一種低時隙開銷無線HART鏈路調度策略

武 峰

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

0 引言

無線HART是一個開放式的用于工業測量和控制領域的無線通信標準[1-2]，是現階段與工業需求最為契合的無線傳感網絡。目前，關于無線傳感網絡及其在工業領域的應用已經有了廣泛研究[3-8]。無線HART技術的許多特性保證其在工業環境中提供可靠的數據通信，因而在過程監測和控制領域的采用和部署方面起到了重要作用[9]。其中mesh型網絡和基于 TDMA的超幀技術是保證其通信實時可靠的重要手段[10-11]。Mesh網絡保證了傳輸路徑選擇的多樣性，超幀技術通過對通信資源的合理安排有效避免了網絡內部沖突。超幀可以通過為網絡中的節點分配工作時隙，節點在其分配的工作時隙中喚醒來進行數據接收和傳輸，在非工作時隙進入睡眠模式以節省能量，直到在下一個分配的工作時隙中再次喚醒。因此，在一個工作時隙內安排多個節點同工作可以有效的減少網絡的總體工作時長，提高網絡的工作效率，降低網絡的傳輸時隙開銷，但無線HART的單工通信的性質不利于這一做法的實現。好在無線HART的mesh型網路可以為節點傳輸提供了多條路徑作為選擇，通過對傳輸路徑的合理選擇可以有效避免在同一時隙內的節點產生通信沖突，使得這一做法能夠實現。本文基于mesh型網絡的拓撲結構，通過為節點安排不產生通信沖突的傳輸路徑以及工作時隙的合理安排，實現了多個路徑通信的并行，充分使用了時隙資源，縮短了網絡總體傳輸時長，降低了網絡傳輸時隙資源的開銷。

1 無線HART簡介

1.1 無線HART網絡組成

無線HART網絡是一種mesh型拓撲結構的無線傳感網絡，主要適用于工業現場檢測、過程控制和資源管理。無線HART網絡主要由以下基本設備組成：（1）網絡管理器。無線HART網路采用集中式網絡管理，網絡中路徑選擇、鏈路調度、超幀分配等工作均由網絡管理器統一負責，是無線 HART網絡的核心設備[12]。（2）網關設備（Gateway，簡稱 GW）負責網絡管理器與用戶的交互，是連接無線HART網絡與用戶主機的橋梁設備。通常網關與網絡管理器集成在一起，統稱網關。（3）節點設備是無線HART網絡的主要組成部分，節點與現場設備相連接，進而實現現場設備與無線HART網絡的交互；節點與節點、節點與網絡管理器之間相互組建通信鏈路，進而形成網狀的網絡拓撲。每個節點設備由網絡管理器為其分配超幀，使用超幀中規定的時隙和信道進行通信。

1.2 無線HART關鍵技術

（1）TDMA技術

無線HART網絡中是一種單工通信網絡，一個時隙（Slot）內僅允許兩個網絡設備共同使用一個信道完成一次收發通信。不允許某個節點在一個時隙內進行多次收發通信操作。每個節點的工作時隙與通信對象均由網絡管理器統一安排。節點在非工作時隙內處于休眠狀態，只有在工作時隙喚醒進行通信。

（2）Mesh型網絡

Mesh型網絡是一種網狀的多跳網絡，mesh網路的特點是每個節點均有復數鄰居，因此使得網絡的拓撲結構十分復雜，但同時也為節點增加了更多的傳輸路徑選擇。復雜多樣的網絡拓撲也使得不同節點的傳輸路徑可以做到不相沖突，為多個節點的并發傳輸提供了可能。

（3）超幀技術

超幀（Superframe）是由一系列時隙和信道共同做成的鏈路調度表。無線 HART 網絡中每一個節點都支持多個超幀，網絡管理者完成超幀的構建和維護，并根據網絡需求進行時隙鏈路的分配[13]。網關維護所有設備的總超幀，每個節點只擁有自己工作需要的超幀，所有節點的超幀可以進行拼接，拼接后即為網絡的總超幀。為了更加直觀，這里采用表格的方式對超幀進行描述，由時隙集合Slots={Slot 0 ,S lot 1 ,… ,S lot n}組成超幀的行，每個Slot為10 ms的時間間隔；由信道集合 C hannel = {C h0,Ch1,… ,C h15}組成超幀的列，其中無線HART的物理層在 2.4 GHz頻段規定了 16個信道為通信所使用。無線HART規定節點在每個時隙所使用的信道需與上一個時隙所使用的不同。每個表格為一個一條單向鏈路Vi→Vj，表示在此時隙內節點Vi使用對應編號的信道發送數據報與節點Vj。對于傳輸路徑L→J→G→C→GW，總超幀可進行如下簡單設置：

表1 超幀示例表Tab.1 S uperframe example table

2 相關研究

到目前為止，針對于無線HART鏈路調度及相關內容的研究相對較少。黨魁[14]提出一種基于全部路徑重傳的無線HART鏈路調度策略，通過路由主路徑及主路徑延伸而出的所有路徑進行重傳設置，保證了傳輸的高可靠性，但對于時隙資源的消耗較多；張盛等[15]基于黨魁所提出的策略進行優化處理，只對主路徑上的鏈路進行重傳設置，降低了部分資源的消耗，但仍需要較多的時隙安排大量的延伸路徑進行傳輸；Zhao J等[16]提出一種基于路由的調度策略，通過鏈路染色的方式有效的使用了時隙資源，但該策略不適用于單工通信的網絡；Zhang X等[17]提出一種基于鏈路染色和編碼的方式調度策略，能夠有效的避免網絡的顯示和隱式沖突，但并沒有考慮時隙資源的開銷；Murthy J等[18]提出一種交叉優化集群無線傳感器網絡能量有效調度策略，不過其側重點在于能耗的優化和能量的有效使用上；Zhang H等[19]通過樹形的網絡拓撲結構，基于啟發式的信道約束方案提出一種延遲最優的匯聚調度，能夠得到具有接近于最優調度的延遲的收斂調度方式，但其方案依賴于樹形的拓撲結構并且對信道的數目有較高的要求；Zhang K等[20]提出一種基于鏈路權重的調度策略，通過節點的接收與產生數據量和發送鏈路的比值并取上限的方式計算每條鏈路的權重，基于鏈路的權重來進行鏈路的調度，但在時隙開銷上還可以做更多改進。

本文在總結了以上各種傳輸策略優缺點的情況下，提出一種基于網絡拓撲結構的低時隙開銷鏈路調度策略，通過對拓撲結構的分析，使得不同節點能夠做到傳輸的并行，有效的使用了每一個時隙資源，使得能夠使用較低的時隙開銷完成對所有節點傳輸路徑的資源分配。

3 網絡結構

3.1 網絡分層

無線HART網絡采用mesh網絡結構，要求單個節點具有復數可選路徑，保證了網絡的魯棒性。但mesh結構比較復雜，不利于路由路徑選擇，且容易出現環路。因此，在進行路由算法之前，需要將原有的mesh結構進行簡化，生成上行鏈路圖。上行鏈路圖是一種所有設備均向上連接至網關的拓撲圖，便于進行節點到網關的傳輸路徑選擇[21]。因為傳輸的時隙開銷是與傳輸路徑的跳數正相關的，因此為了降低網絡的總時隙開銷，應該保證每個節點的傳輸路徑為跳數最短路徑。因此本文依據最短路徑原則，提出如下的分層方法：

（1）網關收集網絡中各節點的鄰居信息，生成初始網絡拓撲圖。

（2）以網關 GW 作為第 0層的唯一節點，將網關的所有鄰居設為第1層的節點。

（3）依據BFS算法，遍歷網絡中的剩余節點。若節點未分層且為上一層節點的鄰居，將其設為下一層的節點，層數遞增，直至所有節點均已分層。

（4）去除同層節點間的鏈路。

（5）從已分層的最大層數節點出發，依層數遞減連接直至到達網絡管理器，形成上行鏈路圖。

圖1中（1）為未分層的網路拓撲結構，（2）為分層后的上行鏈路圖，其中第0層的G代表網關GW。

圖1 網絡分層對比圖Fig.1 Network stratification comparison figure

3.2 沖突避免

TDMA技術通過時隙隔離鏈路，通過跳頻隔離信道，大大減少了沖突產生的可能性，但是并不能完全擺脫沖突。在無線HART網絡中主要存在有兩種沖突。基于單工通信的性質，當某一節點在同一個時隙內既是發送節點又是接收節點時，就會產生沖突，如圖2中（1）所示。當兩個節點在同一時隙內向同一個接收節點發送數據時，也會產生沖突，如圖2中（2）所示。在進行鏈路的調度時應合理安排鏈路的次序并進行沖突監測，避免這兩種情況的出現，做到網絡內部通信無沖突。

圖2 通信沖突示例圖Fig.2 Communication conflict example figure

4 調度策略

4.1 超幀研究

根據無線HART網絡鏈路層的協議內容，超幀中的鏈路調度需要滿足以下條件：

（1）一個時隙內一條鏈路上的一對節點只能在一個信道上進行一次單向收發通信

（2）時隙的分配順序應該遵從實際的通信先后順序

基于以上條件，我們可以得出以下兩個結論：結論1：跳數為L跳的路徑P完成一次傳輸所需分配的超幀時隙數量至少L個。

證明如下：假如L跳的路徑P一次傳輸所需的時隙數量小于L個，那么需要將路徑上部分鏈路的安排提前，這與條件（2）是相沖突的；或者路徑上的某個節點在同一時隙內進行多次收發通信，這是與條件（1）相沖突的。因此 L跳的路徑 P一次傳輸所需的時隙數量不會小于L個，該結論是成立的。

結論2：為N個節點均進行一次與網關傳輸所需分配的超幀時隙數量至少為N個。

證明如下：N個節點均進行一次與網關傳輸需要安排N條傳輸路徑，每條路徑不論其路徑長短均需要在最后一跳完成一次跟網關的通信。因為每條路徑至少為一跳，且最后一跳必為與網關的通信鏈路。而由于條件（1）的約束，網關在一個時隙內也只能完成一次收發通信。因此每條路徑至少需要占用一個時隙，N跳路徑至少需要占用N個時隙。該結論成立。

4.2 調度策略研究

根據結論（2）的內容，N個節點至少需要 N個時隙完成全部節點與網關的通信，因此為了降低總時隙開銷，需要盡可能在N個時隙內安排所有的通信鏈路。同時由結論2的證明過程可知，實現這一做法的主要約束條件是因為網關在一個時隙內只能完成一次收發通信。因此，若要實現在N個時隙內安排所有的通信鏈路，需要盡可能在連續的N個時隙中的每個時隙均分配一條與網關通信的鏈路。為此我們可以使用如下的方法：

為路徑長度相差為1的N個節點，各選擇在N個時隙上的分配不產生沖突的路徑，并在連續的 N個時隙上進行路徑分配。

由該做法選擇圖1中K，I，D，B，4個節點分別安排路徑 K→H→D→A→GW，I→E→B→GW，D→A→GW，B→GW 進行傳輸。其鏈路調度安排如下：

要迎接快速發展的新時期，創新是第一要務。李總表示，松盛自創立以來，就一直沒有停下創新的腳步。在自己投入研發的同時，也關注著行業內的每一項新技術。“創新是物流設備行業的核心。所有的創新，特別是一些顛覆性的技術，可以改變整個行業的業態，給企業帶來更大的經濟效益。“李總指出，松盛在未來大發展中，仍然會把創新作為企業發展策略的核心，會不遺余力地繼續努力，研發新地應用，為客戶帶來更加貼近需求的產品解決方案。

表2 調度策略示例表Tab.2 Scheduling strategy example table

可以看到，因為每個時隙內的鏈路分配都是不沖突的，且每條路徑長度相差為1，因此從起始時隙開始，每個時隙均有分配一次與網關的傳輸鏈路，因此 4個節點只需使用 4個時隙即可完成所有鏈路分配。基于此做法，我們可以得到如下鏈路分配策略。

4.3 調度策略研究描述

LCLSS鏈路分配策略：

1. 初始化超幀，記分配輪數 r ound= 0 ，網絡最大層數為Lm，當前層數 L c= Lm，起始時隙SlotSt=0，標識時隙 L Slot = Slot( L m- 1 )；

2.r ound = r o und + 1

3. 從未分配路徑的節點集合Nodes中選層數為Lc的一個節點Node i。若 r ound=1，則 S lotSt= 0 ；否則 S lotSt = Slot（LS l ot - L c + 2 ）；

4. 若在以節點Node i為起點，GW為終點的所有可選擇路徑中，存在能夠在由SlotSt起的連續的Lc個超幀時隙上進行鏈路分配，且不在當中任一時隙產生沖突的路徑，則為節點 N ode i在該段時隙上分配此路徑上的所有鏈路，并確保每個節點在相鄰時隙所使用的信道不同；否則選擇層數為Lc的其他節點。若該層中所有節點的路徑都不符合上述條件，則選擇產生沖突最少的節點和路徑，并在沖突時隙的后續時隙中選擇可以分配的時隙為產生沖突的鏈路進行時隙分配；

5. 記分配路徑上最后一條鏈路所在時隙為LSloti，若 L Sloti > LSlot，則LSlot = Lsloti，Nodes=Nodes-Nodei，Lc = Lc - 1；

7. 重復2至6步驟直至所有節點均已分配路徑。

根據上述策略可得圖1所示網絡的總超幀，其結果如下所示：

從表3中可以看出，在超幀的每個時隙內均有一次與GW的通信鏈路，且超幀的長度是與網絡中的節點個數相等的，超幀所用的時隙開銷是最少的。

表3 LCLSS 調度策略示例表Tab.3 LCLSS Scheduling strategy example table

5 測試與分析

在該部分中，我們主要通過將本文所提出的LCLSS調度策略與K. Zhang等人所提出的基于鏈路權重的調度策略（WBLSS）進行對比。采用網絡拓撲結構為，每層固定為m個節點，層數為d，網絡每個節點均擁有兩個以上的鄰居，以滿足mesh網絡結構的要求。以下我們分別對m分別取5、10、15個節點的情況下，當d由5增加至15時，對比兩種策略完成所有節點鏈路分配所需使用的超幀的長度，其結果如以下圖中所示：

圖3 m 取5時兩種策略對比圖Fig.3 T wo strategies comparison figure(m=5)

圖4 m 取10時兩種策略對比圖Fig.4 T wo strategies comparison figure(m=10)

圖5 m 取15時兩種策略對比圖Fig.5 T wo strategies comparison figure(m=15)

從以上各圖中可以看出，與 WBLSS調度策略相比，LCLSS在網絡結構層數遞增的情況下，完成所有節點鏈路分配所需要的超幀長度都相較于前者更少。因為在兩種策略中，超幀長度等同于時隙開銷，因此LCLSS所需要的時隙開銷也更少。這得益于復雜網絡結構所提供的鏈路多樣性，使得在鏈路的安排上能夠使得多條不同路徑在時間上并行傳輸，每個時隙資源都能夠的到充分利用的緣故。

本文選用如下所示公式（1）來計算網絡的吞吐量：

其中ns為需要超幀所需傳輸的數據包總量；N為超幀的長度。在以上三種情況下，對比 WBLSS調度策略，LCLSS調度策略的吞吐量都要高于前者。

通過對比可以看出，本文所提出的LCLSS調度策略在降低超幀的時隙開銷上相較WBLSS調度策略更有優勢，能夠充分利用時隙資源，合理安排每條路徑上的鏈路，從而達到降低傳輸時隙開銷的效果。

6 結論

針對無線 HART網絡復雜的網絡結構和基于TDMA技術的單工通信要求，本文基于網絡的拓撲結構，通過對各節點路徑的合理選擇，使得擁有不同路徑的節點能夠做到傳輸的并行，有效的利用了網絡的傳輸機制，充分的利用了超幀時隙資源。在保證每個節點擁有傳輸路徑的情況下，使用較低的時隙資源開銷完成了每個節點與網絡的傳輸通信。測試結果表明，本文在確保每個節點與網關能夠進行傳輸的情況下，有效的利用了時隙資源，降低了網絡傳輸所需要的時隙開銷。

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