CN111698721B - 一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线网络资源分配技术，具体是一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法。本发明考虑多个基于TDMA的线性拓扑工业无线网络共存问题，包括调度时延下界分析、网间资源分配算法和网内资源分配算法三个部分。该方法在分析时延下界和设计资源分配算法时以整体调度时延和资源利用率作为衡量指标，在每个时隙选取最佳节点组合尽可能多的占用信道资源，提高资源利用率、降低整体调度时延。

Description

一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法

技术领域

本发明涉及工业无线网络的资源分配方法，具体地说是一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法。

背景技术

工业4.0作为工业物联网(IIOT)和信息物理系统(CPS)的融合，指出数字化、网络化和智能化是制造业的未来发展方向。作为工业4.0的重要组成部分，工业无线网络也是智能制造的基础。工业4.0有着应用多样化的特点，这就意味着单一的无线技术不能满足多样化应用的需求，因此需要多个无线网络在同一范围内操作。

无线网络可以按照异构的接入机制进行分类：时分多址接入(TDMA)和载波侦听多路访问(CSMA)。由于ISM频段的开放性，基于TDMA的工业无线网络WirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA和WIA-FA，和其他的无线网络WiFi、蓝牙、ZigBee、LTE-U等均工作在该频段上，这就不可避免的导致了频谱上的共存问题。现有的一些无线共存标准，比如IEEE802.16h、IEEE 802.19等从架构上支持多个无线网络共存资源分配，但是没有给出具体的资源分配算法。现有的资源分配算法主要针对CSMA和CSMA共存问题、CSMA和TDMA共存问题，对于多TDMA无线网络共存问题仅考虑单一信道可用的情况。因此，针对于工业4.0多样化的需求，任意网络数量、任意网络规模的基于TDMA无线网络的共存成为了一个亟需解决的重要问题。

线型拓扑结构也称总线型结构，在工业环境下普遍存在，比如智能生产线、智能电网以及石油管线监控等，同时，由于结构简单，可扩展性强等优点决定了线型拓扑在工业无线网络中是不可缺少的。因此需要设计一种新的资源分配算法，解决多个线型拓扑的工业无线网络的共存问题。

发明内容

本发明提出的一种面向多个线型拓扑的工业无线网络共存的优化资源分配方法，是在充分考虑最小化整体调度时延的要求提出的。首先对多个网络进行调度时延的下界进行理论分析，进而根据理论分析结果指导设计网间资源分配算法和网内资源分配算法。

本发明采用如下技术方案：一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，包括以下步骤：

获取每个网络完成调度所需调度时延最小值；

基于调度时延最小值，为网络分配资源；

对网络的网内资源进行分配。

所述调度时延最小值：

其中，R_idle(j)表示j个网络的空闲资源块数，R_o(i)表示网络i占用资源块数，分别通过以下表达式表示：

N为线型拓扑的无线网络个数，网络i的节点数量为n_i，i∈N；网络中可用信道数量为C。

所述基于调度时延最小值，为某网络分配资源，包括以下步骤：

对每个网络进行优先等级的评估，即若网络满足以下条件：S_r＝T-t+1，且N_d-N_e＝N_c-1，则该网络为高优先级，并给该网络分配|N_e|个资源块；不满足条件的为低优先级；其中，S_r表示完成调度所需最少时隙数，N_d表示缓存区中有数据包的节点集合，N_e表示缓存区有数据包且其父节点缓存区为空的节点集合，N_c表示距离网关最远位置连续有数据包的节点个数，t为当前时刻，T为调度时延最小值；

对于低优先级的网络，根据优先等级评估时得到的所需最少时隙数S_r，将每个网络按照S_r降序排列，并让每两个相邻的S_r作差，得到差值不大于1、差值大于1两种情况；

对于S_r差值不大于1的S_r对应网络：

当S_r的差值为1时，将与S_r对应的网络按照S_r降序排列，把网络中第1个到第N_l个节点缓存区组合在一起成为一个新网络，其中不同网络之间通过空标识符将缓存区间隔开；N_l表示最后一个缓存区有数据包的节点标号；

当S_r的差值为0时，则比较S_r对应网络的所需资源数R_r，将对应网络按照R_r升序排列，把网络中第1个到第N_l个节点缓存区组合在一起成为一个新网络，其中不同网络之间通过空标识符将缓存区间隔开；新网络的S_r记为对应网络中S_r的最大值；

对于S_r差值大于1的S_r对应网络：将对应网络按照S_r降序排列，并按照顺序，分别给每个网络分配N_p个资源块，直到没有空闲资源块剩余或者所有网络都分配到资源块，其中N_p表示最大可并行传输节点数量。

所述 表示在当前时刻t，节点v_ik缓存区中数据包个数，其中，节点的标号k∈[1，n_i]，n_i为网络中节点个数。

所述对网络的网内资源进行分配，包括以下步骤：

数据包填充过程：搜索满足条件且/>的节点集，按照序号k升序排列，并对满足条件的节点进行评估和分配资源；若C_i个资源块没有剩余，则完成数据包填充过程，否则执行数据包收集过程；C_i表示在当前时刻t网络i分配到的资源块的数量；

数据包收集过程：从最后一个缓存区有数据的节点开始按照节点标号降序进行查找节点，将缓存区有数据包的节点作为待调度节点与调度节点集V_tr中记录的节点进行对比；若待调度节点在调度节点集V_tr出现，或者是V_tr中节点的邻居节点，则不要给该节点分配资源；否则对待调度节点进行评估和分配资源。

所述进行评估和分配资源包括以下步骤：

对节点进行评估，即若调度节点v_ik导致至少两个节点缓存区为空的情况，则执行下一步；否则，传输节点k；

若调度节点v_ik导致至少两个节点缓存区为空的情况，则不给节点v_ik分配资源块，而令k＝k+2再次对节点进行评估，k表示节点标号；直到调度节点v_ik不出现连续空缓存区的情况或者v_ik即为最后一个缓存区有数据的节点N_l，此时按照对节点进行评估的反向顺序，将资源分配给各节点，即令k＝k-2，给节点v_ik分配资源块，直到所有评估过的节点都得到资源块，或者给网络i分配的资源块数C_i＝0；将所有分配到资源块的节点记录在调度节点集V_tr中。

所述资源为资源块，包括一个时隙和该时隙的一个可用信道。

一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，用于任意网络数量和任意网络规模的线型拓扑工业无线网络。用于多个线型拓扑无线网络。

本发明有如下有益效果和优点：

1.本发明对网络数量和网络规模没有限制，调度时延的下界和设计的资源分算法同时适用于单个网络和多个网络。

2.本发明在分析时延下界和设计资源分配算法时以整体调度时延和资源利用率作为衡量指标，在每个时隙选取最佳节点组合尽可能多的占用信道资源，提高资源利用率、降低整体调度时延。

附图说明

图1为多个线型网络共存示意图；

图2为网络节点缓存区数据包数量示意图；

图3为当所需最小时隙数S_r差值为1时组合成新网络示意图；

图4为当所需最小时隙数S_r差值为0时组合成新网络示意图。

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，下面将结合实际的例子对本发明作进一步的详细描述。

本发明提出的一种面向多个线型拓扑的工业无线网络共存的优化资源分配方法。其主要思想在于：给出调度时延下界的一般表达式，充分考虑每个网络完成调度所需最小时隙，为算法设计提供指导；基于时延下界分析，给网络分配不同的优先级，进而给网络分配资源；对网内节点进行评估，选取最佳节点组合，最大化每个时隙并行传输节点数量，提高资源利用率。因此总体来说，该方法包括三个阶段：调度时延下界分析、网间资源分配算法、网内资源分配算法。

1.共存无线网络建模

本方法考虑多个线型拓扑无线网络，如图1所示，有N个无线网络，每个网络i(i∈N)都由一个网关v_i0和多个节点v_ik构成，k∈[1，n_i]，V₁₀和V_N0分别表示网络1和网络N中的网关，和/>分别表示网络1和网络N中标号为n₁和n_N的节点，其中n₁和n_N分别表示网络1和网络N中包含除网关外的节点总数。由于不同网络之间采用异构的通信协议，需要一个中心控制器负责与多个网络之间进行通信。调度周期开始前的初始化阶段，网关将对应网络的节点数量信息发给中心控制器，中心控制器根据可用信道数量和每个网络节点数量信息生成调度表，下发到对应网络。初始化阶段完成后，每个节点产生一个数据包，根据调度表，将数据包通过汇聚传输的方式传输到网关。所有节点按照IEEE 1588标准进行时间同步，这里将时间划分成多个长度相同的时隙，每个时隙允许传输一个节点的数据包以及其对应的ACK。所有网络共享可用信道集，由于所有节点工作在同一频段，并且在相同地理范围内，网络间和网络内都存在严重的相互干扰，因此任意两个节点不能在相同时隙使用同一个信道传输数据。网络中每个节点都是半双工通信模式，一个节点不能同时收、发数据包，即相邻节点不能同时获得资源进行调度。

2.调度时延下界分析

有N个无线网络，每个网络i(i∈N)都有n_i个节点，且可用信道数量C，当前时间为t，R_idle(N)表示N个无线网络空闲资源数，可以通过以下通用公式计算得到：

R_o(i)表示网络i占用的资源数，可以通过以下公式计算得到

则对于j满足以下情况时

调度时延最小值的通用公式为：

3.网间资源分配算法包括以下几个步骤：

步骤一：本发明的目的是设计网间资源分配算法最小化调度时延。首先对每个网络进行优先等级的评估，应满足以下两个条件：S_r＝T-t+1；N_d-N_e＝N_c-1。

具体来说，将调度时延下界T作为基准，对于当前时刻t，剩余时隙数为(T-t+1)，S_r表示完成调度所需最少时隙数，可以通过在当前时刻网络中节点缓存区数据包数量得到其中N_l表示最后一个缓存区有数据包的节点标号，/>表示在当前时刻t，节点v_ik(k∈[1，n_i])缓存区中数据包个数，N_d表示缓存区中有数据包的节点集合，N_e表示缓存区有数据包且其父节点缓存区为空的节点集合，即/>且/>当S_r＝T-t+1表示该网络处于临界状态，必须要优先考虑。以图2为例，为当前时刻网络中节点缓存区数据包数量，则该网络N_l＝7，|N_d|＝5，|N_e|＝3，因此网络所需最小时隙数S_r＝11；

N_c表示距离网关最远位置连续有数据包的节点个数，|N_d|-|N_e|＝N_c-1表示网络中连续有数据的节点仅出现在距离网关最远位置的情况。以图2为例，GW表示网关，v₁-v₈表示网络中的节点，当前时刻每个节缓存区数据包的数量依次标注在表格中。该网络N_c＝3，|N_d|-|N_e|＝2，等式|N_d|-|N_e|＝N_c-1成立。满足这两个条件的网络设定为高优先级，并给每个网络分配|N_e|个资源块，直到没有空闲资源块剩余或者所有高优先级网络都分配到资源块。除此之外将其余网络设定为低优先级；

步骤二：若此时没有空闲资源剩余，则在当前时隙网间资源分配完成；若仍有空闲资源，则将剩余资源分配给低优先级网络，执行步骤三；

步骤三：将剩余低优先级网络按照完成调度所需最小时隙数从大到小排列，按照从大到小的顺序进行查找，若所需最小时隙数差值小于等于1的网络，执行步骤四；否则所需最小时隙数差值大于1的网络，执行步骤七；

步骤四：对于所需最小时隙数差值不大于1的网络，将满足条件的网络节点的缓存区组合在一起，并且不同网络之间通过0缓存区间隔开。具体来说，当差值等于1，执行步骤五；否则差值为0，执行步骤六；

步骤五：当网络所需最小时隙数S_r差值为1，按照S_r从大到小排列，将对应网络中节点v_i1到最后一个有数据的节点的缓存区组合在一起，不同网络中间用空标识符(0缓存区)间隔开。如图3所示，此时网络i所需最小时隙数为11，网络j所需最小时隙数为12，两个网络所需最小时隙数之差为1，因此根据步骤四，将两个网络节点缓存区组合在一起，再根据步骤五中的规则，网络j的S_r值大于网络i的S_r值，因此网络j放在前半部分，网络i放在后半部分，中间用空标识符，即0缓存区间隔；

步骤六：当网络所需最小时隙数差值为0，对网络所需资源数进行排序，将所需资源数R_r从小到大的顺序进行组合，将对应网络中节点v_i1到最后一个有数据的节点的缓存区组合在一起，每个网络之间用空标识符(0缓存区)间隔开。其中R_r可以通过节点缓存区中数据包个数计算得到/>如图4所示，此时网络i、网络j所需最小时隙数都为11，两个网络所需最小时隙数之差为0，因此根据步骤四，将两个网络节点缓存区组合在一起，再根据步骤六中的规则，网络i所需资源数为28，网络j所需最小时隙数为16，因此网络j放在前半部分，网络i放在后半部分，中间用空标识符，即0缓存区间隔。

步骤七：对于所需最小时隙数差值大于1的网络(用于计算该差值的网络)，按照从大到小的顺序。具体来说，进行排序的网络包括组合后的新网络，因此按照顺序，先将剩余的资源分配给S_r大的网络，分配可并行传输最大资源数，若此时还有资源剩余，则给下一个网络分配资源，直到没有空闲资源剩余，或者所有网络都得到了相应的资源分配；

4.网内资源分配算法

完成了网间资源分配，每个网络得到对应的资源，以当前时刻网络i获得C_i个资源块为例，网内的资源分配分为以下步骤：

步骤一：对节点进行评估，将资源合理分配给网内的节点。具体来说，分为两种情况，若传输节点v_ik，会出现两个及以上节点缓存区为空的情况，则执行步骤二；否则，传输标号为k的节点的数据包；

步骤二：本发明的目的是选取最佳的节点组合，可以最大化资源利用率，从而达到最小化调度时延的目的。因此，进行网内资源分配前，对每个待调度节点进行评估。对于网络i，若调度节点v_ik会导致有两个或者两个以上的空缓存区节点出现，则先不要给节点v_ik分配资源块，而令k＝k+2再次执行进行评估。直到调度节点v_ik不会出现连续空缓存区的情况或者v_ik即为最后一个缓存区有数据的节点N_l，此时将被评估节点按照节点评估的反向顺序，将资源分配给各节点，即给v_ik分配资源块；令k＝k-2，给节点v_ik分配资源块，直到所有评估过的节点都得到资源块，或者给网络i分配的资源块个数C_i＝0。将所有分配到资源块的节点记录在调度节点集V_tr中，避免出现重复分配资源块和同时给相邻节点分配资源块的情况；C_i表示在当前时刻t网络i分配到的资源块的数量。

步骤三：数据包填充过程，在当前网络所有节点中搜索满足条件且的节点集，按照序号i升序排列，并对节点执行步骤一进行评估、分配资源。若C_i个资源块没有剩余，则完成数据包填充过程，否则需要进行下一步判断；

步骤三：数据包收集过程，从节点开始向前进行查找节点，将缓存区有数据包的节点作为待调度节点与V_tr中记录的节点进行对比，若待调度节点在V_tr出现过，或者是V_tr中节点的邻居节点，则不要给该节点分配资源；否则对待调度节点执行步骤一进行评估、分配资源。

Claims (5)

1.一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取每个网络完成调度所需调度时延最小值；

基于调度时延最小值，为网络分配资源；

对网络的网内资源进行分配；

所述调度时延最小值：

其中，R_idle(j)表示j个网络的空闲资源块数，R_o(i)表示网络i占用资源块数，分别通过以下表达式表示：

N为线型拓扑的无线网络个数，网络i的节点数量为n_i，i∈N；网络中可用信道数量为C；

所述基于调度时延最小值，为某网络分配资源，包括以下步骤：

对每个网络进行优先等级的评估，即若网络满足以下条件：S_r＝T-t+1，且N_d-N_e＝N_c-1，则该网络为高优先级，并给该网络分配|N_e|个资源块；不满足条件的为低优先级；其中，S_r表示完成调度所需最少时隙数，N_d表示缓存区中有数据包的节点集合，N_e表示缓存区有数据包且其父节点缓存区为空的节点集合，N_c表示距离网关最远位置连续有数据包的节点个数，t为当前时刻，T为调度时延最小值；

对于低优先级的网络，根据优先等级评估时得到的所需最少时隙数S_r，将每个网络按照S_r降序排列，并让每两个相邻的S_r作差，得到差值不大于1、差值大于1两种情况；

对于S_r差值不大于1的S_r对应网络：

当S_r的差值为1时，将与S_r对应的网络按照S_r降序排列，把网络中第1个到第N_l个节点缓存区组合在一起成为一个新网络，其中不同网络之间通过空标识符将缓存区间隔开；N_l表示最后一个缓存区有数据包的节点标号；

当S_r的差值为0时，则比较S_r对应网络的所需资源数R_r，将对应网络按照R_r升序排列，把网络中第1个到第N_l个节点缓存区组合在一起成为一个新网络，其中不同网络之间通过空标识符将缓存区间隔开；新网络的S_r记为对应网络中S_r的最大值；

对于S_r差值大于1的S_r对应网络：将对应网络按照S_r降序排列，并按照顺序，分别给每个网络分配N_p个资源块，直到没有空闲资源块剩余或者所有网络都分配到资源块，其中N_p表示最大可并行传输节点数量；

所述 表示在当前时刻t，节点v_ik缓存区中数据包个数，其中，节点的标号k∈[1,n_i]，n_i为网络中节点个数；

所述资源为资源块，包括一个时隙和该时隙的一个可用信道。

2.根据权利要求1所述的一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，其特征在于，所述对网络的网内资源进行分配，包括以下步骤：

数据包填充过程：搜索满足条件且/>的节点集，按照序号k升序排列，并对满足条件的节点进行评估和分配资源；若C_i个资源块没有剩余，则完成数据包填充过程，否则执行数据包收集过程；C_i表示在当前时刻t网络i分配到的资源块的数量；

数据包收集过程：从最后一个缓存区有数据的节点开始按照节点标号降序进行查找节点，将缓存区有数据包的节点作为待调度节点与调度节点集V_tr中记录的节点进行对比；若待调度节点在调度节点集V_tr出现，或者是V_tr中节点的邻居节点，则不要给该节点分配资源；否则对待调度节点进行评估和分配资源。

3.根据权利要求2所述的一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，其特征在于，所述进行评估和分配资源包括以下步骤：

对节点进行评估，即若调度节点v_ik导致至少两个节点缓存区为空的情况，则执行下一步；否则，传输节点k；

若调度节点v_ik导致至少两个节点缓存区为空的情况，则不给节点v_ik分配资源块，而令k＝k+2再次对节点进行评估，k表示节点标号；直到调度节点v_ik不出现连续空缓存区的情况或者v_ik即为最后一个缓存区有数据的节点N_l，此时按照对节点进行评估的反向顺序，将资源分配给各节点，即令k＝k-2，给节点v_ik分配资源块，直到所有评估过的节点都得到资源块，或者给网络i分配的资源块数C_i＝0；将所有分配到资源块的节点记录在调度节点集V_tr中。

4.根据权利要求1所述的一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，其特征在于，用于任意网络数量和任意网络规模的线型拓扑工业无线网络。

5.根据权利要求1所述的一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，其特征在于，用于多个线型拓扑无线网络。