一種適用于wia-pa網(wǎng)絡(luò)的信道和時(shí)隙調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的信道和時(shí)隙調(diào)度方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種適用于工業(yè)場(chǎng)景下的無線通信技術(shù)，結(jié)合了傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化和無線通信技術(shù)，是工業(yè)控制領(lǐng)域新的發(fā)展方向。工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、能耗低、容易部署、靈活性高等技術(shù)特點(diǎn)，滿足工業(yè)場(chǎng)景下對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，解決了傳統(tǒng)有線傳感器網(wǎng)絡(luò)中安裝布線困難、安裝成本高、靈活性低和維護(hù)工作復(fù)雜等問題。通過工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)場(chǎng)景下整體節(jié)能降耗目的的主要技術(shù)手段之一。針對(duì)工業(yè)無線技術(shù)良好的發(fā)展趨勢(shì)，目前在工業(yè)無線中共制定了三大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，分別為ISA100.11a、WirelessHart 和 WIA-PA。
[0003]WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)通過了國(guó)際電工委員會(huì)的批準(zhǔn)，WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)正式成為IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，這標(biāo)志著我國(guó)在工業(yè)無線通信領(lǐng)域處于世界的前列。WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的過程控制和性能檢測(cè)，具有高實(shí)時(shí)性、高可靠性和抗干擾能力強(qiáng)等技術(shù)特點(diǎn)。
[0004]WIA-PA網(wǎng)絡(luò)是以CSMA和TDMA相結(jié)合的方式采用時(shí)隙通信，時(shí)隙通信的關(guān)鍵是幀的傳輸要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，即幀要在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)傳輸，不能延遲。因此，需要對(duì)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的信道和時(shí)隙進(jìn)行調(diào)度，安排網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的每個(gè)時(shí)隙上的動(dòng)作，使WIA-PA網(wǎng)絡(luò)能夠正常的運(yùn)行。在WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)中沒有信道和時(shí)隙的調(diào)度方法，因此，需要制定適用于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度規(guī)則以及符合調(diào)度規(guī)則的調(diào)度方法，完成對(duì)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中信道和時(shí)隙的調(diào)度。
[0005]本發(fā)明提出一種適用于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的信道和時(shí)隙調(diào)度方法，能夠有效地對(duì)信道和時(shí)隙進(jìn)行調(diào)度，滿足WIA-PA網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙通信的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題為，WIA-PA網(wǎng)絡(luò)是時(shí)隙通信，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的信道和時(shí)隙進(jìn)行調(diào)度，針對(duì)現(xiàn)有WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)中沒有對(duì)信道和時(shí)隙的調(diào)度方法做出規(guī)定，本發(fā)明的目的在于提出一種滿足WIA-PA網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙通信的需要，滿足網(wǎng)絡(luò)中所有幀的傳輸?shù)男诺篮蜁r(shí)隙調(diào)度方法，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種適用于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的信道和時(shí)隙調(diào)度方法，其包括以下步驟:
[0007]101、設(shè)定適用于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度規(guī)則，調(diào)度規(guī)則包括獲取WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的已知條件、硬性條件和調(diào)度優(yōu)先級(jí)；所述獲取WIA-PA網(wǎng)絡(luò)已知條件包括:a.獲取WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的簇首和每個(gè)路由設(shè)備的父節(jié)點(diǎn)；b.獲取每個(gè)路由設(shè)備到網(wǎng)關(guān)設(shè)備的最優(yōu)路徑和網(wǎng)關(guān)設(shè)備到每個(gè)路由設(shè)備的最優(yōu)路徑；c.獲取WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)更新周期；d.獲取WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前的跳信道序列；
[0008]102、確定超幀階段:根據(jù)步驟101中確定的調(diào)度規(guī)則的硬性條件確定WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的超幀長(zhǎng)度；
[0009]103、信標(biāo)階段:步驟102完成后，從絕對(duì)時(shí)隙O開始安排網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備在每個(gè)時(shí)隙上的動(dòng)作，主要分為以下幾個(gè)步驟:A1.絕對(duì)時(shí)隙O安排網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送信標(biāo)幀的一跳路徑，監(jiān)聽網(wǎng)關(guān)設(shè)備信標(biāo)幀的設(shè)備在此時(shí)隙安排接收信標(biāo)幀的一跳路徑；A2.對(duì)于步驟Al中完成安排接收信標(biāo)幀的路由設(shè)備，在后續(xù)的絕對(duì)時(shí)隙中找到可用時(shí)隙安排發(fā)送信標(biāo)幀的一跳路徑；A3.以步驟A2中的路由設(shè)備為父節(jié)點(diǎn)的設(shè)備，在其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)幀的時(shí)隙安排接收信標(biāo)幀的一跳路徑；A4.以此類推，直到安排完所有設(shè)備的信標(biāo)幀；A5.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成安排接收信標(biāo)幀的一跳路徑后結(jié)束此階段的安排，轉(zhuǎn)至步驟104 ;
[0010]104、進(jìn)行CAP競(jìng)爭(zhēng)訪問階段，安排新設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的路徑包括以下步驟:
[0011]B1、根據(jù)步驟101中確定的調(diào)度優(yōu)先級(jí)中路由設(shè)備的順序，依次選取路由設(shè)備循環(huán)執(zhí)行以下步驟；B2、從路由設(shè)備發(fā)送信標(biāo)幀的絕對(duì)時(shí)隙開始，在后續(xù)時(shí)隙中選取可用的時(shí)隙安排一跳路徑，用于接收新設(shè)備的加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求；B3、已知路由設(shè)備到網(wǎng)關(guān)設(shè)備的最優(yōu)路徑，繼續(xù)安排此多跳路徑，用于轉(zhuǎn)發(fā)加入請(qǐng)求到網(wǎng)關(guān)設(shè)備；B4、已知網(wǎng)關(guān)設(shè)備到此路由設(shè)備的最優(yōu)路徑，繼續(xù)安排此多跳路徑，用于發(fā)送加入響應(yīng)到此路由設(shè)備；B5、繼續(xù)在后續(xù)時(shí)隙中選取可用的時(shí)隙安排一跳路徑，用于向新設(shè)備發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)；
[0012]執(zhí)行完上述步驟后繼續(xù)在CAP階段安排分配通信資源的路徑，主要有以下幾個(gè)步驟:
[0013]B6、根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)中路由設(shè)備的順序，依次選取路由設(shè)備循環(huán)執(zhí)行以下步驟；B7、已知網(wǎng)關(guān)設(shè)備到路由設(shè)備的最優(yōu)路徑，從完成此路由設(shè)備之前動(dòng)作的時(shí)隙開始，安排此多跳路徑，用于配置通信資源請(qǐng)求，也可用于發(fā)送其它命令幀的請(qǐng)求；B8、根據(jù)路由設(shè)備所管理的簇內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)量，依次安排此路由設(shè)備到每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的一跳路徑和每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到此路由設(shè)備的一跳路徑，用于配置通信資源的請(qǐng)求響應(yīng)、命令幀的請(qǐng)求響應(yīng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息報(bào)告；B9、已知路由設(shè)備到網(wǎng)關(guān)設(shè)備的最優(yōu)路徑，繼續(xù)安排此路徑，用于轉(zhuǎn)發(fā)配置通信資源響應(yīng)、其它命令幀的響應(yīng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息報(bào)告。
[0014]105、進(jìn)行調(diào)度方法中簇內(nèi)通信階段，安排路徑主要分為以下幾個(gè)步驟:
[0015]Cl、根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)中路由設(shè)備的順序，依次選取路由設(shè)備循環(huán)執(zhí)行以下步驟；C2、以此路由設(shè)備為簇首的所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，按照數(shù)據(jù)更新周期從小到大的順序排列，從中依次選取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備循環(huán)執(zhí)行以下步驟；C3.查找可用時(shí)隙，安排一跳路徑從此現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到其簇首，再繼續(xù)安排同樣的路徑用于重傳；
[0016]106、進(jìn)行簇間通信階段，安排設(shè)備發(fā)送周期性數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)設(shè)備的路徑主要分為以下幾個(gè)步驟:
[0017]D1、根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)中路由設(shè)備的順序，依次選取路由設(shè)備循環(huán)執(zhí)行以下步驟；D2、已知路由設(shè)備到網(wǎng)關(guān)設(shè)備的最優(yōu)路徑，從完成此路由設(shè)備之前動(dòng)作的時(shí)隙開始，安排此多跳路徑，其中，安排每一跳路徑時(shí)需要在后續(xù)可用時(shí)隙中再安排一跳相同的路徑，用于重傳；D3、循環(huán)執(zhí)行第二步，第二步執(zhí)行次數(shù)總共為此路由設(shè)備簇內(nèi)的簇成員數(shù)量加1，用于為此路由設(shè)備和簇內(nèi)所有簇成員安排發(fā)送周期性數(shù)據(jù)的路徑；簇間通信階段安排命令幀請(qǐng)求和響應(yīng)的路徑主要有以下幾個(gè)步驟:D4、根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)中路由設(shè)備的順序，依次選取路由設(shè)備循環(huán)執(zhí)行以下步驟；D5、已知網(wǎng)關(guān)設(shè)備到路由設(shè)備的最優(yōu)路徑，從完成此路由設(shè)備之前動(dòng)作的時(shí)隙開始，安排此多跳路徑，用于發(fā)送命令幀的請(qǐng)求；D6、已知路由設(shè)備到網(wǎng)關(guān)設(shè)備的最優(yōu)路徑，繼續(xù)安排此多跳路徑，用于發(fā)送命令幀的響應(yīng)；
[0018]107、生成鏈路表階段:為網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備生成鏈路表，從絕對(duì)時(shí)隙O開始遍歷全部有動(dòng)作的時(shí)隙，從每一跳路徑中提取相關(guān)信息插入到相關(guān)設(shè)備的鏈路表中，包括鏈路ID、鄰居設(shè)備地址、鏈路類型、相對(duì)時(shí)隙號(hào)、信道編號(hào)和超幀ID，網(wǎng)關(guān)設(shè)備鏈路的相對(duì)時(shí)隙號(hào)與絕對(duì)時(shí)隙號(hào)相同，路由設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備鏈路的相對(duì)時(shí)隙號(hào)計(jì)算方法為:設(shè)備鏈路的絕對(duì)時(shí)隙號(hào)減去此設(shè)備接收信標(biāo)的絕對(duì)時(shí)隙號(hào)。
[0019]進(jìn)一步的，步驟101中的調(diào)度規(guī)則中的硬性條件主要有以下幾個(gè)方面:a.設(shè)備的超幀長(zhǎng)度為WIA-PA基本時(shí)間單位的21咅，其中η是自然數(shù)。WIA-PA的基本時(shí)間單位是32個(gè)IEEE STD 802.15.4-2006時(shí)隙；b.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的超幀長(zhǎng)度與其數(shù)據(jù)更新周期一致；c.簇首的超幀長(zhǎng)度與其簇內(nèi)的最小數(shù)據(jù)更新周期一致；d.同一個(gè)設(shè)備在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)只能接收一次數(shù)據(jù)；e.同一個(gè)設(shè)備在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)只能發(fā)送一次數(shù)據(jù)；f.同一個(gè)設(shè)備在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)不能同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；g.同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的所有路徑必須安排到不同的信道上，廣播幀的接收端除外；h.路由設(shè)備必須在一個(gè)超幀內(nèi)將所有的簇內(nèi)數(shù)據(jù)和其本身的數(shù)據(jù)全部發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，除此之外，還必須確保轉(zhuǎn)發(fā)其它路由設(shè)備的數(shù)據(jù)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；1.網(wǎng)關(guān)設(shè)備必須在一個(gè)超幀內(nèi)將需要發(fā)送的命令發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；j.執(zhí)行調(diào)度安排時(shí)需要考慮到所有類型的數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；k.在一個(gè)多跳路徑中，優(yōu)先安排離發(fā)送端近的一跳。前一跳的絕對(duì)時(shí)隙號(hào)永遠(yuǎn)小于后一跳的絕對(duì)時(shí)隙號(hào)；1.設(shè)備的超幀從相對(duì)時(shí)隙號(hào)O開始。
[0020]進(jìn)一步的，步驟101中的調(diào)度規(guī)則中的調(diào)度優(yōu)先級(jí)具體為:
[0021]a.根據(jù)每個(gè)路由設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間的最優(yōu)路徑，從距離網(wǎng)關(guān)設(shè)備最遠(yuǎn)的路由設(shè)備開始安排路徑；b.在同一個(gè)路由設(shè)備管理的簇中，數(shù)據(jù)更新周期小的簇成員優(yōu)先安排；c.命令幀的優(yōu)先級(jí)高于數(shù)據(jù)幀；d.按照WIA-PA的超幀結(jié)構(gòu)的各個(gè)階段順序安排，信標(biāo)幀最先安排；
[0022]進(jìn)一步的，步驟104-106中安排路徑時(shí)，為每一跳路徑分配一個(gè)信道偏移量。在同一個(gè)時(shí)隙中，信道偏移量從O開始順序分配。根據(jù)信道偏移量計(jì)算信道的編號(hào):
[0023]跳信道序列下標(biāo)=(信道偏移量+絕對(duì)時(shí)隙號(hào))％可用信道數(shù)量 (I)