发的数据。

通常，节点B-D也可对应于任何类型的用于通信或配备以通信能力的设备。期望的是，例如节点B-D可以是在家庭网络中运行的个人计算机。然而，由于其中的路由和调度技术在过程控制和传感器网状网络中特别有用，因此在该特定示例中，节点B-D是在过程控制环境下运行且执行各种感应和测量功能(例如温度、压力、流量、酸度、阀致动器位置等)或控制功能(启动、定位等)的现场设备。现场设备404-408可通过支持以上参照图3-12论述的路由和调度技术的任何协议交换测量和控制数据。在一个实施例中，支持这些功能的协议可以是图12中示出的无线HART协议70。

网络管理器440可以是在节点A内运行的软件模块。类似于图1中示出的网络管理器27或图10-12中示出的网络管理器302A-302B，网络管理器440可以负责在网络440中作出路由和调度决策。具体来说，网络管理器440可最初从节点B-D中的每一个采集设备和信令信息以及与其自身的主机节点A相关的信息，并鉴于这些因素为网络400定义初始网络图。更具体地说，节点A-D中的每一个可向其潜在的每个邻居报告具体说明信号能量的接收信号强度指示(RSSI)值。可替代地，节点A-D可报告测得的信号质量或任何其它可用于评定信号质量的测量值。另外，节点A-D中的每一个都可向网络400报告诸如供电能力(例如，电池供电的、电线供电的等)之类的参数、预计或实际传送需求(例如，每秒钟、每四秒钟测量值更新等；被调度的不定期的自动更新；仅响应于请求而更新；等等)以及与网络400中的现场设备的运行相关的其它信息。

在从节点A-D采集到设备信息后，网络管理器440即可通过选择邻居设备对之间的直接无线连接建立网络400的拓扑，以定义节点A-D对之间的一个或多个有向图。在图13中示出的特定示例中，每个有向图都将节点A作为头或尾。网络管理器440由此可使能网络中相对于网关设备42向上游和向下游的数据流。

当定义直接无线连接时，网络设备402-404，或者如果需要的话，网络管理器440可将由节点A-D中的一个发送的或由节点A-D中的另一个测量的无线信号的强度或质量，与一阈值进行比较，以决定该信号是否足以支持直接无线连接。在至少某些实施例中，网络设备402-404中的每一个自动确定该网络设备可与其余网络设备402-402中的哪一个建立直接连接，从而将对应的设备作为它的邻居。为了这个目的，网络设备402-404中的每一个都可执行同一个用于采集和分析信号测量值的例程。参见图13，例如，网络设备408可确定由网关设备402的收发器发出的信号不能在这些设备之间提供足够强的直接无线连接，换句话说，不能在节点A与D之间提供足够强的直接无线连接。另一方面，由于设备404离设备402更近、设备402和404之间有较少的障碍物或其它因素，因此在节点B处的网络设备404可测量来自节点A的同一信号，以获取更好(例如更大强度或更高质量)的测量值。网络设备404可相应地确定节点A与B之间存在潜在的直接无线连接。优选地，但非必需地，网络设备402作出类似的确定，并且也决定节点A与B之间存在潜在的直接无线连接。

接下来，网络设备402-408中的每一个可向网络管理器440报告所采集的测量值和潜在的直接连接。可替代地，网络400可迭代地形成，使得节点A最初形成完整且可操作的单节点网络，节点B和C而后加入网络400以形成完整且可操作的三节点网络，节点D最后加入网络400作为节点B和C的邻居以形成完整且可操作的四节点网络。在某些情况下，并且具体地说，在具有大量网络设备的大型网络中，特定节点可建立与很多个潜在的邻居的直接连接。根据某些实施例，网络管理器400可例如基于这些直接连接的相对质量，引导网络设备禁用这些多余直接连接中的某些。

在图13中示出的已形成的网络400中，节点B和C中的每一个都可具有到节点A的直接无线连接(分别支持有向连接410和412)。换句话说，现场设备404和406中的每一个都可距离网关设备402一跳远。此外，节点B和C还可共享直接无线连接以支持有向B到C连接414和有向C到B连接416。同时，节点D可仅通过节点B、仅通过节点C或通过节点B和C连接到节点A。因此，节点D可距离节点A两跳(D到B到A)或三跳(D到B到C到A)远。

为了实现有向连接410-420的定义和进一步的网络400的有向路由图的定义，网络管理器440除了考虑邻居网络设备之间的可用直接无线连接组之外，还可考虑若干个因素。具体来说，网络管理器440可尝试使用可能的最小跳数定义始于节点B-D结束于节点A的有向图。结果，从节点B到节点A的有向图包括单个有向连接410。类似地，从节点C到节点A的有向图包括单个有向连接412。从节点D到节点A的有向图需要至少单个中间节点B或C，但是也可包括两个中间节点。应用上述的跳数最小原则，网络管理器440可定义例如包括连接418和410的序列的将D连接到A的有向图。将注意到的是，将A连接到D的有向图不需要包括同一中间跳B(如以上参照图10-12更详细地论述的)。

进一步，网络管理器440可能优选将带电设备作为中间节点。如果，例如节点B是电池供电的，而节点C具有无限制电源，则网络管理器440在其它因素都相同的情况下，将图定义为从节点D经由节点C到节点A。然而，在图13中示出的示例中，仅节点A连接到无限制电源。

在某些实施例中，网络管理器440也可对由这些网络设备报告的可用直接连接的相对信号强度进行比较，以在相似的路径之间进行选择。假设例如节点D报告来自节点B的信号比来自节点C的信号强，那么网络管理器440可优选将从节点D到节点A的包括节点B作为中间跳的有向路径。

继续参见图13，网络400由此可包括以下用于向上游的(即设备到网关的)数据传播的有向图定义：

标识符	源	目的地	定义
				G₁	B	A	B-＞A
G₂	C	A	C-＞A
				G₃	D	A	D-＞B-＞A
G₄	D	A	D-＞C-＞A

根据以上论述的原则，特定设备连接表422-428中的每一个可存储这些图定义的对应部分。

网络管理器440可应用另外的原则来为网络400定义高效的有向路由图。在某些实施例中，网络管理器440可将图中的跳数限制为三或更少。当然，也可采用其他限制。在某些实施例中，网络管理器400还可强制对网络设备的邻居数进行限制。如果例如网络设备能够检测有十个邻居设备发送的信号，则网络管理器440可削减该数目以允许该网络设备仅建立与三个或四个网络设备的直接连接，这三个或四个网络设备是基于信号强度或某种其他原则而选出的。

在定义了节点A-D中的某些节点之间的有向图后，网络管理器440可继续基于以上作出的图决策定义网络调度表。在该示例中，网络管理器440可强制执行以下附加限制和/或原则：1)将并发有效通信信道数限制为16；2)不允许网络设备402-408中的任一个在同一时隙内侦听两次；3)允许多于一个设备向同一目标设备进行发送(例如允许广播链路和专用链路在同一网络调度表内共存)；4)将多跳路径上的早跳调度到较晚跳之前；以及5)支持符合公式更新速率＝2^x的更新速率，其中x是正整数值或负整数值(即使得能够进行1秒钟、2秒钟、4秒钟、8秒钟、16秒钟、32秒钟等的更新速率选择)。还应当注意到，在参照图13-20论述的示例中，网络管理器440知道“原始”网络拓扑(即来自每个网络设备报告的潜在邻居的信号的所有测量值)，网络设备402-408中的每一个都存储并维护连接表422-428，并且网络管理器440知道网络设备402-408中的每一个的数据更新速率。作为一个附加的需求，网络400可实现一冗余方案，通过该冗余方案，每次传送被配置以在一条路径上的一次重试机会和在另一路径上一次重试机会。当然，其它更新速率、路由约束、冗余方案等也是可行的，并且应当认识到，以上列出的原则仅仅作为示例被提供。

通常，网络管理器440在定义超帧时可使用以下策略：1)根据与超帧相关联的设备的数据更新速率来设置该超帧的长度；2)分配以最快的更新速率开始的时隙；3)从距离网关402最远的非远程设备开始，为到网关402的路径中的每个中间网络设备分配一条链路；4)在主链路上为每次传送调度一次重试机会，在可能的情况下，在冗余链路上调度另一次重试机会；5)将每个网络设备调度为在一时隙内至多接收一次；以及6)在指派时隙时，以更快的更新速率开始。

除了特定设备超帧之外，网络管理器440可定义网络管理超帧以通过网络400传播网络管理，并从网络设备402-408接收服务请求。具体来说，网络管理器440可将网络管理超帧的长度设置得等于最长的设备超帧。在某些实施例中，可能期望进一步强制实施一管理超帧长度下限，例如600个时隙(即在十毫秒的时隙实施例中为一分钟)。进一步，网络管理器440可保留一组用于广告的时隙，使得希望加入网络400的潜在网络设备可在这些广告时隙期间发送加入请求消息。接下来，网络管理器440根据从网关设备400开始的广度优先搜索来遍历该网络图，并将所遇到的每个设备编号为N₀、N₁...N_n。

如图14所示，网络管理器440可为节点B和C的一秒钟更新定义100时隙的超帧450。应当注意到，在该示例性实施例中，网络管理器440为具有相同更新速率的两个节点创建单个超帧。然而，在其它实施例中，每个节点可与独立的超帧相关联。为了提高传送的可靠性，超帧450可在若干个信道上运行(如针对图5所论述的，例如)，在列452中示出为偏移量0-3。同时，列454中的每一个指定100时隙的超帧450内的特定时隙。示出超帧450的表中的每个单元相应地为每个偏移/时隙元组指定一个或多个发话者和一个或多个侦听者。

继续参照图14，网络管理器440可通过从节点B开始来开始为在节点A处结束的有向图指派时隙，因为节点B具有一秒钟的最快更新速率。(当然，在该示例中，节点C具有相同的更新速率，并且也位于距离节点A一跳远的地方。在这种以及类似的情况下，网络管理器440可应用任何期望的平分决胜(tie-braking)技术来在两个或更多等同候选者之间进行选择)。由于节点B具有到节点A的直接连接410作为有向图G₁的一部分，因此网络管理器440可将0偏移量信道上的时隙T0和T1分配给节点B，以将周期性更新数据传送给节点A。具体来说，节点B可使用用于以调度方式传送数据的时隙T0和用于重试的时隙T1。图14示出这些作为专用链路460和462的信道-时隙-有向连接指派。鉴于以上提供的论述，还应当认识到，节点B将专用链路460和462视为专用发送链路，而节点A将这些链路视为专用接收链路。

应当认识到，尽管在该特定示例中，时隙T0和T1与同一信道相关联，但是重试机会也可分配给不同的信道(例如偏移量1)以使信道的利用多样化。可替代地，网络管理器440可指令节点A-B中的每一个根据预定的顺序并针对不直接指定跳频(frequency hopping)的网络调度表执行信道跳频。例如，节点A-B中的每一个可总是在每个超帧周期将信道偏移量移1，从而保证由网络调度表指定的相对顺序保持不变。

接下来，网络管理器440可将1偏移量信道上的时隙TS3和TS4分配给从节点C到节点A的有向连接412。类似于链路460和462，专用链路464和466可以采用冗余的方式对应于同一被调度的更新。另外，作为使信道利用多样化的一部分，在该示例中，链路464和466被分配到与链路460和462不同的信道上。

继续该示例，网络管理器440而后可定义400时隙的超帧470，以用于节点D的四秒钟更新。由于超帧450和470可同时开始，因此0偏移量信道上的时隙TS0和TS1可被认为已占用，因此不可用。另外，由于节点D可将其更新数据沿图G₃通过节点B传输到节点A，因此可不考虑信道偏移量，根本不将时隙T0和T1份额配给有向连接418。通过观测在时隙T0和T1期间，节点B已经参加通信，即在链路460和462上发送数据，该限制很容易就能够被理解。出于这个原因，网络管理器440可分配给有向连接418的最早时隙是TS2和TS3。当然，1偏移量信道在时隙TS2和TS3中已经被通信节点A和C占用，因此有向连接418可保留仍然可用的偏移量为0的信道(图14中的链路472和474)。

作为下一个步骤，网络管理器440可调度与从节点D到节点A的副路径(上面以图G₄示出)相关联的有向连接420。专用链路476可相应地接收对0偏移量信道上的时隙TS4的指派。在同一时隙TS4中，与有向连接410相关联的链路478可保留相邻信道(偏移量1)。应当注意到，节点B可使用链路478来将节点B在时隙TS2或TS3中从节点D接收的数据转发到节点A。换句话说，链路478可与图G₃相关联。应用类似的原则，网络管理器440而后可定义也如图14所示的链路480-484。

现在参见图15，网络管理器440还可根据最长的数据超帧470的长度来定义400时隙的管理超帧500。与超帧450和470不同，管理超帧500可包括若干个为广告而保留的共享链路502-508、若干个为向驻留于节点A处的网络管理器440传播加入请求而保留的专用链路510-516、以及若干个为从驻留于节点A处的网络管理器440向网络400的终端节点B-D传播加入响应而保留的专用链路520-526。

具体参照共享链路502-508，应当注意到，节点A-D中的每一个都期望通过这些共享信道从除了网络400的现有节点之一之外的任何潜在设备接收数据。因此，在至少某些实施例中，链路502-508提供供外部设备提交加入网络400的请求并最终变成新的网络节点的机会。同时，链路510-516为用于从终端节点B-D向节点A输送这些请求的相应路径提供服务。

图16示出网络管理器440可在管理超帧500中保留的其它链路。更具体地说，链路530-536可将命令数据从节点B-D传输至节点A处的网络管理器440。链路540-546可相应地支持节点A在相反(即下游)方向上传输命令响应。

另外，网络管理器440可为超帧450、470和500中的每一个指派唯一超帧标识符。为了简化维护工作、调试和可视化呈现，网络管理器440可将标识符“0”指派给管理超帧，将标识符“1”指派给1秒钟的超帧，将标识符“4”指派给4秒钟的超帧。通过这种方式，帧标识符可方便地向工程师或操作员传递关于帧的至少某些信息。

对于超帧450、470和500，通常来说，应当认识到，网络管理器440在这些超帧内指派时隙的特定方式防止在第一循环之后的帧循环中重叠冲突。具体来说，超帧450在超帧470或超帧500的单个循环期间经历四个帧循环。因此，如果所有的超帧最初都在同时开始，那么超帧450的时隙TS0将与超帧450和500的时隙TS0、TS100、TS200和TS300相符。上述分配时隙的方法通过使参与的网络设备符合提供超帧长度的最佳可分性的2^X的更新速率，可确保诸如400、450和500之类的多个超帧的无冲突重叠。

因此，采用上述方式，网络管理器440可生成若干个有向图G1-G4以有效地路由网络400中的数据，定义若干个数据超帧450和470以用于数据更新，定义至少一个管理超帧500以用于传播广告信息、加入请求和响应、命令和命令响应以及其它类型的网络管理数据，并且随后基于有向图G₁-G₄和调度超帧450、470和500调度专用、共享和可能的其他类型的链路。应当认识到，以上示出的时隙的分配最小化瞬时数据包在通信路径中到达中间节点与启程去往下一节点之间花费的时间量。例如，在时隙TS2离开节点D通过节点B沿节点A方向的包可最早在时隙TS4从节点B向节点A前进。

为了使每个节点A-D能够根据这些定义运行，网络管理器440可接着为每个节点A-D分配图和调度定义。图17-20示出若干个符合图14-16中示出的示例特定设备调度表432-438(见图13)。

参见图17，节点A特定设备调度表432可针对各条目指定帧标识符602、时隙数604、信道偏移量606、对等设备标识符608、链路选项610以及链路类型612。在其它实施例中，该调度表432可包括诸如邻居设备的MAC地址之类的替代或附加信息。在该特定示例中，调度表432的每一行可特别指示设备402在特定时隙中，如果有的话，所执行的行动。为了简化可读性，图17列出调度表432的按时隙的升序排列的条目。然而，节点A-D中的每一个都可采用任何适合的方式，例如数组、链表、二叉树等，来存储相对应的调度表。

例如，按照调度表432的条目620，节点A可知道在时隙TS4，节点A必须将其收发器切换到接收模式，调谐至具有偏移量1的信道，并期望通过正常、专用链路从节点B接收数据。此外，节点A可知道该传送与超帧4(即400隙的超帧)相关联。再如，条目626可对应于时隙8，并且可指定与管理超帧之间的关系。由于节点A被调度为从候选网络设备中接收广告，因此节点A可能不知道数据的发送者(用星号标记)。

应当注意到，示例调度表432仅示出时隙0-21的分配。然而，超帧450可能具有时隙TS0、TS1、...TS99，超帧470和500可具有时隙TS0、TS1、...TS399。尽管图17-20并未示出各未指派的时隙，但是应当认识到，例如，节点A在较短的超帧450的时隙TS22到TS99的持续时间内既不接收也不发送数据。

图18-20示出各个特定设备调度表434、436和438。从这些图中可以看出，调度表432-438中的每一个都仅指定与特定节点A-D相关的调度信息。类似地，连接表422-428中的每一个都可存储相对较少的信息，不过这些信息仍然指定了与相对应的设备相关的所有路由行动。因此，节点B例如不需要知道节点C处的路由或调度信息。该方法可显著降低在网络上传输的管理业务量，因为网络管理器440不需要与每个设备共享所形成的整个拓扑和完整的网络调度表。此外，网络400可变得更加安全，因为节点A-D中没有一个节点可以知道网络400的其余部分向哪里或何时传输信息(可能的例外是节点A，其至少在该示例中作为网络管理器440的主机)。

尽管为了简化起见，已经针对四节点的无线网络详细描述了在这里所述的无线网络中执行的调度和路由的描述，但是这里所述的原则适用于任何大小、具有任何数目的节点、图等的网络。同样，这些图可以是任何期望或需要的大小或长度。

尽管上文对多个不同实施例进行了详细描述，但是应当理解，本专利的范围由在本专利结尾处提出的权利要求的文字来限定。详细描述应当被解释为仅仅是示例性的，而没有描述每一个可能的实施例，因为描述每一个可能的实施例非不可能即不实际。利用当前的技术或在本专利申请日之后开发的技术，可实现多个替代实施例，这些替代实施例仍将落入所述权利要求的范围。

Claims

1.一种在过程控制环境下运行的通信网络中可靠地传输数据的方法，该方法包括：

基于该通信网络的拓扑，生成具有多个节点和一组边缘的第一路由图，包括：

将所述多个节点中的各个节点与参与该通信网络的多个网络设备中的相应一个网络设备进行关联；以及

将该组边缘中的各个边缘与参与该通信网络的所述多个网络设备中的两个网络设备之间的相应连接进行关联；以及

至少基于该第一路由图，定义该通信网络的通信调度表，包括：

根据预定顺序为该第一图的该组边缘中的各个边缘指派通信时隙，所述通信时隙包括在所述通信网络的通信信道上所述多个网络设备的发送和接收时机。

2.如权利要求1所述的方法，其中生成第一路由图包括：生成具有源节点和目的节点的有向图，使得数据使用该有向图沿着从该源节点朝向该目的节点的唯一方向传播。

3.如权利要求2所述的方法，其中根据预定的顺序将通信时隙与该第一图的该组边缘内的各个边缘进行关联包括：以该第一图从该源节点朝向该目的节点传播的顺序分配所述通信时隙。

4.如权利要求2所述的方法，其中生成第一路由图进一步包括：基于一组候选节点中的各个节点处可用的电源类型，从该组候选节点中选择图节点；并且其中该组候选节点中的各个节点能够作为该源节点与该目的节点之间的中间节点。

5.如权利要求2所述的方法，进一步包括：基于该通信网络的拓扑，生成具有多个节点和一组边缘的第二有向路由图；其中该第二有向图的源节点或目的节点中的一个与该第一图的源节点或目的节点中的相应一个相同；并且其中定义该通信网络的通信调度表至少基于该第一图和该第二图。

6.如权利要求1所述的方法，其中该通信网络为无线网络；并且其中将该组边缘中的各个边缘与所述多个网络设备中的两个网络设备之间的相应连接进行关联包括：基于与该连接相关联的信号质量，从一组候选连接中选择连接。

7.如权利要求1所述的方法，其中定义该通信网络的通信调度表进一步包括：

使用预定义的单段持续时间的通信时隙；以及

基于包括在该第一图中的节点中的至少一个节点的发送要求，定义第一超帧；其中该第一超帧包括重复的循环序列，每个循环包括第一数目的被连续调度的通信时隙，这些通信时隙定义该第一超帧的长度；其中为该组边缘中的边缘指派的各个通信时隙与该第一超帧相关联。

8.如权利要求7所述的方法，其中定义该通信网络的通信调度表进一步包括：

定义包括重复循环序列的第二超帧，各个循环包括第二数目的被连续调度的通信时隙，这些通信时隙定义该第二超帧的长度；其中该第二数目不等于该第一数目。

9.如权利要求8所述的方法，其中定义第二超帧基于包括在该第一图中的节点中的至少另一节点的发送要求；其中该方法进一步包括：

基于该通信网络的拓扑生成第二路由图，该第二路由图具有与该第一路由图不同的多个节点；其中定义通信调度表包括：在该第一超帧的长度小于该第二超帧的长度的情况下，在指派与该第二超帧相关联的通信时隙之前，指派与该第一超帧相关联的通信时隙。

10.如权利要求7所述的方法，其中定义该通信网络的通信调度表进一步包括：将该第一超帧与网络管理数据进行关联。

11.如权利要求1所述的方法，其中定义该通信网络的通信调度表包括定义多个超帧，所述多个超帧中的各个超帧包括一定数目的被连续调度的通信时隙的重复循环序列，其中该数目能够用2^x表达，x为整数。

12.如权利要求1所述的方法，其中定义该通信网络的通信调度表进一步包括：为各个边缘指派主通信时隙和副通信时隙；其中与特定边缘相关联的发送网络设备在该主通信时隙期间向与该特定边缘相关联的接收网络设备发送数据，以生成发送结果；并基于该发送结果在该副通信时隙期间有条件地向该接收网络设备发送数据。

13.一种生成用于网状通信网络的通信调度表的方法，该网状通信网络具有多个节点并且在过程控制环境下运行，该方法包括：

定义固定持续时间的通信时隙；

用重复循环序列定义第一超帧，各循环包括第一数目的被连续调度的通信时隙，这些通信时隙定义该第一超帧的长度；以及

将与该第一超帧相关联的时隙分配给该通信网络的节点对之间的直接连接，其中时隙被分配给的各个连接与指定该通信网络中的一条或多条路由路径的一组路由图中的一个路由图相关联。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：

将多条信道中的一条信道分配给时隙被分配给的各个直接连接。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述多条信道中的各条信道是与相应的中心频率相关联的无线电频带。

16.如权利要求13所述的方法，其中该组路由图中的各个图是定义从源节点到目的节点的数据的单向流的有向图。

17.如权利要求16所述的方法，其中各个有向图的源节点或目的节点中的一个是在过程控制环境下执行过程控制功能的现场设备，并且该源节点或该目的节点中的另一个是将该网状通信网络连接到外部网络的网关设备。

18.如权利要求17所述的方法，其中定义第一超帧包括：根据在该现场设备与该网关设备之间发送过程控制数据的速率选择该第一超帧的长度。

19.如权利要求13所述的方法，进一步包括：

用重复循环序列定义第二超帧，各个循环包括第二数目的被连续调度的通信时隙，这些通信时隙定义第二超帧的长度；其中该第二超帧与该通信网络的网络管理数据相关联；并且其中所述多个节点中的各个节点在该第二超帧的至少一个时隙中发送和接收数据。

20.如权利要求19所述的方法，其中该通信网络为无线网络；并且其中该第二超帧的时隙中的至少一些时隙与多个无线信道中的一个无线信道上的相应组播会话相关联。

21.如权利要求19所述的方法，其中该通信网络为无线网络；并且其中该第二超帧的时隙中的至少一个时隙与所述多个节点中的单个接收节点以及不参与该通信网络的潜在节点中的一个或多个节点相关联。

22.如权利要求13所述的方法，进一步包括：

将设备特定调度信息分布于所述多个节点中的至少一些节点上，包括：

为到所述多个节点中的另一节点的各个直接连接指定时隙、多条通信

信道之一以及发送或接收模式之一。

23.一种提高包括多个节点的无线网状网络的可靠性的方法，该方法包括：

建立多个直接连接，其中所述多个直接连接中的各个直接连接为具有发送节点和接收节点的单向无线连接；

基于该无线网络的拓扑生成定义节点对之间的通信路径的多个有向图，其中各个有向图包括所述多个直接连接中的至少一个；

用预定义的单段持续时间的被连续调度的通信时隙的重复循环定义多个并发超帧，其中所述多个并发超帧中的各个并发超帧中的时隙数目定义该超帧的长度；以及

定义多个主链路以生成该无线网状网络的通信调度表，包括：

将各条主链路与所述多个直接连接中的一个直接连接进行关联，该直接连接与所述多个有向图中的至少一个相关联；以及

为各个主链路分配与所述多个超帧中的一个超帧相关联的单个时隙。

24.如权利要求23所述的方法，其中生成多个有向图包括：

将所述多个节点中的第一节点指定为该无线网状网络的头节点；

沿直接连接的第一子集生成定义去往该头节点的入站方向的数据流的至少一个入站图；以及

沿直接连接的第二子集生成定义离开该头节点的出站方向的数据流的至少一个出站图。

25.如权利要求23所述的方法，其中该无线网状网络的多个节点中的至少一些节点为在过程控制系统中执行控制功能或测量功能并以特定扫描速率公布报告数据的现场设备，并且其中定义多个并发超帧包括：

根据第一现场设备的扫描速率来定义具有与第一长度相对应的第一数目的时隙的第一超帧；

根据第二现场设备的扫描速率来定义具有与第二长度相对应的第二数目的时隙的第二超帧；其中

该第一长度小于该第二长度。

26.如权利要求25所述的方法，其中为各个主链路分配所述多个超帧之一中的时隙包括：将第一时隙分配给用于发送来自该第一现场设备的报告数据的第一主链路，然后将第二时隙分配给用于发送来自该第二现场设备的报告数据的第二主链路，其中该第一主链路与发起自该第一现场设备的直接连接相关联，该第二主链路与发起自该第二现场设备的直接连接相关联。

27.如权利要求23所述的方法，进一步包括：

分配由该无线网络使用的多个载波射频，其中所述多个载波射频中的各个载波射频通过唯一信道偏移量被标识；并且

其中定义多条主链路以生成通信调度表进一步包括：将各条链路与所述信道偏移量之一进行关联。

28.如权利要求23所述的方法，进一步包括：

定义多条副链路作为生成所述通信调度表的一部分，其中包括在所述多个有向图中的至少一个有向图中的所述多个直接连接中的至少一个直接连接与主链路和副链路相关联，并且其中不同的时隙被分配给该主链路和该副链路。

29.如权利要求28所述的方法，其中连续时隙被分配给该主链路和该副链路。

30.如权利要求28所述的方法，其中生成一组有向图包括：定义节点对之间的包括主通信路径和副通信路径的双重通信路径，其中该主通信路径和该副通信路径在至少一个直接连接上不同。

31.如权利要求23所述的方法，其中建立一组直接连接包括：根据由两个节点中的第一节点检测到的且由这两个节点中的第二节点发送的无线电信号的强度，在这两个节点之间建立单向无线连接。