CN106488570A - 一种适用于wia‑pa工业无线网络的资源调度算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于WIA‑PA工业无线网络的资源调度算法，属于工业无线网络技术领域。该算法包括簇间资源调度阶段和簇内资源调度阶段，所述簇间资源调度阶段采用图顶点着色资源调度算法，用于最小化超帧长度，提高网络吞吐量；所述簇内资源调度阶段采用时隙下限值分析方法，用于分配簇首和簇成员之间的相互通信，还包括信道协商资源调度算法，为所有邻居节点分配不同信道，避免冲突。本发明实现了WIA‑PA网络应用与工业现场进行有效数据传输，且最小化超帧长度，提高了数据传输网络吞吐量，对簇内资源进行了合理的分配，提高了网络数据传输的可靠性。

Description

一种适用于WIA-PA工业无线网络的资源调度算法

技术领域

本发明属于工业无线网络技术领域，涉及一种适用于WIA-PA工业无线网络的资源调度算法。

背景技术

WIA-PA工业无线网络是面向过程自动化的无线数据传输解决方案，将WIA-PA无线技术应用到工业现场，具有低成本、易维护、高灵活、易扩展的优势，但是也带来诸如：数据传输可靠性不高及网络吞吐量低等问题。

为了实现工业WIA-PA网络实时可靠的数据传输，并满足工业现场对大量数据传输的高吞吐量需求，需要在WIA-PA网络的簇间和簇内通信段，分别对时隙和信道资源进行合理的调度分配。基于不同传输链路之间可能存在的相互干扰，通过对各链路上不同负载量的时隙需求、链路负载的动态变化以及信道选择上冲突避免的充分考虑，采用合理的调度机制，实现通信资源的有效分配，以保证大规模数据的可靠实时传输。

通信资源调度技术是工业无线通信中最为核心的一项技术，目前通信资源调度算法的主要研究热点是多信道数据通信，即最大化时隙空间的重用率，但是当前的资源调度算法大多还是以固定的分配释放为主，控制开销比较大，没有充分考虑到工业无线网络的复杂性，存在较高的算法复杂度，对网络链路负载的差异性以及动态变化考虑较少。

因此，有必要对通信资源调度技术进行深入研究，设计合理、高效的资源调度算法，以提高数据传输的可靠性及网络吞吐量。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种适用于WIA-PA工业无线网络的资源调度算法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于WIA-PA工业无线网络的资源调度算法，包括簇间资源调度阶段和簇内资源调度阶段，所述簇间资源调度阶段采用图顶点着色资源调度算法，用于最小化超帧长度，提高网络吞吐量；所述簇内资源调度阶段采用时隙下限值分析方法，用于分配簇首和簇成员之间的相互通信，还包括信道协商资源调度算法，为所有邻居节点分配不同信道，避免冲突。

进一步的，簇间资源调度的结果通过子调度抽取算法分发给网络中的路由设备，从而获取对应的子调度。

进一步的，所述图顶点着色资源调度算法是基于链路负载对时隙的差异性需求以及链路间的相互冲突关系，将网络有向图转化为链路冲突关系图，并最终转化为冲突矩阵，按度数排序依次找出各链路对应的极大独立集进行着色，根据不同着色依次分配时隙，相同着色链路可在同一时隙范围内进行数据传输。

进一步的，所述时隙下限值分析方法为：在考虑簇内现场设备的数据更新率保持一致前提下，簇成员将所产生数据发送给簇首所需时隙数的下限值为簇内设备数的最大值，簇内设备按标识符从小到大的顺序排列，以此选择未被占用的时隙。

进一步的，所述信道协商资源调度算法为：某簇内发送节点通过发送请求消息把相关信息发送给邻居节点，邻居节点收到后，查询本节点维持的信道状态表CST，从而选择可用的通信信道，并通过发送本节点的CST消息通知对方，或通过CST消息建议其他信道请求，以此进行不同簇间邻居节点的信道协商。

进一步的，所述子调度抽取算法包含以下要素：

1)路由设备将抽取得到的子调度存储到二维数组S'[t][2]中，其中：

S'[t][0]存储设备在时隙t上的工作状态；

S'[t][1]则用于存储设备在时隙t上的信道偏移量；

2)对于时隙t，路由设备R_i抽取子调度：

如果S[t][ch]＝R_i，则R_i工作在发送状态，且信道偏移量为ch；

如果S[t][ch]＝R_i+1，则R_i工作在接收状态，且信道的偏移量为ch；

如果以上两条均不满足，则R_i工作在休眠状态。

进一步的，所述图顶点着色资源调度算法具体包括以下步骤：

S1：通过给定有向图G(V,E)及其冲突关系集合I＝{I(V_i,V_j)|(V_i,V_j)∈E}，构建出冲突图G_c＝(V_c,E_c)，并考虑链路上的时隙需求向量

S2：构造r-冲突图rG_c＝(rV_c,rE_c)，其中，用表示r-冲突图的顶点，ω_ij表示链路所需的时隙数，从而得到链路的冲突矩阵；

S3：根据S2中得到冲突矩阵，将顶点度数从高到低进行排序，依次找出各顶点对应的极大独立集，为每一个独立集使用一种颜色进行着色，其中每一种颜色都对应为链路通信中的时隙；

S4：若网络流量发生改变，即每条链路上的时隙需求向量发生改变，则重新执行S1至S3步骤，重新分配无线通信资源。

进一步的，所述信道协商资源调度算法，包括如下步骤：

1)超帧中的信道调度阶段，发送节点计算本节点用户数据传输占用某个信道所需要的开始时间、持续时间，通过发送请求RTS消息被相关信息发送给邻居节点；

2)节点在接收到RTS包之后，查找本节点的信道状态表CST，检查主信道或备用信道是否可用，从中进行选择或建议使用其他信道，并将结果CST消息告知发送节点；

3)发送节点侦听到CST信息后，若消息是对主信道或备用信道的确认则使用该信道，若消息是对其他信道的建议，则通过CST对所推荐信道进行分析是否可用，若可用则选择该信道，若不可用则退避进行协商。

本发明的有益效果在于：本发明实现了WIA-PA网络应用与工业现场进行有效数据传输，且最小化超帧长度，提高了数据传输网络吞吐量，对簇内资源进行了合理的分配，提高了网络数据传输的可靠性。

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为本发明整体框架图；

图2为有向图G的冲突图和r-冲突图；

图3为r-冲突图的等价冲突图；

图4为链路冲突矩阵图；

图5为簇间时隙结果分配图；

图6为簇间通信资源调度算法实现流程图；

图7为簇内通信时隙分配图；

图8为簇内通信资源调度算法实现流程图。

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。

结合图1，即本发明的整体框架图看，本发明主要包括三个算法：基于图顶点着色的簇间资源调度算法、簇内通信时隙下限值分析方法以及基于信道协商的簇内通信资源调度算法。

一、基于图顶点着色的簇间资源调度算法

STEP 1：构建冲突图：从WIA-PA管理信息库中获取的链路信息，需要转换成链路的冲突图，需要做的是，从链路资源库中获取链路ID(Link ID)、链路的发送端(Link Send)、链路的接收端(Link Receive)以及链路上的时隙需求(Link Slot Num)，构建一个新的节点结构体用于中间缓存这些信息。如果链路上的时序需求大于1，则相应派生出Link SlotNum个顶点，冲突图的顶点用来表示链路，所以派生出的新顶点与其它顶点的冲突关系与原顶点相同，派生顶点之间为冲突关系。两条链路之间存在冲突关系，则在顶点之间建立一条边，在实现的时候通过为其分配一个二维数组，存储链路之间的冲突关系，形成冲突矩阵。若链路间存在冲突则设置值为1，否则为0。

STEP 2：求顶点度数：按公式计算顶点的度，也就是计算顶点与多少个顶点存在冲突关系，代码中可以通过冲突矩阵比较轻松得出，也就是计算冲突矩阵中某行或者某列中1的个数，因为冲突矩阵是一个对称矩阵。

STEP3：排序并压入堆栈中：按顶点度数从高到低排序，如果顶点度数相同则随机排列，排序后分别压入堆栈中(按先进先出原则)，并初始化独立集、顶点集、颜色集，全部置为空集，即全为0。

STEP4：构建极大独立集：首先从顶点栈中弹出一个顶点(弹出的顶点都为当前顶点度数最大的顶点)，搜索相应维数的二维数组，也就是按顶点度数的递减顺序搜索冲突矩阵相应行中值为0所对应的顶点，接着判断所搜索的边与独立中的元素是否存在冲突，如果不冲突，则将搜索边加入独立集中，并将已经加入独立集中的顶点的索引设置为0，表示已经加入独立集，下次搜索时不再搜索。如此反复执行，知道顶点栈为空为止。

二、簇内通信时隙下限值分析方法

簇内时隙通信段是设计用来分配簇首及簇成员之间的相互通信。由于在工业无线网络中的节点通常只安装一套射频装置，所以受到射频收发模块(single input singleoutput,SISO)工作模式的影响，节点间进行单播通信时需要采用TDMA技术。

由于簇内设备与簇首之间采用星型网络拓扑，彼此间只有一跳的距离，因此簇内的所有设备彼此之间相互干扰，簇首在单个时隙内只能接收到一个簇成员的数据。因此，工业无线网络中担当簇首的路由设备R_i，接收其簇成员发出的数据所需要的时隙数，即为其所有簇成员所需时隙数的累加总和。本发明中，要求单个簇内现场设备的数据更新率保持一致，因此以R_i为簇首的簇中，完成簇内汇聚传输所需时隙数的下限值即为其簇成员的数量。

同时，要求网络中的所有设备必须进行精确的时间同步，并设计超帧结构和大小相同的簇首路由设备。最后，可以得到簇内通信时隙段的最小时隙数为网络中的所有簇中簇内设备数的最大值，这样超帧周期中空闲的时隙可以预留给待加入的设备。

簇内通信时隙分配实例如图7中所示，其中R₁用来表示路由设备，终端设备F₁₁,F₁₂和F₁₃构成簇首R₁的簇成员。终端设备F₁₁,F₁₂,F₁₃要将数据发送给路由设备R₁，根据上文所述，总共需要3个时隙。

三、基于信道协商的簇内通信资源调度算法

由于簇内通信发生在超帧的簇内通信段，全网所有簇同时进行数据传输，为避免冲突，为所有邻居节点分配不同信道，具体实施方法如下：

STEP 1：发送节点通过控制信道发送Hello消息，更新或者维护信道状态表CST，邻居节点在收到Hello消息后，发现该消息中包含CST信息，则修改CST信息。

STEP2：发送节点通过计算本节点数据传输占有信道所需要的开始时间、持续时间，发送请求(request-to-send,RTS)消息把相关信息发送给邻居节点。

STEP3：节点在收到包含相关信息的RTS包之后，查找本节点维持的CST，首先检查的就是当前CST信息中的主信道或备用信道是否可用，如果可用，则通过发送本节点的CST消息将选择的结果通知对方。此时，若不可用，就需要对本节点的CST信息进行分析，计算本节点建议使用的可用信道，并将结果CST消息告知发送节点。

STEP4：发送节点侦听到CST消息之后，发现该消息是对本节点的主信道或者备用信道的确认，则本节点就用所协商好的信道进行数据的通信，如果发现收到的消息是对方节点建议本节点使用的信道，则本节点需要进一步检查CST，判断该建议节点是否能够使用，若可用，则按照建议信道进行数据的传输，否则按退避规则进行退避，与邻居节点进行重新协商。

STEP5：如果信道选择成功，发送节点就更新自身节点的CST，并且通过控制信道向邻居节点发送信道选择响应。

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 (8)

1.一种适用于WIA-PA工业无线网络的资源调度算法，其特征在于：包括簇间资源调度阶段和簇内资源调度阶段，所述簇间资源调度阶段采用图顶点着色资源调度算法，用于最小化超帧长度，提高网络吞吐量；所述簇内资源调度阶段采用时隙下限值分析方法，用于分配簇首和簇成员之间的相互通信，还包括信道协商资源调度算法，为所有邻居节点分配不同信道，避免冲突。

2.根据权利要求1所述的一种适用于WIA-PA工业无线网络的资源调度算法，其特征在于：簇间资源调度的结果通过子调度抽取算法分发给网络中的路由设备，从而获取对应的子调度。

3.根据权利要求1所述的一种适用于WIA-PA工业无线网络的资源调度算法，其特征在于：所述图顶点着色资源调度算法是基于链路负载对时隙的差异性需求以及链路间的相互冲突关系，将网络有向图转化为链路冲突关系图，并最终转化为冲突矩阵，按度数排序依次找出各链路对应的极大独立集进行着色，根据不同着色依次分配时隙，相同着色链路可在同一时隙范围内进行数据传输。

4.根据权利要求1所述的一种适用于WIA-PA工业无线网络的资源调度算法，其特征在于，所述时隙下限值分析方法为：在考虑簇内现场设备的数据更新率保持一致前提下，簇成员将所产生数据发送给簇首所需时隙数的下限值为簇内设备数的最大值，簇内设备按标识符从小到大的顺序排列，以此选择未被占用的时隙。

5.根据权利要求1所述的一种适用于WIA-PA工业无线网络的资源调度算法，其特征在于：所述信道协商资源调度算法为：某簇内发送节点通过发送请求消息把相关信息发送给邻居节点，邻居节点收到后，查询本节点维持的信道状态表CST，从而选择可用的通信信道，并通过发送本节点的CST消息通知对方，或通过CST消息建议其他信道请求，以此进行不同簇间邻居节点的信道协商。

6.根据权利要求2所述的一种适用于WIA-PA工业无线网络的资源调度算法，其特征在于：

所述子调度抽取算法包含以下要素：

1)路由设备将抽取得到的子调度存储到二维数组S'[t][2]中，其中：

S'[t][0]存储设备在时隙t上的工作状态；

S'[t][1]则用于存储设备在时隙t上的信道偏移量；

2)对于时隙t，路由设备R_i抽取子调度：

如果S[t][ch]＝R_i，则R_i工作在发送状态，且信道偏移量为ch；

如果S[t][ch]＝R_i+1，则R_i工作在接收状态，且信道的偏移量为ch；

如果以上两条均不满足，则R_i工作在休眠状态。

7.根据权利要求3所述的一种适用于WIA-PA工业无线网络的资源调度算法，其特征在于：

所述图顶点着色资源调度算法具体包括以下步骤：

S1：通过给定有向图G(V,E)及其冲突关系集合I＝{I(V_i,V_j)|(V_i,V_j)∈E}，构建出冲突图G_c＝(V_c,E_c)，并考虑链路上的时隙需求向量

S2：构造r-冲突图rG_c＝(rV_c,rE_c)，其中，用表示r-冲突图的顶点，ω_ij表示链路所需的时隙数，从而得到链路的冲突矩阵；

S3：根据S2中得到冲突矩阵，将顶点度数从高到低进行排序，依次找出各顶点对应的极大独立集，为每一个独立集使用一种颜色进行着色，其中每一种颜色都对应为链路通信中的时隙；

S4：若网络流量发生改变，即每条链路上的时隙需求向量发生改变，则重新执行S1至S3步骤，重新分配无线通信资源。

8.根据权利要求5所述的一种适用于WIA-PA工业无线网络的资源调度算法，其特征在于：

所述信道协商资源调度算法，包括如下步骤：

1)超帧中的信道调度阶段，发送节点计算本节点用户数据传输占用某个信道所需要的开始时间、持续时间，通过发送请求RTS消息被相关信息发送给邻居节点；

2)节点在接收到RTS包之后，查找本节点的信道状态表CST，检查主信道或备用信道是否可用，从中进行选择或建议使用其他信道，并将结果CST消息告知发送节点；

3)发送节点侦听到CST信息后，若消息是对主信道或备用信道的确认则使用该信道，若消息是对其他信道的建议，则通过CST对所推荐信道进行分析是否可用，若可用则选择该信道，若不可用则退避进行协商。