一種基于雙樹路由的上行調(diào)度方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙樹路由的上行調(diào)度方法及裝置，方法包括：將網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹的根節(jié)點；獲取網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的所有鄰居節(jié)點中虛擬父親勢能值最大的節(jié)點，為第一鄰居節(jié)點；獲取調(diào)度樹節(jié)點中的第二鄰居節(jié)點和第三鄰居節(jié)點，分別為調(diào)度樹節(jié)點中第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值最大的節(jié)點和次大的節(jié)點；將第一鄰居節(jié)點加入第一調(diào)度樹中第二鄰居節(jié)點的子節(jié)點，將第一鄰居節(jié)點加入第二調(diào)度樹中第三鄰居節(jié)點的子節(jié)點；根據(jù)第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹進(jìn)行路由的上行調(diào)度。本發(fā)明通過引入虛擬父親勢能來構(gòu)建兩棵調(diào)度樹，將復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為簡單的樹形結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行路由的上行調(diào)度時，大大降低了資源消耗。
【專利說明】
一種基于雙樹路由的上行調(diào)度方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙樹路由的上行調(diào)度方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]WirelessHART是第一個應(yīng)用于工業(yè)過程自動化和控制系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層主要采用無沖突的TDMA機(jī)制，以提高在惡劣多變的通信環(huán)境中的高可靠數(shù)據(jù)傳輸，是一種集中管理控制型的網(wǎng)絡(luò)JirelessHART工作于2.4GHz ISM射頻頻段，通過與IEEE 802.15.4兼容的直序擴(kuò)頻和調(diào)頻技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，其拓?fù)浒ňW(wǎng)絡(luò)管理器、網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)管理器負(fù)責(zé)通信路由的生成、超幀調(diào)度和時隙安排以及節(jié)點的加入和網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)管理優(yōu)化等。網(wǎng)絡(luò)管理器與網(wǎng)絡(luò)中無線節(jié)點的連接通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)中包含網(wǎng)絡(luò)接入點AP，是網(wǎng)絡(luò)中無線網(wǎng)絡(luò)部分與有線的網(wǎng)絡(luò)控制部分連接的橋梁。現(xiàn)場節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量最多的設(shè)備，在WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場節(jié)點均為全功能節(jié)點，其不僅能夠作為源節(jié)點采集并上傳數(shù)據(jù)，還能作為路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來自網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點的數(shù)據(jù)包。
[0003]WirelessHART協(xié)議是2007年9月發(fā)布的，至今關(guān)于WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的研究成果尚不是很多，已有研究主要集中在路由算法、超幀調(diào)度等方面。WirelessHART協(xié)議沒有提出具體的調(diào)度方案。網(wǎng)絡(luò)管理器收集各節(jié)點的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，計算并分配時隙和信道的調(diào)度策略分發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。而所有節(jié)點也需要定期給網(wǎng)關(guān)上報數(shù)據(jù)。給所有節(jié)點上報的數(shù)據(jù)分配時隙和信道等無線資源就是上行調(diào)度。上行調(diào)度是WirelessHART數(shù)據(jù)調(diào)度必不可少的步驟，上行調(diào)度的結(jié)果是衡量網(wǎng)絡(luò)性能、數(shù)據(jù)傳輸實時性和可靠性、無線資源利用率的非常重要的指標(biāo)。除此之外，生存時間和能耗與實時性和可靠性之間也存在著相互制約的關(guān)系O
[0004]在集中管理方式中，網(wǎng)關(guān)附近的節(jié)點往往成為熱點問題，因為這些節(jié)點往往因為能量消耗過快而造成較早失效，致使網(wǎng)絡(luò)癱瘓。所以，對WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的無線資源管理變得尤為重要。上行調(diào)度是WirelessHART網(wǎng)絡(luò)無線資源調(diào)度的一種類型，是無線資源調(diào)度的重要組成部分，然而，現(xiàn)有算法對WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性的研究重點大多在數(shù)據(jù)鏈路層上，缺少與網(wǎng)絡(luò)層的跨層研究，缺少一種能夠降低資源消耗的上行調(diào)度方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]由于現(xiàn)有算法對WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性的研究重點大多在數(shù)據(jù)鏈路層上，缺少與網(wǎng)絡(luò)層的跨層研究，缺少一種能夠降低資源消耗的上行調(diào)度方法問題，本發(fā)明提出一種基于雙樹路由的上行調(diào)度方法及裝置。
[0006]第一方面，本發(fā)明提出一種基于雙樹路由的上行調(diào)度方法，包括:
[0007]將網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹的根節(jié)點；
[0008]獲取網(wǎng)絡(luò)中的第一鄰居節(jié)點，所述第一鄰居節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的所有鄰居節(jié)點中虛擬父親勢能值最大的節(jié)點；
[0009]獲取調(diào)度樹節(jié)點中的第二鄰居節(jié)點和第三鄰居節(jié)點，所述第二鄰居節(jié)點為調(diào)度樹節(jié)點中所述第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值最大的節(jié)點，所述第三鄰居節(jié)點為調(diào)度樹節(jié)點中所述第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值次大的節(jié)點，當(dāng)所述第一鄰居節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的節(jié)點只有一個時，則所述第三鄰居節(jié)點和所述第二鄰居節(jié)點相同；
[0010]將所述第一鄰居節(jié)點加入第一調(diào)度樹中所述第二鄰居節(jié)點的子節(jié)點，將所述第一鄰居節(jié)點加入第二調(diào)度樹中所述第三鄰居節(jié)點的子節(jié)點；
[0011]根據(jù)第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹進(jìn)行路由的上行調(diào)度。
[0012]優(yōu)選地，所述根據(jù)第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹進(jìn)行路由的上行調(diào)度進(jìn)一步包括:
[0013]根據(jù)第一調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第一目標(biāo)值；
[0014]當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于第一目標(biāo)值時，根據(jù)第二調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第二目標(biāo)值，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于所述第二目標(biāo)值時，完成路由的上行調(diào)度。
[0015]優(yōu)選地，所述根據(jù)第一調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第一目標(biāo)值之后，還包括:
[0016]當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于第一目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點。
[0017]優(yōu)選地，所述當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于第一目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點，進(jìn)一步包括:
[0018]當(dāng)產(chǎn)生調(diào)度空洞時，所述第一目標(biāo)值增加I。
[0019]優(yōu)選地，所述當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于所述第二目標(biāo)值時，完成路由的上行調(diào)度之后，還包括:
[0020]當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于所述第二目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點。
[0021]優(yōu)選地，所述當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于所述第二目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點，進(jìn)一步包括:
[0022]當(dāng)產(chǎn)生調(diào)度空洞時，所述第二目標(biāo)值增加I。
[0023]第二方面，本發(fā)明還提出一種基于雙樹路由的上行調(diào)度裝置，包括:
[0024]根節(jié)點生成模塊，用于將網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹的根節(jié)占.V ，
[0025]鄰居節(jié)點獲取模塊，用于獲取網(wǎng)絡(luò)中的第一鄰居節(jié)點，所述第一鄰居節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的所有鄰居節(jié)點中虛擬父親勢能值最大的節(jié)點；
[0026]添加節(jié)點獲取模塊，用于獲取調(diào)度樹節(jié)點中的第二鄰居節(jié)點和第三鄰居節(jié)點，所述第二鄰居節(jié)點為調(diào)度樹節(jié)點中所述第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值最大的節(jié)點，所述第三鄰居節(jié)點為調(diào)度樹節(jié)點中所述第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值次大的節(jié)點，當(dāng)所述第一鄰居節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的節(jié)點只有一個時，則所述第三鄰居節(jié)點和所述第二鄰居節(jié)點相同；
[0027]節(jié)點添加模塊，用于將所述第一鄰居節(jié)點加入第一調(diào)度樹中所述第二鄰居節(jié)點的子節(jié)點，將所述第一鄰居節(jié)點加入第二調(diào)度樹中所述第三鄰居節(jié)點的子節(jié)點；
[0028]上行調(diào)度模塊，用于根據(jù)第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹進(jìn)行路由的上行調(diào)度。
[0029]優(yōu)選地，所述上行調(diào)度模塊進(jìn)一步包括:
[0030]第一時隙判斷單元，用于根據(jù)第一調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第一目標(biāo)值；
[0031]第二時隙判斷單元，用于當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于第一目標(biāo)值時，根據(jù)第二調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第二目標(biāo)值，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于所述第二目標(biāo)值時，完成路由的上行調(diào)度。
[0032]優(yōu)選地，所述上行調(diào)度模塊還包括:
[0033]節(jié)點調(diào)度單元，用于當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于第一目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點。
[0034]優(yōu)選地，所述上行調(diào)度模塊還包括:
[0035]目標(biāo)值增加單元，用于當(dāng)產(chǎn)生調(diào)度空洞時，所述第一目標(biāo)值增加I。
[0036]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明通過引入虛擬父親勢能值來構(gòu)建兩棵調(diào)度樹，將復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為簡單的樹形結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行路由的上行調(diào)度時，大大降低了資源消耗，并通過與網(wǎng)絡(luò)層的跨層研究，為WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性的研究提供了一種新的研究方向。
【附圖說明】
[0037]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些圖獲得其他的附圖。
[0038]圖1為本發(fā)明一實施例提供的一種WirelessHART網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖；
[0039]圖2為本發(fā)明一實施例提供的一種基于雙樹路由的上行調(diào)度方法的流程示意圖；
[0040]圖3為本發(fā)明一實施例提供的一種基于雙樹路由的上行調(diào)度方法的路由算法流程圖；
[0041]圖4為本發(fā)明一實施例提供的一種基于雙樹路由的上行調(diào)度方法的調(diào)度算法流程圖；
[0042]圖5為本發(fā)明一實施例提供的一種基于雙樹路由的上行調(diào)度裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖，對發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0044]首先對本發(fā)明涉及到的概念做統(tǒng)一的說明。
[0045]虛擬能量勢場:虛擬能量勢場Um是用來表示節(jié)點當(dāng)前的生存狀況，值越大，該節(jié)點越優(yōu)先被其孩子節(jié)點選為父親節(jié)點。虛擬能量勢場由三個參數(shù)組成:距離勢場，剩余能量勢場和路徑最小剩余能量勢場。
[0046]虛擬父親勢能值:目標(biāo)節(jié)點的臨時勢能差值。在目標(biāo)節(jié)點尚未加入樹中的時候，無法判斷節(jié)點的跳數(shù)，不能生成該節(jié)點的虛擬能量勢能，所以生成虛擬父親勢能選擇目標(biāo)節(jié)點。該方法是給目標(biāo)節(jié)點的父親節(jié)點的虛擬能量勢場值Um排序，選取虛擬能量勢場最大的兩個p1、p2作為目標(biāo)節(jié)點的父親節(jié)點，并求其均值作為目標(biāo)節(jié)點的虛擬父親勢能值:Um_P =[Um(pl)+Um(p2)]/2。
[0047]調(diào)度:本發(fā)明提及的“調(diào)度”，指的是上行調(diào)度。某節(jié)點被“調(diào)度”時，該節(jié)點與其父親節(jié)點之間成為一對通信節(jié)點，該節(jié)點將緩存中的第一個數(shù)據(jù)包發(fā)送給父親節(jié)點，該節(jié)點的父親節(jié)點接收該數(shù)據(jù)包，視為本次調(diào)度成功。本發(fā)明默認(rèn)節(jié)點可以存儲多個數(shù)據(jù)包，且數(shù)據(jù)包之間沒有聚合。
[0048]調(diào)度優(yōu)先級:由時隙優(yōu)先級和信道優(yōu)先級組成的二維優(yōu)先級。時隙優(yōu)先級:網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點根據(jù)到達(dá)網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)，被分為不同的層級level。距離網(wǎng)關(guān)跳數(shù)少的節(jié)點，level低；反之，距離網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)多的節(jié)點，level高。而根據(jù)層級的高低，定義了時隙優(yōu)先級，確定節(jié)點被調(diào)度的時隙。信道優(yōu)先級:對網(wǎng)絡(luò)中位于同一層級的節(jié)點，根據(jù)節(jié)點的子孫節(jié)點的個數(shù)，確定各節(jié)點的信道優(yōu)先級。子孫節(jié)點個數(shù)越多，該節(jié)點越需要優(yōu)先調(diào)度，其信道優(yōu)先級越高。調(diào)度過程中，時隙優(yōu)先級高于信道優(yōu)先級。
[0049]調(diào)度空洞:在調(diào)度進(jìn)行過程中，網(wǎng)關(guān)的孩子節(jié)點若沒有待調(diào)度數(shù)據(jù)包，則判定為調(diào)度空洞。調(diào)度進(jìn)行前，調(diào)度需要花費(fèi)的總時隙數(shù)是確定的。解決調(diào)度空洞需要變更總時隙數(shù)。
[0050]圖2示出了本發(fā)明一實施例提供的一種基于雙樹路由的上行調(diào)度方法，包括:
[0051 ] S1、將網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹的根節(jié)點；
[0052]S2、獲取網(wǎng)絡(luò)中的第一鄰居節(jié)點，所述第一鄰居節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的所有鄰居節(jié)點中虛擬父親勢能值最大的節(jié)點；
[0053]S3、獲取調(diào)度樹節(jié)點中的第二鄰居節(jié)點和第三鄰居節(jié)點，所述第二鄰居節(jié)點為調(diào)度樹節(jié)點中所述第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值最大的節(jié)點，所述第三鄰居節(jié)點為調(diào)度樹節(jié)點中所述第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值次大的節(jié)點，當(dāng)所述第一鄰居節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的節(jié)點只有一個時，則所述第三鄰居節(jié)點和所述第二鄰居節(jié)點相同；
[0054]S4、將所述第一鄰居節(jié)點加入第一調(diào)度樹中所述第二鄰居節(jié)點的子節(jié)點，將所述第一鄰居節(jié)點加入第二調(diào)度樹中所述第三鄰居節(jié)點的子節(jié)點；
[0055]S5、根據(jù)第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹進(jìn)行路由的上行調(diào)度。
[0056]本實施例通過引入虛擬父親勢能值來構(gòu)建兩棵調(diào)度樹，將復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為簡單的樹形結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行路由的上行調(diào)度時，大大降低了資源消耗，并通過與網(wǎng)絡(luò)層的跨層研究，為WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性的研究提供了一種新的研究方向。
[0057]作為本實施例的可選方案，步驟S5進(jìn)一步包括:
[0058]S51、根據(jù)第一調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第一目標(biāo)值；
[0059]S52、當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于第一目標(biāo)值時，根據(jù)第二調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第二目標(biāo)值，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于所述第二目標(biāo)值時，完成路由的上行調(diào)度。
[0060]通過設(shè)定與第一調(diào)度樹對應(yīng)的第一目標(biāo)值和與兩棵調(diào)度樹均相關(guān)的第二目標(biāo)值，能夠非常方便地判斷是否完成路由的上行調(diào)度。
[0061 ] 具體地，步驟S51之后，還包括:
[0062]S511、當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于第一目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點。
[0063]通過調(diào)度優(yōu)先級對可行節(jié)點進(jìn)行調(diào)度，能夠解決當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于第一目標(biāo)值時，整個網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度問題。
[0064]進(jìn)一步地，步驟S511進(jìn)一步包括:當(dāng)產(chǎn)生調(diào)度空洞時，所述第一目標(biāo)值增加I。
[0065]通過將第一目標(biāo)值增加I，解決調(diào)度空洞問題。
[0066]更進(jìn)一步地，步驟S52之后，還包括:
[0067]S53、當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于所述第二目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點。
[0068]通過調(diào)度優(yōu)先級對可行節(jié)點進(jìn)行調(diào)度，能夠解決當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于第一目標(biāo)值時，整個網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度問題。
[0069]更進(jìn)一步地，步驟S53進(jìn)一步包括當(dāng)產(chǎn)生調(diào)度空洞時，所述第二目標(biāo)值增加I。
[0070]通過將第一目標(biāo)值增加I，解決調(diào)度空洞問題。
[0071 ]具體地，在使用基于雙樹路由的上行調(diào)度方法時，包括以下步驟:
[0072]Al、初始化節(jié)點位置、能量，初始化圖G1(VB1，EB1)，G2(VB2，EB2)，計算圖中各節(jié)點的勢能Um，獲取各節(jié)點的鄰居信息；
[0073]A2、計算與G1(VB1，EB1)至少有兩條邊的點集S’；若S’為空，則轉(zhuǎn)至步驟A3;反之，計算S ’，對S ’中節(jié)點的虛擬父親勢能值1]!11_?進(jìn)行排序;選取Um_P值最大的節(jié)點Vi，加入VBl、VB2;將Vi的父親節(jié)點的Um排序，選取Um最大的兩個節(jié)點pl、p2，將ei,pl和ei,p2分別存入EBl、EB2;轉(zhuǎn)至步驟A4;
[0074]A3、計算與Gl只有一條邊的點集S”，若S”為空，則報錯;反之，計算S”中節(jié)點的虛擬父親勢能值Um_P，選取最大UnU^的節(jié)點Vj，加入VBl、VB2;將Vj的父親節(jié)點P的邊ev,P存入EB1、EB2;轉(zhuǎn)至步驟A4;
[0075]A4、判斷VBl是否包含V中所有節(jié)點，若有節(jié)點尚未加入VBl，則重新執(zhí)行步驟A2;反之，VBI包含V中所有節(jié)點，確定網(wǎng)絡(luò)的兩個生成樹Gl (VBI，EBI)，G2 (VB2，EB2)，初始化時隙指針timeslot和信道指針channel，以及最大時隙數(shù)T，轉(zhuǎn)至步驟A5;
[0076]A5、調(diào)用Gl (VBl ,EBl);判斷時隙t是否大于Tl，如果t>Tl，則轉(zhuǎn)向步驟7);反之，判斷是否產(chǎn)生調(diào)度空洞，如果產(chǎn)生調(diào)度空洞，變更最大時隙數(shù)Tl為T1 + 1，轉(zhuǎn)至步驟A6，若不產(chǎn)生調(diào)度空洞則直接轉(zhuǎn)向步驟A6;
[0077]△6、根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點，調(diào)度結(jié)果存入卯1;[1^1〈1:，0>;1:;[1116810丨+1，轉(zhuǎn)至步驟A5;
[0078]A7、調(diào)用G2(VB2，EB2);判斷時隙t是否大于T1+T2，如果t>Tl+T2，則調(diào)度完成，調(diào)度結(jié)果uplink = uplinkl+uplink2 ；轉(zhuǎn)向步驟A9 ；反之，判斷是否產(chǎn)生調(diào)度空洞，如果產(chǎn)生調(diào)度空洞，變更最大時隙數(shù)T2為T2+1，轉(zhuǎn)至步驟A8。
[0079]A8、根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點，調(diào)度結(jié)果存入uplink2〈t，c> ； timeslot+1，轉(zhuǎn)至步驟A7;
[0080]A9、結(jié)束操作。
[0081]其中，點集S’與S”說明如下:在本實施例中涉及到一幅圖和兩棵樹，分別是網(wǎng)絡(luò)實際拓?fù)鋱DG(VB，EB)，第一調(diào)度樹GI (VBI，EBI )，第二調(diào)度樹G2 (VB2，EB2)。初始化的圖和樹中，只有網(wǎng)關(guān)節(jié)點和AP節(jié)點。在生成圖Gl的過程中，我們找到與Gl至少有兩條邊的點，存入點集S’，而與Gl只有一條邊的點存入點集S” ；同理，與G2對應(yīng)的點集是S’與S”。
[0082]WirelessHART協(xié)議的宗旨是滿足工廠應(yīng)用中“簡單，可靠，安全”的無線通信的關(guān)鍵需求，本發(fā)明根據(jù)WirelessHART的傳輸需求，將實時性、可靠性以及生存時間作為設(shè)計原貝1J，對WirelessHART中的最優(yōu)上行調(diào)度問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模得出系統(tǒng)模型。該模型以網(wǎng)絡(luò)聚合時延、端到端的丟包率等為約束條件，以網(wǎng)絡(luò)的生存時間為優(yōu)化目標(biāo)，提出符合WirelessHART傳輸需求符合工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)特性的系統(tǒng)模型。
[0083]本實施例提供的上行調(diào)度方法主要是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，生成能量有效的雙樹路由算法，在路由生成時，主要考慮如何提升網(wǎng)絡(luò)的端到端可靠性和生存時間。采用雙樹路由傳輸數(shù)據(jù)，提升網(wǎng)絡(luò)端到端傳輸?shù)目煽啃?。同時，在雙樹路由生成時，綜合考慮節(jié)點實際位置，節(jié)點剩余能量等方面的因素，運(yùn)用物理學(xué)中勢場概念，建立虛擬能量勢場模型以保證網(wǎng)絡(luò)整體能量的平衡消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。在雙樹路由算法的基礎(chǔ)上，以最小化聚合時延為目標(biāo)生成實時性良好的數(shù)據(jù)聚合算法。交替采用雙樹路由以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?，降低網(wǎng)絡(luò)中可能存在的時隙沖突和信道干擾。
[0084]本實施例提供的方法的最優(yōu)化目標(biāo)是最大化網(wǎng)絡(luò)生存時間。在數(shù)據(jù)聚合的時候選用最優(yōu)的兩棵樹，縮短網(wǎng)絡(luò)整體超幀長度。在路由生成時，為了提升網(wǎng)絡(luò)的端到端可靠性和全網(wǎng)的生存時間，考慮全網(wǎng)剩余能量的均衡消耗，在生成樹狀路由時，采用虛擬能量勢場模型。基于該模型，生成了兩棵樹路由，來解決最大化網(wǎng)絡(luò)生存時間和可靠性問題，同時保證網(wǎng)絡(luò)聚合時延最優(yōu)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br>[0085]其中，所述虛擬能量勢場的計算公式為:
[0086]Um (i，j) = (1-a-b) Ud (i，j) +aUP (i，j) +bUre (i，j)
[0087]其中，8和13分別是剩余能量勢場和路徑最小剩余能量勢場的系數(shù)。Ud(i，j)= Vd(j)-Vd(i)，Vd(j)為節(jié)點j的距離深度勢場函數(shù)，Vd(i)為節(jié)點i的距離深度勢場函數(shù);Ure(i，j)為節(jié)點i到j(luò)的剩余能量勢能差，Ure(i)為節(jié)點的剩余能量勢場函數(shù);UP(i，j)為節(jié)點i到節(jié)點j的路徑最小剩余能量勢能差，VP(i)為路徑最小剩余能量勢場函數(shù)。
[0088]基于上述能量勢場模型，生成能量有效的雙樹路由算法。如圖3所示，該算法在生成虛擬能量勢場模型時，綜合考慮了節(jié)點的實際位置，剩余能量以及路徑最小剩余能量三個方面。以最大化網(wǎng)絡(luò)生存時間為優(yōu)化目標(biāo)，在生成最優(yōu)樹(即第一調(diào)度樹)的過程中生成滿足聚合時延的要求的次優(yōu)樹(即第二調(diào)度樹)，保證網(wǎng)絡(luò)整體能量的平衡消耗的同時保證數(shù)據(jù)聚合過程的可靠性。在綜合考慮了距離與剩余能量的虛擬勢場的基礎(chǔ)上，路由算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖闪四芰坑行У碾p樹路由。
[0089]在生成雙樹路由以后，設(shè)計上行調(diào)度方法。如圖4所示，該方法主要影響網(wǎng)絡(luò)的聚合時延特性。在上行數(shù)據(jù)聚合過程中，首先，根據(jù)節(jié)點在最優(yōu)生成樹的層數(shù)、位置和孩子節(jié)點數(shù)，確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的調(diào)度優(yōu)先級；其次，從網(wǎng)關(guān)的孩子節(jié)點開始，根據(jù)調(diào)度最優(yōu)值的大小選擇當(dāng)節(jié)點填入當(dāng)前時隙和信道，直到所有節(jié)點調(diào)度完畢。假設(shè)數(shù)據(jù)更新周期是Lf，調(diào)度時交替選用最優(yōu)樹和次優(yōu)樹，周期上傳節(jié)點數(shù)據(jù)包以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性與網(wǎng)絡(luò)生存能力，最終得到我們的調(diào)度周期T = 2*Lf。
[0090]圖5示出了本實施例提供的一種基于雙樹路由的上行調(diào)度裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包括:
[0091]根節(jié)點生成模塊11，用于將網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹的根節(jié)點；
[0092]鄰居節(jié)點獲取模塊12，用于獲取網(wǎng)絡(luò)中的第一鄰居節(jié)點，所述第一鄰居節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的所有鄰居節(jié)點中虛擬父親勢能值最大的節(jié)點；
[0093]添加節(jié)點獲取模塊13，用于獲取調(diào)度樹節(jié)點中的第二鄰居節(jié)點和第三鄰居節(jié)點，所述第二鄰居節(jié)點為調(diào)度樹節(jié)點中所述第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值最大的節(jié)點，所述第三鄰居節(jié)點為調(diào)度樹節(jié)點中所述第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值次大的節(jié)點，當(dāng)所述第一鄰居節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的節(jié)點只有一個時，則所述第三鄰居節(jié)點和所述第二鄰居節(jié)點相同；
[0094]節(jié)點添加模塊14，用于將所述第一鄰居節(jié)點加入第一調(diào)度樹中所述第二鄰居節(jié)點的子節(jié)點，將所述第一鄰居節(jié)點加入第二調(diào)度樹中所述第三鄰居節(jié)點的子節(jié)點；
[0095]上行調(diào)度模塊15，用于根據(jù)第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹進(jìn)行路由的上行調(diào)度。
[0096]可選地，所述上行調(diào)度模塊15進(jìn)一步包括:
[0097]第一時隙判斷單元，用于根據(jù)第一調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第一目標(biāo)值；
[0098]第二時隙判斷單元，用于當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于第一目標(biāo)值時，根據(jù)第二調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第二目標(biāo)值，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于所述第二目標(biāo)值時，完成路由的上行調(diào)度。
[0099]進(jìn)一步地，所述上行調(diào)度模塊15還包括:
[0100]第一節(jié)點調(diào)度單元，用于當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于第一目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點。
[0101]更進(jìn)一步地，所述上行調(diào)度模塊15還包括:
[0102]目標(biāo)值增加單元，用于當(dāng)產(chǎn)生調(diào)度空洞時，所述第一目標(biāo)值增加I。
[0103]進(jìn)一步地，所述上行調(diào)度模塊15還包括:
[0104]第二節(jié)點調(diào)度單元，用于當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于所述第二目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點。
[0105]具體地，所述第一節(jié)點調(diào)度單元進(jìn)一步用于當(dāng)產(chǎn)生調(diào)度空洞時，所述第二目標(biāo)值增加I。
[0106]本實施例所述的基于雙樹路由的上行調(diào)度裝置可以用于執(zhí)行上述方法實施例，其原理和技術(shù)效果類似，此處不再贅述。
[0107]本發(fā)明的說明書中，說明了大量具體細(xì)節(jié)。然而，能夠理解，本發(fā)明的實施例可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實踐。在一些實例中，并未詳細(xì)示出公知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便不模糊對本說明書的理解。
【主權(quán)項】
1.一種基于雙樹路由的上行調(diào)度方法，其特征在于，包括: 將網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹的根節(jié)點； 獲取網(wǎng)絡(luò)中的第一鄰居節(jié)點，所述第一鄰居節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的所有鄰居節(jié)點中虛擬父親勢能值最大的節(jié)點； 獲取調(diào)度樹節(jié)點中的第二鄰居節(jié)點和第三鄰居節(jié)點，所述第二鄰居節(jié)點為調(diào)度樹節(jié)點中所述第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值最大的節(jié)點，所述第三鄰居節(jié)點為調(diào)度樹節(jié)點中所述第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值次大的節(jié)點，當(dāng)所述第一鄰居節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的節(jié)點只有一個時，則所述第三鄰居節(jié)點和所述第二鄰居節(jié)點相同； 將所述第一鄰居節(jié)點加入第一調(diào)度樹中所述第二鄰居節(jié)點的子節(jié)點，將所述第一鄰居節(jié)點加入第二調(diào)度樹中所述第三鄰居節(jié)點的子節(jié)點； 根據(jù)第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹進(jìn)行路由的上行調(diào)度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹進(jìn)行路由的上行調(diào)度進(jìn)一步包括: 根據(jù)第一調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第一目標(biāo)值； 當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于第一目標(biāo)值時，根據(jù)第二調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第二目標(biāo)值，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于所述第二目標(biāo)值時，完成路由的上行調(diào)度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)第一調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第一目標(biāo)值之后，還包括: 當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于第一目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于第一目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點，進(jìn)一步包括: 當(dāng)產(chǎn)生調(diào)度空洞時，所述第一目標(biāo)值增加I。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于所述第二目標(biāo)值時，完成路由的上行調(diào)度之后，還包括: 當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于所述第二目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于所述第二目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點，進(jìn)一步包括: 當(dāng)產(chǎn)生調(diào)度空洞時，所述第二目標(biāo)值增加I。7.一種基于雙樹路由的上行調(diào)度裝置，其特征在于，包括: 根節(jié)點生成模塊，用于將網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹的根節(jié)點； 鄰居節(jié)點獲取模塊，用于獲取網(wǎng)絡(luò)中的第一鄰居節(jié)點，所述第一鄰居節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的所有鄰居節(jié)點中虛擬父親勢能值最大的節(jié)點； 添加節(jié)點獲取模塊，用于獲取調(diào)度樹節(jié)點中的第二鄰居節(jié)點和第三鄰居節(jié)點，所述第二鄰居節(jié)點為調(diào)度樹節(jié)點中所述第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值最大的節(jié)點，所述第三鄰居節(jié)點為調(diào)度樹節(jié)點中所述第一鄰居節(jié)點的虛擬父親勢能值次大的節(jié)點，當(dāng)所述第一鄰居節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中與調(diào)度樹節(jié)點連接的節(jié)點只有一個時，則所述第三鄰居節(jié)點和所述第二鄰居節(jié)點相同； 節(jié)點添加模塊，用于將所述第一鄰居節(jié)點加入第一調(diào)度樹中所述第二鄰居節(jié)點的子節(jié)點，將所述第一鄰居節(jié)點加入第二調(diào)度樹中所述第三鄰居節(jié)點的子節(jié)點； 上行調(diào)度模塊，用于根據(jù)第一調(diào)度樹和第二調(diào)度樹進(jìn)行路由的上行調(diào)度。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述上行調(diào)度模塊進(jìn)一步包括: 第一時隙判斷單元，用于根據(jù)第一調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第一目標(biāo)值；第二時隙判斷單元，用于當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于第一目標(biāo)值時，根據(jù)第二調(diào)度樹判斷網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙是否大于第二目標(biāo)值，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙大于所述第二目標(biāo)值時，完成路由的上行調(diào)度。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述上行調(diào)度模塊還包括: 節(jié)點調(diào)度單元，用于當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點的時隙小于等于第一目標(biāo)值時，根據(jù)調(diào)度優(yōu)先級調(diào)度可行節(jié)點。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述上行調(diào)度模塊還包括: 目標(biāo)值增加單元，用于當(dāng)產(chǎn)生調(diào)度空洞時，所述第一目標(biāo)值增加I。
【文檔編號】H04W40/24GK105916185SQ201610193031
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】宋佳慧, 胡亞輝, 張宇
【申請人】中國科學(xué)院信息工程研究所