0 引言

    無線HART是第一個(gè)開放式的工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)，用于滿足過程工業(yè)應(yīng)用中可靠、穩(wěn)定和安全的無線通信的關(guān)鍵需求。無線HART是一個(gè)集中管理的MESH網(wǎng)絡(luò)，它建立在IEEE 802.15.4物理層標(biāo)準(zhǔn)上，附加了自有的數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議，在MAC層采用帶有跳頻的TDMA調(diào)度方法，保證系統(tǒng)的可靠性^[1]。

    無線HART網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)鏈路層采用TDMA機(jī)制，無線HART網(wǎng)絡(luò)中的通信資源調(diào)度成為影響網(wǎng)絡(luò)通信性能的重要因素。 

1 無線HART資源調(diào)度策略研究現(xiàn)狀

    無線HART成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)后，一些學(xué)者提出了一些基于無線HART網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度方法。SAIFULLAH A提出的實(shí)時(shí)調(diào)度算法支持實(shí)時(shí)反饋閉環(huán)控制，但是只完成了仿真工作，并沒有實(shí)際的應(yīng)用報(bào)告^[2]；FANG M等提出了一種基于分層思想的調(diào)度算法，但時(shí)隙的分配中沒有考慮節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)更新速率^[3]；ZHANG H等提出了基于時(shí)隙數(shù)和信道數(shù)最優(yōu)的資源調(diào)度算法，但該算法僅僅是針對于線性網(wǎng)絡(luò)和樹狀網(wǎng)絡(luò)^[4-5]；董利達(dá)等提出了基于雙樹結(jié)構(gòu)資源調(diào)度策略，給出了資源添加和刪除算法，但該算法只適合雙樹結(jié)構(gòu)和層數(shù)固定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?sup>[6]；張盛等提出了無線HART網(wǎng)絡(luò)中的高可靠資源分配策略，基于資源分配的次序，降低傳輸延時(shí)，但該算法沒有考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率的多變性以及資源類型的差異^[7]。上述算法都沒有考慮節(jié)點(diǎn)更新速率的不同，同時(shí)在時(shí)隙的選擇中，采用連續(xù)順序選擇的方法（即第一條路徑選擇時(shí)隙1，第2條路徑選擇時(shí)隙2），通信易受突發(fā)干擾的影響。本文依據(jù)現(xiàn)有的研究狀況，針對無線HART超幀資源的不同類型和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率不同，提出資源分配算法。對無線HART網(wǎng)絡(luò)中同一節(jié)點(diǎn)的下一跳路徑（無線HART圖路由要求每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都至少有兩條下一跳路徑）在超幀中均勻分配時(shí)隙，增強(qiáng)對干擾信號的抗干擾能力。

2 無線HART通信資源和超幀

    無線HART網(wǎng)絡(luò)的通信資源包括以下幾種類型：加入（JOIN）、廣告(ADVERTISE)、發(fā)現(xiàn)（DISCOVERY）、廣播（BROADCAST）和通用（NORMAL）。加入和廣告包用于節(jié)點(diǎn)加入; 發(fā)現(xiàn)型資源用于搜索新鄰居和保持與時(shí)間源設(shè)備之間的聯(lián)系；廣播資源用于廣播信息; 通用型資源則用于一般的數(shù)據(jù)傳遞。

    在無線HART網(wǎng)絡(luò)中，通信資源的調(diào)度是以超幀為單位，超幀是一個(gè)由若干時(shí)隙組成的循環(huán)周期。無線HART規(guī)范支持多信道調(diào)度即支持16個(gè)信道，大大提高了通信帶寬的利用率。

    無線HART的超幀可分為管理超幀和數(shù)據(jù)超幀，管理超幀主要負(fù)責(zé)加入、廣告、發(fā)現(xiàn)和廣播類型資源及通用類型中的下行資源，數(shù)據(jù)超幀負(fù)責(zé)上行資源。數(shù)據(jù)超幀長度由節(jié)點(diǎn)通信速率決定，支持更新速率為2ⁿ s，其中n為正整數(shù)或負(fù)整數(shù),文中支持的最快更新數(shù)率為4 s，最慢更新數(shù)率為16 s(慢于16 s按照16 s更新)。論文使用一個(gè)數(shù)據(jù)超幀(長度為1 600個(gè)時(shí)隙)和兩個(gè)管理超幀，一個(gè)長度為200個(gè)時(shí)隙(加入和廣告類型資源)，另一個(gè)為400個(gè)時(shí)隙(廣播和下行的通用類型資源)。

3 調(diào)度算法及實(shí)現(xiàn)

3.1 資源調(diào)度算法中的沖突

    無線HART網(wǎng)絡(luò)中對時(shí)隙和信道的分配存在著兩種類型的沖突：顯式?jīng)_突和隱式?jīng)_突。若一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)存在一個(gè)發(fā)送鏈接和一個(gè)接收鏈接，則屬于顯式?jīng)_突，可以給兩種鏈接分配不同的時(shí)隙；而相鄰鏈接之間的干擾屬于隱式?jīng)_突，分配同一個(gè)時(shí)隙不同信道，如圖1中節(jié)點(diǎn)2→1和9→6所示，如果2和9同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，2和6互為鄰居，則2會(huì)對6造成干擾。在實(shí)際的資源調(diào)度算法中，根據(jù)不同的資源類型，對沖突的解決作了不同的定義。若通用資源和廣播類型資源的起點(diǎn)和終點(diǎn)都不同，則使用同一個(gè)時(shí)隙不同信道，否則分配不同時(shí)隙。若加入資源接收地址不同，廣告類型資源發(fā)送地址不同，則使用同一個(gè)時(shí)隙不同信道，否則分配不同時(shí)隙。

3.2 資源調(diào)度算法軟件實(shí)現(xiàn)

    無線HART的管理超幀（兩種）和數(shù)據(jù)超幀的長度不同，無線HART的資源在這三種超幀上分配，但是這三種超幀都是在同一時(shí)間上運(yùn)行，因此在資源分配時(shí)還要考慮以下兩個(gè)問題：(1)在同一個(gè)時(shí)隙上，每種超幀既不能與同超幀類型資源沖突，也不能與其他超幀沖突；(2)由于三種超幀的更新時(shí)間不同，更新速率快的超幀在處理與更新速率慢的超幀的沖突時(shí)，不僅考慮相同時(shí)隙的沖突，還要考慮相應(yīng)倍數(shù)時(shí)隙的資源沖突，如加入資源超幀長度為200個(gè)，在相對時(shí)隙數(shù)為10的位置處考慮與數(shù)據(jù)超幀的沖突時(shí)，既要考慮時(shí)隙數(shù)為10處的資源，還要考慮相對時(shí)隙數(shù)為210、410、610等處是否有資源沖突（數(shù)據(jù)超幀）。為解決以上問題，文中對于通信資源分配，統(tǒng)一在最長的超幀（數(shù)據(jù)超幀）上對各種類型的資源分配，之后再分配到對應(yīng)的超幀中。下面詳述資源調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)過程。

    無線HART資源調(diào)度算法的軟件實(shí)現(xiàn)主要由超幀初始化、節(jié)點(diǎn)信息獲取、路由算法實(shí)現(xiàn)、管理超幀資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)超幀資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)等部分組成，下面對各部分作詳細(xì)說明。

    (1)超幀初始化

    實(shí)現(xiàn)對管理超幀和數(shù)據(jù)超幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化，數(shù)據(jù)超幀的長度為1 600，管理超幀1長度為200個(gè)（加入和廣告類型），管理超幀2長度為400個(gè)（廣播和下行數(shù)據(jù)類型），在初始化中，還分配了網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的加入、廣告、發(fā)現(xiàn)和廣播類型資源。

    (2)節(jié)點(diǎn)信息獲取

    獲取節(jié)點(diǎn)信息和鄰居信息。

    (3)路由算法實(shí)現(xiàn)

    根據(jù)節(jié)點(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的圖路由和源路由算法，本文采用了文獻(xiàn)[8]的算法。

    (4)管理超幀資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)

    管理超幀資源分配算法過程如下：

    ①輸入資源類型和超幀長度length，加入和廣告類型length=200，廣播和下行數(shù)據(jù)類型length=400；

    ②下行數(shù)據(jù)類型資源，根據(jù)源路由得到相應(yīng)的路徑，對每條路徑調(diào)用資源搜索子算法，其他類型資源直接調(diào)用資源搜索子算法。

    ③調(diào)用資源分配子算法，設(shè)i=1，no=0，△=1。

    資源搜索子算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

    步驟a：對需要分配資源的節(jié)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)超幀的第i個(gè)時(shí)隙的16個(gè)信道做資源沖突檢測(各類資源沖突檢測規(guī)則詳見3.1節(jié))，如果有沖突，轉(zhuǎn)到步驟d，否則執(zhí)行步驟b；

    步驟b：j=i+length×k(k=1~(1 600/length-1))，分別對應(yīng)不同的j值，在數(shù)據(jù)超幀的第j個(gè)時(shí)隙的16個(gè)信道做資源沖突檢測，如果有沖突，轉(zhuǎn)到步驟d，否則執(zhí)行步驟c；

    步驟c：在數(shù)據(jù)超幀的第i個(gè)時(shí)隙，檢測是否有空閑信道，有則該節(jié)點(diǎn)在i時(shí)隙空閑信道分配相應(yīng)類型資源，在數(shù)據(jù)超幀第i和j個(gè)時(shí)隙和相應(yīng)管理超理超幀(如果是管理超幀分配)第i個(gè)時(shí)隙中記錄發(fā)送地址，接收地址和資源類型，退出，資源分配成功，否則轉(zhuǎn)到步驟d；

    步驟d：no=no+1；i=i+△，如果no≥length，資源分配失敗，退出，否則轉(zhuǎn)到步驟a。

    (5)數(shù)據(jù)超幀資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)

    數(shù)據(jù)超幀分配上行圖路由數(shù)據(jù)，對于圖路由，源節(jié)點(diǎn)及每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)都有兩條到下一跳節(jié)點(diǎn)的路徑，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，文中對于一個(gè)節(jié)點(diǎn)的兩條上行路徑，其資源分配的時(shí)隙間隔盡量大。數(shù)據(jù)超幀資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)過程如下：

    ①根據(jù)圖路由，計(jì)算從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的經(jīng)過節(jié)點(diǎn)和路徑（這部分算法不屬于本文范圍之內(nèi)）；

    ②對所有路徑和節(jié)點(diǎn)分配資源；

    ③i=1，no=0，△=1，length=T×100(T為數(shù)據(jù)更新時(shí)間，單位s)，調(diào)用資源搜索子算法，得到第一條路徑資源；

    ④i=(L+length/2)%length(L為第一條路徑的時(shí)隙值)，no=0，△=(-1)×no，調(diào)用調(diào)用資源搜索子算法，得到第二條路徑資源。

3.3 算法實(shí)例驗(yàn)證

    選取圖1所示的無線HART網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)1為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，2～11為現(xiàn)場設(shè)備，數(shù)據(jù)更新速率為16 s，應(yīng)用資源調(diào)度算法，得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源分配表，文中只選取了前20個(gè)時(shí)隙的資源分配表，見表1和表2，其中時(shí)隙0為全網(wǎng)發(fā)現(xiàn)時(shí)隙，d表示下行，u表示上行，a表示廣告，j表示加入，b表示廣播，*表示多節(jié)點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 建立實(shí)驗(yàn)環(huán)境

    為驗(yàn)證資源調(diào)度算法，搭建無線HART網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，包括網(wǎng)絡(luò)管理器、接入點(diǎn)和現(xiàn)場設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)管理者在計(jì)算機(jī)上Linux環(huán)境下完成，AP和現(xiàn)場設(shè)備使用飛思卡爾的MC13224無線模塊。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    (1)在無干擾情況下，分別使用5、10、15、20和25個(gè)現(xiàn)場設(shè)備，使用4 s的更新速率和可變速率(從4 s～16 s)，應(yīng)用文中算法，節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù)，實(shí)測端到端的單向數(shù)據(jù)傳送成功率，端對端不設(shè)重傳，結(jié)果如圖2所示，說明在變速率節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳的情況下，算法保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定上傳。

    (2)在加干擾情況下，分別使用5、10、15、20和25個(gè)現(xiàn)場設(shè)備，在時(shí)隙分配中一種選擇同一節(jié)點(diǎn)的上行兩條路徑的時(shí)隙間隔盡量大(方案1)，另一種順序選擇時(shí)隙(方案2)，數(shù)據(jù)更新速率都為固定的16 s，從節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù)，加入干擾信號，然后實(shí)測端到端的單向數(shù)據(jù)傳送成功率，端對端不設(shè)重傳，得到如圖3所示的結(jié)果。從結(jié)果可以看出，方案1的成功率要高于方案2，說明文中使用的算法提高了節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)的抗擾性。

5 結(jié)論

    目前無線HART網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度算法研究主要應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)更新速率固定的場合，本文提出了一種針對于節(jié)點(diǎn)變速率上傳數(shù)據(jù)的資源分配算法，對無線HART網(wǎng)絡(luò)中同一節(jié)點(diǎn)的下一跳路徑在超幀中均勻分配時(shí)隙，增強(qiáng)對干擾信號的抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，算法實(shí)現(xiàn)了無線HART網(wǎng)絡(luò)變速率節(jié)點(diǎn)的資源分配，并提高了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目箶_性。

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