CN110876203A - 一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法。该方法包括总资源块建模，剩余资源块建模，优先级分配规则制定，基于剩余资源块的最小松弛度优先(RRB‑LLF)时隙、信道和天线的分配四个步骤。本发明方法综合考虑工业现场设备可安装多个天线，工业无线通信可使用多个信道，工业数据周期异构的特点，以网络的可调度率作为衡量调度方法性能的指标，在每个时隙将所有传输归类到未释放、已释放未调度、已释放已调度三种状态中的一种。对于处于已释放未调度状态的传输，其优先级按照剩余资源块数由少到多依次增大，优先级最高者优先分得时隙、信道和天线资源。

Description

一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法

技术领域

本发明涉及工业无线网络的传输调度方法，具体地说是一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法。

背景技术

随着无线网络技术的进步和电子器件性能的提高，无线传感器网络技术迅速兴起并被广泛应用到我们日常的生产和生活中。其中，工业是无线传感器网络应用的重要领域之一。在工业中，相比于传统的有线通信，无线通信有以下优势：(1)线缆方面，不需要布设线缆，减少了工作量和相应的成本，并且不用担心线缆磨损、老化带来的维护费用；(2)特殊工业场景下，如某些移动和无法布线的场景，使用无线通信无疑是最佳选择；(3)当增加新的设备时，无线通信无需考虑重新布线，大大简化安装流程。

然而，在工业环境中存在着大量的干扰。这些干扰主要来自于两方面：一方面，工业环境的温度、湿度等剧烈变化，加之设备和工作人员的频繁移动，使得通信链路的质量极其不稳定；另一方面，由于ISM 2.4GHz频段的开放性，无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线网络均工作在此频段上，工业环境中的共存网络间干扰非常严重。

针对以上工业无线网络的环境干扰严重且传输冲突和信道竞争并存的特点，为使无线资源得到充分利用，需要综合考虑各种因素的制约，设计一种有效的传输调度方法。目前工业无线网络调度策略的研究中，主要考虑所有现场设备的数据更新周期都相同的情形，并且假设所有现场设备都只配备一个天线。随着硬件技术的发展和硬件费用的降低，越来越多的现场设备配备多个天线以增强并行传输的能力。因此，需要设计一种新的传输调度方法，对工业无线网络的时隙、信道和天线资源进行联合调度，以满足数据传输的硬实时要求。

发明内容

针对工业无线网络中数据硬实时的要求，本发明提出一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法。该方法包括总资源块建模，剩余资源块建模，优先级分配规则制定，RRB-LLF时隙、信道和天线的分配四个步骤。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法，包括以下步骤：

建立包含时隙的总资源块，并统计总资源块个数；

对于每个时隙，计算剩余资源块个数；

根据剩余资源块为每个传输分配优先级；

根据优先级为每个传输分配资源块。

所述总资源块包含时隙、信道和天线。

所述统计总资源块个数如下：

从τ_i的头节点

来看τ_i的总资源块数：

从τ_i的尾节点

来看τ_i的总资源块数：

其中，t为时隙，C是网络中总信道个数，R表示天线数目；τ_i的生命长度lt_i＝[s_i,d_i]，s_i为传输τ_i的最早释放时间，d_i为传输τ_i的最晚释放时间；i＝1,2,...,N；N为现场设备的个数。

所述对于每个时隙，计算剩余资源块个数包括以下步骤：

在时隙t(t＝1,2,...,H)，定义set_RUS＝{τ_i|τ_i处于状态RUS,i＝1,2,...N}；H表示超周期，RUS表示已释放未调度；

1)对于τ_i∈set_RUS，搜索满足以下条件的传输τ_j：τ_j∈set_RUS并且τ_j的最晚释放时间d_j∈[t,d_i]，并把这样的τ_j的集合记为

2)从τ_i的头节点

的角度计算，被传输冲突和信道竞争占据的资源块个数分别表示为

和

其中

表示τ_i头节点的天线数目；

3)从τ_i的尾节点

的角度计算，被传输冲突和信道竞争占据的资源块个数分别表示为

和

其中

t为时隙，C是网络中总信道个数，

表示τ_i尾节点的天线数目，τ_k表示所有传输中的任意传输，d_k为传输τ_k的最晚释放时间；

4)计算τ_i的剩余资源块：

从τ_i的头节点

的角度计算剩余资源块

从τ_i的尾节点

的角度计算剩余资源块

5)剩余资源块个数

所述根据剩余资源块为每个传输分配优先级包括以下步骤：

在时隙t，对于所有处于RUS状态的传输：

优先级为

优先级集合为

值越小，τ_i的优先级越高；如果τ_i和τ_j有着相同的pri值，则d_i小者优先级更高；如果d_i值也相同，则随机选取一个赋予更高优先级。

所述根据优先级为每个传输分配资源块，包括以下步骤：

在时隙t，对于所有处于RUS状态的传输，根据优先级从高到低的顺序，优先给高优先级的传输分配时隙信道和天线。

一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法，用于由一个网关与多个现场设备构成的工业无线网络mesh拓扑结构。

本发明提出一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法，该方法充分考虑了工业无线网络工作环境特点，综合考虑了环境因素和资源因素的制约关系，可以保证不同传输获取时隙、信道和天线资源优先级的合理性，进而提高各数据包传输的实时性。具体表现在：

1.本发明提出的总资源块建模方案，分别从每个传输的“头部”节点和“尾部”节点两个角度考虑天线数对于总资源块的影响。并且引入传输的生命长度能更准确地描述某一传输的总资源块数。

2.本发明提出的剩余资源块建模方案，充分考虑传输冲突和信道竞争对于当前传输的总资源块的占用情况，以便更准确地计算剩余资源块数。

3.本发明提出的优先级分配规则，采用了两层规则：初级规则和次级规则。首先比较两个传输的剩余资源块数(初级规则)，如果相等，则比较它们的最晚释放时间(次级规则)，从而把时隙、信道和天线资源优先分配给有最迫切需求的传输。

附图说明

图1为工业无线网络的mesh拓扑图；

图2为安装两个天线的现场设备并行传输示意图；

图3为状态转移过程示意图；

图4为总资源块示意图；

图5为

和

差异示意图。

具体实施方式

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。

本发明提出一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法。该方法包括总资源块建模，剩余资源块建模，优先级分配规则制定，RRB-LLF(基于剩余资源块的最小松弛度优先)时隙、信道和天线的分配四个步骤。

1.工业无传感器网络建模。

本方法考虑图1所示，由一个网关与多个现场设备构成的工业无线网络mesh拓扑结构。每个现场设备可以安装一个或者多个天线，每个天线可以用来接收或发送信号。网络中有多个信道可供选择。现场设备(FD)周期性地从周围环境中采集数据，并采用TDMA(TimeDivision Multiple Access)的接入机制向网关发送数据。这里将时间划分成多个长度相同的时隙(slot)，每个时隙长度足够支持一跳传输。网关首先根据各个现场设备的数据发送周期、天线数以及当前网络总信道数，生成相应的链路调度表，并将该链路调度表分发给每一个现场设备，所有现场设备根据链路调度表中的时隙分配在规定的时隙内使用规定的信道和天线完成数据的传输。

2.周期性数据的建模。

现场设备FD_i的数据采集周期是T_i，其数据包的相对截止时间是D_i，定义超周期H是所有现场设备数据采集周期的最小公倍数，即H＝lcm{T₁,T₂,...,T_N}，其中N是现场设备的个数。因此，FD_i在一个超周期H中包含H/T_i个子周期，即产生H/T_i个数据包。FD_i的第k个数据包

在时隙t_b＝(k-1)*T_i+1的开始时生成，并且需要在时隙t_e＝(k-1)*T_i+D_i结束之前发送到网关(GW)。

3.传输的建模。

所有现场设备产生的数据流表示为

其中F_i＝{f_i ^k|k＝1,2,..,H/T_i}包含FD_i数据包的所有子数据流，并且

是

的顺序传输集。其中h_i表示从FD_i到GW的跳数。对于

(i＝1,2,...,N,j＝1,2,...,h_i,k＝1,2,..,H/T_i)，其“头部”节点和“尾部”节点分别表示为

和

如图1所示，

是FD₂，

是FD₃。

4.多信道多天线传输方式的建模。

每一个现场设备装配至少一个天线，所有天线可以根据需要工作于接收状态或者发送状态。FD_i(i＝1,2,...,N)天线数目表示为R(FD_i)。为避免共信道干扰，我们的模型不允许空分复用。如果两个传输在同一个时隙进行，必须为它们分配不同信道和不同天线。如图2所示，FD_i和FD_j使用它们各自的第一个天线在信道C₁上通信，同时使用它们各自的第二个天线在信道C₂上通信。其中RI_i ¹和RI_j ¹分别表示FD_i和FD_j的第一个天线，

和

分别表示FD_i和FD_j的第二个天线。

5.每个传输生命长度度量阶段的实现步骤包括：

在一个超周期H中，

的所有传输为

在每个时隙将所有传输归类到未释放(Unreleased,UR)、已释放未调度(Released but Unscheduled,RUS)、已释放已调度(Released and Scheduled,RS)三种状态中的一种。

将依次经过这三种状态。因此

的最早释放时间是

最晚释放时间是

是从

到网关的剩余跳数。

的生命长度是

生命长度表示，由于传输经过三个状态的顺序性

不能早于

释放，为了不超时，也不能晚于

释放。

如图1所示，

假设T₁＝8，D₁＝7，则

6.每个传输的总资源块数计算阶段的实现步骤包括：

由于f_i ^k(i＝1,2,...,N；k＝1,2,...,H/T_i)的所有传输都是有序释放，在任一时隙t(t＝1,2,...,H)，f_i ^k有且仅有一个传输处于RUS状态，在不引起歧义的情况下我们把f_i ^k处于RUS状态的传输记为τ_i,其生命长度记为

lt_i＝[s_i,d_i]。 (3)

在总资源块建立的模型中，资源块被定义为包含时隙、信道和天线的传输机会。如果τ_i不能在d_i之前得到一个资源块，

一定不能在其截止前D_i之前到达GW。

和

的天线数分别表示为

和

由于

和

未必相等，总资源块数(TRB)应该分别从

和

两个角度考虑。

从

来看，τ_i的总资源块数如下，

从

来看，τ_i的总资源块数如下，

这里C是网络中总信道个数。

总资源块建模，包括以下步骤：

每个传输的生命长度度量阶段：根据网络拓扑和节点的数据包生成周期，计算每个处于RUS状态的传输的最早释放时间和最晚释放时间；

每个传输的总资源块数计算阶段：分别从一个传输的“头部”节点和“尾部”节点两个角度计算该传输的总资源块数。

图4为时隙t从head_τi来看，τ_i的总资源块示意图。

7.每个传输的剩余资源块计算阶段的实现步骤包括：

在时隙t(t＝1,2,...,H)，定义set_RUS＝{τ_i|τ_i处于状态RUS,i＝1,2,...N}。

步骤一：对于τ_i∈set_RUS,搜索满足以下条件的传输τ_j：τ_j∈set_RUS并且d_j∈[t,d_i].并把这样的τ_j的集合记为

步骤二：计算被传输冲突和信道竞争占用的资源块数目。定义

首先从

角度来看，被传输冲突和信道竞争占据的资源块个数分别表示为

和

对于τ_i,如果它和τ_j有传输冲突，即

τ_j将占用τ_i的一个资源块，于是

对于τ_i，如果它和τ_j有信道竞争，即

定义

则

步骤三：计算τ_i的剩余资源块(RRB)。

从

的角度计算，

从

的角度计算，

这里

和

分别是τ_i被传输冲突和信道竞争占用的资源块数目。

步骤四：由于

和

未必相等，剩余资源块数计算方法如下

图5为分别从τ₁的

和

角度考虑得出的

和

8.优先级分配规则制定步骤包括：

在时隙t，对于所有处于RUS状态的传输，τ_i的优先级为

优先级集合为

值越小，τ_i的优先级越高。如果τ_i和τ_j有着相同的pri值，则d_i小者优先级更高，如果d_i值也相同，则随机选取一个赋予更高优先级。

9.RRB-LLF时隙、信道和天线的分配步骤包括：

在时隙t，对于所有处于RUS状态的传输，根据优先级从高到低的顺序，优先给高优先级的传输分配时隙信道和天线，如果在时隙t，

分到一个资源块，则把

状态设置为RS,把

状态设置为RUS。如果在超帧H结束之前所有现场设备的所有传输都能到达网关，则说明可调度，返回链路调度表；否则，返回不可调度。

Claims (7)

1.一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立包含时隙的总资源块，并统计总资源块个数；

对于每个时隙，计算剩余资源块个数；

根据剩余资源块为每个传输分配优先级；

根据优先级为每个传输分配资源块。

2.根据权利要求1所述的一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法，其特征在于，所述总资源块包含时隙、信道和天线。

3.根据权利要求1所述的一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法，其特征在于，所述统计总资源块个数如下：

从τ_i的头节点

来看τ_i的总资源块数：

从τ_i的尾节点

来看τ_i的总资源块数：

其中，t为时隙，C是网络中总信道个数，R表示天线数目；τ_i的生命长度lt_i＝[s_i,d_i]，s_i为传输τ_i的最早释放时间，d_i为传输τ_i的最晚释放时间；i＝1,2,...,N；N为现场设备的个数。

4.根据权利要求1所述的一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法，其特征在于，所述对于每个时隙，计算剩余资源块个数包括以下步骤：

在时隙t(t＝1,2,...,H)，定义set_RUS＝{τ_i|τ_i处于状态RUS,i＝1,2,...N}；H表示超周期，RUS表示已释放未调度；

1)对于τ_i∈set_RUS，搜索满足以下条件的传输τ_j：τ_j∈set_RUS并且τ_j的最晚释放时间d_j∈[t,d_i]，并把这样的τ_j的集合记为

2)从τ_i的头节点

的角度计算，被传输冲突和信道竞争占据的资源块个数分别表示为

和

其中

表示τ_i头节点的天线数目；

3)从τ_i的尾节点

的角度计算，被传输冲突和信道竞争占据的资源块个数分别表示为

和

其中

t为时隙，C是网络中总信道个数，

表示τ_i尾节点的天线数目，τ_k表示所有传输中的任意传输，d_k为传输τ_k的最晚释放时间；

4)计算τ_i的剩余资源块：

从τ_i的头节点

的角度计算剩余资源块

从τ_i的尾节点

的角度计算剩余资源块

5)剩余资源块个数

5.根据权利要求1所述的一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法，其特征在于，所述根据剩余资源块为每个传输分配优先级包括以下步骤：

在时隙t，对于所有处于RUS状态的传输：

优先级为

优先级集合为

值越小，τ_i的优先级越高；如果τ_i和τ_j有着相同的pri值，则d_i小者优先级更高；如果d_i值也相同，则随机选取一个赋予更高优先级。

6.根据权利要求1所述的一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法，其特征在于，所述根据优先级为每个传输分配资源块，包括以下步骤：

在时隙t，对于所有处于RUS状态的传输，根据优先级从高到低的顺序，优先给高优先级的传输分配时隙信道和天线。

7.根据权利要求1所述的一种针对多信道多天线工业无线网络的实时传输调度方法，其特征在于，用于由一个网关与多个现场设备构成的工业无线网络mesh拓扑结构。

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