一種面向緊急數(shù)據(jù)的異步多信道工業(yè)無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地說(shuō)是一種面向緊急數(shù)據(jù)的異步多信道工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境具備高可靠、硬實(shí)時(shí)、高安全特征的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)被稱為工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(Industrial Wireless Sensor Networks, IWSNs)。無(wú)線技術(shù)低成本、易使用、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，使得以較低投資和使用成本實(shí)現(xiàn)“泛在感知”和“全流程優(yōu)化控制”的工業(yè)測(cè)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(cè)控和無(wú)線領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。
[0003]工廠自動(dòng)化應(yīng)用中的數(shù)據(jù)通常包括三類:安全、控制和監(jiān)測(cè)。其中，安全是指關(guān)乎生產(chǎn)和人身安全的動(dòng)作數(shù)據(jù)；控制是指閉環(huán)管理、閉環(huán)監(jiān)督和開(kāi)環(huán)等控制類數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)是指報(bào)警、登錄和下載/上傳等數(shù)據(jù)。不同類型的數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)時(shí)和高可靠性能，超過(guò)緊急數(shù)據(jù)的延時(shí)上限，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，甚至危害人身安全。
[0004]針對(duì)緊急數(shù)據(jù)的傳輸方法的研究中，工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC,medium access control)方法，旨在為相互競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)分配無(wú)線通信資源,是關(guān)系網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的通信時(shí)隙和信道，從而避免節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾；
[0006]2)隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式，傳感器節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)占用無(wú)線資源，重點(diǎn)考慮盡量減少節(jié)點(diǎn)間的沖突和干擾；
[0007]3)混合方式，即固定分配和隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合的方法。
[0008]隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式中被廣泛采用的是載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免(CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Access with Collis1n Avoidance)機(jī)制。CSMA/CA 在沒(méi)有大的外部干擾且數(shù)據(jù)負(fù)荷較小時(shí)能夠提供低延時(shí)和充足的吞吐量，特別是對(duì)于不可預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密度增加時(shí)，CSMA/CA不能提供有保證的無(wú)線信道接入。
[0009]固定分配方式中被廣泛采用的是時(shí)分多址(TDMA, Time Divis1n MultipleAccess)機(jī)制。相對(duì)于CSMA/CA，TDMA能夠提供更確定的性能。然而，由于不可預(yù)測(cè)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(shí)間，進(jìn)而不能提供低延時(shí)。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(shí)要求將其分為4個(gè)優(yōu)先級(jí)，分別對(duì)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(cè)的緊急數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題，然而，只是針對(duì)單信道進(jìn)行資源調(diào)度，當(dāng)節(jié)點(diǎn)多通信量比較大時(shí)，使得信道競(jìng)爭(zhēng)比較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)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(jìng)爭(zhēng)較大，且對(duì)不可預(yù)測(cè)的緊急數(shù)據(jù)的處理能力較差，無(wú)法較高保障可靠性和實(shí)時(shí)性的問(wèn)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(wú)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(cè)的緊急數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題。
[0011]本發(fā)明為實(shí)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(wú)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(gè)控制信道和多個(gè)數(shù)據(jù)信道，在多個(gè)數(shù)據(jù)信道中選擇一個(gè)數(shù)據(jù)信道作為特殊信道；
[0013]當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，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(diǎn)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(qǐng)求，判斷發(fā)送節(jié)點(diǎn)是否收到發(fā)送允許，如果收到則發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行待發(fā)送數(shù)據(jù)和ACK的傳輸；否則，發(fā)送節(jié)點(diǎn)持續(xù)發(fā)送指示，在下一個(gè)時(shí)隙重新發(fā)送發(fā)送請(qǐng)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(diǎn)在控制信道持續(xù)偵聽(tīng)接收節(jié)點(diǎn)是否發(fā)送了聲明消息包，在偵聽(tīng)到聲明消息包后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)切換到聲明消息包中指定的數(shù)據(jù)信道，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)在該數(shù)據(jù)信道中進(jìn)行發(fā)送請(qǐng)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(shí)隙長(zhǎng)度為節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)緊急數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包的平均時(shí)間與發(fā)送一個(gè)廣播數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包的平均時(shí)間相比的較大值。
[0017]所述特殊信道劃分為高優(yōu)先級(jí)指示空間和非高優(yōu)先級(jí)指示空間，其中，高優(yōu)先級(jí)指示空間用于有緊急數(shù)據(jù)要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)發(fā)送發(fā)送請(qǐng)求與接收發(fā)送允許，非高優(yōu)先級(jí)指示空間用于發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
[0018]所述高優(yōu)先級(jí)指示空間由兩個(gè)等長(zhǎng)的子時(shí)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(diǎn)發(fā)送發(fā)送請(qǐng)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(guò)以下方法選擇:
[0020]當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間到達(dá)時(shí)，它以概率P在所有數(shù)據(jù)信道中隨機(jī)地選擇一個(gè)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(jì)確定；A = Κ-λ X (1/ρ)，其中λ為報(bào)文到達(dá)速率，P為報(bào)文長(zhǎng)度服從分布的參數(shù)。
[0021]所述發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(cè)該數(shù)據(jù)信道的狀態(tài)，若空閑，則發(fā)送一個(gè)發(fā)送請(qǐng)求；若忙碌，則隨機(jī)退避一段時(shí)間后發(fā)送一個(gè)發(fā)送請(qǐng)求；如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)在控制信道上偵聽(tīng)時(shí)間Tniax后仍然沒(méi)有收到接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的聲明消息包，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)主動(dòng)在控制節(jié)點(diǎn)上發(fā)送一個(gè)聲明消息包，所述τ_為定義的最大偵聽(tīng)時(shí)間，用于避免由于接收節(jié)點(diǎn)同時(shí)在控制信道上等待發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送聲明信息包而導(dǎo)致的死鎖問(wèn)題。
[0022]當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)收到發(fā)送請(qǐng)求后，接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)發(fā)送允許來(lái)確認(rèn)這次預(yù)約，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)切換到數(shù)據(jù)信道后，如果沒(méi)有收到來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的發(fā)送請(qǐng)求，則接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的占空比切換回控制信道，然后進(jìn)入睡眠階段。
[0023]當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到發(fā)送允許后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，傳輸完畢后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)切換回控制信道，然后進(jìn)入睡眠階段。
[0024]還包括:
[0025]當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)有廣播數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)切換到特殊信道，開(kāi)啟其無(wú)線收發(fā)器檢測(cè)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(diǎn)在接下來(lái)的M個(gè)時(shí)隙內(nèi)連續(xù)發(fā)送M個(gè)相同的數(shù)據(jù)包，M根據(jù)不同WSN的性能需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)地調(diào)整；
[0027]如果特殊信道忙碌，那么發(fā)送節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避一段時(shí)間。
[0028]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0029]1.本發(fā)明采用的特殊信道機(jī)制，保證了緊急數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸，同時(shí)采用的指示機(jī)制，在保證不可預(yù)測(cè)緊急數(shù)據(jù)的目的節(jié)點(diǎn)能夠快速切換信道的同時(shí)，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(shí)能夠進(jìn)行退避，不干擾緊急數(shù)據(jù)傳輸，而在特殊信道空閑時(shí)能充分利用信道資源；
[0030]2.本發(fā)明中特殊信道中時(shí)隙長(zhǎng)度的設(shè)置，保證了不可預(yù)測(cè)的緊急數(shù)據(jù)和廣播數(shù)據(jù)的確定性傳輸。
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1為本發(fā)明中特殊信道中的時(shí)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(cè)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(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0037]根據(jù)工業(yè)無(wú)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(jí)指示的方法保證緊急數(shù)據(jù)快速切換信道進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，允許非緊急數(shù)據(jù)基于優(yōu)先級(jí)指示標(biāo)志采用退避機(jī)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(wèn)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(shí)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(gè)控制信道(CC，control channel)和多個(gè)數(shù)據(jù)信道(DC, data channel)；
[0040](2)為了提高不可預(yù)測(cè)的緊急數(shù)據(jù)TCl的實(shí)時(shí)性和可靠性，在數(shù)據(jù)信道DC中設(shè)置一個(gè)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(shí)，采用指示退避機(jī)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(fèi)，保證信道資源的利用率。
[0041]定義時(shí)隙模型如下:
[0042](I)為了保證算法適用于廣播通信，將SC的時(shí)隙長(zhǎng)度T定義為節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)TCl數(shù)據(jù)包的平均時(shí)間與發(fā)送一個(gè)BD數(shù)據(jù)包的平均時(shí)間的較大值，即tTel = tRTS+tcTS+tDATA+tA