CN106060940B - 面向工业无线wia-pa网络的确定性调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向工业无线WIA‑PA网络的确定性调度方法，属于工业无线网络通信技术领域。该方法在中小规模WIA‑PA网络中，利用基于回溯法的最优确定性调度方法，通过建立调度数据流的解空间树，在搜索部分或所有解空间树后即可获取调度解，能够取得调度的最优成功率；在大规模WIA‑PA网络中，利用基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法，为每条数据流计算每个时隙的时间裕度，根据时间裕度安排调度的优先级，能够以较高的成功率在短时间内获得调度解。通过本发明提供的确定性调度方法，能够为全网各数据流传输合理地分配时隙和信道资源，避免了通信链路冲突，解决了WIA‑PA网络端到端数据流传输的确定性问题。

Description

面向工业无线WIA-PA网络的确定性调度方法

技术领域

本发明属于工业无线网络通信技术领域，涉及一种面向工业无线WIA-PA网络的确定性调度方法。

背景技术

近年来，工业无线网络以其低成本、高可靠和高灵活性等特征，在工业自动化领域得到飞速发展，成为当前的研究热点。WIA-PA是我国自主制定的面向工业过程自动化的工业无线网络标准，该标准指出了数据传输要在限定的时间内完成，不能被延迟。为实现这一目标，确定性调度技术负责为数据传输合理地分配时隙通信所需的通信资源，使得端到端数据流的传输方式遵循通信资源分配结果。

然而，面向工业无线网络的确定性调度问题，可以规约于世界七大数学难题之首的NP问题，这类问题一般难解是因为难以找到通用的多项式求解方法，致使目前现有的调度方法不能直接应用在不同的网络中。普遍采取的研究方法是寻找其近似算法或概率算法，使求解目标接近最终目标解或者以较高的成功概率正确得到最终目标解。目前，在工业无线网络领域，现有的确定性调度方法在WIA-PA网络中比较少见，而主要集中在HART基金会的WirelessHART标准和ISA国际自动化协会的ISA100.11a标准所定义的网络中。WirelessHART网络与ISA100.11a网络的确定性调度方法由于没有考虑WIA-PA网络特征，不宜直接适用于WIA-PA网络。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向工业无线WIA-PA网络的确定性调度方法，能够适用于不同网络规模的场景，满足端到端数据流传输的确定性要求，该确定性调度方法包括面向中小规模WIA-PA网络的基于回溯法的最优确定性调度方法和面向大规模WIA-PA网络的基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种面向工业无线WIA-PA网络的确定性调度方法，该确定性调度方法包括面向中小规模WIA-PA网络的基于回溯法的最优确定性调度方法和面向大规模WIA-PA网络的基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法；

在中小规模WIA-PA网络中，利用基于回溯法的最优确定性调度方法，通过建立调度数据流的解空间树，在搜索部分或所有解空间树后即可获取调度解，能够取得调度的最优成功率；在大规模WIA-PA网络中，利用基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法，为每条数据流计算每个时隙的时间裕度，根据时间裕度安排调度的优先级，能够以较高的成功率在短时间内获得调度解；

上述针对数据流的确定性调度分为簇内通信和簇间通信两个阶段：所述簇内通信阶段包括：现场设备周期性产生数据，并将数据发送到作为簇首的路由设备，路由设备汇集接收各现场设备成员的数据；所述簇间通信阶段包括：路由设备将收集的现场设备数据转发至下一跳路由设备，直到转发至网关设备为止。

进一步，所述在中小规模WIA-PA网络中采用的基于回溯法的最优确定性调度方法包括：针对每条端到端数据流，以解空间树的形式表示调度数据流的所有候选解，每次对解空间树进行搜索时，首先判断当前步骤是否可调度，如果可调度，就从该步骤出发继续搜索下去；如果当前步骤不可调度，则逐步向其前一步回溯，尝试别的选择，避免不必要的搜索；具体步骤如下：

1)根据所给定的可利用信道数M和超帧通信的时隙个数T，建立调度数据流的解空间树；解空间树的每层深度代表一个时隙，每层深度的前M条支路代表M条可用信道；每条支路对应一条可用信道偏移量，表示当前数据流在该时隙选择相应的信道进行通信；第M+1支路表示当前的数据流在当前时隙不进行任何通信链路安排；因此，解空间树为M+1叉树，各数据流在解空间树的每层深度都有M+1种调度选择；

2)对所有t∈[1,T]、c∈[0,M-1]与n∈[1,N]，初始化调度结果S[t][c][n]＝0；

3)选择一条未被调度的数据流F_n，从簇内通信阶段的首个时隙开始从解空间树的第一层深度搜索调度解；

4)在搜索的每个时隙t，总是先选择信道偏移量c＝0的支路进行调度，并记S[t][c][n]＝1；每次调度时，进行可调度性判断；满足可调度性判断的条件有：(1)当前时隙不超过截止时间；(2)数据流的截止时隙与当前时隙之差不小于数据流所在路径的剩余跳数；(3)当前时隙处于相应数据流的簇内通信或簇间通信阶段；(4)当前时隙如果安排链路，该链路不与其它已有链路存在冲突；

5)若当前时隙满足可调度性判断的所有条件，可以确定当前对时隙、信道和数据流的安排是可行的，并进入步骤10)；若当前时隙不满足可调度性判断的任一条件，则需重置当前时隙的调度安排，即S[t][c][n]＝0，并进入步骤6)～8)；

6)如果不满足可调度条件(1)或(2)，当前数据流不可调度，将立即进行回溯，回溯时进入步骤9)；

7)如果不满足可调度性的条件(3)，进一步判断所处的通信阶段，若未到达相应的超帧阶段，则不安排链路；若超过相应的通信阶段，当前数据流不可调度，将立即进行回溯，进入步骤9)；

8)如果不满足可调度性的条件(4)，首先判断当前时隙是否已经到达超帧的最后一个时隙，若是在最后一个时隙，将进行回溯步骤9)；若不在最后一个时隙，进一步判断相互冲突的链路是否含有相同的通信设备；如果含有相同的通信设备，则当前数据流在当前时隙不安排链路；否则，将当前数据流安排在当前时隙的另一可用信道；

9)回溯时，逐层回到祖先结点并选择另一分支继续搜索；当回溯到根结点时，将调度的数据流顺序进行调整，调整后的数据流重新设置为未调度状态，开始步骤3)；当完成所有全排列集合的数据流的解空间树搜索时，直接返回不可调度结果信息；

10)当前时隙t＝t+1，进一步深度继续搜索调度解，重复4)与步骤5)，直到完成当前数据流的所有时隙与信道调度搜索；

11)重复步骤3)～6)，直到完成所有数据流的所有时隙与信道调度搜索，最终返回关于S[t][c][n]的可调度解数组集合。

进一步，所述在大规模WIA-PA网络中，采用基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法包括：调度时，在每个时隙计算每条数据流的时间裕度，其值通过Δ_t＝d-t-r_t-α_t计算得到，其中，Δ_t、d、t、r_t和α_t分别代表时间裕度、截止时隙、当前时隙、剩余跳数和潜在的冲突时隙数；计算的时间裕度值越小，数据流的紧急程度越高，该数据流将优先被选择安排链路；相反，时间裕度值越大，数据流的紧急程度越小，该数据流将在时间裕度较小的数据流之后进行调度；具体步骤如下：

1)在簇内通信阶段，以该阶段的首个时隙为起点，计算每个簇整体调度的时间裕度；由于簇内的数据所经过的路径一致，该阶段只需计算一次时间裕度(取截止时隙最小的簇内数据流计算)，即一个簇所有成员数据流的调度时间裕度用一个值Δ_t表示；Δ_t值越小，对应的簇成员数据流的调度优先级越高；计算Δ_t时，同时计算判断d-t-r_t≥0这一确定性调度的必要条件，只有满足此条件，数据流才可能调度成功，否则，直接返回不可调度结果；

2)首先调度时间裕度最小的簇，如果有时间裕度相等的情况，则先调度距离网关较远的簇；簇内通信长度为簇成员所有数据流数目之和；簇内阶段调度时，因为整个簇的时间裕度大小相同，所以在簇内依次按照截止时间较早、更新周期较快和报文优先级较高的顺序进行时隙调度；

3)针对当前时隙的另一可用信道，按照步骤2)的方法，进一步调度时间裕度次小的簇，直到完成簇内通信阶段的时隙调度；

4)在簇间通信阶段，用于当前簇成员和经过该簇首的所有数据转发；转发时，在每个时隙，计算每条数据流的调度时间裕度，按照时间裕度从小到大的顺序进行调度；倘若时间裕度相等，依次按照截止时间较早、更新周期较快和报文优先级较高的顺序进行时隙调度；

5)针对当前时隙的另一可用信道，按照同样的方法，进一步调度时间裕度次小的数据流，同时避免与已经调度的数据流产生冲突；一旦发生冲突，则当前时间裕度次小的数据流不安排链路，下一时隙到来时，其时间裕度进一步减小，具有更高的优先级，从而更可能被成功调度；

6)进入下一个时隙，重复步骤4)～5)，直到完成转发所有数据流；如果调度时返回调度失败的结果，将通知用户进一步处理，可选的措施为更改数据流的应用需求或者切换至回溯法继续进行搜索。

本发明的有益效果在于：本发明针对目前工业无线WIA-PA网络缺乏确定性调度方法的不足，创新性地提出一种基于回溯法的最优确定性调度方法，取得了最优的调度成功率。利用该方法可以在全网端到端数据流的调度解切实存在的情况下，成功得到可调度解。为弥补基于回溯法的最优确定性调度方法在大规模WIA-PA网络中执行时间较长的不足，进一步提出基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法，使其能够在快速获取调度解的同时，又能够以接近最优的调度成功率获取调度解。本发明所提的两种面向工业无线WIA-PA网络的确定性调度方法，能够为各数据流传输合理地分配时隙和信道资源并产生调度解，使得各设备按照调度解有规律地进行通信，避免了通信链路冲突，解决了WIA-PA网络端到端数据流传输的确定性问题。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述基于回溯法的最优确定性调度方法实施主流程图；

图2为本发明所述基于回溯法的最优确定性调度方法在不满足可调度判定条件时处理的实施子流程图；

图3为本发明所述基于回溯法的最优确定性调度方法进行回溯步骤的实施子流程图；

图4为本发明所述基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法在簇内通信阶段实施流程图；

图5为本发明所述基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法在簇间通信阶段实施流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

在本实施例中，假设WIA-PA网络中存在N条端到端数据流F＝{F₁,F₂,...,F_N}，各数据流产生于现场设备，终止于网关设备。对于数据流F_n，其截止时间为d，并给定超帧时隙数T与可利用信道数M。通过运行确定性调度方法，为全网各数据流分配时隙与信道资源并产生调度解，使各设备间的通信方式遵循调度解，满足端到端数据流通信的确定性要求。

一、在中小规模WIA-PA网络中，采用基于回溯法的最优确定性调度方法。

如图1，基于回溯法的最优确定性调度方法实施主流程包括以下步骤：

Step1：根据所给定的可利用信道数M和超帧通信的时隙个数T，建立调度数据流的解空间树。解空间树的每层深度代表一个时隙，每层深度的前M条支路代表M条可用信道。每条支路对应一条可用信道偏移量，表示当前数据流在该时隙选择相应的信道进行通信。第M+1支路表示当前的数据流在当前时隙不进行任何通信链路安排。因此，解空间树为M+1叉树，各数据流在解空间树的每层深度都有M+1种调度选择。

Step2、对所有t∈[1,T]、c∈[0,M-1]与n∈[1,N]，初始化调度结果S[t][c][n]＝0。

Step3、选择一条未被调度的数据流F_n，从簇内通信阶段的首个时隙开始从解空间树的第一层深度搜索调度解。

Step4、在搜索的每个时隙t，总是先选择信道偏移量c＝0的支路进行调度，并记S[t][c][n]＝1。每次调度时，进行可调度性判断。满足可调度性判断的条件有：(1)当前时隙不超过截止时间；(2)数据流的截止时隙与当前时隙之差不小于数据流所在路径的剩余跳数；(3)当前时隙处于相应数据流的簇内通信或簇间通信阶段；(4)当前时隙如果安排链路，该链路不与其它已有链路存在冲突。

Step5、若当前时隙满足可调度性判断的所有条件，可以确定当前对时隙、信道和数据流的安排是可行的，当前时隙t＝t+1，进一步深度继续搜索调度解，重复Step4，直到完成当前数据流的所有时隙与信道调度搜索。进一步的，重复Step4～Step5，直到完成所有数据流的所有时隙与信道调度搜索，最终返回关于S[t][c][n]的可调度解数组集合。若当前时隙不满足可调度性判断的任一条件，则需重置当前时隙的调度安排，即S[t][c][n]＝0，并进入不满足可调度判定条件时处理的实施子流程。

如图2，不满足可调度判定条件时处理的实施子流程包括以下步骤：

Step1、如果不满足可调度条件(1)或(2)，当前数据流不可调度，将立即进行回溯步骤的实施子流程。

Step2、如果不满足可调度性的条件(3)，进一步判断所处的超帧阶段，若未到达相应的超帧阶段，则不安排链路；若超过通信时间段，当前数据流不可调度，将立即进行回溯步骤的实施子流程。

Step3、如果不满足可调度性的条件(4)，首先判断当前时隙是否已经到达超帧的最后一个时隙，若是在最后一个时隙，将进行回溯步骤的实施子流程；若不在最后一个时隙，进一步判断相互冲突的链路是否含有相同的通信设备。如果含有相同的通信设备，则当前数据流在当前时隙不安排链路；否则，将当前数据流安排在当前时隙的另一可用信道。

如图3，进行回溯步骤的实施子流程时，逐层回到祖先结点并选择另一分支继续搜索。当回溯到根结点时，将调度的数据流顺序进行调整，调整后的数据流重新设置为未调度状态，开始步骤Step3。当完成所有全排列集合的数据流的解空间树搜索时，直接返回不可调度结果信息。

二、在大规模WIA-PA网络中，采用基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法。

如图4，基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法在簇内通信阶段实施流程包括以下步骤：

Step1、在簇内通信阶段，以该阶段的首个时隙为起点，计算每个簇整体调度的时间裕度。由于簇内的数据所经过的路径一致，该阶段只需计算一次时间裕度(取截止时隙最小的簇内数据流计算)，即一个簇所有成员数据流的调度时间裕度用一个值Δ_t表示。Δ_t值越小，对应的簇成员数据流的调度优先级越高。计算Δ_t时，同时判断d-t-r_t≥0这一确定性调度的必要条件。只有满足此条件，数据流才可能调度成功。否则，直接返回不可调度结果。

Step2、首先调度时间裕度最小的簇，如果有时间裕度相等的情况，则先调度距离网关较远的簇。簇内通信长度为簇成员所有数据流数目之和。簇内阶段调度时，因为整个簇的时间裕度大小相同，所以在簇内依次按照截止时间较早、更新周期较快和报文优先级较高的顺序进行时隙调度。

Step3、在当前时隙的另一可用信道，按照Step2的方法，进一步调度时间裕度次小的簇，直到完成簇内通信阶段的时隙调度。

如图5，基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法在簇间通信阶段实施流程包括以下步骤：

Step1、在簇间通信阶段，应满足当前簇成员和经过该簇首的所有数据转发。其长度不小于这些需要进行转发的数据流数目之和。转发时，在每个时隙，计算每条数据流的调度时间裕度，按照时间裕度从小到大的顺序进行调度。倘若时间裕度相等，依次按照截止时间较早、更新周期较快和报文优先级较高的顺序进行时隙调度。

Step2、在当前时隙的另一可用信道，按照同样的方法，进一步调度时间裕度次小的数据流，同时避免与已经调度的数据流产生冲突。一旦发生冲突，则当前时间裕度次小的数据流不安排链路，下一时隙到来时，其时间裕度进一步减小，具有更高的优先级，从而更可能被成功调度。

Step3、进入下一个时隙，重复Step1～Step2，直到完成转发所有数据。如果调度时返回调度失败的结果，将通知用户进一步处理，可选的措施为更改数据流的应用需求或者切换至回溯法继续进行搜索。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种面向工业无线WIA-PA网络的确定性调度方法，其特征在于：该确定性调度方法包括面向中小规模WIA-PA网络的基于回溯法的最优确定性调度方法和面向大规模WIA-PA网络的基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法；

在中小规模WIA-PA网络中，利用基于回溯法的最优确定性调度方法，通过建立调度数据流的解空间树，在搜索部分或所有解空间树后即可获取调度解，能够取得调度的最优成功率；在大规模WIA-PA网络中，利用基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法，为每条数据流计算每个时隙的时间裕度，根据时间裕度安排调度的优先级，能够以较高的成功率在短时间内获得调度解；

针对数据流的确定性调度分为簇内通信和簇间通信两个阶段：所述簇内通信阶段包括：现场设备周期性产生数据，并将数据发送到作为簇首的路由设备，路由设备汇集接收各现场设备成员的数据；所述簇间通信阶段包括：路由设备将收集的现场设备数据转发至下一跳路由设备，直到转发至网关设备为止；

所述在中小规模WIA-PA网络中采用的基于回溯法的最优确定性调度方法包括：针对每条端到端数据流，以解空间树的形式表示调度数据流的所有候选解，每次对解空间树进行搜索时，首先判断当前步骤是否可调度，如果可调度，就从该步骤出发继续搜索下去；如果当前步骤不可调度，则逐步向其前一步回溯，尝试别的选择，避免不必要的搜索；具体步骤如下：

A1：根据所给定的可利用信道数M和超帧通信的时隙个数T，建立调度数据流的解空间树；解空间树的每层深度代表一个时隙，每层深度的前M条支路代表M条可用信道；每条支路对应一条可用信道偏移量，表示当前数据流在该时隙选择相应的信道进行通信；第M+1支路表示当前的数据流在当前时隙不进行任何通信链路安排；因此，解空间树为M+1叉树，各数据流在解空间树的每层深度都有M+1种调度选择；

A2：对所有t∈[1,T]、c∈[0,M-1]与n∈[1,N]，初始化调度结果S[t][c][n]＝0；其中，t表示当前时隙，c表示使用的信道偏移量，n表示当前数据流编号，N表示数据流数目，S表示调度解数组；

A3：选择一条未被调度的数据流Fn，从簇内通信阶段的首个时隙开始从解空间树的第一层深度搜索调度解；

A4：在搜索的每个时隙t，总是先选择信道偏移量c＝0的支路进行调度，并记S[t][c][n]＝1；每次调度时，进行可调度性判断；满足可调度性判断的条件有：a)当前时隙不超过截止时间；b)数据流的截止时隙与当前时隙之差不小于数据流所在路径的剩余跳数；c)当前时隙处于相应数据流的簇内通信或簇间通信阶段；d)当前时隙如果安排链路，该链路不与其它已有链路存在冲突；

A5：若当前时隙满足可调度性判断的所有条件，可以确定当前对时隙、信道和数据流的安排是可行的，并进入步骤A10；若当前时隙不满足可调度性判断的任一条件，则需重置当前时隙的调度安排，即S[t][c][n]＝0，并进入步骤A6～A8；

A6：如果不满足可调度条件a)或b)，当前数据流不可调度，将立即进行回溯，回溯时进入步骤A9；

A7：如果不满足可调度性的条件c)，进一步判断所处的通信阶段，若未到达相应的超帧阶段，则不安排链路；若超过相应的通信阶段，当前数据流不可调度，将立即进行回溯，进入步骤A9；

A8：如果不满足可调度性的条件d)，首先判断当前时隙是否已经到达超帧的最后一个时隙，若是在最后一个时隙，将进行回溯步骤A9；若不在最后一个时隙，进一步判断相互冲突的链路是否含有相同的通信设备；如果含有相同的通信设备，则当前数据流在当前时隙不安排链路；否则，将当前数据流安排在当前时隙的另一可用信道；

A9：回溯时，逐层回到祖先结点并选择另一分支继续搜索；当回溯到根结点时，将调度的数据流顺序进行调整，调整后的数据流重新设置为未调度状态，开始步骤A3；当完成所有全排列集合的数据流的解空间树搜索时，直接返回不可调度结果信息；

A10：当前时隙t＝t+1，进一步深度继续搜索调度解，重复A4与步骤A5，直到完成当前数据流的所有时隙与信道调度搜索；

A11：重复步骤A3～A6，直到完成所有数据流的所有时隙与信道调度搜索，最终返回关于S[t][c][n]的可调度解数组集合；

所述在大规模WIA-PA网络中，采用基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法包括：调度时，在每个时隙计算每条数据流的时间裕度，其值通过△_t＝d-t-r_t-α_t计算得到，其中，△_t、d、t、r_t和α_t分别代表时间裕度、截止时隙、当前时隙、剩余跳数和潜在的冲突时隙数；计算的时间裕度值越小，数据流的紧急程度越高，该数据流将优先被选择安排链路；相反，时间裕度值越大，数据流的紧急程度越小，该数据流将在时间裕度较小的数据流之后进行调度；具体步骤如下：

B1：在簇内通信阶段，以该阶段的首个时隙为起点，计算每个簇整体调度的时间裕度；由于簇内的数据所经过的路径一致，该阶段只需计算一次时间裕度，即取截止时隙最小的簇内数据流计算，即一个簇所有成员数据流的调度时间裕度用一个值△_t表示；△_t值越小，对应的簇成员数据流的调度优先级越高；计算△_t时，同时计算判断d-t-r_t≥0这一确定性调度的必要条件，只有满足此条件，数据流才可能调度成功，否则，直接返回不可调度结果；

B2：首先调度时间裕度最小的簇，如果有时间裕度相等的情况，则先调度距离网关较远的簇；簇内通信长度为簇成员所有数据流数目之和；簇内阶段调度时，因为整个簇的时间裕度大小相同，所以在簇内依次按照截止时间较早、更新周期较快和报文优先级较高的顺序进行时隙调度；

B3：针对当前时隙的另一可用信道，按照步骤B2的方法，进一步调度时间裕度次小的簇，直到完成簇内通信阶段的时隙调度；

B4：在簇间通信阶段，用于当前簇成员和经过该簇首的所有数据转发；转发时，在每个时隙，计算每条数据流的调度时间裕度，按照时间裕度从小到大的顺序进行调度；倘若时间裕度相等，依次按照截止时间较早、更新周期较快和报文优先级较高的顺序进行时隙调度；

B5：针对当前时隙的另一可用信道，按照同样的方法，进一步调度时间裕度次小的数据流，同时避免与已经调度的数据流产生冲突；一旦发生冲突，则当前时间裕度次小的数据流不安排链路，下一时隙到来时，其时间裕度进一步减小，具有更高的优先级，从而更可能被成功调度；

B6：进入下一个时隙，重复步骤B4～B5，直到完成转发所有数据流；如果调度时返回调度失败的结果，将通知用户进一步处理，措施包括更改数据流的应用需求或者切换至回溯法继续进行搜索。