一种基于确定性调度的工业物联网感知层信道评估方法

李 敏，王 恒，潘秋红

(重庆邮电大学自动化学院，重庆400065)

0 引言

工业控制领域是物联网技术典型的应用领域之一，具有广阔的发展前景。将工业自动化技术与物联网技术相结合所产生的工业物联网技术，越来越受到各国研究机构和标准化组织的重视。其中，工业无线通信技术是工业物联网感知层的核心技术。工业无线通信技术是一种面向设备间短程、低速率信息交换的无线通信技术，具有抗干扰能力强、低功耗和确定性通信等特点，因此，它在工业控制、环境监测、商业监测、医疗等领域得到了广泛的应用。

目前工业物联网标准主要有WIA-PA(wireless networks for industrial automation-process automation)标准，ISA(international society of automation)100.11a标准和无线HART(highway addressable remote transducer) 标准［1-3］。由于无线HART标准，ISA100.11a，WIA-PA，ZigBee 都基于 IEEE(institute of electrical and electronics engineers)802.15.4［4］系统，都工作在2.4 GHz频段，工业物联网的感知层为了防止其他网络的同频干扰，提供了多种抗干扰技术［5-7］。自适应跳信道技术是工业物联网感知层中主要的抗干扰方式，它通过周期性地评估信道质量，将被干扰的差信道进行屏蔽来达到抗干扰的目的。时隙是时分复用的一个时间片，多个这样的时隙的集合定义为一个超帧。确定性调度技术是工业物联网感知层的关键技术，其具体实现过程通过超帧来完成［8-10］。确定性调度技术就是网络中的各个设备在开始的入网阶段由系统管理器从超帧中确定地为每个设备分配一些固定的时隙和链路，设备只能在这些固定的时隙和链路进行发送和接收信息。我们把这些链路和时隙叫做通信资源。由于工业物联网感知层采用了确定性调度技术，因此每个设备分配到的时隙和链路是不同的，在这些时隙和链路上发送和接收信息的信道也是不同的，从而每条信道的使用率也是各不相同的，例如有的信道250 ms使用一次，有的信道1 000 ms使用一次，有的信道根本就不会被使用。因此，每条信道的评估时间不能采用统一的标准，应结合网络的数据流进行选定。目前工业物联网感知层信道评估方法的研究主要是系统周期性地对每一个信道进行评估，根据统一的标准将信道划分为好信道和差信道，通过“黑名单”技术屏蔽差信道的使用［1-3］。尽管这些方法能提高系统的抗干扰性，但仍存在缺点:信道评估时间的选取没有考虑网络数据流的特点以及信道使用率的问题。因此，本文提出了一种基于确定性调度的工业物联网感知层信道评估方法，目的在于解决信道评估时间的选取问题。的速率为250 kbit/s。IEEE802.11b标准把该频段划分为3个信道(1，6，11)，数据传输的速率最高可达11 Mbit/s。假定IEEE802.11b工作在任何一个信道，则工业物联网感知层与其信道频率的重叠概率为1/4，因此，用于过程自动化的工业物联网感知层容易受到IEEE802.11b网络的干扰，导致网络通信不稳定。

图1 IEEE802.15.4与IEEE802.11b 的信道比较Fig.1 Channel comparison between IEEE802.15.4 and IEEE802.11b

3种跳信道模式如图2所示。工业物联网感知层的信道切换模式主要分为3种:1)时隙跳信道模式，每个时隙按照跳信道序列周期性地更换一次信道，时隙的长度一般为10 ms;2)慢跳信道模式，几个连续的时隙使用相同的信道，该模式主要用于时间同步精度不高的网络;3)混合跳信道模式，该模式是时隙跳信道和慢跳信道模式的组合。每种跳信道模式都按照系统的跳信道序列进行跳信道，跳信道序列遵循一定的排列规则，即跳信道序列中的连续2个信道至少相隔3个信道以上，如跳信道序列1 可以预设为 19，12，20，24，16，23，18，25，14，21，11，15，22，17，13，26。这样可以有效地避免与其他无线网络产生连续性冲突，特别是IEEE 802.11b网络。

1 工业物联网感知层跳信道技术

工业物联网感知层的物理层兼容了IEEE802.15.4 协议，所以，无线 HART 网络，ISA100.11a网络和WIA-PA网络均工作在 2.4 GHz频段。而IEEE802.11b 也工作在这一频段。IEEE802.15.4与IEEE802.11b的信道比较如图1所示，IEEE802.15.4标准把2.4 GHz频段化分为16个信道(11-26)，每条信道带宽为2 MHz，在该频段上数据传输

图2 3种跳信道模式Fig.2 Three channel hopping patterns

2 信道使用率

超帧是一组循环出现的时隙集合，时隙的大小决定了超帧循环的周期Sp。时隙是数据传输的最小单位，假设一个时隙为T ms。为避免干扰，系统采用不同的跳信道模式，每种模式根据一定的信道序列有规律地跳信道。信道序列长度Cl会影响超帧每个时隙使用的信道个数。工业物联网感知层系统开始调度的时候，绝对时隙从0开始计时，每经过一个时隙，绝对时隙、信道偏移和超帧偏移各增加1，而信道偏移和超帧偏移达到最大值(周期值)的时候，超帧偏移和信道偏移清0，重新开始计算。下面将分3种情况讨论每个时隙使用信道个数的计算方法。

2.1 时隙跳信道模式

网络中的设备具有较高时间同步精度的时候，可以采用时隙跳信道模式来防止干扰。设备在每个时隙使用不同的信道通信。系统开始调度的时候，绝对时隙A(t)=t/T取整，信道偏移Cofs(t)和超帧偏移Sofs(t)均从0开始计数。在任何一个绝对时隙，信道偏移和超帧偏移分别为

(1)—(2)式中，mod为求余函数。信道序列长度Cl和超帧周期Sp都是工业物联网确定性调度的重要参数。根据超帧周期和信道序列的长度，可计算出每个时隙使用的信道个数Ni(i=1，2，…，Sp－1)为

(3)式中，LCM(Sp，Cl)表示超帧周期和信道序列长度的最小公倍数。假设跳信道序列的长度为16，超帧周期为25个时隙。它们的最小公倍数为400。那么超帧每个时隙使用的信道个数为400/25=16，每个时隙的信道使用率为100%;如果信道长度不变，超帧周期变为50个时隙，则可以计算出超帧每个时隙使用的信道个数为8，信道使用率降低到50%。当信道序列长度分别为4，8，12，16，超帧周期为25，50，75，100时，每个时隙的信道使用个数如图3所示。图3中，ChLen表示跳信道序列所包含的时隙个数;SfPeriod表示超帧周期所包含的时隙个数;ChUseCount表示每个时隙使用的信道个数。

图3 不同超帧周期和信道序列长度对应的信道使用数Fig.3 Channel utilization numbers for different superframe lengths and channel sequences

2.2 慢跳信道模式

如果网络中的设备时间同步的精度不高，可以采用慢跳信道模式通信。慢跳频周期是超帧中一段时隙的集合，设备每隔一次慢跳频周期更改一次信道。设慢跳信道模式的跳频周期为S1p，其信道偏移与时隙跳信道模式有所不同，定义为

假设系统中的超帧周期为50个时隙，跳信道序列1的长度为16，跳频周期为5个时隙。当绝对时隙为75的时候，由(2)式可以算出当前超帧偏移为25，由(4)式算出信道偏移为15，则该时隙当前使用的信道为26信道。慢跳信道模式下每个时隙信道使用个数为

不同慢跳信道周期对应的信道使用数如图4所示。当超帧的周期为20个时隙，跳信道序列的长度为16，慢跳信道周期为5，系统每隔5个时隙更改一次信道。根据(5)式，求得超帧每个时隙使用的信道个数为4，信道使用率为25%;当慢跳信道周期设置为10，其他参数不变的情况下，超帧每个时隙使用的信道个数为8，信道使用率提高到50%。

2.3 混合跳信道模式

根据系统调度的灵活性，设备的跳信道模式可以采用混合跳信道，即时隙跳信道和慢跳信道的结合。设备在时隙跳信道阶段的某一时隙发送数据失败，可以在下一个慢跳信道阶段重发数据。慢跳信道阶段主要用于设备加入网络、数据重传、管理数据的发送。因混合跳信道的情况多样化，所以，计算超帧偏移、信道偏移要根据具体情况分析。系统混合跳信道模式如图5所示，设在超帧周期内，慢跳信道的周期为S1p，时隙跳信道的周期为S2p，则在一段时间t内，超帧的循环次数Sc为

计算该模式的信道偏移为

超帧每个时隙使用的信道个数为

当超帧的周期为25，跳信道序列的长度为16，慢跳频周期为5个时隙，时隙跳频周期为20个时隙时，根据(7)—(8)式，求得超帧每个时隙使用的信道个数为16，信道使用率为100%;当慢跳频周期设置为10，时隙跳频周期为15，其他参数不变的情况下，超帧每个时隙使用的信道个数为1，信道使用率减少到6.25%。在超帧周期和信道长度一定的情况下，慢跳频周期分别为超帧周期1/5和2/5时，每个时隙使用信道个数的对比情况如图6所示。

图6 混合跳信道模式不同慢跳频周期对应的信道使用数Fig.6 Channel utilization numbers for different slow hopping periods under hybrid hopping pattern

2.4 多超帧的情况

如果系统中存在多条超帧，每条超帧的跳信道序列都一样的情况下，可以将多条超帧转换成一条等效超帧，然后再根据单超帧情况计算每个信道的使用率，方法如下。

设系统存在i条超帧，首先计算等效超帧周期S'p为

(9)式中，Sp表示第i条超帧的周期，等效超帧的周期为多条超帧周期的最小公倍数。

然后，将每一条超帧中的链路按照时间顺序依次排列在等效超帧上，如果在某个时隙，多条超帧存在链路冲突的情况，根据超帧的优先级，选择优先级最高的超帧的时隙链路为该时隙的链路。设X为链路在原始超帧上的时隙偏移，则任何一条原始超帧上的链路在等效超帧上的时隙偏移分别为{X，X+Sp，X+2Sp，…，X+nSp}，且X+nSp≤S'p－ 1(其中，n=0，1，2，…)。

通过上述的方法可以将多个超帧转换成一个等效超帧，简化了工业物联网中有关确定性调度的分析。例如在系统中运行了2个超帧，超帧1的优先级高于超帧2。超帧1的周期S1p=8，超帧1配置了2条链路，分别是时隙1的发送链路Ta和时隙5的接收链路R;超帧2的周期S2p=3，超帧2配置了一条发送链路Tb在时隙2。将超帧1和超帧2转化成另外一条新的等效超帧3，周期S'p=24。如图7所示，原先2个超帧的链路按照一定规律分布在新的超帧3上。超帧1的发送链路在超帧3上的时隙偏移分别为1，1+8，1+2×8。接收链路在超帧3上的时隙偏移分别为5，5+8，5+2×8。同理，超帧2的发送链路在超帧3的时隙偏移分别为2，2+3，2+2 ×3，2+3 ×3，2+4 ×3，2+5 ×3，2+6 ×3，2+7 ×3。当时隙偏移为5和17的时候，超帧1和超帧2的链路冲突，根据超帧优先级，优先选择超帧1的链路。

图7 两条超帧转化为一条超帧Fig.7 A conjunct superframe combining two different superframes

3 信道评估

3.1 信道评估时间

信道评估时间的长短将会直接影响工业无线系统的安全性和实时性。如果系统在受到干扰的时候，信道评估时间太长，可能导致丢失重要的数据信息，而信道评估时间太短又造成不必要的能源浪费，因此，信道评估的时间尤为重要。信道使用频率R表示每次使用某一信道通信的间隔时间;设备在某一信道发送数据包的次数达到门限值Tthr时开始评估该信道，然后将信道质量报告发送给系统管理器。信道评估时间TCH为

工业物联网采用确定性调度技术，不同设备在每个信道上发送数据包的次数各不相同，因此设备对每一个信道进行评估的时间也有所不同。以某一设备A为例来说明信道评估时间计算方法。假设系统管理器分配给设备A的时隙链路个数为n，由第3节跳信道模式可以计算出每个时隙所使用的信道个数为m，把各个时隙所使用的信道按时间顺序排列为 ch11，ch21，…，chn1，ch12，ch22，…，chn2，ch1m，ch2m，…，chnm，为了方便，记为 ch1，ch2，…，chj，…，chn×m。设设备A当前使用的信道为chtr，时隙长度为Ts，设备A获得的通信资源如图8所示。

图8 设备A获得的通信资源Fig.8 Communication resource for device A

输入:CHj={ch1，ch2，…，chj，…，chn×m} m≤16，n≤Sp;

输出:TCH;

设备A所使用信道的评估时间集合为 Time－estim－ch［j］。

上述信道评估时间算法主要是寻找设备所用信道的使用频率(2次同一信道发送的时隙间隔)，它是决定信道评估时间的核心参数，并且和时隙长度、发送数据的门限值一起来计算信道评估时间，最后将各信道的评估时间存入全局变量。

3.2 信道评估方法

在工业物联网感知层中，终端设备周期性地进行信道评估并通过信道质量报告传送给系统管理器。具体的实现过程是:系统管理器给设备分配通信资源的时候，配置特定的时隙专门用于设备信道评估质量报告的发送;设备定期检查每条信道上的丢包率，并记录在信道评估质量表中;当时隙到来的时候，设备向系统管理器发送信道评估质量表。

系统管理器按照设备报告的信道质量并根据信道丢包率的门限值将设备使用的信道分为好信道和坏信道。因为系统管理器在某一时间段内会收到很多终端节点的信道质量报告，所以系统管理器将综合考虑终端设备报告的信道质量状况。如果终端节点报告的丢包率大于门限值，系统管理器将该信道评定为坏信道。然后将此信道放入“黑名单”，并通过广播通知全网的设备。图9为信道质量评估整体流程。设备收到广播后，在跳信道序列中立即屏蔽“黑名单”中的信道。

图9 信道质量评估总体流程Fig.9 Flow chart for the channel estimation scheme

4 仿真实验

基于OPNET Modeler，构建了无线网络通信模型，其中，建立了3个节点模型:发送节点、接收节点和干扰节点。3个节点均工作在2.4 GHz频段，发送节点的发射功率为0 dBm，收/发节点与干扰节点的距离约为3 m，发送节点每秒产生一个1 024 bit的数据包发送给接收节点。本文做了3个对比实验来考察信道利用率对无线网络性能的影响，输出指标主要是丢包率和吞吐率，实验结果如图10所示。

图10 不同信道利用率下的仿真结果Fig.10 Simulation result for different channel utilization

结果分析:实验1中，发送节点和接收节点使用16个信道通信，信道利用率为100%，接收节点的平均丢包率约为34%，吞吐率为32%。实验2中，发送节点与接收节点根据一般的信道评估方法，在一定时间内(信道评估时间为15 min)把丢包率大于40%的信道全部屏蔽，信道利用率仅为50%，在这种情况下，接收节点的平均丢包率减小到22%，吞吐率为30%。而根据本文所提出的信道评估方法，在实验3中，信道利用率为75%，丢包率进一步减小到13%，网络的吞吐率提高到48%。因此，在信道受到干扰的情况下，本文提出的信道评估方法能合理地对信道进行评估，从而提高网络的吞吐量，降低丢包率。

5 结束语

本文针对工业物联网感知层，提出了一种新的信道评估方法。首先，基于网络确定性调度，跳信道模式，算出信道利用率;然后，统计每个信道的评估时间;最后，根据丢包率，屏蔽通信质量差的信道。通过理论和计算机仿真实验对比分析表明，该方法实现简单，能够有效提高网络的吞吐量和增强工业物联网感知层的抗干扰性。

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