基于优先级分配的工业无线网络确定性传输调度方法与流程

本发明属于工业网络通信技术领域，涉及一种基于优先级分配的工业无线网络确定性传输调度方法。

背景技术：

工业无线网络是一种布置在工业生产过程中，对工业现场的设备和系统进行无线监测、控制等功能的一种网络。目前，国际上已经在工业无线领域制订了三个网络标准，分别是ISA100.11A、WirelessHART和WIA-PA。同时，为了满足不同工业无线现场网络之间的通信需求，在工厂网络中经常需要部署工业无线回程网来连接不同的现场网络，以扩大网络通信范围，并实现工厂网络与互联网之间的互通与集成。

工业无线网络主要用于解决工业网络数据的无线传输问题，直接涉及工业生产过程，而工业网络中的数据对时延的确定性有着很高的要求。网络数据错过截至时间，不仅影响生产效率，严重的甚至可能引发工业事故。在国际工业无线标准中，普遍采用了基于时隙TDMA(Time Division MultipleAccess)的通信机制，利用合理的调度算法对时隙、信道资源进行分配，可以保证端到端数据流传输的时延确定性。然而针对引入工业无线回程网的工业无线网络缺少这方面的调度方法。因此，为解决工业无线网络中全网数据流的时延确定性问题，发明一种工业无线网络跨网确定性传输调度方法很有必要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于优先级分配的工业无线网络确定性传输调度方法，保证跨网数据流端到端传输时间的确定性。工业无线网络由支持信道、时隙资源分配的工业无线现场网络和无线回程网组成。网络中存在多条具有端到端传输时延约束的跨网数据流，这些数据流从无线现场网络发起，经由无线回程网传输后到达其它的无线现场网络。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于优先级分配的工业无线网络确定性传输调度方法，该方法包括网络可调度性判断过程和基于优先级分配的调度过程：

所述的网络可调度性判断过程包括：1)网络中每条端到端数据流都具有唯一的优先级，不同优先级的数据流发生冲突，低优先级数据流会受到延时影响；2)网络中的数据流所受到的延时影响不会导致其错过截至到达时间，则这条数据流满足可调度性；3)若网络中所有的数据流都满足可调度性，则整个网络可调度；

所述的基于优先级分配的调度过程包括：采用满足网络可调度性的优先级分配方案，安排调度的时候优先为高优先级的数据流安排通信资源。

进一步，所述判断网络可调度性过程具体包括以下步骤：

101、建立网络的模型，将网络抽象为一个图

G＝(V，E)

其中，其中V是由网络设备{v₀，v₁，v₂，v₃，v₄，…，v_n}构成的集合，其中v₀代表网关，n代表现场节点设备个数；E代表网络的连接情况，如果e(u，v)∈E，其中(u，v)∈V，则代表u，v这两个网络设备在网络中建立了可靠的连接，可以直接进行通信传输，可以表示链路

102、将网络G＝(V，E)中的端到端的数据流抽象为

F＝{F₁，F₂，F₃，…，F_N}

其中，F_N代表网络中的一条从无线现场网络发起，经由无线回程网传输后，到达其它无线现场网络的跨网端到端数据流；该数据流从一个源节点产生数据，经由传输路径中节点设备和网关的转发，进入接收数据的目的节点；

103、网络中每一条端到端的数据流拥有一个唯一优先级：

p_i

其中，i表示网络中第i条数据流，当一条拥有较高优先级的数据流的传输链路，与拥有较低优先级的数据流的传输链路发生冲突，后者将受到延时影响；

104、计算高优先级端到端数据流对低优先级端到端数据流造成的最坏时延；收集网络中不同数据流路径上重合的链路信息，当i，j两条不同优先级的端到端数据流，发生部分链路完全重合，也就是包含相同收发节点，用Q(i，j)来表示i，j两条数据流重合链路中属于高优先级端到端数据流的链路总数，用α(i，j)来表示i，j两条数据流连续重合链路长度超过3跳的路径条数，用β_n(i，j)来表示每条该种路径所包含的链路数，τ为单位时隙持续时间。

本方法所涉及的工业无线网络中包含工业无线回程网。因而，所有的数据流两两之间都增加一段完全重合并且链路数大于3的路径。每一条高于当前数据流优先级的数据流，都最多会对当前数据流造成3个时隙的延时。

当：

α(i，j)＝0

则低优先级数据流i受到高优先级数据流j的整个延时Δ(i，j)为

Δ(i，j)＝{Q(i，j)+3}×τ

当：

α(i，j)＞0

则低优先级数据流i受到高优先级数据流j的整个延时Δ(i，j)为

进一步，所述基于优先级分配的调度过程具体包括以下步骤

201、初始化每条数据流的优先级，利用端到端数据流延时计算方法判断数据流可调度性；如果数据流均满足可调度性，则整个网络满足可调度；如果当前优先级分配方案不满足网络可调度性，则寻找另一种优先级分配方案，直至满足网络可调度性；

202、网络已经满足可调度，开始为每一条数据流安排时隙，信道；安排调度的时候，根据优先级遍历每条数据流，每条数据流都尽量在每个时隙去排下一个即将释放的链路；安排调度时，高优先级数据流优先于低优先级数据流；如果不同优先级的链路不发生冲突，则利用空闲信道；如果不同优先级的链路冲突，则低优先级的排入下一个时隙，如果还有高优先级的和它冲突，则继续等待，直至排完整个网络的调度。

进一步，在本方法中，利用一个层级式的无线网络结构来构建工业无线回程网；工业无线回程网中的无线节点不能和无线传感网的节点一样自由切换信道，也就是说无线节点不能像无线传感网节点在当前时隙采用一个信道，在下一个时隙则采用另外的信道；在这种层级式的网络下，只要节点一个时隙的传输任务不包含相同节点，不同节点可以同时进行数据传输。因此，可以将该种工业无线回程网视为一段单信道线性网络。

进一步，为了更加快速地找到一种满足时延需求的优先级分配方案，利用数据流的松弛度来初始化数据流的优先级，松弛度的定义如下

S_i＝D_i-hop_i×τ

其中，D_i表示第i条数据流的截至时间，hop_i表示第i条数据流所包含的跳数，这个指标可以反映这条数据流需要调度的紧迫性。

进一步，在本方法中，如果一种优先级分配方案不满足网络确定性，需要重新分配每一条数据流的优先级，单纯地利用全排列重新随机分配优先级，可能会效率不高；因此，为了优化找寻满足确定性要求的优先级分配方案的过程，当遍历到一条不满足可调度性的数据流的时候，是因为该条数据流优先级太低，受到过多高优先级数据流的延时影响；因此将其优先级提高一级，然后再进行网络可调度性的判断，进而可以适当提高优先级分配方案满足可调度性的成功率。

本发明的有益效果在于：本发明建立了考虑层级式工业无线回程网的数据流时延计算模型，能够分析计算出在某个数据流优先级分配方案下，某一条数据流经过整个网络所受到的最坏时延，进而可以判断整个网络的可调度性，然后进行基于优先级的确定性调度。本发明提出的确定性调度方法不局限在现场网络范围内，而是面向既包含现场网络，也包含工业回程网的混合无线网络；所调度的对象是跨网传输的数据流，能够面向全网对时隙、信道等资源进行分配，保障数据流端到端的确定性传输需求。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为工业无线网络一条端到端数据流以及网络通信资源示意图；

图2为不同优先级数据流在网络中冲突且α(i，j)＝0的示意图；

图3为不同优先级数据流在网络中冲突且α(i，j)＞0时的数据流示意图；

图4为工业无线回程网中节点和边界网关构成的线性网络示意图；

图5为网络调度过程的流程图。

具体实施方式

本发明所述技术方案是通过这样的方式实现的：所述设计方法为工业无线网络确定性传输调度方法，该方法包括判断端到端数据流时延，然后进行网络可调度性判定，以及在可调度网络下的优先级调度。

判断工业无线网络里端到端数据流的时延并进行可调度性判断的具体步骤如下：

1、建立网络的模型，将网络抽象为一个图：

G＝(V，E)

其中，其中V是由网络设备{v₀，v₁，v₂，v₃，v₄，…，v_n}构成的集合，其中v₀代表网关,n代表现场节点设备个数；E代表网络的连接情况，如果e(u，v)∈E，其中u，v∈V,则代表着u，v这两个网络设备在网络中建立了可靠的连接，可以直接进行通信传输，可以表示为链路

2、将网络G＝(V，E)中的端到端的数据流抽象为：

F={F₁，F₂，F₃，…，F_N}

其中，F_N代表网络中的一条从无线现场网络发起，经由无线回程网传输后，到达其它无线现场网络的跨网端到端数据流。该数据流从一个源节点产生数据，经由传输路径中节点设备和网关的转发，进入接收数据的目的节点；

3、网络中每一条端到端的数据流拥有一个唯一优先级：

p_i

其中，i表示网络中第i条数据流，当一条拥有较高优先级的数据流的传输链路，与拥有较低优先级的数据流的传输链路发生冲突，后者将受到延时影响；

4、本方法针对的工业无线网络，为了满足不同工业无线现场网络之间的通信需求，扩大网络通信范围，除了满足国际工业无线标准的工业无线现场网络，还需要工业无线回程网络。工业无线回程网采用点对多点层级式的结构，并且支持时隙传输。

5、工业无线网络为了保证传输确定性，支持时隙传输。整个工业无线网络里的端到端业务数据流经过中继节点转发，并在一个时隙内进行传输及确认帧回复；

6、工业无线回程网利用一个层级式的无线网络结构来构建。工业无线回程网中的无线节点不能和无线传感网的节点一样自由切换信道，也就是说无线节点不能像无线传感网节点在当前时隙采用一个信道，在下一个时隙则采用另外的信道。在这种层级式的网络下，只要节点一个时隙的传输任务不包含相同节点，不同节点可以同时进行传输任务。因此，可以将该种工业无线回程网视为一段单信道线性网络；

7、计算高优先级端到端数据流对低优先级端到端数据流造成的最坏时延，当i，j两条不同优先级的端到端数据流，发生部分链路完全重合，也就是包含相同收发节点，用Q(i，j)来表示i，j两条数据流重合链路中属于高优先级端到端数据流的链路总数，用α(i，j)来表示i，j两条数据流连续重合链路长度超过3跳的路径条数，用β_n(i，j)来表示每条该种路径所包含的链路数。τ为单位时隙持续时间；

8、因为工业无线网络中包含工业无线回程网，所有的数据流两两之间都增加一段完全重合并且链路数大于3的路径。每一条高于当前数据流优先级的数据流，都最多会对当前数据流造成3个时隙的延时。

9、如果：

α(i，j)＝0

则低优先级数据流i受到高优先级数据流j的整个延时Δ(i，j)为

Δ(ij)＝{Q(i，j)+3}×τ

如果：

α(i，j)＞0

则低优先级数据流i受到高优先级数据流j的整个延时Δ(i，j)为

建立了网络时延模型，进而可以判断网络可调度性。在此基础上可以进行基于优先级分配的确定性调度方法，步骤如下：

第一步，为每条数据流初始化分配一个优先级，同时为了更加快速地找到一种满足时延需求的优先级分配方案，可以根据每条数据流的松弛度S_i来初始化，松弛度S_i定义如下：

S_i＝D_i-hop_i×τ

其中，D_i表示第i条数据流的截至时间，hop_i表示第i条数据流所包含的跳数。这个指标可以大致反映，这条数据流需要调度的紧迫性。相同截至时间的两条数据流，如果其中一条数据流的路径经过了更多的链路，则这条数据流需要调度的紧迫性高于另外一条。如果数据流松弛度相同，可以随机分配区分其优先级。

第二步，根据分配好的优先级，采用上述的数据流可调度性判断方法进行判断，如果网络中的每一条数据流都满足可调度性，则这个网络便是可调度的，进入第四步；如果遍历到一条数据流不满足可调度性的时候，进入第三步。

第三步，重新分配每一条数据流的优先级，如果单纯地利用全排列重新随机的分配优先级，效率可能会不高。因此，为了优化找寻满足确定性要求的优先级分配方案的过程，当遍历到一条不满足的可调度性的数据流的时候，是因为该条数据流优先级太低，受到过多高优先级的延时影响。因此可以将其优先级提高一级，然后再进行网络可调度性的判断，进而可以适当提高优先级分配方案满足可调度性的成功率。

第四步，网络已经满足可调度，开始为每一条数据流安排时隙，信道。安排调度的时候，根据优先级遍历每条数据流，每条数据流都尽量在每个时隙去排下一个即将释放的链路。安排调度时，高优先级数据流优先于低优先级数据流。如果不同优先级的链路不发生冲突，则利用空闲信道；如果不同优先级的链路冲突，则低优先级的排入下一个时隙，如果还有高优先级的和它冲突，则继续等待。直至排完整个网络的调度。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为工业无线网络一条端到端数据流以及网络通信资源示意图。在这样一个网络结构中，工业现场网络由工业级的无线网络协议构成，现场网络数据汇聚到边界网关，然后进入工业无线回程网。进而部署在一个厂房的现场网络里的节点，可以通过工业无线回程网，与部署在另一个厂房的现场网络节点通信。其中，工业无线现场网络和工业无线回程网均支持对时隙、信道资源的分配。

一、判断网络可调度性流程说明

图1中同时描述了工业无线网络中一条端到端的数据流。在工业无线网络里的跨网端到端数据流，是指从一个工业现场网络的源设备节点发起，并且经过工业无线回程网络，再进入另一个工业现场网络目的设备节点的跨网完整传输路径。数据流具有周期性、确定性和先后性的特征。

判断网络中数据流时延的具体步骤如下：

Step1：为网络中每条端到端数据流定义一个唯一的优先级，不同优先级的数据流发生冲突，首先为高优先级安排调度；

Step2：建立网络模型。将网络抽象为一个图

G＝(V，E)

其中，其中V是由网络设备{v_0，v₁，v₂，v₃，v₄，…，v_n}构成的集合，其中v₀代表网关，n代表现场节点设备个数；E代表网络的连接情况，如果e(u，v)∈E，其中(u，v)∈V则代表着u，v这两个网络设备在网络中建立了可靠的连接，可以直接进行通信传输，可以表示为链路

将网络G＝(V，E)中的端到端的数据流抽象为

F＝{F₁，F₂，F₃，…，F_N}

Step3：分析工业无线回程网的存在对工业无线网络时延带来的影响。工业无线回程网利用一个层级式的无线网络结构来构建工业无线回程网，并且可以时隙化。工业无线回程网中的无线节点不能和无线传感网的节点一样自由切换信道，也就是说无线节点不能像无线传感网节点一样在当前时隙采用一个信道，在下一个时隙则采用另外的信道。在这种层级式的网络下，只要节点一个时隙的传输任务不包含相同节点，不同节点可以同时进行任务传输。因此，可以将该种工业无线回程网视为一段单信道线性网络。

图4为工业无线回程网中节点和边界网关构成的线性网络示意图；

Step4：收集网络中不同数据流路径上重合的链路信息。当i，j两条不同优先级的端到端数据流，发生部分链路完全重合，也就是包含相同收发节点，用Q(i，j)来表示i，j两条数据流重合链路中属于高优先级端到端数据流的链路总数，用α(i，j)来表示i，j两条数据流连续重合链路长度超过3跳的路径条数，用β_n(i，j)来表示每条该种路径所包含的链路数；

图2为不同优先级数据流在网络中冲突且α(i，j)＝0的示意图；当

α(i，j)＝0

则低优先级数据流i受到高优先级数据流j的整个延时Δ(i，j)为

Δ(i，j)＝{Q(i，j)+3}×τ

图3为不同优先级数据流在网络中冲突且α(i，j)＞0时的数据流示意图；当

α(i，j)＞0

则低优先级数据流i受到高优先级数据流j的整个延时Δ(i，j)为

二、基于优先级调度的流程说明

图5为网络调度过程的流程图；

Step1：为每条数据流初始化分配一个优先级，同时为了更加快速地找到一种满足时延需求的优先级分配方案，可根据每条数据流的松弛度S_i来初始化，松弛度S_i定义如下：

S_i＝D_i-hop_i×τ

其中，D_i表示第i条数据流的截至时间，hop_i表示第i条数据流所包含的跳数。这个指标可以大致反映，这条数据流需要调度的紧迫性。如果产生松弛度相同的数据流，可以随机分配区分它们的优先级。

Step2：利用上述的判断端到端数据流延时计算方法判断数据流可调度性，如果数据流均满足可调度性，则整个网络满足可调度。如果当前优先级分配方案不满足网络可调度性，则寻找另一种优先级分配方案，直至满足网络可调度性。

Step3：网络已经满足可调度，开始为每一条数据流安排时隙，信道。安排调度的时候，根据优先级遍历每条数据流，每条数据流都尽量在每个时隙去排下一个即将释放的链路。安排调度时，高优先级数据流优先于低优先级数据流。如果不同优先级的链路不发生冲突，则利用空闲信道；如果不同优先级的链路冲突，则低优先级的排入下一个时隙，如果还有高优先级的和它冲突，则继续等待。直至排完整个网络的调度。

这样，本发明的一种基于优先级分配的工业无线网络确定性传输调度方法，保证了工业无线网络中全网端到端数据流的确定性传输需求。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。