一种用于工业无线Mesh网络的广播调度方法技术

本发明专利技术公开了一种用于工业无线Mesh网络资源的广播调度方法。本方法为：1)确定网络生成树中的每一节点的调度优先级；2)对于生成树的每一层：根据节点的调度优先级，将该生成树当前层中的所有待调度节点存入一待调度节点序列；3)判断当前信道指针，如果为第一个信道，则在当前时隙，调度待调度节点序列中的剩余未调度节点；否则，根据该待调度节点序列求出当前时隙的信道可行节点序列；然后调度该信道可行节点序列中的节点，且每调度一个节点更新一次信道指针值以及该待调度节点序列；待当前时隙的信道填充满后，则对下一时隙的信道进行填充并将信道指针置为该时隙的第一个信道。本方法提高了广播调度的无线资源利用率，降低了传输时延。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络，特别涉及一种用于工业无线Mesh网络资源调度的广播调度方法。
技术介绍
无线传感器网络具有成本低，灵活性强、扩展性强、安装方便等特点，因此在军事国防、环境监测、危险区域远程控制等诸多领域，尤其是在工业控制领域有着非常广阔的应用前景，我国也非常重视工业无线传感器网络的发展。工业无线技术是一种21世纪新兴的、面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境中使用。与有线工业通信网络相比，工业无线网络是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，是降低工业测控系统成本并提高工业测控系统应用范围的关键性技术，目前，工业无线传感器网络已经成为当前的一大研究热点。工业无线网络的研究热点主要集中于网络技术和通信协议方面。工业无线技术的国际标准已形成了由HART基金会2007年推出的WirelessHART标准、美国仪表系统与自动化协会ISA于2009年推出的ISA100.11a标准和我国2011年开始自主研发的WIA-PA标准三足鼎立的局面。WirelessHART通讯规范(HART7.1)于2008年9月19日正式获得国际电工标准委员会IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)的认可，成为一种公共可用的规范(IEC/PAS62591Ed.1)。WirelessHART支持网状拓扑，网络中的每个设备节点都是路由器，都能够转发数据包。WirelessHART的数据链路层主要采用无冲突的TDMA机制，TDMA方案的优点在于：可避免信道的冲突，以及冲突引起的丢包和能量损耗；节点处于非工作状态时即进入睡眠状态，可以减少能耗；通过调度可保证数据传输的实时性、确定性和可靠性。在无线HART网络中，网络管理器负责网络的组态、WirelessHART网络设备之间的通信调度、路由表的管理以及整个网络健康状况的报告。ISA100.11a标准是国际自动化协会(ISA)委员会制定的第一个开放的、面向工业生产和工业控制的无线标准，以确保无线系统能够安全可靠的运行在环境监测，报警，开、闭环控制等工业应用中。为了扩大网络覆盖范围，ISA100.11a网络分为DL子网与骨干网两层结构。为了满足工业应用的需求，ISA100.11a标准支持星型、树型、Mesh等多种网络拓扑结构。星型拓扑结构容易实现，且实时性高，但仅限于单跳情况下。当ISA100.11a支持Mesh架构时，它与WirelessHART的网络架构一样。WIA-PA标准是由我国科技人员自主研发成功的，其主要的作用是规范了过程自动化的网络结构和通信规范。WIA-PA网络在大型工业应用场景中一般都采用星型和网状结合的两层拓扑结构。WIA-PA技术已经在部分领域进行了初步应用，得到了用户的认可。但是WIA-PA要真正得到认可并且在过程工业大范围推广，仍需要解决一些问题。ISAl00.11a和WirelessHART协议是推动工业无线自动化的两个重要标准，这两个标准健壮性高、安全性强，为工业应用提供可靠保证。WirelessHART主要是专注工业过程控制领域里的HART标准和工业设备间的相互操作的标准。ISAl00.11a支持的服务类型不仅仅是过程处理而且还包括一些工厂的自动化应用。所以也可以将WirelessHART看成是ISAl00.11a的一个子集，它们之间可以相互融合。对于工业无线传感器网络，其网络架构从覆盖范围考虑，工业无线传感器网络需要能够覆盖较多的节点，因此网络规模大，不易采用星型架构。因此本文基于WirelessHART协议和ISA100.11a标准，选用了基于无线Mesh协议的工业无线传感器网络的网络架构，如图1所示。工业无线Mesh网络(IWMN)部署在恶劣和嘈杂的环境中，主要用于过程测量和控制应用程序。主要应用于工业流程现场的实时监控等方向。工业无线Mesh网络在设计和实施过程中其主要难点集中在应付的恶劣环境、可靠性实时性等服务质量、受限的能量资源、数据管理及系统集成、无线传感设备的开发等。嘈杂的工业控制环境使得工业无线Mesh网络对网络的实时性和可靠性有更强的要求，丢包或者延时处理数据都会降低网络管理控制的质量。工业现场的控制网络是由大量传感器节点、网关和网络管理器组成的，传感器节点需要将收集来的大量的信息上报和传输，而网络的无线资源(包括时间、信道等)是有限的，如果不有效的利用无线资源，将会使得网络管理器不能实时的监控网络的现行状况，甚至导致网络瘫痪。因此，网络管理器需要综合调度，合理的利用有限的无线资源，因此对无线资源管理和调度是至关重要的。无线资源管理就是对移动通信系统中的无线资源进行合理的分配和有效的管理，具体指在有限带宽的条件下，为网络内无线用户提供服务质量，保障提高网络的性能。无线资源管理大致可以分为三个步骤：信息收集、资源计算和资源分配。一般通过控制信道来完成信息收集和资源分配。网络的无线资源包括时域、频域、空间域以及码字等方面资源。无线资源管理的基本出发点是在网络业务负荷分布不均匀、信道特性因衰落和干扰而动态变化的情况下，灵活分配并动态调整网络的可用资源,最大限度地提高无线频谱利用率、防止网络拥塞并保持尽可能小的信令负荷。无线资源管理的目标是提高无线资源利用率，提高网络性能，为用户终端业务提供保障。灵活动态的分配和调整工业无线Mesh网络中的可用资源，可以在很大程度上提高无线频率利用率，提高网络整体性能，从而保证用户终端的业务质量。现有技术人员对工业无线Mesh网络中的资源调度方法有大量的研究：对于现有工业无线网络调度方法，在参考文献“Deadline-constrainedtransmissionschedulinganddataevacuationinWirelessHARTnetworks[C]//TheEuropeanControlConference2009(ECC’09).2009”和“OptimallinkschedulingandchannelassignmentforconvergecastinlinearWirelessHARTnetworks[C]//ModelingandOptimizationinMobile,AdHoc,andWirelessNetworks,2009.WiOPT2009.7thInternationalSymposiumon.IEEE,2009:1-8”中，分别对线性以及二叉树WirelessHART拓扑下时间与信道最优的调度方法进行了研究，并针对数据汇聚应用设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于工业无线Mesh网络资源的广播调度方法，其步骤为：1)对于网络生成树中的每一节点，根据该节点在生成树的层数和孩子节点数，确定该节点的调度优先级；其中，调度优先级包括时隙优先级和信道优先级，生成树的总层级为L、总信道数为C；2)对于生成树的每一层level：根据节点的调度优先级，将该生成树当前层level中的所有待调度节点存入一待调度节点序列；3)判断当前信道指针c的值，如果为当前时隙的第一个信道，则进行步骤4)；否则，根据该待调度节点序列求出当前时隙的信道可行节点序列；然后调度该信道可行节点序列中的节点，且每调度一个节点更新一次信道指针c的值以及该待调度节点序列；待当前时隙的信道填充满以后，则对下一时隙的信道进行填充并将信道指针置为该时隙的第一个信道；4)在当前时隙，调度该待调度节点序列中的剩余未调度的节点；若当前时隙的信道无法完成调度该待调度节点序列中的剩余未调度的节点，则填满当前时隙的信道，然后继续调度该待调度节点序列中的未调度节点填充至下一时隙，直至该待调度节点序列中的剩余未调度的节点都被调度。

【技术特征摘要】
1.一种用于工业无线Mesh网络资源的广播调度方法，其步骤为：
1)对于网络生成树中的每一节点，根据该节点在生成树的层数和孩子节点数，确定该节
点的调度优先级；其中，调度优先级包括时隙优先级和信道优先级，生成树的总层级
为L、总信道数为C；
2)对于生成树的每一层level：根据节点的调度优先级，将该生成树当前层level中的所
有待调度节点存入一待调度节点序列；
3)判断当前信道指针c的值，如果为当前时隙的第一个信道，则进行步骤4)；否则，
根据该待调度节点序列求出当前时隙的信道可行节点序列；然后调度该信道可行节点
序列中的节点，且每调度一个节点更新一次信道指针c的值以及该待调度节点序列；
待当前时隙的信道填充满以后，则对下一时隙的信道进行填充并将信道指针置为该时
隙的第一个信道；
4)在当前时隙，调度该待调度节点序列中的剩余未调度的节点；若当前时隙的信道无法
完成调度该待调度节点序列中的剩余未调度的节点，则填满当前时隙的信道，然后继
续调度该待调度节点序列中的未调度节点填充至下一时隙，直至该待调度节点序列中

【专利技术属性】
技术研发人员：宋佳慧，胡亚辉，张宇，
申请(专利权)人：中国科学院信息工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11