一种基于局部可用信道集的工业无线网络传输调度方法技术

本发明专利技术涉及工业无线网络技术，具体地说是一种基于局部可用信道集的工业无线网络传输调度方法。该方法包括整体候选子节点集合的查找，整体传输组合的生成，候选传输组合的选取，基于整体有效剩余包个数的时隙、信道分配四个步骤。本发明专利技术方法综合考虑工业无线网络采用树状拓扑，工业无线通信使用多个信道且各链路可用信道集未必完全相同的特点，以网络中数据包的汇聚传输时延作为衡量调度方法性能的指标，在每个时隙优先选取并行传输个数最多的传输组合。如果有多个传输组合并行传输个数相同，则选取整体有效剩余包个数最多的传输组合分配信道。本发明专利技术在每一个时隙充分利用信道资源，从而减少完成所有数据包汇聚传输所需的总时隙数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于局部可用信道集的工业无线网络传输调度方法
本专利技术涉及工业无线网络的传输调度方法，具体地说是一种基于局部可用信道集的工业无线网络实时汇聚传输调度方法。
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；(3)当增加新的设备时，无线通信无需考虑重新布线，大大简化安装流程。然而，由于ISM2.4GHz频段的开放性，WiFi、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。为了提高网络可靠性，现有的工业无线网络标准(如WirelessHART,ISA100.11a和WIA-PA)都采用了信道黑名单技术，在黑名单中的信道将不再被网络中的任何链路使用，也即所有链路使用相同的全局可用信道集。但是在实际的工业环境中，处于不同位置的链路局部可用信道集往往不同。因此全局可用信道集的方案会导致整体可用信道数减少，进而降低网络容量，不利于通信资源的效用最大化。目前工业无线网络调度策略的研究中，主要考虑针对全局可用信道集的方案，为了充分利用网络资源，需要设计一种新的传输调度方法，充分考虑各链路局部可用信道集并最小化汇聚传输时延。
技术实现思路
针对工业无线网络中各链路可用信道集与该链路实际所处位置密切相关的特点，本专利技术提出一种基于局部可用信道集的工业无线网络实时汇聚传输调度方法。该方法包括整体候选子节点集合的查找，整体传输组合的生成，候选传输组合的选取，基于整体有效剩余包个数的时隙、信道分配四个步骤。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于局部可用信道集的工业无线网络传输调度方法，包括以下步骤：查找网络中整体候选子节点集合；根据整体候选子节点集合生成整体传输组合；从整体传输组合中选取候选传输组合；根据选取的候选传输组合进行时隙和信道的分配。所述查找网络中整体候选子节点集合，包括以下步骤：1)令i＝0；2)在时隙t，对于网络中的节点FDi，如果该节点是网关节点即i＝0，或者该节点不是网关节点即i＝1,2,...,N且则执行步骤3)；否则，如果i＝N，则执行步骤4)；如果i＜N，则令i＝i+1并执行步骤2)；3)查找FDi的子节点集合Ci，对于FDj∈Ci，如果FDj有数据包要传输即则所有这样的FDj组成一个候选子节点集合，记为CCGi；若i＝N，则执行步骤4)；否则，令i＝i+1，执行步骤2)；4)所有的候选子节点集合组成整体候选子节点集合，记为CCG；其中，N是网络中总的节点个数，是FDi在时隙t开始时缓存区数据包的个数，i、j表示节点序号，j＝1,2,...,N。所述根据整体候选子节点集合生成整体传输组合，包括以下步骤：从整体候选子节点集合CCG的每一个候选子节点集合中分别选取一个节点，组成一个传输组合，记为TCn，所有的传输组合组成整体传输组合TC。所述从整体传输组合中选取候选传输组合，包括以下步骤：对于TC中的每一个传输组合TCn，采用匈牙利算法求出其最大匹配Mn；求所有|Mn|的最大值Mmax＝max{|Mn||n＝1,2,...,|TC|}；查找TC中所有满足|Mn|＝Mmax的传输组合，记为候选传输组合CTC；其中，|TC|是TC中元素的个数，|Mn|是Mn的边的个数。所述根据选取的候选传输组合进行时隙和信道的分配，包括以下步骤：步骤一：计算信道ch的可用性ACch：其中nch是指局部可用信道集中包含信道ch的链路个数；步骤二：计算链路Li的有效信道数VCi：其中，CHi是Li的局部可用信道集；步骤三：在时隙t的开始，计算以FDi为根的子树STi的有效剩余数据包个数其中，是子树STi在时隙t开始时实际剩余数据包；步骤四：在时隙t的开始，计算任意传输组合TCn∈CTC整体有效数据包个数步骤五：在CTC中选取最大的传输组合TCn，并根据匈牙利算法得到的最大匹配结果为TCn中节点分配信道，同时把当前时隙分配给TCn中节点；i、j表示节点序号，j＝1,2,...,N。本专利技术提出一种基于局部可用信道集的工业无线网络实时汇聚传输调度方法，该方法充分考虑了工业无线网络局部可用信道集的特点，综合考虑了环境因素和资源因素的制约关系，可以保证不同传输获取时隙、信道优先级的合理性，进而提高各数据包传输的实时性。具体表现在：1.本专利技术提出整体候选子节点集合的查找和整体传输组合的生成方案能找到当前时隙所有可行的传输组合，为之后的选取步骤提供基础；2.本专利技术提出的候选传输组合的选取方案，将该时隙的信道分配问题建模成一个二分图的匹配问题，并采用匈牙利算法求出其最大匹配。因此，能最大化每一个时隙的并行传输个数；3.本专利技术提出的基于整体有效剩余包个数的时隙、信道分配方案，充分考虑当候选传输组合有多个时，通过计算信道的可用性、链路的有效信道集、子树的有效剩余数据包个数和传输组合整体有效剩余数据包个数，进而选取最佳传输组合，并分配信道和时隙资源。附图说明图1为工业无线网络的树状拓扑示意图；图2为时隙3开始时各节点数据包的状态示意图；图3为一个二分图最大匹配示意图；具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述。本专利技术提出一种基于局部可用信道集的工业无线网络实时汇聚传输调度方法。该方法包括整体候选子节点集合的查找，整体传输组合的生成，候选传输组合的选取，基于整体有效剩余包个数的时隙、信道分配四个步骤。1.工业无传感器网络建模。本方法考虑图1所示，由一个网关与多个节点(FD)构成工业无线网络树状拓扑结构。网络中有多个信道可供选择。节点FDi的父节点记为fi，链路Li＝(FDi,fi)，局部可用信道集为CHi。如图1和图2中所示，CH1＝{1,2,3}表示链路L1可使用信道1、2、3传输数据，Pm表示FDm的数据包，这里m＝1,2,...,11。每个节点具有单包缓存能力，从周围环境中采集数据，并采用TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)的接入机制向网关发送数据。这里将时间划分成多个长度相同的时隙(slot)，每个时隙长度足够支持一跳传输。网关首先根据网络拓扑以及各链路的局部可用信道集，生成相应的链路调度表，并将该链路调度表分发给每一个节点，所有节点根据链路调度表中的时隙分配在规定的时隙内使用规定的信道完成数据的传输。2.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于局部可用信道集的工业无线网络传输调度方法，其特征在于，包括以下步骤：/n查找网络中整体候选子节点集合；/n根据整体候选子节点集合生成整体传输组合；/n从整体传输组合中选取候选传输组合；/n根据选取的候选传输组合进行时隙和信道的分配。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于局部可用信道集的工业无线网络传输调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
查找网络中整体候选子节点集合；
根据整体候选子节点集合生成整体传输组合；
从整体传输组合中选取候选传输组合；
根据选取的候选传输组合进行时隙和信道的分配。


2.根据权利要求1所述的一种基于局部可用信道集的工业无线网络传输调度方法，其特征在于，所述查找网络中整体候选子节点集合，包括以下步骤：
1)令i＝0；
2)在时隙t，对于网络中的节点FDi，如果该节点是网关节点即i＝0，或者该节点不是网关节点即i＝1,2,...,N且则执行步骤3)；
否则，如果i＝N，则执行步骤4)；如果i＜N，则令i＝i+1并执行步骤2)；
3)查找FDi的子节点集合Ci，对于FDj∈Ci，如果FDj有数据包要传输即则所有这样的FDj组成一个候选子节点集合，记为CCGi；若i＝N，则执行步骤4)；否则，令i＝i+1，执行步骤2)；
4)所有的候选子节点集合组成整体候选子节点集合，记为CCG；
其中，N是网络中总的节点个数，是FDi在时隙t开始时缓存区数据包的个数，i、j表示节点序号，j＝1,2,...,N。


3.根据权利要求1所述的一种基于局部可用信道集的工业无线网络传输调度方法，其特征在于，所述根据整体候选子节点集合生成整体传输组合，包括以下步骤：
从整体候选子节点集合CCG的每一个候选子节点集合中分别选取一个节点，组成一个传输组合，记为TCn，所有的传输组合组成整体传输组合TC。...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁炜，石华光，郑萌，刘帅，杨雨沱，王恺，
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