无线网络中的网络管理和设备通信的支持的制作方法

专利名称：无线网络中的网络管理和设备通信的支持的制作方法
技术领域：
本专利总的来说涉及无线通信，更具体地说，涉及在过程控制环境下运行的无线 网络中传输网络管理数据和过程控制数据。
背景技术：
通信协议依赖于各种路由技术以在通信网络上的通信端点之间传输数据。通信或 网络协议及对应的路由策略通常是鉴于多种因素而选择的，例如对网络拓扑的认识、网络 的大小、用作信号载波的介质的类型、安全性和可靠性需求、容许发送延迟以及形成网络的 设备的类型。由于大量这类因素，典型的路由技术满足了某些设计目标，而以牺牲其他设计 目标为代价。例如，某种路由技术可以在数据数据输送上提供高水平的可靠性，但是也可能 需要相对高的开销。因此，尽管有许多已知方法来进行路由以及许多与这些路由方法相兼 容的协议，但是仍然存在有特定要求的通信网络，而这些特定要求没有被任何可用的路由 方法和协议完全满足。而且，由于各种工业和商业应用中涌现出了对效率、吞吐量和可靠性 的要求日益增长的新型通信网络，设计师和开发者经常遇到凭借现有协议和相关联的路由 技术无法轻易解决的新问题。一般而言，通信网络包括节点，这些节点是在连接这些节点的通信路径(硬线或 无线通信路径)上发送数据的发送方和接收方。另外，通信网络通常包括负责在节点间引 导业务的专用路由器，并且可选地包括负责配置和管理该网络的专用设备。某些或所有这 些节点也可以适用于充当路由器，以便引导在其它网络设备之间发送的业务。网络设备可以采用有线或无线的方式相互连接，并且网络设备可以具有与该网络 内的某些节点相比不同的路由和传输能力。例如，专用路由器可能能够进行高容量的发送， 而某些节点在相同的时段内可能只能够发送和接收相对很少的业务。另外，网络上的节点 之间的连接可具有不同的吞吐能力和不同的衰减特性。由于在介质的固有物理限制上的差 别，例如光纤电缆可能能够用于提供比无线链路高几个数量级的带宽。为了使节点在典型的网络上向另一节点发送数据，必须知道从源到目的地的完整 路径或者该路径的直接相关部分。例如，万维网(www)允许计算机主机对在没有任一主机 在发送信息之前知道完整路径的情况下在长距离上进行通信。相反，主机被配置以关于它 们被指派的网关和专用路由器的信息。具体来说，网际协议(IP)提供到www的网络层连通 性。IP定义被称为地址解析协议(ARP)的子协议，该子协议在每个主机处提供指定路由规 则的本地表。因此，连接到WWW或类似的广域网(WAN)的典型主机可以知道将具有与预先 配置的模式相匹配的预定地址的所有包路由至主机A并且将其余包路由至主机B。类似地， 转发这些包直接主机或“跳”还执行部分路由决策并通常在目的地的大致方向上引导数据。在大多数网络协议中，大多数或所有网络设备被充分地指派以唯一地址以使主机 能够以明确的方式交换信息。至少在单播(一对一)传送的情况下，必须在源指定目的地 址。出于这个原因，网络协议通常定义严格的寻址方案。如本领域普通技术人员将认识到 的，修改或扩展寻址方案是个复杂而昂贵的过程。例如，从IP协议的版本4 (IPv4)到版本6 (IPv6)的转变需要对大量支持IPv4的基础设施进行重要更新。另一方面，为小网络定义 具有大容量的寻址方案产生了不必要的开销。因此，理想地适应特定应用的网络协议提供 了足够数目的可能地址而不会在数据传送中有过多的开销。简而言之，有大量因素影响在特定行业中的特定协议的实现。在过程控制行业中， 已知的是，使用标准通信协议使得由不同制造商制出的设备能够以易于使用和实现的方式 与彼此通信。过程控制行业中使用的一个众所周知的通信标准是高速可寻址远程传感器 (HART)通信基础协议，通常称为HART 协议。一般而言，HART 协议支持专用导线或导 线组上的数字和模拟混合信号，在专用导线或导线组上，在线过程信号(如控制信号、传感 器测量结果等)作为模拟电流信号(例如范围从4到20毫安)被提供，并且诸如设备数据、 对设备数据的请求、配置数据、报警以及事件数据等等之类的其它信号，作为叠加或复用到 与模拟信号相同的导线或导线组上的数据信号被提供。然而，HART协议当前需要使用专用、 硬线通信线路，这导致需要在加工厂内大量布线。在过去几年里，已经存在一种将无线技术结合到以某些有限方式包括过程控制行 业的各种行业中的发展趋势。然而，在过程控制行业中，存在限制无线技术的完全结合、接 受和使用的巨大障碍。具体来说，过程控制工业需要十分可靠的过程控制网络，因为信号 的丢失失可能导致工厂失去控制，从而导致灾难性的后果，包括爆炸、致命化学制剂或气体 的释放等等。例如，Tapperson等人的美国专利No. 6，236，334公开了在过程控制行业中将 无线通信作为副的或备用通信路径使用或用于发送非关键性的或冗余的通信信号。而且， 在通常可以适用于过程控制行业的无线通信系统的使用上已经取得了许多进展，但是该无 线通信系统尚未以在加工厂内允许或提供可靠的并且在某些情况下完全无线的通信网络 的方式应用于过程控制行业。例如，美国专利申请公开No. 2005/0213612、2006/0029060和 2006/0029061公开了与一般无线通信系统相关的无线通信技术的各个方面。与有线通信类似，无线通信协议被期望提供高效、可靠和安全的信息交换方法。当 然，由于介质的共享和开放特征，在有线网络中被开发以解决这些重要问题的大多数方法 并不适用于无线通信。进一步，除了在有线通信协议之后的典型客观事实外，无线协议还面 临关于使用无线电频谱的同一部分的若干网络的干扰和共存的问题的其它要求。而且，某 些无线网络在无许可证的或向公众开放的频段中运行。因此，为这种网络服务的协议必须 能够检测或解决与频率(信道)争用、无线电资源共享和协商等等相关的问题。在过程控制行业中，无线通信协议的开发者面临另外的挑战，例如，实现与有线设 备的向后兼容、支持协议的先前有线版本，为改装了无线通信机的设备提供转变服务，并且 提供可同时保证可靠性和有效性的路由技术。同时，仍然存在相当多的过程控制应用，在这 些过程控制应用中存在即使有也很少的原地测量。当前，这些应用依赖于观测的测量结果 (例如，水位正在上升)或检查(例如，空调单元、泵、风机等等的周期性维护)来发现异常 情况。为了采取措施，操作员经常需要面对面的讨论。如果使用测量和控制设备，这些应用 中的许多的应用可能被大大简化；然而，当前的测量设备通常需要电力、通信基础设施、配 置以及简直是不可用的支持基础设施。另一方面，过程控制行业通常使用单独的协议来传输过程数据、资产管理、采集网 络统计值、接收警报或警告等。结果，已经涌现出大量为过程控制网络的运行的这些各个方 面单独提供服务的软件应用程序。每个应用程序或一种应用程序通常依赖于单独的标准，某些时候甚至需要单独的物理链路或连接。

发明内容
用于例如过程控制工厂中的网状通信网络包括使用通用无线通信协议发送和接 收过程数据和网络管理数据的多个无线现场设备。另外，无线通信协议可支持警报、事件数 据和诊断数据。在某些实施例中，无线通信协议包括若干层，并且在这些层之一上支持用于 管理该网络和发送过程数据的命令组。在其它实施例中，一个或多个命令与该无线通信协 议的一层相关联，而另一个或若干个命令与无线通信协议的另一层相关联。在一个实施例 中，该命令组扩展了用于诸如高速可寻址远程传感器(HART )过程控制自动化中的现有 有线通信协议。如果需要的话，现有的有线通信协议和无线通信协议可共享相应协议栈的 一层或若干层，因此外部应用可使用通用命令来与支持有线通信协议的有线设备和支持相 对应的无线通信协议的无线设备进行通信。根据一方面，无线通信协议支持若干个数据优先级级别，这些数据优先级部分地 确定该协议给每种类型的数据分配通信资源的顺序。在某些实施例中，网络管理数据(例 如、网络诊断、网络配置、网络控制等)可对应于一个优先级级别，而与过程控制或网络统 计相关联的数据可对应于另一、可能更低的优先层级别。另外，与警报或事件报告相关联的 数据可对应于又一优先级级别。在一个实施例中，该通信网络还可为网络设备可发送或接 收的所有其它类型的数据定义截然不同的优先级级别。在某些实施例中，驻留于网状网络 内部或外部的网络管理器可动态控制在通信网络中运行的各网络设备处的优先级设置，以 响应于检测到网状通信网络的状况变化而调节调度、路由或这两者。根据另一方面，该无线通信协议可使用该无线通信协议的命令组中的命令之一以 隧道方式传送与另一通信协议相关联的数据。在某些实施例中，该无线网状通信网络可包 括支持无线通信协议的一个或更多无线现场设备，和支持另一协议并通过无线适配器连接 到该无线网状通信网络的一个或多个有线现场设备。该无线通信协议可通过将与一个或更 多有线现场设备相关联的数据封装在无线通信协议的命令组中所包括的命令之一的内部 来传输该数据。根据又一方面，无线网状通信网络可根据定义为一组具有特定数目的预定持续时 间的通信时隙的并发重叠超帧的网络调度表来传输数据，用通信时隙的数目定义特定超帧 的长度。在一个实施例中，网络管理超帧的各通信时隙可用于从网络管理器向各无线现场 设备以及其它无线网络设备传输网络管理数据。同时，一个或多个更新超帧可包括在其中 无线现场设备可发送过程数据的时隙。在某些实施例中，各更新超帧的长度可对应于一个 或若干个无线设备的更新速率。进一步，各网络设备可沿定义网络设备对(例如无线现场设备、无线适配器、无线 路由器等)之间的通信路径的若干个图中的至少一个发送数据，其中几个网络设备对共享 定义一个或多个图的边缘的直接无线连接。在一个特别有用的实施例中，这些图是有向图， 并且相应地，通信路径是单向通信路径。网络管理器可将直接无线连接、通信信道和通信时 隙中的至少某些概念化地组合成链路资源。无线网状通信网络可预留某些链路资源用于传 输网络管理数据，并预留其它链路资源用于传输过程数据。另外，无线网状通信网络可将有 向图中的某些与网络管理数据进行关联，将另外一些图与过程数据进行关联，并且此外一些图与警报或事件数据进行关联。在某些情况下，网络设备对可通过不同的一个或若干个 中间跳对网络管理数据和过程控制数据进行路由。进一步，在无线网状通信网络的运行期 间，网络设备可部分地基于各个数据包或一组数据包的数据优先级来选择用于接收和发送 数据的链路资源。


图1示意性地示出了无线网络，其通过网关设备连接到工厂自动化网络，提供现 场设备与路由器设备之间的通信，并使用本公开内容的路由技术。图2是可在图1中示出的无线网络中使用的无线HART协议的各层的示意图。图3是示出根据这里论述的实施例之一定义的通信时隙的各段的框图。图4是示出三隙超帧的时隙与若干个通信设备的示例性关系的框图。图5示意性地示出示例性超帧的时隙与若干个通信信道的关系。图6示意性地示出包括若干个不同长度的并发超帧的示意性超帧定义的框图。图6A是示意性地示出若干个不同长度的并发超帧与绝对隙数计数器的关系的另 一框图。图7示意性地示出诸如图1或图3中示出的网络之类的无线网络可遵照的星型网 络拓扑。图8示意性地示出诸如图1或图3中示出的网络之类的无线网络可遵照的网状网 络拓扑。图9示意性地示出诸如图1或图3中示出的网络之类的无线网络可遵照的星型网 状网络拓扑。图10是示出利用本公开内容的某些图路由技术的无线网络中的冗余向上游数据 路径的框图。图11是示出利用本公开内容的某些图路由技术的无线网络中的冗余向下游数据 路径的框图。图12是示出利用本公开内容的某些图路由技术的无线网络中的冗余向上游和向 下游数据路径的框图。图13示意性地示出具有若干个网络设备的无线网络，这些网络设备根据特定设 备调度表并利用本公开内容的某些路由和调度技术来传送数据。图14示出针对图13中示出的两个设备的示例超帧定义。图15和16示出可以在图13中示出的网络的管理超帧中传送的若干种数据的时 隙分配。图17-20示出在图13中示出的每个设备的示例通信调度定义。图21示意性地示出对在图1或10-13的无线网络中运行的单个网络设备处的数 据包发送和接收的调度。图22是可被在图1或10-13的无线网络中运行的设备执行以确定发送排队数据 包的顺序的示例程序。图23是可被图1或10-13的无线网络中运行的设备执行以在若干个排队数据包 之间进行选择的平分决胜局程序。
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图24是可被图1或10-13的无线网络中运行的设备在接收数据包时执行的示例程序。
具体实施例方式图1示出示例性网络10，在示例性网络10中，可以使用这里所描述的调度技术和 路由技术。具体来说，网络10可以包括与无线通信网络14连接的工厂自动化网络12。工 厂自动化网络12可以包括通过通信骨干20连接的一个或更多固定工作站16和一个或更 多便携式工作站18，其中通信骨干20可以利用以太网、RS-485、Profibus DP或利用适合的 通信硬件和协议来实现。这些工作站和形成工厂自动化网络12的其它装置可以向工厂员 工提供各种控制和监督功能，包括对无线网络14中的设备的访问。工厂自动化网络12和 无线网络14可以经由网关设备22进行连接。更为具体地，网关设备22可以采用有线方式 连接到骨干20并且可以利用任何适合的(例如已知的)通信协议与工厂自动化网络12进 行通信。可以采用任何其它想要的方式(例如，作为单机设备、可插入主机工作站16或18 的扩展槽的卡、作为基于PLC或基于DCS的系统的输入/输出(I/O)子系统的一部分等等) 来实现的网关设备22可以提供在网络12上运行且具有对无线网络14的各种设备的访问 权限的应用程序。除了协议和命令转换，网关设备22还可以提供与在网络14中实现的无 线协议(这里称为无线HART协议)相关联的调度方案的时隙和超帧(在时间上均勻分隔 开的通信时隙组)所使用的同步计时。在一些配置中，网络10可以包括多于一个网关设备22以提高网络10的效率和可 靠性。具体来说，多个网关设备22可以提供用于无线网络14和工厂自动化网络12以及外 部世界之间的通信的额外带宽。另一方面，网关设备22可根据无线网络14内的网关通信 需要向适当的网络服务请求带宽。可以驻留在网关设备22中的网络管理器软件模块27可 以在该系统在运行的同时进一步重新评价需要的带宽。例如，网关设备22可以从驻留在无 线网络14外部的主机接收请求以检索大量的数据。然后，网关设备22可以请求网络管理 器27分配额外带宽以适应该事务。例如，网关设备22可以发出适当的服务请求。然后，网 关设备22可以在该事务完成时请求网络管理器27释放该带宽。继续参照图1，无线网络14可以包括一个或更多现场设备30-36。通常，像那些在 化工、石油或其它加工厂中使用的过程控制系统包括诸如阀、阀定位器、开关、传感器(例 如温度、压力和流速传感器)泵、风机等等之类的现场设备。一般而言，现场设备执行该过 程内的物理控制功能，例如，开阀或关阀或获得过程参数的测量值。在无线通信网络14中， 现场设备30-36为无线通信包的生成者和使用者。设备30-36可以利用无线通信协议进行通信，该无线通信协议提供了类似的有线 网络的功能，具有类似或改进的运行性能。具体来说，该协议可以使得该系统能执行过程数 据监测、关键数据监测(具有更严格的性能要求)、校准、设备状态和诊断监测、现场设备故 障检修、试运转以及监督过程控制。然而，执行这些功能的应用程序通常要求无线网络14 支持的协议在必要时提供快速更新，在需要时移动大量的数据，并且支持加入无线网络14 的网络设备，即使仅仅暂时用于试运转和修护工作。如果需要的话，网络14可包括非无线设备。例如，图1的现场设备38可以是遗留 (legacy)4-20mA设备，并且现场设备40可以是传统的有线HART设备。为了在网络14内进行通信，现场设备38和40可以经由无线HART适配器(WHA) 50或50A连接到无线HART 网络14。另外，WHA 50可以支持其它通信协议，例如，Foundation Fieldbus、PROFIBUS、 DeviceNet等等。在这些实施例中，WHA 50支持在协议栈的较下层上的协议转换。另外，假 设单个WHA 50也可以充当多路复用器并且可以支持多个HART或非HART设备。通常，网络管理器27可以负责使无线网络14适应不断变化的状况并且负责调度 通信资源。当网络设备加入和离开该网络时，网络管理器27可以更新它的无线网络14的 内部模型并且使用这种信息产生通信调度表和通信路由。另外，网络管理器27可以考虑无 线网络14的总体性能以及诊断信息，以使无线网络14适应拓扑和通信需求的变化。一旦 网络管理器27已经产生总体通信调度表，总体通信调度表的所有或各个部分可以通过一 连串命令从网络管理器27传输到这些网络设备。为了进一步增加带宽并提高可靠性，网关设备22可以在功能上被分成虚拟网关 24和一个或更多网络接入点25，网络接入点25可以是与网关设备22进行有线通信的分立 物理设备。然而，虽然图1示出了物理上分离的网关网络22和接入点25之间的有线连接 26，但是可以理解的是，元件22-26也可以是被提供为一体的设备。因为网络接入点25可 以与网关设备22物理分离，接入点25可以在战略上放置在网络14的几个不同的位置。除 了增加带宽，多个接入点25可以通过利用其它接入点25补偿一个接入点25处的可能差的 信号质量来增加网络14的总体可靠性。在一个或更多接入点25出现故障的情况下，拥有 多个接入点25还提供了冗余。除了分配带宽，要不然的话桥接网络12和14，网关设备22还可执行无线网络14 中的一个或更多管理功能。如图1中示出的，网络管理器软件模块27和安全管理器软件模 块28可以存储在网关设备22中并在网关设备22中执行。可替代地，网络管理器27和/ 或安全管理器28可以在工厂自动化网络12中的主机16或18之一上运行。例如，网络管 理器27可以在主机16上运行而安全管理器28可以在主机18上运行。网络管理器27可 以负责配置网络14、调度无线设备之间的通信、管理与这些无线设备相关联的路由表、监测 无线网络14的总体健康、向工作站16和18报告无线网络14的健康，以及其它管理和监督 功能。虽然在网络14中有单个网络管理器27运行可能就足够了，但冗余网络管理器27可 以类似地被提供以保护无线网络免受意料之外的设备故障。同时，安全管理器28可以负责 保护无线网络14不受到未被授权的设备的恶意或无意入侵。为了这个目的，安全管理器28 可以管理鉴权代码，验证由尝试加入无线网络14的设备提供的授权信息，更新诸如到期密 钥之类的暂时性安全数据以及执行其它安全功能。继续参照图1，无线网络14可以包括一个或更多现场设备30-36。通常，像那些在 化工、石油或其它加工厂中使用的过程控制系统包括诸如阀、阀定位器、开关、传感器(例 如温度、压力和流速传感器)、泵、风机等等之类的现场设备。现场设备执行该过程内的物 理控制功能，例如，开阀或关阀或获取过程参数的测量值。在无线通信网络14中，现场设备 30-36为无线通信包的生成者和使用者。设备30-36可以利用无线通信协议进行通信，该无线通信协议提供了类似的有线 网络的功能，具有类似或改进的运行性能。具体来说，该协议可以使得该系统能执行过程数 据监测、关键数据监测(具有更严格的性能要求)、校准、设备状态和诊断监测、现场设备故 障检修、试运转以及监督过程控制。然而，执行这些功能的应用程序通常要求由无线网络14
1支持的协议在必要时提供快速更新，在需要时移动大量的数据，并且支持加入无线网络14 的网络设备，即使仅仅暂时用于试运转和修护工作。在一个实施例中，支持无线网络14的网络设备30-36的无线协议是已知有线HART 协议的扩展，这是一种被广泛接受的行业标准，其维护有线环境的简单工作流程和实践。在 这种意义上，网络设备30-36可以被认为是无线HART设备。通过简单增加新的设备描述文 件，用于有线HART设备的相同工具可以容易地适用于无线设备30-36。以这种方式，该无线 协议可以借助利用有线HART协议获得的经验和知识的杠杆作用来使培训最少并简化维护 和支持。一般而言，使协议适应于无线应用，以便在设备上运行的大多数应用程序没有“注 意到”从有线网络到无线网络的转变可以是方便的。显然，这样的透明性大大减小了升级 网络的成本，并且更为一般地，减小了与开发和支持可以和这样的网络一起使用的设备相 关的成本。对众所周知的HART协议进行无线扩展的一些另外的好处包括对用有线设备难 以获得或需要昂贵的代价才能获得的测量结果的访问以及从可以安装在膝上型电脑、手持 机、工作站等等上的系统软件配置和操作仪器的能力。另一个好处是有能力将诊断警告从 无线设备返回通过通信基础设施送到在集中放置的诊断中心。例如，加工厂中的每个热交 换器可能与无线HART设备安装在一起并且当交换器检测到问题时，可以警告终端用户和 供应商。又一好处是有能力监测呈现严重健康和安全问题的状况。例如，无线HART设备可 能放置在路上的洪水区并用于警告当局或司机有关水位的情况。其它好处包括对宽范围 的诊断警告的访问，和在无线HART设备处存储趋势值以及计算值的能力，以便当建立了与 该设备的通信时，可以将这些值传输到主机。在这种方式下，无线HART协议可以提供使主 机应用程序能够无线访问现有的HART使能现场设备的平台，并且该无线HART协议可以支 持电池供电的、仅限无线的HART使能现场设备的部署。该无线HART协议可以用于建立过 程应用的无线通信标准，并且可以进一步通过增强基本的HART技术以支持无线过程自动 化应用，来扩展HART通信的应用以及该协议提供给过程控制行业的好处。再次参见图1，现场设备30-36可以是无线HART现场设备，每个现场设备30_36采 用整体单元的形式并且支持无线HART协议栈的所有层。例如，在网络14中，现场设备30可 以是无线HART流量计，现场设备32可以是无线HART压力传感器，现场设备34可以是无线 HART阀定位器，现场设备36可以是无线HART压力传感器。重要的是，无线设备30-36可 以支持用户已经从有线HART协议见到的所有的HART特征。如本领域技术人员将会懂得的 是，该HART协议的核心实力之一在于它的严格的协同工作能力要求。在一些实施例中，所 有无线HART装置包括核心的强制性能力以便允许(例如，由不同厂商制造的)同等的设备 类型被互换而不会危及系统运行。而且，无线HART协议向后兼容诸如设备描述语言(DDL) 之类的HART核心技术。在优选实施例中，所有的无线HART设备应该支持DDL，其确保终端 用户直接具有开始使用无线HART协议的工具。如果需要的话，网络14可以包括非无线设备。例如，图1的现场设备38可以是遗 留4-20mA设备，并且现场设备40可以是传统的有线HART设备。为了在网络14内进行通 信，现场设备38和40可经由无线HART适配器(WHA) 50连接到无线HART网络14。另外， WHA 50 可以支持其它通信协议，例如，FOUNDATION Fieldbus、PROFIBUS、DeviceNet 等等。在这些实施例中，WHA 50支持在协议栈的较下层上的协议转换。另外，假设单个WHA 50也可以充当多路复用器并且可以支持多个HART或非HART设备。
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工厂员工另外可使用手持式设备进行网络设备的安装、控制、监测和维护。一般而 言，手持式设备是便携式装置，该便携式装置可以直接连接到无线网络14或通过网关设备 22连接到无线网络14作为工厂自动化网络12上的主机。如图1示出的，连接无线HART 的手持式设备55可以直接与无线网络14进行通信。当与形成的无线网络14 一起运行时， 手持式设备55可以只是作为另一无线HART现场设备加入网络14。当与没有连接到无线 HART网络的目标网络设备一起运行时，手持式设备55可以通过与该目标网络设备形成它 自己的无线网络，作为网关设备22和网络管理器27的结合来运行。连接工厂自动化网络的手持式设备(未示出)可以用于通过诸如Wi-Fi之类的已 知组网技术连接到工厂自动化网络12。该设备采用与外部工厂自动化服务器(未示出)相 同的方式通过网关设备22与网络设备30-40进行通信，或者工作站16和18与设备30-40 进行通信。另外，无线网络14可以包括路由器设备60，该路由器设备60是从一个网络设备向 另一个网络设备转发包的网络设备。正在充当路由器设备的网络设备使用内部路由表来指 挥路由，即来决定特定的包应该被发送给哪个网络设备。在那些无线网络14上的所有设备 都支持路由的实施例中，可以不需要诸如路由器60之类的单机路由器。然而，(例如为了 扩展网络，或为了节省该网络中的现场设备的电力)添加一个或更多专用路由器60到网络 14可以是有益的。直接连接到无线网络14的所有设备可以被称为网络设备。具体来说，无线现场设 备30-36、适配器50、路由器60、网关设备22、接入点25以及无线手持式设备55是为了路 由和调度目的的网络设备，这些网络设备中的每一个形成无线网络14的节点。为了提供非 常健壮的和容易扩展的无线网络，网络中的所有设备可以支持路由并且每个网络设备可以 用诸如HART地址之类的实质上唯一的地址来进行全局标识。网络管理器27可以包含网络 设备的完整列表，并且可以指派给每个设备短的、网络唯一的16位(例如)别名。另外，每 个网络设备可以存储与更新(“扫描”)速率、连接会话以及设备资源相关的信息。简而言 之，每个网络设备维护与无线网络14内的路由和调度相关的最新信息。每当新的设备加入 该网络时或每当网络管理器27检测到或发起无线网络14的拓扑或调度的改变时，网络管 理器27可以将该信息传达到网络设备。此外，每个网络设备可以存储并维护该网络设备在侦听操作期间已经识别的邻居 设备的列表。一般而言，网络设备的邻居是潜在能够根据由相应的网络强制实行的标准建 立与该网络设备的连接的任何类型的另一个网络设备。在为无线HART网络14的情况下， 该连接是直接无线连接。然而，将会理解的是，邻居设备还可以是以有线方式连接到特定设 备的网络设备。如稍后将要讨论的，网络设备可通过广告或在指定的时段发出的特殊消息 来促进其它网络设备发现它们。可操作地连接到无线网络14的网络设备具有一个或更多 邻居，这些网络设备可以根据广告信号的强度或根据一些其它准则选择这些邻居。在如图1示出的实例中，由直接无线连接65连接的一对网络设备中的每个设备将 另一个识别为邻居。无线网络14的网络设备可以形成大量的设备间连接65。建立两个网 络设备之间的直接无线连接65的可能性和愿望由诸如这些节点之间的物理距离、这些节 点(设备)之间的障碍、这两个节点中的每一个节点处的信号强度等等若干因素来确定。通 常每个无线连接65由与发送频率、接入无线电资源的方法等有关的一个大的参数组特征化。本领域普通技术人员将认识到的是，通常，无线通信协议可以在指定频率上运行，例如 由美国的联邦电信委员会(FCC)指派的那些频率，或运行于无许可证的无线电频段(例如， 2. 4GHz)。尽管这里讨论的系统和方法可以应用于在任何指定频率或频率范围上运行的无 线网络，但是下面讨论的示例性实施例涉及与运行于无线电频谱上的无许可证的或者共享 部分的无线网络14。根据这个实施例，无线网络14可以被容易地驱使或调整为根据需要在 特定的无许可证的频率范围中运行。继续参照图1，两个或更多直接无线连接65可以形成在不能形成直接无线连接65 的节点之间的通信路径。例如，无线HART手持式设备55和无线HART设备36之间的直接 无线连接65A，连同无线HART设备36和路由器60之间的直接无线连接65B，可以形成设备 55和60之间的通信路径。如以下更加详细讨论的，这些通信路径中的至少一些可以是有向 通信路径(即仅允许或一对设备之间沿一个方向传输数据)。同时，无线HART设备36可 以直接连接到网络设备55、60、32中的每一个，并且连接到网络接入点25A和25B。一般而 言，在无线网络14中运行的网络设备可以发起数据包、中继由其它设备发送的数据包或执 行这两种类型的操作。如这里所使用的，术语“终端设备”指不中继由其它设备发送的数据 包的网络设备，而术语“路由设备”指中继在其他网络设备之间传播的数据包的网络设备。 当然，路由设备还可以发起它自己的数据，或者在某些情况下也可以是终端设备。因此，一 个或若干终端设备和路由设备，连同若干直接连接65，可以形成网状网络的一部分。因为加工厂可以具有成百或者甚至上千个现场设备，所以在该工厂中运行的无线 网络14可以包括大量的节点，并且在许多工作情况下包括更大量的节点对之间的直接连 接65。结果，无线网络14可能具有复杂的网状拓扑，并且不共享直接连接65的一些设备对 可能必须通过执行这些设备之间的通信的许多中间跳来进行通信。因此，在数据包离开源 设备之后到达目的设备之前，可能有时需要沿许多直接连接65进行传播，并且每个直接连 接65可能对该数据包的总传递时间添加一延迟。而且，这些中间设备中的某些中间设备可 以位于网状网络的许多通信路径的交叉点处。同样，可能除了发起它自己包之外，这些设备 还可能要负责中继由许多不同设备发起的大量的包。因此，相对忙的中间设备可以不马上 转发瞬变的数据包，而是在相应的通信路径上向下一个节点发送该包之前，可以将该包排 入队列等待相对长的时间。当数据包最终到达该目的设备时，该目的设备可以用确认包进 行回复，该确认包也可能遇到类似的延迟。在该包传播到目的设备以及相应的确认包从该 目的设备传播回到该发起设备期间，该发起节点可能不知道该数据是否已经成功到达该目 的设备。而且，设备可能由于调度维护和升级或由于意外故障而离开无线网络14，从而改变 了该网状网络的拓扑并破坏了这些通信路径中的某些路径。类似地，这些设备可以加入无 线网络14，从而添加了另外的直接连接65。如果不以高效且及时的方式进行处理的话，无 线网络14的拓扑的这些或其它改变可能会大大影响节点对之间的数据发送。然而，重要的是，传递数据包的效率可以在很大程度上决定工厂运行的可靠性、安 全性和总体质量。例如，包括指示反应器的过高温度的测量值的数据包应该快速并可靠地 到达另一节点，例如手持式设备55或者甚至是工作站16，以便操作员或控制器可以马上采 取适当的措施并且如果必要的话致力于解决危险情况。为了高效利用可用的直接无线连接 65并完全适应频繁改变的网络拓扑，网络连接器27可以维护完整的网络地图68，定义连接 至少某些网络设备对30-50的路由方案，并且将该路由方案的相关部分传达给参与该路由
14方案的每个网络设备。具体来说，网络管理器27可以定义包括一个或更多单向通信路径的一组有向图， 将图标识符指派给每个定义的有向图，并且可以将每个图定义的相关部分传达给每个相应 的网络设备，每个相应的网络设备而后可以更新特定设备的、在本地存储的连接表69。如 以下更详细的说明，网络设备30-50接着可以基于包括在数据包的包头或包尾等等的图标 识符来路由这些数据包。如果需要的话，每个连接表69可以仅仅存储与相应的网络设备直 接相关的路由信息，这样该网络设备不知道包括该网络设备的有向图的完整定义。换句话 说，该网络设备可能无法“看到”其直接邻居之外的网络，并且在这种意义上，该网络设备可 能不知道无线网络14的完整拓扑。例如，在图1中示出的路由器设备60可以存储连接表 69A，其可以仅仅指定与相邻网络设备32、36、50和34相关的路由信息。同时，WHA 50A可 以存储连接表69B，其相应地可以指定与WHA 50A的邻居相关的路由信息。在某些情况下，网络管理器27可以在网络设备对之间定义双重通信路径，以确保 在主通信路径的直接连接65之一变得不可用的情况下，数据包仍然可以沿副通信路径到 达目的设备。然而，直接连接65中的一些可以在特定的网络设备对的主路径和副路径之间 被共享。而且，网络管理器27在某些情况下可以将要使用的整个通信路径传达给某一网络 设备，该网络设备接着可以发起数据包并且将完整的路径信息包括在该数据包的包头和包 尾中。优选地，针对无严格的等待时间要求的数据，网络设备使用这种路由方法。如下详细 讨论的，该方法(这里称为“源路由”)可以不提供相同程度的可靠性和灵活性，并且，一般 而言，可以具有传递延迟较长的特征。无线网络协议的(并且特别是在无许可证的频带中运行的无线网络的)另一核心 要求是以最小的扰乱性与使用同一频带的其它装备共存。共存一般定义为一个系统在共享 环境中执行任务的能力，在该共享环境中，其它系统能够类似地执行它们的任务，同时遵照 同一准则组或者不同(并且可能未知的)的准则组。在无线环境中共存的一个要求是在该 环境中出现干扰时该协议维持通信的能力。另一要求是该协议应该对其它通信系统造成尽 可能小的干扰和扰乱。换句话说，无线系统与周围的无线环境共存的问题大体具有两个方面。共存的第 一方面是该系统用以影响其它系统的方式。例如，特定系统的操作员或开发者可以询问一 个发射器发送的信号对接近该特定系统运行的其它无线电系统具有什么影响。更为具体 地，该操作员可以询问，每当该发射机开启时该发射机是否扰乱某些其它无线设备的通信， 或者该发射机是否在广播上花费过多的时间从而有效地“独占”(hogging)该带宽。理想 地，每个发射机应该是不被其它发射机注意到的“安静邻居”。尽管该理想特性(如果有的 话)很少能够达到，但创造了其它无线通信系统可以在其中运行得相当好的共存环境的无 线系统可以被称为“好邻居”。无线系统的共存的第二方面是该系统在有其它系统或无线信 号源的情况下运行得相当好的能力。具体来说，无线系统的健壮性可以取决于该无线系统 防止在这些接收机处的干扰的能力有多好，取决于这些接收机是否由于接近的RF能量源 而容易超载，取决于这些接收机对偶尔的位丢失的容忍度有多好，以及类似的因素。在某些 行业中，包括过程控制行业，有许多重要的经常不允许数据丢失的潜在应用。能够在嘈杂的 或动态的无线电环境中提供可靠通信的无线系统可以被称为“宽容的邻居”。有效的共存(即，作为好邻居和宽容的邻居)部分地依赖于有效使用三方面的自由时间、频率和距离。当通信在1)在干扰源(或者其它通信系统)安静的时候发生；2) 以与干扰信号不同的频率发生；或3)在足以远离该干扰源的位置发生时，该通信可能是成 功的。尽管这些因素中的单个因素可能用于在无线电频谱的共享部分提供通信方案，但是 这些因素中的两个或所有三个的结合可以提供高度的可靠性、安全性和速度。仍然参见图1，网络管理器27或在网络14或12上运行的另一应用或服务可以鉴 于以上讨论的这些因素定义无线通信网络14的主网络调度表67。主网络调度表67可以为 网络设备25和30-55指定将诸如时间段和无线电频率之类的资源的分配。具体来说，主网 络调度表67可以指定网络设备25和30-55中的每一个何时发送过程数据、代表其它网络 设备路由数据、侦听从网络管理器27传播来的管理数据以及为了希望加入无线网络14的 设备而发送广告数据。为了以有效方式分配无线电资源，网络管理器27可以鉴于无线网络 14的拓扑定义并更新主网络调度表67。更为具体地，网络管理器27可以根据在每个节点 处标识的直接无线连接65来分配可用资源给无线网络14的节点中的每一个(即，无线设 备30-36、50以及60)。在这种意义上，网络管理器27可以鉴于在每个节点处的发送要求和 路由可能性来定义和维护网络调度表67。主网络调度表67可以将可用的无线电资源分成独立的通信信道，并且进一步以 例如时分多址(TDMA)通信时隙为单位在每个信道上测量发送和接收时机。具体来说，无线 网络14可以在某一频带内运行，该频带在大多数情况下可以安全地与若干截然不同的载 波频率相关联，以便以一个频率进行的通信可以与以该频带内的另一频率进行的通信同时 发生。本领域普通技术人员将会理解的是，在典型应用中的载波频率(例如公共无线电) 被充分地分隔开以防止相邻载波频率之间的干扰。例如，在2. 4GHz频带中，IEEE指派频率 2. 455给信道号21，指派频率2. 460给信道号22，从而允许2. 4GHz频带的两个相邻段之间 隔开5KHz。主网络调度表67可以因此将每个通信信道与截然不同的载波频率相关联，该载 波频率可以是该频带的特定段的中心频率。同时，如使用TDMA技术的行业中通常所用的，术语“时隙”指特定的持续时间段， 较大的时段被分成该特定的持续时间段以提供受控的共享方法。例如，一秒可以分成10等 分的100毫秒时隙。虽然主网络调度表67优选地以单个固定持续时间的时隙分配资源，但 是只要无线网络14的每个相关节点都被适当地通知了这种改变，那么改变这些时隙的持 续时间也是可能的。继续10个100毫秒时隙的实例定义，两个设备可以每秒交换一次数 据，在每秒的第一个100ms时段(即第一时隙)期间一个设备进行发送，在每秒的第四个 100ms(即第四时隙)期间，另一设备进行发送，而剩下的时隙未被占用。因此，在无线网络 14上的节点可以通过发送频率以及相应的设备可以在其间发送和接收数据的时隙来标识 被调度的发送时机和接收时机。为了使网络设备25A-25B和30_50与主网络调度表67适当同步，网络管理器27 可维护一计数器68来跟踪自从无线网络14形成以来，即第一网络发起形成无线网络14的 过程以来，所调度的时隙数。如以上所指示的，第一网络设备可以是例如网关设备22。自从 无线网络14开始以来逝去的时隙数在这里被成为绝对隙数(“ASN”)，与特定超帧中的时 隙的相对隙数形成对比。网络管理器27可在形成无线网络14时将ASN计数器68初始化 为零，然后在每次出现新时隙时将ASN计数器68递增1。如下面更详细地论述的，网络设备 25A-25B和30-50中的每一个可类似地维护ASN计数器68的本地副本，并周期性地将该本地副本与由网络管理器27维护的主ASN计数器68进行同步。作为定义有效的和可靠的网络调度表67的一部分，网络管理器27可以在将时隙 在逻辑上组织成循环重复的组或超帧。如这里所使用的，超帧可以被更为精确地理解为一 连串相等的超帧循环，每个超帧循环对应于形成连续时间段的若干相邻接的时隙的逻辑分 组。在给定超帧内的时隙的数目定义了超帧的长度并且确定了每个时隙多久重复一次。换 句话说，超帧的长度与单个时隙的持续时间相乘，指定了一个超帧循环的持续时间。另外， 为了方便起见，可以对每个帧循环内的时隙进行连续编号。举一个具体的实例，网络管理 器27可以将时隙的持续时间固定在10毫秒，并且可以定义长度为100的超帧，以产生1 秒帧循环(即，10毫秒乘以100)。在基于0的编号方案中，该实例超帧可以包括编号为0， 1，... 99的时隙。如以下更详细的讨论，网络管理器27减少了等待时间并且另外通过将多个不同 大小的并发超帧包括在网络调度表67中来优化数据发送。而且，网络调度表67的一些或 所有超帧可以跨越多个信道或载波频率。因此，主网络调度表67可以指定各个超帧的各个 时隙和可用信道之一之间的关联。因此，主网络调度表67可以对应于独立的设备调度表的集合。例如，诸如阀定位 器34之类的网络设备可以具有独立的设备调度表67A。设备调度表67A可以仅仅包括与相 应的网络设备34相关的信息。类似地，路由器60可以具有独立的设备调度表67B。相应 地，网络设备34可以根据设备调度表67A发送和接收数据而不知道诸如该设备60的调度 表69B之类的其它网络设备的调度表。为了这个目的，网络管理器27可管理总的网络调度 表67和各个独立的设备调度表67 (例如，67A和67B)，并且当需要时将独立的设备调度表 67传达给相应的设备。当然，设备调度表67A和67B从整个或主网络调度表67派生出来， 并作为其子组。在其它实施例中，独立的网络设备25和35-50可以至少部分定义或协商设 备调度表67并将向网络管理器27报告这些调度表。根据这个实施例，网络管理器27可以 根据接收到的设备调度表67组合网络调度表67，同时检查资源竞争并解决潜在的冲突。为了最优地利用可用无线资源并且保证有效的和可靠的数据传递，网络管理器27 可以进一步鉴于路由来优化调度决定，可替代地，鉴于调度决策来优化路由。在一些特别有 用的实施例中，网络管理器27可以在概念上将诸如有向图的边之类的路由概念与诸如时 隙和超帧之类的调度资源相结合以定义链路。这些链路可以进一步包括若干截然不同的类 型，例如与一已知设备对相关联的专用链路、发射机或接收机中的至少一个没有被预先指 派的共享链路、用于从单个源对多个设备进行寻址的广播和组播链路等等。在这些实施例 中，网络管理器27可以通过分析网络14的拓扑、形成一组指定网络设备对之间的通信路径 的有向图、部分地基于这些网络设备处的更新速率定义超帧，并且顺序地将已定义的超帧 内的时隙分配给这些设备之间的有向连接以定义一组指定每个数据发送的方向和时间的 链路，来高效地利用链路资源。另外，在那些网络14在若干无线信道上运行的实施例中，每 个链路可以指定发生特定发送所在的信道。如以下详细讨论的，网络管理器27由此可以确 保这些网络设备高效而可靠地进行通信。例如，网络管理器27可以确保在多跳通信路径 上，数据包在传输到该路径上的下一跳之前花费尽可能少的时间。以上在一般描述的支持无线网络14的通信协议在这里被称为无线HART协议70， 并且参照图2更详细地讨论该协议的操作。如将会被理解的，直接无线连接65中的每一个可以根据无线HART协议70的物理和逻辑要求来传输数据。同时，无线HART协议70可以 高效地支持在时隙内并且在与特定设备调度表69所定义的超帧相关联的载波频率上进行
通{曰。图2示意性地示出了无线HART协议70的一个示例性实施例的各层，与众所周 知的通信协议的IS0/0SI 7层模型的各层近似对齐。作为比较，图2另外示出现有的“有 线”HART协议72的各层。将会理解的是，无线HART协议70不一定要具有有线对等体。然 而，如下面将要详细讨论的，无线HART协议70可以通过与现有协议共享该协议栈的一个或 更多上层来大大方便其实现。如以上所指示的，如以上所指示的，与为类似网络提供服务的 有线协议72相比，无线HART协议70可以提供相同或更高程度的可靠性和安全性。同时， 通过消除安装有线的需要，无线HART协议70可以提供若干重要的优点，例如降低与安装网 络设备相关的成本。还将会理解的是，虽然图2将无线HART协议70表现为HART协议72 的无线对等体，但这种特定的对应在这里仅仅是作为实例被提供。在其它可能的实施例中， 无线HART协议70的一或更多层可以对应于其它协议，或如以上所提及的，无线HART协议 70甚至可以与现有协议中的任何一个共享或不与之共享最上面的应用层。可以使用无线 HART 协议 70 栈作为根据诸如 Foundation Fieldbus、Profinet、Modbus TCP、和因特网 IP 之类的其他通信标准的网络层。在这些情况下，无线HART协议70可负责传输实时数据、警 报、报警、趋势或符合HART通信标准的其他信息。如图2中示出的，HART技术的无线扩展可以将至少一个新物理层(例如， IEEE802. 15. 4无线电标准)和两个数据链路层(例如，有线和无线网格)添加给已知的有 线HART实施。一般而言，无线HART协议70可以是安全的、在2. 4GHz ISM无线电频带中运 行的无线网格组网技术(块74)。在一个实施例中，无线HART协议70可以在一个事务接一 个事务的基础上利用可兼容IEEE 802. 15. 4b的直接序列扩频通信(DSSS)无线电和信道跳 频。可以利用TDMA对该无线HART通信进行调停以调度链路活动(块76)。同样，优选地， 所有通信在指定的时隙内执行。一个或更多源设备和一个或更多目的设备可以被调度以在 给定时隙中进行通信，并且每个时隙可以专门用于来自单个源设备的通信，或者这些源设 备可以被调度为利用像CSMA/CA那样的共享通信接入模式进行通信。源设备可以发送消息 到一个或更多特定的目标设备或者可以将消息广播到被指派时隙的所有目标设备。因为这里描述的无线HART协议70允许部署网状拓扑，所以也可以指定重要的网 络层78。具体来说，网络层78可以使得单独的设备之间能够建立直接无线连接65，并且使 得无线网络14的特定节点(例如设备34)和网关22之间能够通过一个或更多中间跳来路 由数据。在某些实施例中，网络设备对30-50可以建立包括一个或若干跳的通信路径，而在 其它实施例中，所有数据可以要么向上游传播到网关设备22，要么从网关设备22向下游传 播到特定的节点。为了增强可靠性，无线HART协议70可以将TDMA与一种将多个无线电频率与单个 通信源相关联的方法(例如，信道跳频)相结合。信道跳频提供了最小化干扰并减少多径 衰落影响的频率分集。具体来说，数据链路76可以生成单个超帧和多个载波频率之间的 关联，数据链路层76以受控的和预定义的方式在所述多个载波频率之间循环。例如，无线 HART网络14的特定场合的可用频带可以具有载波频率Fi，F2，. . . Fn。超帧S的相关帧R可 以被调度为，在循环Cn中以频率&出现，在接下来循环Cn+1中以频率F5出现，在循环Cn+2中
18以频率F2出现，等等。网络管理器27可以利用该信息配置相关网络设备，以便在超帧S中 进行通信的网络设备可以根据超帧S的当前循环调整发送频率或接收频率。无线HART协议70的数据链路层76可以提供另外的将信道列入黑名单的特征，其 限制这些网络设备使用该无线电频带中的某些信道。网络管理器27可以响应于检测到信 道上的过多干扰或其它问题，将无线电信道列入黑名单。进一步，操作员或网管可以将信道 列入黑名单以便保护使用无线电频带的固定部分的无线服务，否则的话该无线服务要与无 线HART网络14共享该固定部分。在一些实施例中，无线HART协议70以超帧为基础控制 列黑名单，以便每个超帧具有独立的被禁止信道的黑名单。在一个实施例中，网络管理器27负责分配、指派并调整与数据链路层76相关联的 时隙资源。如果网络管理器27的单个例子支持多个无线HART网络14，网络管理器27可以 为无线HART网络14的每个例子生成总体调度表。该调度表可以被组织成包含相对于该超 帧的起点进行编号的时隙的超帧。另外，网络管理器27可以维持全局性绝对时隙计数，该 绝对时隙计数可以反映自从无线HART网络14启动以来被调度的时隙的总数。该绝对时隙 计数可以用于同步目的。无线HART协议70可以进一步定义链路或链路对象以便在逻辑上统一调度和路 由。具体来说，链路可以与具体的网络设备、具体的超帧、相对隙数、一个或更多链路选项 (发送、接收、共享)以及链路类型(正常、发现、广播、加入)相关联。如图2中示出的，数 据链路层76可以是频率捷变的。更为具体地，信道偏移量可以用于计算用于执行通信的具 体的无线电频率。网络管理器27可以鉴于每个网络设备处的通信要求定义一组链路。然 后，每个网络设备可以被配置以所定义的该组链路。所定义的该组链路可以确定该网络设 备何时需要醒来，以及该网络设备是否应该在醒来后即进行发送、接收或同时发送/接收。继续参照图2，无线HART协议70的传输层80允许有效的尽力而为的通信和可靠 的、端到端确认式通信。如本领域技术人员将会认识到的，尽力而为的通信允许设备发送包 而不进行端到端的确认，并且不保证目的设备处的数据顺序。用户数据报协议(UDP)是这 种通信策略的一个众所周知的实例。在过程控制行业中，该方法可以对公布过程数据是有 用的。具体来说，因为设备周期性地传播过程数据，所以端到端确认和重试已经限制了效 用，特别是考虑到新数据是在定期的基础上产生的。相反，可靠的通信允许设备发送确认 包。除了保证数据传递，传输层80还可以安排网络设备间发送的包。对于请求/响应业务， 或者当发送事件通知时，这种方法可以是优选的。当使用传输层80的可靠模式时，通信可 以变得同步。可靠的事务可以被建模为发出请求包的主设备和用响应包进行回复的一个或多 个从设备。例如，主设备可以产生某一请求并且可以将该请求广播到整个网络。在某些实 施例中，网络管理器27可以使用可靠的广播来告诉无线HART网络14中的每个网络设备激 活新的超帧。可替代地，诸如传感器30之类的现场设备可以产生包并且将该请求传播到另 一现场设备，例如传播到便携式HART通信装置55。作为另一实例，由现场设备34产生的警 报或事件可以作为指向网关设备22的请求被发送。响应于成功接收到该请求，网关设备22 可以产生响应包并且将该响应包发送到设备34，以对接收到该警报或事件通知进行确认。 设备34可保留或锁存该警报，直到该确认从网关设备22来到为止。再参见图2，会话层82可以提供网络设备之间的基于会话的通信。可以用会话在该网络层上管理端到端通信。网络设备可以具有为给定对等网络设备定义的多于一个会 话。如果需要的话，几乎所有网络设备都可以具有至少两个与网络管理器27建立的会话 一个用于成对通信，一个用于从网络管理器27进行的网络广播通信。另外，所有网络设备 都可以具有一个或更多个网关会话密钥。在一个特别有用的实施例中，每个网络设备可具 有两个网关会话密钥，分别用于单播和广播通信。这些会话可以通过指派给它们的网络设 备地址来区分。每个网络设备可以跟踪该设备参与的每个会话的安全信息(加密密钥、临 时计数器)以及传输信息(可靠传输顺序号、重试计数器等)。最后，无线HART协议70和有线HART协议72可以支持公共HART应用层84。无线 HART协议70的应用层可以另外包括子层86，其支持大数据组的自动分段传输。通过共享 应用层84，协议70和72允许对HART命令和数据进行公共封装并且消除了在协议栈的最上 层中进行协议转换的需要。调度通信图3-6提供了由无线HART协议70的数据链路层76和网络层78支持的信道和时 隙资源分配的更详细的图示。如以上参照图1所讨论的，网络管理器27可以管理一个或更 多超帧的定义并且可以将所定义的超帧中的每一个超帧内的独立的时隙与可用信道(例 如，载波频率)之一相关联。作为一个具体的实例，图3示出了在独立的时隙内的可用通信 方案，而图4示出了使用某一超帧的时隙在若干设备之间进行的示例性数据交换。接下来， 图5示出示例性时隙和若干可用信道之间的可能关联，并且图6是若干包括图3-5示出的 时隙的并发超帧的示意图。具体参见图3，两个或更多网络设备可以在时隙100中交换数据，时隙100可以是 由一个发送设备和一个接收设备共享的专用时隙，也可以是具有超过一个发射机和/或一 个或更多接收机的共享时隙。在任一情况下，时隙100可以具有发送调度表102和接收调 度表104。换句话说，一个或更多发送设备可以根据发送时隙调度表102在时隙100内进 行通信，而一个或更多接收设备可以根据接收时隙调度表104在时隙100内进行通信。当 然，时隙调度表102和104实质上精确地同步并且在同一相对时刻106开始。在时隙100 的过程中，发送网络设备在诸如由特定载波无线电频率定义的通信信道上发送预定量的数 据。在某些情况下，发送网络设备还可以期望在同一时隙100内接收肯定或否定的确认。因此，如图3中示出的，发送时隙调度表102可以包括用于发送输出数据的发送段 110，其之前有预发送段112，并且可以包括用于接收对在段110期间所发送的数据的确认 的接收段122。发送段110与接收段122可以通过过渡段116分隔开，在过渡段116期间， 相应的网络设备可以调整例如硬件设置。同时，如下所讨论的，接收调度表104可以包括用 于执行补充段112-122中所实施的功能的功能的段。具体来说，该发送设备可以在段110期间发出与时隙100的容量相关联的整个包 或者流段。如以上所提及的，网络调度表69可以包括共享时隙，该共享时隙并不专门属于 网络设备25和30-55之一的独立设备调度表67。例如，共享时隙可以具有诸如网关22之 类的专用接收机，而非单个专用发射机。当必要时，网络设备25-60之一可以在共享时隙中 发送诸如对额外带宽的请求之类的未经调度的信息。在这些情况下，可能发送的设备可以 通过在预发送段112执行空闲信道评估(CCA)来检查共享时隙是否可用。具体来说，发送 网络设备可以在预发送段112期间侦听与时隙100相关联的通信信道上传播的信号，以证实没有其它网络设备正尝试使用时隙100。在时隙100的接收端，该接收设备可以在包接收段114内接收与时隙100相关联 的整个包。如图3示出的，包接收段114可以开始于在时间上比发送段110更早的点。如 果需要的话，包接收段114可延长到发送段110(未示出)之外以允许细微时序不匹配。接 下来，在过渡段116中，发送时隙调度表102要求发送设备转换无线电模式。类似地，接收 时隙调度表104包括过渡段118。然而，段116可以比段118更短，因为发送设备可以提早 开始侦听确认数据以避免错过确认的开始。更进一步，发送调度表102可以包括确认接收段122，在确认接收段122期间，该 发送设备接收在与接收调度表104相关联的确认发送段124期间发送的确认。确认接收段 122可在确认发送段124之前启动，并且如果需要的话，结束得晚于确认发送段124，以减少 确认的丢失。该发送设备可以在接收到肯定的确认时，从相关联的发送队列中删去在发送 段110期间发送的包。另一方面，如果没有确认到达或确认是否定的，则该发送设备可以尝 试在下一被调度的专用时隙或在下一可用的共享时隙中重新发送该包。如在图4中示意性示出的，以上讨论的若干时隙100可以组织成超帧140。具体来 说，超帧140可以包括(通常)无限的成串超帧循环150-154，每个循环包括一组时隙，在 图4中示出为相对时隙号为0的时隙142 (TS0)、相对时隙号为1的时隙144 (TS 1)和相对 时隙号为2的时隙146 (TS2)。相应地，图4的超帧140的大小为三个时隙。换句话说，超帧 140的时隙142-146中的每一个每隔两个中间时隙在时间上重复一次。因此，对于10毫秒 的时隙，具有特定相对时隙号的时隙的结尾和具有相同的相对时隙号的下一个时隙的开始 之间的间隔是20毫秒。在概念上，时隙142-146可以进一步被组成超帧循环150-154。如 图4中示出的，每个超帧循环对应于时隙142-146的序列的新例子。主网络调度表67可以将参与无线网络14的网络设备中的一些网络设备的发送和 接收时机与超帧140的特定时隙相关联。再参见图4，网络片段160示意性地示出了在图 1的网络设备34、60和36之间实施的局部通信方案。为了简化超帧140的图示，网络设备 34,60和36在图4中分别被另外设计为节点A、B、C。因此，根据图4，节点A发送数据给节 点B，节点B接下来发送数据给节点C。如以上所述，节点A-C中的每一个节点包括设备调 度表67A-C，其指定用于在相应的设备处发送和接收数据时隙和信道(例如无线电载波频 率)。主网络调度表67可以包括独立的设备调度表67A-C中存储的所有数据信息中的一部 分。更为具体地，网络管理器27可以维护主网络调度表67作为与网络设备30-50中的每 一个相关联的调度的集合体，包括设备调度表67A-C。在这个实例中，时隙100 (图3)的持续时间可以是10毫秒，并且网络设备A可以 每30毫秒向设备C报告一次数据。相应地，网络管理器27可以鉴于网络设备A的更新速 率在三个时隙处具体设定超帧140的长度。进一步，网络设备27可以将相对号为0的时隙 142 (TS0)指派给网络设备A和B，设备A作为发射机而设备B作为接收机。网络管理器27 可以进一步将相对时隙号为1(TS1)的下一个可用时隙144分配为与从设备B到设备C的 发送相关联。同时，时隙146保持未指派。在这种方式下，超帧140提供了一方案，根据该 方案，网络管理器27可以鉴于设备A、B和C之间的可用无线连接在网络片段160中分配资 源，以将数据从设备A发送到设备C。在图4中示出的实例中，节点A处的网络设备可存储与时隙142相关的信息作为它的设备调度表67A的一部分。类似地，在节点B处的网络设备可以存储与时隙142(接 收)和144(发送)相关的信息作为它的设备调度表69B的一部分。最后，网络设备C可以 将与时隙144相关的信息存储在设备调度表67C中。在这些实施例的至少一些实施例中， 网络管理器27存储关于整个超帧140的信息，包括时隙146是可用的指示。重要的是，超帧140不需要局限于单个无线电频率或其它单个通信信道。换句话 说，定义超帧140的独立时隙142-146可以以永久性或浮动为基础与不同的无线电频率相 关联。而且，由各种设备使用的频率在电磁频谱中不需要总是相邻接。在一个实施例中，例 如，超帧循环150-154中的每一个超帧循环的时隙142可以与载波频率？工相关联，而超帧 循环150-154中的每一个超帧循环的时隙144可以与载波频率F2相关联，频率&和F2在 电磁频谱中相邻接或不相邻接。在另一实施例中，时隙142-146中的至少一些时隙可以以预定义的方式在被分配 的频带周围移动。图5示出了图4的时隙144与可用频带170中的信道172-179之间的示 例性关联(对应于频率子带Fi-F5)。具体来说，信道172-179中的每一个信道可以对应于 中心频率F2，. . . F5之一，优选地，这些中心频率与它们各自的邻居相差同一偏移量。优 选地，信道172-179可形成覆盖整个可用频带170的连续频段，虽然在所有实施例中，信道 172-179需要是邻接的或形成连接续的频带。超帧140可以使用频带170的至少一部分，以 便时隙142-146中的一个或更多时隙在至少两个邻接的循环中被调度到不同的载波频率 上。如图5中示出的，在帧循环150期间，时隙144可以使用信道176(频率F3)，在帧 循环152期间，可以使用信道174 (频率F4)，并且在帧循环154期间，可以使用信道178 (频 率F2)。然后，时隙144可以在与循环150类似的下一超帧循环150A中“返回”到信道176。 时隙144与信道172-179之一的具体关联中的每一个被示出为时隙/信道元组144A-C。例 如，元组144A将循环150中被调度的时隙2指定在与中心频率F3相关联的信道176上。类 似地，元组144B将循环152中被调度的时隙2指定在与中心频率F4相关联的信道174上。 同时，与中心频率F5相关联的信道172可以在循环150-152中的任何循环期间不指派给时 隙2。然而，超帧140的不同时隙，例如时隙146，可以在循环150-152中的一个或更多期间 与信道172相关联。在这个实例中，与超帧循环150相关联的频率指派可以在循环154之后立即重复 (如图5中示出为循环150A)，并且，在超帧140的两个循环之后，时隙144可以再次对应于 元组144A。这样，时隙144可以定期循环通过信道176、174和178。将会理解的是，时隙144 可以类似地循环通过更大或更小数目的信道，而不管超帧140的长度，当然，前提是在频带 170中有足够的信道可用。以上关于图5讨论的并被称为“信道跳频”的不同超帧循环期间 的单个时隙与多个信道之间的关联大大增加了无线网络14的可靠性。具体来说，信道跳频 减少信道跳频降低了被调度在某一超帧的特定时隙中通信的一对设备在某一信道拥塞或 不可用时不能发送和接收数据的概率。因此，例如，信道174的故障阻止使用时隙144的设 备在帧循环152中通信，而不阻止其在帧循环150或154期间通信。再参见图4，设备调度表67B和67C可以包括关于在以上参照图5讨论的元组 144A-C中的每一个元组的信息。具体来说，设备调度表67B和67C中的每一个设备调度表 可以存储循环150-152中的每一个循环内给信道172-179之一的时隙144指派。主网络调
22度表67 (图1)可以类似地包括该信息。同时，设备调度表67A不需要必需包括与时隙144 相关的信息，因为相应的节点A (设备34)在超帧140的时隙144期间不进行通信。在运行 中，与节点B和C对应的设备60和36可以在每个时隙144的开始时分别准备数据发送和 接收。为了确定时隙144当前对应于元组144A、144B还是144C，设备60和36可以应用全 局性绝对隙计数以确定时隙144当前是在帧循环150、152还是154中。在定义网络调度表69的过程中，网络管理器27可以鉴于网络设备25和35-50的 更新速率定义多个并发超帧。如图6中示出的，网络调度表69可以包括长度为3的超帧140 以及超帧190和192。超帧190可以是五隙超帧，而超帧192可以是四隙超帧，虽然不同的 超帧可以具有不同的隙数并且各种不同的超帧可以具有相同的隙数。如图6中示出的，这 些超帧不需要必须针对相对时隙号进行对齐。具体来说，在特定时刻194，超帧190可以调 度相对号为2的时隙(TS2)，而超帧140和192可以调度具有相对号为1的时隙(TS1)。优 选地，超帧140、190和192是时间同步的，以便在这些超帧的每一个超帧内，每个到新时隙 的过渡同时发生。超帧140、190和192中的每一个超帧可以主要与网络设备30_50中的独立网络设 备或网络设备30-50的子组相关联，或者属于独立网络设备或网络设备30-50的子组。例 如，在图4中示出的超帧140可以属于节点A(即网络设备34)，并且可以有利地选择超帧 140的长度，以便在循环150-154中的每一个循环期间，节点A在时隙142 (TS0)期间发出测 量数据到节点B。如果无线网络14定义了 10毫秒时隙，则节点A每30秒发送数据到节点 B 一次。然而，如果节点A被重新配置为每50毫秒报告测量值一次，网络管理器27独自，或 与与节点A—道，可以将帧140重新配置为具有五个时隙的长度。换句话说，每个超帧的长 度可以反映特定网络设备30-50的特定发送要求。另一方面，超过一个的网络设备30-50可以使用用于发送和接收数据的超帧。再 次参见图4，虽然超帧140可以主要与节点A相关联，但是节点B (网络设备60)也可以在超 帧140的时隙144中定期发送数据到节点C(网络设备36)。因此，特定超帧的不同时隙可 以被不同的网络设备用来发起、路由或接收数据。在某种意义上，每个超帧的时隙可以被理 解为分配给不同设备的资源，并把特定的优先级指派给拥有该超帧的设备。此外，将会理解 的是，每个网络设备可以参与多个超帧。例如，图4中的网络设备34除了由路由设备60进 行传播它自己的数据之外，还可以代表其它网络设备(例如，在图1中示出的网络设备32) 路由数据。优选地，参与多个超帧的设备并不在不同超帧中调度同时发生的通信。尽管在 图6中示出了仅仅三个超帧，但是图1的无线网络14可以包括任何数目的超帧，这些不同 超帧中的每一个超帧基于在特定的设备和设备组之间或之中执行的通信的类型和频率而 具有任何想要的或有用的长度。如以上所指示的，ASN计数器68(见图1)可反映自从无线网络14激活以来被连 续调度的时隙总数。换句话说，只有那些跟随在另一时隙之后发生的时隙影响ASN计数，并 且被并发调度的超帧数对ASN值没有影响。为了进一步概括出ASN计数器68的操作，图6A 示出包括在网络启动时刻208时或之后创建的若干个并发超帧202-206的调度表200。超 帧202可以是其中相对隙数从零迭代到三的四时隙超帧。类似地，超帧204可类似地在网 络启动时刻260时启动，但包括编号从零到七的八个时隙。另一方面，超帧206可例如在新 网络设备加入无线网络14稍后的时间或在网络管理器27为了诸如适应块模式传输之类的特殊目的而分配临时资源时被创建。在网络调度表200运行期间网络管理器27可指派给 ASN计数器68的值通常用序列210表示。应当注意到，ASN计数器68的值随着每个新时隙 增加，与时隙所关联的超帧无关。以上关于图1-6所描述的方法可以适用于过程控制系统，例如其中各种设备根据 独立的设备调度表以及在偶然的、经常不可预知的数据“突发”期间报告测量值或其它数据 的过程控制系统。路由技术如以上参照图1所讨论的，重要的是，考虑网络设备30-50的位置，以便无线网络 14可以以高效和可靠的形式建立它本身。在某些情况下，有必要在那些工厂装置可能阻塞 或严重影响无线连接的地方或网络设备彼此相隔很远的地方上添加路由器60。因此，在这 种或类似情况下，期望无线网络14是“自修复”的，即能够自动处理传递故障中的至少一些 故障。为了满足这种情况或其它设计要求，无线网络14可以定义冗余路径和调度表以便响 应于检测到一个或更多直接无线连接65的故障，网络14可以经由备用路由对数据进行路 由。而且，可以在不会关断或重启无线网络14的情况下添加和删除这些路径。因为在许多 工业环境中的这些障碍或干扰源中的一些可以是暂时的或可移动的，因此，无线网络14可 能够自动重新组织自己。更为具体地，响应于一个或更多预定的条件，网络设备对(例如， 32和34、60和36，等等)可以将彼此识别为邻居，从而生成新的直接无线连接65或者相反 地，解除现有的无线连接65。另外，网络管理器27可以生成、删去或暂时中止非邻居设备之 间的路径。不管特定的网络配置是永久性还是暂时性的，无线网络14 一般要求快速且可靠 的在节点间路由数据的方法。在一个可用的实施例中，网络管理器27可以分析关于网络的 布局、每个网络设备32-50的发送能力和更新速率的信息，以及其它相关信息。然后，网络 管理器27可以鉴于这些因素定义路由和调度表。在定义路由和调度表时，网络管理器27 可以将无线网络140识别为符合若干与本公开内容的路由和调度技术相兼容的网络拓扑 之一。图7-9示意性地示出这些网络拓扑中的一些网络拓扑。为了清楚性起见，图7-9中 的每一个示出设备对之间的双向连接。然而，将会理解的是，图7-9中示出的拓扑中的每一 个拓扑也与单向连接或双向和单向混合连接(即包括双向和单向连接)相兼容。而且，图 7-9中示出的每个连接可以在一个或两个方向上支持若干单向连接，例如，每个单向连接与 特定的发送时刻相关联。具体参见图7，网络250可以具有星型网络拓扑。星型网络250包 括路由设备252和一个或更多终端设备254。路由设备252可以是被设置成对数据进行路 由的网络设备，而终端设备254可以是被设置成仅仅为它自己发送数据以及仅仅接收(或 解码)寻址到终端设备254的数据的网络设备。当然，路由设备252也可以是数据的接收 方或发起方，并且除其它任务之外，还可以执行路由功能。如在图7中示出的，终端设备254 可以具有到路由设备252的直接连接265，但是终端设备254不能采用星型拓扑直接连接。 直接连接265可以是直接无线连接65或有线连接。终端设备254可以是与路由设备252类型相同的物理设备，并且在物理上可能能 够路由数据。在安装终端设备254期间或者在相应的网络(例如无线HART网络14)运行 期间，终端设备254的路由能力可以被禁用。而且，终端设备254的路由能力可以被终端设备254自己禁用或者被诸如网络管理器27之类的专用服务禁用。在某种意义上，星型网络 250对应于最简单的可用拓扑。它可能适合要求低功耗和低等待时间的小型应用。另外，将 注意到的是，星型网络250是确定性的，因此在路由设备252和特定的终端设备254之间仅 仅有一个可用的路由。现在参见图8，网络270被设置成网状网络拓扑。网状网络270的每个网络设备都 是路由设备252。网状网络提供一种在各种设备之间具有多条路径的健壮性网络。在无线 应用中，网状网络最好能适应于变化的无线电环境。例如，网络270的设备274可以经由中 间跳278或中间跳280发送数据给设备276，只要相应的路径282-288允许在该方向上进行 发送。如图8中示出的，路径282和路径284使得路由设备274能够发送数据到路由设备 276，向网络270提供冗余和由此产生的提高的可靠性。在图9中示出了另一种类型的网络拓扑。网络290结合了星型拓扑和网状拓扑 的元素。具体来说，星型网状网络290包括若干路由设备252 (标记为“R”)以及终端设备 254(标记为“E”)。路由设备252可以采用网状形式进行连接并且可以支持冗余路径。特 定拓扑的选择可以由诸如网络管理器27之类的网络部件自动执行，或者由配置该网络的 用户来执行。具体来说，用户可以选择忽略由网络管理器27选择的拓扑或与无线HART协 议70相关联的缺省拓扑。假设在大多数应用中，网状近拓扑因为该拓扑内在的可靠性、有 效性以及冗余性可以是缺省拓扑。显然，因为无线HART设备可以充当路由器设备，所以若 干不同的配置可以与现场设备和路由器的同一物理配置相兼容。源路由和图路由可以适用于参照图7-9所讨论的拓扑。虽然在不同的情况下两种 类型的路由可以是同等有用的，但是将首先讨论图路由。一般而言，在数学理论和应用中， 图是一组向量(诸如252和254之类的节点)和边(直接连接65和265)。例如，无线HART 协议70或为无线网络14或140提供服务的另一协议可以使用图来配置将诸如设备30之 类的通信端点的连接到图1中示出的网关22的路径。在一些实施例中，图和相关联的路径 由网络管理器27来配置。网络管理器27还可以用局部图和路径信息来配置诸如现场设备 30-40、路由器60等等之类的独立的网络设备，这些局部图和路径信息可以存储在连接表 69中。无线网络14可以包含多个图，这些图中的一些图可以重叠。进一步，某一网络设备 可以在多个图中具有经过该设备的路径，这些路径中的一些路径可将数据引导到该设备的 同一个邻居。优选地，网络中的每个图与唯一的图标识符相关联。为无线网络14和140提供服务的协议(例如无线HART协议70)可以被配置为与 许多不同的拓扑一起运行以支持各种应用要求。结果，无线网络14或140可以并发地支持 诸如单向图路由和源路由之类的若干种路由方法。虽然无线网络的现有实例支持这两种方 法，将会理解的是，无线网络14或140可以另外支持双向图路由或可以仅仅使用这些技术 中的一种来路由数据。然而，不管并发路由技术的类型和数目如何，无线网络14或140上的 每个设备可以被指派唯一的网络地址。一旦数据的每个可能的接收机获知关于其它网络元 件的某种形式的明确标识，可以由诸如现场设备30-40之类的独立设备、由网络管理器27 之类的集中式专用服务或由该集中式服务与独立设备协作做出与路由相关的决策。如以上 所指示的，无线网络14的至少一个可能实现可以依赖于网络管理器27来实现大多数或所 有路由决策，并且将相关的数据传达到网络设备30-50以存储在连接表69中。进一步，可 以在发起点(即在数据包的源)或在中央位置做出路由决策。而且，可以在包从源点到目
25的地的路径中的每个中间停留或“跳”处调整路由决策。在以下讨论的实例中，无线网络提供至少两种进行路由的方法，可以根据给定系 统的具体要求和状况，例如组成该系统的网络元件的物理布局、元件的数目、待发送到每个 元件的或从每个元件发送的数据的期望数量等等之类，来选择。而且，这两种方法可以同时 被该无线网络使用，并且每种方法可以，鉴于这两种方法中的每一种方法的性能的某些方 面，被有选择性地应用于特定类型的数据或应用于特定的主机或主机组。例如，在传递中， 过程变量的测量或打开阀门的命令可以容许相对小的延迟，并且无线网络14可以相应地 应用这两种方法中更快更可靠的方法。同时，设备配置命令或响应可以容许较长的延迟并 且可以适合于其它方法。如以上简单指示的，对于某些分布式控制网络，特别是对于连接过程控制行业中 的设备的网络，出于管理、诊断、日志收集以及其它目的将数据引导至某种设备是常见的。 图10-12示出无线网络300的几种透视图，无线网络300在两个大体方向上实现数据传输 朝向网关202(这里被称为“上游”方向)以及离开网关202 (这里被称为“下游”方向)。出 于安全性原因，网络300并不允许对等现场设备之间的直接数据传输，虽然如果想要这样 的话，这里所描述的技术可以用于这种情况。图10示出在网络300中的上游路由。具体来说，网络管理器302A(或备用网络管 理器302B)可以定义若干有向图，每个图包括作为终端节点的网关设备305A或第二网关设 备305B。换句话说，在示例性网络300中的每个图的路径通往并终止在两个网关设备305A 或305B之一。具体来说，图310 (用粗体实箭头表示)可以包括网络设备312、314、316、318 以及网关305A，其中与图310相关联的那些路径可以包括直接无线连接320、322、324、326 和328。图340 (用粗体虚箭头表示)可以包括网络设备312、316、318、342以及网关305A， 以及包括直接无线连接344、346、348、350以及352的路径。在有向图310中，网络设备312 可以被称为有向图310的头而网关设备305A可以被称为有向图310的尾。类似地，网络设 备312是有向图340的头而网关设备350是有向图340的尾。网络管理器302A，或者在一 定运行条件下备用网络管理器302B，可以定义图310和340，并且可以将这些图310和340 的完整或局部定义传达给网络设备312-318和342。如以上参照图1所讨论的，网络设备 312-318和342可以维护存储这些局部路径定义的连接表69的最新版本。在一些实施例 中，如果相应的通信路径在网关设备305A-B之一处终止，则网关设备305A-B可以不要求关 于图310和340的信息。然而，将会理解的是，网关设备305A-B也可以发起数据，并且可以 存储与具有在网关设备305A-B外发起的路径的一个或更多图有关的信息。将会进一步注 意到的是，通常某一图的路径可以穿过作为中间节点的网关设备305A或305B。然而，示例 性网络300定义总是要么从网关设备305A或305B发起要么在网关设备305A或305B终止 的路径。为了沿某一图发送数据包，源网络设备可以将该图的标识符包括在数据包中的包 头或包尾中。该数据包可以穿过与该图标识符对应的那些路径，直到要么达到它的目的地， 要么被丢弃。例如，为了能够在图310中路由包，属于图310的每个网络设备的连接表69 可包含条目，这些条目包括该图标识符和邻居网络设备的地址，该邻居网络设备(1)属于 相同的图，而且(2)离目的地更近一跳。例如网络设备316可以存储下列连接表 而网络设备342可以在该连接表中存储下列信息 尽管以上示例性连接表只是列出与特定条目相关的设备，将会注意到的是，该连 接表的节点列可以存储如网络300或无线HART网络14的寻址方案所定义的邻居设备的地址。在另一实施例中，节点列可以存储邻居设备的别名、指向存储这些邻居的完整地 址或短地址的数组的索引或任何其它明确标识网络设备的手段。可替代地，该连接表可以 存储如以下示出的图标识符/无线连接元组。 换句话说，该连接表可以列出一个或更多与特定图对应的直接无线连接65。例如， 网络设备316可以询问该连接表并且经由直接无线连接346或348发送携带图标识符340 的包。如图在10中和以上表中所示出的，可以通过将超过一个的邻居与同一图标识符 相关联来建立冗余路径。因此，到达网络设备316并且将图标识符340包含在包头和包尾 中的数据包可以被路由到网络设备318或路由到网络设备342。在执行路由操作的同时， 网络设备316可以凭借图标识符340在该连接表中执行查找，并且发送包到网络设备318 或342中的任一个(或两者)。而且，两个或更多可能的跳之间的路由选择可以是随机的 或者根据预定义的算法来实施。例如，可以考虑负载均衡目的或者鉴于传递统计进行该选 择。因此，网络设备316可以通过对等网络设备或从网络管理器27获知，在沿图340路由 包时，选择网络设备318作为下一跳具有较低的成功传递该包的概率或者在传递中具有较 长的预期或平均延迟。然后，网络设备316可以尝试将更多或可能所有与图340相关联的 包路由到网络设备342。
在一个实施例中，邻居设备通过发送确认包对接收到数据包进行确认。在以上实 例中，一旦邻居网络设备318或342对接收到该包进行确认，则网络设备316可以马上释放 它。另一方面，如果没有在预定义的时段内接收到该确认，则网络设备316可以尝试重新发 送该或经由备用跳或路径来路由该包。另外，网络设备316可以收集成功传递尝试和失败 传递尝试的统计值。接下来的路由决策，例如，在跳318和342之间进行选择，可以包括被 调整的统计数据或基于被调整的统计数据。当然，网络设备316可以将涉及网络设备318 和342的统计值应用到其它相关图，并且也可以直接或经由网络管理器27将这些统计值传 达给其它网络设备。如以上所讨论的，在图路由方法中，网络设备沿一组去目的地的路径发送在网络 包头中具有图标识符的包。重要的是，只有图标识符就足以对包进行路由，并且尽管其它路 由信息也可以包括在该包头中，但仅基于该图标识符就可以正确地传递每个包。在去目的 地的路上(即在该路径上)，所有网络设备可以被预先配置以图信息，该图信息指定这些包 可以被转发到的邻居。因为图路由要求为每个可能的目的地预先配置中间网络设备，因此 图路由可以更好地适用于从网络设备到网关的通信以及从网关到网络设备的通信。现在参见图11，网络管理器302A或302B也可以支持关于网关305A-B中的一个或 两者的下游路由。具体来说，图380 (用粗体实箭头表示)可以包括节点315、314和312，以 及直接无线连接382-386。网关设备305A是图380的头，并且无线设备312是图380的尾。 同时，图390 (用粗体虚箭头表示)可以类似地将网关设备305A连接到无线设备312，并且 网关设备305A作为图390的头。然而，图390可以包括节点305A、318、342、316和312，以 及直接连接392-298。因此，为了发送数据包到无线设备312，网关设备305A可以将对应于 图380或390的图标识符包括在该数据包的包头或包尾中。将会理解的是，图380或390中 的每一个也可以包括双重连接路径以确保可靠性，并且一般而言，网络管理器302A或302B 可以使用类似于以上参照图10所讨论的技术。同样，将会注意到的是，无线设备312-318 以及342中的每一个无线设备的连接表69可以包括与用于路由目的的下游图和上游图相 关的图路由信息。另外，如在图12中示出的，无线网络300可以使用源路由。在源路由中，没有必 要对中继设备进行预先配置。为了使用源路由发送该包到它的目的地，该源网络设备可以 在数据包的包头中包括例如设备的有序列表，该数据包必须通过有序列表上的设备进行传 播。设备的有序列表可以有效地定义该数据包的通信路径。当该包穿过该指定的路径时， 每个路由设备可以从该包提取出下一个节点地址以确定该数据包接下来应该传播到哪里， 即在下一跳中下一个数据包应该被发送到哪里。因此，源路由要求提前知道该网络14的拓 扑。然而，如果某一网络设备在该路由列表上没有发现它自己，则该网络设备可以将该包发 送回源路由列表中指定的第一设备。源路由允许包在中间设备没有明确或以预定配置的方 式被建立的情况下去往任意目的地。例如，网络设备312可以通过在包头或包尾中指定该完整路径来发送包到网关设 备305A。如在图9中示出的，网络设备312可以产生包含网络设备314、315和305A的地址 的列表310并且将该列表310连同该包发送到该列表上的第一跳或设备，即网络设备314。 网络设备314接着可以遍历列表310、定位网络设备314的标识、从列表310中提取该字段、 将网络设备315标识为接收包的下一跳并且最后发送该数据包到网络设备315。源路由列表可以驻留在网络包头的可选区域中，并且可以具有依赖于到目的地的跳数的可变大小。 类似地，网络设备315可以遍历表310，定位它自己的地址和标识，并且发送该数据包到列 表310中的下一跳或设备(在这种情况下，为网关设备305A)。一般而言，仅仅那些已从网络管理器27或302A-B获得的完整网络信息的网络设 备使用源路由，因为仅仅网络管理器27或302A-B知道该网络的完全拓扑。源路由的另外 的限制在于它不在中间网络设备中提供冗余，因为每个包以明确指定每个中间跳的包头或 包尾被发起并且不提供任何路由备选项。因此，如果由包头或包尾指定的中间网络设备之 一未能中继包，则该包的传递失败。因此，由网络管理器27或302A-B负责检测该故障并且 用备用路由重新编程或重新配置该源。为了方便检测这些错误情况，无线网络设备14、140 或300可以要求网络设备发送路由故障通知到网络管理器27或302A-B。相应地，诸如无线 HART协议70之类的协议可以在该协议定义中提供消息类型或信息元素以报告这种或其它 类型的传递故障。在另一实施例中，路由列表310(参见图9)可以指定备用路由，作为对由 发送方选择的路由的补充。在又一实施例中，主路由以及一个或更多备用路由可以局部合 并以避免在包头和包尾中重复该路径的公共部分。总体参见图1、3以及10-12，网络管理器27或302A-B可以维护该网络中所有设备 的列表。网络管理器27或302A-B也可以包含整个网络拓扑，整个网络拓扑包括该网络的 完整图以及该图的已经被传达到每个设备的最新部分。网络管理器27或302A-B可以使用 网络管理器从网络设备30-40、50、60、55等等接收的信息来产生路由和连接信息。网络管 理器27或302A-B可以接着根据网络设备和由每个网络设备报告的邻居的列表来建立该网 络的图。再参见图1，例如，网络设备50B可以报告“看到”邻居设备60和34。网络管理器 也可以负责产生和维护该网络的所有路由信息。在一个实施例中，总是有一个完整网络路 由和若干特定目的的路由，其用于从网关302A或302B发送设定点和其它设定到最终控制 指挥部(图7-9)。此外，广播路由(其流过该网络中的大多数或所有设备)可以用于从网 络管理器27、114或302A-B发送广播消息到网络14或300的所有设备。更进一步，一旦知 道了路由信息和突发模式更新速率，网络管理器27、114或302A-B还在可以实施对网络资 源的调度。当设备最初被添加到网络14、140或300时，相应的网络管理器可以存储从每个网 络设备报告的所有邻居条目。网络管理器27、114或302A-B可以使用该信息建立最初的完 整网络图并且在运行期间修改这些图。该网络图被合并起来，优化了若干属性，这些属性包 括如由以上讨论的统计值采集反映的跳计数、报告速率、功率使用、以及总的业务流。该 拓扑的一个关键方面是将设备连接在一起的连接列表。因为独立连接的存在和健康可以随 时间而变化，所以网络管理器27、114或302A-B可以被另外编程或配置以更新总的拓扑，这 可以包括在每个网络设备中添加和删除信息。在一些实施例中，仅仅网络管理器27、114或 302A-B以及网关22或302A-B可以知道足够的信息来使用源路由。更为具体地，可能期望 出于安全目的而阻止任何两个任意设备之间的对等通信。此外，尽管这里已经描述了发生 在现场设备和网关设备之间的图路由和源路由，但是这些类型的路由均可用在网络中任何 两个设备之间，包括例如网络中任意两个现场设备或网络设备之间，任意两个网关设备之 间等。简而言之，图路由可以针对网络管理器27或网关22向上游和下游引导业务，并且图路由和源路由都可以被优化以满足等待时间要求低的应用，其包括从网络设备传输到该 网关的测量信息以及从网关设备传输到诸如调节阀、开关阀、泵、风机、档板以及采用许多 其它方式使用的马达之类的最终控制指挥部的控制信息。在一些实施例中，路径冗余可能是网络管理器27、114或302A-B的策略问题，而非 图的巧合重叠。换句话说，网络27、114或302A-B可以尝试为每个设备定义至少两个邻居。 因此，网络管理器27、114或302A-B可以被配置为主动追求网状拓扑或星型网状拓扑。因 此，诸如无线HART协议70之类的支持协议可以提供很高的端到端的数据可靠性。从物理 角度来看，每个现场设备或其它网络设备应该在可以从该现场设备接收消息并转发这些消 息的至少两个其它设备的通信范围内。网络管理器27、114或302A-B可以另外验证每个图定义，以便确保还没有形成回 路。在网络管理器27、114或302A-B主动追求路径冗余并定义许多各种大小的图的实施例 中，通信路径有时可能被错误地定义为将数据包从源引导回到同一个源。根据这样的错误 图定义，可能将包从该源直接路由回到该源或者可以在回到该源之间访问一个或更多中间 跳。每当例如由于添加或去除设备而使相关网络的拓扑变化时，或每当网络管理器27出于 任何原因调整路由图和调度表时，可以执行回路验证。可替代地，网络管理器27可以周期 性地执行回路检查作为后台任务。结合路由和调度决策在诸如无线网络14或300的无线网络中，同一图路由可以与若干调度表一起使 用。具体来说，可以沿相同的路由发送包，同时更新该网络调度表变化和从某一节点发送该 包或将该包发送到某一节点的时刻。在这种意义上，路由和调度可以在概念上和功能上是 分离的以方便网络管理。然而，另一方面，网络管理器27可以实质上并行地执行路由和调 度以实现健壮性并提高无线网络14或300的性能和可靠性。更为具体地，网络管理器27可 以鉴于相关的路由约束进行至少某些调度决策，并且相反地，鉴于调度约束进行路由决策。 在某些特别有用的实施例中，网络管理器27可以首先分析网络14或300的拓扑，构建网络 图67，而后继续鉴于网络图67和诸如发送速率、功率容量等等之类的特定设备参数来建立 网络调度表69。当鉴于网络拓扑进行调度决策时，网络管理器27可以在概念上将特定超帧中的 时隙与特定的有向图的边(其为这里所讨论的实例中的直接连接65)相结合以定义方便的 组合空间和时间单元，即链路。具体来说，链路可以与两个通信端点之间的直接连接65以 及这两个通信端点交换数据的时间相关联。进一步，网络管理器27可以将隙与对应于分配和使用隙的不同原则的若干类型 相关联。具体来说，特定的网络设备对32-50可以共享专用单播链路，以便该网络设备对中 的一个网络设备用指定的时隙将信息发送给该网络设备对中的另一个网络设备。当然，如 以上关于图3所讨论的，在一时隙期间发送某种信息的网络设备还可以从接收该信息的设 备接收相应的确认，并且在这种意义上，该网络设备对中的每一个网络设备在单个时隙过 程中充当发射机和接收机。然而，为了简单起见，在时隙中发送信息块的设备在这里被称为 “讲话者”，并且接收该信息块的设备相应地被称为“侦听者”。与专用链路相反，共享链路可以有超过一个的讲话者，但是仅仅有一个侦听者。在 某种意义上，共享链路仍然是单播链路，因为该链路具仅仅有一个侦听者。另一方面，广播和组播链路可以具有一个讲话者和许多侦听者。进一步，专用链路具有一个讲话者和受限 的一组侦听者。根据另一方面，特定网络设备可以将专用的、共享的、有向的或广播的链路视为发 送链路或接收链路。再参见图10，例如，无线设备312和314可以共享与某一特定时隙以及 直接无线连接330相关联的专用链路，以便无线设备312经由该链路发送数据并且无线设 备314经由该链路接收数据。相应地，无线设备312可以把该链路视为发送链路，而无线设 备314可以将同一链路视为接收链路。因此，将链路分成发送和接收链路是设备角度的问 题。还将会注意到的是，如果在与该链路相关联的图边缘的任一末端处的设备在相应时隙 期间的某个时点上发送信息，某些链路可以被定义或用作发送/接收链路。如以上所指示的，每个链路可以与某个时隙相关联，不管链路的类型如何。在无线 网络14或300的运行中，网络管理器27或302A-B可以将链路指派给网络设备30_50、312、 314、316、318等等。依赖于链路类型，与该链路相关联的网络设备可以发送包、接收包或保 持空闲。如果该包的目的地与在该链路的另一末端上的一个或更多邻居相匹配，则与发送 链路或发送/接收链路一起运行的网络设备可以在该链路的合适的段内发送包。另一方 面，具有接收链路或其上没有包被发送的发送/接收链路的网络设备在与该链路相关联的 时隙内侦听一个或更多进入的包。在那些也使用共享链路的实施例中，优选地，设备在该设 备开始经由共享链路进行发送之前执行空闲信道评估(CCA)或者另一防止资源竞争的方 法。在至少某些实施例中，所有参与专用或共享链路的设备在与这些专用或共享链路相关 联的时隙期间必须醒来并且进行侦听。如以上参照图3所说明的，在单个时隙的过程中，一个网络设备可以发送数据包 并且另一设备可以用确认进行回复。类似地，经由链路的通信会话可以包括数据包的发送 和对确认的发送，该确认可以是肯定(“ACK”)或否定(“NACK”)。一般而言，如果该接收 机不是该包的最后目的地，则肯定确认可以指示接收机已经成功接收到该数据包，并且已 经承担该数据包的所有权以进一步进行路由。同时，否定确认可以指示该接收机这时不能 接收该数据包但已经检测到该包没有错误。进一步，ACK和NACK都可以携带定时信息以便 相应的设备可以正确地保持网络同步。在一些实施例中，发送给单播网络设备地址的包可 以要求在同一时隙内的链路层确认，而发送给广播网络设备地址(例如，OxFFFF)的包可以 不要求确认。例如，当网络管理器27定义网络设备30-50之间的直接连接65时，这些网络设备 接收链路指派。这些设备可以相应地定义并维护相应的设备调度表67 (参见图1和4)。链 路指派可以部分指定该网络设备应该如何使用超帧中的某一时隙。因此，每个链路可以精 确地包括一个时隙、类型指派(即发送和/或接收)、邻居信息或标识与该链路相关的双向 图或单向图的边的其它数据以及其另外的发送和/或接收属性。在某些实施例中，每个网络设备30-50的设备调度表67可以维护另外的标志或指 示符以正确地维护各种类型的链路。例如，设备调度表67可以为每个共享链路设置共享标 志以便相应的网络设备30-50可以正确地接入该链路以进行发送。进一步，关于共享链路， 网络14或300可以使用众所周知的时隙式阿罗哈竞争管理算法以定义共享链路的生命周 期。相应地，网络设备30-50、305A-B、312、314、316、318等等可以使用在冲突情况下具有后 退(backoff)(延迟)的冲突避免方案。在一些实施例中，该延迟可以被实现为与单个时隙
31的持续时间不相关的时间测量。在其它特别有用的实施例中，该后退可以用以整数个时隙 测得的延迟来实现。具体来说，已经遇到冲突的设备可以后退从下一个调度的时隙之初开 始的单个时隙、两个时隙等等的持续时间。通过将后退间隔与时隙进行同步，设备可以优化 重试机制并且确保重试尝试仅在有发送的可能性时才发生。当设备的带宽要求低和/或业 务不定期或以突发方式发生时，使用共享链路可能是想要的。在某些情况下，使用共享链路 可以减少等待时间，因为该网络设备不需要等待专用链路，虽然这通常仅在冲突的机率相 对低时才是真的。形成有效的调度和路由方案除了通过分析网络拓扑来优化路由之外，网络管理器27可定义图，并在调度期间 鉴于特定网络设备可发送的数据的类型和各个类型的数据在各个特定设备处的期望发送 频率来分配资源。更为具体地，无线HART协议70可支持若干种网络通信业务。现有的HART 协议72和无线HART协议70都支持交换请求/响应数据、过程数据的公布、发送广播消息 以及大数据文件的块数据传输。无线HART协议70还可支持使用同一协议和同一资源池进 行诸如网络配置数据之类的管理数据的传送和诸如由现场设备报告的周期性测量值之类 的设备通信，从而使调度和路由具有更高的效率。网络管理器可根据网络设备在每单位时间内可公布的数据量来为每个网络设备 分配通信资源。例如，无线HART网络14中的无线HART流量计30可具有四秒钟的更新速 率，而无线HART压力传感器32可具有十秒钟的更新速率。操作员可根据其中实现了无线 HART网络14的过程控制系统的具体需要来用这些值配置网络设备30和32。如以上所指 示的，多个超帧可用于为各种网络设备或网络设备组定义不同的通信调度表。最初，网络管 理器27可为所有的网络管理器请求保留一特定的超帧。在接受诸如流量计30和压力传感 器32之类的网络设备后，网络管理器27即可分配用于四秒钟和十秒钟的通信速率的附加 超帧，并将该附加超帧指派给网络设备30和32。网络管理器27还可在将网络设备30和 32添加到无线HART网络14之前或之后，分别定义用于警报和网络事件的超帧。网络设备 30和32可以，但并不被要求，同时参与一个或多个超帧。通过将特定的网络设备配置为参 与多个不同大小的重叠超帧，可建立可在无调度冲突的情况下并发工作的多个通信调度表 和连通性矩阵。此外，因为一些诸如资产管理和特定设备应用之类的关键应用经常要求在 短的持续时间内要具有相当大的带宽，所以网络管理器27也可以按照需要生成附加的暂 时超帧。例如，用户可以发出观看或改变设备的配置或生成诊断屏幕的请求。网络管理器 27可通过定义可在几分钟内(这仅仅是示例)保持有效的附加超帧，来支持该对通信隙的 需求的暂时性增加。网络管理器27在创建有向图时，可同时考虑网络设备的更新速率和无线HART网 络27的拓扑。然而，网络管理器27还可以以独立于调度的方式作出图路由决策。例如，网 络管理器可添加、删除或更新图，同时使网络调度表保持原样。更具体地说，网络调度表可 具有在所定义的超帧中可用的时隙，网络管理器27可在定义新图或更新现有的图时将所 定义的超帧当作资源来使用。从这个意义上说，无线HART协议70允许独立于调度决策而 进行图配置决策。无线HART协议70的该特征可使无线HART网络14更快地对环境和网络 设备的运行状态的变化做出响应，因为无线HART协议70可通过仅改变现有配置中的一部 分来快速且以非侵入的方式调节路由。
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将被认识到的是，以上论述的某些方法没有必要局限于数据包，并且可应用于其 它通信技术。例如，网络可使用电路交换方法，并且，作为对以有限大小的包进行传播的替 代，数据可通过通信终端之间的专用信道作为流被传送。作为简化示例，图13-20以及

示出高效路由方案和相对应的将以上论述 的概念应用于四节点网状网络的通信调度表的形成。具体来说，图13示意性地示出网络 400、形成在网络400的节点A、B、C和D (或网络设备402-408)之间的若干个直接无线连接 以及鉴于诸如网络拓扑、信号强度和/或质量、等待时间需求等的因素可形成在网络400中 的若干个有向图的边缘410-420。为进一步简化该示例，仅参照图13-20论述向上游的(即 设备到网关的)数据传播。为了清楚起见，下面将网络节点称作节点A-D，而将与这些节点 相对应的设备称作网关设备402或现场设备404-408。如图13中进一步示出的，节点A-D 可存储、维护和更新特定设备连接表422-428。接下来，图14-16示出支持节点A-D之间的 数据交换的若干个超帧的形成。最后，图17-20示出可与图13的节点A-D相对应的示例特 定设备通信调度表432-438。具体参见图13，无线网络400可包括网关设备402，其作为节点A在网络400中运 行，并将无线网络400连接到外部网络(未示出)或单机外部设备(未示出)。由于典型的 业务需求，该网关设备可以是带电设备，即通过电缆或电线连接到基本无限制的电源。另一 方面，节点B-D可以是电池驱动的现场设备。当然，在其它实施例中，节点B-D中的某些或 所有节点也可连接到电线或其它能源。还如在图13中示出的，现场设备404-408中的每一 个都可具有特定的更新速率，该设备以该特定的更新速率向诸如网关设备402之类的另一 节点发送数据。例如，现场设备404和406可每秒钟产生一次外发的数据，现场设备408可 每四秒产生一次外发的数据。通常，节点B-D也可对应于任何类型的用于通信或配备以通信能力的设备。期望 的是，例如节点B-D可以是在家庭网络中运行的个人计算机。然而，由于其中的路由和调度 技术在过程控制和传感器网状网络中特别有用，因此在该特定示例中，节点B-D是在过程 控制环境下运行且执行各种感应和测量功能(例如温度、压力、流量、酸度、阀致动器位置 等)或控制功能(启动、定位等)的现场设备。现场设备404-408可通过支持以上参照图 3-12论述的路由和调度技术的任何协议交换测量和控制数据。在一个实施例中，支持这些 功能的协议可以是图12中示出的无线HART协议70。网络管理器440可以是在节点A内运行的软件模块。类似于图1中示出的网络管 理器27或图10-12中示出的网络管理器302A-302B，网络管理器440可以负责在网络440 中作出路由和调度决策。具体来说，网络管理器440可最初从节点B-D中的每一个采集设备 和信令信息以及与其自身的主机节点A相关的信息，并鉴于这些因素为网络400定义初始 网络图。更具体地说，节点A-D中的每一个可向其潜在的每个邻居报告具体说明信号能量 的接收信号强度指示(RSSI)值。可替代地，节点A-D可报告测得的信号质量或任何其它可 用于评定信号质量的测量值。另外，节点A-D中的每一个都可向网络400报告诸如供电能 力(例如，电池供电的、电线供电的等)之类的参数、预计或实际传送需求(例如，每秒钟、 每四秒钟测量值更新等；被调度的不定期的自动更新；仅响应于请求而更新；等等)以及与 网络400中的现场设备的运行相关的其它信息。在从节点A-D采集到设备信息后，网络管理器440即可通过选择邻居设备对之间的直接无线连接建立网络400的拓扑，以定义节点A-D对之间的一个或多个有向图。在图 13中示出的特定示例中，每个有向图都将节点A作为头或尾。网络管理器440由此可使能 网络中相对于网关设备42向上游和向下游的数据流。当定义直接无线连接时，网络设备402-404，或者如果需要的话，网络管理器440 可将由节点A-D中的一个发送的或由节点A-D中的另一个测量的无线信号的强度或质量， 与一阈值进行比较，以决定该信号是否足以支持直接无线连接。在至少某些实施例中，网络 设备402-404中的每一个自动确定该网络设备可与其余网络设备402-402中的哪一个建立 直接连接，从而将对应的设备作为它的邻居。为了这个目的，网络设备402-404中的每一个 都可执行同一个用于采集和分析信号测量值的例程。参见图13，例如，网络设备408可确 定由网关设备402的收发器发出的信号不能在这些设备之间提供足够强的直接无线连接， 换句话说，不能在节点A与D之间提供足够强的直接无线连接。另一方面，由于设备404离 设备402更近、设备402和404之间有较少的障碍物或其它因素，因此在节点B处的网络设 备404可测量来自节点A的同一信号，以获取更好(例如更大强度或更高质量)的测量值。 网络设备404可相应地确定节点A与B之间存在潜在的直接无线连接。优选地，但非必需 地，网络设备402作出类似的确定，并且也决定节点A与B之间存在潜在的直接无线连接。接下来，网络设备402-408中的每一个可向网络管理器440报告所采集的测量值 和潜在的直接连接。可替代地，网络400可迭代地形成，使得节点A最初形成完整且可操 作的单节点网络，节点B和C而后加入网络400以形成完整且可操作的三节点网络，节点D 最后加入网络400作为节点B和C的邻居以形成完整且可操作的四节点网络。在某些情况 下，并且具体地说，在具有大量网络设备的大型网络中，特定节点可建立与很多个潜在的邻 居的直接连接。根据某些实施例，网络管理器400可例如基于这些直接连接的相对质量，弓丨 导网络设备禁用这些多余直接连接中的某些。在图13中示出的已形成的网络400中，节点B和C中的每一个都可具有到节点A 的直接无线连接(分别支持有向连接410和412)。换句话说，现场设备404和406中的每 一个都可距离网关设备402 —跳远。此外，节点B和C还可共享直接无线连接以支持有向B 到C连接414和有向C到B连接416。同时，节点D可仅通过节点B、仅通过节点C或通过 节点B和C连接到节点A。因此，节点D可距离节点A两跳(D到B到A)或三跳(D到B到 C到A)远。为了实现有向连接410-420的定义和进一步的网络400的有向路由图的定义，网 络管理器440除了考虑邻居网络设备之间的可用直接无线连接组之外，还可考虑若干个因 素。具体来说，网络管理器440可尝试使用可能的最小跳数定义始于节点B-D结束于节点 A的有向图。结果，从节点B到节点A的有向图包括单个有向连接410。类似地，从节点C 到节点A的有向图包括单个有向连接412。从节点D到节点A的有向图需要至少单个中间 节点B或C，但是也可包括两个中间节点。应用上述的跳数最小原则，网络管理器440可定 义例如包括连接418和410的序列的将D连接到A的有向图。将注意到的是，将A连接到 D的有向图不需要包括同一中间跳B(如以上参照图10-12更详细地论述的)。进一步，网络管理器440可能优选将带电设备作为中间节点。如果，例如节点B是 电池供电的，而节点C具有无限制电源，则网络管理器440在其它因素都相同的情况下，将 图定义为从节点D经由节点C到节点A。然而，在图13中示出的示例中，仅节点A连接到无限制电源。在某些实施例中，网络管理器440也可对由这些网络设备报告的可用直接连接的 相对信号强度进行比较，以在相似的路径之间进行选择。假设例如节点D报告来自节点B 的信号比来自节点C的信号强，那么网络管理器440可优选将从节点D到节点A的包括节 点B作为中间跳的有向路径。继续参见图13，网络400由此可包括以下用于向上游的(即设备到网关的)数据 传播的有向图定义 根据以上论述的原则，特定设备连接表422-428中的每一个可存储这些图定义的 对应部分。网络管理器440可应用另外的原则来为网络400定义高效的有向路由图。在某些 实施例中，网络管理器440可将图中的跳数限制为三或更少。当然，也可采用其他限制。在 某些实施例中，网络管理器400还可强制对网络设备的邻居数进行限制。如果例如网络设 备能够检测有十个邻居设备发送的信号，则网络管理器440可削减该数目以允许该网络设 备仅建立与三个或四个网络设备的直接连接，这三个或四个网络设备是基于信号强度或某 种其他原则而选出的。在定义了节点A-D中的某些节点之间的有向图后，网络管理器440可继续基于以 上作出的图决策定义网络调度表。在该示例中，网络管理器440可强制执行以下附加限制 和/或原则1)将并发有效通信信道数限制为16 ；2)不允许网络设备402-408中的任一个 在同一时隙内侦听两次；3)允许多于一个设备向同一目标设备进行发送(例如允许广播链 路和专用链路在同一网络调度表内共存)；4)将多跳路径上的早跳调度到较晚跳之前；以 及5)支持符合公式更新速率=2X的更新速率，其中x是正整数值或负整数值(即使得能够 进行1秒钟、2秒钟、4秒钟、8秒钟、16秒钟、32秒钟等的更新速率选择)。还应当注意到， 在参照图13-20论述的示例中，网络管理器440知道“原始”网络拓扑(即来自每个网络设 备报告的潜在邻居的信号的所有测量值)，网络设备402-408中的每一个都存储并维护连 接表422-428，并且网络管理器440知道网络设备402-408中的每一个的数据更新速率。作 为一个附加的需求，网络400可实现一冗余方案，通过该冗余方案，每次传送被配置以在一 条路径上的一次重试机会和在另一路径上一次重试机会。当然，其它更新速率、路由约束、 冗余方案等也是可行的，并且应当认识到，以上列出的原则仅仅作为示例被提供。通常，网络管理器440在定义 帧时可使用以下策略1)根据与超帧相关联的设备的数据更新速率来设置该超帧的长度；2)分配以最快的更新速率开始的时隙；3)从距离 网关402最远的非远程设备开始，为到网关402的路径中的每个中间网络设备分配一条链 路；4)在主链路上为每次传送调度一次重试机会，在可能的情况下，在冗余链路上调度另 一次重试机会；5)将每个网络设备调度为在一时隙内至多接收一次；以及6)在指派时隙 时，以更快的更新速率开始。除了特定设备超帧之外，网络管理器440可定义网络管理超帧以通过网络400传 播网络管理，并从网络设备402-408接收服务请求。具体来说，网络管理器440可将网络管 理超帧的长度设置得等于最长的设备超帧。在某些实施例中，可能期望进一步强制实施一 管理超帧长度下限，例如600个时隙(即在十毫秒的时隙实施例中为一分钟)。进一步，网 络管理器440可保留一组用于广告的时隙，使得希望加入网络400的潜在网络设备可在这 些广告时隙期间发送加入请求消息。接下来，网络管理器440根据从网关设备400开始的 广度优先搜索来遍历该网络图，并将所遇到的每个设备编号为队、& . . Nn。如图14所示，网络管理器440可为节点B和C的一秒钟更新定义100时隙的超帧 450。应当注意到，在该示例性实施例中，网络管理器440为具有相同更新速率的两个节点 创建单个超帧。然而，在其它实施例中，每个节点可与独立的超帧相关联。为了提高传送的 可靠性，超帧450可在若干个信道上运行(如针对图5所论述的，例如)，在列452中示出为 偏移量0-3。同时，列454中的每一个指定100时隙的超帧450内的特定时隙。示出超帧 450的表中的每个单元相应地为每个偏移/时隙元组指定一个或多个发话者和一个或多个 侦听者。继续参照图14，网络管理器440可通过从节点B开始来开始为在节点A处结束的 有向图指派时隙，因为节点B具有一秒钟的最快更新速率。(当然，在该示例中，节点C具有 相同的更新速率，并且也位于距离节点A—跳远的地方。在这种以及类似的情况下，网络管 理器440可应用任何期望的平分决胜(tie-braking)技术来在两个或更多等同候选者之间 进行选择)。由于节点B具有到节点A的直接连接410作为有向图&的一部分，因此网络 管理器440可将0偏移量信道上的时隙TO和T1分配给节点B，以将周期性更新数据传送 给节点A。具体来说，节点B可使用用于以调度方式传送数据的时隙TO和用于重试的时隙 T1。图14示出这些作为专用链路460和462的信道-时隙-有向连接指派。鉴于以上提 供的论述，还应当认识到，节点B将专用链路460和462视为专用发送链路，而节点A将这 些链路视为专用接收链路。应当认识到，尽管在该特定示例中，时隙TO和T1与同一信道相关联，但是重试 机会也可分配给不同的信道(例如偏移量1)以使信道的利用多样化。可替代地，网络管 理器440可指令节点A-B中的每一个根据预定的顺序并针对不直接指定跳频(frequency hopping)的网络调度表执行信道跳频。例如，节点A-B中的每一个可总是在每个超帧周期 将信道偏移量移1，从而保证由网络调度表指定的相对顺序保持不变。接下来，网络管理器440可将1偏移量信道上的时隙TS3和TS4分配给从节点C 到节点A的有向连接412。类似于链路460和462，专用链路464和466可以采用冗余的方 式对应于同一被调度的更新。另外，作为使信道利用多样化的一部分，在该示例中，链路464 和466被分配到与链路460和462不同的信道上。继续该示例，网络管理器440而后可定义400时隙的超帧470，以用于节点D的四
36秒钟更新。由于超帧450和470可同时开始，因此0偏移量信道上的时隙TS0和TS1可被 认为已占用，因此不可用。另外，由于节点D可将其更新数据沿图G3通过节点B传输到节 点A，因此可不考虑信道偏移量，根本不将时隙TO和T1份额配给有向连接418。通过观测 在时隙TO和T1期间，节点B已经参加通信，即在链路460和462上发送数据，该限制很容 易就能够被理解。出于这个原因，网络管理器440可分配给有向连接418的最早时隙是TS2 和TS3。当然，1偏移量信道在时隙TS2和TS3中已经被通信节点A和C占用，因此有向连 接418可保留仍然可用的偏移量为0的信道(图14中的链路472和474)。作为下一个步骤，网络管理器440可调度与从节点D到节点A的副路径(上面以 图G4示出)相关联的有向连接420。专用链路476可相应地接收对0偏移量信道上的时隙 TS4的指派。在同一时隙TS4中，与有向连接410相关联的链路478可保留相邻信道(偏移 量1)。应当注意到，节点B可使用链路478来将节点B在时隙TS2或TS3中从节点D接收 的数据转发到节点A。换句话说，链路478可与图&相关联。应用类似的原则，网络管理器 440而后可定义也如图14所示的链路480-484。现在参见图15，网络管理器440还可根据最长的数据超帧470的长度来定义400 时隙的管理超帧500。与超帧450和470不同，管理超帧500可包括若干个为广告而保留的 共享链路502-508、若干个为向驻留于节点A处的网络管理器440传播加入请求而保留的专 用链路510-516、以及若干个为从驻留于节点A处的网络管理器440向网络400的终端节点 B-D传播加入响应而保留的专用链路520-526。具体参照共享链路502-508，应当注意到，节点A_D中的每一个都期望通过这些共 享信道从除了网络400的现有节点之一之外的任何潜在设备接收数据。因此，在至少某些 实施例中，链路502-508提供供外部设备提交加入网络400的请求并最终变成新的网络节 点的机会。同时，链路510-516为用于从终端节点B-D向节点A输送这些请求的相应路径 提供服务。图16示出网络管理器440可在管理超帧500中保留的其它链路。更具体地说，链 路530-536可将命令数据从节点B-D传输至节点A处的网络管理器440。链路540-546可 相应地支持节点A在相反(即下游)方向上传输命令响应。另外，网络管理器440可为超帧450、470和500中的每一个指派唯一超帧标识符。 为了简化维护工作、调试和可视化呈现，网络管理器440可将标识符“0”指派给管理超帧， 将标识符“ 1，，指派给1秒钟的超帧，将标识符“4”指派给4秒钟的超帧。通过这种方式，帧 标识符可方便地向工程师或操作员传递关于帧的至少某些信息。对于超帧450、470和500，通常来说，应当认识到，网络管理器440在这些超帧内指 派时隙的特定方式防止在第一循环之后的帧循环中重叠冲突。具体来说，超帧450在超帧 470或超帧500的单个循环期间经历四个帧循环。因此，如果所有的超帧最初都在同时开 始，那么超帧450的时隙TS0将与超帧450和500的时隙TS0、TS100、TS200和TS300相符。 上述分配时隙的方法通过使参与的网络设备符合提供超帧长度的最佳可分性的2X的更新 速率，可确保诸如400、450和500之类的多个超帧的无冲突重叠。在更一般的情况下，超帧 的长度应当遵守谐波链，即所有的周期应当分成彼此。谐波链的示例为1，2，4，8，16，...和 3,6,9,12，24， 以及任何其它符合表达式abn的周期。因此，采用上述方式，网络管理器440可生成若干个有向图G1-G4以有效地路由网络400中的数据，定义若干个数据超帧450和470以用于数据更新，定义至少一个管理超帧 500以用于传播广告信息、加入请求和响应、命令和命令响应以及其它类型的网络管理数 据，并且随后基于有向图GfG4和调度超帧450、470和500调度专用、共享和可能的其他类 型的链路。应当认识到，以上示出的时隙的分配最小化瞬时数据包在通信路径中到达中间 节点与启程去往下一节点之间花费的时间量。例如，在时隙TS2离开节点D通过节点B沿 节点A方向的包可最早在时隙TS4从节点B向节点A前进。为了使每个节点A-D能够根据这些定义运行，网络管理器440可接着为每个节点 A-D分配图和调度定义。图1720示出若干个符合图14-16中示出的示例特定设备调度表 432-438 (见图 13)。参见图17，节点A特定设备调度表432可针对各条目指定帧标识符602、时隙数 604、信道偏移量606、对等设备标识符608、链路选项610以及链路类型612。在其它实施 例中，该调度表432可包括诸如邻居设备的MAC地址之类的替代或附加信息。在该特定示 例中，调度表432的每一行可特别指示设备402在特定时隙中，如果有的话，所执行的行动。 为了简化可读性，图17列出调度表432的按时隙的升序排列的条目。然而，节点A-D中的 每一个都可采用任何适合的方式，例如数组、链表、二叉树等，来存储相对应的调度表。例如，按照调度表432的条目620，节点A可知道在时隙TS4，节点A必须将其收发 器切换到接收模式，调谐至具有偏移量1的信道，并期望通过正常、专用链路从节点B接收 数据。此外，节点A可知道该传送与超帧4(即400隙的超帧)相关联。再如，条目626可 对应于时隙8，并且可指定与管理超帧之间的关系。由于节点A被调度为从候选网络设备中 接收加入请求，因此节点A可能不知道数据的发送者(用星号标记)。应当注意到，示例调度表432仅示出时隙0-21的分配。然而，超帧450可能具有时 隙 TS0、TS1、. TS99，超帧 470 和 500 可具有时隙 TS0、TS1、. TS399。尽管图 17-20 并未 示出各未指派的时隙，但是应当认识到，例如，节点A在较短的超帧450的时隙TS22到TS99 的持续时间内既不接收也不发送数据。图18-20示出各个特定设备调度表434、436和438。从这些图中可以看出，调度表 432-438中的每一个都仅指定与特定节点A-D相关的调度信息。类似地，连接表422-428中 的每一个都可存储相对较少的信息，不过这些信息仍然指定了与相对应的设备相关的所有 路由行动。因此，节点B例如不需要知道节点C处的路由或调度信息。该方法可显著降低 在网络上传输的管理业务量，因为网络管理器440不需要与每个设备共享所形成的整个拓 扑和完整的网络调度表。此外，网络400可变得更加安全，因为节点A-D中没有一个节点可 以知道网络400的其余部分向哪里或何时传输信息(可能的例外是节点A，其至少在该示例 中作为网络管理器440的主机)。尽管为了简化起见，已经针对四节点的无线网络详细描述 了在这里所述的无线网络中执行的调度和路由的描述，但是这里所述的原则适用于任何大 小、具有任何数目的节点、图等的网络。同样，这些图可以是任何期望或需要的大小或长度。基于优先级的调度和路由返回到图2，数据链路层76可为每个数据包数据链路协议数据单元(DLPDU)(这里 为称作数据包)在若干个级别的优先级中指定一个优先级。继续图13中示出的示例，每个 网络设备402-408可为某些或所有发起的数据包指定合适的优先级，以进一步提高无线网 络400的可靠性和等待时间特性。具体来说，网络设备402-408可部分地基于数据包的优先级来选择链路、跳或图，以转发这些数据包。此外，网络管理器440可动态调节链路、跳或 图的优先级设置，以调节为对无线网络400中的网络拥塞、紧急状况或另一变化状况作出 响应。为了进一步示出可被无线网络14、300或400中的某些或所有无线网络用来增加可 靠性和减少包传递的等待时间的基于优先级的调度和路由，图21包括将网络设备的发送 队列中的数据包指派给可用的通信链路的图。另外，图21示出在通信链路中接收数据包和 选择性地接受接收队列中所接收的数据包。进一步，图22-24示出可被网络设备402-408 在数据链路层处理外发和传入数据包时执行的某些示例程序。具体参照图21，在网络14、300或400中运行的网络设备(例如网络设备32、网络 设备404等)可支持存储候选外发数据包702-708的发送队列700。发送队列700可与无 线协议70的数据链路层76相关联，并且网络设备可在网络链路层78向数据包指派优先 级。当然，也可将数据包优先级与协议栈的另一层进行关联。接收队列710可存储传入的 数据包710-718，以通过网络链路层78进行顺序处理。数据包702-708和712-718中的每 一个都可包括包头或包尾，包头或包尾包括目的地字段730和优先级字段732，如在数据包 702的放大图中所示的。存储在这两个字段中的值可至少部分地确定对用于向一个或若干 个邻居网络设备发送数据包702-708的通信链路的选择。进一步，目的地字段730和优先 级字段732可确定传入包712-718在与接收队列710相关联的网络设备处应当被处理还是 应当被拒绝。网络管理器(未示出)可定义特定设备链路图720和全局ASN计数器722以跟踪 具有绝对隙数724的时隙。如以上所论述的，专用或共享链路可出现在一个或多个重叠并 发超帧的时隙中，并且无线网络4、300或400的网络设备可使用ASN计数器722的值来确定 一个或多个相关超帧中的相对隙数，从而立即识别可用于进行接收和/或发送的链路。链 路图720可包括条目740-744，每个条目都包括一链路描述符750。应当认识到，无线网络14、300或400中的网络设备不需要将链路图720作为单独 的数据结构进行存储。返回到图17-20，设备调度表432-438可指定链路描述符750的至少 若干个参数。具体来说，每个链路调度表432-438可指定帧身份602、相对时隙604等。从 这个意义上说，链路图720可被视为可被网络设备用来有效识别即将启用的用于发送或接 收的链路的调度表432-438之一的派生。链路图720可方便地利用以ASN值测量的时间表 与设备调度表432-438对齐，并维护关于设备调度表432-438的当前时间位置的指示。在一个特别有用的实施例中，优先级字段732可存储在下表中以优先级的降序列 出的四个优先级级别之一 命令优先级可用于发送与网络诊断、配置或控制信息相关的数据。过程数据优先级可用于过程数据(例如数据HART命令3或9)。在该实施例中，只有网络维护可能比例如 从过程变送器向控制设备输送测量值更重要。同时，警报优先级可用于警报和/或事件数 据。由于该数据通常会被历史数据库和/或操作员在事后进行处理，因此警报数据的优先 级可以最低。此外，警报和事件通常携带时间戳，这使得晚一些输送相对应的数据包更加易 于被接受。最后，网络设备可向所有其它数据指派正常优先级。也可使用其它优先级。继续参见图21，发送队列700和接收队列710可以是有限存储量的缓冲器。在一 个实施例中，网络设备缓冲有限量的低优先级数据。例如，网络设备可存储至多一个DPLDU 的警报优先级。同时，网络设备可存储更大数目的具有较高优先级的数据包。还应当认识 到，网络设备可实现各种适合的算法，以解决在缓冲器包含具有不同优先级的数据包的情 况下缓冲器溢出的问题。例如，命令优先级数据可总是在存储空间短缺的时候取代正常优 先级数据，但是也可取代有限量的过程数据。此外，由于单个DLPDU可包含多个命令，因此 DLPDU可采用DLPDU中最高优先级命令的优先级。因此，如果数据包包括命令优先级消息和 正常优先级消息，数据包的总优先级可在命令的级别上。存储在优先级字段732和目的地字段730中的值可影响发送链路中相对应的数据 包的调度。例如，即使包702和704共享同一下一跳，包704也可被调度为在数据包702之 前进行发送。数据包702可具有正常优先级，而数据包704可具有过程数据优先级，并且数 据链路76可对发送队列702中的包702和704进行有效重新排序。同时，传入数据包的优 先级不够高可能会阻碍数据包进入接收队列710。如图21所示，数据层76可以将每个传入 数据包的优先级与优先级掩码760进行比较，如果优先级掩码不包括该数据包的优先级， 则数据层76可能会拒绝该数据包，并且优选地，在同一链路744内发起具有信息错误码的 否定确认(见图3)。如该名称所暗示的，优先级掩码76可指定被网络设备在数据链路76处接受的一 个或若干个优先级。例如，优先级掩码760可包括命令和过程数据优先级，但不包括正常优 先级和警报优先级。在其它实施例中，优先级掩码760可包括附加信息，例如取决于可用缓 冲空间量有条件地排除特定优先级、用于转发低优先级数据的链路的可用性等。现在参见图22，无线网络14、300或400中的网络设备可执行程序780以处理数 据包702-708。在块782，程序870可检查发送队列700是否包括排队等待发送的一个或多 个包。例如，数据链路层76可周期性地选举一用于从网络层78提供的数据的专用缓冲器。 对于发送队列702中存在的每个包702-708，程序780可检查目的地字段730，以识别数据 包是行进到特定的邻居设备、沿指定的图行进、沿指定的广播超帧行进、还是沿代理路由行 进。当然，这四个目的地类型仅作为示例被提供，并且程序780和/或无线协议70的其它 实施例可指定更多或更少种目的地类型。如这里所使用的，邻居目的地类型可对应于行进 到由网络层78明确指定的邻居的数据包。由于网络层78仅可指定该邻居的别名，因此在 块786中，程序780可检索完整的邻居身份。在某些情况下，如果身份信息已经足够，则程 序780可跳过块786。在很多情况下，网络层78可仅指定图身份(见图10和11)，并且程序780可获得 与指定的图相关联的一个或多个邻居的列表(块788)。另一方面，如果目的地字段730指 定广播数据包，则程序780可检索与由网络层78指定的广播超帧相关联的链路列表。如果 目的地字段730指定代理路由，则在块792，程序780可识别类型加入的所有链路。加入无
40线网路14、300或400的非网络设备可通过类型加入的链路接收数据包，因为加入设备可能 还不知道或不被允许在其它超帧内使用链路。在块794，程序780可识别所有潜在地适合于发送数据包的链路。而后(块796) 程序780可使用ASN计数器722来识别与在块794中识别出的链路相对应的即将启用的时 隙。例如，程序780可检查链路图720中将网络设备连接到在块786中识别出的邻居的所有 链路，并将时隙设置为在时间上前后紧接。如图22所示，如果多个数据包在发送队列700中 排队，则程序可通过块782-796迭代若干次。接下来(块798)，程序780可检查块784-796 中是否已处理了多于一个数据包，并且如果多个候选包被调度到同一时隙(就绝对隙数来 说)，则在块800中，程序780可应用平分决胜局逻辑以在块802中发送所选的数据包。图23更详细地示出块800的平分决胜局逻辑。在块804中，程序780可选择具有 最高优先级的数据包。如果至少两个候选数据包的优先级相同，那么程序780可检查哪一 个至少一个候选数据包可行进到的邻居沉默的时间最长(块806)。以这种方式，程序780 可尝试在邻居设备之中更公平地分配业务。在块808中，程序780可检查候选包中的任意 包是否是保持有效消息，并选择与沉默时间比其它邻居都长的邻居相对应的链路。最终，程 序780可检查广告定时器是否已终止，并且如果需要的话生成广告包(包810)。当将传入数据包712-718放入接收队列710时，数据链路层76可执行图24所示的 程序840。在块842中，程序840可从物理层74接收数据包。在该特定实施例中，程序840 在块846中检查DLPDU优先级之前，可在块844中检查若干个消息类型之一。具体来说，如 果DLPDU中所包括的消息是保持有效消息、广告消息或断开消息之一，则在块848中，程序 840可无条件地处理数据包(即验证消息内容、生成确认等)。由于这些消息对于无线网络 14,300或400的整体健康的重要性，程序840在这些情况下可不应用优先级掩码760。此 外，保持有效消息、广告消息和断开消息中的至少某些可与数据链路层76相关联，并且程 序840不需要通过相当于网络层78的协议栈来传播所接收的消息。如图24所示，程序840可将数据包标识为具有以上论述的若干个优先级类型中的 一个。在该示例性实施例中，在块850中，程序840可总是处理命令优先级的消息。如果该 消息具有警报优先级，则程序840可检查接收队列710的一个或多个缓冲器能否容纳所接 收的数据包(块852)。在一个实施例中，接收队列710可保留仅足以用于一个警报优先级 的数据包的存储空间。对于其它优先级级别，程序840可应用优先级掩码760以观察网络 设备是否接受该特定优先级的数据包。当然，其它实施例的程序840也可将优先级掩码760 应用于警报优先级的数据包和/或保持有效消息、广告消息和断开消息。在块856中，程序 840可丢弃被优先级掩码760滤除的DLPDU。应当认识到，网络管理器27、302A_302B或440可动态调节在一个或多个网络设备 25A-25B、30-50、302-312或402-408处的优先级掩码760，从而控制相对应的无线网络中的 数据流量。例如，网络管理器27、302A-302B或440检测一般网络拥塞，并可临时延缓警报 和事件数据的传输以传播更关键的信息。在某些情况下，网络管理器27、302A-302B或440 可检测局部化拥塞，并更新若干个网络设备中的优先级掩码760以将与一个或多个优先级 相关联的数据排除在外。可替代地，网络设备25A-25B、30-50、302-312或402-408可独立 控制优先级掩码760。在又一实施例中，网络设备25A-25B、30-50、302-312或402-408可与 相对应的网络管理器协商优先级掩码760的更新。
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一方面，网络管理器27、302A_302B或440可提升优先级阈值以改进高优先级数据 包的传递时间。由于更新后的优先级掩码760可能会减少发送队列700、接收队列710或这 两者中的数据包数目，因此这些队列中的每个数据包的处理时间可以减少。优选地，网络管 理器27在触发更新的临时条件被取消后即恢复每个更新后的优先级掩码760的原始值。在可替代的实施例中，每个网络设备25A-25B、30-50、302-312或402-408可存储 用于每个邻居设备的优先级掩码760。相应地，响应于从相对应的网络管理器接收到命令以 更新优先级掩码760，网络设备25A-25B、30-50、302-312或402-408可向其每个邻居通知该 更新以使优先级信息保持准确。在这些实施例中，网络设备可通过在发送特定优先级的数 据包之前检查邻居设备是否接受该数据包来进一步降低在网络中传播的业务量。在又一实施例中，无线网络14、300或400可将优先级掩码760与独立链路而非网 络设备25A-25B、30-50、302-312或402-408进行关联。例如，网络400 (见图13)可具有若 干条从网络设备404指向网络设备406的链路。在某些情况下，特定链路(见图17-21)的 链路类型612将可通过该链路行进的数据包有效地限制为特定的优先级。然而，由于广播 链路可用于网络管理命令，也可用于不太重要的消息，因此链路类型属性可能不总是将所 运输的数据恰当地限制到特定的优先级。出于这个原因，优先级掩码760可指定链路的优 先级，以便网络管理器27、302A-302B或440可采用与以上论述的基于网络的优先级更新相 似的方式控制数据的流量。在再一实施例中，网络管理器27、302A_302B或440可定义与特定优先级相关联的 图。例如，连接设备402和408的特定有向图可以是命令优先级图，而支持同一设备对且提 供同一通信方向的另一图可以是警报优先级图。此外，这两个图可包括不同的网络节点，使 得具有不同优先级的数据通过不同的路由行进至同一目的地。在若干个可用的实施例中，网络设备可发布特定的管理命令给网络设备以指定来 自网络设备的广告消息应当包括的加入优先级。通常，加入优先级可指示发广告的设备支 持子设备的能力。在一个这样的实施例中，当其它因素相同或相似时，加入设备可优选指定 低优先级的广告包。通过这种方式，网络设备14、300或400可通过每个发广告的设备的加 入优先级引导正在加入的设备应当尝试连接到哪个潜在邻居来动态管理网络扩容。进一 步，可通过例如维护端口给每个网络设备25A-25B、30-50、301-312或402-408规定默认加 入优先级。在某些实施例中，如果网络设备的特定百分比的数据缓冲器被占用，网络设备可 拒绝具有特定优先级的数据包。例如，当缓冲器中有50%被占用时，网络设备可拒绝所有的 正常或较低优先级的包。然而，应当注意到，被拒绝的数据包不一定就不能到达目的节点。 具体来说，在前一跳处的网络设备可尝试通过具有足够的优先级来接受该包的替代路由重 新发送该数据包。通过这种方式，网络管理器27可控制无线网络14中的数据流。进一步应当注意到，在某些实施例中，单个数据包可携带多条消息，其中这些消息 中的两条或更多条消息在数据链路级别上具有不同的优先级。整个DLPDU可采用具有最高 优先级的消息的优先级。根据以上的描述，应当认识到，通过更新特定网络设备处的优先级掩码760，网络 管理器27、203A-B或440除了调度之外，还可有效地更新网络路由，因为数据包可被间接强 加在具有升高的优先级阈值设置(即优先级掩码760排除了更多优先级)的网络节点周围。因此，无线网络14、300或400可使用优先级掩码760来部分或完全禁用特定通信路径。
尽管上文对多个不同实施例进行了详细描述，但是应当理解，本专利的范围由在 本专利结尾处提出的权利要求的文字来限定。详细描述应当被解释为仅仅是示例性的，而 没有描述每一个可能的实施例，因为描述每一个可能的实施例非不可能即不实际。利用当 前的技术或在本专利申请日之后开发的技术，可实现多个替代实施例，这些替代实施例仍 将落入所述权利要求的范围。
权利要求
一种在过程控制环境下有效运行无线通信网络的方法，其中该无线通信网络包括多个现场设备，该方法包括定义用于支持所述多个现场设备中的现场设备对之间的无线通信的通信协议，包括提供协议命令组；使用所述通信协议的协议命令组的第一子组从所述多个现场设备中的至少某些现场设备传输过程控制数据；以及使用所述通信协议的协议命令组的第二子组向所述多个现场设备中的至少某些现场设备传输网络管理数据。
2.如权利要求1所述的方法，其中定义通信协议包括定义所述通信协议的多个协议层；将所述协议命令组的第一子组与所述多个协议层的第一协议层进行关联；以及将所述协议命令组的第二子组与所述多个协议层的第二协议层进行关联。
3.如权利要求1所述的方法，其中提供协议命令组包括提供高速可寻址远程传感器 (HART )通信协议的至少某些命令。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用所述通信协议的协议命令组的第三子组从所述多个现场设备的至少某些现场设 备传输报警或事件数据。
5.如权利要求1所述的方法，其中传输网络管理数据包括将网络管理数据与第一优 先级级别进行关联；并且其中传输过程控制数据包括将过程控制数据与第二优先级进行关联。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括将多个并发重叠超帧定义为连续调度的特定持续时间的通信时隙的重复循环；其中所 述多个并发重叠超帧中的至少两个包括不同数目的通信时隙。
7.如权利要求6所述的方法，其中定义多个并发超帧进一步包括将所述多个并发超帧中的第一并发超帧与所述网络管理数据进行关联；其中所述多个 并发超帧中的第一并发超帧具有第一数目的通信时隙，并且其中所述多个现场设备中的每 一个在所述多个并发超帧中的第一并发超帧的通信时隙中的至少一个中接收所述网络管 理数据；将所述多个并发超帧中的第二并发超帧与所述多个现场设备中的第一现场设备的更 新进行关联；其中所述多个现场设备的第一现场设备在所述多个并发超帧中的第二并发超 帧的通信时隙之一内发起过程数据，并且其中所述多个并发超帧中的第二并发超帧中的时 隙的数目对应于所述多个现场设备中的第一现场设备的更新速率；以及将所述多个并发超帧中的第三并发超帧与所述多个现场设备中的第二现场设备的更 新进行关联；其中所述多个现场设备的第二现场设备在所述多个并发超帧中的第三并发超 帧的通信时隙之一内发起过程数据，并且其中所述多个并发超帧中的第三并发超帧中的时 隙的数目对应于所述多个现场设备中的第二现场设备的更新速率。
8.如权利要求6所述的方法，进一步包括在所述多个现场设备中的现场设备对之间建立多个直接无线连接；基于所述无线网络的拓扑，生成定义所述多个现场设备中的现场设备对之间的通信路径的多个有向图，其中每个有向图包括所述多个直接连接中的至少一个； 将所述多个有向图之一与所述网络管理数据进行关联；以及 将所述多个有向图中的另一个与所述过程控制数据进行关联。
9.如权利要求1所述的方法，其中传输过程控制数据包括将过程控制数据传输到以 可通信方式连接到工厂自动化网络的网关设备；并且其中传输网络管理数据包括将所述 网络管理数据传输到在所述无线通信网络中负责调度方案和路由方案中的至少一项的网 络管理器。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用所述协议命令组中的隧道子组以隧道 方式传送与另一通信协议相关联的数据。
11.一种在无线网状通信网络中传输数据的方法，该无线网状通信网络在过程控制环 境下运行并且包括多个无线现场设备，该方法包括生成用于该无线网状通信网络的通信调度表，包括 定义特定持续时间的通信时隙；将多个并发重叠超帧定义为若干个连续调度的通信时隙的重复循环； 将所述多个并发超帧中的第一并发超帧与网络管理数据进行关联；以及 将所述多个并发超帧的子组与过程控制数据进行关联，其中该子组并不包括所述多个 并发超帧中的第一并发超帧；以及在与所述多个并发超帧相关联的通信时隙内调度所述多个无线现场设备中的各无线 现场设备的通信。
12.如权利要求11所述的方法，其中将所述多个并发超帧中的第一并发超帧与网络管 理数据进行关联包括将所述多个并发超帧中的第一并发超帧与涉及该无线网状通信网络 的动态形成、配置和维护的数据进行关联；并且其中将所述多个并发超帧的子组与过程控 制数据进行关联包括将该子组与涉及由所述多个无线现场设备中的至少某些无线现场设 备获得的测量值和涉及控制所述多个无线现场设备的至少某些无线现场设备各自的运行 的命令的数据进行关联。
13.如权利要求11所述的方法，其中将所述多个并发超帧的子组与过程控制数据进行 关联包括将该子组中的各超帧与所述多个无线现场设备中相应无线现场设备的周期性更新进 行关联；其中该超帧中通信时隙的数目与该周期性更新的速率成比例。
14.如权利要求11所述的方法，进一步包括在所述多个无线现场设备中的无线现场设备对之间建立多个直接无线连接； 生成定义发自或去往所述多个现场设备中的每一个的通信路径的多个有向图，其中每 个有向图包括所述多个直接连接中的至少一个；以及将所调度的每个通信时隙与所述多个直接无线连接之一进行关联，所述多个直接连接 之一与所述多个有向图中的一个或更多有向图相关联。
15.如权利要求14所述的方法，其中生成多个有向图包括将所述多个有向图中的第一有向图独占地与网络管理数据进行关联；以及 将所述多个有向图中的第二有向图独占地与过程数据进行关联。
16.如权利要求11所述的方法，进一步包括将所述网络管理数据与第一优先级级别进行关联；将所述过程数据与第二优先级级别进行关联；将所述多个无线现场设备中的各无线现场设备与包括所述第一优先级级别和所述第 二优先级级别中的一个或两个的优先级掩码进行关联；并且其中调度通信包括，在所述多个无线现场设备中的每一个处仅在该无线现场设备的优先级掩码包括所述第一优先级级别的情况下，调度所述多个 并发超帧的第一并发超帧内的通信时隙。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括响应于检测到所述无线网状通信网络中的变化，动态更新所述多个无线现场设备之一 处的优先级掩码。
18.如权利要求11所述的方法，其中将所述多个并发超帧中的第一并发超帧与网络管 理数据进行关联包括将所述多个并发超帧中的第一并发超帧与等于所述多个无线现场设 备中最慢的无线现场设备的更新速率的长度进行关联；其中所述多个并发超帧中的第一并 发超帧的长度对应于通信时隙的数目。
19.一种在包括多个无线网络设备且在过程控制环境下运行的无线网状通信网络中传 输数据的方法，该方法包括生成用于所述无线网状通信网络的通信调度表，包括将多个并发叠加超帧定义为若干 个连续调度的固定持续时间的通信时隙的重复循环；生成定义沿朝向或远离所述多个网络设备中的每一个的方向的通信路径的多个有向 图，其中每个有向图包括所述多个网络设备中的网络设备对之间的多个直接连接中的至少 一个；以及将发送机会指派给多个通信时隙，其中在所述多个并发重叠超帧之一内调度所述多个 通信时隙中的各通信时隙，并且其中所述多个通信时隙中的各通信时隙与所述多个直接连 接之一相关联，所述多个直接连接之一与所述多个有向图之一相关联，包括将所述多个通信时隙中的第一通信时隙与过程数据的发送进行关联；以及将所述多个通信时隙中的第一通信时隙与网络管理数据的发送进行关联。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述多个无线网络设备包括产生所述过程数据的 多个无线现场设备。
21.如权利要求19所述的方法，其中将发送机会指派给多个通信时隙包括将每个发 送机会与被所述多个网络设备中的每一个支持的通信协议的命令进行关联。
22.如权利要求19所述的方法，其中将发送机会指派给多个通信时隙进一步包括将所述多个通信时隙中的第三通信时隙与设备管理数据的发送进行关联。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述设备管理数据包括设备诊断数据、设备校准 数据或设备配置数据中的至少一种。
24.一种在过程控制环境下有效运行无线通信网络的方法，其中该无线通信网络包括 多个现场设备，该方法包括定义用于支持所述多个现场设备中的现场设备对之间的无线通信的通信协议，包括提 供协议命令组；使用所述通信协议的协议命令组的第一子组从所述多个现场设备中的至少某些现场设备传输设备数据；以及使用所述通信协议的协议命令组的第二子组向所述多个现场设备中的至少某些现场 设备传输网络管理数据。
25.如权利要求24所述的方法，其中传输设备数据包括传输特定设备管理数据；其中 所述多个现场设备中的至少两个与不同类型的管理数据相关联。
26.如权利要求24所述的方法，其中传输设备数据包括从所述多个现场设备之一传 输警报。
27.如权利要求26所述的方法，其中传输警报包括从所述多个现场设备之一向将所述无线通信网络连接到外部网络的网关发送所述警报；在所述多个现场设备之一处保持该警报；以及 响应于从所述网关接收到确认，放弃该警报。
全文摘要
一种在过程控制环境下有效地运行无线通信网络的方法，该无线通信网络包括多个现场设备，该方法包括定义用于支持所述多个现场设备中的现场设备对之间的无线通信的通信协议，包括提供协议命令组，使用该通信协议的协议命令组的第一子组传输来自所述多个现场设备中的至少某些现场设备的过程控制数据，以及使用该通信协议的协议命令组的第二子组向所述多个现场设备中的至少某些现场设备传输网络管理数据。
文档编号H04L12/56GK101868943SQ200880017865
公开日2010年10月20日 申请日期2008年4月11日 优先权日2007年4月13日
发明者华莱士·A·普拉特, 埃里克·D·罗特沃尔德, 托马斯·P·伦瓦尔, 罗宾·S·普罗马尼克, 马克·J·尼克松 申请人:Hart通信基金会