CN113453348B - 一种面向工业无线网络的自动按需重传时隙分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种面向工业无线网络的自动按需重传时隙分配方法。该方法包括超帧结构和网络工作机制设计，重传时隙分配，现场设备丢包率动态调整三个步骤。本发明方法综合考虑工业无线网络采用增强星型拓扑，网络接入设备采用分组策略，现场设备丢包率随时间动态变化的特点，以网络的可靠性作为衡量重传时隙分配方法性能的指标，基NACK重传模式设计出新的网络超帧。在每个超帧，根据前一轮传输丢包情况确定新一轮的重传数据包。此外，在每个超帧动态调整现场设备丢包率以跟踪信道的变化。

Description

一种面向工业无线网络的自动按需重传时隙分配方法

技术领域

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种面向高实时高可靠工业无线网络的自动按需重传时隙分配方法。

背景技术

作为智能制造的关键技术之一，工业无线网络(IWNs)正在广泛应用于智能工厂。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(移动机器人和旋转设备)，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。

为了应对上述挑战，本文设计了一种新的重传时隙分配方法，该方法综合考虑工业无线网络采用增强星型拓扑，AD采用分组策略，FD丢包率随时间动态变化的特点，自动按需预留重传时隙，并能动态调整FD当前丢包率以跟踪信道的变化。

发明内容

本发明提出一种面向高实时高可靠工业无线网络的自动按需重传时隙分配方法。高实时高可靠工业无线网络可以为离散制造业中的无线网络，例如AGV通信、机器人末端执行器以及旋转设备控制所属的无线网络等。该方法包括超帧结构和网络工作机制设计，重传时隙分配，现场设备丢包率动态调整三个步骤。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种面向工业无线网络的自动按需重传时隙分配方法，对于含有网关GW、接入设备AD和现场设备FD的网络，构建超帧结构并基于超帧结构实现网络上行数据和下行数据的传输，以及进行重传时隙分配，并动态调整现场设备FD丢包率。

所述超帧结构具体如下：

超帧长度为SF个时隙，网络中所有AD共分成G个组，超帧分成G段，每段时隙数为SF/G；第i(i＝1,2,...,G)组的M个AD分得超帧中第i段时隙；第i段时隙包括顺次的信标时隙、管理时隙和数据时隙；

信标时隙，为第i组内的每个AD预留一个时隙，用于发送Beacon帧；

管理时隙，包括上行共享时隙和下行时隙；

数据时隙，包括上行数据传输时隙、下行NACK时隙和上行数据重传时隙。

所述基于超帧结构实现网络上行数据和下行数据的传输，包括以下步骤：

当一个新的FD要加入网络，先在指定信道监听，一旦收到AD广播的Beacon帧，则与该AD同步，并在之后的上行共享时隙竞争接入网络；当接入成功时，则网关通过下行时隙为其组态且配置通信资源；

基于超帧结构，NACK重传模式工作方式如下：

在第1段时隙的管理时隙结束后，预留上行数据传输时隙；首次传输完成后，网关根据收到的数据包情况，生成NACK；如果NACK需要在第j段发送，则通过AD_((j-_1)M+1)～AD_jM下发；AD下标表示AD序号，其中j＝1…G；当遇到Beacon时隙和管理时隙则暂停发送，等到新的数据时隙到来再继续未发送的数据。

所述通信资源为：FD在下一个超帧的第1段上行数据传输时隙分得的时隙。

所述重传时隙分配方法，包括以下步骤：

每个入网的FD在上行数据传输时隙等待为它分配的时隙；如果当前时隙分配给了FD_i(i＝1,2,...,N)，N为网络中FD个数，则FD_i开始上传数据；否则，FD_i保持空闲状态；

NACK重传：GW侦听无线信道，并将成功传输的FD从失败FD集合中移除，在NACK时隙中，GW广播的NACK中包括失败FD的地址和相对时隙号；如果FD_i接收到的NACK不包括自己的地址，即FD_i已成功将其数据传输到GW，则FD_i将在当前超帧的后续时隙中不做任何事情；否则，FD_i将等待NACK指示的下一个分配的时隙。

GW在每一轮下发NACK前进行判断：

如果2*M+K＜RS，则表示剩余的时隙足够多，进行NACK重传；

如果2*M+K≥RS，则表示剩余的时隙不足，优化剩余时隙的分配；其中M是每组AD个数，K是上一轮传输丢包个数，RS是超帧剩余的时隙个数。

所述优化剩余时隙的分配，包括以下步骤：

如果K≥(RS-M)，对丢包FD按照数据包传输失败概率从小到大排序，以此把(RS-M)个时隙分配给前(RS-M)个FD；

如果K＜(RS-M)，则首先给每个FD分配一个时隙，剩余的(RS-M-K)个时隙的分配方法如下：

对于第1个时隙，先分配给每个FD，获取分得此时隙后成功率增加最大的FD，然后把这个时隙真正分配给该FD；

依次遍历每个时隙，直到剩余的(RS-M-K)个时隙全部分配完成。

所述动态调整现场设备(FD)丢包率，包括以下步骤：

p_i(t)＝α·o_i(t)+(1-α)·p_i(t-1)

其中，p_i(t)是FD_i在第t个超帧的丢包率的估计值，α为权重；

o_i(t)为第t个超帧丢包情况的观察值，若丢包，则o_i(t)＝1；否则o_i(t)＝0；

p_i(t-1)为第(t-1)个超帧丢包的估计值。

对α进行动态调整，通过以下步骤实现：

当差值Δ＝o_i(t)-p_i(t-1)>第一阈值时，则调整α＝min{2·α,upv}，upv是α的上界；

当差值Δ＝o_i(t)-p_i(t-1)<第二阈值时，则调整α＝min{2·α,upv}；

当第二阈值≤Δ＝o_i(t)-p_i(t-1)≤第一阈值时，则α回到初始值。

本发明提出一种面向高实时高可靠工业无线网络的自动按需重传时隙分配方法，该方法综合考虑工业无线网络采用增强星型拓扑，网络接入设备采用分组策略，现场设备丢包率随时间动态变化的特点，以网络的可靠性作为衡量重传时隙分配方法性能的指标，基于NACK重传模式设计出新的网络超帧。在每个超帧，根据前一轮传输丢包情况确定新一轮的重传数据包。此外，在每个超帧动态调整现场设备丢包率以跟踪信道的变化。具体表现在：

1.本发明设计的超帧结构和网络工作机制，基于网络中多AD和AD分组特点，把超帧所有时隙分为信标时隙、管理时隙、数据时隙，并规定无论是AD下发NACK，还是FD重传数据包，遇到Beacon时隙和管理时隙则暂停发送，等到新的数据时隙到来再继续未发送的数据帧，从而实现设备管理和数据包发送有序进行，互不干扰。

2.本发明设计重传时隙分配方法，根据前一轮丢包情况确定新一轮的重传数据包，从而避免提前预留造成的时隙不足或浪费。对于超帧最后一轮重传，则综合考虑剩余时隙个数和失败节点个数，最大化时隙利用率。

3.本发明设计的FD丢包率动态调整方法，分别给历史平均丢包情况和当前超帧丢包情况加权，以此调整FD丢包率。为了避免调整速率过慢，本发明设计了权重动态调整方案，从而更好地跟踪信道状况。

附图说明

图1为工业无线网络增强星型拓扑示意图；

图2为基于NACK重传模式的网络超帧示意图；

图3为GW状态转移图；

图4为FD状态转移图。

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。

本发明提出一种面向高实时高可靠工业无线网络的自动按需重传时隙分配方法。该方法包括超帧结构和网络工作机制设计，重传时隙分配，现场设备(Field Device,FD)丢包率动态调整三个步骤。

超帧结构和网络工作机制设计，包括以下步骤：

超帧结构设计阶段：根据网络中增强星型拓扑和接入设备(Access Device,AD)分组特点设计超帧结构；

网络工作机制设计阶段：基于上述超帧结构，设计网络上、下行数据传输机制。

本发明综合考虑工业无线网络采用增强星型拓扑，网络接入设备采用分组策略，现场设备丢包率随时间动态变化的特点，以网络的可靠性作为衡量重传时隙分配方法性能的指标，基NACK重传模式设计出新的网络超帧。在每个超帧，根据前一轮传输丢包情况确定新一轮的重传数据包。此外，在每个超帧动态调整现场设备丢包率以跟踪信道的变化。

1.工业无线网络建模

本方法考虑图1所示，由GW，AD，FD等设备构成的增强星型拓扑结构。主控计算机：操作人员、维护人员和管理人员执行组态、网络配置与数据显示等功能的接口，以及执行控制功能，并且负责网络配置、组态和数据显示功能。网关设备：通过数据映射和协议转换将无线网络与其他工厂网络(如现场总线)连接。接入设备：在GW和FD之间转发数据，转发的数据包括从GW到FD的控制命令，以及从FD到GW的现场数据。现场设备：安装在工业现场，与传感器或执行器相连。手持设备：用于配置、固件升级和设备状态监视的便携式设备。

在图1所示网络中有N个FD。假设FD_i(i＝1,2,...,N)的在第t个超帧丢包率估计值是p_i(t)，每个FD在每个超帧的开始处生成一个新的数据包，且每个数据包需要在当前超帧结束前成功地传输到GW。

2.超帧结构设计

如图2所示，根据工业要求设定超帧长度为SF个时隙，假定网络中所有AD共分成G个组，相应地，超帧被分成分成G段，每段时隙数为SF/G。第i(i＝1,2,...,G)组的M个AD分得超帧中第i段时隙。第i段时隙开始是信标(Beacon)时隙，为第i组内的每个AD预留一个时隙，用于发送Beacon帧。然后是管理时隙，分为上行共享时隙和下行时隙。之后是数据时隙，分为上行数据传输时隙、下行NACK时隙和上行数据重传时隙。

3.网络工作机制设计

如图2所示，如果一个新的FD想要加入网络，先在特定信道监听，一旦收到AD广播的Beacon帧，则与该AD同步，并在之后的上行共享时隙通过CSMA/CA机制竞争接入网络。如果接入成功，则网关(Gateway,GW)通过下行时隙为其组态且配置通信资源。这里通信资源定义为：该FD在下一个超帧的上行数据传输时隙的第几个时隙分得上传机会(注：如果一个FD第k个超帧接入，则规定从第k+1个超帧开始周期性上传数据)。

基于上述超帧结构，NACK重传模式工作方式如下：在第1段的管理时隙结束后，预留上行数据传输时隙，这些时隙是GW通过下行时隙分配给各FD(即各FD知道自己会在上行数据传输时隙的第几个时隙上传)。首次传输完成后，GW根据收到的数据包情况，生成NACK。如果NACK需要在第1段发送，则通过AD₁～AD_M下发；同理，如果NACK需要在第2段发送，则通过AD_M+1～AD_2M下发，以此类推。为了不影响Beacon帧的发送，无论是AD下发NACK，还是FD重传数据包，遇到Beacon时隙和管理时隙则暂停发送，等到新的数据时隙到来再继续未发送的数据。

4.重传时隙分配

每个入网的FD在上行数据传输时隙等待其分配的时隙，如果当前时隙分配给了FD_i(i＝1,2,...,N)，N为网络中FD个数，则FD_i开始上传数据。如图3所示，GW侦听无线信道，并将成功传输的FDs从失败FD集合中移除，在NACK时隙中，GW广播的NACK中包括失败FD的地址和相对时隙号。如图4所示，如果FD_i接收到的NACK不包括自己的地址，即FD_i已成功将其数据传输到GW，则FD_i将在当前超帧的后续时隙中不做任何事情；否则，FD_i将等待NACK指示的下一个分配的时隙。由于FD_i的数据包需要在当前超帧结束之前成功地传输到GW，因此FD_i在超帧结束时将包从其缓冲区中移除。

为进一步提高时隙利用率，GW在每一轮下发NACK前要考虑两种情况：

(1)如果2*M+K＜RS，则剩余的时隙足够多，可以正常进行NACK重传；

(2)如果2*M+K≥RS，则剩余的时隙不足，需要优化剩余时隙的分配。

其中M是每组AD个数，K是上一轮传输丢包个数，RS是超帧剩余的时隙个数。这种情况等价于(RS-M)个时隙分配给K个FD的问题，分配方法如下：

(1)如果K≥(RS-M)，对丢包节点按照数据包传输失败概率从小到大排序，以此把(RS-M)个时隙分配给前(RS-M)个节点；

(2)如果K＜(RS-M)，则首先给每个节点分配一个时隙，剩余的(RS-M-K)个时隙的分配方法如下：

1)对于第1个时隙，先尝试分配给K个FD中的每个FD，哪个FD分得此时隙后成功率增加最大，就把这个时隙真正分配给它；

2)第1个时隙分配完成后，第2个时隙分配方法相同，然后是第3个时隙，直到剩余的(RS-M-K)个时隙全部分配完成。

5.FD丢包率动态调整

p_i(t)＝α·o_i(t)+(1-α)·p_i(t-1)

其中，p_i(t)是FD_i在第t个超帧的丢包率的估计值，该估计值依赖两部分计算：

(1)第t个超帧丢包情况的观察值o_i(t)，若丢包，则o_i(t)＝1；否则o_i(t)＝0；

(2)第(t-1)个超帧丢包的估计值p_i(t-1)。

最后对两部分加权，权重分别为α和(1-α)。

为准确估计信道质量，这里给出动态调整α的值的方法：

(1)给定α一个较小的初始值(α＝0.1)，表示当信道稳定时，p_i(t)的估计主要根据历史值；

(2)在周期t有三种情况：

1)Δ＝o_i(t)-p_i(t-1)>50％(阈值1)，则调整α＝min{2·α,upv}，这里upv＜1是α的上界，设置为upv＝0.9；

2)Δ＝o_i(t)-p_i(t-1)<-50％(阈值2)，则调整α＝min{2·α,upv}；

3)-50％(阈值2)≤Δ＝o_i(t)-p_i(t-1)≤50％(阈值1)，则α回到初始值，如α＝0.1。

Claims (3)

1.一种面向工业无线网络的自动按需重传时隙分配方法，其特征在于，对于含有网关GW、接入设备AD和现场设备FD的网络，构建超帧结构并基于超帧结构实现网络上行数据和下行数据的传输，以及进行重传时隙分配，并动态调整现场设备FD丢包率；

所述超帧结构具体如下：

超帧长度为SF个时隙，网络中所有AD共分成G个组，超帧分成G段，每段时隙数为SF/G；第i组的M个AD分得超帧中第i段时隙，i＝1,2,...,G；第i段时隙包括顺次的信标时隙、管理时隙和数据时隙；

信标时隙，为第i组内的每个AD预留一个时隙，用于发送Beacon帧；

管理时隙，包括上行共享时隙和下行时隙；

数据时隙，包括上行数据传输时隙、下行NACK时隙和上行数据重传时隙；

所述基于超帧结构实现网络上行数据和下行数据的传输，包括以下步骤：

当一个新的FD要加入网络，先在指定信道监听，一旦收到AD广播的Beacon帧，则与该AD同步，并在之后的上行共享时隙竞争接入网络；当接入成功时，则网关通过下行时隙为其组态且配置通信资源；

基于超帧结构，NACK重传模式工作方式如下：

在第1段时隙的管理时隙结束后，预留上行数据传输时隙；首次传输完成后，网关根据收到的数据包情况，生成NACK；如果NACK需要在第j段发送，则通过AD_((j-1)M+1)～AD_jM下发；AD下标表示AD序号，其中j＝1…G；当遇到Beacon时隙和管理时隙则暂停发送，等到新的数据时隙到来再继续未发送的数据；

所述重传时隙分配方法，包括以下步骤：

每个入网的FD在上行数据传输时隙等待为它分配的时隙；如果当前时隙分配给了FD_k，k＝1,2,...,N，N为网络中FD个数，则FD_k开始上传数据；否则，FD_k保持空闲状态；

NACK重传：GW侦听无线信道，并将成功传输的FD从失败FD集合中移除，在NACK时隙中，GW广播的NACK中包括失败FD的地址和相对时隙号；如果FD_k接收到的NACK不包括自己的地址，即FD_k已成功将其数据传输到GW，则FD_k将在当前超帧的后续时隙中不做任何事情；否则，FD_k将等待NACK指示的下一个分配的时隙；

GW在每一轮下发NACK前进行判断：

如果2*M+K＜RS，则表示剩余的时隙足够多，进行NACK重传；

如果2*M+K≥RS，则表示剩余的时隙不足，优化剩余时隙的分配；其中M是每组AD个数，K是上一轮传输丢包个数，RS是超帧剩余的时隙个数；

所述优化剩余时隙的分配，包括以下步骤：

如果K≥(RS-M)，对丢包FD按照数据包传输失败概率从小到大排序，以此把(RS-M)个时隙分配给前(RS-M)个FD；

如果K＜(RS-M)，则首先给每个FD分配一个时隙，剩余的(RS-M-K)个时隙的分配方法如下：

对于第1个时隙，先分配给每个FD，获取分得此时隙后成功率增加最大的FD，然后把这个时隙真正分配给该FD；

依次遍历每个时隙，直到剩余的(RS-M-K)个时隙全部分配完成；

所述动态调整现场设备FD丢包率，包括以下步骤：

p_i(t)＝α·o_i(t)+(1-α)·p_i(t-1)

其中，p_i(t)是FD_i在第t个超帧的丢包率的估计值，α为权重；

o_i(t)为第t个超帧丢包情况的观察值，若丢包，则o_i(t)＝1；否则o_i(t)＝0；

p_i(t-1)为第(t-1)个超帧丢包的估计值。

2.根据权利要求1所述的一种面向工业无线网络的自动按需重传时隙分配方法，其特征在于，所述通信资源为：FD在下一个超帧的第1段上行数据传输时隙分得的时隙。

3.根据权利要求1所述的一种面向工业无线网络的自动按需重传时隙分配方法，其特征在于，对α进行动态调整，通过以下步骤实现：

当差值Δ＝o_i(t)-p_i(t-1)>第一阈值时，则调整α＝min{2·α,upv}，upv是α的上界；

当差值Δ＝o_i(t)-p_i(t-1)<第二阈值时，则调整α＝min{2·α,upv}；

当第二阈值≤Δ＝o_i(t)-p_i(t-1)≤第一阈值时，则α回到初始值。

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