CN107276628B

CN107276628B - 一种tsch模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法

Info

Publication number: CN107276628B
Application number: CN201710455778.5A
Authority: CN
Inventors: 魏旻; 庞巧月; 卓兰; 胡静宜; 王平; 杨宏
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications; China Electronics Standardization Institute
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications; China Electronics Standardization Institute
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2037-06-09
Also published as: CN107276628A

Abstract

本发明公开了一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，旨在提高工业无线网络的确定性、可靠性问题并降低网络时延，该方法能够确保网络的确定性调度，从而实现高可靠性；在该方法的调度机制下，现场设备根据更新周期优先级高低发送数据到路由设备；在路由设备处，路由设备接收现场设备数据，按照数据优先级选择存储堆栈，并在网络通信量过大时，将来自不同现场设备的数据按照数据优先级进行聚合生成数据包，然后按照数据优先级转发数据包。此调度方式采用了更新周期优先级、数据优先级等方式保证每个现场设备都有将数据发送到网关的机会，提高网络确定性及可靠性，采用聚合方式减少网络数据传输次数，减少网络传输开销，从而实现低时延。

Description

一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法

技术领域

本发明属于无线网络技术领域，特别涉及一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法。

背景技术

确定性调度是工业无线网络的核心问题，IEEE 802.15.4e对IEEE 802.15.4进行了完善和修改，增加了为工业无线应用特别设计的MAC层，试图解决确定性和可靠性的问题，为此IEEE 802.15.4e规定了3种超帧结构：

其一为DSME(deterministic and synchronous multichannel extension)多超帧结构，具体格式由协调器定义，协调器会周期性地发送具有DSME PAN描述符IE(Information Element)的增强信标(EB)。多超帧是重复超帧的循环，每个重复超帧由信标帧，竞争接入周期(CAP)和无竞争周期(CFP)组成。

其二为基于LL(low latency)信标帧的超帧结构，超帧被划分为信标时隙、0或2个管理时隙以及与macLLDNnum TimeSlots等长的时隙数。

其三为在TSCH PAN(Personal Area Networks，个域网)中使用的时隙帧结构。时隙(Timeslot)是数据传输的最小时间单位，长度可配置，超帧是多个时隙的组合，在TSCHPAN中超帧的概念被替换为时隙帧。

首先，TSCH(Timeslotted Channel Hopping)是基于IEEE 802.15.4e的一种模式，支持时隙跳频。对于每个预调度单元(cell)，调度表都为其指定了时隙偏移及信道偏移。在完整的调度表中，当节点A在信道偏移6上有到节点B的发送单元(cell)，则在相同的信道上节点B有来自节点A的接收单元(cell)。不同的频率下，信道偏移的可用数量不同，以IEEE802.15.4为例，在2.4GHz的频率下，可用信道偏移值为16，即有16个可用信道。

互相通信的两个节点能够根据函数F将信道偏移值转变为频率来表示：

Frequency＝F{(ASN+Channloffset)mod nFreq}

其中ASN为绝对时隙数，nFreq为可用频率值。

在一个预调度单元内，通信双方在调度表中有相同的信道偏移值及绝对时隙数，根据上述公式计算得出相同的频率。然而在下一个时隙中，虽然通信双方的信道偏移相同，绝对时隙数却改变了，导致计算出的频率不同，从而两个节点一起跳频。

基于TSCH的工业无线网络使用基于时隙帧结构的超帧进行网络资源调度；时隙帧定义了节点间的通信时段，时隙帧根据网络中设备的共享时间概念自动重复。与以上两种超帧结构不同，时隙帧不需要信标来发起通信，且节点间的通信方式不确定，可以是CSMA-CA或其它确定的方式。

与超帧不同，设备申请入网时在时隙帧中分配的时隙最初通过信标通信，但当设备入网络后，设备的时隙分配通常由OSI 7层模型中的更高层决定(如：MAC层)。TSCH网络中虽然存在增强信标EB(Enhanced Beacon)，16个信道上都有各自的EB发送，但它不用于发起通信，只用于新节点入网。在LLDN中，当设备想要同协调器发起通信时，首先需要监听网络信标，从而发起通信；而在TSCH PAN网络中，只有当节点入网时，才需监听16个信道中的EB，从而选择从哪个信道入网。

IEEE 802.15.4e的规范中，给出了时隙帧结构的使用方法，但并没有给出TSCH模式下的具体网络资源调度方法，导致基于IEEE 802.15.4e的网络在TSCH模式的部署难度很大，如何根据网络的设备采集周期、数据优先级、信道质量等参数，对网络资源进行调度和分配是当前面临的主要问题。已有的MAC层调度方法并不能直接应用在TSCH MAC层上，以OTF(On-The-Fly)分布式调度方法为例，它只用于单跳通信，不能保证全局Qos(Quality ofService)；以TASA(traffic Aware Schedul ing Algorithm)集中式调度方法为例，它仅使用网络运行的初始通信值来优化调度，因此，当诸如分组丢弃的事件发生时，TASA不考虑MAC重传，因此必须在下一个超帧中发送，从而导致了延迟。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，具有高可靠性，能有效降低网络时延和延长网络生命。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

该种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，包括以下步骤：

步骤1：采用网关设备、路由设备和现场设备搭建树型网络结构，并为每个现场设备及路由设备编号，同时根据数据的采集需求，为不同的现场设备设定不同的更新周期，不同更新周期具有不同优先级，更新周期越短优先级越高，同时根据数据的应用需求，为不同的现场设备数据分配不同的优先级；

步骤2：现场设备将按照更新周期优先级分别将数据发送给路由设备；

步骤3：路由设备接收数据之后解析数据，得到封装在数据中的设备编号、数据优先级信息，将接收的数据按照不同优先级将其分别存放于不同的堆栈；

步骤4：路由设备将不同优先级堆栈内的数据按照数据优先级、路由编号及现场设备编号，生成表格，并将表格信息发送给网络管理器，网络管理器整合所有路由设备的表格信息生成表格信息表；

步骤5：网络管理器在每个时隙帧开始之前，根据前述的表格信息表判定出路由设备或网关设备的设备状态，并通过EB广播路由设备或网关设备状态；

步骤6：路由设备根据监听到的状态信息选择不同长度的时隙帧，按照从设备收到的数据的优先级安排时隙传输给网关设备，优先级高的数据优先安排时隙。

进一步，所述步骤6)的具体方式是：在每个路由设备及网关设备中加入有限状态机，路由设备根据监听EB中的状态信息从而进行状态跳转，不同状态的路由设备会选择不同的时隙帧进行数据传输，路由设备或网关若为S₀状态，选择长时隙帧进行数据传输；S₁状态选择短时隙帧进行数据传输；S₂状态采用标准时隙帧进行数据传输；

当路由设备或网关设备中数据流量过大时，经网络管理器计算发现当时隙帧长度动态变为130个时隙仍不能满足通信需求，为减少网络拥塞、降低网络时延，网络管理器将通过广播报文通知路由设备对数据进行聚合，减少路由设备转发次数，从而减少路由设备向网关设备传输需要分配的时隙数目，规则为将相同优先级的数据聚合为一个数据包，每次数据聚合的上限为X，即：

当网络中设备数量过多时，在2.4GHz频率下的16个信道不能满足路由设备及信道偏移一一对应，按脚标值由小到大的顺序将路由设备安排到1～16个信道上进行数据传输，当信道安排完毕之后，再次按照路由脚标值的顺序将路由安排到16个信道上，规则为路由设备根据脚标值的顺序在不同信道偏移上转发接收的数据。

进一步，在步骤6)中，网络管理器为路由设备分配时隙时，按照路由设备完成数据接收的先后顺序依次转发数据，总体规则为所有路由设备中高优先级数据转发完成之后，再转发次优先级数据，最后转发低优先级数据；

进一步，在步骤6)中，在路由设备接收数据过程中，先完成数据接收的路由设备优先转发高优先级数据；若此路由设备中高优先级数据全部转发，而其他设备还没有完成数据接收，则转发此路由设备中次优先级数据；在此设备转发次优先级数据过程中，其他路由设备完成了数据接收，则优先其他路由设备转发高优先级数据，停止此路由设备转发次优先级数据；若多个设备都完成数据接收，则优先脚标较小的路由设备转发数据。

进一步，每个设备都有数据传输的机会，若第一次数据传输失败，则在调度完成之后，所有时隙都处于空闲状态时，传输失败设备以TDMA的方式进行数据重传。

进一步，所述步骤1)中，数据应在终端节点上被分配优先级，并且将优先级信息封装在数据帧中。

进一步，所述步骤1)中，设定每个时隙标准长度为10ms；周期性数据标准时隙帧为100个时隙，总长1s；此外还含有130个时隙的长时隙帧，70个时隙的短时隙帧。

本发明的有益效果是：

1)本专利采用信道跳频机制，设备可以在整个信道空间上跳跃，可让多个设备可同时发送数据给父节点，减少了网络中现场设备发送给路由设备的时间；同时也减小了路由设备发送数据给网关设备的时间，降低了网络时延，同时以时隙方式跳信道以避免冲突，将重传的需求最小化；

2)本专利采用集中式调度机制，网络中所有设备的时隙都由网络管理器分配，为网络的高可靠性提供良好的依据；

3)当网络数据通信量过大时，网络中已经不能承受，势必会造成网络时延，本发明以设备数据更新周期、数据优先级为前提条件，对不同路由设备中的数据进行聚合处理，减少了网络数据传输次数，同时延长了网络的生命，并降低了网络时延。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为网络整体架构示意图；

图2为工业无线网络子网实例结构示意图；

图3为更新周期优先级设置表；

图4为同优先级数据堆栈存储示意图；

图5为路由设备状态机示意图；

图6为应用举例一无线通信调度时隙分配示意图；

图7为例一在情景1下的具体时隙分配示意图；

图8为例一在情景2下的具体信道重复使用方式示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明的TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，具体包括以下步骤：

步骤1：采用网关设备、路由设备和现场设备搭建树型网络结构，并为每个现场设备及路由设备编号，同时根据数据的采集需求，为不同的现场设备设定不同的更新周期，根据数据的应用需求，为现场设备数据分配不同的优先级；网络整体架构图如图1所示，本实施例中，搭建网络的步骤包括：首先，网络管理员为每个现场设备及路由设备编号，编号之后，工业无线网络中网关设备编号为G_i，i∈[1,m]，[1,m]为自然正整数集合，G_i≠G_m；工业无线网络中路由设备编号方式相同，将其编号为R_j,j∈[1,m]，R_j≠R_n；R_j路由设备下的现场设备命名为jn，n∈[1,m]，jn≠jm；接下来，网络管理员根据数据的采集需求，为不同的现场设备设定不同的更新周期，该周期可根据实际应用动态修改；根据数据的应用需求，为现场设备数据分配不同的优先级，本实施例将更新周期设定为1s的整数倍，分别用T₁、T₂、T₃、T₄、T₅表示；数据优先级分为3类，分别用低优先级(LP)、中优先级(MP)、高优先级(HP)表示。现场设备有确定的更新周期及数据优先级，更新周期及数据优先级由网络管理员写入；网关设备作为网络管理器，管理网络中时隙的分配、设备入网、以及路由表的分发及修改。

根据以上搭建步骤，得到如图2所示的工业无线网络子网实例结构，为了更好的管理现场节点的数据发送，数据应在终端节点上被分配优先级，并且将优先级信息封装在数据帧中。在TSCH网络中可以包含不同大小的若干并发时隙帧，使用信道跳频技术，不同类型数据在各自规定的时隙帧中发送。本实施例中，设定每个时隙标准长度为10ms；周期性数据标准时隙帧为100个时隙，总长1s；此外还含有130个时隙的长时隙帧，70个时隙的短时隙帧。

在实际应用过程中，在网络初始化的同时，网络管理器获取各设备的具体信息，包含设备更新周期、序列号等，以图2为例，形成如下表所示初步信息表。

表1初步信息表

本发明的调度起始于时隙0，每个时隙中时隙0用于EB(Enhanced Beacon)的广播发送，EB用于新节点的入网。

步骤2：现场设备将按照更新周期优先级分别将数据发送给路由设备，优先级如图3所示，网络管理器在为现场设备分配时隙资源的时候，需优先为更新周期优先级高的设备配置时隙，考虑到网络的实时性需求，更新周期越短优先级越高。

步骤3：路由设备接收数据之后解析数据，得到封装在数据中的设备编号、数据优先级信息，将接收的数据按照不同优先级将其分别存放于不同的堆栈；本实施例中，LP优先级数据存储在Low Priority堆栈中，MP数据存放在Middle Priority堆栈中，HP数据存放在High Priority堆栈中，存储示意图如图4所示，网络管理器在为路由设备分配时隙资源的时候，要优先为路由设备中缓存的高优先级数据安排转发时隙资源。

步骤4：路由设备将不同优先级堆栈内的数据按照数据优先级、路由编号及现场设备编号，生成表格，并将表格信息发送给网络管理器，网络管理器整合所有路由设备的表格信息生成表格信息表；本实施例中，生成的表格如下表所示：

表2网关设备中缓存的数据表

步骤5：网络管理器在每个时隙帧开始之前，根据前述的表格信息表判定出路由设备或网关设备的设备状态，并通过EB广播路由设备或网关设备状态；假设在T时刻，若设备能够使用标准时隙帧完成通信，则判定此设备状态为S₂；若设备需使用长时隙帧才能完成数据传输，则判定此设备状态为S₀；若设备在T-1时刻状态为S₀，则将设备下一状态置为S₁，使设备选择短时隙帧进行数据传输，这样不会影响绝对时隙数的计算及周期1s倍数数据发送；若计算得出某个路由设备或网关设备通信量正常，且T-1时刻状态为S₂，则设备状态保持不变。

步骤6：路由设备根据监听到的状态信息选择不同长度的时隙帧进行数据传输。具体而言：是在每个路由设备及网关设备中加入有限状态机，如图5所示，路由设备根据监听EB中的状态信息进行状态跳转，路由设备或网关若为S₀状态，选择长时隙帧进行数据传输；S₁状态选择短时隙帧进行数据传输；S₂状态采用标准时隙帧进行数据传输；

经过上述时隙分配之后，可能会出现以下两种情景，情景1为网络中数据流量过大，时隙帧变为130个时隙仍不能满足通信需求，需进行数据聚合；情景2为网络中设备数量过多，16个信道不能满足路由设备及信道偏移一一对应，信道不够安排，两个设备需共用信道。

对于情景1，当路由设备或网关设备中数据流量过大时，经网络管理器计算发现当时隙帧长度动态变为130个时隙仍不能满足通信需求，为减少网络拥塞、降低网络时延，网络管理器将通过广播报文通知路由设备对数据进行聚合，减少路由设备转发次数，从而减少路由设备向网关设备传输需要分配的时隙数目。聚合规则全网通用，即将相同优先级的数据聚合为一个数据包；每次数据聚合的上限为X。

对于情景2，网络管理器为路由设备分配信道偏移时，规定不同的路由设备在不同的信道偏移上进行数据传输，当网络中设备数量过多，16个信道不能满足路由设备及信道偏移一一对应，按脚标值由小到大的顺序将路由设备安排到1-16个信道上进行数据传输，当信道安排完毕之后，再次按照路由脚标值的顺序将路由安排到16个信道上。具体规则为：路由设备根据脚标值的顺序在不同信道偏移上转发接收的数据，即路由设备R_j在信道偏移N上转发数据。

式中j为路由设备脚标值，n为自然正整数，n＝1,2,3,4,5…。

需要指出的是：当网络管理器为路由设备分配时隙时，按照路由设备完成数据接收的先后顺序依次转发数据，总体规则为所有路由设备中高优先级数据转发完成之后，再转发次优先级数据，最后转发低优先级数据；

同时在路由设备接收数据过程中，先完成数据接收的路由设备优先转发高优先级数据；若此路由设备中高优先级数据全部转发，而其他设备还没有完成数据接收，则转发此路由设备中次优先级数据；在此设备转发次优先级数据过程中，其他路由设备完成了数据接收，则优先其他路由设备转发高优先级数据，停止此路由设备转发次优先级数据；若多个设备都完成数据接收，则优先脚标较小的路由设备转发数据。

本发明中，每个设备都有数据传输的机会，若第一次数据传输失败，则在调度完成之后，所有时隙都处于空闲状态时，传输失败设备以TDMA的方式进行数据重传。

具体应用举例一：

图6为无线通信调度示意图。采用图2网络作为基本模型，其中D₁₁、D₁₂、D₁₃、D₁₄、D₂₁、D₂₂、D₂₃、D₃₁、D₃₂、D₄₁、D₄₂、D₄₃为现场设备，不同路由设备下搭载的现场设备在不同的信道上同时发送周期性数据到路由设备；R₁、R₂、R₃、R₄为路由设备，各个路由设备在不同的信道上同时接收现场设备周期性数据，G₁为网关设备。

情景1：当路由设备下搭载的现场设备数量增加时，网络中数据流量增大，网络负载增加，当搭载的现场设备数量过多时会导致数据帧时隙过少不能满足网络性能需求，假设R₁、R₂、R₃、R₄路由设备下分别搭载的现场设备数为90、80、20、100，这四个路由设备将在4个不同的信道上接收周期性数据，经网络管理器计算发现R₁、R₂、R₄、G₁将超负荷，则所有路由设备都需进行数据聚合，且采用数据聚合后R₄、G₁仍会超负荷，这两个设备将采用130个时隙的长时隙帧进行数据传输。具体网络时隙分配如7所示。

情景2：当路由设备过多，不能满足路由设备及信道偏移一一对应时，进入以下情形，存在两个路由设备重复使用一个信道，具体的重复方法如前所述，若总共有20个路由设备，则具体信道重复使用方式如图8所示，R₁、R₁₇共用信道1，R₂、R₁₈共用信道2；R₃、R₁₉共用信道3，R₄、R₂₀共用信道4。

本专利提出一种基于TSCH MAC层的调度方法，旨在提高工业无线网络的确定性、可靠性问题并降低网络时延，该方法能够确保网络的确定性调度，从而实现高可靠性；在该方法的调度机制下，现场设备根据更新周期优先级高低发送数据到路由设备；在路由设备处，路由设备接收现场设备数据，按照数据优先级选择存储堆栈，并在网络通信量过大时，将来自不同现场设备的数据按照数据优先级进行聚合生成数据包，然后转发数据包。此调度方式采用了更新周期优先级、数据优先级等方式保证每个现场设备都有将数据发送到网关的机会，提高网络确定性及可靠性，采用聚合方式减少网络数据传输次数，减少网络传输开销，从而实现低时延。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种支持时隙跳频TSCH(Timeslotted Channel Hopping)模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采用网关设备、路由设备和现场设备搭建树型网络结构，并为每个现场设备及路由编号，同时根据数据的采集需求，为不同的现场设备设定不同的更新周期，更新周期具有优先级,更新周期越短优先级越高；同时根据数据的应用需求，为现场设备数据分配不同的优先级；

步骤4：路由设备将不同优先级堆栈内的数据按照数据优先级、路由编号及现场设备编号，生成表格，并将表格信息发送给网关设备，网关设备整合所有路由设备的表格信息生成表格信息表；

步骤5：网关设备在每个时隙帧开始之前，根据前述的表格信息表判定出路由设备的状态；

步骤6：路由设备根据监听到的状态信息选择不同长度的时隙帧，按照从网关设备监听到的数据优先级安排用于从路由设备自身传输给网关设备的时隙，优先级高的数据优先安排时隙。

2.根据权利要求1所述的一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，其特征在于：所述步骤6)的具体实施方式是：在每个路由设备及网关设备中加入有限状态机，路由设备根据监听增强信标EB(Enhanced Beacon)中的状态信息从而进行状态跳转，不同状态的路由设备会选择不同的时隙帧进行数据传输，路由设备或网关设备若为S₀状态，选择长时隙帧进行数据传输；S₁状态选择短时隙帧进行数据传输；S₂状态采用标准时隙帧进行数据传输；

当路由设备或网关设备中数据流量过大时，经网关设备计算发现当时隙帧长度动态变为130个时隙仍不能满足通信需求，为减少网络拥塞、降低网络时延，网关设备将通过广播报文通知路由设备对数据进行聚合，减少路由设备转发次数，从而减少路由设备向网关设备传输需要分配的时隙数目，规则为将相同优先级的数据聚合为一个数据包，每次数据聚合的上限为X，即：

3.根据权利要求1所述的一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，其特征在于：在步骤6)中，网关设备为路由设备分配时隙时，按照路由设备完成数据接收的先后顺序依次转发数据，总体规则为所有路由设备中高优先级数据转发完成之后，再转发次优先级数据，最后转发低优先级数据。

4.根据权利要求1所述的一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，其特征在于：在步骤6)中，在路由设备接收数据过程中，先完成数据接收的路由设备优先转发高优先级数据；若此路由设备中高优先级数据全部转发，而其他路由设备还没有完成数据接收，则转发此路由设备中次优先级数据；在此路由设备转发次优先级数据过程中，其他路由设备完成了数据接收，则优先其他路由设备转发高优先级数据，停止此路由设备转发次优先级数据；若多个路由设备都完成数据接收，则优先脚标较小的路由设备转发数据。

5.根据权利要求1所述的一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，其特征在于：在步骤6)中，每个设备都有数据传输的机会，若第一次数据传输失败，则在调度完成之后，所有时隙都处于空闲状态时，传输失败设备以TDMA的方式进行数据重传。

6.根据权利要求1所述的一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，其特征在于：所述步骤1)中，数据应在现场设备上被分配优先级，并且将优先级信息封装在数据帧中。

7.根据权利要求1所述的一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，其特征在于：所述步骤1)中，设定每个时隙标准长度为10ms；周期性数据标准时隙帧为100个时隙，总长1s；此外还含有130个时隙的长时隙帧，70个时隙的短时隙帧。