一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，旨在提高工业无线网络的确定性、可靠性问题并降低网络时延，该方法能够确保网络的确定性调度，从而实现高可靠性；在该方法的调度机制下，现场设备根据更新周期优先级高低发送数据到路由设备；在路由设备处，路由设备接收现场设备数据，按照数据优先级选择存储堆栈，并在网络通信量过大时，将来自不同现场设备的数据按照数据优先级进行聚合生成数据包，然后按照数据优先级转发数据包。此调度方式采用了更新周期优先级、数据优先级等方式保证每个现场设备都有将数据发送到网关的机会，提高网络确定性及可靠性，采用聚合方式减少网络数据传输次数，减少网络传输开销，从而实现低时延。

A slot centralized allocation method for industrial wireless networks in TSCH mode

The invention discloses a centralized industrial wireless network time slot allocation method of TSCH mode, in order to improve the determination of industrial wireless network, reliability and reduce the network delay, the method can ensure the deterministic scheduling of the network, so as to achieve high reliability; in the scheduling mechanism of the method, the update cycle of the priority to send data to the routing equipment according to the equipment; in the routing device, routing device receives the data according to the data of field equipment, priority selection and storage stack, the network communication is too large, will come from different field equipment data to generate data packets according to the priority of data aggregation, and then according to the priority of data packet forwarding. This scheduling method using the update cycle of priority, the priority of data means that each field equipment has the opportunity to send data to the gateway, improve network reliability and uncertainty, the way to reduce the number of data transmission network aggregation, reduce the cost of network transmission, in order to achieve low delay.

【技术实现步骤摘要】
一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法
本专利技术属于无线网络
，特别涉及一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法。
技术介绍
确定性调度是工业无线网络的核心问题，IEEE802.15.4e对IEEE802.15.4进行了完善和修改，增加了为工业无线应用特别设计的MAC层，试图解决确定性和可靠性的问题，为此IEEE802.15.4e规定了3种超帧结构：其一为DSME(deterministicandsynchronousmultichannelextension)多超帧结构，具体格式由协调器定义，协调器会周期性地发送具有DSMEPAN描述符IE(InformationElement)的增强信标(EB)。多超帧是重复超帧的循环，每个重复超帧由信标帧，竞争接入周期(CAP)和无竞争周期(CFP)组成。其二为基于LL(lowlatency)信标帧的超帧结构，超帧被划分为信标时隙、0或2个管理时隙以及与macLLDNnumTimeSlots等长的时隙数。其三为在TSCHPAN(PersonalAreaNetworks，个域网)中使用的时隙帧结构。时隙(Timeslot)是数据传输的最小时间单位，长度可配置，超帧是多个时隙的组合，在TSCHPAN中超帧的概念被替换为时隙帧。首先，TSCH(TimeslottedChannelHopping)是基于IEEE802.15.4e的一种模式，支持时隙跳频。对于每个预调度单元(cell)，调度表都为其指定了时隙偏移及信道偏移。在完整的调度表中，当节点A在信道偏移6上有到节点B的发送单元(cell)，则在相同的信道上节点B有来自节点A的接收单元(cell)。不同的频率下，信道偏移的可用数量不同，以IEEE802.15.4为例，在2.4GHz的频率下，可用信道偏移值为16，即有16个可用信道。互相通信的两个节点能够根据函数F将信道偏移值转变为频率来表示：Frequency＝F{(ASN+Channloffset)modnFreq}其中ASN为绝对时隙数，nFreq为可用频率值。在一个预调度单元内，通信双方在调度表中有相同的信道偏移值及绝对时隙数，根据上述公式计算得出相同的频率。然而在下一个时隙中，虽然通信双方的信道偏移相同，绝对时隙数却改变了，导致计算出的频率不同，从而两个节点一起跳频。基于TSCH的工业无线网络使用基于时隙帧结构的超帧进行网络资源调度；时隙帧定义了节点间的通信时段，时隙帧根据网络中设备的共享时间概念自动重复。与以上两种超帧结构不同，时隙帧不需要信标来发起通信，且节点间的通信方式不确定，可以是CSMA-CA或其它确定的方式。与超帧不同，设备申请入网时在时隙帧中分配的时隙最初通过信标通信，但当设备入网络后，设备的时隙分配通常由OSI7层模型中的更高层决定(如：MAC层)。TSCH网络中虽然存在增强信标EB(EnhancedBeacon)，16个信道上都有各自的EB发送，但它不用于发起通信，只用于新节点入网。在LLDN中，当设备想要同协调器发起通信时，首先需要监听网络信标，从而发起通信；而在TSCHPAN网络中，只有当节点入网时，才需监听16个信道中的EB，从而选择从哪个信道入网。IEEE802.15.4e的规范中，给出了时隙帧结构的使用方法，但并没有给出TSCH模式下的具体网络资源调度方法，导致基于IEEE802.15.4e的网络在TSCH模式的部署难度很大，如何根据网络的设备采集周期、数据优先级、信道质量等参数，对网络资源进行调度和分配是当前面临的主要问题。已有的MAC层调度方法并不能直接应用在TSCHMAC层上，以OTF(On-The-Fly)分布式调度方法为例，它只用于单跳通信，不能保证全局Qos(QualityofService)；以TASA(trafficAwareSchedulingAlgorithm)集中式调度方法为例，它仅使用网络运行的初始通信值来优化调度，因此，当诸如分组丢弃的事件发生时，TASA不考虑MAC重传，因此必须在下一个超帧中发送，从而导致了延迟。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，具有高可靠性，能有效降低网络时延和延长网络生命。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：该种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，包括以下步骤：步骤1：采用网关设备、路由设备和现场设备搭建树型网络结构，并为每个现场设备及路由设备编号，同时根据数据的采集需求，为不同的现场设备设定不同的更新周期，不同更新周期具有不同优先级，更新周期越短优先级越高，同时根据数据的应用需求，为不同的现场设备数据分配不同的优先级；步骤2：现场设备将按照更新周期优先级分别将数据发送给路由设备；步骤3：路由设备接收数据之后解析数据，得到封装在数据中的设备编号、数据优先级信息，将接收的数据按照不同优先级将其分别存放于不同的堆栈；步骤4：路由设备将不同优先级堆栈内的数据按照数据优先级、路由编号及现场设备编号，生成表格，并将表格信息发送给网络管理器，网络管理器整合所有路由设备的表格信息生成表格信息表；步骤5：网络管理器在每个时隙帧开始之前，根据前述的表格信息表判定出路由设备或网关设备的设备状态，并通过EB广播路由设备或网关设备状态；步骤6：路由设备根据监听到的状态信息选择不同长度的时隙帧，按照从设备收到的数据的优先级安排时隙传输给网关设备，优先级高的数据优先安排时隙。进一步，所述步骤6)的具体方式是：在每个路由设备及网关设备中加入有限状态机，路由设备根据监听EB中的状态信息从而进行状态跳转，不同状态的路由设备会选择不同的时隙帧进行数据传输，路由设备或网关若为S0状态，选择长时隙帧进行数据传输；S1状态选择短时隙帧进行数据传输；S2状态采用标准时隙帧进行数据传输；当路由设备或网关设备中数据流量过大时，经网络管理器计算发现当时隙帧长度动态变为130个时隙仍不能满足通信需求，为减少网络拥塞、降低网络时延，网络管理器将通过广播报文通知路由设备对数据进行聚合，减少路由设备转发次数，从而减少路由设备向网关设备传输需要分配的时隙数目，规则为将相同优先级的数据聚合为一个数据包，每次数据聚合的上限为X，即：当网络中设备数量过多时，在2.4GHz频率下的16个信道不能满足路由设备及信道偏移一一对应，按脚标值由小到大的顺序将路由设备安排到1～16个信道上进行数据传输，当信道安排完毕之后，再次按照路由脚标值的顺序将路由安排到16个信道上，规则为路由设备根据脚标值的顺序在不同信道偏移上转发接收的数据。进一步，在步骤6)中，网络管理器为路由设备分配时隙时，按照路由设备完成数据接收的先后顺序依次转发数据，总体规则为所有路由设备中高优先级数据转发完成之后，再转发次优先级数据，最后转发低优先级数据；进一步，在步骤6)中，在路由设备接收数据过程中，先完成数据接收的路由设备优先转发高优先级数据；若此路由设备中高优先级数据全部转发，而其他设备还没有完成数据接收，则转发此路由设备中次优先级数据；在此设备转发次优先级数据过程中，其他路由设备完成了数据接收，则优先其他路由设备转发高优先级数据，停止此路由设备转发次优先级数据；若多个设备都本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：采用网关设备、路由设备和现场设备搭建树型网络结构，并为每个现场设备及路由设备编号，同时根据数据的采集需求，为不同的现场设备设定不同的更新周期，更新周期具有优先级,更新周期越短优先级越高；同时根据数据的应用需求，为现场设备数据分配不同的优先级；步骤2：现场设备将按照更新周期优先级分别将数据发送给路由设备；步骤3：路由设备接收数据之后解析数据，得到封装在数据中的设备编号、数据优先级信息，将接收的数据按照不同优先级将其分别存放于不同的堆栈；步骤4：路由设备将不同优先级堆栈内的数据按照数据优先级、路由编号及现场设备编号，生成表格，并将表格信息发送给网络管理器，网络管理器整合所有路由设备的表格信息生成表格信息表；步骤5：网络管理器在每个时隙帧开始之前，根据前述的表格信息表判定出路由设备或网关设备的设备状态，并通过EB广播路由设备或网关设备状态；步骤6：路由设备根据监听到的状态信息选择不同长度的时隙帧,按照从设备收到的数据的优先级安排时隙传输给网关设备，优先级高的数据优先安排时隙。

【技术特征摘要】
1.一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：采用网关设备、路由设备和现场设备搭建树型网络结构，并为每个现场设备及路由设备编号，同时根据数据的采集需求，为不同的现场设备设定不同的更新周期，更新周期具有优先级,更新周期越短优先级越高；同时根据数据的应用需求，为现场设备数据分配不同的优先级；步骤2：现场设备将按照更新周期优先级分别将数据发送给路由设备；步骤3：路由设备接收数据之后解析数据，得到封装在数据中的设备编号、数据优先级信息，将接收的数据按照不同优先级将其分别存放于不同的堆栈；步骤4：路由设备将不同优先级堆栈内的数据按照数据优先级、路由编号及现场设备编号，生成表格，并将表格信息发送给网络管理器，网络管理器整合所有路由设备的表格信息生成表格信息表；步骤5：网络管理器在每个时隙帧开始之前，根据前述的表格信息表判定出路由设备或网关设备的设备状态，并通过EB广播路由设备或网关设备状态；步骤6：路由设备根据监听到的状态信息选择不同长度的时隙帧,按照从设备收到的数据的优先级安排时隙传输给网关设备，优先级高的数据优先安排时隙。2.根据权利要求1所述的一种TSCH模式下的工业无线网络时隙集中式分配方法，其特征在于：所述步骤6)的具体实施方式是：在每个路由设备及网关设备中加入有限状态机，路由设备根据监听EB中的状态信息从而进行状态跳转，不同状态的路由设备会选择不同的时隙帧进行数据传输，路由设备或网关若为S0状态，选择长时隙帧进行数据传输；S1状态选择短时隙帧进行数据传输；S2状态采用标准时隙帧进行数据传输；当路由设备或网关设备中数据流量过大时，经网络管理器计算发现当时隙帧长度动态变为130个时隙仍不能满足通信需求，为减少网络拥塞、降低网络时延，网络管理器将通过广播报文通知路由设备对数据进行聚合，减少路由设备转发次数，从而减少路由设备向网关设备传输需要分配的时隙数目，规则为将相同优先级的数据聚合为一个数据包，每次数据聚合的上限...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏旻，庞巧月，卓兰，胡静宜，王平，杨宏，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，中国电子技术标准化研究院，
类型：发明
国别省市：重庆,50