面向工业无线WIA-PA网络的确定性调度方法技术

本发明专利技术涉及一种面向工业无线WIA‑PA网络的确定性调度方法，属于工业无线网络通信技术领域。该方法在中小规模WIA‑PA网络中，利用基于回溯法的最优确定性调度方法，通过建立调度数据流的解空间树，在搜索部分或所有解空间树后即可获取调度解，能够取得调度的最优成功率；在大规模WIA‑PA网络中，利用基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法，为每条数据流计算每个时隙的时间裕度，根据时间裕度安排调度的优先级，能够以较高的成功率在短时间内获得调度解。通过本发明专利技术提供的确定性调度方法，能够为全网各数据流传输合理地分配时隙和信道资源，避免了通信链路冲突，解决了WIA‑PA网络端到端数据流传输的确定性问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工业无线网络通信
，涉及一种面向工业无线WIA-PA网络的确定性调度方法。
技术介绍
近年来，工业无线网络以其低成本、高可靠和高灵活性等特征，在工业自动化领域得到飞速发展，成为当前的研究热点。WIA-PA是我国自主制定的面向工业过程自动化的工业无线网络标准，该标准指出了数据传输要在限定的时间内完成，不能被延迟。为实现这一目标，确定性调度技术负责为数据传输合理地分配时隙通信所需的通信资源，使得端到端数据流的传输方式遵循通信资源分配结果。然而，面向工业无线网络的确定性调度问题，可以规约于世界七大数学难题之首的NP问题，这类问题一般难解是因为难以找到通用的多项式求解方法，致使目前现有的调度方法不能直接应用在不同的网络中。普遍采取的研究方法是寻找其近似算法或概率算法，使求解目标接近最终目标解或者以较高的成功概率正确得到最终目标解。目前，在工业无线网络领域，现有的确定性调度方法在WIA-PA网络中比较少见，而主要集中在HART基金会的WirelessHART标准和ISA国际自动化协会的ISA100.11a标准所定义的网络中。WirelessHART网络与ISA100.11a网络的确定性调度方法由于没有考虑WIA-PA网络特征，不宜直接适用于WIA-PA网络。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种面向工业无线WIA-PA网络的确定性调度方法，能够适用于不同网络规模的场景，满足端到端数据流传输的确定性要求，该确定性调度方法包括面向中小规模WIA-PA网络的基于回溯法的最优确定性调度方法和面向大规模WIA-PA网络的基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种面向工业无线WIA-PA网络的确定性调度方法，该确定性调度方法包括面向中小规模WIA-PA网络的基于回溯法的最优确定性调度方法和面向大规模WIA-PA网络的基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法；在中小规模WIA-PA网络中，利用基于回溯法的最优确定性调度方法，通过建立调度数据流的解空间树，在搜索部分或所有解空间树后即可获取调度解，能够取得调度的最优成功率；在大规模WIA-PA网络中，利用基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法，为每条数据流计算每个时隙的时间裕度，根据时间裕度安排调度的优先级，能够以较高的成功率在短时间内获得调度解；上述针对数据流的确定性调度分为簇内通信和簇间通信两个阶段：所述簇内通信阶段包括：现场设备周期性产生数据，并将数据发送到作为簇首的路由设备，路由设备汇集接收各现场设备成员的数据；所述簇间通信阶段包括：路由设备将收集的现场设备数据转发至下一跳路由设备，直到转发至网关设备为止。进一步，所述在中小规模WIA-PA网络中采用的基于回溯法的最优确定性调度方法包括：针对每条端到端数据流，以解空间树的形式表示调度数据流的所有候选解，每次对解空间树进行搜索时，首先判断当前步骤是否可调度，如果可调度，就从该步骤出发继续搜索下去；如果当前步骤不可调度，则逐步向其前一步回溯，尝试别的选择，避免不必要的搜索；具体步骤如下：1)根据所给定的可利用信道数M和超帧通信的时隙个数T，建立调度数据流的解空间树；解空间树的每层深度代表一个时隙，每层深度的前M条支路代表M条可用信道；每条支路对应一条可用信道偏移量，表示当前数据流在该时隙选择相应的信道进行通信；第M+1支路表示当前的数据流在当前时隙不进行任何通信链路安排；因此，解空间树为M+1叉树，各数据流在解空间树的每层深度都有M+1种调度选择；2)对所有t∈[1,T]、c∈[0,M-1]与n∈[1,N]，初始化调度结果S[t][c][n]＝0；3)选择一条未被调度的数据流Fn，从簇内通信阶段的首个时隙开始从解空间树的第一层深度搜索调度解；4)在搜索的每个时隙t，总是先选择信道偏移量c＝0的支路进行调度，并记S[t][c][n]＝1；每次调度时，进行可调度性判断；满足可调度性判断的条件有：(1)当前时隙不超过截止时间；(2)数据流的截止时隙与当前时隙之差不小于数据流所在路径的剩余跳数；(3)当前时隙处于相应数据流的簇内通信或簇间通信阶段；(4)当前时隙如果安排链路，该链路不与其它已有链路存在冲突；5)若当前时隙满足可调度性判断的所有条件，可以确定当前对时隙、信道和数据流的安排是可行的，并进入步骤10)；若当前时隙不满足可调度性判断的任一条件，则需重置当前时隙的调度安排，即S[t][c][n]＝0，并进入步骤6)～8)；6)如果不满足可调度条件(1)或(2)，当前数据流不可调度，将立即进行回溯，回溯时进入步骤9)；7)如果不满足可调度性的条件(3)，进一步判断所处的通信阶段，若未到达相应的超帧阶段，则不安排链路；若超过相应的通信阶段，当前数据流不可调度，将立即进行回溯，进入步骤9)；8)如果不满足可调度性的条件(4)，首先判断当前时隙是否已经到达超帧的最后一个时隙，若是在最后一个时隙，将进行回溯步骤9)；若不在最后一个时隙，进一步判断相互冲突的链路是否含有相同的通信设备；如果含有相同的通信设备，则当前数据流在当前时隙不安排链路；否则，将当前数据流安排在当前时隙的另一可用信道；9)回溯时，逐层回到祖先结点并选择另一分支继续搜索；当回溯到根结点时，将调度的数据流顺序进行调整，调整后的数据流重新设置为未调度状态，开始步骤3)；当完成所有全排列集合的数据流的解空间树搜索时，直接返回不可调度结果信息；10)当前时隙t＝t+1，进一步深度继续搜索调度解，重复4)与步骤5)，直到完成当前数据流的所有时隙与信道调度搜索；11)重复步骤3)～6)，直到完成所有数据流的所有时隙与信道调度搜索，最终返回关于S[t][c][n]的可调度解数组集合。进一步，所述在大规模WIA-PA网络中，采用基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法包括：调度时，在每个时隙计算每条数据流的时间裕度，其值通过Δt＝d-t-rt-αt计算得到，其中，Δt、d、t、rt和αt分别代表时间裕度、截止时隙、当前时隙、剩余跳数和潜在的冲突时隙数；计算的时间裕度值越小，数据流的紧急程度越高，该数据流将优先被选择安排链路；相反，时间裕度值越大，数据流的紧急程度越小，该数据流将在时间裕度较小的数据流之后进行调度；具体步骤如下：1)在簇内通信阶段，以该阶段的首个时隙为起点，计算每个簇整体调度的时间裕度；由于簇内的数据所经过的路径一致，该阶段只需计算一次时间裕度(取截止时隙最小的簇内数据流计算)，即一个簇所有成员数据流的调度时间裕度用一个值Δt表示；Δt值越小，对应的簇成员数据流的调度优先级越高；计算Δt时，同时计算判断d-t-rt≥0这一确定性调度的必要条件，只有满足此条件，数据流才可能调度成功，否则，直接返回不可调度结果；2)首先调度时间裕度最小的簇，如果有时间裕度相等的情况，则先调度距离网关较远的簇；簇内通信长度为簇成员所有数据流数目之和；簇内阶段调度时，因为整个簇的时间裕度大小相同，所以在簇内依次按照截止时间较早、更新周期较快和报文优先级较高的顺序进行时隙调度；3)针对当前时隙的另一可用信道，按照步骤2)的方法，进一步调度时间裕度次小的簇，直到完成簇内通信阶段的时隙调度；4)在簇间通信阶段，用于当本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向工业无线WIA‑PA网络的确定性调度方法，其特征在于：该确定性调度方法包括面向中小规模WIA‑PA网络的基于回溯法的最优确定性调度方法和面向大规模WIA‑PA网络的基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法；在中小规模WIA‑PA网络中，利用基于回溯法的最优确定性调度方法，通过建立调度数据流的解空间树，在搜索部分或所有解空间树后即可获取调度解，能够取得调度的最优成功率；在大规模WIA‑PA网络中，利用基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法，为每条数据流计算每个时隙的时间裕度，根据时间裕度安排调度的优先级，能够以较高的成功率在短时间内获得调度解；上述针对数据流的确定性调度分为簇内通信和簇间通信两个阶段：所述簇内通信阶段包括：现场设备周期性产生数据，并将数据发送到作为簇首的路由设备，路由设备汇集接收各现场设备成员的数据；所述簇间通信阶段包括：路由设备将收集的现场设备数据转发至下一跳路由设备，直到转发至网关设备为止。

【技术特征摘要】
1.一种面向工业无线WIA-PA网络的确定性调度方法，其特征在于：该确定性调度方法包括面向中小规模WIA-PA网络的基于回溯法的最优确定性调度方法和面向大规模WIA-PA网络的基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法；在中小规模WIA-PA网络中，利用基于回溯法的最优确定性调度方法，通过建立调度数据流的解空间树，在搜索部分或所有解空间树后即可获取调度解，能够取得调度的最优成功率；在大规模WIA-PA网络中，利用基于最小时间裕度优先的次优确定性调度方法，为每条数据流计算每个时隙的时间裕度，根据时间裕度安排调度的优先级，能够以较高的成功率在短时间内获得调度解；上述针对数据流的确定性调度分为簇内通信和簇间通信两个阶段：所述簇内通信阶段包括：现场设备周期性产生数据，并将数据发送到作为簇首的路由设备，路由设备汇集接收各现场设备成员的数据；所述簇间通信阶段包括：路由设备将收集的现场设备数据转发至下一跳路由设备，直到转发至网关设备为止。2.根据权利要求1所述的一种面向工业无线WIA-PA网络的确定性调度方法，其特征在于：所述在中小规模WIA-PA网络中采用的基于回溯法的最优确定性调度方法包括：针对每条端到端数据流，以解空间树的形式表示调度数据流的所有候选解，每次对解空间树进行搜索时，首先判断当前步骤是否可调度，如果可调度，就从该步骤出发继续搜索下去；如果当前步骤不可调度，则逐步向其前一步回溯，尝试别的选择，避免不必要的搜索；具体步骤如下：1)根据所给定的可利用信道数M和超帧通信的时隙个数T，建立调度数据流的解空间树；解空间树的每层深度代表一个时隙，每层深度的前M条支路代表M条可用信道；每条支路对应一条可用信道偏移量，表示当前数据流在该时隙选择相应的信道进行通信；第M+1支路表示当前的数据流在当前时隙不进行任何通信链路安排；因此，解空间树为M+1叉树，各数据流在解空间树的每层深度都有M+1种调度选择；2)对所有t∈[1,T]、c∈[0,M-1]与n∈[1,N]，初始化调度结果S[t][c][n]＝0；其中，t表示当前时隙，c表示使用的信道偏移量，n表示当前数据流编号，N表示数据流数目，S表示调度解数组；3)选择一条未被调度的数据流Fn，从簇内通信阶段的首个时隙开始从解空间树的第一层深度搜索调度解；4)在搜索的每个时隙t，总是先选择信道偏移量c＝0的支路进行调度，并记S[t][c][n]＝1；每次调度时，进行可调度性判断；满足可调度性判断的条件有：(1)当前时隙不超过截止时间；(2)数据流的截止时隙与当前时隙之差不小于数据流所在路径的剩余跳数；(3)当前时隙处于相应数据流的簇内通信或簇间通信阶段；(4)当前时隙如果安排链路，该链路不与其它已有链路存在冲突；5)若当前时隙满足可调度性判断的所有条件，可以确定当前对时隙、信道和数据流的安排是可行的，并进入步骤10)；若当前时隙不满足可调度性判断的任一条件，则需重置当前时隙的调度安排，即S[t][c][n]＝0，并进入步骤6)～8)；6)如果不满足可调度条件(1)或(2)，当前数据流不可调度，将立即进行回溯，回溯时进入步骤9)；7)如果不满足可调度性的条件(3)，进一步判断所处的通信阶段，若未到达相应的超帧阶段，则不安排链路；若超过相应的通信阶段，当前数据流不可调度...

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