CN116709515A - 分布式工业无线网络确定性传输调度系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式工业无线网络确定性传输调度系统，其包括如下模块：同步模块，用于节点之间进行时隙同步；数据传输模块，用于节点之间的数据传输；节点管理模块，用于节点的删除与加入管理。本发明使用分布式协商的调度设计，降低了网络的整体能耗与延迟，避免了中央控制节点故障造成的网络瘫痪问题。

Description

分布式工业无线网络确定性传输调度系统

技术领域

本发明属于工业无线网络传输调度技术领域，具体涉及一种基于Glossy同步传输的分布式工业无线网络确定性传输调度系统。

背景技术

工业无线网络是一种新兴的工业物联网实现形式，它利用无线通信技术实现工业现场仪表和传感器等设备的组网与数据传输。传统的工业无线网络采用存储转发的方式对数据进行逐跳传递，转发节点必须完整地收取数据包之后才能将它转发至下一跳。这种策略增加了数据包的传输延迟，同时引入了不确定的转发时延和抖动。同步传输方式可以缓解存储转发策略造成的延迟，转发节点不必完整地存储整个数据包，而是以字节流或比特流的形式转发数据，从而大幅减少多跳传输延迟。大多数同步传输网络采用集中式框架完成节点之间的收发调度，集中式调度需要一个中央控制节点对网络中所有有节点进行管理。管理过程的繁杂造成延迟和能耗的增加，而且中央控制节点一旦发生故障就会造成网络全部瘫痪。

发明内容

本发明针对现有的集中式技术缺陷，提出了一种基于同步传输的分布式流量协商传输调度技术方案，消除了单点故障问题，保障了网络具有很高的递包率，减少了网络的运行时间过长造成的能耗与延迟问题，有效地解决了工业无线网络中实际存在的关键问题。

本发明的目的是通过以下具体技术方案来实现：

分布式工业无线网络确定性传输调度系统，其包括如下模块：

同步模块，用于节点之间进行时隙同步。

数据传输模块，网络有多个数据传输时隙，数据传输模块用于节点之间的数据传输。

节点管理模块，用于节点的删除与加入管理。

优选的，同步模块保证在数据传输时隙之间的偏移量小于50us，从而保障Glossy同步传输的正常运行。

优选的，数据传输模块可分为发送模块和接收模块两个子模块。

发送模块，一个数据传输时隙只有一个数据包发送者，避免节点之间产生冲突，造成数据包的投递率下降。在数据传输时隙中发送者开启Glossy泛洪，发送模块将数据包发送到全网。

接收模块，节点在数据传输时隙不是发送者时，进入接收模式，等待发送者的数据包到达。

进一步优选的，发送模块具体如下：

在工业无线网络中，节点数量为n，节点N_i拥有可变的节点号ID和需要传输的数据包个数num，其中ID从1开始计数到n，网络当前轮次的最大的节点号为ID_max。ASN为网络的绝对时隙帧号，R_i为轮数，S_i为某一轮的第i个时隙。其中第j轮的第k个时隙的绝对时隙帧号等于：

发送模块通过以下流量协商步骤，从而保证数据传输的确定性：

第一步，进入第一轮R₁传输调度的第S_i个时隙，如果节点的节点号ID等于S_i，则此节点选取当前时隙作为发送时隙并发起Glossy，其他节点在此时隙接收数据包。如ID为1的节点在第一个时隙进行发包。

第二步，在数据发包发送前，节点判断自己当前数据包个数。如果仅剩一个数据包未发送，则对数据包上的计数器D加一并在发送数据包结束后将ID设为0，在此周期一直处于接收状态，否则D不变。

第三步，节点数据包发送完成后更新当前需要发送的数据包个数，并检测计数器D，如果D为非0常数，则改变当前节点号ID为ID-D。

第四步，如果当前节点为最大节点ID_max，且此节点仅有一个数据包需要发送，则将此数据包中捎带下一轮的最大节点号为ID_max-D。并进入下一轮发送时隙。

第五步，如果当前轮次的最大节点号ID_max为1且此节点只有一个数据包发送，或者最大节点号ID_max与D相等，则在发送完最大节点的数据包后结束此周期的数据包传输。

优选的，节点管理模块具体如下：

网络竞争时隙对节点进行管理，竞争时隙的个数设置为固定的两个，如果多个在一个竞争时隙发包，则发送功率最大的节点发送成功。如果当前节点未发送成功则在下一个竞争时隙发包。

加入管理：如果有新的节点想加入网络，则在竞争时隙发起G lossy泛洪发送请求数据包，并在网络中其他节点收到此数据包后将节点号设置为n+1。

删除管理：如果当前网络中某一节点N_i在连续三个属于自己的时隙内没有发包，则其管理节点N_i+1在竞争时隙发包通知全网节点N_i出现故障，节点号大于N_i的节点更新节点号为ID-1。

本发明的有益效果是：

本发明采用了流量协商的方法使得数据包传输调度具有确定性，使用同步传输保障了工业无线网络所有数据包的可靠性。同时网络适应竞争时隙负责节点的加入与删除以适应动态网络。本发明使用分布式协商的调度设计，降低了网络的整体能耗与延迟，避免了中央控制节点故障造成的网络瘫痪问题。

附图说明

图1是数据传输时隙的流程图。

图2是网络规模为4的调度示意图。

图3是本发明与集中式同步传输算法递包率比较图。

图4是本发明与集中式同步传输算法时隙使用个数比较图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的技术效果。

如图1-2所示，本实施例分布式工业无线网络确定性传输调度系统具体实施过程如下：

第一步，发送模块中，建立网络的数据流模型，网络节点数量为n，节点N_i拥有可变的节点号ID和需要传输的数据包个数num，其中ID从1开始计数到n，网络当前轮次的最大的节点号为ID_max。ASN为网络的绝对时隙帧号，R_i为轮数，S_i为某一轮的第i个时隙。

第二步，网络开启后节点随机加入网络，最先开启的节点发起Glossy泛洪，同步模块进行全网络的时隙同步。

第三步，发送模块中，进入第一轮R₁传输调度的第S_i个时隙，如果节点的节点号ID等于S_i，则此节点选取当前时隙作为发送时隙并发起Glossy，其他节点在此时隙接收数据包。如ID为1的节点在第一个时隙进行发包。

第四步，在数据发包发送前，节点判断自己当前数据包个数。如果仅剩一个数据包未发送，则对数据包上的计数器D加一并在发送数据包结束后将ID设为0，在此周期一直处于接收状态，否则D不变。

第五步，节点数据包发送完成后更新当前需要发送的数据包个数，并检测计数器D，如果D为非0常数改变当前节点号ID为ID-D。

第六步，如果当前节点为最大节点ID_max，且此节点仅有一个数据包需要发送，则将此数据包中捎带下一轮的最大节点号为ID_max-D。并进入竞争时隙。

第七步，如果当前轮次的最大节点号ID_max为1且此节点只有一个数据包发送，或者最大节点号ID_max与D相等，则在发送完最大节点的数据包后结束此周期的数据包传输。

第八步，节点管理模块中，竞争时隙的个数设置为固定的两个，如果多个在一个竞争时隙发包，则发送功率最大的节点发送成功。如果当前节点未发送成功则在下一个竞争时隙发包。在结束两个竞争时隙后进入下一轮发包。

第九步，如果有新的节点想加入网络，则在竞争时隙发起G lossy泛洪发送请求数据包，并在网络中其他节点收到此数据包后将节点号设置为ID_max+1，并更新ID_max。

第十步，如果当前网络中某一节点N_i在连续三个属于自己的时隙内没有发包，则他的管理节点N_i+1在竞争时隙发包通知全网节点N_i出现故障，节点号大于N_i的节点更新节点号为ID-1。

图2为网络规模为4的传输调度示例，其中节点1-4一个周期内的发包个数为3、1、4、2节点号分别1、2、3和4。第一轮按照节点号分配时隙。节点2在数据包个数为1，将数据包中计数器D设为1，节点3、4发包后检测D＝1，所以将节点号设置为2、3。节点4为此轮最大节点，在发包时捎带第二轮最大节点号为3。经过四轮的协商调度，网络使用10个数据传输时隙将四个节点的10个数据包全部传输完成。

本发明对基于Glossy的分布式流量协商传输调度方法与集中式同步传输调度方法进行对比测试。测得网络与集中式递包率如图3所示，网络时隙使用数量如图4所示。由此实验数据可以得出，本发明确保了比集中式同步传输更好的递包率，并且使用了更少的时隙个数产生了更少的能耗，将数据包更快地传输给全网降低了网络延迟。并且节点无需管理节点分发调度表，节点本身通过节点信息选择时隙进行调度，解决了工业无线网络单点故障的问题。

本发明公开了一种基于Glossy同步传输的分布式工业无线网络确定性传输调度系统，建立流量协商的确定性传输调度模型，节点之间通过数据包个数与删除计数器实现流量协商。针对工业无线网络中的每一个节点根据节点信息选择发送时隙，使用Glossy泛洪将实现数据包发送至全网，使用竞争时隙对网络节点的加入与删除进行管理管理。本发明采用了流量协商的方法使得数据包传输调度具有确定性，使用同步传输保障了工业无线网络所有数据包的可靠性。同时网络使用竞争时隙负责节点的加入与删除以适应动态网络。本发明使用分布式协商的调度设计，降低了网络的整体能耗与延迟，避免了中央控制节点故障造成的网络瘫痪问题。

Claims (6)

1.分布式工业无线网络确定性传输调度系统，其特征在于：包括如下模块：

同步模块，用于节点之间进行时隙同步；

数据传输模块，用于节点之间的数据传输；

节点管理模块，用于节点的删除与加入管理。

2.根据权利要求1所述的分布式工业无线网络确定性传输调度系统，其特征是：数据传输模块分为发送模块和接收模块：

发送模块，一个数据传输时隙只有一个数据包发送者，在数据传输时隙中发送者开启Glossy泛洪，发送模块将数据包发送到全网；

接收模块，若节点在数据传输时隙不是发送者时，则进入接收模式，等待发送者的数据包到达。

3.根据权利要求2所述的分布式工业无线网络确定性传输调度系统，其特征是：

所述发送模块具体如下：

在工业无线网络中，节点数量为n，节点N_i拥有可变的节点号ID和需要传输的数据包个数num，其中ID从1开始计数到n，网络当前轮次的最大的节点号为ID_max；ASN为网络的绝对时隙帧号，R_i为轮数，S_i为某一轮的第i个时隙；其中第j轮的第k个时隙的绝对时隙帧号等于：

4.根据权利要求3所述的分布式工业无线网络确定性传输调度系统，其特征是：所述的发送模块执行以下流量协商步骤：

第一步，进入第一轮R₁传输调度的第S_i个时隙，如果节点的节点号ID等于S_i，则此节点选取当前时隙作为发送时隙并发起Glossy，其他节点在此时隙接收数据包；

第二步，在数据发包发送前，节点判断自己当前数据包个数；如果仅剩一个数据包未发送，则对数据包上的计数器D加一并在发送数据包结束后将ID设为0，在此周期一直处于接收状态，否则D不变；

第三步，节点数据包发送完成后更新当前需要发送的数据包个数，并检测计数器D，如果D为非0常数，则改变当前节点号ID为ID-D；

第四步，如果当前节点为最大节点ID_max，且此节点仅有一个数据包需要发送，则将此数据包中捎带下一轮的最大节点号为ID_max-D，并进入下一轮发送时隙；

第五步，如果当前轮次的最大节点号ID_max为1且此节点只有一个数据包发送，或者最大节点号ID_max与D相等，则在发送完最大节点的数据包后结束此周期的数据包传输。

5.根据权利要求1或2所述的分布式工业无线网络确定性传输调度系统，其特征是：

所述节点管理模块具体如下：

网络竞争时隙对节点进行管理，竞争时隙的个数设置为固定的两个，如果多个节点在一个竞争时隙发包，则发送功率最大的节点发送成功；如果当前节点未发送成功则在下一个竞争时隙发包。

6.根据权利要求5所述的分布式工业无线网络确定性传输调度系统，其特征是：所述节点管理模块还具有如下管理功能：

加入管理：如果有新的节点想加入网络，则在竞争时隙发起Glossy泛洪发送请求数据包，并在网络中其他节点收到此数据包后将节点号设置为n+1；

删除管理：如果当前网络中某一节点N_i在连续三个属于自己的时隙内没有发包，则其管理节点N_i+1在竞争时隙发包通知全网节点N_i出现故障，节点号大于N_i的节点更新节点号为ID-1。