0 引言

    無線HART是第一個開放式的工業(yè)無線通信標準,，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是一個集中管理的MESH網(wǎng)絡(luò),，它建立在IEEE 802.15.4物理層標準上，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)標準后，一些學者提出了一些基于無線HART網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度方法,。SAIFULLAH A提出的實時調(diào)度算法支持實時反饋閉環(huán)控制,，但是只完成了仿真工作，并沒有實際的應(yīng)用報告^[2],；FANG M等提出了一種基于分層思想的調(diào)度算法，但時隙的分配中沒有考慮節(jié)點的數(shù)據(jù)更新速率^[3],；ZHANG H等提出了基于時隙數(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)拓撲^[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，但該算法沒有考慮節(jié)點數(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)點更新速率的不同,，同時在時隙的選擇中，采用連續(xù)順序選擇的方法（即第一條路徑選擇時隙1,，第2條路徑選擇時隙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)點的下一跳路徑（無線HART圖路由要求每一個節(jié)點都至少有兩條下一跳路徑）在超幀中均勻分配時隙,，增強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)點加入; 發(fā)現(xiàn)型資源用于搜索新鄰居和保持與時間源設(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,，超幀是一個由若干時隙組成的循環(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,，管理超幀主要負責加入、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)超幀負責上行資源,。數(shù)據(jù)超幀長度由節(jié)點通信速率決定，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)。論文使用一個數(shù)據(jù)超幀(長度為1 600個時隙)和兩個管理超幀,，一個長度為200個時隙(加入和廣告類型資源),，另一個為400個時隙(廣播和下行的通用類型資源)。

3 調(diào)度算法及實現(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,。若一個節(jié)點同時存在一個發(fā)送鏈接和一個接收鏈接,，則屬于顯式?jīng)_突，可以給兩種鏈接分配不同的時隙,；而相鄰鏈接之間的干擾屬于隱式?jīng)_突,，分配同一個時隙不同信道，如圖1中節(jié)點2→1和9→6所示,，如果2和9同時發(fā)送數(shù)據(jù),，2和6互為鄰居，則2會對6造成干擾,。在實際的資源調(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和終點都不同,，則使用同一個時隙不同信道，否則分配不同時隙,。若加入資源接收地址不同,，廣告類型資源發(fā)送地址不同，則使用同一個時隙不同信道,，否則分配不同時隙,。

3.2 資源調(diào)度算法軟件實現(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間上運行,，因此在資源分配時還要考慮以下兩個問題：(1)在同一個時隙上，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,，不僅考慮相同時隙的沖突,，還要考慮相應(yīng)倍數(shù)時隙的資源沖突，如加入資源超幀長度為200個，在相對時隙數(shù)為10的位置處考慮與數(shù)據(jù)超幀的沖突時,，既要考慮時隙數(shù)為10處的資源,，還要考慮相對時隙數(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)度算法的實現(xiàn)過程,。

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

    (1)超幀初始化

    實現(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（加入和廣告類型）,，管理超幀2長度為400個（廣播和下行數(shù)據(jù)類型）,，在初始化中，還分配了網(wǎng)絡(luò)接入點的加入,、廣告,、發(fā)現(xiàn)和廣播類型資源。

    (2)節(jié)點信息獲取

    獲取節(jié)點信息和鄰居信息,。

    (3)路由算法實現(xiàn)

    根據(jù)節(jié)點信息,，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的圖路由和源路由算法，本文采用了文獻[8]的算法,。

    (4)管理超幀資源調(diào)度算法實現(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。

    資源搜索子算法實現(xiàn)步驟如下：

    步驟a：對需要分配資源的節(jié)點，在數(shù)據(jù)超幀的第i個時隙的16個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個時隙的16個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個時隙,，檢測是否有空閑信道，有則該節(jié)點在i時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個時隙和相應(yīng)管理超理超幀(如果是管理超幀分配)第i個時隙中記錄發(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)點及每個中間節(jié)點都有兩條到下一跳節(jié)點的路徑，為了增強系統(tǒng)的抗干擾性,，文中對于一個節(jié)點的兩條上行路徑,，其資源分配的時隙間隔盡量大。數(shù)據(jù)超幀資源調(diào)度算法實現(xiàn)過程如下：

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

    ②對所有路徑和節(jié)點分配資源；

    ③i=1,，no=0,，△=1，length=T×100(T為數(shù)據(jù)更新時間,，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 算法實例驗證

    選取圖1所示的無線HART網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點1為網(wǎng)絡(luò)接入點,，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,，得到整個網(wǎng)絡(luò)資源分配表,，文中只選取了前20個時隙的資源分配表，見表1和表2,，其中時隙0為全網(wǎng)發(fā)現(xiàn)時隙,，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。

4 實驗分析

4.1 建立實驗環(huán)境

    為驗證資源調(diào)度算法,，搭建無線HART網(wǎng)絡(luò)實驗平臺,，包括網(wǎng)絡(luò)管理器、接入點和現(xiàn)場設(shè)備,。網(wǎng)絡(luò)管理者在計算機上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 實驗結(jié)果

    (1)在無干擾情況下,，分別使用5,、10、15,、20和25個現(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)點向網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù),，實測端到端的單向數(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個現(xiàn)場設(shè)備,，在時隙分配中一種選擇同一節(jié)點的上行兩條路徑的時隙間隔盡量大(方案1)，另一種順序選擇時隙(方案2),，數(shù)據(jù)更新速率都為固定的16 s,，從節(jié)點向網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù)，加入干擾信號,，然后實測端到端的單向數(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)點更新速率固定的場合,，本文提出了一種針對于節(jié)點變速率上傳數(shù)據(jù)的資源分配算法，對無線HART網(wǎng)絡(luò)中同一節(jié)點的下一跳路徑在超幀中均勻分配時隙,，增強對干擾信號的抗干擾能力,。實驗結(jié)果表明，算法實現(xiàn)了無線HART網(wǎng)絡(luò)變速率節(jié)點的資源分配,，并提高了節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)目箶_性,。

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