CN111542122B - 一种面向现场级工业无线实时通信的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向现场级工业无线实时通信的资源分配方法，作为面向工业的无线资源调度方法，该方法中将整个通信周期分为TDMA上传周期和主从轮询周期，在所述TDMA上传周期中，位于固定时隙的所有从节点向主节点发送数据包，在所述主从轮询周期中动态调整地址映射信息指定在TDMA上传周期未正确发送数据包的从节点进行数据包的重传，同时利用屏蔽表对进行重传的从节点进行时隙的重新分配，避免时隙资源的浪费，本发明方法能有效的节约各节点的能量，延长网络的生存周期，增强通信的实时性。

Description

一种面向现场级工业无线实时通信的资源分配方法

技术领域

本发明涉及工业无线传感网络中工业无线实时通信技术领域，尤其是一种面向现场级工业无线实时通信的资源分配方法。

背景技术

近年来，随着物联网技术的迅速发展，无线传感网络迅速发展。其中，工业无线传感网络(Industrial Wireless Sensor Networks，IWSN)成为人们备受关注的热点。无线传感网络是由大量的传感器节点组成的自组织网络，在其应用中，节点由电池供电，储存能力和处理能力均受限，且通常布置在人员难以到达的区域，电池无法更换。不同于传统的有线网络，在设计时无需考虑能量问题。但在实际应用中，无线传感网络具有部署方便，省去了多余的线路，且能耗低等特点。因此，无线传感网络目前在、军事、农业、楼宇、工业等多个领域得到广泛的应用。

在无线传感网络的多个应用领域中，其中工业无线传感网络提出了更高的实时性和更高可靠性的要求。传统工业无线传感网络，将节点分配到固定时隙传输，但当节点出现传输故障时，或者没有消息需要发送时，这些时隙将会被搁置且得不到利用，浪费大量的时隙资源。

因此，出现了一些动态的时隙分配算法，根据节点需要发送的数据包的大小来动态调整时隙的大小，适用于一些所需发送消息大小不确定的场合，但实现起来比较复杂。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种面向现场级工业无线实时通信的资源分配方法，能提高通信的交互效率，有效节约网络中节点的能量，从而延长整个无线传感网络的生存周期。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种面向现场级工业无线实时通信的资源分配方法，在主节点的同步信标帧中增加了地址映射信息以动态调整需要发送数据包的从节点，将整个通信周期分为TDMA上传周期和主从轮询周期，在所述TDMA上传周期中，位于固定时隙的所有从节点向主节点发送数据包，在所述主从轮询周期中动态调整地址映射信息指定在TDMA上传周期未正确发送数据包的从节点进行数据包的重传，同时利用屏蔽表对进行重传的从节点进行时隙的重新分配，避免了时隙资源的浪费，增强了通信的实时性。

本发明技术方案的进一步改进在于：无线通信在TDMA上传周期中实时调度的步骤如下：

网络拓扑为星形网络，其中将n_p定义为主节点，将N＝{n_m，n_m-1...n_i...n₀}定义为从节点的集合，其中{i|0＜i≤m，i∈N^*，m∈N^*}，n_i代表网络中第i个从节点，每个从节点占据一个时隙，在所述星型网络中每个从节点时隙的大小设置为：

其中，T表示时隙大小，D_S表示从节点数据包大小，V_S表示发送速率，T_P表示保护时隙；

时隙分配阶段，S_l＝{s_m，s_m-1...s_i...，s₀}定义为时隙的集合，其中{i|0＜i≤m，i∈N^*，m∈N^*}，S_i代表第i个时隙，从节点和时隙对应关系为n_i节点对应s_i时隙，主节点把所有从节点的地址信息映射在一个二进制数中，地址映射定义为A＝{a_MSB，a_MSB-1...a_i...，a₀}，其中a_MSB代表A的最高位，A为二进制数，其中{i|0＜i≤MSB，i∈N^*，MSB∈N^*}，映射关系为n_i节点的地址信息映射到A中的a_i上，若从节点在地址映射中所对应位置为1，则代表该从节点需要向主节点发送数据包，若从节点在地址映射中所对应位置为0，从节点进入休眠状态，等待主节点的下一次广播信标帧；

主节点广播信标帧，信标帧在地址信息后包含L个字节的地址映射，从节点的个数为m+1，L的大小为：

从节点收到信标帧后，返回一个应答帧，每个从节点中保存着地址判别符R＝{r_MSB，r_MSB-1...r_i...，r₀}，其中{i|0＜i≤MSB，i∈N^*，MSB∈N^*}，r_MSB代表R的最高位，R为二进制数，R的储存方式为：在n_i节点中，R的r_i位为1，其余位为0：

利用地址判别符来判断该节点是否需要发送数据包，该地址判别符R与地址映射A进行与运算：

若R与A进行与运算的结果为1，则判定该从节点需要向主节点发送数据包；

若R与A进行与运算的结果为0，则判定该从节点不需要向主节点发送数据包，则按照步骤

中预先分配好的时隙进行数据包的传输。

本发明技术方案的进一步改进在于：无线通信在主从轮询周期中实时调度的步骤如下：

主节点通过广播包含地址映射信息的信标帧对从节点进行轮询，通知在TDMA上传周期没有成功发送数据包的从节点重新发送数据包，轮询次数I∈N^*，若超过轮询次数数据还没有传输成，则此次通信视为失败，准备进行下一次通信；

主节点在收到从节点发来的数据后，依次判断各个从节点传输来的数据信息，用F＝{f_MSB，f_MSB-1...f_i...，f₀}来保存判断结果，其中{i|0＜i≤MSB，i∈N^*，MSB∈N^*}，f_MSB代表F的最高位，F为二进制数，对应关系为：对从节点n_i的判断结果保存在f_i中，即第i个从节点数据若正确传输，则将f_i置为0，第i个从节点数据若未正确传输，则将f_i置为1，将判断结果F与地址映射A进行与运算：

A＝F&A

运算结果保存在地址映射信息中，若F＝0，为了将地址映射复原，保持下次的正常通信，将F按位取反，F＝～F，再与地址映射进行与运算；

从节点接收到轮询消息后，根据主节点中的地址映射A，确定自身是否需要重新发送消息，利用以下的公式对时隙进行重新分配：

M＝B&A

式中B＝{b_MSB，b_MSB-1...b_i...b₀}，其中{i|0＜i≤MSB，i∈N^*，MSB∈N^*}，b_MSB为B的最高位，B为二进制数，B作为屏蔽表存储在从节点中，屏蔽表在每个从节点的存储方式为：n_i节点中的屏蔽表为b_i右侧的位置均为1、b_i及其左侧的位置均为0；

将B和A进行与运算之后，将结果保存在M中，此时可判断M中1的个数，若M中各位均为0，则该节点可占据S₁时隙，当M中有一个1的时候，该节点占据s₂时隙，依次类推，时隙重排完成后，从节点按照重排完成后的时隙进行数据传输；

主节点对上传的数据再次进行判断，将判断结果F与地址映射A做与运算，结果保存在地址映射A中，若仍有未正确上传的消息，进行第二次轮询，从节点再次利用屏蔽表重排时隙上传消息，直到整个轮询周期结束。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明结合嵌入式实时位域操作思想，执行效率较高，便于实施；

2、本发明在主节点的同步信标帧中增加了地址映射信息，将整个通信周期分为TDMA(Time Division Multiple Access)上传周期和主从轮询周期，在TDMA上传周期，若某些从节点未正确上传数据包，则在主从轮询周期，通过动态调整地址映射信息，指定需要发送数据包的从节点重新发送数据包，利用轮询机制，减少了整个网络中能量的消耗；

3、本发明通过混合时隙分配，在TDMA上传周期，位于固定时隙的所有从节点向主节点发送数据包，在主从轮询周期，通过事先储存在从节点的屏蔽表，将不需要重新发送数据包的从节点进行屏蔽，并根据屏蔽表和地址映射信息，将需要重发数据的从节点进行时隙重新分配，确保主从轮询周期的从节点间无闲置时隙，进一步增强了通信的实时性。

附图说明

图1是本发明中无线实时通信资源调度方法中主节点的流程图；

图2是本发明中无线实时通信资源调度方法中从节点的流程图；

图3是本发明中所用的帧格式。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1至图3所示，一种面向现场级工业无线实时通信的资源分配方法，在主节点的同步信标帧中增加了地址映射信息以动态调整需要发送数据包的从节点，将整个通信周期分为TDMA上传周期和主从轮询周期，在所述TDMA上传周期中，位于固定时隙的所有从节点向主节点发送数据包，在所述主从轮询周期中动态调整地址映射信息指定在TDMA上传周期未正确发送数据包的从节点进行数据包的重传，同时利用屏蔽表对进行重传的从节点进行时隙的重新分配，避免了时隙资源的浪费，增强了通信的实时性。

无线通信在TDMA上传周期中实时调度的步骤如下：

网络拓扑为星形网络，其中将n_p定义为主节点，将N＝{n_m，n_m-1...n_i...n₀}定义为从节点的集合，其中{i|0＜i≤m，i∈N^*，m∈N^*}，n_i代表网络中第i个从节点，每个从节点占据一个时隙，在所述星型网络中每个从节点时隙的大小设置为：

其中，T表示时隙大小，D_S表示从节点数据包大小，V_S表示发送速率，T_P表示保护时隙，所谓的保护时隙，是为了尽量避免定时器误差带来的通信冲突。数据包的大小已知，发送速率可以人为设定，在实际应用中，可以根据实际需求调整T_P的大小，保证数据传输的准确性；

时隙分配阶段，S_l＝{s_m，s_m-1...s_i...，s₀}定义为时隙的集合，来保存判断结果，其中{i|0＜i≤m，i∈N^*，m∈N^*}，S_i代表第i个时隙，从节点和时隙对应关系为n_i节点对应s_i时隙，主节点把所有从节点的地址信息映射在一个二进制数中，地址映射定义为A＝{a_MSB，a_MSB-1...a_i...，a₀}，其中a_MSB代表A的最高位，A为二进制数，其中{i|0＜i≤MSB，i∈N^*，MSB∈N^*}，映射关系为n_i节点的地址信息映射到A中的a_i上，若从节点在地址映射中所对应位置为1，则代表该从节点需要向主节点发送数据包，若从节点在地址映射中所对应位置为0，从节点进入休眠状态，例如：a₂＝1时，则从节点n₂需要发送数据包，a₂＝0时，从节点n₂无需要发送数据包，进入休眠状态，等待主节点的下一次广播帧；

主节点广描信标帧，信标帧在地址信息后包含L个字节的地址映射，从节点的个数为m+1，L的大小为：

从节点收到信标帧后，返回一个应答帧，每个从节点中保存着地址判别符R＝{r_MSB，r_MSB-1...r_i...，r₀}，其中r_MSB代表R的最高位，R为二进制数，其中{i|0＜i≤MSB，i∈N^*，MSB∈N^*}，R的储存方式为：在n_i节点中，R的r_i位为1，其余位为0；

利用地址判别符来判断该节点是否需要发送数据包，该地址判别符R与地址映射A进行与运算：

若R与A进行与运算的结果为1，则判定该从节点需要向主节点发送数据包；

若R与A进行与运算的结果为0，则判定该从节点不需要向主节点发送数据包，则按照步骤

中预先分配好的时隙进行数据包的传输。

例如在一个主节点、8个从节点的星形网络中：从节点n₄中的地址判别符为R＝{0，0，0，1，0，0，0，0}，当地址映射消息为A＝{1，1，1，1，1，1，1，1}时，则代表该从节点需要发送消息，当地址映射信息为A＝{1，1，1，0，1，1，1，1}，则n₄节点不需要发送数据包。下一步从节点按照步骤

中预先分配好的时隙进行数据包的传输。

无线通信在主从轮询周期中实时调度的步骤如下：

在TDMA上传周期可能由于通信链路不可靠或者受到干扰从而导致数据包无法正确的发送给主节点，为保证消息准确无误的传输。在本发明中采用主从轮询机制，主节点通过广播包含地址映射信息的信标帧对从节点进行轮询，通知在TDMA上传周期没有成功发送数据包的从节点重新发送数据包，轮询次数I∈N^*，考虑通信的实时性以及数据传输的准确性，若将轮询次数I设为3。即在轮询周期主节点最多广播三次信标帧来对指定的从节点要数据包。三次轮询次数结束后，若仍未收到正确的数据包，则视该次通信失败，准备下一次通信。在实际应用中，轮询次数I可根据实际情况人为设定。若超过轮询次数数据还没有传输成，则此次通信视为失败，准备进行下一次通信；

主节点在收到从节点发来的数据后，依次判断各个从节点传输来的数据信息，用F＝{f_MSB，f_MSB-1...f_i...，f₀}来保存判断结果，其中f_MSB代表F的最高位，F为二进制数，其中{i|0＜i≤MSB，i∈N^*，MSB∈N^*}，f_i代表第i位，对应关系为：对从节点n_i的判断结果保存在f_i中，即第i个从节点数据若正确传输，则将f_i置为0，第i个从节点数据若未正确传输，则将f_i置为1，将判断结果F与地址映射A进行与运算：

A＝F&A

运算结果保存在地址映射信息中，若F＝0，为了将地址映射复原，保持下次的正常通信，将F按位取反，F＝～F，再与地址映射进行与运算；

从节点接收到轮询消息后，若仍按照TDMA上传时期各节点的时隙上传，必然会造成大量的时隙资源浪费，达不到工业无线实时通信所要求的实时性。根据主节点中的地址映射A，确定自身是否需要重新发送消息，利用以下的公式对时隙进行重新分配：

M＝B&A

式中B＝{b_MSB，b_MSB-1...b_i...b₀}，其中{i|0＜i≤MSB，i∈N^*，MSB∈N^*}，b_MSB为B的最高位，B为二进制数，B作为屏蔽表存储在从节点中，屏蔽表在每个从节点的存储方式为：n_i节点中的屏蔽表为b_i右侧的位置均为1、b_i及其左侧的位置均为0；

将B和A进行与运算之后，将结果保存在M中，此时可判断M中1的个数，若M中各位均为0，则该节点可占据S₁时隙，当M中有一个1的时候，该节点占据s₂时隙，依次类推，例如在一个主节点，八个从节点的星形网络中：存在n₃节点中的屏蔽表B＝{0，0，0，0，0，1，1，1}，假设此次地址映射信息为A＝{0，1，0，1，0，1，0，0}，两者进行与操作之后，将结果保存在M中，此时M＝{0，0，0，0，0，1，0，0}，利用移位法判断此时M中仅有一个位为1，则n₃节点占据时隙s₁。时隙重排完成后，从节点按照重排完成后的时隙进行数据传输；

主节点对上传的数据再次进行判断，将判断结果F与地址映射A做与运算，结果保存在地址映射A中，若仍有未正确上传的消息，进行第二次轮询，从节点再次利用屏蔽表重排时隙上传消息，直到整个轮询周期结束。

Claims (1)

1.一种面向现场级工业无线实时通信的资源分配方法，其特征在于：在主节点的同步信标帧中增加了地址映射信息以动态调整需要发送数据包的节点，将整个通信周期分为TDMA上传周期和主从轮询周期，在所述TDMA上传周期中，位于固定时隙的所有从节点向主节点发送数据包，在所述主从轮询周期中动态调整地址映射信息指定在TDMA上传周期未正确发送数据包的从节点进行数据包的重传，同时利用屏蔽表对进行重传的从节点进行时隙的重新分配；

无线通信在TDMA上传周期中实时调度的步骤如下：

网络拓扑为星型网络，其中将n_p定义为主节点，将N＝{n_m，n_m-1...n_i...n₀}定义为从节点的集合，其中{i|0＜i≤m，i∈N^*，m∈N^*}，n_i代表网络中第i个从节点，每个从节点占据一个时隙，在所述星型网络中每个从节点时隙的大小设置为：

其中，T表示时隙大小，D_S表示从节点数据包大小，V_S表示发送速率，T_P表示保护时隙；

时隙分配阶段，S_l＝{s_m，s_m-1...s_i...，s₀}定义为时隙的集合，其中{i|0＜i≤m，i∈N^*，m∈N^*}，S_i代表第i个时隙，从节点和时隙对应关系为n_i节点对应s_i时隙，主节点把所有从节点的地址信息映射在一个二进制数中，地址映射定义为A＝{a_MSB，a_MSB-1...a_i...，a₀}，其中a_MSB代表A的最高位，A为二进制数，其中{i|0＜i≤MSB，i∈N^*，MSB∈N^*}，映射关系为n_i节点的地址信息映射到A中的a_i上，若从节点在地址映射中所对应位置为1，则代表该从节点需要向主节点发送数据包，若从节点在地址映射中所对应位置为0，从节点讲入休眠状态，等待主节点的下一次广播信标帧；

主节点广播信标帧，信标帧在地址信息后包含L个字节的地址映射，从节点的个数为m+1，L的大小为：

从节点收到信标帧后，返回一个应答帧，每个从节点中保存着地址判别符R＝{r_MSB，r_MSB-1...r_i...，r₀}，其中{i|0＜i≤MSB，i∈N^*，MSB∈N^*}，r_MSB代表R的最高位，R为二进制数，R的储存方式为：在n_i节点中，R的r_i位为1，其余位为0；

利用地址判别符来判断该节点是否需要发送数据包，该地址判别符R与地址映射A进行与运算：

若R与A进行与运算的结果为1，则判定该从节点需要向主节点发送数据包；

若R与A进行与运算的结果为0，则判定该从节点不需要向主节点发送数据包，则按照步骤

中预先分配好的时隙进行数据包的传输；

无线通信在主从轮询周期中实时调度的步骤如下：

主节点通过广播包含地址映射信息的信标帧对从节点进行轮询，通知在TDMA上传周期没有成功发送数据包的从节点重新发送数据包，轮询次数I∈N^*，若超过轮询次数数据还没有传输成，则此次通信视为失败，准备进行下一次通信；

主节点在收到从节点发来的数据后，依次判断各个从节点传输来的数据信息，用F＝{f_MSB，f_MSB-1...f_i...，f₀}来保存判断结果，其中{i|0＜i≤MSB，i∈N^*，MSB∈N^*}，f_MSB代表F的最高位，F为二进制数，对应关系为：对从节点n_i的判断结果保存在f_i中，即第i个从节点数据若正确传输，则将f_i置为0，第i个从节点数据若未正确传输，则将f_i置为1，将判断结果F与地址映射A进行与运算：

A＝F&A

运算结果保存在地址映射信息中，若F＝0，为了将地址映射复原，保持下次的正常通信，将F按位取反，F＝～F，再与地址映射进行与运算；

从节点接收到轮询消息后，根据主节点中的地址映射A，确定自身是否需要重新发送消息，利用以下的公式对时隙进行重新分配：

M＝B&A

式中B＝{b_MSB，b_MSB-1...b_i...b₀}，其中{i|0＜i≤MSS，i∈N^*，MSB∈N^*}，b_MSB为B的最高位，B为二进制数，B作为屏蔽表存储在从节点中，屏蔽表在每个从节点的存储方式为：n_i节点中的屏蔽表为b_i右侧的位置均为1、b_i及其左侧的位置均为0；

将B和A进行与运算之后，将结果保存在M中，此时可判断M中1的个数，若M中各位均为0，则该节点可占据S₁时隙，当M中有一个1的时候，该节点占据s₂时隙，依次类推，时隙重排完成后，从节点按照重排完成后的时隙进行数据传输；

主节点对上传的数据再次进行判断，将判断结果F与地址映射A做与运算，结果保存在地址映射A中，若仍有未正确上传的消息，进行第二次轮询，从节点再次利用屏蔽表重排时隙上传消息，直到整个轮询周期结束。

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