本發(fā)明屬于工業(yè)網絡通信技術領域，涉及一種基于優(yōu)先級分配的工業(yè)無線網絡確定性傳輸調度方法。

背景技術：

工業(yè)無線網絡是一種布置在工業(yè)生產過程中，對工業(yè)現(xiàn)場的設備和系統(tǒng)進行無線監(jiān)測、控制等功能的一種網絡。目前，國際上已經在工業(yè)無線領域制訂了三個網絡標準，分別是ISA100.11A、WirelessHART和WIA-PA。同時，為了滿足不同工業(yè)無線現(xiàn)場網絡之間的通信需求，在工廠網絡中經常需要部署工業(yè)無線回程網來連接不同的現(xiàn)場網絡，以擴大網絡通信范圍，并實現(xiàn)工廠網絡與互聯(lián)網之間的互通與集成。

工業(yè)無線網絡主要用于解決工業(yè)網絡數(shù)據的無線傳輸問題，直接涉及工業(yè)生產過程，而工業(yè)網絡中的數(shù)據對時延的確定性有著很高的要求。網絡數(shù)據錯過截至時間，不僅影響生產效率，嚴重的甚至可能引發(fā)工業(yè)事故。在國際工業(yè)無線標準中，普遍采用了基于時隙TDMA(Time Division MultipleAccess)的通信機制，利用合理的調度算法對時隙、信道資源進行分配，可以保證端到端數(shù)據流傳輸?shù)臅r延確定性。然而針對引入工業(yè)無線回程網的工業(yè)無線網絡缺少這方面的調度方法。因此，為解決工業(yè)無線網絡中全網數(shù)據流的時延確定性問題，發(fā)明一種工業(yè)無線網絡跨網確定性傳輸調度方法很有必要。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于優(yōu)先級分配的工業(yè)無線網絡確定性傳輸調度方法，保證跨網數(shù)據流端到端傳輸時間的確定性。工業(yè)無線網絡由支持信道、時隙資源分配的工業(yè)無線現(xiàn)場網絡和無線回程網組成。網絡中存在多條具有端到端傳輸時延約束的跨網數(shù)據流，這些數(shù)據流從無線現(xiàn)場網絡發(fā)起，經由無線回程網傳輸后到達其它的無線現(xiàn)場網絡。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種基于優(yōu)先級分配的工業(yè)無線網絡確定性傳輸調度方法，該方法包括網絡可調度性判斷過程和基于優(yōu)先級分配的調度過程：

所述的網絡可調度性判斷過程包括：1)網絡中每條端到端數(shù)據流都具有唯一的優(yōu)先級，不同優(yōu)先級的數(shù)據流發(fā)生沖突，低優(yōu)先級數(shù)據流會受到延時影響；2)網絡中的數(shù)據流所受到的延時影響不會導致其錯過截至到達時間，則這條數(shù)據流滿足可調度性；3)若網絡中所有的數(shù)據流都滿足可調度性，則整個網絡可調度；

所述的基于優(yōu)先級分配的調度過程包括：采用滿足網絡可調度性的優(yōu)先級分配方案，安排調度的時候優(yōu)先為高優(yōu)先級的數(shù)據流安排通信資源。

進一步，所述判斷網絡可調度性過程具體包括以下步驟：

101、建立網絡的模型，將網絡抽象為一個圖

G＝(V，E)

其中，其中V是由網絡設備{v₀，v₁，v₂，v₃，v₄，…，v_n}構成的集合，其中v₀代表網關，n代表現(xiàn)場節(jié)點設備個數(shù)；E代表網絡的連接情況，如果e(u，v)∈E，其中(u，v)∈V，則代表u，v這兩個網絡設備在網絡中建立了可靠的連接，可以直接進行通信傳輸，可以表示鏈路

102、將網絡G＝(V，E)中的端到端的數(shù)據流抽象為

F＝{F₁，F(xiàn)₂，F(xiàn)₃，…，F(xiàn)_N}

其中，F(xiàn)_N代表網絡中的一條從無線現(xiàn)場網絡發(fā)起，經由無線回程網傳輸后，到達其它無線現(xiàn)場網絡的跨網端到端數(shù)據流；該數(shù)據流從一個源節(jié)點產生數(shù)據，經由傳輸路徑中節(jié)點設備和網關的轉發(fā)，進入接收數(shù)據的目的節(jié)點；

103、網絡中每一條端到端的數(shù)據流擁有一個唯一優(yōu)先級：

p_i

其中，i表示網絡中第i條數(shù)據流，當一條擁有較高優(yōu)先級的數(shù)據流的傳輸鏈路，與擁有較低優(yōu)先級的數(shù)據流的傳輸鏈路發(fā)生沖突，后者將受到延時影響；

104、計算高優(yōu)先級端到端數(shù)據流對低優(yōu)先級端到端數(shù)據流造成的最壞時延；收集網絡中不同數(shù)據流路徑上重合的鏈路信息，當i，j兩條不同優(yōu)先級的端到端數(shù)據流，發(fā)生部分鏈路完全重合，也就是包含相同收發(fā)節(jié)點，用Q(i，j)來表示i，j兩條數(shù)據流重合鏈路中屬于高優(yōu)先級端到端數(shù)據流的鏈路總數(shù)，用α(i，j)來表示i，j兩條數(shù)據流連續(xù)重合鏈路長度超過3跳的路徑條數(shù)，用β_n(i，j)來表示每條該種路徑所包含的鏈路數(shù)，τ為單位時隙持續(xù)時間。

本方法所涉及的工業(yè)無線網絡中包含工業(yè)無線回程網。因而，所有的數(shù)據流兩兩之間都增加一段完全重合并且鏈路數(shù)大于3的路徑。每一條高于當前數(shù)據流優(yōu)先級的數(shù)據流，都最多會對當前數(shù)據流造成3個時隙的延時。

當：

α(i，j)＝0

則低優(yōu)先級數(shù)據流i受到高優(yōu)先級數(shù)據流j的整個延時Δ(i，j)為

Δ(i，j)＝{Q(i，j)+3}×τ

當：

α(i，j)＞0

則低優(yōu)先級數(shù)據流i受到高優(yōu)先級數(shù)據流j的整個延時Δ(i，j)為

進一步，所述基于優(yōu)先級分配的調度過程具體包括以下步驟

201、初始化每條數(shù)據流的優(yōu)先級，利用端到端數(shù)據流延時計算方法判斷數(shù)據流可調度性；如果數(shù)據流均滿足可調度性，則整個網絡滿足可調度；如果當前優(yōu)先級分配方案不滿足網絡可調度性，則尋找另一種優(yōu)先級分配方案，直至滿足網絡可調度性；

202、網絡已經滿足可調度，開始為每一條數(shù)據流安排時隙，信道；安排調度的時候，根據優(yōu)先級遍歷每條數(shù)據流，每條數(shù)據流都盡量在每個時隙去排下一個即將釋放的鏈路；安排調度時，高優(yōu)先級數(shù)據流優(yōu)先于低優(yōu)先級數(shù)據流；如果不同優(yōu)先級的鏈路不發(fā)生沖突，則利用空閑信道；如果不同優(yōu)先級的鏈路沖突，則低優(yōu)先級的排入下一個時隙，如果還有高優(yōu)先級的和它沖突，則繼續(xù)等待，直至排完整個網絡的調度。

進一步，在本方法中，利用一個層級式的無線網絡結構來構建工業(yè)無線回程網；工業(yè)無線回程網中的無線節(jié)點不能和無線傳感網的節(jié)點一樣自由切換信道，也就是說無線節(jié)點不能像無線傳感網節(jié)點在當前時隙采用一個信道，在下一個時隙則采用另外的信道；在這種層級式的網絡下，只要節(jié)點一個時隙的傳輸任務不包含相同節(jié)點，不同節(jié)點可以同時進行數(shù)據傳輸。因此，可以將該種工業(yè)無線回程網視為一段單信道線性網絡。

進一步，為了更加快速地找到一種滿足時延需求的優(yōu)先級分配方案，利用數(shù)據流的松弛度來初始化數(shù)據流的優(yōu)先級，松弛度的定義如下

S_i＝D_i-hop_i×τ

其中，D_i表示第i條數(shù)據流的截至時間，hop_i表示第i條數(shù)據流所包含的跳數(shù)，這個指標可以反映這條數(shù)據流需要調度的緊迫性。

進一步，在本方法中，如果一種優(yōu)先級分配方案不滿足網絡確定性，需要重新分配每一條數(shù)據流的優(yōu)先級，單純地利用全排列重新隨機分配優(yōu)先級，可能會效率不高；因此，為了優(yōu)化找尋滿足確定性要求的優(yōu)先級分配方案的過程，當遍歷到一條不滿足可調度性的數(shù)據流的時候，是因為該條數(shù)據流優(yōu)先級太低，受到過多高優(yōu)先級數(shù)據流的延時影響；因此將其優(yōu)先級提高一級，然后再進行網絡可調度性的判斷，進而可以適當提高優(yōu)先級分配方案滿足可調度性的成功率。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明建立了考慮層級式工業(yè)無線回程網的數(shù)據流時延計算模型，能夠分析計算出在某個數(shù)據流優(yōu)先級分配方案下，某一條數(shù)據流經過整個網絡所受到的最壞時延，進而可以判斷整個網絡的可調度性，然后進行基于優(yōu)先級的確定性調度。本發(fā)明提出的確定性調度方法不局限在現(xiàn)場網絡范圍內，而是面向既包含現(xiàn)場網絡，也包含工業(yè)回程網的混合無線網絡；所調度的對象是跨網傳輸?shù)臄?shù)據流，能夠面向全網對時隙、信道等資源進行分配，保障數(shù)據流端到端的確定性傳輸需求。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明：

圖1為工業(yè)無線網絡一條端到端數(shù)據流以及網絡通信資源示意圖；

圖2為不同優(yōu)先級數(shù)據流在網絡中沖突且α(i，j)＝0的示意圖；

圖3為不同優(yōu)先級數(shù)據流在網絡中沖突且α(i，j)＞0時的數(shù)據流示意圖；

圖4為工業(yè)無線回程網中節(jié)點和邊界網關構成的線性網絡示意圖；

圖5為網絡調度過程的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明所述技術方案是通過這樣的方式實現(xiàn)的：所述設計方法為工業(yè)無線網絡確定性傳輸調度方法，該方法包括判斷端到端數(shù)據流時延，然后進行網絡可調度性判定，以及在可調度網絡下的優(yōu)先級調度。

判斷工業(yè)無線網絡里端到端數(shù)據流的時延并進行可調度性判斷的具體步驟如下：

1、建立網絡的模型，將網絡抽象為一個圖：

G＝(V，E)

其中，其中V是由網絡設備{v₀，v₁，v₂，v₃，v₄，…，v_n}構成的集合，其中v₀代表網關,n代表現(xiàn)場節(jié)點設備個數(shù)；E代表網絡的連接情況，如果e(u，v)∈E，其中u，v∈V,則代表著u，v這兩個網絡設備在網絡中建立了可靠的連接，可以直接進行通信傳輸，可以表示為鏈路

2、將網絡G＝(V，E)中的端到端的數(shù)據流抽象為：

F={F₁，F(xiàn)₂，F(xiàn)₃，…，F(xiàn)_N}

其中，F(xiàn)_N代表網絡中的一條從無線現(xiàn)場網絡發(fā)起，經由無線回程網傳輸后，到達其它無線現(xiàn)場網絡的跨網端到端數(shù)據流。該數(shù)據流從一個源節(jié)點產生數(shù)據，經由傳輸路徑中節(jié)點設備和網關的轉發(fā)，進入接收數(shù)據的目的節(jié)點；

3、網絡中每一條端到端的數(shù)據流擁有一個唯一優(yōu)先級：

p_i

其中，i表示網絡中第i條數(shù)據流，當一條擁有較高優(yōu)先級的數(shù)據流的傳輸鏈路，與擁有較低優(yōu)先級的數(shù)據流的傳輸鏈路發(fā)生沖突，后者將受到延時影響；

4、本方法針對的工業(yè)無線網絡，為了滿足不同工業(yè)無線現(xiàn)場網絡之間的通信需求，擴大網絡通信范圍，除了滿足國際工業(yè)無線標準的工業(yè)無線現(xiàn)場網絡，還需要工業(yè)無線回程網絡。工業(yè)無線回程網采用點對多點層級式的結構，并且支持時隙傳輸。

5、工業(yè)無線網絡為了保證傳輸確定性，支持時隙傳輸。整個工業(yè)無線網絡里的端到端業(yè)務數(shù)據流經過中繼節(jié)點轉發(fā)，并在一個時隙內進行傳輸及確認幀回復；

6、工業(yè)無線回程網利用一個層級式的無線網絡結構來構建。工業(yè)無線回程網中的無線節(jié)點不能和無線傳感網的節(jié)點一樣自由切換信道，也就是說無線節(jié)點不能像無線傳感網節(jié)點在當前時隙采用一個信道，在下一個時隙則采用另外的信道。在這種層級式的網絡下，只要節(jié)點一個時隙的傳輸任務不包含相同節(jié)點，不同節(jié)點可以同時進行傳輸任務。因此，可以將該種工業(yè)無線回程網視為一段單信道線性網絡；

7、計算高優(yōu)先級端到端數(shù)據流對低優(yōu)先級端到端數(shù)據流造成的最壞時延，當i，j兩條不同優(yōu)先級的端到端數(shù)據流，發(fā)生部分鏈路完全重合，也就是包含相同收發(fā)節(jié)點，用Q(i，j)來表示i，j兩條數(shù)據流重合鏈路中屬于高優(yōu)先級端到端數(shù)據流的鏈路總數(shù)，用α(i，j)來表示i，j兩條數(shù)據流連續(xù)重合鏈路長度超過3跳的路徑條數(shù)，用β_n(i，j)來表示每條該種路徑所包含的鏈路數(shù)。τ為單位時隙持續(xù)時間；

8、因為工業(yè)無線網絡中包含工業(yè)無線回程網，所有的數(shù)據流兩兩之間都增加一段完全重合并且鏈路數(shù)大于3的路徑。每一條高于當前數(shù)據流優(yōu)先級的數(shù)據流，都最多會對當前數(shù)據流造成3個時隙的延時。

9、如果：

α(i，j)＝0

則低優(yōu)先級數(shù)據流i受到高優(yōu)先級數(shù)據流j的整個延時Δ(i，j)為

Δ(ij)＝{Q(i，j)+3}×τ

如果：

α(i，j)＞0

則低優(yōu)先級數(shù)據流i受到高優(yōu)先級數(shù)據流j的整個延時Δ(i，j)為

建立了網絡時延模型，進而可以判斷網絡可調度性。在此基礎上可以進行基于優(yōu)先級分配的確定性調度方法，步驟如下：

第一步，為每條數(shù)據流初始化分配一個優(yōu)先級，同時為了更加快速地找到一種滿足時延需求的優(yōu)先級分配方案，可以根據每條數(shù)據流的松弛度S_i來初始化，松弛度S_i定義如下：

S_i＝D_i-hop_i×τ

其中，D_i表示第i條數(shù)據流的截至時間，hop_i表示第i條數(shù)據流所包含的跳數(shù)。這個指標可以大致反映，這條數(shù)據流需要調度的緊迫性。相同截至時間的兩條數(shù)據流，如果其中一條數(shù)據流的路徑經過了更多的鏈路，則這條數(shù)據流需要調度的緊迫性高于另外一條。如果數(shù)據流松弛度相同，可以隨機分配區(qū)分其優(yōu)先級。

第二步，根據分配好的優(yōu)先級，采用上述的數(shù)據流可調度性判斷方法進行判斷，如果網絡中的每一條數(shù)據流都滿足可調度性，則這個網絡便是可調度的，進入第四步；如果遍歷到一條數(shù)據流不滿足可調度性的時候，進入第三步。

第三步，重新分配每一條數(shù)據流的優(yōu)先級，如果單純地利用全排列重新隨機的分配優(yōu)先級，效率可能會不高。因此，為了優(yōu)化找尋滿足確定性要求的優(yōu)先級分配方案的過程，當遍歷到一條不滿足的可調度性的數(shù)據流的時候，是因為該條數(shù)據流優(yōu)先級太低，受到過多高優(yōu)先級的延時影響。因此可以將其優(yōu)先級提高一級，然后再進行網絡可調度性的判斷，進而可以適當提高優(yōu)先級分配方案滿足可調度性的成功率。

第四步，網絡已經滿足可調度，開始為每一條數(shù)據流安排時隙，信道。安排調度的時候，根據優(yōu)先級遍歷每條數(shù)據流，每條數(shù)據流都盡量在每個時隙去排下一個即將釋放的鏈路。安排調度時，高優(yōu)先級數(shù)據流優(yōu)先于低優(yōu)先級數(shù)據流。如果不同優(yōu)先級的鏈路不發(fā)生沖突，則利用空閑信道；如果不同優(yōu)先級的鏈路沖突，則低優(yōu)先級的排入下一個時隙，如果還有高優(yōu)先級的和它沖突，則繼續(xù)等待。直至排完整個網絡的調度。

下面將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。

圖1為工業(yè)無線網絡一條端到端數(shù)據流以及網絡通信資源示意圖。在這樣一個網絡結構中，工業(yè)現(xiàn)場網絡由工業(yè)級的無線網絡協(xié)議構成，現(xiàn)場網絡數(shù)據匯聚到邊界網關，然后進入工業(yè)無線回程網。進而部署在一個廠房的現(xiàn)場網絡里的節(jié)點，可以通過工業(yè)無線回程網，與部署在另一個廠房的現(xiàn)場網絡節(jié)點通信。其中，工業(yè)無線現(xiàn)場網絡和工業(yè)無線回程網均支持對時隙、信道資源的分配。

一、判斷網絡可調度性流程說明

圖1中同時描述了工業(yè)無線網絡中一條端到端的數(shù)據流。在工業(yè)無線網絡里的跨網端到端數(shù)據流，是指從一個工業(yè)現(xiàn)場網絡的源設備節(jié)點發(fā)起，并且經過工業(yè)無線回程網絡，再進入另一個工業(yè)現(xiàn)場網絡目的設備節(jié)點的跨網完整傳輸路徑。數(shù)據流具有周期性、確定性和先后性的特征。

判斷網絡中數(shù)據流時延的具體步驟如下：

Step1：為網絡中每條端到端數(shù)據流定義一個唯一的優(yōu)先級，不同優(yōu)先級的數(shù)據流發(fā)生沖突，首先為高優(yōu)先級安排調度；

Step2：建立網絡模型。將網絡抽象為一個圖

G＝(V，E)

其中，其中V是由網絡設備{v_0，v₁，v₂，v₃，v₄，…，v_n}構成的集合，其中v₀代表網關，n代表現(xiàn)場節(jié)點設備個數(shù)；E代表網絡的連接情況，如果e(u，v)∈E，其中(u，v)∈V則代表著u，v這兩個網絡設備在網絡中建立了可靠的連接，可以直接進行通信傳輸，可以表示為鏈路

將網絡G＝(V，E)中的端到端的數(shù)據流抽象為

F＝{F₁，F(xiàn)₂，F(xiàn)₃，…，F(xiàn)_N}

Step3：分析工業(yè)無線回程網的存在對工業(yè)無線網絡時延帶來的影響。工業(yè)無線回程網利用一個層級式的無線網絡結構來構建工業(yè)無線回程網，并且可以時隙化。工業(yè)無線回程網中的無線節(jié)點不能和無線傳感網的節(jié)點一樣自由切換信道，也就是說無線節(jié)點不能像無線傳感網節(jié)點一樣在當前時隙采用一個信道，在下一個時隙則采用另外的信道。在這種層級式的網絡下，只要節(jié)點一個時隙的傳輸任務不包含相同節(jié)點，不同節(jié)點可以同時進行任務傳輸。因此，可以將該種工業(yè)無線回程網視為一段單信道線性網絡。

圖4為工業(yè)無線回程網中節(jié)點和邊界網關構成的線性網絡示意圖；

Step4：收集網絡中不同數(shù)據流路徑上重合的鏈路信息。當i，j兩條不同優(yōu)先級的端到端數(shù)據流，發(fā)生部分鏈路完全重合，也就是包含相同收發(fā)節(jié)點，用Q(i，j)來表示i，j兩條數(shù)據流重合鏈路中屬于高優(yōu)先級端到端數(shù)據流的鏈路總數(shù)，用α(i，j)來表示i，j兩條數(shù)據流連續(xù)重合鏈路長度超過3跳的路徑條數(shù)，用β_n(i，j)來表示每條該種路徑所包含的鏈路數(shù)；

圖2為不同優(yōu)先級數(shù)據流在網絡中沖突且α(i，j)＝0的示意圖；當

α(i，j)＝0

則低優(yōu)先級數(shù)據流i受到高優(yōu)先級數(shù)據流j的整個延時Δ(i，j)為

Δ(i，j)＝{Q(i，j)+3}×τ

圖3為不同優(yōu)先級數(shù)據流在網絡中沖突且α(i，j)＞0時的數(shù)據流示意圖；當

α(i，j)＞0

則低優(yōu)先級數(shù)據流i受到高優(yōu)先級數(shù)據流j的整個延時Δ(i，j)為

二、基于優(yōu)先級調度的流程說明

圖5為網絡調度過程的流程圖；

Step1：為每條數(shù)據流初始化分配一個優(yōu)先級，同時為了更加快速地找到一種滿足時延需求的優(yōu)先級分配方案，可根據每條數(shù)據流的松弛度S_i來初始化，松弛度S_i定義如下：

S_i＝D_i-hop_i×τ

其中，D_i表示第i條數(shù)據流的截至時間，hop_i表示第i條數(shù)據流所包含的跳數(shù)。這個指標可以大致反映，這條數(shù)據流需要調度的緊迫性。如果產生松弛度相同的數(shù)據流，可以隨機分配區(qū)分它們的優(yōu)先級。

Step2：利用上述的判斷端到端數(shù)據流延時計算方法判斷數(shù)據流可調度性，如果數(shù)據流均滿足可調度性，則整個網絡滿足可調度。如果當前優(yōu)先級分配方案不滿足網絡可調度性，則尋找另一種優(yōu)先級分配方案，直至滿足網絡可調度性。

Step3：網絡已經滿足可調度，開始為每一條數(shù)據流安排時隙，信道。安排調度的時候，根據優(yōu)先級遍歷每條數(shù)據流，每條數(shù)據流都盡量在每個時隙去排下一個即將釋放的鏈路。安排調度時，高優(yōu)先級數(shù)據流優(yōu)先于低優(yōu)先級數(shù)據流。如果不同優(yōu)先級的鏈路不發(fā)生沖突，則利用空閑信道；如果不同優(yōu)先級的鏈路沖突，則低優(yōu)先級的排入下一個時隙，如果還有高優(yōu)先級的和它沖突，則繼續(xù)等待。直至排完整個網絡的調度。

這樣，本發(fā)明的一種基于優(yōu)先級分配的工業(yè)無線網絡確定性傳輸調度方法，保證了工業(yè)無線網絡中全網端到端數(shù)據流的確定性傳輸需求。

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其做出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。