在无线网络中调度通信帧的制作方法

专利名称：在无线网络中调度通信帧的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及无线通信，更具体地说，涉及在无线网络中调度通信帧。
背景技术：
已知在过程控制行业中使用标准通信协议，以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。极大地抑制无线通信在过程控制行业的发展和应用的一个因素是难以对遗留设 备进行翻新以与无线通信网络一起使用。在某些情况下，设备根本无法被翻新，需要用更新 的、无线准备好(wireless-ready)模型进行更换。此外，由于变换到无线通信，类似地使得 很多支持性装置被荒废。换句话说，无线网络不能容易地扩展有线网络。与过程控制行业 尤其相关的另外的挑战在于，完全用无线基础设施更换有线基础设施，对于现有的有线装 置来说成本很高，并且对于操作员来说具有能够被理解的不情愿。同时，无线网络通常要求 固定天线或接入点发送和接收无线电信号，并且因此可能需要昂贵的基础设施，这使得到 无线通信的变换更加不被期望。因此，尽管某些操作员可能意识到处理测量和控制的无线 方法的优势，但很多操作员可能不愿意拆除现有的装置、使完全可运行的有线设备退役并 购买无线设备。造成无线标准在过程控制行业的增殖比预料的要慢的另一因素在于对诸如过程 控制系统的技术员或操作员之类的用户的影响。在典型的过程控制系统的运行期间，用户 可出于设备的配置、监测和控制功能功能的目的而远程访问独立的设备。例如，为了能够通 过HART协议访问和交换信息，根据预定寻址方案为设备指派了唯一的地址。用户和针对过程控制行业的操作员和技术员开发的软件应用程序已经开始依赖于不能被可用的无线标 准支持的有效寻址方案。因此，普遍期待在过程控制行业中到无线标准的转变，使得必须采 用新的寻址方案、更新对应的软件应用程序和为员工提供额外的培训。另外，诸如IEEE802. 11 (x)、WLAN之类的现有无线标准中的某些并不满足过程控 制行业的所有要求。例如，设备同时传达通常可能具有不同的传播延迟约束的过程和控制 数据。通常，在过程控制行业中交换的某些关键性数据可能要求高效、可靠和及时的传递， 而对此现有的无线协议无法总是保证。此外，由于过程控制行业中使用的某些模块用于控 制非常敏感和有可能是危险的过程活动，因此适合该行业的无线标准需要在通信路径中提 供在已知的无线网络中并不容易获得的冗余。最后，某些过程控制设备可能对高功率无线 电信号敏感，并且可能要求无线电发送限于或保持在控制得很好的功率水平。同时，可用的 无线标准通常依赖于发送相对较强的信号以覆盖大片地理区域的天线或接入点。与有线通信协议类似，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。更复 杂的是，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 协议必须能够检测并解决与频率(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。根据另一方面，过程控制行业需要为特定过程控制网络服务的通信协议能够适应 具有不同数据传输要求、属性和功率容量的现场设备。具体来说，一些过程控制系统可以包 括测量设备，这些测量设备常常(例如，每秒几次)向集中控制器或向其它现场设备报告测 量结果。同时，在同一系统中的另一设备可以仅仅每小时一次报告测量结果、报警或其它数 据。然而，这两种设备都可要求各自的测量报告传播到目的主机，例如控制器、工作站或对 等现场设备，使用尽可能小的时间和带宽开销。

发明内容
用于例如过程控制工厂中的无线网状网络包括多个网络设备，这些网络设备根据 用一组并发重叠超帧定义的网络调度表来通信。各个超帧包括若干个预定持续时间的通信 时隙，并且各个超帧在该超帧中的所有通信时隙都出现之后立即进行重复。通常来说，各个 超帧中的时隙总数定义该超帧的长度，各个特定时隙具有与该特定时隙之前的超帧中存在 的时隙数相对应的相对时隙数。在一个实施例中，各个时隙包括一个或多个网络设备发送 数据的发送时间段和一个或多个网络设备发送与所发送的数据相对应的确认的确认段。在
8某些实施例中，网络设备另外执行纯信道评价(Clear ChannelAssessment)以确定特定共 用时隙是否可用于发送。各个超帧的长度可对应于特定网络设备的发送要求。在这种情况下，专用服务根 据网络设备和与网络设备通信的外部主机的需要定义超帧，并分配这些超帧中的每一个超 帧内的时隙。在一个实施例中，专用服务将网络设备与特定超帧的一个或多个时隙进行关 联，使得网络设备可在每次该时隙的出现期间发送或接收数据。如果需要的话，网络设备可 参与多个超帧，以发送特别针对该网络设备的数据和在其它网络设备之间转发数据。如果需要的话，专用服务可鉴于诸如数据突发、拥塞、块传输以及网络设备进入或 离开该网络之类的网络状况变化动态地创建和毁灭超帧。此外，网络设备或专用服务可通 过发布特定的命令有效地使超帧无效而无需毁灭该超帧。如果需要的话，该专用服务可以 是在专用物理主机上运行的软件实体，或者该专用服务可以在将无线网状网络连接到外部 网络或主机的网关设备上运行。网络调度表可包括多个通信信道，并且在某些情况下，各个通信信道可对应于唯 一的载波无线电频率。各个网络设备可具有包括相对时隙数和通信信道标识符的独立调度 表，并且该独立调度表可指定独立的调度时隙，其被该网络设备用来发送过程数据、路由发 自另一网络设备的数据、接收特定设备数据或接收广播数据。在某些实施例中，用于网络设 备的独立调度表可在不同的超帧循环期间指定与若干个不同的通信信道相关联的时隙，使 得网络设备在特定超帧的具有同一相对隙数的时隙内在不同的通信信道上发送或接收数 据。在这些实施例中的某些实施例中，网络设备根据相对应的独立调度表以预定义的方式 在与特定时隙相关联的若干个信道间进行迭代。在其它实施例中，网络调度表不将不同的 通信信道分配给同一时隙。如果需要的话，该专用服务可创建用于根据预定义的调度表周期性地醒来的瞬变 设备的长超帧，从而消除该瞬变设备为每个发送会话协商资源的必要。在又一实施例中，瞬 变设备通过仅根据该瞬变设备的必要更新速率发送数据来节约功率。在再一实施例中，网络设备中的至少某些网络设备是在过程控制环境下执行测量 或控制功能的现场设备。这些现场设备中的每一个被规定了特定的更新速率或者向另一网 络设备传达过程数据的频率。在这种情况下，该专用服务根据现场设备的更新速率定义超 帧。此外，如果需要的话，现场设备能够由于需要高于正常或低于正常的带宽的瞬时状况的 出现而协商时隙分配的暂时变化。


图1是示出利用无线HART网络提供现场设备与路由器设备之间的无线通信的系 统的结构图，该系统通过网关设备连接到工厂自动化网络。图2是根据这里论述的实施例之一实现的无线HART协议的各层的示意图。图3是示出根据这里讨论的实施例之一而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通信设备的示例性关联的框图。图5示意性地示出示例性超帧的时隙与若干通信信道的关联。图6是示意性地示出包括若干不同长度的并发超帧的示例性超帧定义的框图。图7示出若干个设备利用这里论述的调度技术参与无线网络的示例性系统。
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图8是可被网络管理器执行以利用这里论述的调度技术为无线网络提供服务的 示例性程序。
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无线调度技 术和发送技术。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1 4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分配另外的带宽以适应该事务。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。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中有单个有效网络管理器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 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。如果想要的话，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、DevicesNet 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，预计单个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。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)或 者工作站16和18与设备30-40的通信相同的方式，通过网关设备22与网络设备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。
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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位别名。另外，每个网络设 备可以存储与更新速率、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。进一步，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。进 一步，两个或更多直接无线连接65可用于在不能形成直接无线连接65的节点之间形成通 信路径。例如，无线HART手持设备55与无线HART设备36之间的直接无线连接65连同无 线HART设备36与路由器60之间的直接无线连接65形成设备55与60之间的通信路径。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。使用无许可证的频带的无线网络协议的核心要求之一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
13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
14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。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69A。设备调度表69A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69B。相 应地，网络设备34可以根据设备调度表69A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69 (例如，69A和69B)，并且当需要时将独立的设备调度 表69传达给相应的设备。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69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69组合网络调度表67，同时检查资源竞争并解决潜 在的冲突。以上概括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
fn °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
15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可以不与现有协议中的任何一个共享甚至最上面的应用层。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， 记￡￡802.15.4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 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 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、广告、发现)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。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。如果想要的话，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 都可以具有网关会话密钥。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、当前计数器)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。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一载波无线电频率之类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。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。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(TS1)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69A-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69A-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69A-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69A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69C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
19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69B和69C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69B和69C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 度表67 (图1)可以类似地包括该信息。同时，设备调度表69A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
20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，并把特定的优先权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。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。图7示出示例化学间歇式反应器系统200的若干个部件。在化学间歇式 反应器系统200，若干个无线设备使用这里论述的技术来定义和优化无线网络204中的调 度。具体来说，系统200可包括装备了若干个阀210-214、阀控制器220-224以及无线网络 设备230-238的生物反应器208。例如，网络设备230可以是无线HART流量计，而设备234 可以是连接到遗留流量计(未示出)的无线HART适配器。在图7所示的示例中，阀210可控制诸如氨之类的反应物向生物反应器208的供 应，阀212可控制诸如葡萄糖之类的进料向生物反应器208的供应。阀控制器220和222可 分别控制阀210和212的执行器，并与参与无线网络204的无线智能设备230和232通信。 类似地，控制器224可控制阀214，阀214又控制空气向生物反应器208的供应。同时，pH 仪230可测量生物反应器208内部的混合物的pH水平，并可向阀控制器220报告测量值。 作为补充或替代地，PH仪230可向工作站或通过与网关设备22类似的设备(未示出)与 网络204通信的另一智能主机报告测量值。进一步，氧量计234可采集并报告周期性地测 得的氧量水平给对应的网关。类似地，温度计236可进行对生物反应器202内部的混合物 温度的周期性测量，并通过经无线网络204传播测量值将这些测量值传达给外部主机。另 一方面，反应器液位计238可类似地通过网络204将数据路由至网关设备，向驻留于工厂自 动化网络的控制器供应液位测量值。本领域技术人员将认识到，阀、阀执行器和计量仪的各种组合基于反馈信息自动 调节阀或类似机械设备的设置的控制环路。例如，设备210、220和230可形成反馈环路，其 中阀控制器220鉴于由流量计230报告的流量水平控制阀210以增加或减少流量。在这个 意义上，设备220和230是分布式控制系统或DCS的一部分。可替代地，无线设备230-238可向集中式控制器(未示出)报告测量值，该集中式 控制器可处理测量值并向阀控制器220-224发送命令。设备220-238由此可参与集中式控 制方案。然而，不考虑无线网络204的控制方案，明显期望的是，尽可能实时地报告测量值、 对阀进行驱动以及进行其它控制功能。例如，未能快速对诸如压力之类的参数的某种变化做出反应可能会使生物反应器208装得太满，或导致危险情况或其它极其不良的后果。这里描述的调度方式允许网络管理器27或类似的应用程序鉴于设备220-238的 更新速率来分配无线资源。继续图7所示的示例，计量仪的更新速率可被配置如下 为了降低等待时间和优化资源分配，无线网络204的主网络调度表69可包括根据 以上列出的更新速率定义的超帧。优选地，使用配置软件或网络管理器27的操作员配置最 优时隙持续时间。在大多数商业和工业应用中，10毫秒的时隙可具有足够的数据容量以及 足够短的持续时间以保证有效的间插。然而，也可使用大于或小于10毫秒的时隙持续时 间。再次参见上表，假设在特定设备的单个更新会话期间所报告的数据量不超过时隙的容 量，则无线网络204的第一超帧可具有160个时隙的长度。如以上所论述的，具有相同的相 对隙数的时隙将在该超帧中调度的其它159个时隙之后重复。该160隙超帧可以是针对反 应器液位计235专门定义的。当然，与该超帧相关联的时隙也可分配给其它设备。然而，网 络管理器27可首先应用该160隙帧以适应计量仪235的发送需要。通过类似计算，可针对 PH仪230定义10隙超帧，针对计量仪234和237定义两个40隙超帧。通常来说，该示例中 的超帧将鉴于网络设备230和238的更新速率被定义，以便设备230-238中的每一个可在 对应超帧的每个循环期间发送测量更新。然而，如果需要的话，也可使用其它设立超帧长度 的方式。例如，超帧长度可基于加工厂内的控制环路的执行循环或更新速率，以便连接在无 线网络内的控制器可在超帧的每个超帧循环将控制信号外发一次。大体参见图1和7分别示出的示例无线网络14和204，网络设备可能偶然要求额 外的带宽以适应数据突发、报告异常状况等。除了网络设备25、35-50以及设备220-239的 可预计的更新速率之外，对应的无线网络可能经历网络状况的变化，这要求对无线资源进 行暂时或永久再分配。例如，网络设备32可能遇到异常状况，并且可能需要向集中式控制 器报告数据，该数据的量超过了对设备32的正常时隙分配。在这种情况下，网络设备32可 采用以上参照图3描述的方式使用共享时隙，并且启动向网络管理器27请求临时增加带 宽的请求。响应于从网络设备32接收到请求，网络管理器27可定义新的超帧，将该新的超 帧内的各个时隙与诸如频率偏移号码之类的通信信道标识符进行关联，并更新网络调度表 67。可替代地，网络管理器27可通过首先识别与现有的超帧相关联的可用时隙和信道资 源，然后保留这些先前未指派的供网络设备32专用的资源，来更新网络调度表67。在某些 实施例中，网络管理器27可临时使与网络设备32的定期调度表相关联的超帧无效。网络 管理器27然后可将新的超帧指派给网络设备32，以用于网络设备32要求与正常情况不同 的带宽的预期时段。该临时状况期满后，网络管理器27即可重新使网络设备32的“定期”超帧有效，并再次更新网络调度表67。另外，网络管理器27可更新至少网络设备32的独立 设备调度表69。当然，网络管理器27还可更新诸如参与在网络设备32与其它网络设备之 间路由数据的网络设备之类的其它相关网络设备的设备调度表69。以上论述的调度技术还允许更新速率低的设备通过不参与不必要的网络通信来 节约功率。例如，某个网络设备可仅每个小时报告一次测量值。进一步，该设备可不参与诸 如代表其它设备路由数据之类的其它网络活动。在这个意义上，该设备可被视为相对于无 线网络是瞬变的。优选地，在发送间隔中，瞬变设备应当保持在睡眠模式，特别是在该瞬变 设备使用电池运行的情况下。然而，现有的无线协议要么要求各个设备周期性地发送保持 有效消息，要么在某个设备离开网络较长时间的情况下，该设备可能需要经历漫长和开销 昂贵的程序来加入该网络。然而，使用这里描述的超帧调度概念，支持这里论述的技术的网 络管理器27可定义适应瞬变设备的发送需要的长超帧，以便该瞬变设备可在醒来后有效 地重新加入该网络而无需经历加入程序。也就是说，可为该设备调度很长的超帧，以便该设 备在该长超帧的各个帧循环中的一个或更多初始时隙期间进行发送和/或接收。该设备然 后在该长超帧的帧循环的剩余时隙中的大多数时隙期间进入睡眠模式。该设备可在超帧的 各个帧循环结束之前醒来，基于网络业务在需要时使它的时钟同步，并准备好在超帧的下 一帧循环开始时再次进行发送/接收。以这种方式，该设备可有效地离开该网络并进入睡 眠模式，而网络设备中的其它设备对此根本毫不知情。参见图8，网络管理器27或另一设备或软件实体可执行作为定义和维护网络调度 表67的一部分的示例性程序300。在块302中，程序300可获取时隙定义。在一个预计的 实施例中，操作员可鉴于对应无线网络14的特定要求指定单个时隙的持续时间。在这种情 况下，各个网络设备25和35-50必须也规定有指示时隙持续时间的相同值。可替代地，程 序300从网关设备22的永久性存储器获取时隙持续时间。根据该实施例，该时隙持续时间 是作为无线HART协议70的定义的一部分被提供的恒定值。例如，时隙持续时间可永久地 固定为10毫秒。在块304中，网络管理器27可定义管理超帧。具体来说，网络管理器27可调度一 个或更多时隙，在这些时隙中网络管理器27可周期性地广播管理信息，例如无线网络14的 状态。另外，网络设备25和35-50可使用管理超帧中的时隙来发送广告信息，从尝试加入 无线网络14的候选网络设备中接收加入请求，并向候选网络设备发送加入响应。在一个实 施例中，网络管理器27鉴于与网络14相关联的最长更新速率设置管理超帧的长度。例如， 如果“最慢”的网络设备具有5分钟的更新速率，那么网络管理器27可将管理超帧的长度 设置为5分钟。再次参见图8，程序300可评估网络设备25和35_50中的各个网络设备的更新速 率(块304)，并根据这些更新速率定义超帧(块306)。接下来，在块310中，程序300可将 单独的通信信道与在块308中定义的各个超帧的特定时隙进行关联。例如，网络管理器27 可被配置为与包括三个载波频率的频带一起工作。该程序300可相应地将单独的时隙与这 三个可用频率中的一个频率进行关联。接下来，程序300可在管理超帧内指定共享时隙(块312)。例如，针对加入请求 分配的时隙被定义共享，因为网络管理器27只能够知道加入请求的接收方。另外，网络管 理器27可为从现有网络设备25和35-50中的一个网络设备到达网络管理27的请求指定
23某些共享时隙。这些设备可使用这些共享时隙来向网络管理器27报告意外状况或传播未 经调度的事件(块314)。这些未经调度的请求中的某些例子包括额外带宽分配请求(块 316)、转发的来自候选网络设备的加入请求(块318)和停用超帧的请求(320)。
尽管上述内容详细说明了多个不同的实施例，应该理解本发明的范围由本专利的 末尾处提出的权利要求书中的语句来限定。因为说明每一种可能的实施例即使不是不可能 的，也是不切实际的，所以上述详细说明应该被解释为仅用于说明目的，但并没有说明每一 种可能的实施例。许多可替代实施例可以用当前的技术或本专利的申请日之后开发的技术 来实施，这将仍然落入这些权利要求的范围内。
权利要求
一种在包括第一网络设备和第二网络设备的多节点无线网状网络中调度通信的方法，该方法包括定义预定持续时间的通信时隙；定义包括第一数目的通信时隙的第一超帧；定义包括第二数目的通信时隙的第二超帧；将该第一超帧与该第二超帧对齐，以便该第一超帧的时隙之一与该第二超帧的时隙之一同时开始；以及将该第一超帧和该第二超帧与网络调度表进行关联，其中该第一网络设备和该第二网络设备根据该网络调度表发送数据。
2.如权利要求1所述的方法，其中通信时隙的第一数目不等于通信时隙的第二数目。
3.如权利要求2所述的方法，其中第一数目对应于该第一网络设备的发送速率，时隙 的第二数目对应于该第二网络设备的发送速率。
4.如权利要求3所述的方法，其中该第一超帧包括重复顺序的循环，各个循环包括第 一数目的连续调度的通信时隙，其中在该第一超帧的各个循环期间，该第一网络设备在该 第一超帧的时隙之一中发送数据。
5.如权利要求1所述的方法，其中该第一网络设备该第二超帧的至少一个时隙且在该 第二超帧的至少一个时隙期间，并且其中该第二网络设备在该第二超帧的至少一个时隙期 间发送数据。
6.如权利要求1所述的方法，其中该第一超帧的至少一个时隙与第一无线电频率相关 联，并且该第一超帧的至少一个另一时隙与不同于该第一无线电频率的第二无线电频率相 关联。
7.如权利要求1所述的方法，其中该多节点网状网络在过程控制环境下运行，并且其 中该第一网络设备和该第二网络设备在该过程控制环境下执行控制功能或测 量功能中的一种。
8.如权利要求1所述的方法，其中该第一超帧与该第一网络设备相关联，并且该第二 超帧与第二网络设备相关联，该方法进一步包括定义供该第一网络设备使用的第一独立设备调度表，其中该第一独立设备调度表包括 与该第一超帧或该第二超帧中的该第一网络设备发送或接收数据的时隙相关的信息；定义供该第二网络设备使用的第二独立设备调度表，其中该第二独立设备调度表包括 与该第一超帧或该第二超帧中的该第二网络设备发送或接收数据的时隙相关的信息；以及将该第一独立设备调度表传达到该第一网络设备，并将该第二独立设备调度表传达到 该第二网络设备。
9.一种在包括第一网络设备和第二网络设备的多节点网状网络中调度通信的方法，该 方法包括定义预定持续时间的通信时隙；定义包括第一数目的通信时隙的第一超帧，其中第一数目对应于该第一网络设备的发 送速率；定义包括第二数目的通信时隙的第二超帧，其中时隙的第二数目对应于该第二网络设 备的发送速率，并且其中通信时隙的第二数目不等于通信时隙的第一数目；将该第一超帧与该第二超帧对齐，以便该第一超帧的时隙之一与该第二超帧的时隙之 一同时开始；以及将该第一超帧和该第二超帧与主网络调度表进行关联，其中该第一网络设备根据该主 网络调度表在该第一超帧的至少一个时隙中和该第二超帧的至少一个时隙期间发送数据。
10.如权利要求9所述的方法，其中该多节点网状网络是无线过程控制网络，其中该通 信时隙是时分多址(TDMA)时隙，该方法进一步包括分配多个无线电信道，其中各个无线电信道与唯一无线电频率相关联；将该第一超帧的时隙中的一个时隙与所述多个无线电信道中的第一无线电信道进行 关联；以及将该第一超帧的时隙中的另一个时隙与所述多个无线电信道中的第二无线电信道进 行关联。
11.如权利要求9所述的方法，其中定义预定持续时间的通信时隙包括分配该时隙的第一段用于评估该通信时隙的可用性；分配该通信时隙的第二段用于发送数据包；和分配该通信时隙的第三段用于发送与该数据包相关联的确认；其中该第一段、该第二 段或该第三段中没有一段与该第一段、该第二段或该第三段中另一段重叠。
12.如权利要求11所述的方法，其中定义预定持续时间的通信时隙进一步包括定义专用通信时隙，其中仅仅一个源网络设备在该专用通信时隙期间发送数据；以及定义共享通信时隙，其中多个源网络设备在该共享通信时隙期间发送数据；其中该第一超帧和该第二超帧中的每一个都包括至少一个共享通信时隙和至少一个 专用通信时隙。
13.如权利要求9所述的方法，进一步包括从该第一网络设备接收带宽增加请求，其中该第一网络设备响应于检测到该第一网络 设备的发送速率的临时增加而发送带宽增加请求；响应于从该第一网络设备接收到该带宽增加请求而定义第三超帧，其中该第三超帧与 该第一网络设备的发送速率的临时增加相关联；在无需重启该多节点网状网络的情况下临时向该主网络调度表添加该第三超帧，其中 该第一网络设备根据该主网络调度表在该第三超帧的至少一个时隙期间发送数据。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括响应于检测到来自该第一网络设备的无效命令，使该第三超帧无效，从而使得参与该 第三超帧的各个网络设备停止在该第三超帧的各个时隙中发送或接收数据。
15.如权利要求13所述的方法，进一步包括响应于检测到来自该第一网络设备的删除命令，将该第三超帧从该主网络调度表中删除。
16.如权利要求9所述的方法，进一步包括定义管理超帧，以用于发送与该多节点网状网络相关的管理信息，其中该管理信息在 该管理超帧的时隙中的仅仅一个时隙期间被发送到该第一网络设备和该第二网络设备，并 且其中该管理信息是从为该多节点网状网络提供服务的网络管理器设备发送的。
17.如权利要求9所述的方法，其中该第二网络设备是相对于其它网络设备具有低更新速率的瞬变设备，其中该第二网络设备不路由传播到其它网络设备或从其它网络设备传 播来的数据，该方法进一步包括在该第二网络设备在该第二超帧中不进行通信的大部分时段期间，将该第二网络设备 维持在睡眠模式下；以及在第二超帧的将该第二网络设备调度为进行通信的时隙出现之前，通过唤醒该第二网 络设备而无需发送额外的命令来恢复该第二网络设备与该多节点网状网络之间的通信。
18.如权利要求9所述的方法，其中将该第二网络设备维持在睡眠模式下包括在该第 二网络设备在该第二超帧中不进行通信的时段期间，不接收保持有效消息。
19.如权利要求9所述的方法，进一步包括定义第一独立设备调度表，以供该第一网络设备使用，其中该第一独立设备调度表仅 包括与该第一超帧或该第二超帧的该第一网络设备发送或接收数据的时隙相关的信息；定义第二独立设备调度表，以供第二网络设备使用，其中该第二独立设备调度表仅包 括与该第一超帧或该第二超帧的该第二网络设备发送或接收数据的时隙相关的信息；以及 将该第一独立设备调度表传达给该第一网络设备，将该第二独立设备调度表传达给该 第二网络设备。
20.如权利要求9所述的方法，进一步包括分配多个无线电信道，其中各个无线电信道 与唯一的无线电频率相关联；将该第一超帧的第一时隙与所述多个无线电信道中的至少两个无线电信道进行关联， 其中该第一超帧的第一时隙在该第一超帧的第一帧循环期间出现在所述多条无线电信道 中的至少两条无线电信道的第一无线电信道上，并且其中该第一超帧的第一时隙在该第一 超帧的第二帧循环期间出现在所述多条无线电信道中的至少两条无线电信道的第二无线 电信道上。
21.一种包括多个网络设备且在过程控制环境下运行的多节点网状无线网络，该网络 包括第一网络设备； 第二网络设备；所述多个网络设备中的网络设备对之间的多个无线连接，包括该第一网络设备与该第 二网络设备之间的第一无线连接；以及网络管理器，存储供该第一网络设备和该第二网络设备使用的网络调度表，该网络调 度表包括第一超帧，包括第一数目的预定持续时间的时隙，第一数目的时隙进行循环重复以定 义第一多个帧循环；以及第二超帧，包括第二数目的预定持续时间的时隙，第二数目的时隙进行循环重复以定 义第二多个帧循环。
22.如权利要求21所述的网络，其中该第一网络设备与第一更新速率相关联，该第二 网络设备与第二更新速率相关联，并且在这里时隙的第一数目对应于该第一更新速率，时 隙的第二数目对应于该第二更新速率，并且其中该第一网络设备在所述第一多个帧循环的 各个帧循环中的至少一个时隙期间发送数据，该第二网络设备在所述第二多个帧循环的各 个帧循环中的至少一个时隙期间发送数据。
23.如权利要求21所述的网络，其中该第一网络设备包括存储该网络调度表的第一片 段的第一存储单元，该第二网络设备包括存储该网络调度表的第二片段的第二存储单元， 该网络调度表的第二片段不同于该网络调度表的第一片段。
24.如权利要求21所述的网络，进一步包括多个无线信道；其中该第一超帧中的至少 一个时隙与所述多个无线信道中的第一无线信道相关联，并且该第一超帧中的至少另一时 隙与所述多个无线信道中的第二无线信道相关联。
25.一种适于动态调度多个网络设备之间的通信的多节点网状无线网络，该网络包括与第一更新速率相关联的第一网络设备，该第一更新速率对应于从该第一网络设备发 送数据的频率；与第二更新速率相关联的第二网络设备，该第二更新速率对应于从该第二网络设备发 送数据的频率；所述多个网络设备中的网络设备对之间的多个无线连接，包括该第一网络设备与该第 二网络设备之间的无线连接；以及网络管理器，负责定义和调度该多节点网状网络中的通信资源，所述通信资源包括多个通信信道；包括第一数目的固定预定持续时间的时隙的第一超帧，其中时隙的第一数目对应于该 第一更新速率；以及包括第二数目的固定预定持续时间的时隙的第二超帧，其中时隙的第二数目对应于该 第二更新速率；其中该网络管理器将第一数目的时隙中的至少一个时隙与所述多个通信信 道中的第一通信信道进行关联，并将第一数目的时隙中的至少另一时隙与所述多个通信信 道中的第二通信信道进行关联。
26.—种网络管理器软件例程，存储在计算机可读介质上，并且可被在无线网状网络中 使用的处理器执行，该无线网状网络包括多个网络设备，该例程包括第一程序，定义多个并发重叠超帧，其中所述超帧中的各个超帧包括由固定数目的固 定持续时间的通信时隙定义的重复超帧循环，并且其中所述多个并发重叠超帧中的至少一 个并发重叠超帧的超帧循环与所述多个并发重叠超帧中的另一并发重叠超帧的超帧循环 相比包括不同数目的通信时隙，并且其中所述多个并发重叠超帧中的各个并发重叠超帧与 所述多个网络设备中的一个或更多网络设备相关联；第二程序，定义供所述多个网络设备共享使用的管理超帧；以及第三程序，定义多个特定设备调度表，其中所述多个特定设备调度表中的各个特定设 备调度表与所述多个网络设备中的一个网络设备相关联；其中所述多个特定设备调度表中 的各个特定设备调度表指定允许该网络设备发送数据的至少一个时隙和允许该网络设备 接收数据的至少一个时隙；并且其中所述网络设备中没有一个网络设备在不包括在该网络 设备的该特定设备调度表中的通信时隙中发送或接收数据。
27.—种在包括第一网络设备和第二网络设备的多节点网状网络中调度通信的方法， 该方法包括定义预定持续时间的通信时隙；定义具有第一重复超帧循环的第一超帧，该第一重复超帧循环包括第一数目的通信时隙，其中第一数目对应于该第一网络设备的发送速率，并且其中该第一网络设备在该第一 超帧的通信时隙中的至少一个通信时隙期间发送与该第一网络设备相关联的过程数据；定义具有第二重复超帧循环的第二超帧，该第二重复超帧循环包括第二数目的通信时 隙，其中时隙的第二数目对应于该第二网络设备的发送速率，其中该第二网络设备在该第 二超帧的通信时隙中的至少一个通信时隙期间发送与该第二网络设备相关联的过程数据， 并且其中该第一网络设备不使用该第二超帧的任何时隙发送与该第一网络设备相关联的 过程数据；定义包括第三数目的通信时隙的管理超帧，其中该第一网络设备或该第二网络设备都 不使用管理超帧中的任何通信时隙发送过程数据，并且其中该管理超帧的通信时隙中的至 少一个通信时隙是为网络管理数据保留的；将该第一超帧、该第二超帧和该管理超帧对齐，以便该第一超帧的时隙之一与该第二 超帧的时隙之一以及与该管理超帧的时隙之一同时开始。
全文摘要
一种在具有第一网络设备和第二网络设备的多节点无线网状网络中调度通信的方法包括定义预定持续时间的通信时隙；定义具有包括第一数目的通信时隙的重复超帧循环的第一超帧；定义具有包括第二数目的通信时隙的重复超帧循环的第二超帧；将该第一超帧与该第二超帧对齐，以便该第一超帧的时隙之一与该第二超帧的时隙之一同时开始；以及将该第一超帧和该第二超帧与网络调度表进行关联，以便该第一网络设备和该第二网络设备根据该网络调度表发送数据。
文档编号H04L12/28GK101919208SQ200880019530
公开日2010年12月15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, 尤里·佐奇, 托马斯·P·伦瓦尔, 特瑞思·L·贝利文斯, 罗宾·S·普罗马尼克, 马克·J·尼克松 申请人:Hart通信基金会