CN112954701B - 基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业无线网络技术，是一种基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法。考虑工业无线网络共存问题的确定性调度、协议异构性、数据安全性等特点，提出一种基于矩阵计算的中心‑局部协调共存方法。对于共存于同一个工厂区域的N个共存网络，中央协调器通过网络管理器获取共存网络的调度表，协调各个调度表之间的冲突资源位置，并将协调结果发布给各共存网络的网络管理器。该方法将共存网络的调度生成、冲突描述、冲突解决等因素通过矩阵运算的方式进行形式化描述，中央协调器和网络管理器之间仅需传递基本的矩阵信息，协调过程简单、易实现，且无需在网络管理器共享调度信息等关键敏感信息。

Description

基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法

技术领域

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法。

背景技术

工业无线网络被认为是工业4.0时代最关键的使能技术之一。未来的工业应用将对工业无线网络具有大量的需求，典型的工业场景中将部署多种无线技术(包括WirelessHART，WIA-PA，ISA100.11a，ZigBee，WIA-FA，WISA等)。由于目前工业无线技术都工作在免授权的工业、科学及医疗频段(ISM 2.4GHz)，这使得该免授权频段变得非常拥挤，导致所谓的无线共存现象。

众所周知，为了实现确定性的通信性能，工业无线网络主要采用基于调度的介质访问控制机制。由于技术的异构性，共存网络之间无法直接交互，所产生的调度表之间冲突严重，进而使得共存系统的无线传输可靠性显著下降。现有的共存方法都是针对某两种特定商用无线技术的定制化共存方案，对于工业应用的特点考虑不足，无法应用于工业无线共存。

发明内容

现有的共存方法都是针对某两种特定商用无线技术的定制化共存方案，对于工业应用的特点考虑不足，不适合工业无线共存的研究。为此，本专利考虑工业无线网络共存问题的确定性调度、协议异构性、数据安全性等特点，提出一种基于矩阵计算的中心-局部协调共存方法。该方法将共存网络的调度生成、冲突描述、冲突解决等因素通过矩阵运算的方式进行形式化描述，中央协调器和网络管理器之间仅需传递基本的矩阵信息，协调过程简单、易实现，且无需在网络管理器共享调度信息等关键敏感信息。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法，对于共存于同一个工厂区域的N个共存网络，中央协调器通过网络管理器获取共存网络的调度矩阵，协调各个调度矩阵之间的冲突资源位置，并将协调结果发布给各共存网络的网络管理器，包括以下步骤：

各共存网络的管理器向中央协调器发送网内的调度矩阵；

中央协调器收集各共存网络的调度矩阵，协调各个调度矩阵之间的冲突资源位置，并将协调结果发布给各共存网络的网络管理器；

各共存网络的网络管理器根据中央协调器返回的协调结果进行网内调度。

所述调度矩阵

表示如下：

其中，信道m和时隙n对应的资源块为RB(m,n)，i表示第i个共存网络，i＝1,2,…,N，C为信道数目，k_i为第i个共存网络中现场设备数据周期T_i所包含的时隙数。

所述中央协调器收集各共存网络的调度矩阵，协调各个调度矩阵之间的冲突资源位置，并将协调结果发布给各共存网络的网络管理器，包括以下步骤：

步骤3.1：中央协调器接收网络i的网络管理器GNM_i根据当前可用资源产生的调度矩阵A_i；i＝1,2,…,N；

步骤3.2：中央协调器对A_i采用矩阵升维运算得到指示矩阵

并对所有升维后的矩阵/>

求和得到矩阵/>

L_i表示对矩阵A_i的升维运算；

步骤3.3：根据A_mn(1≤m≤C，1≤n≤K)的取值，更新

具体如下：

如果A_mn≤1，

如果A_mn＞1，此时共存网络在资源块RB(m,n)发生占用冲突，优先级P_i(m,n)最高的网络获得对RB(m,n)的使用权，RB(m,n)对其他网络不可用，即

其中，C为信道数目，k_i为第i个共存网络中现场设备数据周期T_i所包含的时隙数，K是所有k_i的最小公倍数，argmax_{i＝1,2,...,N}P_i(m,n)函数返回最大P_i(m,n)的网络编号i值；

表示第i个共存网络指示矩阵/>

的第m行和第n列元素；

步骤3.4：中央协调器对A_i采用矩阵降维运算得到

并将A_i发送给GNM_i；D_i表示对矩阵/>

的降维运算；

步骤3.5：如果‖A_i‖_R＝N_i，GNM_i的所有现场设备均得到传输时隙，执行步骤3.6；否则，执行步骤3.1；其中，‖A_i‖_R表示矩阵A_i中包含的资源段(a_i,b_i)数量，a_i为相邻信道数，b_i为连续时隙数；

步骤3.6：所有共存网络的调度矩阵A_i之间无冲突，作为协调结果，共存协调过程结束。

矩阵升维运算L_i(A_i)如下：

其中K是所有k_i的最小公倍数。

优先级P_i(m,n)表示如下：

其中，α是给定的非负常数，mod是模运算，k_i为第i个共存网络中现场设备数据周期T_i所包含的时隙数，m表示信道，n表示时隙。

矩阵降维运算

表示如下：

即提取矩阵

的前k_i列，k_i为第i个共存网络中现场设备数据周期T_i所包含的时隙数，C为信道数目。

各共存网络的管理器与中央协调器之间通过有线方式通信，各共存网络的管理器与共存网络i的现场设备之间通过无线方式通信。

各共存网络的管理器与中央协调器间保持时钟同步，网络i的现场设备与各共存网络的管理器保持时钟同步。

基于矩阵计算的异构工业无线网络共存系统，包括：

共存网络的管理器，用于向中央协调器发送网内的调度矩阵，根据中央协调器返回的协调结果进行网内调度；

中央协调器，用于收集各共存网络的调度矩阵，协调各个调度矩阵之间的冲突资源位置，并将协调结果发布给各共存网络的网络管理器。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明提出的基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法，该方法在共存协调过程中充分方法的通用性，适合不同无线技术的共存问题。具体表现在：

1.本发明采用矩阵计算方法，该方法将共存网络的调度表、信道可用性、冲突描述、冲突解决等因素通过矩阵运算的方式进行形式化描述；

2.本发明提出的共存方法只需在中央协调器和网络管理器之间传递基本的矩阵信息，协调过程简单、易实现，且无需在网络管理器共享调度信息等关键敏感信息。

附图说明

图1为异构网络的共存架构示意图；

图2为调度矩阵举例示意图；

图3为矩阵升维运算示意图。

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。

本发明涉及工业无线网络技术，是一种基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法。考虑工业无线网络共存问题的确定性调度、协议异构性、数据安全性等特点，提出一种基于矩阵计算的中心-局部协调共存方法。该方法将共存网络的调度生成、冲突描述、冲突解决等因素通过矩阵运算的方式进行形式化描述，中央协调器和网络管理器之间仅需传递基本的矩阵信息，协调过程简单、易实现，且无需在网络管理器共享调度信息等关键敏感信息。

系统模型：N个星状工业无线网络共存于同一个工厂区域，对于C个信道的占用存在竞争关系。网络i(i＝1,2,…,N)具有N_i个现场设备，每个现场设备的数据周期为T_i，可进一步划分为k_i个时隙，即T_i＝μk_i，其中μ为一个时隙的长度；每一个信道和时隙组成一个资源块，令信道m和时隙n对应的资源块为RB(m,n)。由于网络的异构性，网络i传输一个数据包需要a_ib_i个资源块，简记为(a_i,b_i)，其中a_i为相邻信道数，b_i为连续时隙数。

如图1所示，异构网络的共存架构包括中央协调器和共存网络的管理器。中央协调器负责收集共存网络的调度表，计算和协调各个调度表之间的冲突资源位置，并将最终协调结果发布给各个共存网络的管理器。每个网络i由一个网络管理器GNM_i负责全网的现场设备调度；GNM_i向中央协调器发送网内的调度矩阵A_i，并根据中央协调器返回的协调结果调整新的调度矩阵。GNM_i与中央协调器之间通过有线方式通信，GNM_i与网络i的现场设备之间通过无线方式通信。GNM_i与中央协调器间保持时钟同步，网络i的现场设备与GNM_i保持时钟同步，因此全网的所有节点可实现时钟同步。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法，其特征在于其共存协商过程执行以下步骤：

步骤1：网络i(i＝1,2,…,N)的GNM_i根据当前可用的资源产生调度矩阵A_i，并将其发送给中央协调器；

图2考虑两个共存网络的调度矩阵A₁和A₂，网络1有6个现场设备，网络2有7个现场设备，周期k₁＝5，k₂＝10，传输资源(a₁,b₁)＝(1,1)，(a₂,b₂)＝(1,2)。

步骤2：中央协调器对A_i采用矩阵升维运算得到

并对所有/>

求和得到矩阵/>

图3给出了图2中示例矩阵的升维运算结果。

步骤3：根据A_mn(1≤m≤C，1≤n≤K)的取值，更新

具体如下，如果A_mn≤1，

如果A_mn＞1，此时共存网络在资源块RB(m,n)发生占用冲突，优先级P_i(m,n)最高的网络获得对RB(m,n)的使用权，RB(m,n)对其他网络不可用，即

步骤4：中央协调器对A_i采用矩阵降维运算得到

并将A_i发送给GNM_i；

步骤5：如果‖A_i‖_R＝N_i，GNM_i的所有现场设备均得到传输时隙，执行步骤6；否则，执行步骤1；

步骤6：所有共存网络的调度矩阵A_i之间无冲突，共存协调过程结束。

其中，调度矩阵

定义如下：

矩阵升维运算L_i(A_i)规定如下：

其中K是所有k_i的最小公倍数。

优先级P_i(m,n)规定如下：

其中α是给定的非负常数，mod是模运算。

矩阵降维运算

规定如下：/>

即提取矩阵

的前k_i列。

‖A_i‖_R定义：‖A_i‖_R是矩阵A_i中包含的资源(a_i,b_i)数量。

Claims (7)

1.一种基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法，其特征在于，对于共存于同一个工厂区域的N个共存网络，中央协调器通过网络管理器获取共存网络的调度矩阵，协调各个调度矩阵之间的冲突资源位置，并将协调结果发布给各共存网络的网络管理器，包括以下步骤：

各共存网络的管理器向中央协调器发送网内的调度矩阵；

中央协调器收集各共存网络的调度矩阵，协调各个调度矩阵之间的冲突资源位置，并将协调结果发布给各共存网络的网络管理器；

各共存网络的网络管理器根据中央协调器返回的协调结果进行网内调度；

所述调度矩阵

表示如下：

其中，信道m和时隙n对应的资源块为RB(m,n)，i表示第i个共存网络，i＝1,2,…,N，C为信道数目，k_i为第i个共存网络中现场设备数据周期T_i所包含的时隙数；

所述中央协调器收集各共存网络的调度矩阵，协调各个调度矩阵之间的冲突资源位置，并将协调结果发布给各共存网络的网络管理器，包括以下步骤：

步骤3.1：中央协调器接收网络i的网络管理器GNM_i根据当前可用资源产生的调度矩阵A_i；i＝1,2,…,N；

步骤3.2：中央协调器对A_i采用矩阵升维运算得到指示矩阵

并对所有升维后的矩阵/>

求和得到矩阵/>

L_i表示对矩阵A_i的升维运算；

步骤3.3：根据A_mn，1≤m≤C，1≤n≤K的取值，更新

具体如下：

如果A_mn≤1，

如果A_mn＞1，此时共存网络在资源块RB(m,n)发生占用冲突，优先级P_i(m,n)最高的网络获得对RB(m,n)的使用权，RB(m,n)对其他网络不可用，即

其中，C为信道数目，k_i为第i个共存网络中现场设备数据周期T_i所包含的时隙数，K是所有k_i的最小公倍数，argmax_{i＝1,2,…,N}P_i(m,n)函数返回最大P_i(m,n)的网络编号i值；

表示第i个共存网络指示矩阵/>

的第m行和第n列元素；

步骤3.4：中央协调器对A_i采用矩阵降维运算得到

并将A_i发送给GNM_i；D_i表示对矩阵/>

的降维运算；

步骤3.5：如果‖A_i‖_R＝N_i，GNM_i的所有现场设备均得到传输时隙，执行步骤3.6；否则，执行步骤3.1；其中，‖A_i‖_R表示矩阵A_i中包含的资源段(a_i,b_i)数量，a_i为相邻信道数，b_i为连续时隙数；

步骤3.6：所有共存网络的调度矩阵A_i之间无冲突，作为协调结果，共存协调过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法，其特征在于，矩阵升维运算L_i(A_i)如下：

其中K是所有k_i的最小公倍数。

3.根据权利要求1所述的一种基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法，其特征在于，优先级P_i(m,n)表示如下：

其中，α是给定的非负常数，mod是模运算，k_i为第i个共存网络中现场设备数据周期T_i所包含的时隙数，m表示信道，n表示时隙。

4.根据权利要求1所述的一种基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法，其特征在于，矩阵降维运算

表示如下：

即提取矩阵

的前k_i列，k_i为第i个共存网络中现场设备数据周期T_i所包含的时隙数，C为信道数目。

5.根据权利要求1所述的一种基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法，其特征在于，各共存网络的管理器与中央协调器之间通过有线方式通信，各共存网络的管理器与共存网络i的现场设备之间通过无线方式通信。

6.根据权利要求1所述的一种基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法，其特征在于，各共存网络的管理器与中央协调器间保持时钟同步，网络i的现场设备与各共存网络的管理器保持时钟同步。

7.一种基于矩阵计算的异构工业无线网络共存系统，其特征在于，包括：

共存网络的管理器，用于向中央协调器发送网内的调度矩阵，根据中央协调器返回的协调结果进行网内调度；

中央协调器，用于收集各共存网络的调度矩阵，协调各个调度矩阵之间的冲突资源位置，并将协调结果发布给各共存网络的网络管理器；

所述共存网络的管理器和中央协调器分别执行权利要求1中所述的一种基于矩阵计算的异构工业无线网络共存方法。

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