一种用于工业无线网络的时隙管理方法及时隙调度算法

技术领域

本发明涉及无线传感网络控制，特别是涉及一种用于工业无线网络的时隙 管理方法及时隙调度算法。

背景技术

无线传感器网络的低成本、易用和泛在感知等特征，使得工业无线通信与 无线传感器网络结合成为应用发展的必然趋势。无线传感器网络现已大量应用 于工业自动化领域，由于无线通信成本低、组网简单、使用灵活等优点，无线 传感器网络将会引发工业自动化领域的深刻变革，有望成为继现场总线之后又 一革命性技术。但是无线传感器网路和工业无线通信的结合之间面临着许多挑 战。一方面由于无线传感器网络仍存在网络难于管理、无线传感器节点设备处 理能力低下、硬软件间依赖性大、设备利用率低、业务响应慢等问题，另一方 面，工业应用环境的复杂性以及工业通信需求的实时性和可靠性也对现有无线 传感器网络的有严苛的要求。

大部分工业的闭环控制要求数据的可靠传输率超过99.9％。但是在工业现 场采用无线通信来保证高可靠传输面临许多挑战。一方面，在2.4GHz上运行的 无线设备较多，极易相互干扰。另一方面，工业生产环境中的无线射频通信条 件较为恶劣，工厂中遍布的各种带金属设备对信号反射、散射将造成多径效应， 以及电动机、器械工作时产生的电磁噪声，都会严重干扰无线信号的正确收发。 在工业闭环控制应用中，数据传输延迟应该低于1.5倍的传感器数据采样时间， 常见值是100ms。无线传感器网络设施简单、设备的处理能力低，保证端到端 通信的确定性比较困难。由于无线信道的开放特征，无线通信更加容易受到攻 击，其安全保障机制相应的将更加复杂，而传统无线传感器节点由于资源的限 制很难实现复杂的安全算法。对于无法采用外接电源的节点，从运行和维护成 本方面考虑，节点电池的寿命应该要达到3至5年。因此如何使用最少的能耗实 现信息采集的任务是工业无线技术中必须解决的问题。为了保护用户的现有投 资，采用工业无线技术的新型测控系统需要具有与工厂原有的有线测控系统互 连和互操作的能力。为了达到工业闭环控制的要求，互连和互操作技术在实现 通信介质与协议转换的同时，还要保证数据通信的可靠性和实时性，这是原有 的互连与互操作技术无需考虑而工业无线技术的特有问题。

因此，需要提供一种无线传感网络的控制方法，以提高无线传感网络 的可靠性、实时性、安全性和系统兼容性，降低设备能耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于工业无线网络的时隙管理方法 及时隙调度算法，以解决现有技术中不区分控制和数据用的时隙，发送时隙和 接收时隙都是提供给控制命令和数据转发一起共用的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案。

一种用于工业无线网络的时隙管理方法，该方法的步骤包括

S1、根据当前无线网络信道的状态，分别选取不同的信道进行管理控制和 应用数据传输；

S2、根据无线网络的具体情况，将无线网络中的每个超帧中的M1个时隙 作为管理时隙，M2个时隙作为数据时隙，M1和M2的总和为超帧中的总时隙 M；

S3、随网络节点数目的变化，调整无线网络中管理时隙的使用状态。

优选的，所述步骤S2分配管理时隙和数据时隙的条件为

根据网络状况和一个超帧的周期长度，调整管理时隙和数据时隙的个数；

根据网络节点数量配置相应数量的管理时隙；

根据网络单位数据量和数据速率分配数据时隙。

优选的，所述步骤S3包括

S31、当整个网络没有任何节点入网时，所有管理时隙默认作为管理共享时 隙，用作节点的入网请求；

S32、当有新节点入网，但是没有达到最大网络节点数量时，服务器为每一 个入网节点分配一个通告时隙和一个管理上行时隙，根据服务器分配的时隙位 置，将两个位置的管理共享时隙更新为一个通告时隙和一个管理时隙，此时管 理时隙包括通告时隙、管理上行时隙和管理共享时隙；

S33、当网络中的入网节点数量达到网络支持的最大值时，将管理共享时隙 更新为对应节点的通告时隙和管理上行时隙，此时管理时隙仅包括通告时隙和 管理上行时隙；

S34、当网络中有节点离线时，离线节点的父节点在共享时隙向服务器发送 子节点离线报告，重新调整网络中的时隙。

优选的，所述管理上行时隙和给节点分配的通告时隙呈对称映射的关系。

优选的，所述通告数据包包括当前的ASN信号、节点角色、节点的网络跳 数、拥有的子节点个数，超帧长度和工作的信道信息。

优选的，该方法的步骤进一步包括

每个节点在通告时隙发送自己的通告数据包，通过通告数据包的等级来进 行选择性同步；

每个节点利用该节点的管理上行时隙周期性的对该节点状态数据包的发送 进行采样。

一种用于上所述时隙管理方法的时隙调度算法，该算法的步骤包括

S4、服务器根据收到网络中节点的入网请求，为其分配时隙；

S5、根据入网节点的超帧偏移量，判断是否分配了通告时隙和管理上行时 隙；

S6、根据节点发送的通告时隙或管理上行时隙的位置，判断当前时隙是否 为管理共享时隙。

优选的，所述步骤S4包括

S41、根据节点地址，判断该节点是否入网，若节点已入网，则执行步骤 S42，若节点未入网，则执行步骤S43；

S42、若该节点在网络中，则丢弃该入网请求不做任何操作；

S43、若该节点为新节点，服务器根据网络状态给新节点分配一个未使用的 入网序号seq，服务器通过入网序号seq和当前网络的超帧复用因子RF，并利 用公式x＝seq％RF1，y1＝seq/RF1和y2＝(M1-1)–y1来分配该节点的通告 时隙和上行时隙，其中x为超帧偏移量，y1为通告时隙偏移，y2为上行时隙 偏移，M1为管理占用的时隙，RF1为管理超帧的复用因子。

优选的，所述步骤S5包括通过节点的绝对时隙ASN和基本超帧长度Frame  length，获得该节点的超帧偏移量x＝(ASN/FRAMELENGTH)％RF1和时隙 偏移量y＝ASN％FRAMELENGTH，RF1为管理超帧的复用因子。

优选的，所述步骤S6包括

S61、根据新节点入网分配到的时隙坐标(x，y1，y2)，更新对应的时隙位 中的字节；

S62、利用时隙位对应的字节偏移m＝seq/13和位偏移n＝seq％13，更新 通告中的时隙位slotbits[m]＝slotbits[m]|(1<<n)；

S63、时隙坐标已知，判断result＝0x01&(slotbits[m]>>n)，若result＝ 1，该时隙未被分配可以作为共享时隙，若result＝0，该时隙被分配给其他节 点，不能作为共享时隙。

本发明的有益效果如下：

在基于TDMA的无线传感器网络中，时隙资源非常宝贵，传统的无线传 感器网络时隙调度算法往往不区分控制和数据用的时隙，在网络中的发送时隙 和接收时隙往往都是提供给控制命令和数据转发一起共用的。本发明从控制和 转发分离的角度出发，在无线传感器网络中的时隙调度上，实现了网络管理控 制和数据转发的分离，让整个网络的数据业务需求和网络控制完全分离，系统 管理的会话过程和网络服务的应用数据通信相互分离，互不影响，大大降低了 网络性能受网络规模增大带来的影响。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本发明实施例中工业无线传感网络系统的示意图；

图2示出本发明实施例中网络超帧设计的示意图；

图3示出本发明实施例中管理时隙设计的示意图；

图4示出本发明实施例中通告数据包格式设计的示意图；

图5示出本发明实施例中入网时隙调度的示意图；

图6示出本发明实施例中时隙位设计的示意图；

图7示出本发明所述一种用于工业无线网络的时隙管理方法的示意图；

图8示出本发明所述一种用于工业无线网络的时隙调度算法的示意图。

具体实施方式

下面结合一组实施例及附图对本发明做进一步描述。

本发明设计了一种可实现无线传感器网络中控制与转发分离的时隙管理 方法和时隙调度算法。该方法具有高度定制的灵活性，可以根据不同的网络规 模，实时性需求，以及数据转发的MAC协议的灵活调整。

本发明对无线传感网络中参数的设计包括：将TDMA中的一个超帧中的 所有时隙分为两个部分，一部分为管理时隙，一部分为数据时隙；基本超帧为 最小超帧单位；在正常的TDMA中，超帧的每个时隙都是固定相同的，相同 位置时隙不相同的超帧，看作是在同一个时隙上的时隙复用，即复用因子RF， 复用因子可以分为管理超帧的复用因子和数据超帧的复用因子。本申请中为了 更为直观的表现设计思路，将数据超帧的复用因子确定为1，即在网络超帧中， 每个基本超帧的数据时隙部分都是一样的，但是管理时隙部分每个超帧是复用 的；本申请中管理超帧的长度是由RF个基本超帧共同组成；由于数据超帧的 复用因子为1，数据超帧是基本超帧的数据时隙；本申请中通告时隙用于发送 通告信息；管理共享时隙用于入网、离线汇报、命令下发；管理上行时隙用于 定时汇报节点状态消息；绝对时隙号ASN，节点从入网开始的时隙号计数值。

本发明中网络超帧的设计：本发明中无线传感器网络一个超帧包含M个 时隙，将每个超帧的前M1个时隙作为管理时隙，后M2个时隙作为数据时隙， 一个超帧的组成由M＝M1+M2构成。管理超帧的复用因子为RF1，表示RF1 个基本超帧构成了一个管理超帧，管理时隙的循环周期为RF1个基本超帧的时 间。数据超帧的复用因子为RF2，数据时隙的循环周期为RF2个基本超帧的时 间。M1和M2分配个数和分配比例的依据：

(1)一个超帧的周期长度，这是由网络的实时性决定。一个超帧周期越 长，M1时隙和M2时隙的个数相应增大。

(2)网络最多支持的节点数，这是由网络规模决定的。网络支持的最大 节点数决定了管理时隙的数量，一个节点需要一个广播时隙和至少一个上行时 隙。

(3)网络单位数据量决定了数据时隙的数量，要求的数据速率越大，需 要的数据时隙越多。

如图2所示，假设网络规模有100个节点的规模。设无线传感器网络一个 基本超帧M＝100个时隙，将每个超帧的前M1＝40个时隙(0-39)作为管理时 隙，后M2＝60个时隙(40-99)作为数据时隙。管理超帧复用因子RF1＝5， 数据超帧复用因子RF2＝1。管理时隙的循环周期为5个基本超帧的时间，数 据时隙的循环周期为1个基本超帧的时间。

本发明管理时隙的设计：在传统TDMA协议的时隙调度中，对时隙进行 添加，删除，更新等操作时，需要利用时隙偏移在超帧中定位时隙，然后对其 进行相应的操作。本发明针对管理时隙的复用设计，需要用到时隙偏移和超帧 偏移两个坐标值来共同确定需要进行操作的时隙。

如图3所示，是超帧中的管理时隙部分，横向坐标代表时隙偏移(0-99)， 纵向坐标代表超帧偏移(0-4)，图3中给出的是管理时隙的偏移0-39，其余的 40-99为数据时隙偏移。每个方格代表一个时隙，方格中的数字代表的是服务 器给新入网节点分配的入网序号(0-99)。对于网络中时隙的管理具体步骤为：

1、管理共享时隙设计

如图3所示，符号为X的时隙即为管理共享时隙。管理共享时隙是一个复 合时隙，可用作多种数据的交互。

1)当整个网络还没有任何节点入网时，所有时隙默认作为管理共享时隙， 用作节点的入网请求交互。在管理共享时隙中是不区分上行时隙和下行时隙 的。随着网络节点数的增加，网络分配的管理共享时隙逐渐减少。

2)集中控制无线传感器网络结构下，服务器对网络中无线节点的控制命 令可以通过管理共享时隙下发。

3)当网络中有节点离线时，离线节点的父节点在管理共享时隙向服务器 发送子节点离线报告。

2、通告广播时隙设计

如图3中左边灰色区域，通告时隙分配的范围是0-19。每一个节点入网后 在给入网节点分配一个通告时隙。通告时隙用于节点的通告广播，也可以用作 网络中广播通道，每一个节点在通告时隙发送自己的通告包，此时对于网络中 所有节点可以根据通告数据包的等级来进行选择性的同步。如图4为通告包格 式的设计。通告数据部分包括节点本身的信息、当前的ASN号、节点角色、 节点的网络跳数、拥有的子节点个数、超帧长度以及工作的信道信息。数据有 效载荷中13个字节的管理共享时隙位用来表示全网的管理共享时隙状态，当 网络中有附加数据时会在该数据载荷后面附加其他数据信息。

3、管理上行时隙设计

管理上行时隙和分配的通告时隙呈对称映射的关系。如图3所示，右边灰 色区域代表的是所分配的管理上行时隙，该管理上行时隙用于周期采样节点状 态数据包的发送。

对与无线传感网络中时隙分配遵循以下原则：

1、当整个网络没有任何节点入网时，所有管理时隙默认作为管理共享时 隙，用作节点的入网请求；

2、当有新节点入网，但是没有达到最大网络节点数量时，服务器为每一 个入网节点分配一个通告时隙和一个管理上行时隙，根据服务器分配的时隙位 置，将两个位置的管理共享时隙更新为一个通告时隙和一个管理时隙，此时管 理时隙包括通告时隙、管理上行时隙和管理共享时隙；

3、当网络中的入网节点数量达到网络支持的最大值时，将管理共享时隙 更新为对应节点的通告时隙和管理上行时隙，此时管理时隙仅包括通告时隙和 管理上行时隙；

4、当网络中有节点离线时，离线节点的父节点在共享时隙向服务器发送 子节点离线报告，重新调整网络中的时隙

本发明进一步公开了一种时隙调度算法，该算法基于TDMA的无线传感 器网络中，服务器作为集中控制器需要对每一个请求入网的节点进行统一的时 隙调度。每当网络中有新节点成功入网之后，网络中的所有节点会动态更新自 己的通告广播中的管理共享时隙bits。本发明所述时隙调度算法包括

1、服务器对入网新节点时隙分配算法实现

服务器端作为整个网络的集中控制器，承担着对入网节点进行时隙管理调 度的任务，每当收到网络中节点的入网请求时，首先需要根据节点地址判断该 节点是否已经入网，若该节点存在网络中，则丢弃该入网请求不做任何操作。 若该节点是新节点时，服务器根据网络状态给新节点分配一个未使用的入网序 号seq，服务器根据入网序号seq和当前网络的超帧复用因子RF来分配该节点 的通告时隙和管理上行时隙。

本发明用x表示超帧偏移，y1表示通告时隙偏移，y2表示上行时隙偏移。 算法设计如下：

x＝seq％RF1          (1)

y1＝seq/RF1          (2)

y2＝(M1-1)–y1          (3)

如图5所示，当节点序号为seq＝27的节点入网时的时隙分配，RF1＝5， M1＝40。经过上述公式计算得到时隙分配结果(x，y1，y2)＝(2，5，34)， 即给序号为47的节点分配时隙为超帧偏移为2，通告时隙偏移为5，上行时隙 为34。

2、节点ASN与时隙偏移的映射算法实现

在节点的运行过程中，通过节点的绝对时隙ASN和基本超帧长度Frame  Length，可以得到相应的超帧偏移x和时隙偏移y。通过超帧偏移x可以判断 当前基本超帧是否分配了通告时隙和管理上行时隙。方便在超帧开始时进行本 超帧的时隙调度。算法设计如下：

x＝(ASN/FRAMELENGTH)％RF1       (4)

y＝ASN％FRAMELENGTH         (5)

3、管理时隙状态与通告时隙位的映射算法实现

在广播通告的设计中，由于节点的通告广播会通告网络的管理共享时隙状 态，用于新节点的入网。所以每当新节点入网需要针对通告中的管理共享时隙 位进行动态更新。

这里将通告广播中的管理共享时隙位简称为时隙位(slot bits)。由管理时 隙的设计可知，在管理超帧中的通告时隙和管理上行时隙是按照对称映射的思 想设计的，也就是当已知通告时隙位置时，可以映射得到对应的管理上行时隙 位置，反之亦可。即根据节点发送的通告时隙位的信息来确定当前的时隙是否 为管理共享时隙，如为共享管理时隙则进行管理共享时隙位的动态更新。

在时隙位的设计中利用每一个字节的8位二进制数表示8个时隙的状态， 总共需要12.5个字节即100位来表示对应的通告时隙和管理时隙的调度状态。 取前12个字节和第13个字节的高4位作为slot bits的内容。在每一个字节的 二进制表示中，按照从左到右的顺序依次表示时隙位。按照图5所示的管理时 隙状态，对应的slot bits如图6所示。在通告的slot bits设计中，按照字节中的 位排序来代表时隙的状态，例如slot bits[0]＝11111100中的8位从左到右依次 表示时隙0-7，slot bits[1]＝00000000中的8位从左到右依次表示时隙8-15。 时隙位上为0表示管理共享时隙可用，时隙位为1表示该时隙被网络分配给入 网节点作通告时隙，不可作为管理共享时隙。

已知当前的新节点入网分配到的时隙坐标为(x，y1，y2)，根据这个坐标来 更新对应的slot bits中的对应的bit。这里提出了字节偏移m和位偏移n来对应 slot bits中对应的时隙位。对应的字节偏移和位偏移公式如下：

m＝seq/13            (6)

n＝seq％13           (7)

更新通告中slot bits对应的结果为：

slotbits[m]＝slotbits[m]|(1<<n)     (8)

当已知时隙坐标，查看通告中slot bits对应的结果为：

result＝0x01&(slotbits[m]>>n)       (9)

result＝1，该时隙未被分配可以作为管理共享时隙；相反，result＝0，该 时隙被分配给其他节点，不能作为管理共享。

综上所述，本发明所述技术方案能够实现系统管理控制和数据转发的相互 分离。网络控制与网络应用数据使用不同无线信道。管理和数据的信道分离可 以带来的优势是：

1)稳定性：为了在拥挤的WIFI频段，保证网络的稳定性，可以选择一个 较为稳定的信道传输网络的控制数据。确保网络的稳定性。同时在其他公共频 段上根据信道资源的使用率来分配信道资源。

2)灵活性：在网络规模较小，节点设备较少时，对于整个网来说只需要 用单汇聚节点和单信道即可满足整个网络的通信需求，此可以不区分控制和数 据的信道。但是随着网络规模的逐渐扩大，控制数据量增大时，可以分配单独 的管理汇聚节点来处理控制数据的交互。随着数据吞吐量动态调整数据汇聚节 点的数量来适应不同的业务需求。

3)节约信道资源：由于网路的信道资源的分配是随着网络规模的增大动 态增加的。使得信道资源的需求随着网络规模而改变。有效避免了信道资源的 浪费。

在基于TDMA的无线传感器网络中，时隙资源非常宝贵，传统的无线传 感器网络时隙调度算法往往不区分控制和数据用的时隙，在网络中的发送时隙 和接收时隙往往都是提供给控制命令和数据转发一起共用的。本发明从控制和 转发分离的角度出发，在无线传感器网络中的时隙调度上，实现了网络管理控 制和数据转发的分离，让整个网络的数据业务需求和网络控制完全分离，系统 管理的会话过程和网络服务的应用数据通信相互分离，互不影响，大大降低了 网络性能受网络规模增大带来的影响。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并 非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述 说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施 方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动 仍处于本发明的保护范围之列。