無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變速率資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)*

封岸松，王 宏，張彥武

（1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016；2.沈陽(yáng)化工大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039；4.沈陽(yáng)中科博微科技股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179）

無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變速率資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)*

封岸松1，2，3，王 宏1，4，張彥武4

（1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016；2.沈陽(yáng)化工大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039；4.沈陽(yáng)中科博微科技股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179）

無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度是通過對(duì)超幀的資源分配來實(shí)現(xiàn)。目前無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度算法研究主要應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)更新速率固定的場(chǎng)合。將超幀分為數(shù)據(jù)超幀和管理超幀，提出了一種針對(duì)于節(jié)點(diǎn)變速率上傳數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)超幀分配算法，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)超幀上行數(shù)據(jù)特性，在超幀中均勻分配時(shí)隙，提出了一種提高抗擾性的數(shù)據(jù)超幀分配算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，算法解決了無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)變速率節(jié)點(diǎn)的資源分配問題，并提高了端對(duì)端數(shù)據(jù)傳輸?shù)目箶_性。

無(wú)線HART；資源調(diào)度；數(shù)據(jù)超幀；管理超幀

0 引言

無(wú)線HART是第一個(gè)開放式的工業(yè)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，用于滿足過程工業(yè)應(yīng)用中可靠、穩(wěn)定和安全的無(wú)線通信的關(guān)鍵需求。無(wú)線HART是一個(gè)集中管理的MESH網(wǎng)絡(luò)，它建立在IEEE 802.15.4物理層標(biāo)準(zhǔn)上，附加了自有的數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議，在MAC層采用帶有跳頻的TDMA調(diào)度方法，保證系統(tǒng)的可靠性[1]。

無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)鏈路層采用TDMA機(jī)制，無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)中的通信資源調(diào)度成為影響網(wǎng)絡(luò)通信性能的重要因素。

1 無(wú)線HART資源調(diào)度策略研究現(xiàn)狀

無(wú)線HART成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)后，一些學(xué)者提出了一些基于無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度方法。SAIFULLAH A提出的實(shí)時(shí)調(diào)度算法支持實(shí)時(shí)反饋閉環(huán)控制，但是只完成了仿真工作，并沒有實(shí)際的應(yīng)用報(bào)告[2]；FANG M等提出了一種基于分層思想的調(diào)度算法，但時(shí)隙的分配中沒有考慮節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)更新速率[3]；ZHANG H等提出了基于時(shí)隙數(shù)和信道數(shù)最優(yōu)的資源調(diào)度算法，但該算法僅僅是針對(duì)于線性網(wǎng)絡(luò)和樹狀網(wǎng)絡(luò)[4-5]；董利達(dá)等提出了基于雙樹結(jié)構(gòu)資源調(diào)度策略，給出了資源添加和刪除算法，但該算法只適合雙樹結(jié)構(gòu)和層數(shù)固定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄6]；張盛等提出了無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)中的高可靠資源分配策略，基于資源分配的次序，降低傳輸延時(shí)，但該算法沒有考慮節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率的多變性以及資源類型的差異[7]。上述算法都沒有考慮節(jié)點(diǎn)更新速率的不同，同時(shí)在時(shí)隙的選擇中，采用連續(xù)順序選擇的方法（即第一條路徑選擇時(shí)隙1，第2條路徑選擇時(shí)隙2），通信易受突發(fā)干擾的影響。本文依據(jù)現(xiàn)有的研究狀況，針對(duì)無(wú)線HART超幀資源的不同類型和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率不同，提出資源分配算法。對(duì)無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)中同一節(jié)點(diǎn)的下一跳路徑（無(wú)線HART圖路由要求每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都至少有兩條下一跳路徑）在超幀中均勻分配時(shí)隙，增強(qiáng)對(duì)干擾信號(hào)的抗干擾能力。

2 無(wú)線HART通信資源和超幀

無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)的通信資源包括以下幾種類型：加入（JOIN）、廣告(ADVERTISE)、發(fā)現(xiàn)（DISCOVERY）、廣播（BROADCAST）和通用（NORMAL）。加入和廣告包用于節(jié)點(diǎn)加入;發(fā)現(xiàn)型資源用于搜索新鄰居和保持與時(shí)間源設(shè)備之間的聯(lián)系；廣播資源用于廣播信息;通用型資源則用于一般的數(shù)據(jù)傳遞。

在無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)中，通信資源的調(diào)度是以超幀為單位，超幀是一個(gè)由若干時(shí)隙組成的循環(huán)周期。無(wú)線HART規(guī)范支持多信道調(diào)度即支持16個(gè)信道，大大提高了通信帶寬的利用率。

無(wú)線HART的超幀可分為管理超幀和數(shù)據(jù)超幀，管理超幀主要負(fù)責(zé)加入、廣告、發(fā)現(xiàn)和廣播類型資源及通用類型中的下行資源，數(shù)據(jù)超幀負(fù)責(zé)上行資源。數(shù)據(jù)超幀長(zhǎng)度由節(jié)點(diǎn)通信速率決定，支持更新速率為2ns，其中n為正整數(shù)或負(fù)整數(shù),文中支持的最快更新數(shù)率為4 s，最慢更新數(shù)率為16 s(慢于16 s按照16 s更新)。論文使用一個(gè)數(shù)據(jù)超幀(長(zhǎng)度為 1 600個(gè)時(shí)隙)和兩個(gè)管理超幀，一個(gè)長(zhǎng)度為200個(gè)時(shí)隙(加入和廣告類型資源)，另一個(gè)為400個(gè)時(shí)隙(廣播和下行的通用類型資源)。

3 調(diào)度算法及實(shí)現(xiàn)

3.1 資源調(diào)度算法中的沖突

無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)中對(duì)時(shí)隙和信道的分配存在著兩種類型的沖突：顯式?jīng)_突和隱式?jīng)_突。若一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)存在一個(gè)發(fā)送鏈接和一個(gè)接收鏈接，則屬于顯式?jīng)_突，可以給兩種鏈接分配不同的時(shí)隙；而相鄰鏈接之間的干擾屬于隱式?jīng)_突，分配同一個(gè)時(shí)隙不同信道，如圖1中節(jié)點(diǎn)2→1和9→6所示，如果2和9同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，2和6互為鄰居，則2會(huì)對(duì)6造成干擾。在實(shí)際的資源調(diào)度算法中，根據(jù)不同的資源類型，對(duì)沖突的解決作了不同的定義。若通用資源和廣播類型資源的起點(diǎn)和終點(diǎn)都不同，則使用同一個(gè)時(shí)隙不同信道，否則分配不同時(shí)隙。若加入資源接收地址不同，廣告類型資源發(fā)送地址不同，則使用同一個(gè)時(shí)隙不同信道，否則分配不同時(shí)隙。

圖1 無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.2 資源調(diào)度算法軟件實(shí)現(xiàn)

無(wú)線HART的管理超幀（兩種）和數(shù)據(jù)超幀的長(zhǎng)度不同，無(wú)線HART的資源在這三種超幀上分配，但是這三種超幀都是在同一時(shí)間上運(yùn)行，因此在資源分配時(shí)還要考慮以下兩個(gè)問題：(1)在同一個(gè)時(shí)隙上，每種超幀既不能與同超幀類型資源沖突，也不能與其他超幀沖突；(2)由于三種超幀的更新時(shí)間不同，更新速率快的超幀在處理與更新速率慢的超幀的沖突時(shí)，不僅考慮相同時(shí)隙的沖突，還要考慮相應(yīng)倍數(shù)時(shí)隙的資源沖突，如加入資源超幀長(zhǎng)度為200個(gè)，在相對(duì)時(shí)隙數(shù)為10的位置處考慮與數(shù)據(jù)超幀的沖突時(shí)，既要考慮時(shí)隙數(shù)為10處的資源，還要考慮相對(duì)時(shí)隙數(shù)為210、410、610等處是否有資源沖突（數(shù)據(jù)超幀）。為解決以上問題，文中對(duì)于通信資源分配，統(tǒng)一在最長(zhǎng)的超幀（數(shù)據(jù)超幀）上對(duì)各種類型的資源分配，之后再分配到對(duì)應(yīng)的超幀中。下面詳述資源調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)過程。

無(wú)線HART資源調(diào)度算法的軟件實(shí)現(xiàn)主要由超幀初始化、節(jié)點(diǎn)信息獲取、路由算法實(shí)現(xiàn)、管理超幀資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)超幀資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)等部分組成，下面對(duì)各部分作詳細(xì)說明。

(1)超幀初始化

實(shí)現(xiàn)對(duì)管理超幀和數(shù)據(jù)超幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化，數(shù)據(jù)超幀的長(zhǎng)度為1 600，管理超幀 1長(zhǎng)度為200個(gè)（加入和廣告類型），管理超幀 2長(zhǎng)度為 400個(gè)（廣播和下行數(shù)據(jù)類型），在初始化中，還分配了網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的加入、廣告、發(fā)現(xiàn)和廣播類型資源。

(2)節(jié)點(diǎn)信息獲取

獲取節(jié)點(diǎn)信息和鄰居信息。

(3)路由算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)節(jié)點(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的圖路由和源路由算法，本文采用了文獻(xiàn)[8]的算法。

(4)管理超幀資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)

管理超幀資源分配算法過程如下：

①輸入資源類型和超幀長(zhǎng)度 length，加入和廣告類型length=200，廣播和下行數(shù)據(jù)類型length=400；

②下行數(shù)據(jù)類型資源，根據(jù)源路由得到相應(yīng)的路徑，對(duì)每條路徑調(diào)用資源搜索子算法，其他類型資源直接調(diào)用資源搜索子算法。

③調(diào)用資源分配子算法，設(shè)i=1，no=0，△=1。

資源搜索子算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟a：對(duì)需要分配資源的節(jié)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)超幀的第i個(gè)時(shí)隙的16個(gè)信道做資源沖突檢測(cè)(各類資源沖突檢測(cè)規(guī)則詳見3.1節(jié))，如果有沖突，轉(zhuǎn)到步驟d，否則執(zhí)行步驟b；

步驟b：j=i+length×k(k=1～(1 600/length-1))，分別對(duì)應(yīng)不同的j值，在數(shù)據(jù)超幀的第j個(gè)時(shí)隙的16個(gè)信道做資源沖突檢測(cè)，如果有沖突，轉(zhuǎn)到步驟d，否則執(zhí)行步驟c；

步驟c：在數(shù)據(jù)超幀的第i個(gè)時(shí)隙，檢測(cè)是否有空閑信道，有則該節(jié)點(diǎn)在i時(shí)隙空閑信道分配相應(yīng)類型資源，在數(shù)據(jù)超幀第i和j個(gè)時(shí)隙和相應(yīng)管理超理超幀(如果是管理超幀分配)第i個(gè)時(shí)隙中記錄發(fā)送地址，接收地址和資源類型，退出，資源分配成功，否則轉(zhuǎn)到步驟d；

步驟d：no=no+1；i=i+△，如果no≥length，資源分配失敗，退出，否則轉(zhuǎn)到步驟 a。

如圖1所示，在生物毒性測(cè)試的基礎(chǔ)上Persoone等人[36]提出并完善毒性單位分級(jí)評(píng)價(jià)法，其原理是將測(cè)試結(jié)果最大半數(shù)抑制濃度EC50或最大半數(shù)死亡濃度LC50轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的毒性單位（TU）值來評(píng)價(jià)水質(zhì).該方法綜合利用多種生物毒性測(cè)試結(jié)果，計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果簡(jiǎn)潔易懂.

(5)數(shù)據(jù)超幀資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)超幀分配上行圖路由數(shù)據(jù)，對(duì)于圖路由，源節(jié)點(diǎn)及每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)都有兩條到下一跳節(jié)點(diǎn)的路徑，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，文中對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)的兩條上行路徑，其資源分配的時(shí)隙間隔盡量大。數(shù)據(jù)超幀資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)過程如下：

①根據(jù)圖路由，計(jì)算從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的經(jīng)過節(jié)點(diǎn)和路徑（這部分算法不屬于本文范圍之內(nèi)）；

②對(duì)所有路徑和節(jié)點(diǎn)分配資源；

③i=1，no=0，△=1，length=T×100(T為數(shù)據(jù)更新時(shí)間，單位 s)，調(diào)用資源搜索子算法，得到第一條路徑資源；

④i=(L+length/2)%length(L為第一條路徑的時(shí)隙值)，no=0，△=(-1)×no，調(diào)用調(diào)用資源搜索子算法，得到第二條路徑資源。

選取圖1所示的無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)1為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，2～11為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，數(shù)據(jù)更新速率為 16 s，應(yīng)用資源調(diào)度算法，得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源分配表，文中只選取了前20個(gè)時(shí)隙的資源分配表，見表1和表2，其中時(shí)隙0為全網(wǎng)發(fā)現(xiàn)時(shí)隙，d表示下行，u表示上行，a表示廣告，j表示加入，b表示廣播，*表示多節(jié)點(diǎn)。

表1 資源分配表（1～9時(shí)隙）

表2 資源分配表（10～19時(shí)隙）

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 建立實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為驗(yàn)證資源調(diào)度算法，搭建無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括網(wǎng)絡(luò)管理器、接入點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)管理者在計(jì)算機(jī)上Linux環(huán)境下完成，AP和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用飛思卡爾的MC13224無(wú)線模塊。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)在無(wú)干擾情況下，分別使用5、10、15、20和25個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，使用4 s的更新速率和可變速率(從4 s～16 s)，應(yīng)用文中算法，節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)端到端的單向數(shù)據(jù)傳送成功率，端對(duì)端不設(shè)重傳，結(jié)果如圖2所示，說明在變速率節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳的情況下，算法保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定上傳。

圖2 節(jié)點(diǎn)不同速率上傳對(duì)端到端通信成功率的影響

(2)在加干擾情況下，分別使用5、10、15、20和25個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，在時(shí)隙分配中一種選擇同一節(jié)點(diǎn)的上行兩條路徑的時(shí)隙間隔盡量大(方案1)，另一種順序選擇時(shí)隙(方案2)，數(shù)據(jù)更新速率都為固定的16 s，從節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù)，加入干擾信號(hào)，然后實(shí)測(cè)端到端的單向數(shù)據(jù)傳送成功率，端對(duì)端不設(shè)重傳，得到如圖3所示的結(jié)果。從結(jié)果可以看出，方案1的成功率要高于方案2，說明文中使用的算法提高了節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)的抗擾性。

圖3 在有干擾下，兩種算法對(duì)通信成功率的影響

5 結(jié)論

目前無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度算法研究主要應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)更新速率固定的場(chǎng)合，本文提出了一種針對(duì)于節(jié)點(diǎn)變速率上傳數(shù)據(jù)的資源分配算法，對(duì)無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)中同一節(jié)點(diǎn)的下一跳路徑在超幀中均勻分配時(shí)隙，增強(qiáng)對(duì)干擾信號(hào)的抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，算法實(shí)現(xiàn)了無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)變速率節(jié)點(diǎn)的資源分配，并提高了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目箶_性。

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Implementation of variable-rate resources scheduling algorithm of wireless HART node

Feng Ansong1，2，3，Wang Hong1，4，Zhang Yanwu4
(1.Shenyang Institute of Automation Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China；2.College of Information Engineering，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，China；3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China；4.Microcyber Corporation，Shenyang 110179，China)

Resources schedulingin thewireless HART is implemented byallocating superframe.Theresearch ofresource scheduling algorithm in the wireless HART network is mainly used in the occasion of fixed rate node now.The super frame is divided into data super frame and management super frame in the paper.This paper proposes a kind of data super frame allocating algorithm for the node that uplink the data by variable speed.According to the characteristic of uplink data in the data super frame,the data frame allocating algorithm that enhance immunity to a disturbance is proposed by the average allocation time slot in the data frame.The experimental results show that the algorithm solves the resource allocation problems of variable rate of network node in the wireless HART and improves the end-to-end data transmission of resistance to interference.

wireless HART；resources scheduling；data super frame；management super frame

TN92

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.027

封岸松，王宏，張彥武.無(wú)線HART網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變速率資源調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(3)：95-97，101.

英文引用格式：Feng Ansong，Wang Hong，Zhang Yanwu.Implementation of variable-rate resources scheduling algorithm of wireless HART node[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：95-97，101.

2015-11-18）

封岸松（1970-），通信作者，男，博士研究生，主要研究方向：無(wú)線 HART網(wǎng)絡(luò)，E-mail：fengansong@sina.com。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA040304)

王宏（1963-），男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：工業(yè)通信與軟件開發(fā)。