一種面向緊急數(shù)據(jù)的異步多信道工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地說是一種面向緊急數(shù)據(jù)的異步多信道工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境具備高可靠、硬實時、高安全特征的無線網(wǎng)絡(luò)被稱為工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)(Industrial Wireless Sensor Networks, IWSNs)。無線技術(shù)低成本、易使用、易維護等優(yōu)點，使得以較低投資和使用成本實現(xiàn)“泛在感知”和“全流程優(yōu)化控制”的工業(yè)測控系統(tǒng)成為可能，具有廣闊的應(yīng)用前景，已成為工業(yè)測控和無線領(lǐng)域新的研究熱點。
[0003]工廠自動化應(yīng)用中的數(shù)據(jù)通常包括三類:安全、控制和監(jiān)測。其中，安全是指關(guān)乎生產(chǎn)和人身安全的動作數(shù)據(jù)；控制是指閉環(huán)管理、閉環(huán)監(jiān)督和開環(huán)等控制類數(shù)據(jù)；監(jiān)測是指報警、登錄和下載/上傳等數(shù)據(jù)。不同類型的數(shù)據(jù)對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中不同的性能需求，安全是緊急性最高的數(shù)據(jù)類。緊急數(shù)據(jù)要求苛刻的硬實時和高可靠性能，超過緊急數(shù)據(jù)的延時上限，則會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，帶來經(jīng)濟損失，甚至危害人身安全。
[0004]針對緊急數(shù)據(jù)的傳輸方法的研究中，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的介質(zhì)訪問控制(MAC,medium access control)方法，旨在為相互競爭的節(jié)點分配無線通信資源,是關(guān)系網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵技術(shù)。針對緊急數(shù)據(jù)的傳輸，主要包括下述三類方法:
[0005]I)固定分配方式，為每個傳感器節(jié)點分配固定的通信時隙和信道，從而避免節(jié)點之間的相互干擾；
[0006]2)隨機競爭方式，傳感器節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機占用無線資源，重點考慮盡量減少節(jié)點間的沖突和干擾；
[0007]3)混合方式，即固定分配和隨機競爭結(jié)合的方法。
[0008]隨機競爭方式中被廣泛采用的是載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Access with Collis1n Avoidance)機制。CSMA/CA 在沒有大的外部干擾且數(shù)據(jù)負荷較小時能夠提供低延時和充足的吞吐量，特別是對于不可預(yù)測的數(shù)據(jù)。然而，當網(wǎng)絡(luò)密度增加時，CSMA/CA不能提供有保證的無線信道接入。
[0009]固定分配方式中被廣泛采用的是時分多址(TDMA, Time Divis1n MultipleAccess)機制。相對于CSMA/CA，TDMA能夠提供更確定的性能。然而，由于不可預(yù)測的緊急數(shù)據(jù)具有發(fā)生的不確定性，TDMA不能為其提供優(yōu)先分配的專用傳輸時間，進而不能提供低延時。TDMA方法在緊急數(shù)據(jù)傳輸中的研究剛剛起步。已有典型研究提出了 Pr1rityMAC，根據(jù)數(shù)據(jù)的周期性、重現(xiàn)率和延時要求將其分為4個優(yōu)先級，分別對應(yīng)4種媒介接入方式。該方法能夠很好地解決不可預(yù)測的緊急數(shù)據(jù)的實時傳輸問題，然而，只是針對單信道進行資源調(diào)度，當節(jié)點多通信量比較大時，使得信道競爭比較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有TDMA方法解決緊急數(shù)據(jù)傳輸，局限于單信道通信、信道競爭較大，且對不可預(yù)測的緊急數(shù)據(jù)的處理能力較差，無法較高保障可靠性和實時性的問題，本發(fā)明提出了一種面向緊急數(shù)據(jù)的異步多信道工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法，能夠很好地解決多信道通信中不可預(yù)測的緊急數(shù)據(jù)的實時傳輸問題。
[0011]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種面向緊急數(shù)據(jù)的異步多信道工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法，包括以下步驟:
[0012]將可用信道劃分為一個控制信道和多個數(shù)據(jù)信道，在多個數(shù)據(jù)信道中選擇一個數(shù)據(jù)信道作為特殊信道；
[0013]當發(fā)送節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，判斷要發(fā)送的數(shù)據(jù)是否是緊急數(shù)據(jù)；
[0014]如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)是緊急數(shù)據(jù)，則發(fā)送節(jié)點在控制信道發(fā)送指示，再切換到特殊信道發(fā)送發(fā)送請求，判斷發(fā)送節(jié)點是否收到發(fā)送允許，如果收到則發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點進行待發(fā)送數(shù)據(jù)和ACK的傳輸；否則，發(fā)送節(jié)點持續(xù)發(fā)送指示，在下一個時隙重新發(fā)送發(fā)送請求；
[0015]如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)不是緊急數(shù)據(jù)，則發(fā)送節(jié)點在控制信道持續(xù)偵聽接收節(jié)點是否發(fā)送了聲明消息包，在偵聽到聲明消息包后，發(fā)送節(jié)點切換到聲明消息包中指定的數(shù)據(jù)信道，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點在該數(shù)據(jù)信道中進行發(fā)送請求、發(fā)送允許、待發(fā)送數(shù)據(jù)和ACK的傳輸。
[0016]所述特殊信道的時隙長度為節(jié)點發(fā)送一個緊急數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包的平均時間與發(fā)送一個廣播數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包的平均時間相比的較大值。
[0017]所述特殊信道劃分為高優(yōu)先級指示空間和非高優(yōu)先級指示空間，其中，高優(yōu)先級指示空間用于有緊急數(shù)據(jù)要發(fā)送的節(jié)點發(fā)送發(fā)送請求與接收發(fā)送允許，非高優(yōu)先級指示空間用于發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。
[0018]所述高優(yōu)先級指示空間由兩個等長的子時隙組成，分別用于有要發(fā)送緊急數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包的節(jié)點發(fā)送發(fā)送請求、接收發(fā)送允許。
[0019]所述聲明消息包中指定的數(shù)據(jù)信道通過以下方法選擇:
[0020]當接收節(jié)點的睡眠時間到達時，它以概率P在所有數(shù)據(jù)信道中隨機地選擇一個數(shù)據(jù)信道，而以概率1-P繼續(xù)睡眠，P定義為平均可用數(shù)據(jù)信道數(shù)A與總DC數(shù)K之比，其中，K由協(xié)議設(shè)計確定；A = Κ-λ X (1/ρ)，其中λ為報文到達速率，P為報文長度服從分布的參數(shù)。
[0021]所述發(fā)送節(jié)點切換到聲明消息包中指定的數(shù)據(jù)信道，包括以下步驟:檢測該數(shù)據(jù)信道的狀態(tài)，若空閑，則發(fā)送一個發(fā)送請求；若忙碌，則隨機退避一段時間后發(fā)送一個發(fā)送請求；如果發(fā)送節(jié)點在控制信道上偵聽時間Tniax后仍然沒有收到接收節(jié)點發(fā)送的聲明消息包，則發(fā)送節(jié)點主動在控制節(jié)點上發(fā)送一個聲明消息包，所述τ_為定義的最大偵聽時間，用于避免由于接收節(jié)點同時在控制信道上等待發(fā)送節(jié)點發(fā)送聲明信息包而導(dǎo)致的死鎖問題。
[0022]當接收節(jié)點收到發(fā)送請求后，接收節(jié)點發(fā)送一個發(fā)送允許來確認這次預(yù)約，當接收節(jié)點切換到數(shù)據(jù)信道后，如果沒有收到來自其他節(jié)點的發(fā)送請求，則接收節(jié)點根據(jù)自己的占空比切換回控制信道，然后進入睡眠階段。
[0023]當發(fā)送節(jié)點收到發(fā)送允許后，發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點進行傳輸，傳輸完畢后，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點切換回控制信道，然后進入睡眠階段。
[0024]還包括:
[0025]當發(fā)送節(jié)點有廣播數(shù)據(jù)要發(fā)送時，發(fā)送節(jié)點切換到特殊信道，開啟其無線收發(fā)器檢測特殊信道的信道狀態(tài)；
[0026]如果特殊信道空閑，那么發(fā)送節(jié)點在接下來的M個時隙內(nèi)連續(xù)發(fā)送M個相同的數(shù)據(jù)包，M根據(jù)不同WSN的性能需求進行動態(tài)地調(diào)整；
[0027]如果特殊信道忙碌，那么發(fā)送節(jié)點隨機退避一段時間。
[0028]本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果:
[0029]1.本發(fā)明采用的特殊信道機制，保證了緊急數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸，同時采用的指示機制，在保證不可預(yù)測緊急數(shù)據(jù)的目的節(jié)點能夠快速切換信道的同時，使得選擇使用特殊信道的普通數(shù)據(jù)在緊急數(shù)據(jù)占用信道時能夠進行退避，不干擾緊急數(shù)據(jù)傳輸，而在特殊信道空閑時能充分利用信道資源；
[0030]2.本發(fā)明中特殊信道中時隙長度的設(shè)置，保證了不可預(yù)測的緊急數(shù)據(jù)和廣播數(shù)據(jù)的確定性傳輸。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明中特殊信道中的時隙示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明中普通緊急數(shù)據(jù)單播通信示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明中不可預(yù)測的緊急數(shù)據(jù)單播通信的示意圖；
[0034]圖4為本發(fā)明中廣播通信的示意圖；
[0035]圖5為本發(fā)明的算法流程圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0037]根據(jù)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中緊急數(shù)據(jù)的特征，面向兩類典型的工業(yè)緊急數(shù)據(jù)，采用特殊信道結(jié)合優(yōu)先級指示的方法保證緊急數(shù)據(jù)快速切換信道進行實時傳輸?shù)耐瑫r，允許非緊急數(shù)據(jù)基于優(yōu)先級指示標志采用退避機制占用信道，保證了特殊信道的利用率；采用基于接收端的策略，解決了異步多信道調(diào)度中存在的控制信道飽和問題；既適用于單播通信，也適用于廣播通信。
[0038]圖1所示為特殊信道中時隙，本發(fā)明定義信道模型如下:
[0039](I)將可用信道劃分為一個控制信道(CC，control channel)和多個數(shù)據(jù)信道(DC, data channel)；
[0040](2)為了提高不可預(yù)測的緊急數(shù)據(jù)TCl的實時性和可靠性，在數(shù)據(jù)信道DC中設(shè)置一個特殊信道(SC, special channel),屬于TCl和廣播數(shù)據(jù)(BD, broadcast data)的專用傳輸信道，同時，采用指示退避機制，使得普通緊急數(shù)據(jù)TC2也可以選擇使用該信道，避免資源浪費，保證信道資源的利用率。
[0041]定義時隙模型如下:
[0042](I)為了保證算法適用于廣播通信，將SC的時隙長度T定義為節(jié)點發(fā)送一個TCl數(shù)據(jù)包的平均時間與發(fā)送一個BD數(shù)據(jù)包的平均時間的較大值，即tTel = tRTS+tcTS+tDATA+tA