一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法技术

本发明专利技术涉及一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法，属于工业无线网络技术领域。本发明专利技术针对小规模网络，采用基于链路冲突分类的分支限界法，该方法是最优算法，通过将释放态链路分类，对有效链路子集进行剪枝条件判断，在解空间树中不断搜索，当网络存在可行解时，算法可以确保搜索到一个满足确定性需求的调度解。针对大规模网络，采用基于最大并行传输的启发式调度算法，通过对链路冲突度和松散度联合调度，能在较短时间获得调度解。本发明专利技术提出的调度方法，在满足数据流确定性传输需求前提下，还可以降低网络平均传输时延，提升网络整体通信性能。

A deterministic scheduling method for industrial wireless networks supporting transmission delay optimization

The invention relates to a deterministic scheduling method for industrial wireless networks supporting the optimization of transmission delay, which belongs to the technical field of industrial wireless networks. A branch and bound method based on link conflict classification is adopted for small scale network. This method is the best algorithm. By classifying the release link, judging the pruning condition of the effective link subset and searching the space tree continuously. When there is a feasible solution in the network, the algorithm can ensure that the search is satisfied. The scheduling solution of the qualitative demand. For large-scale networks, a heuristic scheduling algorithm based on maximum parallel transmission is adopted. The scheduling solution can be obtained in a short time through the joint scheduling of link conflict degree and loose divergence. The scheduling method proposed by this invention can reduce the average transmission delay of the network and improve the overall communication performance of the network under the premise of satisfying the deterministic transmission requirements of the data stream.

【技术实现步骤摘要】
一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法
本专利技术属于工业无线网络通信
，涉及一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法。
技术介绍
随着工业物联网技术的不断发展，越来越多的工业无线网络被部署到工业现场，工业无线网络具有自组织，低功耗，易于升级和部署等特点，对于提高工厂的生产效率，以及安全生产具有重要意义。工业无线网络中通常包含大量的周期性数据，而且具有一定的截止时间约束，由于工业无线网络设备的计算能力有限，以及单天线对节点通信的限制，如何为网络中的数据流合理高效地分配时隙和信道资源是一个重要的研究内容。工业无线网络中一般使用多信道时分多址技术来提供确定性调度需求，无线网络中的通信资源包括时隙和信道资源，以及端到端的路径，而确定性调度的主要任务是合理地分配通信资源，避免网络中的链路发生传输冲突，使网络中的数据流都可以在截止时间前到达目的节点，从而目的节点可以对传感数据和控制数据做出及时正确的响应。此外，在工业环境中，由于无线网络的信道更易于受到环境的干扰和衰落的影响，网络中的数据流不仅要满足确定性需求，而且希望能够减少数据流的传输时延，使数据更快地到达目的节点，目的设备可以有充足的时间处理重要数据链路传输失败等意外情况，有些控制应用需要多个现场节点的测量数据作为输入，最早到达的测量数据需要等待最后一个数据到达后才能进行控制动作，因此，面向工业无线网络的调度方法在满足网络数据流确定性传输的需求前提下，还需要考虑对网络数据流的平均传输时延进行优化。在工业无线通信技术中，以往基于时隙调度的研究大都集中在网络单信道的情况，然后结合数据聚合或者能量高效等目标进行研究，对于多信道技术下的研究大多单纯考虑使网络中的数据流满足确定性传输的需求，而没有考虑对网络数据流的平均传输时延进行优化。此外大部分关于工业无线网络确定性调度的研究只提供了一种算法，没有针对不同的网络规模进行算法优化设计，在面对不同网络规模时调度成功率和执行时间表现不一致，从而影响网络的性能。针对工业无线网络确定性调度的需求，以及现有研究的不足，本专利技术提出一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法，包括面向小规模网络基于链路冲突分类的分支限界搜索方法，以及面向大规模网络的基于最大并行传输的启发式调度算法，提出的方法在满足网络中数据流确定性传输需求的同时，还可以降低网络数据流的平均传输时延，提升网络整体的通信性能，以及对于不同规模的网络提供不同的性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法，该方法采用多信道时分多址技术，包括面向小规模网络基于链路冲突分类的分支限界法，以及面向大规模网络基于最大并行传输的启发式调度算法，通过合理的分配时隙和信道资源给网络中的传输链路，解决工业网络中周期性数据流端到端确定性传输需求，同时能够降低网络数据流的平均传输。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法，该方法为：首先获取待调度网络的参数，包括数据流的数量N及具体传输路径，每条数据流的周期时间和相对截止时间，以及网络中可用的信道个数M，网络的超帧周期T，然后根据网络规模的大小，执行不同的算法，小规模网络使用基于链路冲突分类的分支限界算法，而大规模的网络使用基于最大并行传输的启发式调度算法，以期达到在调度解获取成功率和执行时间之间的折中选择。进一步，所述基于链路冲突分类的分支限界算法包括两个剪枝条件：和在第一个剪枝条件中，Di,j表示当前数据流i产生的第j个报文的绝对截止时隙，t表示当前正在调度的时隙，表示数据流i第j个报文沿着传输路径上剩余未调度的链路个数，第一个剪枝条件表示待调度数据流满足时间裕度和剩余链路个数的限制；在第二个剪枝条件中，表示在当前时隙待调度数据流i的剩余所有未调度的链路，conf(τi,j)表示链路τi,j的生命窗口松散度，计算方式为：|τi,j的生命窗口|-max(与τi,j冲突的链路个数，ceil(生命窗口包含于τi,j的生命窗口内的其他链路个数/信道总个数))，其中ceil()是向上取整函数，|τi,j的生命窗口|的起始时间为τi,j的可能调度的最早时隙，终止时间为τi,j最晚被调度的时隙，条件二表示调度满足时间裕度与链路冲突和信道竞争的限制条件；基于链路冲突分类的分支限界算法的具体步骤如下：1)获取待调度网络的参数，包括数据流的数量N及具体传输路径，每条数据流的周期时间和相对截止时间，以及网络中可用的信道个数M，网络的超帧周期T；2)初始化一个空结点作为解空间树的初始父节点，并初始化当前时隙t＝1；3)判断当前时隙t是否小于超帧周期T，若t>T，表示网络已经不可能在超帧周期内完成调度，返回网络不可调度信息，结束算法；若t≤T，且网络中不存在未调度的链路，表示当前调度算法已经获得一条调度解，则返回网络的调度解信息，结束运行；若t≤T，并且网络中仍然存在未调度的链路，表示网络处于正在调度的过程中，则进入步骤4)；4)对当前时隙t处于释放态的链路按照链路冲突进行分类，其中释放态链路指的是数据报文已经存储在链路的发送节点中，若在当前时隙t调度该链路，该链路进行传输动作；在对链路进行冲突分类时，所有相互冲突的释放态链路组成一个冲突类，每个释放态链路只能属于一个冲突类，而每个冲突类至少包含一个链路；然后对每个冲突类内的每条链路所属数据流都按照表达式计算优先级，表达式的值越小，表示优先级越高，按照该优先级对冲突类的所有释放态链路排序，最后对所有冲突类进行优先级排序，排序方法为按照每个冲突类内所有链路的优先级求平均值，平均值小的优先级高；统计当前时隙链路冲突类个数，记为num；5)若信道个数M>num，则总共有种组合，其中k∈{num,…,1}，每个组合中包含k个冲突类，在每个冲突类中依次选取优先级高的链路，若这些链路互不冲突，则称为一个有效调度子集，如果该有效调度子集满足所述的两个剪枝条件，表示在当前时隙的不同信道进行调度，则安排链路S[t][m]＝n，其中m∈{1,…,M}，表示信道的偏移，n∈{1,…,N}，表示链路所属数据流的编号；若链路存在冲突，则从优先级最小的冲突类内，选择另一条优先级次小的链路，若优先级最小的冲突类已经是最后一条链路，则从次小的类中选择一条次小的优先级，同时最小的类从优先级最高的链路开始选择，以此类推，对当前组合的k个冲突类进行全遍历，如果当前组合内没有找到多余的有效调度子集或者不满足剪枝条件，则在种另外的组合中继续遍历，直到找到满足条件的有效调度子集，否则进入步骤6)进行回溯；若信道个数M≤num，则总共有种组合，其中k∈{M,…,1}，调度过程和M>num时一样；6)当时隙t遍历了种组合后仍然没有找到满足剪枝条件的链路，则开始进行回溯；回溯时，令t＝t-1，重置原先在当前时隙安排的所有链路，即然后继续从回溯后的组合中遍历其余的有效调度子集，若不存在，则在剩余组合中继续遍历可行解，当找到一个满足剪枝条件的有效调度子集，则重新设置新的S[t][m]＝n，然后令t＝t+1，进入步骤3)；如果在解空间树中回溯一次后仍然没有找到满足剪枝条件的有效调度子集，则继本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法，其特征在于：该方法为：首先获取待调度网络的参数，包括数据流的数量N及具体传输路径，每条数据流的周期时间和相对截止时间，以及网络中可用的信道个数M，网络的超帧周期T，然后根据网络规模的大小，执行不同的算法，小规模网络使用基于链路冲突分类的分支限界算法，而大规模的网络使用基于最大并行传输的启发式调度算法，以期达到在调度解获取成功率和执行时间之间的折中选择。

【技术特征摘要】
1.一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法，其特征在于：该方法为：首先获取待调度网络的参数，包括数据流的数量N及具体传输路径，每条数据流的周期时间和相对截止时间，以及网络中可用的信道个数M，网络的超帧周期T，然后根据网络规模的大小，执行不同的算法，小规模网络使用基于链路冲突分类的分支限界算法，而大规模的网络使用基于最大并行传输的启发式调度算法，以期达到在调度解获取成功率和执行时间之间的折中选择。2.根据权利要求1所述的一种支持传输时延优化的工业无线网络确定性调度方法，其特征在于：所述基于链路冲突分类的分支限界算法包括两个剪枝条件：和在第一个剪枝条件中，Di,j表示当前数据流i产生的第j个报文的绝对截止时隙，t表示当前正在调度的时隙，表示数据流i第j个报文沿着传输路径上剩余未调度的链路个数，第一个剪枝条件表示待调度数据流满足时间裕度和剩余链路个数的限制；在第二个剪枝条件中，表示在当前时隙待调度数据流i的剩余所有未调度的链路，conf(τi,j)表示链路τi,j的生命窗口松散度，计算方式为：|τi,j的生命窗口|-max(与τi,j冲突的链路个数，ceil(生命窗口包含于τi,j的生命窗口内的其他链路个数/信道总个数))，其中ceil()是向上取整函数，|τi,j的生命窗口|的起始时间为τi,j的可能调度的最早时隙，终止时间为τi,j最晚被调度的时隙，条件二表示调度满足时间裕度与链路冲突和信道竞争的限制条件；基于链路冲突分类的分支限界算法的具体步骤如下：1)获取待调度网络的参数，包括数据流的数量N及具体传输路径，每条数据流的周期时间和相对截止时间，以及网络中可用的信道个数M，网络的超帧周期T；2)初始化一个空结点作为解空间树的初始父节点，并初始化当前时隙t＝1；3)判断当前时隙t是否小于超帧周期T，若t>T，表示网络已经不可能在超帧周期内完成调度，返回网络不可调度信息，结束算法；若t≤T，且网络中不存在未调度的链路，表示当前调度算法已经获得一条调度解，则返回网络的调度解信息，结束运行；若t≤T，并且网络中仍然存在未调度的链路，表示网络处于正在调度的过程中，则进入步骤4)；4)对当前时隙t处于释放态的链路按照链路冲突进行分类，其中释放态链路指的是数据报文已经存储在链路的发送节点中，若在当前时隙t调度该链路，该链路进行传输动作；在对链路进行冲突分类时，所有相互冲突的释放态链路组成一个冲突类，每个释放态链路只能属于一个冲突类，而每个冲突类至少包含一个链路；然后对每个冲突类内的每条链路所属数据流都按照表达式计算优先级，表达式的值越小，表示优先级越高，按照该优先级对冲突类的所有释放态链路排序，最后对所有冲突类进行优先级排序，排序方法为按照每个冲突类内所有链路的优先级求平均值，平均值小的优先级高；统计当前时隙链路冲突类个数，记为num；5)若信道个数M>num，则总共有种组合，其中k∈{num,…,1}，每个组合中包含k个冲突类，在每个冲突类中依次选取优先级高的链路，若这些链路互不冲突，则称为一个有效调度子集，如果该有效调度子集满足所述的两个剪枝条件，表示在当前时隙的不同信道进行调度，则安排链路S[t][m]＝n，其中m∈{1,…,M}，表示信道的偏移，n∈{1,…,N}，表示链路所属数据流的编号；若链路存在冲突，则从优先级最小的冲突类内，选择另一条优先级次小的链路，若优先级最小的冲突类已经是最后一条链路，则从次小的类中选择一条次小的优先级，同时最小的类从优先级最高的链路开始选择，以此类推，对当前组合的k个冲突类进行全遍历，如果当前组合内没有找到多余的有效...

【专利技术属性】
技术研发人员：王恒，朱元杰，王平，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50