一种支持数据包聚合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数据包聚合的工业无线网络确定性调度方法，属于工业无线网络通信领域。针对支持数据包聚合的工业无线网络，通过采用主链路与附加链路相结合的调度方法，对网络的时隙、信道资源进行配置，以满足数据流在截止时间内到达目的设备的确定性传输需求。本发明专利技术在每个时隙逐信道对链路进行调度，选择冲突松弛度最小的链路作为主链路，利用数据包聚合功能在剩余链路中选取附加链路，使其数据包跟随主链路数据包进行聚合传输；选取附加链路具体基于冲突松弛度优先的附加链路调度方法、基于聚合包数量最多优先的附加链路调度方法、或者考虑包聚合组合和冲突松弛度的附加链路调度方法。本发明专利技术的能降低网络能量消耗，提高调度成功率。

【技术实现步骤摘要】
一种支持数据包聚合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
，涉及支持数据包聚合的工业无线网络确定性调度方法。
技术介绍
工业无线网络是一种用于工厂自动化设备间进行数据交换的网络技术，具有低成本，灵活部署，高可靠性和易维护等特点，对工业现场设备的监控起着重要的作用。工业无线网络对数据流传输具有实时性和确定性的需求，数据流必须在严格的截止时间内传输到目的设备，否则会造成生产效率降低，甚至出现安全事故。目前已制定的国际标准有WirelessHART、WIA-PA、WIA-FA、ISA100.11，以及6TiSCH。工业无线网络中对数据传输具有实时性的需求，确定性调度技术作为一项关键技术，旨在通过为数据流链路分配合适的时隙和信道资源，以满足数据传输截止时间的约束。在工业无线国际标准中，采用基于时隙的TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)机制。此外，很多工业无线网络为了降低网络开销，提供了对数据包聚合功能的支持。例如在WIA-PA工业无线网络中，通常对路由器设备进行数据包聚合功能的配置，以减少网络设备的能量消耗。数据包聚合技术是指路由设备收到一个以上的数据包且这些数据包都需要传输至同一目标设备，则可以将这些数据包聚合后再传输至下一设备，从而提高网络数据传输效率，减少设备的能量消耗。由于在工业无线网络中靠近网关附近的链路会产生大量的传输冲突，相互冲突的链路会被安排在不同的时隙，导致消耗大量的时隙资源，这将会给未调度的链路留下较少的时隙资源，从而导致链路不能在截止时间内完成调度。然而考虑到缺少支持数据包聚合的条件下对确定性调度方法的设计。因此，为保证数据流传输的确定性需求，降低网络能耗，专利技术支持数据包聚合的工业无线网络确定性方法很有必要。
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数据包聚合的工业无线网络确定性调度方法，包括所提出调度方法的组成模式，基于此，并利用工业无线网络支持数据包聚合技术，分别提出了基于冲突松弛度优先的附加链路调度方法，基于聚合包数量最多优先的附加链路调度方法，以及考虑包聚合组合和冲突松弛度的附加链路调度方法。通过利用数据包聚合功能，合理地聚合数据包，并为数据包所对应的链路分配合适的时隙和信道资源，满足工业无线网络数据传输的确定性需求，同时能够节省网络设备的能量消耗。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种支持数据包聚合的工业无线网络确定性调度方法，采用主链路与附加链路相结合，并在每个时隙逐信道对数据流的链路进行调度，具体包括：首先，选择冲突松弛度最小的链路作为主链路；然后，在主链路选定的前提下，获取能与主链路数据包进行聚合调度的待选链路，同时由于主链路数据包可聚合长度的限制，还需再从待选链路中选择合适的链路成为附加链路，使附加链路的数据包能够跟随主链路的数据包在当前时隙当前信道一起进行聚合传输；最后，利用数据包聚合功能对主链路数据包和附加链路所对应的数据包进行聚合调度，同时为主链路和附加链路分配同一信道资源。进一步，选择附加链路的方法包括：(1)优先选择冲突松弛度最小的链路作为附加链路，即基于冲突松弛度优先的附加链路调度方法；(2)优先选择数据包最小所对应的链路作为附加链路，即基于聚合包数量最多优先的附加链路调度方法；(3)通过获取所有链路的组合形式并选择冲突松弛度倒数之和最小的一组组合作为附加链路组，即考虑包聚合组合和冲突松弛度的附加链路调度方法。进一步，所述的基于冲突松弛度优先的附加链路调度方法包括：获取待选链路的优先级判定指标和附加链路的选取；所述优先级判定指标包括：链路冲突松弛度、截止时间和数据包大小；所述附加链路的选取根据冲突松弛度从小至大对待选链路进行排序，在满足主链路数据包长度不超过最大数据包长度的条件下，依次选择排序后的待选链路作为附加链路，并为主链路和附加链路分配信道资源，其中若链路冲突松弛度相同则进一步比较链路的截止时间和数据包大小，如果当前时隙下主链路不存在待选链路，则只需为主链路安排通信资源；更进一步，所述基于冲突松弛度优先的附加链路调度方法，具体包括以下步骤：1)获取当前需调度网络的各种网络参数，包括网络设备数量、数据流的传输路径、相对截止时间、周期和数据包长度Υi，以及可用的信道个数C、网络超帧P、数据包可聚合总长度Λ，并初始化当前时隙t＝1，信道cn*＝1；2)如果当前网络中还存在未调度的链路，时隙向后增加；当t＞P时，表明当前时隙已经超过超帧周期长度，同时网络中还有未调度链路，则返回不可调度的结果；若t＜P，且网络中所有链路都已经被分配通信资源，则表明网络已调度成功，并返回调度结果；若t＜P，同时网络中还存在未调度的链路，则表明调度正在执行，并进入步骤3)；3)在当前时隙t下，判断的是否有数据流超过其截止时间，如果有，调度结束，返回不可调度信息；否则，进入步骤4)；4)根据所有释放态链路的生存周期，计算每条释放态链路的冲突松弛度，同时获取链路对应数据流的相对截止时间和数据包长度，首先优先选择链路冲突松弛度最小的链路作为主链路，如果网络中存在多条链路具有相同的冲突松弛度，则进一步比较链路的相对截止时间，链路所对应数据包长度大小，然后判断当前释放态链路中是否存在可以与主链路一同调度的待选链路，如果不存在待选链路，则只需为主链路分配信道资源并进入步骤6)，如果存在待选链路，则进入步骤5)；5)首先获取可与主链路一同调度的待选链路，以及待选链路的相关信息，包括待选链路的冲突松弛度、链路的相对截止时间和数据包长度；然后在满足可聚合包长度的前提下，按照待选链路的冲突松弛度从小到大进行排序，如果存在多条待选链路冲突松弛度相同，则进一步比较相对截止时间和数据包大小，依次选择排序后的待选链路作为附加链路，为主链路和附加链路分配同一信道，并进入步骤6)；6)同样在当前时隙t下，移除与已调度链路冲突的未调度释放态链路，并判断当前时隙下是否还存在剩余未调度释放态的链路；如果此时隙下还存在未调度释放态链路，且当前信道编号cn*不超过总信道编号C，令cn*＝cn*+1，并进入步骤3)；若当前时隙存在剩余未调度释放态链路，但当前信道编号cn*超过总信道编号C，则进入步骤7)；若当前时隙不存在剩余未调度释放态链路，且当前信道编号cn*也不超过总信道编号C，也进入步骤7)；7)令时隙为t＝t+1，更新网络中所有未调度链路的相关时间信息，并返回步骤2)。进一步，所述基于聚合包数量最多优先的附加链路调度方法包括：获取待选链路的优先级判定指标和附加链路的选取；所述优先级判定指标包括链路冲突松弛度、截止时间和数据包大小；附加链路的选取根据待选链路所对应数据包的大小，由小到大对待选链路进行排序，在满足主链路数据包长度不超过最大数据包长度的情况下，依次选取排序后的待选链路作为附加链路，调度过程中若数据包大小相同则进一步比较链路冲突松弛度和截止时间，并为主链路和附加链路分配同一信道资源，如果当前时隙下主链路不存在待选链路，则只需为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种支持数据包聚合的工业无线网络确定性调度方法，其特征在于，该调度方法是采用主链路与附加链路相结合，并在每个时隙逐信道对数据流的链路进行调度，具体包括：首先，选择冲突松弛度最小的链路作为主链路；然后，在主链路选定的前提下，获取能与主链路数据包进行聚合调度的待选链路，再从待选链路中选择合适的链路成为附加链路，使附加链路的数据包能够跟随主链路的数据包在当前时隙当前信道一起进行聚合传输；最后，利用数据包聚合功能对主链路数据包和附加链路所对应的数据包进行聚合调度，同时为主链路和附加链路分配同一信道资源。/n

【技术特征摘要】
1.一种支持数据包聚合的工业无线网络确定性调度方法，其特征在于，该调度方法是采用主链路与附加链路相结合，并在每个时隙逐信道对数据流的链路进行调度，具体包括：首先，选择冲突松弛度最小的链路作为主链路；然后，在主链路选定的前提下，获取能与主链路数据包进行聚合调度的待选链路，再从待选链路中选择合适的链路成为附加链路，使附加链路的数据包能够跟随主链路的数据包在当前时隙当前信道一起进行聚合传输；最后，利用数据包聚合功能对主链路数据包和附加链路所对应的数据包进行聚合调度，同时为主链路和附加链路分配同一信道资源。


2.根据权利要求1所述的一种支持数据包聚合的工业无线网络确定性调度方法，其特征在于，选择附加链路的方法包括：
(1)优先选择冲突松弛度最小的链路作为附加链路，即基于冲突松弛度优先的附加链路调度方法；
(2)优先选择数据包最小所对应的链路作为附加链路，即基于聚合包数量最多优先的附加链路调度方法；
(3)通过获取所有链路的组合形式并选择冲突松弛度倒数之和最小的一组组合作为附加链路组，即考虑包聚合组合和冲突松弛度的附加链路调度方法。


3.根据权利要求2所述的一种支持数据包聚合的工业无线网络确定性调度方法，其特征在于，所述的基于冲突松弛度优先的附加链路调度方法包括：获取待选链路的优先级判定指标和附加链路的选取；所述优先级判定指标包括：链路冲突松弛度、截止时间和数据包大小；所述附加链路的选取根据冲突松弛度从小至大对待选链路进行排序，在满足主链路数据包长度不超过最大数据包长度的条件下，依次选择排序后的待选链路作为附加链路，并为主链路和附加链路分配信道资源，其中若链路冲突松弛度相同则进一步比较链路的截止时间和数据包大小，如果当前时隙下主链路不存在待选链路，则只需为主链路安排通信资源。


4.根据权利要求3所述的一种支持数据包聚合的工业无线网络确定性调度方法，其特征在于，所述基于冲突松弛度优先的附加链路调度方法，具体包括以下步骤：
1)获取当前需调度网络的各种网络参数，包括网络设备数量、数据流的传输路径、相对截止时间、周期和数据包长度Υi，以及可用的信道个数C、网络超帧P、数据包可聚合总长度Λ，并初始化当前时隙t＝1，信道cn*＝1；
2)如果当前网络中还存在未调度的链路，时隙向后增加；当t＞P时，表明当前时隙已经超过超帧周期长度，同时网络中还有未调度链路，则返回不可调度的结果；若t＜P，且网络中所有链路都已经被分配通信资源，则表明网络已调度成功，并返回调度结果；若t＜P，同时网络中还存在未调度的链路，则表明调度正在执行，并进入步骤3)；
3)在当前时隙t下，判断的是否有数据流超过其截止时间，如果有，调度结束，返回不可调度信息；否则，进入步骤4)；
4)根据所有释放态链路的生存周期，计算每条释放态链路的冲突松弛度，同时获取链路对应数据流的相对截止时间和数据包长度，首先优先选择链路冲突松弛度最小的链路作为主链路，如果网络中存在多条链路具有相同的冲突松弛度，则进一步比较链路的相对截止时间，链路所对应数据包长度大小，然后判断当前释放态链路中是否存在可以与主链路一同调度的待选链路，如果不存在待选链路，则只需为主链路分配信道资源并进入步骤6)，如果存在待选链路，则进入步骤5)；
5)首先获取可与主链路一同调度的待选链路，以及待选链路的相关信息，包括待选链路的冲突松弛度、链路的相对截止时间和数据包长度；然后在满足可聚合包长度的前提下，按照待选链路的冲突松弛度从小到大进行排序，如果存在多条待选链路冲突松弛度相同，则进一步比较相对截止时间和数据包大小，依次选择排序后的待选链路作为附加链路，为主链路和附加链路分配同一信道，并进入步骤6)；
6)同样在当前时隙t下，移除与已调度链路冲突的未调度释放态链路，并判断当前时隙下是否还存在剩余未调度释放态的链路；如果此时隙下还存在未调度释放态链路，且当前信道编号cn*不超过总信道编号C，令cn*＝cn*+1，并进入步骤3)；若当前时隙存在剩余未调度释放态链路，但当前信道编号cn*超过总信道编号C，则进入步骤7)；若当前时隙不存在剩余未调度释放态链路，且当前信道编号cn*也不超过总信道编号C，也进入步骤7)；
7)令时隙为t＝t+1，更新网络中所有未调度链路的相关时间信息，并返回步骤2)。


5.根据权利要求2所述的一种支持数据包聚合的工业无线网络确定性调度方法，其特征在于，所述基于聚合包数量最多优先的附加链路调度方法包括：获取待选链路的优先级判定指标和附加链路的选取；所述优先级判定指标包括链路冲突松弛度、截止时间和数据包大小；附加链路的选取根据待选链路所对应数据包的大小，由小到大对待选链路进行排序，在满足主链路数据包长度不超过最大数据包长度的情况下，依次选取排序后的待选链路作为附加链路，调度过程中若数据包大小相同则进一步比较链路冲突松弛度和截止时间，并为主链路和附加链路分配同一信道资源，如果当前时隙下主链路不存在待选链路，则只需为主链路分配时隙资源和信道资源。


6.根据权利要求5所述的一种支持数据包聚合的工业无线网络确定性调度方法，其特征在于...

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