专利名称：工业无线网络数据冗余发送方法
技术领域：
本发明属于工业无线网络通信技术，具体是一种工业无线网络中数据冗余发送的方法。
背景技术：
工业无线技术是一种面向设备间信息交互的无线通信技术，是对现有工业通信技术在 工业应用方向上的功能扩展和提升，将引发传统工业测控模式的变革，引领工业自动化系 统向着低成本、高可靠、高灵活的方向发展。随着无线热潮的到来，工业无线通信技术得 到快速发展。在工业无线网络通信中，要求极高的可靠性，任何来自现场设备的数据丢失 将会导致工业领域不可预知的事故，尤其是关键信息传输的不可靠，更将带来灾难性的后 果。对于无线网络，数据冗余是提高网络通信可靠性的有效方法，国际工业无线网络的两 种主要标准ISA-SP100和无线HART在它们发布的规范中主要研究MESH网络的冗余功 能，并未涉及到工业无线网络星型网中数据冗余问题。
现有的无线网络规范通常采用MESH网络拓扑结构。MESH网络的可靠性主要通过冗 余路径实现。MESH网络中的路由互相连接，源路由与目的路由之间有多条通信路径。当 源路由检测到当前路径受到干扰或者出现故障时，可以选择其它路径冗余发送，但这种方 式是被动的数据冗余发送方式，并没有根据数据的特征进行选择性的主动冗余发送。
在有线或者无线网络中，为了保证数据的可靠性，通常采用数据重传的方式。数据重 传是指源节点向目的节点发送数据，但在规定时间内源节点未收到目的节点发回的确认 帧，则认为数据没有正常发送，而重新发送数据来保证数据正确传送的方法。但若是重要 度很高的数据在传送途中被篡改，目的节点收到已经被篡改的数据，发回确认帧，这时重 传机制不会启动，但目的节点接收到的数据是不正确的数据，此时数据重传机制不能保障 数据传输的可靠性。
由于工业无线网络应用的特殊性，它并不采用单一的网络拓扑。若全网采用MESH结 构，反而会增加系统管理和安全管理负担，以及使资源的分配和通信调度问题变得更加复 杂，因此在工业应用中，无线网络采用MESH和星型相结合的双层网络拓扑结构，实现全 网的集中式和分布式控制。星型网络特点是结构简单，数据传输方向确定，但可靠性不高。在星型网络中，采用的是TDMA通信方式。每个现场设备由簇首分配一个簇内地址，对应 一个簇内通信时隙，每个现场设备都在自己通信时隙到来时才能与簇首路由通信。若当前 所要发送的数据在一个通信时隙内不能完成，则将至少延迟一个超帧的时间才能完成发 送；若当前数据是关键数据，需要多次发送，以保证传输数据的正确性，原有的星型网络 数据传输机制将不能满足。MESH网络可以提供数据的冗余传输，保证数据的可靠性和及 时性。但没有区分信息的重要度，不能对数据有选择性的进行冗余，而只能在数据传送失 败后，根据冗余的路径进行被动性的数据重传。
发明内容
本发明的目的是基于以上现有技术存在的缺陷，试图通过在星型网络和MESH网络上 分别实现不同策略的数据冗余来解决工业无线网络数据通信的可靠性问题。本发明利用在 星型和MESH网络中分别实现接入点时隙冗余和路由发送冗余，来实现不同数据不同冗余 策略的动态冗余，保证关键数据的可靠性传输，提高整个网络通信的可靠性。
本发明的另一个目的是针对应用在工业现场环境中的双层拓扑结构不能防止数据在 传输途中被篡改，不能保证长数据发送的实时性，不能对数据进行有区别的冗余发送，而 无法保证通信可靠性的问题，提出一种工业无线网络数据冗余的方法，能动态调节数据的 冗余发送，从而保证通信的可靠性。
本发明的技术思路为，首先对星型网络中数据的关键度Q进行检测，实现对关键数据 的冗余发送，再根据现场设备传输数据的重要度K和路由保存的冗余路由表数来确定数据 发送的冗余度N，实现数据在MESH网络的N冗余发送。
由于工业无线网络采用MESH+STAR双层拓扑结构，工业无线网络数据冗余方法设计 也分为MESH和星型两个层次。在星型网络层上主要采用接入点时隙冗余，MESH层上则 主要采用路由发送冗余。两个层次的数据冗余发送存在一定联系，共同构成的工业无线网 络数据冗余方法保证了网络数据传输的可靠性。接入点时隙冗余保证星型网络中数据从现 场设备到簇首的可靠性和及时性传输，同时为路由发送冗余数据提供了基础和依据。路由 发送冗余数据则保障了从簇首到网关的数据传输的可靠性。两种方法紧密结合，从而提高 整个工业无线网络的可靠性和实时性。
本发明所述的工业无线网络数据冗余方法，包括以下步骤
(1) 星型网络中现场设备申请加入网络，获得1个网络地址以及和网络地址中簇内 地址相对应的通信时隙； .
(2) 现场设备在非活动时隙，进入休眠状态，同时启动SLEEP TIMER时钟；非活动时隙定义为现场设备不与簇首进行通信的时隙，在现场设备通信时隙到来前lms， SLEEP TIMER时钟产生中断，现场设备醒来，准备通信时隙将要发送的数据，将RFD的TX设 置为ON状态，通信时隙到来时，现场设备向簇首报告当前自身状态，并发送带有重要度 K的数据；
(3) 现场设备根据下面公式计算发送队列中保存的在下一个超帧即将发送数据的关
键度Q:
Q=rz*《1 其中0<L<1; 1代表按IEEE802.15.4协议中规定的2.4GHz的传输速
率250kbps下，1个时隙能发送的数据长度 Q=MAX (L， K) L>=1 L为数据长度，K为数据重要度
(4) 现场设备计算关键度Q与当前己有地址数S的差值，若此差值大于0，现场设 备在这个超帧的申请加入时段，发出申请获得Q-S个网络地址；反之，则不再申请冗余的 网络地址；
(5) 簇首收到申请请求，检索簇首保存的现场设备信息表，验证现场设备是否在网， 现场设备若在网，簇首检查该设备簇内地址后的Q-S个簇内地址是否被占用，若被占用， 簇首收回现场设备当前网络地址，重新分配Q个连续簇内地址给当前设备；若未被占用， 现场设备接入点获得簇首分配的Q-S个网络地址，即获得多个簇内通信时隙；现场设备若 在网，簇首丢弃收到的请求帧；
(6) 在下一个超帧到来时，现场设备在Q个通信时隙里实现关键度为Q的数据的冗 余发送或者是完成一个长数据在一个超帧内的发送；
(7) 簇首路由收到现场设备发来的数据，根据数据帧中附加的重要度K以及当前路 由表的冗余状态设置路由数据冗余发送度N，簇首路由根据数据的冗余发送度N进行数据 冗余发送。
步骤(7)中，在MESH网络中，路由设备可将数据发送冗余度划分为3个层次。
图1为工业无线网络数据冗余发送方法示意图
图2为簇内数据帧结构图
发明的优点和积极效果
本发明利用数据的关键度Q对星型网络中数据进行分类，并结合现场设备当前所占时 隙数，向簇首申请冗余通信时隙，实现了关键数据的冗余发送，同时解决了长数据不能在
6一个时隙发送完毕带来的数据延时问题。再根据现场设备传输数据的重要度K和路由保存 的冗余路由表数来确定数据发送的冗余度N，最后实现数据在MESH网络的N冗余发送。
本方法根据数据特性实现了不同的数据冗余发送，即数据的动态冗余，'避免了普通数 据重复发送导致的通信资源浪费，保证了关键数据的冗余发送，防止了数据的丢失和篡改， 在一定程度上降低了数据传输的延时，为整个网络数据的可靠性传输提供保障。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明方法作进一步详细描述，这些描述不应理解为对本发明的任何限定。
实施例l:接入点时隙冗余
接入点时隙冗余是在工业无线网络拓扑结构中的星型网络实现数据的冗余发送，分为 入簇、休眠、准备阶段、发送数据、计算Q值、申请网络地址、完成数据冗余发送七个阶 段。
1) 入簇
一个星型网络构成一个簇，整个簇内通信共用一条信道，工业无线网络采用TDMA避 免冲突，现场设备只有在属于自己的簇内通信时隙到来时，才能获得信道的访问权，实现 和簇首的通信。如图l，在星型网络初始化完成后，簇首已经为每一个入网的现场设备分 配了相应的簇内地址。簇首簇内地址为0，新入簇的现场设备簇内地址从l开始分配。规 定簇内地址与通信时隙相对应，先加入簇的现场设备获得较小的簇内地址号，如1， 2……。
2) 休眠
当现场设备加入网络后，在非活动时隙，现场设备进入休眠状态，同时启动SLEEP TIMER时钟。非活动时隙定义为现场设备不与簇首进行通信的时隙。 .
3) 准备阶段
在现场设备通信时隙到来的前lms， SLEEP TIMER时钟产生中断，现场设备醒来，准 备通信时隙将要发送的数据，将RFD的TX设置为ON状态。
4) 发送数据 ' 现场设备在通信时隙到来时，首先发送自身状态信息。簇首收到此数据帧，如果此时
没有要发送的帧，则只需要发送一个空白命令帧来继续对话。现场设备收到簇首回复的空 白帧或命令帧，发送带有数据重要度K的数据帧，数据帧结构如图2。如果现场设备收到 空白命令帧而没有数据要发送，则结束此时隙的通信。
5) 计算Q值现场设备设置发送队列中下一个将要发送数据的关键度Q。关键度Q决定了待发送数 据是否需要多个时隙实现冗余发送或连续发送，Q值与发送队列中下一个待发送数据的长
度L和重要度K有关，^H1'2'3}(这里的数据长度L是指数据按正EE802.15.4协议中 2.4GHz的传输速率(250kbps)下的发送时间)，可用下面式子表达
Q=「H1 (0<L<1) Q=MAX (L， K) (L>=1)
当L小于一个时隙，现场设备设置Q值为L与K的乘积再向上取整，.保证数据能够 在申请的时隙内完成发送。如L为0.6个时隙，K为2，则下一个待发数据的关键度Q为 2，那么将在2个连续的时隙发送此数据。
当L大于或者等于1个时隙时，表明待发送的数据长度超过一个时隙。由于时隙与簇 内地址是绑定的，也就是要通过获取多个簇内地址来获得多个簇内通信时隙才能实现长数 据在一个超帧内完成发送。此时Q值设置为L与K的最大值。若L为3， K为l，表明待 发送数据是一个普通的长数据，不需要冗余发送，仅仅只是通过申请多个网络地址获得多 个通信时隙来完成在一个超帧内数据的传输。同时也避免申请过网络地址，导致其他现场 设备接入点不能入簇和造成通信资源的浪费。
6) 申请网络地址
现场设备根据计算出的Q值与目前所拥有的网络地址数S进行比较，若Q大于S，那 么该现场设备接入点将在这个超帧内的请求加入时隙发送入网请求控制帧，将帧中其他位 设置为(Q-S)的值，表明申请(Q-S)个簇内地址。没在网的现场设备请求控制帧中其他 位置O。当簇首路由检测到请求位置为(Q-S)时，初步判定是已在网设备接入点申请多个 冗余簇内地址。接着通过査找簇内设备信息表验证此设备是否在网。若在网，则继续査找 簇内设备信息表判断此设备簇内地址后的(Q-S)个地址是否己经被分配。若已分配，簇 首则根据剩余的通信资源的情况，先回收现场设备当前的网络地址，再重新Q个连续的簇 内IP给现场设备，同时向网关发出报告。若不在网，簇首路由则认为是错误消息，丢掉处 理。反之，当Q小于等于S时，现场设备则不用向簇首申请冗余的网络地址。
7) 完成数据冗余发送 ' 在下一个超帧到来时，现场设备可以在上一个超帧预先申请的通信时隙完成数据的冗
余发送。若数据长度小于一个时隙，则可以冗余传送数据(〈Q次)到簇首路由，簇首路由根 据冗余传送的结果进行校验，返回确认帧。若数据帧长度大于一个时隙，也不用延迟几个
8超帧的时间来完成发送，而可以在预先申请的连续的通信时隙，完成数据的传送。所以接 入点时隙冗余方法能有效解决星型网络中数据冗余发送的问题，保证了数据传输的可靠 性。
实施例2:路由发送冗余 ' 路由发送冗余是在MESH网络中数据冗余的方法，如图2所示。路由根据接收到数据 的重要度K以及路由上保存的冗余路由表设置数据冗余度N。首先规定重要度K只在集合
{1，2，3}中取值，同时将冗余度N划分为三个级别低，中，高。当K-1或者路由上仅仅只
保存了一个路由表，路由则设置冗余度为低，N=l，即数据为普通数据，不进行冗余发送；
当〖=2并且此时存在多个冗余路由表，此时冗余度为中。若路由上冗余路由表数目n大于 K时，N=K，即当发送数据为一般重要数据时，即使路由上存在多条冗余路径，路由也只 选择其中2条路径进行发送。这样带来的好处是避免了数据过分冗余发送，导致网络不必 要的繁忙，浪费通信资源。若&=3则说明数据为重要的关键数据，此时设置N等于冗余 路由表数目。即当数据重要度最高时，冗余度只受路由上保存的冗余路由表限制，此时若 有n个冗余路由表，则数据冗余发送n次。
数据包根据上述方法确定的冗余度N进行冗余发送。该数据包经过第一次路由时将发 冗余度分别为nl、 n2、 n3的数据包(nl+n2+n3=n，由路由决定分解方案)。当nl/n2/n3不 为1时，后继路由査找冗余路由表中下一条路由继续冗余发送。冗余发送可以提高数据传 输的可靠性，加强对关键数据的保护，避免重大事故发生，同时也可以较好的加强路由表 的使用并增强可靠性。冗余发送是基于冗余路由的。如果没有冗余路由表，则无法进行冗 余发送。
权利要求
1、一种工业无线网络数据冗余发送方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)星型网络中现场设备申请加入网络，获得1个网络地址以及和网络地址中簇内地址相对应的通信时隙；(2)现场设备在非活动时隙，进入休眠状态，同时启动SLEEP TIMER时钟；非活动时隙定义为现场设备不与簇首进行通信的时隙，在现场设备通信时隙到来前1ms，SLEEPTIMER时钟产生中断，现场设备醒来，准备通信时隙将要发送的数据，将RFD的TX设置为ON状态，通信时隙到来时，现场设备向簇首报告当前自身状态，并发送带有重要度K的数据；(3)现场设备根据下面公式计算发送队列中保存的在下一个超帧即将发送数据的关键度Q其中0<L<1；1代表按IEEE802.15.4协议中规定的2.4GHz的传输速率250kbps下，1个时隙能发送的数据长度Q＝MAX(L，K)L>＝1L为数据长度，K为数据重要度(4)现场设备计算关键度Q与当前已有地址数S的差值，若此差值大于0，现场设备在这个超帧的申请加入时段，发出申请获得Q-S个网络地址；反之，则不再申请冗余的网络地址；(5)簇首收到申请请求，检索簇首保存的现场设备信息表，验证现场设备是否在网，现场设备若在网，簇首检查该设备簇内地址后的Q-S个簇内地址是否被占用，若被占用，簇首收回现场设备当前网络地址，重新分配Q个连续簇内地址给当前设备；若未被占用，现场设备接入点获得簇首分配的Q-S个网络地址，即获得多个簇内通信时隙；现场设备若在网，簇首丢弃收到的请求帧；(6)在下一个超帧到来时，现场设备在Q个通信时隙里实现关键度为Q的数据的冗余发送或者是完成一个长数据在一个超帧内的发送；(7)簇首路由收到现场设备发来的数据，根据数据帧中附加的重要度K以及当前路由表的冗余状态设置路由数据冗余发送度N，簇首路由根据数据的冗余发送度N进行数据冗余发送。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(7)中，在MESH网络中，路由 设备将数据发送冗余度划分为3个层次。
全文摘要
一种工业无线网络中数据冗余发送的方法，首先对星型网络中数据的关键度Q进行检测，实现对关键数据的冗余发送，再根据现场设备传输数据的重要度K和路由保存的冗余路由表数来确定数据发送的冗余度N，实现数据在MESH网络的N冗余发送。该方法不仅实现了关键数据的冗余发送，避免了普通数据重复发送导致的通信资源浪费，防止了数据的丢失和篡改，为整个网络数据的可靠性传输提供保障，同时解决了长数据不能在一个时隙发送完毕带来的数据延时问题。
文档编号H04W28/02GK101500262SQ20091010339
公开日2009年8月5日 申请日期2009年3月17日 优先权日2009年3月17日
发明者丹 张, 杨颂华 申请人:西南大学