CN115174011A - 面向高可靠通信的工业无线上行重传方法 - Google Patents

面向高可靠通信的工业无线上行重传方法 Download PDF

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CN115174011A CN202210397703.7A CN202210397703A CN115174011A CN 115174011 A CN115174011 A CN 115174011A CN 202210397703 A CN202210397703 A CN 202210397703A CN 115174011 A CN115174011 A CN 115174011A
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Abstract

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种面向高可靠通信的工业无线上行重传方法。本方法适用于由网关和现场设备构成的星型拓扑网络。本发明构建了一种新型超帧结构，支持按需重传模式和循环重传模式的灵活切换；考虑到异质信道状况，将这两种重传模式与时隙跳频技术相结合，充分地利用了信道分集，同时保证了设备间传输的公平性。当重传数据时，网关依据可靠性分析结果，动态地选择重传模式以提升通信资源的使用效率，最终可实现网络的上行可靠传输。

Description

面向高可靠通信的工业无线上行重传方法
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可靠通信的工业无线上行重传方法。
背景技术
制造业正在经历由工业3.0到工业4.0的根本转型，目标是提高资源利用效率、提升经济效益并且支持定制化生产。未来智能工厂将使用大量灵活的、模块化的并且可重构的生产模块以及移动设备(例如，履带式设备、自动导引车等)。鉴于在安装维护成本、灵活性和可扩展性方面的优势，工业无线网络在工业现场越来越受到欢迎，并将成为工业4.0时代智能制造的关键技术。
但工业应用对工业无线网络的传输可靠性提出了苛刻的性能要求，然而由于无线网络的开放性介质特点，其传输可靠性容易受到工业现场恶劣射频环境的影响。一是工业无线网络使用的2.4GHz频段是一个公用频段，共存网络之间会相互干扰。二是工厂中一般存在大型机械和错综复杂的反射面，其造成的多径效应会影响无线信号的传输。三是工业环境中温度、湿度等变化剧烈，并且人员和设备移动频繁，不稳定的通信链路造成了网络传输的不可靠。重传是一种提升网络传输可靠性的有效方法，然而目前关于上行数据传输的重传方法大部分采用单一的重传模式，也未考虑因异质信道造成的设备间传输不公平的问题，从而不能更高效地利用通信资源和保证网络的高可靠传输。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种面向高可靠通信的工业无线上行重传方法，即首先设计了两种融合时隙跳频算法的重传模式，即循环重传模式和按需重传模式，然后构建新型超帧结构，并且基于该超帧结构动态选择重传模式。该发明可有效提升通信资源的使用效率，进而保证网络上行传输的可靠性，对于面向工厂自动化的工业无线网络可以达到高可靠的99.999％传输可靠性。
本发明采用如下技术方案：一种面向高可靠通信的工业无线上行重传方法，对于由网关与现场设备构成的星型拓扑网络，基于超帧结构动态选择重传模式，进行网络上行传输。
所述超帧结构如下：超帧长度为现场设备的数据周期K，超帧构成时段包括信标时段、数据传输时段和数据重传时段。
所述超帧构成时段包括：
信标时段，用于网关向N个现场设备广播信标，所述信标用于时间同步，并且告知现场设备数据传输时段的调度表，长度为1个时隙；
数据传输时段，用于每个现场设备向网关发送一个数据包，长度为
Figure BDA0003598183570000011
个时隙，其中M为信道的数量；
数据重传时段，用于网关发送NACK以及现场设备重传数据包，NACK中包含传输失败的现场设备的ID以及其调度表，网关通过更新NACK动态地选择重传模式；数据重传时段的第1个时隙用作NACK传输，剩余时隙数量为L0，
Figure BDA0003598183570000021
K为现场设备的数据周期。
所述重传模式通过以下步骤得到：
分别计算循环重传模式的可靠性R循环和按需重传模式的可靠性R按需；
当R循环＜R按需时，采用按需重传模式；
当R循环≥R按需时，采用循环重传模式。
所述循环重传模式的传输可靠性R循环如下：
Figure BDA0003598183570000022
其中，N0表示数据传输时段结束后传输失败的现场设备数量，Ai表示第i个现场设备在循环重传时段分配到的资源块编号集合，φ表示空集，IJ表示一个指示函数，当J成立时IJ＝1，否则IJ＝0，
Figure BDA0003598183570000023
表示第
Figure BDA0003598183570000024
个信道的丢包率。
参数
Figure BDA0003598183570000025
α表示资源块编号，M为信道个数。
所述按需重传模式的可靠性R按需计算包括两种情况：
情况6.1：选择最小重传次数ω*，使得
Figure BDA0003598183570000026
成立；
Figure BDA0003598183570000027
其中，参数Δ0＝N0，参数
Figure BDA0003598183570000028
参数
Figure BDA0003598183570000029
参数rω-1＝Δω- 1modTω-1；
Figure BDA00035981835700000210
其中，根据Lω＞0,Δω≤M通过求解以下公式，选择最小的重传次数ω作为最小重传次数ω*：
Figure BDA00035981835700000211
求解后得到参数Δω和Lω，分别作为参数
Figure BDA00035981835700000212
和
Figure BDA00035981835700000213
带有*的参数表示求解得到的对应参数结果；
情况6.2：选择
Figure BDA00035981835700000214
使得
Figure BDA00035981835700000215
成立；
Figure BDA00035981835700000216
Pi表示第i个信道上的丢包率，
Figure BDA0003598183570000031
表示第
Figure BDA0003598183570000032
个信道上的丢包率；IJ表示一个指示函数，当J成立时IJ＝1，否则IJ＝0；N0表示数据传输时段结束后传输失败的现场设备数量；
其中，根据Lω-1＞0,Lω≤0通过求解以下公式，得到的重传次数ω作为重传次数
Figure BDA0003598183570000033
Figure BDA0003598183570000034
求解后得到参数Δω-1、Lω-1、Lω分别作为参数
Figure BDA0003598183570000035
带有＾的参数表示求解得到的对应参数结果。
所述循环重传模式具体如下：
在循环重传模式中，根据时隙跳频算法，将时隙和信道资源循环分配给现场设备并通过NACK下发传输调度表，现场设备根据接收到的传输调度表发送数据。
循环重传模式的时隙跳频算法包括以下步骤：
首先将一个时隙与一个信道的组合作为一个资源块，一个资源块用于传输一个数据包，有M个信道，则L0个时隙对应W个资源块，W＝L0M。将M个信道依据丢包率从小到大依次编号为1,2,...,M，信道上的丢包率分别为P1,P2,...,PM，且P1≤P2≤...≤PM，占据第c个信道和第t个时隙的资源块编号为α，α＝(t-1)M+c，其中，t＝1,2,...,L0；根据三种情况，时隙跳频算法具体如下：
情况8.1：N0≤M，
Ai＝{αi 1(1),αi 1(2),…,αi 1(L0)}，
其中，N0表示数据传输时段结束后传输失败的现场设备数量，Ai表示第i个现场设备在循环重传时段分配到的资源块编号集合。
Figure BDA0003598183570000036
mod代表取余运算,IJ表示指示函数，当J成立时IJ＝1，否则IJ＝0。
情况8.2：N0＞M且N0与M互质，
Figure BDA0003598183570000037
其中，αi 2(ω)＝(ω-1)N0+i，参数θ＝WmodN0，参数
Figure BDA0003598183570000038
情况8.3：N0＞M且N0与M不互质，
Figure BDA0003598183570000039
其中，
Figure BDA00035981835700000310
为方程
Figure BDA00035981835700000311
的解，
Figure BDA0003598183570000041
Figure BDA0003598183570000042
中间变量
Figure BDA0003598183570000043
αi(ω)表示N0中的第i个现场设备在第ω次数据重传中占用的资源块编号，ω＝1,2,...,L0，右上角标1、2、3分别表示情况8.1、情况8.2、情况8.3。
所述按需重传模式具体如下：
在数据重传时段，多次向现场设备广播NACK，告知传输数据包失败的现场设备其在下一轮重传中的调度表，Nω为第ω次重传后传输失败的现场设备数量，ω＝0,1,...，资源块的分配包括三种情况：
情况9.1：Nω＞M且超帧剩余时隙足够完成一次重传；
为每一现场设备分配一个资源块且优先分配位于编号小的信道上的资源块，占用时隙长度为
Figure BDA0003598183570000044
数据重传结束后，若仍然有未成功接收的数据包，则再次发送NACK进行下一轮按需重传。
情况9.2：Nω＞M且超帧剩余时隙不足够完成一次重传；
将剩余资源块随机分配给传输数据包失败的现场设备。
情况9.3：Nω≤M；
按照循环重传模式的情况8.1的时隙跳频算法，将剩余资源块全部分配给现场设备。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明提出了两种重传模式，一是循环重传模式，一是按需重传模式。循环重传模式一次性将所有资源块循环分配给上传数据包失败的现场设备，节约了发送NACK的时隙开销，但会因重复传输而造成一定的时隙浪费；按需重传模式根据前一轮的丢包情况确定新一轮的重传数据包，很大程度上避免了重复传输造成的时隙浪费，但是会有因发送NACK而造成的时隙开销。本发明在不同的传输情景下，动态选择不同的重传模式，减少了时隙的浪费。
2.本发明将时隙跳频算法引入到两种数据重传模式中，并且针对不同的数据传输情景设计了不同的时隙跳频算法，有效了利用了信道分集，并且保证了现场设备间的公平性，更加有效地利用了通信资源。
3.本发明设计了一种新型超帧结构，超帧分为信标时段、数据传输时段和数据重传时段，在数据重传阶段，网关根据所提出的可靠性计算方法，动态选择可靠性更高的重传模式，从而适应各种不同的链路状况以及传输情景，提升了网络上行传输的可靠性。
附图说明
图1为工业无线网络拓扑示意图；
图2为超帧结构示意图；
图3a为循环重传模式示例图一；
图3b为循环重传模式示例图二；
图3c为循环重传模式示例图三；
图4a为按需重传模式示例图一；
图4b为按需重传模式示例图二。
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。
本方法适用于由网关和现场设备构成的星型拓扑网络。本发明构建了一种新型超帧结构，支持按需重传模式和循环重传模式的灵活切换，考虑到异质信道状况，将这两种重传模式与时隙跳频技术相结合，充分地利用了信道分集，同时保证了设备间传输的公平性。当重传数据时，网关依据可靠性分析结果，动态地选择重传模式以提升通信资源的使用效率，最终可实现网络的上行可靠传输。
对于由网关与现场设备构成的星型拓扑网络，构建新型超帧结构，并基于该超帧结构动态选择重传模式，实现网络上行可靠传输。
所述动态选择重传模式具体如下：
网关在数据传输时段结束后，考虑两种重传模式：一种是循环重传模式，一种是按需重传模式。网关分别计算采用循环重传模式的可靠性R循环和按需重传模式的可靠性R按需。当R循环＜R按需时，采用按需重传模式；当R循环≥R按需时，采用循环重传模式。
本发明主要包含工业无线网络建模，超帧结构设计以及网络工作机制设计三个部分。
1.工业无线网络建模
本方法考虑的网络模型如图1所示，是由网关和现场设备构成的星型拓扑结构。网关通过无线方式与所有的现场设备连接，并负责生成和广播信标和NACK以及接收现场设备上行数据包。网关装备有M个天线，可以同时工作在M个正交信道上，即网关在同一个时隙可以最多发送M个数据包。现场设备安装在工业现场，与传感器相连接，负责按照调度表的指示上传监控数据。每个现场设备装备有一根天线，可以工作在M个信道上。本发明考虑网关与现场设备之间通过M个信道相连接，且M个信道的信道质量不同。将M个信道依据信道质量从优到差依次编号为1,2,...,M，信道上的丢包率依据统计数据得到，分别为P1,P2,...,PM(P1≤P2≤...≤PM)。
2.超帧结构设计
如图2所示，超帧结构具体如下：
超帧长度为现场设备的数据周期K，超帧由信标时段、数据传输时段和数据重传时段构成。
信标时段：用于网关向N个现场设备广播信标，信标用于时间同步，并且告知现场设备数据传输时段的调度表，长度为1个时隙；
数据传输时段：用于每个现场设备向网关发送一个数据包，长度为
Figure BDA0003598183570000061
个时隙，其中M为信道的数量；
数据重传时段：用于网关发送NACK以及现场设备重传数据包，NACK中包含传输失败的现场设备的ID以及其调度表，网关通过更新NACK动态地选择重传模式；数据重传时段的第1个时隙用作NACK传输，剩余时隙数量为L0，
Figure BDA0003598183570000062
K为现场设备的数据周期。
3.网络工作机制设计
网络工作机制的设计主要介绍如何将时隙跳频算法加入到重传模式设计中以及如何基于所提超帧结构动态选择重传模式，实现网络上行可靠传输。
循环重传模式具体如下：
在循环重传模式中，网关根据时隙跳频算法，将时隙和信道资源循环分配给现场设备并通过NACK下发传输调度表，现场设备根据接收到的传输调度表发送数据。
循环重传模式的时隙跳频算法具体如下：
首先将一个时隙与一个信道的组合作为一个资源块，一个资源块可以传输一个数据包，由于有M个信道，则L0个时隙对应W(W＝L0M)个资源块。占据第c个信道和第t(t＝1,2,...,L0)个时隙的资源块编号为α(α＝(t-1)M+c)。下面针对三种情况，分别定义时隙跳频算法：
情况1.1：N0≤M
Ai＝{αi 1(1),αi 1(2),…,αi 1(L0)}，
其中N0表示数据传输时段结束后传输失败的现场设备数量，Ai表示第i个现场设备在循环重传时段分配到的资源块编号集合，αi 1(ω)表示N0中的第i个现场设备在第ω(ω＝1,2,...,L0)次数据重传中占用的资源块编号：
Figure BDA0003598183570000063
其中mod代表取余运算,IJ表示一个指示函数，当J成立时IJ＝1，否则IJ＝0。
情况1.1举例如附图3a所示，例中L0＝9,N0＝3，图中数字表示该现场设备在传输失败的N0个现场设备中的编号。
情况1.2：N0＞M且N0与M互质
Figure BDA0003598183570000064
其中αi 2(ω)＝(ω-1)N0+i，参数θ＝WmodN0，参数
Figure BDA0003598183570000065
情况1.2举例如附图3b所示，例中L0＝9,N0＝5。
情况1.3：N0＞M且N0与M不互质，
Figure BDA0003598183570000066
其中，
Figure BDA0003598183570000071
为方程
Figure BDA0003598183570000072
的解，
Figure BDA0003598183570000073
Figure BDA0003598183570000074
中间变量
Figure BDA0003598183570000075
αi(ω)表示N0中的第i个现场设备在第ω次数据重传中占用的资源块编号，ω＝1,2,...,L0，右上角标1、2、3分别表示情况1.1、情况1.2、情况1.3。情况1.3举例如附图3c所示，例中L0＝9,N0＝6。
循环重传模式的传输可靠性R循环的计算公式如下：
Figure BDA0003598183570000076
其中
Figure BDA0003598183570000077
表示第
Figure BDA0003598183570000078
个信道的丢包率，φ表示空集。
按需重传模式定义如下：
在数据重传时段，网关可能多次向现场设备广播NACK，告知传输数据包失败的现场设备其在下一轮重传中的调度表，Nω为第ω次重传后传输数据包失败的现场设备数量，ω＝0,1,...，资源块的分配分三种情况。
情况2.1：Nω＞M且超帧剩余时隙足够完成一次重传。网关为每一现场设备分配一个资源块且依次优先分配信道质量好的资源块，占用时隙长度为
Figure BDA0003598183570000079
数据重传结束后，若仍然有未成功接收的数据包，则网关将再次发送NACK进行下一轮按需重传。
情况2.2：Nω＞M且超帧剩余时隙不足够完成一次重传。网关将剩余资源块随机分配给传输数据包失败的现场设备。
情况2.3：Nω≤M。网关按照循环重传模式采用的时隙跳频算法，将剩余资源块全部分配给现场设备。
根据以上资源分配规则，最后得到的资源块分配可能有两种结果。结果1是不存在情况2.3，举例如附图4a所示，例中L0＝9,N0＝7。结果2是存在情况2.3，举例如附图4b所示，例中L0＝9,N0＝9。
需重传模式的传输可靠性R按需计算包括两种情况：
情况3.1：当存在最小ω*，使得
Figure BDA00035981835700000710
成立。
Figure BDA00035981835700000711
其中参数Δ0＝N0，参数
Figure BDA00035981835700000712
参数
Figure BDA00035981835700000713
参数rω-1＝Δω- 1modTω-1，
Figure BDA0003598183570000081
其中，根据Lω＞0,Δω≤M通过求解以下公式，选择最小的重传次数ω作为最小重传次数ω*：
Figure BDA0003598183570000082
求解后得到参数Δω和Lω，分别作为参数
Figure BDA0003598183570000083
和
Figure BDA0003598183570000084
带有*的参数表示求解得到的对应参数结果。
情况3.2：选择
Figure BDA0003598183570000085
使得
Figure BDA0003598183570000086
成立。
Figure BDA0003598183570000087
Pi表示第i个信道上的丢包率，
Figure BDA0003598183570000088
表示第
Figure BDA0003598183570000089
个信道上的丢包率，IJ表示一个指示函数，当J成立时IJ＝1，否则IJ＝0，N0表示数据传输时段结束后传输失败的现场设备数量；
其中，根据Lω-1＞0,Lω≤0通过求解以下公式，得到的重传次数ω作为重传次数
Figure BDA00035981835700000810
Figure BDA00035981835700000811
求解后得到参数Δω-1、Lω-1、Lω分别作为参数
Figure BDA00035981835700000812
带有＾的参数表示求解得到的对应参数结果。

Claims (9)

1.一种面向高可靠通信的工业无线上行重传方法，其特征在于，对于由网关与现场设备构成的星型拓扑网络，基于超帧结构动态选择重传模式，进行网络上行传输。
2.一种面向高可靠通信的工业无线上行重传方法，其特征在于，所述超帧结构如下：超帧长度为现场设备的数据周期K，超帧构成时段包括信标时段、数据传输时段和数据重传时段。
3.根据权利要求2所述的一种面向高可靠通信的工业无线上行重传方法，其特征在于，所述超帧构成时段包括：
信标时段，用于网关向N个现场设备广播信标，所述信标用于时间同步，并且告知现场设备数据传输时段的调度表，长度为1个时隙；
数据传输时段，用于每个现场设备向网关发送一个数据包，长度为
Figure FDA0003598183560000011
个时隙，其中M为信道的数量；
数据重传时段，用于网关发送NACK以及现场设备重传数据包，NACK中包含传输失败的现场设备的ID以及其调度表，网关通过更新NACK动态地选择重传模式；数据重传时段的第1个时隙用作NACK传输，剩余时隙数量为L0，
Figure FDA0003598183560000012
K为现场设备的数据周期。
4.根据权利要求1所述的一种面向高可靠通信的工业无线上行重传方法，其特征在于，所述重传模式通过以下步骤得到：
分别计算循环重传模式的可靠性R循环和按需重传模式的可靠性R按需；
当R循环＜R按需时，采用按需重传模式；
当R循环≥R按需时，采用循环重传模式。
5.根据权利要求4所述的一种面向高可靠通信的工业无线上行重传方法，其特征在于，所述循环重传模式的传输可靠性R循环如下：
Figure FDA0003598183560000013
其中，N0表示数据传输时段结束后传输失败的现场设备数量，Ai表示第i个现场设备在循环重传时段分配到的资源块编号集合，φ表示空集，IJ表示一个指示函数，当J成立时IJ＝1，否则IJ＝0，
Figure FDA0003598183560000014
表示第
Figure FDA0003598183560000015
个信道的丢包率；
参数
Figure FDA0003598183560000016
α表示资源块编号，M为信道个数。
6.根据权利要求4所述的一种面向高可靠通信的工业无线上行重传方法，其特征在于，所述按需重传模式的可靠性R按需计算包括两种情况：
情况6.1：选择最小重传次数ω*，使得Lω*＞0,Δω*≤M成立；
Figure FDA0003598183560000021
其中，参数Δ0＝N0，参数
Figure FDA0003598183560000022
参数
Figure FDA0003598183560000023
参数rω-1＝Δω-1modTω-1；
Figure FDA0003598183560000024
其中，根据Lω＞0,Δω≤M通过求解以下公式，选择最小的重传次数ω作为最小重传次数ω*：
Figure FDA0003598183560000025
求解后得到参数Δω和Lω，分别作为参数Δω*和Lω*；带有*的参数表示求解得到的对应参数结果；
情况6.2：选择
Figure FDA0003598183560000026
使得
Figure FDA0003598183560000027
成立；
Figure FDA0003598183560000028
Pi表示第i个信道上的丢包率，
Figure FDA0003598183560000029
表示第
Figure FDA00035981835600000210
个信道上的丢包率；IJ表示一个指示函数，当J成立时IJ＝1，否则IJ＝0；N0表示数据传输时段结束后传输失败的现场设备数量；
其中，根据Lω-1＞0,Lω≤0通过求解以下公式，得到的重传次数ω作为重传次数
Figure FDA00035981835600000211
Figure FDA00035981835600000212
求解后得到参数Δω-1、Lω-1、Lω分别作为参数
Figure FDA00035981835600000213
带有＾的参数表示求解得到的对应参数结果。
7.根据权利要求4所述的一种面向高可靠通信的工业无线上行重传方法，其特征在于，所述循环重传模式具体如下：
在循环重传模式中，根据时隙跳频算法，将时隙和信道资源循环分配给现场设备并通过NACK下发传输调度表，现场设备根据接收到的传输调度表发送数据。
8.根据权利要求7所述的一种面向高可靠通信的工业无线上行重传方法，其特征在于，循环重传模式的时隙跳频算法包括以下步骤：
首先将一个时隙与一个信道的组合作为一个资源块，一个资源块用于传输一个数据包，有M个信道，则L0个时隙对应W个资源块，W＝L0M。将M个信道依据丢包率从小到大依次编号为1,2,...,M，信道上的丢包率分别为P1,P2,...,PM，且P1≤P2≤...≤PM，占据第c个信道和第t个时隙的资源块编号为α，α＝(t-1)M+c，其中，t＝1,2,...,L0；根据三种情况，时隙跳频算法具体如下：
情况8.1：N0≤M，
Ai＝{αi 1(1),αi 1(2),…,αi 1(L0)}，
其中，N0表示数据传输时段结束后传输失败的现场设备数量，Ai表示第i个现场设备在循环重传时段分配到的资源块编号集合；
Figure FDA0003598183560000031
mod代表取余运算,IJ表示指示函数，当J成立时IJ＝1，否则IJ＝0。
情况8.2：N0＞M且N0与M互质，
Figure FDA0003598183560000032
其中，αi 2(ω)＝(ω-1)N0+i，参数θ＝WmodN0，参数
Figure FDA0003598183560000033
情况8.3：N0＞M且N0与M不互质，
Figure FDA0003598183560000034
其中，
Figure FDA0003598183560000035
为方程
Figure FDA0003598183560000036
的解，
Figure FDA0003598183560000037
Figure FDA0003598183560000038
中间变量
Figure FDA0003598183560000039
αi(ω)表示N0中的第i个现场设备在第ω次数据重传中占用的资源块编号，ω＝1,2,...,L0，右上角标1、2、3分别表示情况8.1、情况8.2、情况8.3。
9.根据权利要求4所述的一种面向高可靠通信的工业无线上行重传方法，其特征在于，所述按需重传模式具体如下：
在数据重传时段，多次向现场设备广播NACK，告知传输数据包失败的现场设备其在下一轮重传中的调度表，Nω为第ω次重传后传输失败的现场设备数量，ω＝0,1,...，资源块的分配包括三种情况：
情况9.1：Nω＞M且超帧剩余时隙足够完成一次重传；
为每一现场设备分配一个资源块且优先分配位于编号小的信道上的资源块，占用时隙长度为
Figure FDA00035981835600000310
数据重传结束后，若仍然有未成功接收的数据包，则再次发送NACK进行下一轮按需重传；
情况9.2：Nω＞M且超帧剩余时隙不足够完成一次重传；
将剩余资源块随机分配给传输数据包失败的现场设备；
情况9.3：Nω≤M；
按照循环重传模式的情况8.1的时隙跳频算法，将剩余资源块全部分配给现场设备。
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