工业无线多跳多信道通信链路优化研究

刘科，许洪华

1.苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州 215104

2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240

工业无线多跳多信道通信链路优化研究

刘科1，许洪华2

1.苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州 215104

2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240

1 引言

与传统的基于有线通信的自动化系统相比，工业无线系统部署灵活，维护方便，安装和使用成本低，有许多无可比拟的优势。无线通信在工业自动化领域广泛应用是必然趋势。另一方面，工业环境恶劣、复杂，无线通信还面临可靠性、实时性、网络安全等方面挑战。其中，可靠通信是工业无线技术应用的基础和前提，可靠性难以满足现场需求也是目前工业无线技术发展的主要瓶颈[1]。

在大规模工业生产中，工艺设备密集，无线通信难以保证视距传输通道，一般需要以多跳方式进行数据传输，多跳链路中每一跳子链路通信失败都会直接导致端到端通信中断。实现工业无线多跳通信具有更多不确定性和挑战。本文结合工业无线通信技术发展和需求，研究工业多跳多信道通信链路，通过优化时隙和信道资源提高其端到端可靠性。

2 相关研究及本文工作

工业无线系统中，为满足工业通信的确定性和可靠性要求，一般采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）进行通信调度，通信调度周期分为多个时隙（Time Slot，Slot），通信节点依次进行数据交互，同时分配固定数量的重传时隙，通信失败后重新发起通信[2-3]。基于TDMA调度的工业多跳无线通信中往往需要更多时隙，传统的有线通信和单跳无线通信需要1个时隙的情况，N跳链路至少需要N个时隙，相应的，重传也需要更多时隙。另一方面，工业数据通信有严格的实时性要求，即端到端的时隙数量有限，如何根据子链路质量将有限的重传时隙分配给各子链路，直接影响链路通信质量。

单信道多跳无线通信时隙分配问题有较好的研究基础。一般地，根据各个子链路质量优化分配时隙资源可以有效提高链路端到端可靠性，这类问题可以转化为资源调度问题，进而基于图论和线性规划进行建模和求解[4]。Cesana、Sexton等具体研究了无线Ad Hoc网络中子链路信道可靠性对链路质量的影响[5-6]，Wang等研究了无线传感网络中时延约束条件下的链路调度问题[7]。但是，现有方法面临两个方面问题：（1）工业现场仪表基于简单的嵌入式系统，功能有限，一些复杂的算法还难以应用，而且，工业多跳通信每个时隙时间长度一般固定为10 ms，较高的实时性要求也限制了一些理论和技术的应用[8-9]；（2）工业无线系统工作在ISM频段，往往存在同频干扰，这时可能出现某个（些）子链路重传时隙耗尽仍无法成功通信的情况，从而导致整个链路通信失败。

一些新的工业无线通信技术可以使用多个信道，在新的时隙上切换到新的信道进行通信，使信道和时隙都成为可调度的通信资源。实际上，由于空间上差异，相同信道在不同子链路上质量不同；由于时间差异，同一子链路切换到不同信道通信情况也有所不同甚至差异较大[10]。这些多样性是传统工业多跳链路通信形成瓶颈的主要因素，同时也提供了通信调度和优化的空间和维度。本文结合无线通信技术发展，对工业多跳多信道无线通信链路进行优化，研究其时隙和信道优化分配，主要工作包括：

（1）设计多跳多信道无线通信链路，对其实时性约束下的可靠性进行建模；

（2）引入认知信道序列，对实时性约束下的可靠性问题进行优化求解；

（3）设计半实物仿真平台，通过实验验证优化算法。

3 工业多跳多信道无线通信链路优化

3.1 多跳多信道无线通信链路建模

不失一般性，考虑N+1个节点N={n0，n1，…，nN}组成的N跳链路，其中，n0表示源节点，nN表示目的节点。设工业现场共有M个不同的可用信道，则多跳多信道链路可以表示为图1形式。

图1 多跳多信道通信链路示意图

取i∈{1，2，…，N}，j∈{1，2，…，M}，li表示节点ni-1和ni之间的子链路，表示li子链路上第j个信道。如前所述，各个子链路中M个信道的质量不同，取表示信道的一次传输成功概率。工业无线多跳多信道通信链路通信资源描述如下：

系统采用TDMA调度时，无线多跳链路实时性表现为各个子链路通信时隙的数量。设第i跳通信时间为di个时隙，无线多跳多信道通信链路时间资源表示为：D={d1，d2，…，dN}。联合考虑时间和信道资源，将无线多跳多信道通信链路表示为图2所示形式，称其为L=[N，D，C，P]。链路优化一般是在可靠性、实时性约束下，根据信道质量P等，在节点N中优化分配时隙D和信道C。

图2 多跳多信道通信链路模型

3.2 实时性约束下链路可靠性优化建模

实际生产中，通信可靠性至关重要。对实时性要求，尤其在大多数过程自动化系统中，往往更关心时延的上界，更关注在确定的时间内数据通信可靠性，即实时性约束下可靠性。在许多过程生产中，过短的控制和采集周期还可能带来执行机构的额外磨损等，研究确定时延约束下如何最大化通信可靠性更具有意义。

记子链路li的传输可靠性为Ri。由li子链路上的所有信道的一次传输成功概率Pi和信道分配结果Ai，Ri表示为：

其中φ是满足=1的所有信道标号的集合，则链路L的可靠性可由下式给出：

于是，工业无线多跳多信道链路实时性约束下可靠性问题转化为如下一个优化问题：

给定最大允许时延D和链路上信道的一次传输成功概率P，去寻求最佳的时隙分配D和信道分配φ，使得链路的可靠性最大。用数学表达如下：

3.3 链路优化及求解

显然，上述优化问题（4）为一个非线性整数规划问题，若链路中节点数量不多，可以采用整数规划优化工具得出全局最优解；若节点数量比较多，计算的时间很长，难以应用于工业实时通信中。本部分将问题（4）进行转化，通过简单的贪婪算法求解。

优化问题（4）可以转换成如下问题（5）：

在工业无线系统中，网关和接入点较现场仪表功能强，实时性要求则相对较低，可以通过链路区域的网关和接入点对各个信道进行合作频谱感知，从而对各个子链路质量进行评估[11]，进而基于合作频谱感知结果和可信度融合进行频谱排名[12]。将子链路li上的所有信道按照一次传输成功概率从高到低排序，引入认知信道标号序列，得到新的信道序列标号j′，各个子链路分配信道时按照顺序依次选取，此时可以将（2）转换为如下形式：

至此，优化问题转换成了一个传统的资源分配问题，可以通过定义如下一个边际效应函数Δ lgRi(di)来求解。定义Δ lgRi(di)=lgRi(di+1)-lgRi(di)，其含义表示当子链路li上分配的时隙为di，若再多分配1个时隙，整条链路的可靠性可获得的边际增益。Δ lgR(di)是di的减函数，证明如下。

证明要证明该结论即是要证明：

即是要证明：

由于Δ lgR(di)是di的减函数，此时，原资源分配问题可以转化为求解(D-N)个最大边际效应函数值的问题[13]，进而可以通过贪婪算法求解。

用贪婪算法求解最大边际效应值算法如下：

算法中，为每个子链路各分配1个时隙后，依次分配每个重传时隙给当前边际效应函数值最大的子链路，最后输出整个链路时隙优化分配结果。工业无线系统由网络调度器以超帧形式下传该结果到链路各个节点，从而实现链路优化。

4 测试平台设计与仿真

平台设计中，基于MCF52233和nRF24L01开发了节点，构成多跳链路，用NI公司的USRP作为信道感知设备和干扰源，从而构成了跳频通信链路半实物仿真平台。nRF24L01芯片支持跳频，其共有125个信道，其覆盖的频段为2.400～2.525 GHz，通过SPI与MCF52233接口。USRP是一种软件无线电设备，配置两台USRP，一台用来评估信道，产生认知信道序列标号，另一台产生干扰信号。

结合工业现场的实际情况选择节点数N=6，采用最大信道切换数j=6。为了使所用信道的质量只受USRP的影响，通过USRP频谱扫描得到2.480～2.520 GHz之间的背景噪音比较弱，本实验中采用的6个信道的中心频率分别为2.480 GHz、2.485 GHz、2.490 GHz、2.495 GHz、2.500 GHz、2.505 GHz，每个信道上的传输速率均为1 Mb/s，每个数据包的大小为256 bit，设置nRF24L01的发送功率为0 dBm。参考无线HART的标准，设置每个时隙的时间T=10 ms，且允许的最大时延分别为D=10、12、14、16个时隙。

本实验中的干扰如下：其随机出现在上面的6个信道上，干扰的频宽为1 MHz，干扰的强度为0 dbm，每个信道上持续的时间为n秒（n为随机数，1≤n≤10）。

合理摆放6个节点和USRP，通过5 000次传输统计，得到节点n0和n6之间链路时隙分配和端到端传输成功的概率，如表1所示。

表1 多跳多信道链路时隙分配和端到端可靠性实验结果

选择背景噪声最小的第6个信道，也采用时隙优化分配，信道保持不变，5 000次传输统计如表2所示。

表2 多跳单信道链路时隙分配和端到端可靠性实验结果

图3 传输成功所用时隙的分布函数

5 结束语

结合工业现场需求和工业无线技术发展，研究了工业无线多跳多信道通信链路，通过轻量级算法实现了信道和时隙资源优化分配，有效提高了端到端通信可靠性。本文工作，实际上是在时域和频域上对链路资源进行了调度优化。随着工业认知无线电理论和技术的发展，以及现场仪表通信能力和数据处理能力的提高，诸如码域、功率域等多域资源均可在通信中得到协同优化，从而可以进一步联合优化链路性能。

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[13]Ibaraki T，Katoh N.Resource allocation problems.foundations of computing[M].Cambridge，USA：MIT Press，1988.

LIU Ke1,XU Honghua2

1.Department of Electronics Informational Engineering,Suzhou Vocational University,Suzhou,Jiangsu 215104,China
2.School of Electronic Information and Electric Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China

When wireless communication makes its way to industrial automation,the most difficult hurdle to be in coping with is harsh reliability issue.The end-to-end reliability over multi-hop wireless link depends on each sub link,and there is more challenge to achieve reliable communication.In consideration of these facts,the Industrial Multi-hop Multi-channel Wireless Link（IMMWL）is researched,and the end-to-end reliability is improved by employing optimal allocation of slots and channels.The IMMWL model is established at first.Following that,the problem is formulated to maximize the reliability over the link while a strict latency bound is imposed for packet delivery from source to destination.The optimization problem is converted into resource scheduling problem,and a greedy algorithm is designed to catch the optimal solution.The solution is based on a light-weighted algorithm and can be applied in field devices.Semi physical simulation platform is developed and the improvement of the algorithm is verified.

industrial wireless communication;multi-hop multi-channel link;resource scheduling;optimization

工业无线技术推广应用的主要瓶颈是通信可靠性难以满足要求。多跳无线通信中，各子链路通信质量都直接影响端到端可靠性，可靠通信面临更多挑战。针对这种情况，研究了多跳多信道通信链路，通过优化时隙和信道资源提高端到端可靠性。建立了工业无线通信多跳多信道链路模型，研究了实时性约束下链路端到端可靠性最大化问题，提出了优化模型；将优化问题转化为资源调度问题，进而用贪婪算法进行了求解，从而提供了一种易于现场应用的轻量级优化算法。开发了相应的半实物仿真平台，验证了算法的有效性。

工业无线通信；多跳多信道链路；资源调度；优化

A

TP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1112-0645

LIU Ke,XU Honghua.Research on optimal scheduling over multi-hop multi-channel wireless communication link for industrial automation.Computer Engineering and Applications,2013,49（19）：79-82.

国家自然科学基金重点项目（No.60934003）；住建部科技项目（No.2011-K1-56）；江苏省青蓝工程。

刘科（1968—），女，硕士，副教授，主要研究领域为工业数据通信与控制网络；许洪华（1968—），男，副教授。E-mail：liuk01@163.com

2012-01-12

2012-05-02

1002-8331（2013）19-0079-04