CN106972987A - 智能电网中WirelessHART网络端到端数据传输的时延分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能电网中WirelessHART网络端到端数据传输的时延分析方法，属于智能电网技术领域。该方法将每个传输信道映射为一个处理器，从而将数据流映射为多处理器上执行的任务，根据调度算法分析数据流端对端传输时信道竞争引起的时延和传输冲突时引起的时延，将时延与数据流的截止时间进行对比，可以快速确定每个数据流的可调度性，为网络优化提供依据。

Description

智能电网中WirelessHART网络端到端数据传输的时延分析 方法

技术领域

本发明涉及一种智能电网中WirelessHART网络端到端数据传输的时延分析方法，属于智能电网技术领域。

背景技术

在我国电力行业中，智能电网已日渐成为电网建设和发展的重要分支。作为技术支撑，传统的有线通信技术已经不能满足智能电网智能化、自动化的发展要求，在此背景下，无线通信技术凭借其带宽大、传输距离远、灵活性强、扩展方便的特点在智能电网中得到广泛应用。但其仍存在时延不稳定、信号易被截获，可靠性安全性相对较低的问题。其中安全性问题通过信息隐藏新技术得到极大改善，而目前由于时延抖动带来的可靠性缺失问题仍没有得到有效解决。因此，通过对智能电网中应用的典型无线技术进行端到端时延分析进而制定可靠的稳定时延方案具有重要应用价值与现实意义，特别是针对当前得到广泛关注的WirelessHART无线通信标准。

目前，无线网络中的实时传输调度已经得到广泛研究，然而，其中大部分都未涉及WirelessHART网络。在一些文献中研究了基于CSMA/CA协议的调度，但WirelessHART中普遍采用基于TDMA的协议来实现可预测延迟调度。虽然也有文献研究了基于TDMA的调度，但是这些工作不关注于可调度性或延迟分析。因此，现阶段针对WirelessHART网络端到端时延分析的重点是如何建立时延分析模型，在给定网络拓扑、数据流以及数据包的情况下得到端到端时延上限。因此，该研究内容具有重要的研究价值。

发明内容

本发明要解决技术问题是：提供一种基于智能电网中WirelessHART无线网络对每个已知数据流进行有效端到端时延分析的方法，该方法可以快速确定每个数据流的可调度性，为网络优化提供依据。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种智能电网中WirelessHART网络端到端数据传输的时延分析方法，若一个实时工作负载F包含n个数据流，即F＝{F₁，F₂，...，F_n}，实时工作负载F的数据流按其优先级的降序排列，WirelessHART网络中有多个具有相同能力的传输信道上进行调度，所有的数据流共享m个可串行使用的资源l₁,l₂,...,l_m；数据流F_i进行端对端传输的时延分析包括以下步骤：

一、最大阻塞时间分析

数据流F_i的传输周期为T_i、预设的截止时间为d_i，将每个传输信道映射为一个处理器，从而将数据流F_i映射为多处理器上执行的周期为T_i、优先级与F_i相同的任务，1≤i≤n；数据流F_i的WCPT值为e_i，表示数据流F_i的最坏情况处理时间；数据流F_i的WCRT值为r_i，表示数据流F_i中的数据包响应时间的最大值；数据流F_i访问资源l_q的最大次数为N_i,q，数据流F_i使用资源l_q作为单一访问的最大持续时间为L_i,q；

对于任一个比数据流F_i高优先级的数据流F_x，1≤x＜i，表示数据流F_x传输时对数据流F_i端到端传输过程中针对资源l_q的第v个请求，表示由于数据流F_i执行请求带来的真实阻塞，1≤q≤m，相应的阻塞比例表示如下：

令实时工作负载F中与数据流F_i分配于同一信道的数据流组成局部数据流集合F^l，与数据流F_i分配于同一信道的数据流组成远端数据流集合F^r，则最大阻塞时间的边界函数为：

式中，为最大本地阻塞时间的边界；

为最大远程阻塞时间的边界；

表示数据流F_x在端到端传输过程中请求资源l_q的次数；

二、响应时延分析

利用响应时间分析方法确定每个数据流F_i的WCRT值r_i，即结合所述最大阻塞时间的边界函数对以下迭代式进行迭代运算：

其中r_i ⁽⁰⁾＝e_i，Ch(F_i)为数据流F_i所处的信道，Ch(F_h)为数据流F_h所处的信道；

在迭代计算过程中，当r_i ^(u)＝r_i ^(u-1)时，取r_i＝r_i ^(u)，即得到数据流F_i的WCRT值r_i。

如果每个数据流F_i的WCRT值r_i小于或等于其截止时间，即对于每个F_i均满足r_i≤d_i，每个数据流F_i的可调度性得到保障，则该工作负载F(数据流集合)一定是可调度的。相反，如果对于至少一个F_i，r_i＞d_i，则数据流集合被判断为不可调度。通过以上分析，可以为网络优化及确定数据流调度策略提供科学依据。

需要说明的是：每个数据流的WCPT(worst-case process time)是指该数据流的最坏情况处理时间，该处理时间为已知量。每个数据流的WCRT(worst-case responsetime)表示该数据流中的数据包响应时间的最大值。

本发明的基于WirelessHART无线网络的端到端时延分析方法，通过映射将混合关键度数据流传输映射为分区多处理器CPU调度，将每个传输信道映射为一个处理器，其优点是可在分区多处理器CPU调度的时延分析方法基础上通过改进使之匹配智能电网中无线网络的端到端时延分析，从而避免设计一个全新算法带来的难度和不可靠性能。

本发明的数据流采用固定优先级，即每个流都有固定优先级，按优先级从高到低进行调度。这属于调度问题中的静态调度问题，是无线网络端到端时延分析中普遍需要考虑的方面。本发明数据流以静态方式分配给传输信道(映射为处理器)，即编译时就可以对就绪数据流安排调度顺序并确定在哪个信道上进行调度，只要预先知道数据流的相关情况，可以在离线的情况下预先对数据流进行调度，不但运行过程变化不大，而且调度开销小。

通过研究发现，无线通信端到端传输时的时延抖动主要由等待时延产生，特别是信道竞争引起的，这是由于系统资源有限，对于待调度数据流无可用信道，该数据流必须等待由此引发时延，而上述技术方案正是用于分析信道竞争引起的时延。

但是除了信道竞争引起的时延外，等待时延还有可能包括传输冲突引起的时延，即假定一个时隙T，如果释放的数据流与该时隙已经调度的数据流共享同一节点，鉴于一个节点在一个时隙中只能为一个数据流服务的原则，该低优先级流将被延迟从而引起时延。当存在传输冲突时，如不考虑传输冲突引起的时延，将导致端到端传输时的时延分析结果不精确，为此，本发明对上述技术方案进行了进一步改进如下：

数据流F_i进行端对端传输的时延还包括传输冲突时延，即当数据流F_i与高优先级数据流F_k传输发生冲突时，1≤k＜i，属于较低优先级的数据流F_i需要被延迟；其延迟规则为：假设数据流F_k沿链路li_k传输，数据流F_i沿链路li_i传输，当链路li_k和链路li_i有公共节点时，若链路li_k是专用链路，链路li_i是共享或专用链路，则数据流F_i的传输将被延迟；若链路li_k是共享链路，链路li_i是专用链路，则数据流F_i的传输将被延迟；若链路li_k和链路li_i均是共享链路，两个链路的接收机节点不同，则数据流F_i的传输将被延迟；若链路li_k和链路li_i均是共享链路，两个链路的接收机节点相同，则数据流F_i的传输不会被延迟；

所述WirelessHART网络中的所有节点组成路由图，通过深度优先搜索算法找到所述路由图中数据流F_k产生最大冲突延迟的链路作为其瓶颈路径；在数据流F_i进行端对端传输时，数据流F_k沿其瓶颈路径给数据流F_i带来的延迟记为冲突延迟上界所述冲突延迟上界为瓶颈路径的所有节点中数据流F_k对数据流F_i产生的冲突时延之和；

由于数据流F_i的截止时间为d_i，数据流F_k的传输周期为T_k，因此数据流F_k对数据流F_i造成的总时延上限为在d_i时间间隔内，数据流F_i从所有较高优先级数据流所经历的总延迟上限记为Δ_i(d_i)，即

此时，利用响应时间分析方法确定每个数据流F_i的WCRT值r_i时迭代式为：

其中r_i ⁽⁰⁾＝e_i；h∈[1,i-1]，即数据流F_h的优先级高于数据流F_i的优先级；Ch(F_i)为数据流F_i所处的信道，Ch(F_h)为数据流F_h所处的信道。

根据以上改进，在分析端对端时延时，需要将两类时延综合考虑得到每个数据流的端到端时延上限，但当数据流未与高优先级数据流冲突时，可仅分析竞争时延。

本发明基于映射思想，将混合关键度数据流传输映射为分区多处理器CPU调度，从而可在后者已有的时延分析方法基础上通过改进使之匹配智能电网中无线网络的端到端时延分析，避免了设计一个全新算法带来的难度和不可靠性能；最终针对无线网络时延的不稳定问题，进行了最坏情况估计来确定时延上界，从而为网络优化和数据流调度提供了科学依据。

具体实施方式

实施例一

本实施例中一个实时工作负载F包含n个数据流，即F＝{F₁，F₂，...，F_n}，实时工作负载F的数据流按其优先级的降序排列，WirelessHART网络中有多个具有相同能力的传输信道上进行调度，所有的数据流共享m个可串行使用的资源l₁,l₂,...,l_m。

数据流F_i进行端对端传输的时延分析包括以下步骤：

一、最大阻塞时间分析

数据流F_i的传输周期为T_i、预设的截止时间为d_i，将每个传输信道映射为一个处理器，从而将数据流F_i映射为多处理器上执行的周期为T_i、优先级与F_i相同的任务，1≤i≤n；数据流F_i的WCPT值为e_i，表示数据流F_i的最坏情况处理时间；数据流F_i的WCRT值为r_i，表示数据流F_i中的数据包响应时间的最大值；数据流F_i访问资源l_q的最大次数为N_i,q，数据流F_i使用资源l_q作为单一访问的最大持续时间为L_i,q；截止时间d_i是数据流可容忍的最大时延，即当数据流遭遇的延迟大于截止时间则判断该数据流不可调度通常截止时间d_i小于传输周期T_i。

对于任一个比数据流F_i高优先级的数据流F_x，1≤x＜i，表示数据流F_x传输时对数据流F_i端到端传输过程中针对资源l_q的第v个请求，表示由于数据流F_i执行请求带来的真实阻塞，1≤q≤m，相应的阻塞比例表示如下：

可以很容易地知道，

令实时工作负载F中与数据流F_i分配于同一信道的数据流组成局部数据流集合F^l，与数据流F_i分配于同一信道的数据流组成远端数据流集合F^r，则最大阻塞时间的边界函数为：

式中，为最大本地阻塞时间的边界；

为最大远程阻塞时间的边界；

表示数据流F_x在端到端传输过程中请求资源l_q的次数；

二、响应时延分析

利用响应时间分析方法确定每个数据流F_i的WCRT值r_i，即结合所述最大阻塞时间的边界函数对以下迭代式进行迭代运算：

其中r_i ⁽⁰⁾＝e_i；h∈[1,i-1]，即数据流F_h的优先级高于数据流F_i的优先级；Ch(F_i)为数据流F_i所处的信道，Ch(F_h)为数据流F_h所处的信道；

在迭代计算过程中，当r_i ^(u)＝r_i ^(u-1)时，取r_i＝r_i ^(u)，即得到数据流F_i的WCRT值r_i。

如果每个数据流F_i的WCRT值r_i小于或等于其截止时间，即对于每个F_i均满足r_i≤d_i，每个数据流F_i的可调度性得到保障，则该工作负载F(数据流集合)一定是可调度的。相反，如果对于至少一个F_i，r_i＞d_i，则数据流集合被判断为不可调度。通过以上分析，可以为网络优化及确定数据流调度策略提供科学依据。

实施例二

实施例一仅考虑了信道竞争引起的时延，但传输冲突是可能存在的，为了提高时延分析的准确度，本实施例是在实施例一基础上进行了改进，将传输冲突时延也作了分析。本实施例与实施一的不同之处在于：

数据流F_i进行端对端传输的时延还包括传输冲突时延，即当数据流F_i与高优先级数据流F_k传输发生冲突时，1≤k＜i，属于较低优先级的数据流F_i需要被延迟；其延迟规则为：假设数据流F_k沿链路li_k传输，数据流F_i沿链路li_i传输，当链路li_k和链路li_i有公共节点时，若链路li_k是专用链路，链路li_i是共享或专用链路，则数据流F_i的传输将被延迟；若链路li_k是共享链路，链路li_i是专用链路，则数据流F_i的传输将被延迟；若链路li_k和链路li_i均是共享链路，两个链路的接收机节点不同，则数据流F_i的传输将被延迟；若链路li_k和链路li_i均是共享链路，两个链路的接收机节点相同，则数据流F_i的传输不会被延迟。

所述WirelessHART网络中的所有节点组成路由图，通过深度优先搜索算法找到所述路由图中数据流F_k产生最大冲突延迟的链路作为其瓶颈路径；深度优先搜索算法也就DFS算法，为现有技术，可参考相关文献，不再赘述。在数据流F_i进行端对端传输时，数据流F_k沿其瓶颈路径给数据流F_i带来的延迟记为冲突延迟上界所述冲突延迟上界为瓶颈路径的所有节点中数据流F_k对数据流F_i产生的冲突时延之和。

由于数据流F_i的截止时间为d_i，数据流F_k的传输周期为T_k，因此数据流F_k对数据流F_i造成的总时延上限为在d_i时间间隔内，数据流F_i从所有较高优先级数据流所经历的总延迟上限记为Δ_i(d_i)，即

此时，利用响应时间分析方法确定每个数据流F_i的WCRT值r_i时迭代式为：

其中r_i ⁽⁰⁾＝e_i；h∈[1,i-1]，即数据流F_h的优先级高于数据流F_i的优先级；Ch(F_i)为数据流F_i所处的信道，Ch(F_h)为数据流F_h所处的信道。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换形成的技术方案，均为本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种智能电网中WirelessHART网络端到端数据传输的时延分析方法，若一个实时工作负载F包含n个数据流，即F＝{F₁，F₂，...，F_n}，实时工作负载F的数据流按其优先级的降序排列，WirelessHART网络中有多个具有相同能力的传输信道上进行调度，所有的数据流共享m个可串行使用的资源l₁,l₂,...,l_m；数据流F_i进行端对端传输的时延分析包括以下步骤：

一、最大阻塞时间分析

数据流F_i的传输周期为T_i、预设的截止时间为d_i，将每个传输信道映射为一个处理器，从而将数据流F_i映射为多处理器上执行的周期为T_i、优先级与F_i相同的任务，1≤i≤n；数据流F_i的WCPT值为e_i，表示数据流F_i的最坏情况处理时间；数据流F_i的WCRT值为r_i，表示数据流F_i中的数据包响应时间的最大值；数据流F_i访问资源l_q的最大次数为N_i,q，数据流F_i使用资源l_q作为单一访问的最大持续时间为L_i,q；

对于任一个比数据流F_i高优先级的数据流F_x，1≤x＜i，表示数据流F_x传输时对数据流F_i端到端传输过程中针对资源l_q的第v个请求，表示由于数据流F_i执行请求带来的真实阻塞，1≤q≤m，相应的阻塞比例表示如下：

$X_i^{x,q,v}=\frac{b_i^{x,q,v}}{L_{x,q}};$

令实时工作负载F中与数据流F_i分配于同一信道的数据流组成局部数据流集合F^l，与数据流F_i分配于同一信道的数据流组成远端数据流集合F^r，则最大阻塞时间的边界函数为：

$b_i=b_i^l+b_i^r,$

式中，为最大本地阻塞时间的边界；

为最大远程阻塞时间的边界；

表示数据流F_x在端到端传输过程中请求资源l_q的次数；

二、响应时延分析

利用响应时间分析方法确定每个数据流F_i的WCRT值r_i，即结合所述最大阻塞时间的边界函数对以下迭代式进行迭代运算：

其中r_i ⁽⁰⁾＝e_i；h∈[1,i-1]，即数据流F_h的优先级高于数据流F_i的优先级；Ch(F_i)为数据流F_i所处的信道，Ch(F_h)为数据流F_h所处的信道；

在迭代计算过程中，当r_i ^(u)＝r_i ^(u-1)时，取r_i＝r_i ^(u)，即得到数据流F_i的WCRT值r_i。

2.根据权利要求1所述的智能电网中WirelessHART网络端到端数据传输的时延分析方法，其特征在于：数据流F_i进行端对端传输的时延还包括传输冲突时延，即当数据流F_i与高优先级数据流F_k传输发生冲突时，1≤k＜i，属于较低优先级的数据流F_i需要被延迟；其延迟规则为：假设数据流F_k沿链路li_k传输，数据流F_i沿链路li_i传输，当链路li_k和链路li_i有公共节点时，若链路li_k是专用链路，链路li_i是共享或专用链路，则数据流F_i的传输将被延迟；若链路li_k是共享链路，链路li_i是专用链路，则数据流F_i的传输将被延迟；若链路li_k和链路li_i均是共享链路，两个链路的接收机节点不同，则数据流F_i的传输将被延迟；若链路li_k和链路li_i均是共享链路，两个链路的接收机节点相同，则数据流F_i的传输不会被延迟；

所述WirelessHART网络中的所有节点组成路由图，通过深度优先搜索算法找到所述路由图中数据流F_k产生最大冲突延迟的链路作为其瓶颈路径；在数据流F_i进行端对端传输时，数据流F_k沿其瓶颈路径给数据流F_i带来的延迟记为冲突延迟上界所述冲突延迟上界为瓶颈路径的所有节点中数据流F_k对数据流F_i产生的冲突时延之和；

由于数据流F_i的截止时间为d_i，数据流F_k的传输周期为T_k，因此数据流F_k对数据流F_i造成的总时延上限为在d_i时间间隔内，数据流F_i从所有较高优先级数据流所经历的总延迟上限记为Δ_i(d_i)，即

此时，利用响应时间分析方法确定每个数据流F_i的WCRT值r_i时迭代式为：

其中r_i ⁽⁰⁾＝e_i；h∈[1,i-1]，即数据流F_h的优先级高于数据流F_i的优先级；Ch(F_i)为数据流F_i所处的信道，Ch(F_h)为数据流F_h所处的信道。