一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法组成比例

本发明专利技术涉及无线网络资源分配技术，具体是一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法。本发明专利技术考虑多个基于TDMA的线性拓扑工业无线网络共存问题，包括调度时延下界分析、网间资源分配算法和网内资源分配算法三个部分。该方法在分析时延下界和设计资源分配算法时以整体调度时延和资源利用率作为衡量指标，在每个时隙选取最佳节点组合尽可能多的占用信道资源，提高资源利用率、降低整体调度时延。

【技术实现步骤摘要】
一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法
本专利技术涉及工业无线网络的资源分配方法，具体地说是一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法。
技术介绍
工业4.0作为工业物联网(IIOT)和信息物理系统(CPS)的融合，指出数字化、网络化和智能化是制造业的未来发展方向。作为工业4.0的重要组成部分，工业无线网络也是智能制造的基础。工业4.0有着应用多样化的特点，这就意味着单一的无线技术不能满足多样化应用的需求，因此需要多个无线网络在同一范围内操作。无线网络可以按照异构的接入机制进行分类：时分多址接入(TDMA)和载波侦听多路访问(CSMA)。由于ISM频段的开放性，基于TDMA的工业无线网络WirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA和WIA-FA，和其他的无线网络WiFi、蓝牙、ZigBee、LTE-U等均工作在该频段上，这就不可避免的导致了频谱上的共存问题。现有的一些无线共存标准，比如IEEE802.16h、IEEE802.19等从架构上支持多个无线网络共存资源分配，但是没有给出具体的资源分配算法。现有的资源分配算法主要针对CSMA和CSMA共存问题、CSMA和TDMA共存问题，对于多TDMA无线网络共存问题仅考虑单一信道可用的情况。因此，针对于工业4.0多样化的需求，任意网络数量、任意网络规模的基于TDMA无线网络的共存成为了一个亟需解决的重要问题。线型拓扑结构也称总线型结构，在工业环境下普遍存在，比如智能生产线、智能电网以及石油管线监控等，同时，由于结构简单，可扩展性强等优点决定了线型拓扑在工业无线网络中是不可缺少的。因此需要设计一种新的资源分配算法，解决多个线型拓扑的工业无线网络的共存问题。
技术实现思路
本专利技术提出的一种面向多个线型拓扑的工业无线网络共存的优化资源分配方法，是在充分考虑最小化整体调度时延的要求提出的。首先对多个网络进行调度时延的下界进行理论分析，进而根据理论分析结果指导设计网间资源分配算法和网内资源分配算法。本专利技术采用如下技术方案：一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，包括以下步骤：获取每个网络完成调度所需调度时延最小值；基于调度时延最小值，为网络分配资源；对网络的网内资源进行分配。所述调度时延最小值：其中，Ridle(j)表示j个网络的空闲资源块数，Ro(i)表示网络i占用资源块数，分别通过以下表达式表示：N为线型拓扑的无线网络个数，网络i的节点数量为ni，i∈N；网络中可用信道数量为C。所述基于调度时延最小值，为某网络分配资源，包括以下步骤：对每个网络进行优先等级的评估，即若网络满足以下条件：Sr＝T-t+1，且Nd-Ne＝Nc-1，则该网络为高优先级，并给该网络分配|Ne|个资源块；不满足条件的为低优先级；其中，Sr表示完成调度所需最少时隙数，Nd表示缓存区中有数据包的节点集合，Ne表示缓存区有数据包且其父节点缓存区为空的节点集合，Nc表示距离网关最远位置连续有数据包的节点个数，t为当前时刻，T为调度时延最小值；对于低优先级的网络，根据优先等级评估时得到的所需最少时隙数Sr，将每个网络按照Sr降序排列，并让每两个相邻的Sr作差，得到差值不大于1、差值大于1两种情况；对于Sr差值不大于1的Sr对应网络：当Sr的差值为1时，将与Sr对应的网络按照Sr降序排列，把网络中第1个到第Nl个节点缓存区组合在一起成为一个新网络，其中不同网络之间通过空标识符将缓存区间隔开；Nl，表示最后一个缓存区有数据包的节点标号；当Sr的差值为0时，则比较Sr对应网络的所需资源数Rr，将对应网络按照Rr升序排列，把网络中第1个到第Nl个节点缓存区组合在一起成为一个新网络，其中不同网络之间通过空标识符将缓存区间隔开；新网络的Sr记为对应网络中Sr的最大值；对于Sr差值大于1的Sr对应网络：将对应网络按照Sr降序排列，并按照顺序，分别给每个网络分配Np个资源块，直到没有空闲资源块剩余或者所有网络都分配到资源块，其中Np表示最大可并行传输节点数量。所述表示在当前时刻t，节点vik缓存区中数据包个数，其中，节点的标号k∈[1，ni]，ni为网络中节点个数。所述对网络的网内资源进行分配，包括以下步骤：数据包填充过程：搜索满足条件且的节点集，按照序号k升序排列，并对满足条件的节点进行评估和分配资源；若Ci个资源块没有剩余，则完成数据包填充过程，否则执行数据包收集过程；Ci表示在当前时刻t网络i分配到的资源块的数量；数据包收集过程：从最后一个缓存区有数据的节点开始按照节点标号降序进行查找节点，将缓存区有数据包的节点作为待调度节点与调度节点集Vtr中记录的节点进行对比；若待调度节点在调度节点集Vtr出现，或者是Vtr中节点的邻居节点，则不要给该节点分配资源；否则对待调度节点进行评估和分配资源。所述进行评估和分配资源包括以下步骤：对节点进行评估，即若调度节点vik导致至少两个节点缓存区为空的情况，则执行下一步；否则，传输节点k；若调度节点vik导致至少两个节点缓存区为空的情况，则不给节点vik分配资源块，而令k＝k+2再次对节点进行评估，k表示节点标号；直到调度节点vik不出现连续空缓存区的情况或者vik即为最后一个缓存区有数据的节点Nl，此时按照对节点进行评估的反向顺序，将资源分配给各节点，即令k＝k-2，给节点vik分配资源块，直到所有评估过的节点都得到资源块，或者给网络i分配的资源块数Ci＝0；将所有分配到资源块的节点记录在调度节点集Vtr中。所述资源为资源块，包括一个时隙和该时隙的一个可用信道。一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，用于任意网络数量和任意网络规模的线型拓扑工业无线网络。用于多个线型拓扑无线网络。本专利技术有如下有益效果和优点：1.本专利技术对网络数量和网络规模没有限制，调度时延的下界和设计的资源分算法同时适用于单个网络和多个网络。2.本专利技术在分析时延下界和设计资源分配算法时以整体调度时延和资源利用率作为衡量指标，在每个时隙选取最佳节点组合尽可能多的占用信道资源，提高资源利用率、降低整体调度时延。附图说明图1为多个线型网络共存示意图；图2为网络节点缓存区数据包数量示意图；图3为当所需最小时隙数Sr差值为1时组合成新网络示意图；图4为当所需最小时隙数Sr差值为0时组合成新网络示意图。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，下面将结合实际的例子对本专利技术作进一步的详细描述。本专利技术提出的一种面向多个线型拓扑的工业无线网络共存的优化资源分配方法。其主要思想在于：给出调度时延下界的一般表达式，充分考虑每个网络完成调度所需最小时隙，为算法设计提供指导；基于时延下界分析，给网络分配不同的优先级，进而给网络分配资源；对网内节点进行评估，选取最佳节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：/n获取每个网络完成调度所需调度时延最小值；/n基于调度时延最小值，为网络分配资源；/n对网络的网内资源进行分配。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取每个网络完成调度所需调度时延最小值；
基于调度时延最小值，为网络分配资源；
对网络的网内资源进行分配。


2.根据权利要求1所述的一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，其特征在于，所述调度时延最小值：



其中，Ridle(j)表示j个网络的空闲资源块数，Ro(i)表示网络i占用资源块数，分别通过以下表达式表示：






N为线型拓扑的无线网络个数，网络i的节点数量为ni，i∈N；网络中可用信道数量为C。


3.根据权利要求1所述的一种面向多个线型拓扑工业无线网络共存的资源分配方法，其特征在于，所述基于调度时延最小值，为某网络分配资源，包括以下步骤：
对每个网络进行优先等级的评估，即若网络满足以下条件：Sr＝T-t+1，且Nd-Ne＝Nc-1，则该网络为高优先级，并给该网络分配|Ne|个资源块；不满足条件的为低优先级；其中，Sr表示完成调度所需最少时隙数，Nd表示缓存区中有数据包的节点集合，Ne表示缓存区有数据包且其父节点缓存区为空的节点集合，Nc表示距离网关最远位置连续有数据包的节点个数，t为当前时刻，T为调度时延最小值；
对于低优先级的网络，根据优先等级评估时得到的所需最少时隙数Sr，将每个网络按照Sr降序排列，并让每两个相邻的Sr作差，得到差值不大于1、差值大于1两种情况；
对于Sr差值不大于1的Sr对应网络：
当Sr的差值为1时，将与Sr对应的网络按照Sr降序排列，把网络中第1个到第Nl个节点缓存区组合在一起成为一个新网络，其中不同网络之间通过空标识符将缓存区间隔开；Nl表示最后一个缓存区有数据包的节点标号；
当Sr的差值为0时，则比较Sr对应网络的所需资源数Rr，将对应网络按照Rr升序排列，把网络中第1个到第Nl个节点缓存区组合在一起成为一个新网络，其中不同网络之间通过空标识符将缓存区间隔开；新网络的Sr记为对应网络中Sr的最大值；
对于Sr差值大于1的Sr对应网络：将对应网络按照Sr降序排列，并按照顺序，分别给每个网络分配Np个资源块，直到没有空闲资源块剩余或者所有网络都分配到资源块，其中Np表示最大可并行传输节点数量。
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【专利技术属性】
技术研发人员：梁炜，张嘉麟，王楚晴，郑萌，张思超，王恺，刘帅，
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