一种适用于wia-pa网络的信道和时隙调度方法
【技术领域】
[0001]本发明属于工业无线传感器网络技术领域，具体涉及一种适用于WIA-PA网络的信道和时隙调度方法。
【背景技术】
[0002]工业无线传感器网络是一种适用于工业场景下的无线通信技术，结合了传统的工业自动化和无线通信技术，是工业控制领域新的发展方向。工业无线传感器网络具有成本低、抗干扰能力强、可靠性高、能耗低、容易部署、灵活性高等技术特点，满足工业场景下对数据传输的要求。工业无线传感器网络与传统的有线传感器网络相比，解决了传统有线传感器网络中安装布线困难、安装成本高、灵活性低和维护工作复杂等问题。通过工业无线传感器网络是实现工业场景下整体节能降耗目的的主要技术手段之一。针对工业无线技术良好的发展趋势，目前在工业无线中共制定了三大国际标准，分别为ISA100.11a、WirelessHart 和 WIA-PA。
[0003]WIA-PA标准是我国拥有自主知识产权的国家标准，同时通过了国际电工委员会的批准，WIA-PA标准已经正式成为IEC国际标准，这标志着我国在工业无线通信领域处于世界的前列。WIA-PA标准主要应用于工业自动化领域的过程控制和性能检测，具有高实时性、高可靠性和抗干扰能力强等技术特点。
[0004]WIA-PA网络是以CSMA和TDMA相结合的方式采用时隙通信，时隙通信的关键是帧的传输要在规定的时间内完成，即帧要在规定的时隙内传输，不能延迟。因此，需要对WIA-PA网络的信道和时隙进行调度，安排网络设备的每个时隙上的动作，使WIA-PA网络能够正常的运行。在WIA-PA标准中没有信道和时隙的调度方法，因此，需要制定适用于WIA-PA网络的调度规则以及符合调度规则的调度方法，完成对WIA-PA网络中信道和时隙的调度。
[0005]本发明提出一种适用于WIA-PA网络的信道和时隙调度方法，能够有效地对信道和时隙进行调度，满足WIA-PA网络时隙通信的需求。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题为，WIA-PA网络是时隙通信，需要对网络中的信道和时隙进行调度，针对现有WIA-PA标准中没有对信道和时隙的调度方法做出规定，本发明的目的在于提出一种满足WIA-PA网络时隙通信的需要，满足网络中所有帧的传输的信道和时隙调度方法，本发明的技术方案如下:一种适用于WIA-PA网络的信道和时隙调度方法，其包括以下步骤:
[0007]101、设定适用于WIA-PA网络的调度规则，调度规则包括获取WIA-PA网络的已知条件、硬性条件和调度优先级；所述获取WIA-PA网络已知条件包括:a.获取WIA-PA网络的拓扑结构，包括每个现场设备的簇首和每个路由设备的父节点；b.获取每个路由设备到网关设备的最优路径和网关设备到每个路由设备的最优路径；c.获取WIA-PA网络中每个现场设备的数据更新周期；d.获取WIA-PA网络中当前的跳信道序列；
[0008]102、确定超帧阶段:根据步骤101中确定的调度规则的硬性条件确定WIA-PA网络中所有设备的超帧长度；
[0009]103、信标阶段:步骤102完成后，从绝对时隙O开始安排网络中所有设备在每个时隙上的动作，主要分为以下几个步骤:A1.绝对时隙O安排网关设备发送信标帧的一跳路径，监听网关设备信标帧的设备在此时隙安排接收信标帧的一跳路径；A2.对于步骤Al中完成安排接收信标帧的路由设备，在后续的绝对时隙中找到可用时隙安排发送信标帧的一跳路径；A3.以步骤A2中的路由设备为父节点的设备，在其父节点发送信标帧的时隙安排接收信标帧的一跳路径；A4.以此类推，直到安排完所有设备的信标帧；A5.现场设备完成安排接收信标帧的一跳路径后结束此阶段的安排，转至步骤104 ;
[0010]104、进行CAP竞争访问阶段，安排新设备加入网络的路径包括以下步骤:
[0011]B1、根据步骤101中确定的调度优先级中路由设备的顺序，依次选取路由设备循环执行以下步骤；B2、从路由设备发送信标帧的绝对时隙开始，在后续时隙中选取可用的时隙安排一跳路径，用于接收新设备的加入网络请求；B3、已知路由设备到网关设备的最优路径，继续安排此多跳路径，用于转发加入请求到网关设备；B4、已知网关设备到此路由设备的最优路径，继续安排此多跳路径，用于发送加入响应到此路由设备；B5、继续在后续时隙中选取可用的时隙安排一跳路径，用于向新设备发送加入网络响应；
[0012]执行完上述步骤后继续在CAP阶段安排分配通信资源的路径，主要有以下几个步骤:
[0013]B6、根据调度优先级中路由设备的顺序，依次选取路由设备循环执行以下步骤；B7、已知网关设备到路由设备的最优路径，从完成此路由设备之前动作的时隙开始，安排此多跳路径，用于配置通信资源请求，也可用于发送其它命令帧的请求；B8、根据路由设备所管理的簇内现场设备的数量，依次安排此路由设备到每个现场设备的一跳路径和每个现场设备到此路由设备的一跳路径，用于配置通信资源的请求响应、命令帧的请求响应和现场设备的信息报告；B9、已知路由设备到网关设备的最优路径，继续安排此路径，用于转发配置通信资源响应、其它命令帧的响应和现场设备的信息报告。
[0014]105、进行调度方法中簇内通信阶段，安排路径主要分为以下几个步骤:
[0015]Cl、根据调度优先级中路由设备的顺序，依次选取路由设备循环执行以下步骤；C2、以此路由设备为簇首的所有现场设备中，按照数据更新周期从小到大的顺序排列，从中依次选取现场设备循环执行以下步骤；C3.查找可用时隙，安排一跳路径从此现场设备到其簇首，再继续安排同样的路径用于重传；
[0016]106、进行簇间通信阶段，安排设备发送周期性数据到网关设备的路径主要分为以下几个步骤:
[0017]D1、根据调度优先级中路由设备的顺序，依次选取路由设备循环执行以下步骤；D2、已知路由设备到网关设备的最优路径，从完成此路由设备之前动作的时隙开始，安排此多跳路径，其中，安排每一跳路径时需要在后续可用时隙中再安排一跳相同的路径，用于重传；D3、循环执行第二步，第二步执行次数总共为此路由设备簇内的簇成员数量加1，用于为此路由设备和簇内所有簇成员安排发送周期性数据的路径；簇间通信阶段安排命令帧请求和响应的路径主要有以下几个步骤:D4、根据调度优先级中路由设备的顺序，依次选取路由设备循环执行以下步骤；D5、已知网关设备到路由设备的最优路径，从完成此路由设备之前动作的时隙开始，安排此多跳路径，用于发送命令帧的请求；D6、已知路由设备到网关设备的最优路径，继续安排此多跳路径，用于发送命令帧的响应；
[0018]107、生成链路表阶段:为网络中每个设备生成链路表，从绝对时隙O开始遍历全部有动作的时隙，从每一跳路径中提取相关信息插入到相关设备的链路表中，包括链路ID、邻居设备地址、链路类型、相对时隙号、信道编号和超帧ID，网关设备链路的相对时隙号与绝对时隙号相同，路由设备和现场设备链路的相对时隙号计算方法为:设备链路的绝对时隙号减去此设备接收信标的绝对时隙号。
[0019]进一步的，步骤101中的调度规则中的硬性条件主要有以下几个方面:a.设备的超帧长度为WIA-PA基本时间单位的21咅，其中η是自然数。WIA-PA的基本时间单位是32个IEEE STD 802.15.4-2006时隙；b.现场设备的超帧长度与其数据更新周期一致；c.簇首的超帧长度与其簇内的最小数据更新周期一致；d.同一个设备在同一个时隙内只能接收一次数据；e.同一个设备在同一个时隙内只能发送一次数据；f.同一个设备在同一个时隙内不能同时接收和发送数据；g.同一个时隙内的所有路径必须安排到不同的信道上，广播帧的接收端除外；h.路由设备必须在一个超帧内将所有的簇内数据和其本身的数据全部发送到目标节点，除此之外，还必须确保转发其它路由设备的数据到目标节点；1.网关设备必须在一个超帧内将需要发送的命令发送到目标节点；j.执行调度安排时需要考虑到所有类型的数据的接收和发送；k.在一个多跳路径中，优先安排离发送端近的一跳。前一跳的绝对时隙号永远小于后一跳的绝对时隙号；1.设备的超帧从相对时隙号O开始。
[0020]进一步的，步骤101中的调度规则中的调度优先级具体为:
[0021]a.根据每个路由设备与网关设备之间的最优路径，从距离网关设备最远的路由设备开始安排路径；b.在同一个路由设备管理的簇中，数据更新周期小的簇成员优先安排；c.命令帧的优先级高于数据帧；d.按照WIA-PA的超帧结构的各个阶段顺序安排，信标帧最先安排；
[0022]进一步的，步骤104-106中安排路径时，为每一跳路径分配一个信道偏移量。在同一个时隙中，信道偏移量从O开始顺序分配。根据信道偏移量计算信道的编号:
[0023]跳信道序列下标=(信道偏移量+绝对时隙号)％可用信道数量 (I)