工业无线传感器网络中混合数据流可靠传输的调度方法技术

本发明专利技术涉及工业无线传感器网络中混合数据流可靠传输的调度方法，网关为各现场设备发送的周期性数据和非周期性数据分配时隙，用于各现场设备根据时隙分配完成数据传输，包括以下步骤：对周期性数据和非周期性数据建模；采用循环统计法为非周期性数据预留时隙；为周期性数据分配时隙。本发明专利技术该方法以数据传输可靠性和公平性作为衡量调度方法性能的指标，采用循环统计的方法为非周期性数据预留时隙，采用均匀分配方法为周期性数据分配时隙，综合考虑等待机制和抢占/丢弃机制，为混合数据流的传输提供有效的调度方案。

【技术实现步骤摘要】
工业无线传感器网络中混合数据流可靠传输的调度方法
本专利技术涉及工业无线传感器网络的调度方法，具体地说是一种针对工业无线传感器网络中混合数据流可靠传输的调度方法。
技术介绍
随着无线网络技术的进步和电子器件性能的提高，无线传感器网络技术迅速兴起并被广泛应用到我们日常的生产和生活中。其中，工业是无线传感器网络应用的重要领域之一。在工业中，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，使用无线通信无疑是最佳选择。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ISM2.4GHz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。根据工业应用中数据的功能和要求，可将数据设置不同的优先级。优先级最高的是紧急数据(RT0)，该类数据指对应用行为起关键作用，是要求及时传递的数据。RT0数据通常包括：控制器制动执行器的命令、设备产生的故障/错误通知等紧急告警、主控计算机发出的时间紧迫的网络管理服务(如开始/停止命令)；周期性过程数据(RT1)是指具有严格实时性要求且周期性传输的过程数据。RT1数据主要包括控制系统的物理测量和控制指令。非周期性非紧急数据(RT2)，是指由事件驱动产生且非周期性传输的数据，如非紧急告警数据。针对以上工业无线传感器网络的环境干扰严重且数据类型多样的特点，为使无线资源得到充分利用，需要综合考虑各种因素的制约，设计一种有效的调度方法。目前工业无线传感器网络调度策略的研究中，主要考虑所有现场设备的数据更新周期都相同的情形；针对不同优先级数据，多数采用高优先级数据到来后立即抢占低优先级数据时隙的方式。由于工业环境中不同现场设备功能不同，数据更新周期未必完全相同，故设计调度方案时应考虑数据更新周期的异构性。由于高优先级数据有其最长等待时间，只需在此等待时间之内传到网关就可满足实时性要求，故高优先级数据到来后可以综合考虑等待和抢占机制，在实时性要求满足的条件下减少对低优先级数据传输机会的抢占。因此，需要设计一种新的调度方法，对工业无线传感器网络的混合数据流进行调度，以满足数据传输的硬实时和高可靠要求。
技术实现思路
针对工业无线传感器网络中数据硬实时和高可靠的要求，本专利技术提出一种针对工业无线传感器网络中混合数据流可靠传输的调度方法。该方法包括周期性数据建模、非周期性数据建模、非周期性数据时隙预留、周期性数据时隙分配以及非周期性数据对周期性数据的“等待-抢占/丢弃”机制共五个方面。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：工业无线传感器网络中混合数据流可靠传输的调度方法，网关为各现场设备发送的周期性数据和非周期性数据分配时隙，用于各现场设备根据时隙分配完成数据传输，包括以下步骤：对周期性数据和非周期性数据建模；采用循环统计法为非周期性数据预留时隙；为周期性数据分配时隙。对周期性数据建模具体为：将每个现场设备的数据更新周期设定为N为现场设备个数，unit为所有现场设备数据更新周期的最小值，ni为自然数，用于决定现场设备i的周期长度；超帧长度T为各现场设备数据更新周期中的最大值，即对非周期性数据建模具体为：非周期性数据包括RT0数据和RT2数据；将RT0数据被建模成(λ0,W0)的二元组，RT2数据被建模成(λ2,W2)的二元组；其中，λ0和λ2分别为RT0数据、RT2数据在单位时间内的平均到达速率；W0和W2分别为RT0数据、RT2数据的最长等待时间。所述采用循环统计法为非周期性数据预留时隙包括以下步骤：根据RT0数据或RT2数据的二元组得到前M个RT0数据或RT2数据到达的时刻ARj(j＝1,...,M)；求取第j个RT0数据或RT2数据在超帧中映射的位置若ARTj＝0，则表示第j个RT0数据或RT2数据在超帧的最后一个时隙；查找被映射次数最多的前S个时隙作为RT0数据或RT2数据的预留时隙；对于RT0数据，S＝T×λ0；对于RT2数据，S＝T×λ2；如果RT0数据和RT2数据在某一时隙的预留上有冲突，则把该时隙预留给RT0数据。所述为周期性数据分配时隙采用均匀分配法。所述为周期性数据分配时隙包括以下步骤：6-1)确定超帧结构；6-2)将现场设备按照数据更新周期从小到大的顺序排列，按周期对现场设备进行分类；依次分配时隙：针对每一类中的每一个现场设备，首先寻找这些现场设备可用的unit，然后在其中寻找剩余可用时隙最多的unit，并将该unit中最前面的一个可用时隙分配给该现场设备；6-3)在每个unit剩余的时隙内，按先后顺序重传当前unit内已分配时隙。当有非周期性数据存在时，确定超帧结构后，采用循环统计法为非周期性数据预留时隙。对于同一时隙选取优先级高的非周期性数据分配，包括以下步骤：RT0数据产生后，现场设备首先查找链路调度表；如果下一个预留给RT0数据的时隙距当前时刻小于W0，则等到预留时隙再发送该RT0数据；否则，RT0数据抢占当前周期性数据的时隙；RT2数据产生后，现场设备首先查找链路调度表；如果下一个预留给RT2数据的时隙距当前时刻小于W2，则等到预留时隙再发送该RT2数据；否则，丢弃该RT2数据。本专利技术提出的一种针对工业无线传感器网络中混合数据流可靠传输的调度方法，该方法充分考虑了工业无线传感器网络工作环境特点，综合考虑了环境因素和资源因素的制约关系，可以保证不同优先级的数据实时性和可靠性。具体表现在：1.本专利技术提出的针对非周期性数据的循环统计预留时隙方法，对无法预知到达时刻的工业非周期性数据建立数学模型，采用循环统计的方式为这类数据在链路调度表中提前预留时隙。2.本专利技术提出的针对周期性数据的均匀分配方法，根据周期性数据的周期特点，充分利用每一个可用时隙，保证该类数据传输的可靠性和公平性。3.本专利技术提出“等待-抢占/丢弃”机制。非周期性数据到来后，现场设备综合考虑该非周期性数据的优先级以及链路调度表的时隙分配情况，从而确定是执行“等待-抢占”机制，还是执行“等待-丢弃”机制。附图说明图1为工业无线传感器网络的星型拓扑图；图2为非周期性数据的映射方式示意图；图3(a)为不考虑非周期性数据预留时隙的均匀分配算法执行过程示意图一；图3(b)为不考虑非周期性数据预留时隙的均匀分配算法执行过程示意图二；图3(c)为不考虑非周期性数据预留时隙的均匀分配算法执行过程示意图三；图3(d)为不考虑非周期性数据预留时隙的均匀分配算法执行过程示意图四；图3(e)为不考虑非周期性数据预留时隙的均匀分配算法执行过程示意图五；图4(a)为考虑非周期性数据预留时隙的均匀分配算法执行过程示意图一；图4(b)为考虑非周期性数据预留时隙的均匀分配算法执行过程示意图二；图4(c)为考虑非周期性数据预留时隙的均匀分配算法执行过程示意图三；图4(d)为考虑非周期性数据预留时隙的均匀分配算法执行过程示意图四；图4(e)为考虑非周期性数据预留时隙的均匀分配算法执行过程示意图五。具体实施方式为了使本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
工业无线传感器网络中混合数据流可靠传输的调度方法，其特征在于网关为各现场设备发送的周期性数据和非周期性数据分配时隙，用于各现场设备根据时隙分配完成数据传输，包括以下步骤：对周期性数据和非周期性数据建模；采用循环统计法为非周期性数据预留时隙；为周期性数据分配时隙。

【技术特征摘要】
1.工业无线传感器网络中混合数据流可靠传输的调度方法，其特征在于网关为各现场设备发送的周期性数据和非周期性数据分配时隙，用于各现场设备根据时隙分配完成数据传输，包括以下步骤：对周期性数据和非周期性数据建模；采用循环统计法为非周期性数据预留时隙；为周期性数据分配时隙。2.根据权利要求1所述的工业无线传感器网络中混合数据流可靠传输的调度方法，其特征在于对周期性数据建模具体为：将每个现场设备的数据更新周期设定为i＝1,...,N，N为现场设备个数，unit为所有现场设备数据更新周期的最小值，ni为自然数，用于决定现场设备i的周期长度；超帧长度T为各现场设备数据更新周期中的最大值，即3.根据权利要求1所述的工业无线传感器网络中混合数据流可靠传输的调度方法，其特征在于对非周期性数据建模具体为：非周期性数据包括RT0数据和RT2数据；将RT0数据被建模成(λ0,W0)的二元组，RT2数据被建模成(λ2,W2)的二元组；其中，λ0和λ2分别为RT0数据、RT2数据在单位时间内的平均到达速率；W0和W2分别为RT0数据、RT2数据的最长等待时间。4.根据权利要求1所述的工业无线传感器网络中混合数据流可靠传输的调度方法，其特征在于所述采用循环统计法为非周期性数据预留时隙包括以下步骤：根据RT0数据或RT2数据的二元组得到前M个RT0数据或RT2数据到达的时刻ARj(j＝1,...,M)；求取第j个RT0数据或RT2数据在超帧中映射的位置若ARTj＝0，则表示第j个RT0数据或RT2数据在超帧的最后一个时隙；查找被映射次数最多的前S个时隙作为RT0数据或RT2数据的预留时隙；对于...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁炜，石华光，郑萌，于海斌，彭士伟，赵有健，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21