一種低時隙開銷無線HART鏈路調(diào)度策略

武 峰

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

無線HART是一個開放式的用于工業(yè)測量和控制領(lǐng)域的無線通信標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，是現(xiàn)階段與工業(yè)需求最為契合的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。目前，關(guān)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)及其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有了廣泛研究[3-8]。無線HART技術(shù)的許多特性保證其在工業(yè)環(huán)境中提供可靠的數(shù)據(jù)通信，因而在過程監(jiān)測和控制領(lǐng)域的采用和部署方面起到了重要作用[9]。其中mesh型網(wǎng)絡(luò)和基于 TDMA的超幀技術(shù)是保證其通信實(shí)時可靠的重要手段[10-11]。Mesh網(wǎng)絡(luò)保證了傳輸路徑選擇的多樣性，超幀技術(shù)通過對通信資源的合理安排有效避免了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部沖突。超幀可以通過為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分配工作時隙，節(jié)點(diǎn)在其分配的工作時隙中喚醒來進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和傳輸，在非工作時隙進(jìn)入睡眠模式以節(jié)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(nèi)安排多個節(jié)點(diǎn)同工作可以有效的減少網(wǎng)絡(luò)的總體工作時長，提高網(wǎng)絡(luò)的工作效率，降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸時隙開銷，但無線HART的單工通信的性質(zhì)不利于這一做法的實(shí)現(xiàn)。好在無線HART的mesh型網(wǎng)路可以為節(jié)點(diǎn)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(nèi)的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生通信沖突，使得這一做法能夠?qū)崿F(xiàn)。本文基于mesh型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過為節(jié)點(diǎn)安排不產(chǎn)生通信沖突的傳輸路徑以及工作時隙的合理安排，實(shí)現(xiàn)了多個路徑通信的并行，充分使用了時隙資源，縮短了網(wǎng)絡(luò)總體傳輸時長，降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸時隙資源的開銷。

1 無線HART簡介

1.1 無線HART網(wǎng)絡(luò)組成

無線HART網(wǎng)絡(luò)是一種mesh型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，主要適用于工業(yè)現(xiàn)場檢測、過程控制和資源管理。無線HART網(wǎng)絡(luò)主要由以下基本設(shè)備組成：（1）網(wǎng)絡(luò)管理器。無線HART網(wǎng)路采用集中式網(wǎng)絡(luò)管理，網(wǎng)絡(luò)中路徑選擇、鏈路調(diào)度、超幀分配等工作均由網(wǎng)絡(luò)管理器統(tǒng)一負(fù)責(zé)，是無線 HART網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備[12]。（2）網(wǎng)關(guān)設(shè)備（Gateway，簡稱 GW）負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理器與用戶的交互，是連接無線HART網(wǎng)絡(luò)與用戶主機(jī)的橋梁設(shè)備。通常網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)管理器集成在一起，統(tǒng)稱網(wǎng)關(guān)。（3）節(jié)點(diǎn)設(shè)備是無線HART網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場設(shè)備相連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與無線HART網(wǎng)絡(luò)的交互；節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)管理器之間相互組建通信鏈路，進(jìn)而形成網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｃ總€節(jié)點(diǎn)設(shè)備由網(wǎng)絡(luò)管理器為其分配超幀，使用超幀中規(guī)定的時隙和信道進(jìn)行通信。

1.2 無線HART關(guān)鍵技術(shù)

（1）TDMA技術(shù)

無線HART網(wǎng)絡(luò)中是一種單工通信網(wǎng)絡(luò)，一個時隙（Slot）內(nèi)僅允許兩個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共同使用一個信道完成一次收發(fā)通信。不允許某個節(jié)點(diǎn)在一個時隙內(nèi)進(jìn)行多次收發(fā)通信操作。每個節(jié)點(diǎn)的工作時隙與通信對象均由網(wǎng)絡(luò)管理器統(tǒng)一安排。節(jié)點(diǎn)在非工作時隙內(nèi)處于休眠狀態(tài)，只有在工作時隙喚醒進(jìn)行通信。

（2）Mesh型網(wǎng)絡(luò)

Mesh型網(wǎng)絡(luò)是一種網(wǎng)狀的多跳網(wǎng)絡(luò)，mesh網(wǎng)路的特點(diǎn)是每個節(jié)點(diǎn)均有復(fù)數(shù)鄰居，因此使得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但同時也為節(jié)點(diǎn)增加了更多的傳輸路徑選擇。復(fù)雜多樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟彩沟貌煌?jié)點(diǎn)的傳輸路徑可以做到不相沖突，為多個節(jié)點(diǎn)的并發(fā)傳輸提供了可能。

（3）超幀技術(shù)

超幀（Superframe）是由一系列時隙和信道共同做成的鏈路調(diào)度表。無線 HART 網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點(diǎn)都支持多個超幀，網(wǎng)絡(luò)管理者完成超幀的構(gòu)建和維護(hù)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)行時隙鏈路的分配[13]。網(wǎng)關(guān)維護(hù)所有設(shè)備的總超幀，每個節(jié)點(diǎn)只擁有自己工作需要的超幀，所有節(jié)點(diǎn)的超幀可以進(jìn)行拼接，拼接后即為網(wǎng)絡(luò)的總超幀。為了更加直觀，這里采用表格的方式對超幀進(jìn)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(guī)定了 16個信道為通信所使用。無線HART規(guī)定節(jié)點(diǎn)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(nèi)節(jié)點(diǎn)Vi使用對應(yīng)編號的信道發(fā)送數(shù)據(jù)報與節(jié)點(diǎn)Vj。對于傳輸路徑L→J→G→C→GW，總超幀可進(jìn)行如下簡單設(shè)置：

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

2 相關(guān)研究

到目前為止，針對于無線HART鏈路調(diào)度及相關(guān)內(nèi)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(diào)度策略，通過路由主路徑及主路徑延伸而出的所有路徑進(jìn)行重傳設(shè)置，保證了傳輸?shù)母呖煽啃裕珜τ跁r隙資源的消耗較多；張盛等[15]基于黨魁所提出的策略進(jìn)行優(yōu)化處理，只對主路徑上的鏈路進(jìn)行重傳設(shè)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(jìn)行傳輸；Zhao J等[16]提出一種基于路由的調(diào)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(wǎng)絡(luò)；Zhang X等[17]提出一種基于鏈路染色和編碼的方式調(diào)度策略，能夠有效的避免網(wǎng)絡(luò)的顯示和隱式?jīng)_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(yōu)化集群無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效調(diào)度策略，不過其側(cè)重點(diǎn)在于能耗的優(yōu)化和能量的有效使用上；Zhang H等[19]通過樹形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于啟發(fā)式的信道約束方案提出一種延遲最優(yōu)的匯聚調(diào)度，能夠得到具有接近于最優(yōu)調(diào)度的延遲的收斂調(diào)度方式，但其方案依賴于樹形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并且對信道的數(shù)目有較高的要求；Zhang K等[20]提出一種基于鏈路權(quán)重的調(diào)度策略，通過節(jié)點(diǎn)的接收與產(chǎn)生數(shù)據(jù)量和發(fā)送鏈路的比值并取上限的方式計(jì)算每條鏈路的權(quán)重，基于鏈路的權(quán)重來進(jìn)行鏈路的調(diào)度，但在時隙開銷上還可以做更多改進(jìn)。

本文在總結(jié)了以上各種傳輸策略優(yōu)缺點(diǎn)的情況下，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低時隙開銷鏈路調(diào)度策略，通過對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，使得不同節(jié)點(diǎn)能夠做到傳輸?shù)牟⑿校行У氖褂昧嗣恳粋€時隙資源，使得能夠使用較低的時隙開銷完成對所有節(jié)點(diǎn)傳輸路徑的資源分配。

3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.1 網(wǎng)絡(luò)分層

無線HART網(wǎng)絡(luò)采用mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，要求單個節(jié)點(diǎn)具有復(fù)數(shù)可選路徑，保證了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。但mesh結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于路由路徑選擇，且容易出現(xiàn)環(huán)路。因此，在進(jìn)行路由算法之前，需要將原有的mesh結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，生成上行鏈路圖。上行鏈路圖是一種所有設(shè)備均向上連接至網(wǎng)關(guān)的拓?fù)鋱D，便于進(jìn)行節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的傳輸路徑選擇[21]。因?yàn)閭鬏數(shù)臅r隙開銷是與傳輸路徑的跳數(shù)正相關(guān)的，因此為了降低網(wǎng)絡(luò)的總時隙開銷，應(yīng)該保證每個節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑為跳數(shù)最短路徑。因此本文依據(jù)最短路徑原則，提出如下的分層方法：

（1）網(wǎng)關(guān)收集網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的鄰居信息，生成初始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

（2）以網(wǎng)關(guān) GW 作為第 0層的唯一節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)關(guān)的所有鄰居設(shè)為第1層的節(jié)點(diǎn)。

（3）依據(jù)BFS算法，遍歷網(wǎng)絡(luò)中的剩余節(jié)點(diǎn)。若節(jié)點(diǎn)未分層且為上一層節(jié)點(diǎn)的鄰居，將其設(shè)為下一層的節(jié)點(diǎn)，層數(shù)遞增，直至所有節(jié)點(diǎn)均已分層。

（4）去除同層節(jié)點(diǎn)間的鏈路。

（5）從已分層的最大層數(shù)節(jié)點(diǎn)出發(fā)，依層數(shù)遞減連接直至到達(dá)網(wǎng)絡(luò)管理器，形成上行鏈路圖。

圖1中（1）為未分層的網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，（2）為分層后的上行鏈路圖，其中第0層的G代表網(wǎng)關(guān)GW。

圖1 網(wǎng)絡(luò)分層對比圖Fig.1 Network stratification comparison figure

3.2 沖突避免

TDMA技術(shù)通過時隙隔離鏈路，通過跳頻隔離信道，大大減少了沖突產(chǎn)生的可能性，但是并不能完全擺脫沖突。在無線HART網(wǎng)絡(luò)中主要存在有兩種沖突。基于單工通信的性質(zhì)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)在同一個時隙內(nèi)既是發(fā)送節(jié)點(diǎn)又是接收節(jié)點(diǎn)時，就會產(chǎn)生沖突，如圖2中（1）所示。當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)在同一時隙內(nèi)向同一個接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，也會產(chǎn)生沖突，如圖2中（2）所示。在進(jìn)行鏈路的調(diào)度時應(yīng)合理安排鏈路的次序并進(jìn)行沖突監(jiān)測，避免這兩種情況的出現(xiàn)，做到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信無沖突。

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

4 調(diào)度策略

4.1 超幀研究

根據(jù)無線HART網(wǎng)絡(luò)鏈路層的協(xié)議內(nèi)容，超幀中的鏈路調(diào)度需要滿足以下條件：

（1）一個時隙內(nèi)一條鏈路上的一對節(jié)點(diǎn)只能在一個信道上進(jìn)行一次單向收發(fā)通信

（2）時隙的分配順序應(yīng)該遵從實(shí)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(jié)論：結(jié)論1：跳數(shù)為L跳的路徑P完成一次傳輸所需分配的超幀時隙數(shù)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(shù)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(jié)點(diǎn)在同一時隙內(nèi)進(jìn)行多次收發(fā)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(shù)量不會小于L個，該結(jié)論是成立的。

結(jié)論2：為N個節(jié)點(diǎn)均進(jìn)行一次與網(wǎng)關(guān)傳輸所需分配的超幀時隙數(shù)量至少為N個。

證明如下：N個節(jié)點(diǎn)均進(jìn)行一次與網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)的通信。因?yàn)槊織l路徑至少為一跳，且最后一跳必為與網(wǎng)關(guān)的通信鏈路。而由于條件（1）的約束，網(wǎng)關(guān)在一個時隙內(nèi)也只能完成一次收發(fā)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(jié)論成立。

4.2 調(diào)度策略研究

根據(jù)結(jié)論（2）的內(nèi)容，N個節(jié)點(diǎn)至少需要 N個時隙完成全部節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)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(nèi)安排所有的通信鏈路。同時由結(jié)論2的證明過程可知，實(shí)現(xiàn)這一做法的主要約束條件是因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)在一個時隙內(nèi)只能完成一次收發(fā)通信。因此，若要實(shí)現(xiàn)在N個時隙內(nèi)安排所有的通信鏈路，需要盡可能在連續(xù)的N個時隙中的每個時隙均分配一條與網(wǎng)關(guān)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(jié)點(diǎn)，各選擇在N個時隙上的分配不產(chǎn)生沖突的路徑，并在連續(xù)的 N個時隙上進(jìn)行路徑分配。

由該做法選擇圖1中K，I，D，B，4個節(jié)點(diǎn)分別安排路徑 K→H→D→A→GW，I→E→B→GW，D→A→GW，B→GW 進(jìn)行傳輸。其鏈路調(diào)度安排如下：

要迎接快速發(fā)展的新時期，創(chuàng)新是第一要務(wù)。李總表示，松盛自創(chuàng)立以來，就一直沒有停下創(chuàng)新的腳步。在自己投入研發(fā)的同時，也關(guān)注著行業(yè)內(nèi)的每一項(xiàng)新技術(shù)。“創(chuàng)新是物流設(shè)備行業(yè)的核心。所有的創(chuàng)新，特別是一些顛覆性的技術(shù)，可以改變整個行業(yè)的業(yè)態(tài)，給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。“李總指出，松盛在未來大發(fā)展中，仍然會把創(chuàng)新作為企業(yè)發(fā)展策略的核心，會不遺余力地繼續(xù)努力，研發(fā)新地應(yīng)用，為客戶帶來更加貼近需求的產(chǎn)品解決方案。

表2 調(diào)度策略示例表Tab.2 Scheduling strategy example table

可以看到，因?yàn)槊總€時隙內(nèi)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(wǎng)關(guān)的傳輸鏈路，因此 4個節(jié)點(diǎn)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(diào)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(shù) r ound= 0 ，網(wǎng)絡(luò)最大層數(shù)為Lm，當(dāng)前層數(shù) L c= Lm，起始時隙SlotSt=0，標(biāo)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(jié)點(diǎn)集合Nodes中選層數(shù)為Lc的一個節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)Node i為起點(diǎn)，GW為終點(diǎn)的所有可選擇路徑中，存在能夠在由SlotSt起的連續(xù)的Lc個超幀時隙上進(jìn)行鏈路分配，且不在當(dāng)中任一時隙產(chǎn)生沖突的路徑，則為節(jié)點(diǎn) 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(jié)點(diǎn)在相鄰時隙所使用的信道不同；否則選擇層數(shù)為Lc的其他節(jié)點(diǎn)。若該層中所有節(jié)點(diǎn)的路徑都不符合上述條件，則選擇產(chǎn)生沖突最少的節(jié)點(diǎn)和路徑，并在沖突時隙的后續(xù)時隙中選擇可以分配的時隙為產(chǎn)生沖突的鏈路進(jìn)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(fù)2至6步驟直至所有節(jié)點(diǎn)均已分配路徑。

根據(jù)上述策略可得圖1所示網(wǎng)絡(luò)的總超幀，其結(jié)果如下所示：

從表3中可以看出，在超幀的每個時隙內(nèi)均有一次與GW的通信鏈路，且超幀的長度是與網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個數(shù)相等的，超幀所用的時隙開銷是最少的。

表3 LCLSS 調(diào)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(diào)度策略與K. Zhang等人所提出的基于鏈路權(quán)重的調(diào)度策略（WBLSS）進(jìn)行對比。采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為，每層固定為m個節(jié)點(diǎn)，層數(shù)為d，網(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點(diǎn)均擁有兩個以上的鄰居，以滿足mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的要求。以下我們分別對m分別取5、10、15個節(jié)點(diǎn)的情況下，當(dāng)d由5增加至15時，對比兩種策略完成所有節(jié)點(diǎn)鏈路分配所需使用的超幀的長度，其結(jié)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(diào)度策略相比，LCLSS在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層數(shù)遞增的情況下，完成所有節(jié)點(diǎn)鏈路分配所需要的超幀長度都相較于前者更少。因?yàn)樵趦煞N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(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jì)算網(wǎng)絡(luò)的吞吐量：

其中ns為需要超幀所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總量；N為超幀的長度。在以上三種情況下，對比 WBLSS調(diào)度策略，LCLSS調(diào)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(diào)度策略在降低超幀的時隙開銷上相較WBLSS調(diào)度策略更有優(yōu)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(dá)到降低傳輸時隙開銷的效果。

6 結(jié)論

針對無線 HART網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和基于TDMA技術(shù)的單工通信要求，本文基于網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過對各節(jié)點(diǎn)路徑的合理選擇，使得擁有不同路徑的節(jié)點(diǎn)能夠做到傳輸?shù)牟⑿校行У睦昧司W(wǎng)絡(luò)的傳輸機(jī)制，充分的利用了超幀時隙資源。在保證每個節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的傳輸通信。測試結(jié)果表明，本文在確保每個節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)能夠進(jìn)行傳輸?shù)那闆r下，有效的利用了時隙資源，降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸所需要的時隙開銷。

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