CN104813639B - 用于对工业无线网络中的分组的发送区分优先次序的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种提供网络中的节点的无线通信装置(40)包括：无线传送器(48)；无线接收器(46)，传送缓冲器(52)；以及分组区分优先次序单元(50)，配置成：得到与要在网络中传送的分组相关的数据；得到分组的剩余生存期的指示，其中指示基于到达目的地节点所需的时间；按照剩余生存期指示来对分组区分优先次序，其中优先次序从低剩余生存期到高剩余生存期的指示按升序制定；以及将分组放在传送缓冲器中供按照优先次序进行传送。

Description

用于对工业无线网络中的分组的发送区分优先次序的方法及 装置

技术领域

一般来说，本发明涉及工业无线网络中的无线通信装置。更具体来说，本发明涉及一种用于对工业无线网络中的分组的发送区分优先次序的方法，以及涉及一种无线通信装置和一种用于无线通信装置的计算机程序产品。

背景技术

无线传感器网络已知为用于过程控制系统中。关于这类网络的示例是ZigBee和WirelessHart、ISA100、WIA-PA和蓝牙。还存在一些基于WLAN的传感器网络。

在这类系统中，分组可能保持在系统中，长时间等待传送。这由于多种原因而是成问题的。旧分组可能是无用的。在例如过程控制中，旧测量值最多是无用和无害的，而在最坏情况下是有害的，并且可导致控制中的问题。此外，如果系统中存在旧分组，则没有有效地使用系统资源。当无用数据正被传送时，有用数据可能在缓冲器中等待传送。

因此，需要对传送区分优先次序。

例如在US 7668150中描述了移动电话系统中的优先次序，而US 2011/0176521描述了无线传感器网络中的分组的优先次序。

但是，仍然存在对本领域中的改进的需要。

因此，存在对于相对工业无线网络的改进的需要。

发明内容

本发明针对提供改进的工业无线通信网络。

本发明的一个目的是提供一种用于对工业无线网络中的分组的发送区分优先次序的改进方法。

按照本发明的第一方面，这个目的通过一种用于对工业无线网络中的分组的发送区分优先次序的方法来实现，该方法由无线通信装置(其作为工业无线通信网络中控制过程的节点)来执行，该方法包括下列步骤：

得到与要在网络中传送的分组相关的数据，

得到所述分组的剩余生存期的指示，所述指示基于到达目的地节点所需的时间，

按照剩余生存期指示来对数据分组区分优先次序，其中优先次序从低剩余生存期到高剩余生存期的指示按升序制定，以及

按照优先次序来传送分组。

本发明的另一方面是提供一种在工业无线网络中的改进无线通信装置。

按照本发明的第二方面，这个目的通过一种用于工业无线网络的无线通信装置来实现，该无线通信装置提供工业无线通信网络中的节点并且包括：

无线传送器，

无线接收器，

传送缓冲器，以及

分组区分优先次序单元，配置成：

得到与要在网络中传送的分组相关的数据，

得到所述分组的剩余生存期的指示，所述指示基于到达目的地节点所需的时间，

按照剩余生存期指示来对分组区分优先次序，其中优先次序从低剩余生存期到高剩余生存期的指示按升序制定，以及

将分组放在传送缓冲器中供按照优先次序进行传送。

本发明的另一目的是提供一种用于无线通信装置的计算机程序产品，该计算机程序产品提供改进无线通信装置。

按照第三方面，这个目的通过一种用于无线通信装置的计算机程序产品来实现，用于无线通信装置，该无线通信装置提供工业无线网络中的节点，

该计算机程序产品包括具有计算机程序代码的数据载体，计算机程序代码在运行于形成无线通信装置的区分优先次序单元(50)的处理器时使区分优先次序单元：

得到与要在网络中传送的分组相关的数据，

得到所述分组的剩余生存期的指示，所述指示基于到达目的地节点所需的时间，

按照剩余生存期指示来对数据分组区分优先次序，其中优先次序从低剩余生存期到高剩余生存期的指示按升序制定，以及

按照优先次序来传送分组。

本发明具有多个优点。通过引入上述机制，允许多个应用通过同一无线传感器网络来传递分组是简单的。来自具有极严格等待时间要求的关键应用的分组可优先于较低关键的应用(例如监测)，除非监测分组具有短生存时间。

附图说明

下面将参照附图来描述本发明，附图包括：

图1示意示出用于控制使用工业无线网络的过程的控制系统，

图2示出工业无线网络中的无线通信装置的示意框图，

图3示意示出提供有TTL指示符的数据分组，

图4示出由无线通信装置所执行、用于对分组的发送区分优先次序的方法中的多个方法步骤的流程图，

图5示意示出TTL值相对时间和过程周期的两个曲线，以及

图6示意示出携带用于实现无线通信装置的区分优先次序单元的程序代码的数据载体。

具体实施方式

下面将给出本发明的优选实施例的详细描述。

图1示意示出用于过程的控制系统10、即过程控制系统。该过程可以是工业过程，并且还可以是多种不同类型的过程的任一种，例如纸浆和纸张生产过程、石油或天然气生产或精炼过程、输电过程或配电过程。控制系统10例如可以是用于控制过程的基于对象的计算机化系统。

图1中，过程控制系统10包括连接到第一总线B1的多个操作员终端12和14。还存在第二总线B2，并且在第一与第二总线B1、B2之间连接有提供过程的控制的第一服务器15、提供安全应用的第二服务器16以及提供监测应用(例如采取维护确定应用的形式)的第三服务器17。还存在设置于两个总线B1与B2之间的数据库18，以及在这个数据库18中，存储数据、例如与所有上述应用相关的历史数据。与第二总线B2还连接了网关20，该网关又连接到无线网络WN。无线网络WN可以是工业网络，并且也可以是无线通信网络。更具体来说，它可以是无线传感器和致动器网络(WSAN)，并且因而可以是与工业标准、例如WirelessHart兼容的工业无线传感器和致动器网络。在这个无线网络WN中，示出七个例示节点。存在第一节点24、第二节点26、第三节点28、第四节点30、第五节点32和第六节点34。这些节点采取无线通信装置或无线现场装置的形式来提供。这些现场装置以及网关是工业无线网络WN中的节点。因此，网关20可被认为是第七节点。

现场装置是作为到过程的接口的装置，并且它们与网关20无线通信。在例示网络中，第一、第二和第三节点24、26、28还示为与网关20进行通信，而第四和第五节点30和32与第一、第二和第三节点24、26和28进行通信。第六节点34又与第四和第五节点30和32进行通信。虽然第四、第五和第六节点30、32和34没有与网关20直接通信，但是它们仍然能够使用单跳或多跳技术来与其通信。当例如第六节点34正发送数据时，这个数据经由第五或第六节点、连同经由第一、第二或第三节点24、26和28来转发给网关20。类似地，第一、第二和第三节点24、26、28可充当由第四和第五节点30和32所发送的数据的中继节点。

实现第一、第二、第三、第四、第五和第六节点24、26、28、30、32和34的现场装置(若涉及到第一应用)可负责执行过程的某种类型的控制活动(例如，测量过程参数、例如过程的物理性质)或者提供过程中的控制活动(例如，起动阀门、操作泵、开关等)。现场装置的实际控制由服务器15来执行。它们也可提供其他应用的数据。

图2示出无线通信装置40中组成工业无线网络中的节点的单元的示意框图。这个无线通信装置40可以是现场装置，其实现网络中的节点、例如第四节点30。但是，它也可以是网关20。无线通信装置40在这里包括分组区分优先次序单元50，其连接到应用操控单元42(其设置用于向应用提供数据并且从应用接收数据)。它还经由传送缓冲器52连接到传送器电路48或无线传送器。传送器电路48又连接到天线44，其也连接到接收器电路46或无线接收器。接收器和传送器电路46和48可结合在一个电路、即收发器电路中。

图3示出包含目标地址DA、源地址SA、生存时间指示符TTL和数据DATA的例示数据分组DP。

现在还将参照图4来描述本发明的第一实施例的机能，图4示出在无线通信装置中执行的多个方法步骤的流程图。

如上所述，系统中可存在多个应用，其中由第一服务器15所执行的过程的控制是一个应用，第二应用是第二服务器16所执行的安全应用，以及第三应用是第三服务器17所执行的服务应用。这些类型的应用可具有不同优先级。安全应用例如可具有最高优先级。过程控制可具有第二最高优先级，而维护确定应用可具有低优先级。应用还可具有不同固有时间关键性。过程控制可以是过程的实时闭环控制。在这种情况下，存在某个时间，其中测量足够新以在控制中具有任何用途。该过程因而可具有极严格等待时间要求，并且基于这个等待时间要求的控制周期可需要被考虑。

有时可存在大量数据需要被传送。因此，可将数据排队，以等待作为分组的传送。因此，分组可能保持在系统中，长时间等待传送。这由于多种原因而是成问题的。

提供本发明以用于解决这种状况。

网络中在可用于过程之后的长时间存在的分组不仅是无意义的，而且它们还消耗传送节点中的能量，消耗可能用于未到期分组的网络容量，并且因而还造成较新分组的附加等待时间。当前不存在用于利用网络来区分具有不同要求的不同应用的良好机制，并且因而不存在分组的良好优先级机制。

还可假定，网络是无线网格网络，其中分组经由多个中间节点从感测传送器传送给网关20或其他目的地节点。通常，在任何时间将存在许多节点，其中数据被生成并且通过多跳网格网络传送。还假定，传送路径由例如在网关20中提供的某个无线电资源管理器(RRM)或类似实体来建立和定义，或者由单独节点来判定(不同系统具有不同方案)。在任何情况下，业务将通过逐个节点被传送、经过网络进行传播。单独节点通常则可不时地具有用于传送的若干分组，并且因而可遭遇传送优先次序的困境。

解决这个问题的传统方式是应用先进先出原理。这样，分组将不改变其顺序，并且因而保持某种公平性。在这种情形中，如果单独分组采取经过网络的不同路径，则与其从始发节点的顺序相比，它们仍然可无序地到达目的地。

按照本发明，分组的剩余生存期的指示(以下表示为生存时间(TTL)参数)被定义并且用来判定优先级以及是否允许分组仍然存在于网络中。

现在将针对无线装置40(其在这个示例中为第三节点30)来描述该方法。

该方法开始于区分优先次序单元50得到与数据分组的传送相关的数据(步骤54)。这个数据可以是多种类型的数据其中之一。它可以是要在分组中首次传送的新得到的数据。因此，它可以是在所述的节点中经由应用操控单元42所得到的数据。它例如可以是节点30的传感器所感测的传感器数据。它也可以是经由接收器46和天线44所接收的分组，该分组预计送往另一节点、例如网关20。作为另一备选方案，它可以是也经由接收器46和天线44所接收的否定确认NACK，其是关于不正确地接收到分组的指示并且可被认为是对分组的重传的请求。

因此，区分优先次序单元50分析数据，并且基于这些来执行不同活动。这些活动全部涉及得到生存时间指示符。如果数据是要在从应用操控单元42所接收的新分组中发送的新数据(步骤56)，则生成新的生存时间指示符TTL(步骤58)。

新分组的TTL可以设置为分组关键性C、到目的地(例如到网关20)的距离d以及过程的周期P的函数。关键性C是系统中的应用的关键性或重要性。这意味着，剩余生存期TTL的指示对于不同应用以不同方式来确定，其中安全应用可以是最关键的，过程控制应用可以是第二最关键的，以及维护应用可以是最低关键的。因此，作为闭环控制的一部分的分组将具有比携带监测传感器信息的分组要高的关键性，但是可具有比安全应用要低的关键性。距离可作为与到达目的地节点所需的时间对应的值来提供。这个时间还可考虑分组到达目的地节点所需的跳数。应用的周期对于控制应用可以是其中应用能够对过程测量起作用的周期。因此，对于各分组，存在初始生存时间指示TTL，其可定义为关键性C、距离d和周期P的函数。如果源与目的地之间的路径中的节点的数量为n，则对于源节点n=0。初始生存时间指示则可作为下式来提供

TTL(n=0) = f(C,d,P) 　(1)

作为一个备选方案，初始值可设置为

TTL(0) = d 　(2)

这样，对于待传送的新分组确定TTL值。这样在源节点计算初始TTL。

如果数据不是新分组，则它是与所传送分组有关的NACK或者是所接收分组。在两种情况下，均更新所述的分组或者说是分组的TTL值(步骤60)。

分组例如可按照如下原则来更新

TTL(n) = TTL(n-1) - X(t,C,P,d)， 　(3)

其中，n因而是源与目的地之间的路径中的节点数量。重传在这里可被认为相当于在路径中添加节点。

X又是关键性C、到目的地的距离d、过程的周期P以及自分组的初始传输的时间t的函数。

X还可以是随t而增加的函数。通过这个表达，分组的转发以及分组的重传减小TTL，因为X是自生成分组(或者最初从源节点传送)以来的时间的函数。

在这里，有可能的，对于不存在明显周期的事件触发应用，P可设置成某个值，其中测量过旧而对过程不再具有任何有用价值。

作为示例，TTL可设置为

TTL(n) = TTL(n-1) - k *C*P/(P–t) 　(4)

其中，k是常数，0 < k < 1。通过函数的这种选择，生存时间在每个新时间表将减小C的某个分数(在新节点或者对于同一节点中的重传)，因为d是距离量度。

应当知道，作为一备选方案，有可能在上述表达式中使用(P-t)/P来代替P/(P-t)。

如果存在两个应用在同一网络传递分组，其中第一个是时间关键应用(例如闭环控制)而第二个是较低时间应用(例如过程监测)，则参数可能定义如下：

第一应用：C = 0.9 (高关键性)，d=8，P=15 (某个过程相关时间单位)

第三应用：C = 0.3 (低关键性)，d=8，P=35 (某个过程相关时间单位)

对于两个示例，均可使用k=0.2，但是这个参数可对更快或更慢变化来调整，并且它也可以是应用相关的。

因此能够看到，在接收分组时，区分优先次序单元50计算该分组的新TTL，以及在接收到分组的NACK时，它重新计算所传送分组的分组TTL。

在更新了分组的TTL值之后或者在生成新TTL值之后，区分优先次序单元50则调查TTL是否具有不足以到达目的地节点的剩余生存期，其可以是TTL为零或者低于零或者在到达目的地节点之前将变为零。

在TTL值过低的情况下(步骤62)，将它丢弃(步骤64)，这可涉及区分优先次序单元50在接收分组之后将其丢弃。如果存在重传，则它可涉及从传输缓冲器52中去除分组。

当分组已经存在的时间超过过程的周期(例如在控制应用中)，则该分组不再是有用的，并且应当将它从缓冲器52的传送队列中去除。如果分组在剩余生存时间之内没有到达目的地的可能性，则将进行同样的操作。

在TTL值足够高的情况下(步骤62)，则按照TTL值将它放在传输队列中(步骤66)。如果数据分组是新分组或者所接收分组DP，则这可涉及将分组DP随TTL值一起放在缓冲器中供传输，而如果新TTL值涉及重传，则放在队列中可涉及为已经排队的分组提供新TTL值。优先次序从低剩余生存期到高剩余生存期的指示按升序进一步制定。在缓冲分组的所有中间节点中，当选择哪一分组要调度供传输时，应当对具有最低TTL的分组给予优先级。因此能够看到，将分组放在缓冲器52的传送队列的适当位置，其与TTL值对应。

此后，传送器48按照优先次序从缓冲器52的队列来传送分组DP(步骤68)，这涉及首先传送具有最低TTL值的分组。

用于更新生存时间值的函数和输入数据可连同TTL值一起包含在分组中。作为一备选方案，有可能的是，节点具有知识。在这种情况下，分组可包括一些必要数据、例如关键性值和过程周期值。

本发明具有若干优点。通过引入上述机制，允许多个应用通过同一无线传感器网络来传递分组是简单的。来自具有极严格等待时间要求的关键应用的分组将优先于不太关键的应用(例如监测)，除非监测分组具有短生存时间。

图5示出作为自生成分组以来的时间的函数的TTL的发展。虚线用于第三应用的分组，而实线用于第一应用的应用。

如在图中能够看到，低关键性的分组可具有比关键应用(若它在网络中已经逗留了某个较长时间)要低的TTL。

上式中分数P/(P-t)用来代替(P-t)/P具有如下结果。(P-t)/P的使用在接近源的开始给予较快减小以及然后的TTL的较慢减小。在上述示例中，TTL的减小随着时间t更接近周期P而加速。进行这个操作，因为这在许多情况下是将从网络中去除分组的关键点。

无线通信装置的区分优先次序单元可采取分立组件的形式来实现，例如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)电路，其也可包括第一现场装置的其他单元和电路。但是，节点配置控制单元也可通过具有包括计算机程序代码的关联程序存储器的处理器来实现，计算机程序代码在运行于处理器时用于执行节点配置控制单元的功能性。这个计算机程序产品能够作为数据载体来提供，例如携带计算机程序代码的一个或多个CD ROM光盘或者一个或多个存储棒，计算机程序代码在由所述处理器运行时提供上述区分优先次序单元。采取具有携带这种计算机程序代码的计算机程序72的CD ROM光盘的形式的一种这样的数据载体70在图6中示意示出。

从前面的论述显而易见，本发明能够按照许多方式来改变。因此，将会知道，本发明仅受到以下权利要求书限制。

Claims (12)

1.一种用于对工业无线网络中的分组的发送区分优先次序的方法，所述方法由作为所述工业无线网络中控制工业过程的节点的无线通信装置(40)来执行，所述方法包括下列步骤：

得到(54)与要在所述网络中传送的分组相关的数据，所述分组包括与不同应用关联的分组，

得到(58，60)所述分组的剩余生存期的指示，所述指示基于到达目的地节点所需的时间，其中所述剩余生存期的指示基于所述应用的重要性对于不同应用以不同方式来确定，以及与所述过程的控制相关的分组的所述剩余生存期的指示还基于其中测量足够新以在所述控制中具有任何作用的所述控制的周期，

按照所述剩余生存期指示来对所述分组区分优先次序(66)，其中所述优先次序从低剩余生存期到高剩余生存期的指示按升序制定，以及

按照所述优先次序来传送(68)所述分组，

其中所述方法包括接收具有剩余生存期的指示的分组，并且按照下列更新函数来更新(60)所述剩余生存期的指示

TTL(n) =TTL(n-1) - k*C*P/(P–t)，

其中，TTL(n)是所述节点的所接收分组的所述剩余生存期的指示，TTL(n-1)是前一节点的所述剩余生存期的指示，k是常数，0 < k < 1，C是所述分组关键性，P是所述过程的周期，以及t是自所述分组的初始传送的时间，以及

P/(P-t)能够采用(P-t)/P来取代。

2.如权利要求1所述的方法，还包括丢弃(64)具有不足以到达所述目的地节点的剩余生存期的指示的分组。

3.如权利要求2所述的方法，其中，具有不足剩余生存期的所述指示包括具有零或更小剩余生存期的指示的分组。

4.如权利要求1所述的方法，其中，到达目的地节点所需的时间考虑所述分组到达目的地节点所需的跳数。

5.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述得到数据包括得到在所述节点中生成供作为新数据分组传送的数据，以及所述得到剩余生存期的指示包括生成(58)所述指示。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述剩余生存期的指示作为分组关键性C、到所述目的地的距离d和所述过程的周期P的函数来生成。

7.如权利要求1-4和6中的任一项所述的方法，其中，所述得到数据包括接收所传送分组的重传指示，并且按照更新函数来更新所述剩余生存期的指示。

8.一种用于工业无线网络控制工业过程的无线通信装置(40)，所述无线通信装置提供所述工业无线网络中的节点(30)，并且包括：

无线传送器(48)，

无线接收器(46)，

传送缓冲器(52)，以及

分组区分优先次序单元(50)，配置成：

得到与要在所述网络中传送的分组相关的数据，所述分组包括与不同应用关联的分组，

得到所述分组的剩余生存期的指示，所述指示基于到达目的地节点所需的时间，其中所述剩余生存期的指示基于所述应用的重要性对于不同应用以不同方式来确定，以及与所述过程的控制相关的分组的所述剩余生存期的指示还基于其中测量足够新以在所述控制中具有任何作用的所述控制的周期，

按照所述剩余生存期指示来对所述分组区分优先次序，其中所述优先次序从低剩余生存期到高剩余生存期的指示按升序制定，以及

将所述分组放在所述传送缓冲器中供按照所述优先次序进行传送，

其中所述分组区分优先次序单元配置成接收具有剩余生存期的指示的分组，并且还配置成按照下列更新函数来更新所述剩余生存期的指示

TTL(n) =TTL(n-1) - k*C*P/(P–t)，

其中，TTL(n)是所述节点的所接收分组的所述剩余生存期的指示，TTL(n-1)是前一节点的所述剩余生存期的指示，k是常数，0 < k < 1，C是所述分组关键性，P是所述过程的周期，以及t是自所述分组的初始传送的时间，以及

P/(P-t)能够采用(P-t)/P来取代。

9.如权利要求8所述的无线通信装置，所述区分优先次序单元还配置成丢弃具有不足以到达所述目的地节点的剩余生存期的指示的分组。

10.如权利要求9所述的无线通信装置，其中，具有不足剩余生存期的所述指示包括具有零或更小剩余生存期的指示的分组。

11.如权利要求8-10中的任一项所述的无线通信装置，其中，到达目的地节点所需的时间考虑所述分组到达目的地节点所需的跳数。

12.一种用于对工业无线网络中的分组的发送区分优先次序的系统，该系统由无线通信装置(40)来操作，所述无线通信装置提供工业无线网络(NW)中控制工业过程的节点，

所述系统包括：

用于得到与要在所述网络中传送的分组相关的数据的部件，所述分组包括与不同应用关联的分组，

用于得到所述分组的剩余生存期的指示的部件，所述指示基于到达目的地节点所需的时间，其中所述剩余生存期的指示基于所述应用的重要性对于不同应用以不同方式来确定，以及与所述过程的控制相关的分组的所述剩余生存期的指示还基于其中测量足够新以在所述控制中具有任何作用的所述控制的周期，

用于按照所述剩余生存期指示来对所述分组区分优先次序的部件，其中所述优先次序从低剩余生存期到高剩余生存期的指示按升序制定，以及

用于按照所述优先次序来传送所述分组的部件，

其中所述系统包括用于接收具有剩余生存期的指示的分组的部件，并且用于更新的部件包括用于按照下列更新函数来更新所述剩余生存期的指示的部件，

TTL(n) =TTL(n-1) - k*C*P/(P–t)，

其中，TTL(n)是所述节点的所接收分组的所述剩余生存期的指示，TTL(n-1)是前一节点的所述剩余生存期的指示，k是常数，0 < k < 1，C是所述分组关键性，P是所述过程的周期，以及t是自所述分组的初始传送的时间，以及

P/(P-t)能够采用(P-t)/P来取代。