CN105744637A - 一种用于工业无线Mesh网络的广播调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于工业无线Mesh网络资源的广播调度方法。本方法为：1)确定网络生成树中的每一节点的调度优先级；2)对于生成树的每一层：根据节点的调度优先级，将该生成树当前层中的所有待调度节点存入一待调度节点序列；3)判断当前信道指针，如果为第一个信道，则在当前时隙，调度待调度节点序列中的剩余未调度节点；否则，根据该待调度节点序列求出当前时隙的信道可行节点序列；然后调度该信道可行节点序列中的节点，且每调度一个节点更新一次信道指针值以及该待调度节点序列；待当前时隙的信道填充满后，则对下一时隙的信道进行填充并将信道指针置为该时隙的第一个信道。本方法提高了广播调度的无线资源利用率，降低了传输时延。

Description

一种用于工业无线Mesh网络的广播调度方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络，特别涉及一种用于工业无线Mesh网络资源调度的广播调度方法。

背景技术

无线传感器网络具有成本低，灵活性强、扩展性强、安装方便等特点，因此在军事国防、环境监测、危险区域远程控制等诸多领域，尤其是在工业控制领域有着非常广阔的应用前景，我国也非常重视工业无线传感器网络的发展。工业无线技术是一种21世纪新兴的、面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境中使用。与有线工业通信网络相比，工业无线网络是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，是降低工业测控系统成本并提高工业测控系统应用范围的关键性技术，目前，工业无线传感器网络已经成为当前的一大研究热点。

工业无线网络的研究热点主要集中于网络技术和通信协议方面。工业无线技术的国际标准已形成了由HART基金会2007年推出的WirelessHART标准、美国仪表系统与自动化协会ISA于2009年推出的ISA100.11a标准和我国2011年开始自主研发的WIA-PA标准三足鼎立的局面。WirelessHART通讯规范(HART7.1)于2008年9月19日正式获得国际电工标准委员会IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)的认可，成为一种公共可用的规范(IEC/PAS62591Ed.1)。WirelessHART支持网状拓扑，网络中的每个设备节点都是路由器，都能够转发数据包。WirelessHART的数据链路层主要采用无冲突的TDMA机制，TDMA方案的优点在于：可避免信道的冲突，以及冲突引起的丢包和能量损耗；节点处于非工作状态时即进入睡眠状态，可以减少能耗；通过调度可保证数据传输的实时性、确定性和可靠性。在无线HART网络中，网络管理器负责网络的组态、WirelessHART网络设备之间的通信调度、路由表的管理以及整个网络健康状况的报告。ISA100.11a标准是国际自动化协会(ISA)委员会制定的第一个开放的、面向工业生产和工业控制的无线标准，以确保无线系统能够安全可靠的运行在环境监测，报警，开、闭环控制等工业应用中。为了扩大网络覆盖范围，ISA100.11a网络分为DL子网与骨干网两层结构。为了满足工业应用的需求，ISA100.11a标准支持星型、树型、Mesh等多种网络拓扑结构。星型拓扑结构容易实现，且实时性高，但仅限于单跳情况下。当ISA100.11a支持Mesh架构时，它与WirelessHART的网络架构一样。WIA-PA标准是由我国科技人员自主研发成功的，其主要的作用是规范了过程自动化的网络结构和通信规范。WIA-PA网络在大型工业应用场景中一般都采用星型和网状结合的两层拓扑结构。

WIA-PA技术已经在部分领域进行了初步应用，得到了用户的认可。但是WIA-PA要真正得到认可并且在过程工业大范围推广，仍需要解决一些问题。ISAl00.11a和WirelessHART协议是推动工业无线自动化的两个重要标准，这两个标准健壮性高、安全性强，为工业应用提供可靠保证。WirelessHART主要是专注工业过程控制领域里的HART标准和工业设备间的相互操作的标准。ISAl00.11a支持的服务类型不仅仅是过程处理而且还包括一些工厂的自动化应用。所以也可以将WirelessHART看成是ISAl00.11a的一个子集，它们之间可以相互融合。对于工业无线传感器网络，其网络架构从覆盖范围考虑，工业无线传感器网络需要能够覆盖较多的节点，因此网络规模大，不易采用星型架构。因此本文基于WirelessHART协议和ISA100.11a标准，选用了基于无线Mesh协议的工业无线传感器网络的网络架构，如图1所示。

工业无线Mesh网络(IWMN)部署在恶劣和嘈杂的环境中，主要用于过程测量和控制应用程序。主要应用于工业流程现场的实时监控等方向。工业无线Mesh网络在设计和实施过程中其主要难点集中在应付的恶劣环境、可靠性实时性等服务质量、受限的能量资源、数据管理及系统集成、无线传感设备的开发等。嘈杂的工业控制环境使得工业无线Mesh网络对网络的实时性和可靠性有更强的要求，丢包或者延时处理数据都会降低网络管理控制的质量。工业现场的控制网络是由大量传感器节点、网关和网络管理器组成的，传感器节点需要将收集来的大量的信息上报和传输，而网络的无线资源(包括时间、信道等)是有限的，如果不有效的利用无线资源，将会使得网络管理器不能实时的监控网络的现行状况，甚至导致网络瘫痪。因此，网络管理器需要综合调度，合理的利用有限的无线资源，因此对无线资源管理和调度是至关重要的。

无线资源管理就是对移动通信系统中的无线资源进行合理的分配和有效的管理，具体指在有限带宽的条件下，为网络内无线用户提供服务质量，保障提高网络的性能。无线资源管理大致可以分为三个步骤：信息收集、资源计算和资源分配。一般通过控制信道来完成信息收集和资源分配。网络的无线资源包括时域、频域、空间域以及码字等方面资源。无线资源管理的基本出发点是在网络业务负荷分布不均匀、信道特性因衰落和干扰而动态变化的情况下，灵活分配并动态调整网络的可用资源,最大限度地提高无线频谱利用率、防止网络拥塞并保持尽可能小的信令负荷。无线资源管理的目标是提高无线资源利用率，提高网络性能，为用户终端业务提供保障。灵活动态的分配和调整工业无线Mesh网络中的可用资源，可以在很大程度上提高无线频率利用率，提高网络整体性能，从而保证用户终端的业务质量。

现有技术人员对工业无线Mesh网络中的资源调度方法有大量的研究：

对于现有工业无线网络调度方法，在参考文献“Deadline-constrainedtransmissionschedulinganddataevacuationinWirelessHARTnetworks[C]//TheEuropeanControlConference2009(ECC’09).2009”和“OptimallinkschedulingandchannelassignmentforconvergecastinlinearWirelessHARTnetworks[C]//ModelingandOptimizationinMobile,AdHoc,andWirelessNetworks,2009.WiOPT2009.7thInternationalSymposiumon.IEEE,2009:1-8”中，分别对线性以及二叉树WirelessHART拓扑下时间与信道最优的调度方法进行了研究，并针对数据汇聚应用设计了时隙及占用信道数最少调度算法，但对工业无线网络中Mesh拓扑下的特性缺少分析。

参考文献“Real-timeschedulingforWirelessHARTnetworks[C]//Real-TimeSystemsSymposium(RTSS),2010IEEE31st.IEEE,2010:150-159”，“End-to-enddelayanalysisforfixedpriorityschedulinginWirelessHARTnetworks[C]//Real-TimeandEmbeddedTechnologyandApplicationsSymposium(RTAS),201117thIEEE.IEEE,2011:13-22”以及“Priorityassignmentforreal-timeflowsinWirelessHARTnetworks[C]//Real-TimeSystems(ECRTS),201123rdEuromicroConferenceon.IEEE,2011:35-44”，对WirelessHART中周期性的实时数据流，分析端到端延时，分配固定优先级，并提出一种C-LLF(Conflict-awareLeastLaxityFirst)的启发式算法，实现特定数据时延要求下的调度策略，该方法需要界定所有数据包的精确延时，现实中较难操作。在工业无线Mesh网络中，实时性和能耗两个性能指标之间存在着相互制约的关系。能量消耗的减少往往伴随数据传输延迟的增加，节能和延迟的权衡关系已经成为无线传感器网络的研究重点。

在集中管理方式中，网关附近的节点往往成为热点问题，因为这些节点往往因为能量消耗过快而造成较早失效，致使网络瘫痪。所以，对工业无线Mesh网络的无线资源管理变得尤为重要。工业无线Mesh网络无线资源调度包括周期性的广播调度、上行调度以及下行单播调度等方式。其中，广播调度是工业无线Mesh网络无线资源调度的重要组成部分，为网络管理器给网络中的节点下发广播数据包提供了时延最优的调度方法。因此工业无线Mesh网络资源分配中的广播调度方法是本发明的重点内容。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的工业无线Mesh网络中广播调度的资源利用率较低的缺陷，从而提供一种高效的时延最优的工业无线Mesh网络的广播调度方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种用于工业无线Mesh网络资源的广播调度方法，其步骤为：

1)对于网络生成树中的每一节点，根据该节点在生成树的层数和孩子节点数，确定该节点的调度优先级；其中，调度优先级包括时隙优先级和信道优先级，生成树的总层级为L、总信道数为C；

2)对于生成树的每一层level：根据节点的调度优先级，将该生成树当前层level中的所有待调度节点存入一待调度节点序列；

3)判断当前信道指针c的值，如果为当前时隙的第一个信道，则进行步骤4)；否则，根据该待调度节点序列求出当前时隙的信道可行节点序列；然后调度该信道可行节点序列中的节点，且每调度一个节点更新一次信道指针c的值以及该待调度节点序列；待当前时隙的信道填充满以后，则对下一时隙的信道进行填充并将信道指针置为该时隙的第一个信道；

4)在当前时隙，调度该待调度节点序列中的剩余未调度的节点；若当前时隙的信道无法完成调度该待调度节点序列中的剩余未调度的节点，则填满当前时隙的信道，然后继续调度该待调度节点序列中的未调度节点填充至下一时隙，直至该待调度节点序列中的剩余未调度的节点都被调度。

进一步的，所述调度为广播调度，即当节点被调度时，该节点以广播的方式在t所指时隙和c所指的信道处向该节点的孩子节点发送广播数据包，该节点的所有孩子节点在该时隙和信道处接收广播数据包。

进一步的，根据该待调度节点序列求出时隙指针t的信道可行节点序列的方法为：在当前时隙指针t所指的时隙中，如果该待调度节点序列中同时存在节点a及其父亲节点，则剔除该节点a，得到该信道可行节点序列。

进一步的，根据时隙优先级高于信道优先级、优先调度时隙优先级高的节点的策略，生成该待调度节点序列。

进一步的，根据节点所在层级确定该节点的时隙优先级。

进一步的，根据节点的时隙优先级确定节点被调度的时隙。

进一步的，根据节点的子孙节点的个数，确定节点的信道优先级；其中，节点的子孙节点个数越多，该节点的信道优先级越高。

本发明提供了一种用于无线Mesh网络资源管理的广播调度方法，包括：

步骤1)、网络初始化，已知信道数C，初始化时隙指针t＝1，信道指针c＝1，调度层级level＝1。根据该网络生成树，以及节点在网络生成树的层数和孩子节点数，确定网络中节点的调度优先级[时隙优先级，信道优先级]，确定网络生成树的总层级L。

步骤2)、确定“待调度节点序列”；该步骤包括：若level＝L，则转至步骤6)；若level≠L，则根据节点的调度优先级，将当前level中的所有待调度节点存入“待调度节点序列”，转至步骤3)。

步骤3)、判断c的值，如果c＝1，即当前时隙的第一个信道，则转至步骤4)；反之，若c≠1，则根据“待调度节点序列”求出t时隙的“信道可行节点序列”，然后调度“信道可行节点序列”中的节点，每次调度一个节点，都要改变信道指针c的位置，令c＝c+1，并更新“待调度节点序列”。令t＝t+1，c＝1，转至步骤4)。

步骤4)、在当前时隙，调度“待调度节点序列”中的剩余未调度的节点；若当前时隙的信道数小于调度“待调度节点序列”中的剩余未调度的节点，则令t＝t+1，继续调度“待调度节点序列”中的未调度节点，直至“待调度节点序列”中的剩余未调度的节点都被调度，修改时隙和信道指针的位置；修改调度的层级，令level＝level+1。

步骤5)、判断当前c是否等于C+1，如果c≠C+1，则重新执行步骤2)；如果c指向是C+1，那么证明当前时隙中的所有信道已经分配出去了，设置t+1，c＝1，重新执行步骤2)。

步骤6)、结束操作。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明的方法适用于工业无线Mesh网络。所述的工业无线Mesh网络的广播调度方法，本发明方法在进行广播资源调度时，考虑了全网的时延，选择调度优先级高的节点，从而保证全网的时延最优。本方法大大的提高了广播调度的无线资源利用率，降低了网络广播数据包的传输时延。

附图说明

图1是工业无线网络Mesh拓扑结构图；

图2是本发明的用于工业无线Mesh网络中的广播调度方法流程图。

具体实施方式

现结合附图2对本发明作进一步的描述。

首先对本发明方法在实现时涉及到的概念做统一的说明。

调度：本发明具体方案中所提及的“调度”，指的是广播调度。节点被“调度”时，该节点与其所有孩子节点之间成为通信节点。该节点以广播的方式在t所指的时隙和c所指的信道处，向该节点的孩子节点发送广播数据包，该节点的所有孩子节点在同一时隙同一信道接收广播数据包。

调度优先级：由时隙优先级和信道优先级组成的二维优先级。根据调度优先级，可以确定节点的待调度节点序列，确定节点的调度顺序，合理的利用网络中有限的无线资源。调度过程中，时隙优先级高于信道优先级。

时隙优先级：网络中的节点根据到达网关的跳数，被分为不同的层级level。到达网关的跳数少的节点，离网关近，level低；反之，达到网关的跳数多的节点，level高。而根据层级的高低，本方案定义了时隙优先级。根据时隙优先级确定节点被调度的时隙，且优先调度时隙优先级高的节点。

信道优先级：对网络中位于同一层级的节点，我们制定了信道优先级进行调度分配。根据节点的子孙节点的个数，确定节点的信道优先级。子孙节点个数越多，该节点越需要优先调度，其信道优先级越高。

时隙指针：当前可调度节点的时隙，本方案用t表示。如果t＝1，则表明是第一个时隙。如果当前时隙的所有信道都分配了可以调度的节点，则时隙指针t+1，在下一个时隙对待调度节点进行分配。

信道指针：在时隙指针t内的下一个空闲信道，即在当前时隙t的c信道处，可以调度节点。如果有节点被调度，则信道指针c+1。本方案用c表示，c的范围是[1,C+1]。当c＝C+1的时候，表明当前时隙的信道利用率为100％，需要移至下一个时隙进行调度。

待调度节点序列：当前level中未调度的节点序列。根据调度优先级，对当前level中未调度的节点进行优先级排序，存入待调度节点序列。当节点被调度，需从该序列中删除。

信道可行节点序列：是待调度节点序列的子集。当前信道的可行节点是指，在t时隙之前，节点的父亲节点已接收到广播包，且可以在时隙t转发该广播数据包。若在当前时隙t中，有“待调度节点序列”中节点的父亲节点，则该节点不符合“信道可行节点序列”的条件，需要剔除该节点。

下面对本发明方法的相关步骤进行说明。

参考图2，本发明的方法包括：

步骤1)、网络初始化，已知信道数C，初始化时隙指针t＝1，信道指针c＝1，调度层级level＝1。根据该网络的生成树，以及节点在生成树的层数和孩子节点数，确定网络中节点的调度优先级[时隙优先级，信道优先级]，确定生成树的总层级L。

步骤2)、确定“待调度节点序列”；该步骤包括：若level＝L，则转至步骤6)；若level≠L，则根据节点的调度优先级，将当前level中的所有待调度节点存入“待调度节点序列”，转至步骤3)。

步骤3)、判断c的值，如果c＝1，则转至步骤4)；反之，若c≠1，则根据“待调度节点序列”求出t时隙的“信道可行节点序列”，然后调度“信道可行节点序列”中的节点，每次调度一个节点，都要改变信道指针c的位置，令c＝c+1，并更新“待调度节点序列”。令t＝t+1，c＝1，转至步骤4)。

步骤4)、在当前时隙，调度“待调度节点序列”中的剩余未调度的节点；若当前时隙的信道数小于调度“待调度节点序列”中的剩余未调度的节点，则令t＝t+1，继续调度“待调度节点序列”中的未调度节点，直至“待调度节点序列”中的剩余未调度的节点都被调度，修改时隙和信道指针的位置；修改调度的层级，令level＝level+1。

步骤5)、判断当前c是否等于C+1，如果c≠C+1，则重新执行步骤2)；如果c指向是C+1，那么证明当前时隙中的所有信道已经分配出去了，设置t+1，c＝1，重新执行步骤2)。

步骤6)、结束操作。

方法设计原则：1、层数越小，时隙优先级越高。即父亲节点要比孩子节点优先调用。2、孩子节点数越多的节点，信道优先级越高。

基于[时隙优先级，信道优先级]的调度：在该二维条件中，调度节点的选择首先取决于时隙优先级，在时隙优先级level＝1的节点里，选择信道优先级高的节点调度，将level＝1的节点调度完成之后，依次调度level＝2、level＝3……的节点，直至level＝L。如果在时隙优先级调度的阶段，需要调度的节点数量没有达到当前时隙调度的剩余信道数的上限，那么直接在当前时隙，调度该level的全部节点；如果在该阶段，满足条件的节点数大于剩余信道数的上限，那么需要在“待调度节点序列”中，剔除不符合调度条件的节点，得到“信道可行节点序列”，调度“信道可行节点序列”中的节点并更新“待调度节点序列”以及时隙和信道指针。接下来，继续调度“待调度节点序列”中的节点，填满当前信道。在下一时隙，依次调度当前level的“待调度节点序列”中剩余节点。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于工业无线Mesh网络资源的广播调度方法，其步骤为：

1)对于网络生成树中的每一节点，根据该节点在生成树的层数和孩子节点数，确定该节点的调度优先级；其中，调度优先级包括时隙优先级和信道优先级，生成树的总层级为L、总信道数为C；

2)对于生成树的每一层level：根据节点的调度优先级，将该生成树当前层level中的所有待调度节点存入一待调度节点序列；

3)判断当前信道指针c的值，如果为当前时隙的第一个信道，则进行步骤4)；否则，根据该待调度节点序列求出当前时隙的信道可行节点序列；然后调度该信道可行节点序列中的节点，且每调度一个节点更新一次信道指针c的值以及该待调度节点序列；待当前时隙的信道填充满以后，则对下一时隙的信道进行填充并将信道指针置为该时隙的第一个信道；

4)在当前时隙，调度该待调度节点序列中的剩余未调度的节点；若当前时隙的信道无法完成调度该待调度节点序列中的剩余未调度的节点，则填满当前时隙的信道，然后继续调度该待调度节点序列中的未调度节点填充至下一时隙，直至该待调度节点序列中的剩余未调度的节点都被调度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调度为广播调度，即当节点被调度时，该节点以广播的方式在t所指时隙和c所指的信道处向该节点的孩子节点发送广播数据包，该节点的所有孩子节点在该时隙和信道处接收广播数据包。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据该待调度节点序列求出时隙指针t的信道可行节点序列的方法为：在当前时隙指针t所指的时隙中，如果该待调度节点序列中同时存在节点a及其父亲节点，则剔除该节点a，得到该信道可行节点序列。

4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，根据时隙优先级高于信道优先级、优先调度时隙优先级高的节点的策略，生成该待调度节点序列。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据节点所在层级确定该节点的时隙优先级。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据节点的时隙优先级确定节点被调度的时隙。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据节点的子孙节点的个数，确定节点的信道优先级；其中，节点的子孙节点个数越多，该节点的信道优先级越高。