专利名称：一种适用于wia-pa网络的自适应确定性调度方法
技术领域：
本发明涉及工业无线传感器网络技术领域，具体涉及一种适用于WIA-PA网络的自适应确定性调度方法。
背景技术：
随着无线通信技术的发展，工业无线传感器网络技术逐渐被应用到工业现场。工业无线传感器网络技术的引入解决了工业现场布线困难、安装维护成本高等问题。根据工业现场对于通信的实时性、确定性、可靠性和低功耗等需求，科学合理的网络调度技术成为工业无线传感器网络技术进一步发展的核心。工业无线WIA-PA 技术(Wireless Networks for Industrial Automation -Process Automation用于工业过程自动化的无线网络)是基于IEEE 802. 15. 4标准的用于工业过程测量、监视与控制的无线网络系统。是对现有工业通信技术在工业应用方向上的功能扩展，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。但正如申请号为 200810070000. 3的中国专利申请《工业无线网络的一种确定性通信调度方法》中所指出的， 确定性调度机制能够满足工业现场应用的实时性、确定性、可靠性等要求，通过修改IEEE 802. 15. 4的超帧结构，规范了星型网络的信道接入机制，解决多跳网络信道间的相互干扰， 从而完成对整个网络的实时通信调度。文中给出的确定性调度机制虽然能够完成对树形网络的通信调度，但是其中修改后的超帧结构中各个阶段的长度是固定的，限制了网络的扩展，不能根据实际的网络情况控制系统功耗；同时结合的跳信道技术在一定程度上解决了干扰问题，但也带来了功耗的增加和频带利用率的降低。本发明提出了一种自适应确定性调度算法，目的在于提高WIA-PA网络的带宽利用率、降低系统功耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术通信调度方法带来功耗的增加和频带利用率降低的缺陷，根据WIA-PA工业无线网络的特点，通过网络管理器统一组织和管理 WIA-PA网络中的通信调度和资源分配，计算网络中不同类型信息的数据吞吐量，动态调整超帧结构中各个阶段的比例，从而完成对整个网络的自适应确定性调度。本发明解决上述问题的技术方案，根据WIA-PA标准，提出一种能够满足工业应用需求的自适应确定性调度方法，该方法针对工业无线网络的特点，有效地结合当前传输数据的吞吐量大小动态地调整超帧结构中各个阶段的大小。设备加入网络过程中，根据非周期性数据吞吐量调整超帧结构中的CAP (竞争访问阶段)阶段；设备加入网络成功后，根据周期性数据吞吐量的大小调整专用时隙(CFP (非竞争访问阶段)、簇内通信阶段、簇间通信阶段)阶段，同时根据当前非周期性数据吞吐量大小调整CAP阶段。以保证工业环境中数据传输的确定性和实时性。其实现过程如下1.系统初始化阶段，启动WIA-PA网络的网关设备，网络管理者为协调器初始化一个超帧用来形成网络。该超帧包括信标阶段、CAP阶段(竞争接入阶段)和休眠阶段。2.设备加入WIA-PA网络时，网络管理器统计网络中加入网络请求、加入网络响应、路由配置请求等非周期数据包的数量，计算出非周期性数据吞吐量，将该吞吐量与CAP 阶段调整阈值进行比较，根据比较结果增加(或减少)超帧结构中CAP阶段的长度。3.设备加入WIA-PA网络后，网络管理器分别统计传感器设备数据等周期性数据包和设备状态查询请求等非周期性数据包，计算周期性数据的吞吐量Q，进一步根据公式 m=Q/q计算用于传输周期性数据的专用时隙阶段的时隙个数。计算此时网络中非周期性数据的吞吐量，判断是否执行对CAP阶段的调整。综合当前CAP阶段及专用时隙阶段的长度进一步确定休眠阶段的长度。4. WIA-PA网络的系统管理器根据调整后的超帧结构重新分配网络的时隙资源， 完成系统的通信调度。5. 根据权利要求I所述的自适应确定性调度方法，其特征在于设备加入网络过程时，网络管理器统计网络中加入网络请求、加入网络响应、路由配置请求的数据包数量，计算出非周期性数据吞吐量，将该吞吐量与CAP阶段调整阈值进行比较，根据比较结果增加或减少超帧结构中CAP阶段的长度。6. 根据权利要求I所述的自适应确定性调度方法，其特征在于由公式
权利要求
1.适用于WIA-PA网络的自适应确定性调度方法，其特征在于，根据当前传输数据吞吐量的大小动态调整超帧结构中各个阶段的大小，确定每个阶段的带宽长度，具体为，设备加入网络过程时，根据非周期性数据吞吐量调整超帧结构中的竞争访问CAP阶段长度；设备加入网络后，根据网络中非周期性数据的吞吐量，判断是否执行对CAP阶段的调整，根据周期性数据吞吐量大小调整专用时隙的非竞争访问CFP阶段、簇内通信阶段、簇间通信阶段，同时根据当前非周期性数据吞吐量大小调整CAP阶段，系统管理器根据调整后的超帧结构重新分配网络的时隙资源，完成系统的通信调度。
2.根据权利要求I所述的自适应确定性调度方法，其特征在于设备加入网络过程时， 网络管理器统计网络中加入网络请求、加入网络响应、路由配置请求的数据包数量，计算出非周期性数据吞吐量，将该吞吐量与CAP阶段调整阈值进行比较，根据比较结果增加或减少超帧结构中CAP阶段的长度。
3.根据权利要求I所述的自适应确定性调度方法，其特征在于由公式Smax = Tcapo X E0计算初始化长度为TCAPO的CAP阶段内所能传输的数据吞吐量最大值Smax，由公式
4.根据权利要求I所述的自适应确定性调度方法，其特征在于当Sn2时，网络管理者根据公式
全文摘要
本发明请求保护一种适用于WIA-PA标准的工业无线传感器网络的自适应确定性调度方法。此自适应确定性调度方法根据工业无线网络的特殊环境，结合WIA-PA标准的超帧结构、资源分配等参数，分别计算出网络中传输非周期性数据和周期性数据的实时吞吐量，并根据当前的数据吞吐量来配置此时超帧中竞争接入阶段、专用时隙阶段和休眠阶段的长度，以此来自适应地调整超帧结构中各个阶段的比例，该方法能够有效地提高带宽利用率和降低系统功耗。
文档编号H04W72/12GK102595578SQ20121007027
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年3月16日
发明者向敏, 王平, 王恒, 闫红波, 陈秋歌 申请人:重庆邮电大学