基于通信链路质量的无线HART图路由算法实现*

封岸松，王 宏

（1.中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳110016；2.沈阳化工大学 信息工程学院，辽宁 沈阳110142；3.中国科学院大学，北京100039）

基于通信链路质量的无线HART图路由算法实现*

封岸松1，2，3，王 宏1

（1.中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳110016；2.沈阳化工大学 信息工程学院，辽宁 沈阳110142；3.中国科学院大学，北京100039）

图路由是无线HART提出的路由机制，目前对图路由算法的研究较少。提出了一种基于通信链路质量的无线HART图路由算法，引入路径稳定度作为判断链路质量的机制。采用基于路径稳定度的分层算法，保证跳数最少和通信可靠性；依据层间节点的路径稳定度选择层间路由，保证层间路由冗余性和可靠性，实现了无线HART的图路由算法，并应用到无线HART网络管理者中。

图路由；通信链路质量；无线HART；路径稳定度

0 引言

HART基金会于2007年6月正式通过了无线HART规范和通信协议，它是一种无线网络通信协议，是HART现场通信协议第七版 HART 7.0的核心部分，向后兼容现有的HART设备和应用。

无线HART网络具有其他无线传感器网络无法比拟的网络传输可靠性和网络健壮性，主要通过以下几点实现：（1）网络路由方式，无线 HART采用图（Graph）路由实现设备间的路由，其路由在每一跳间都有冗余路由，能最大限度地保证设备之间的安全传输；（2）信道跳频技术，在跳间传输中，无线HART采用IEEE 802.15.4定义的16个信道进行跳频通信，以便更好地克服网络干扰；（3）无线HART采用TDMA方式通信，通过全网络时钟同步技术，避免冲突，保证安全传输[1]。其中设备之间通过图路由传输，是保证网络高可靠性传输的关键技术。本文提出一种基于通信链路质量的图路由算法，选择路径稳定度（Path stability）作为通信链路质量判别机制，采用分层算法保证跳数最少，通过通信链路质量判别机制选取层间的路由。

1 无线HART网络及研究现状

1.1 无线HART网络组成

无线HART采用MESH网技术，整个网络包括现场设备(Field Device)、适配器(Adapter)、网关设备(Gateway Device)、网络接入点（AP）、手持设备(Handheld)和网络管理者(Network Manager)。其中现场设备负责采集工业现场的数据，并通过网关传送到上位机控制系统；网关负责不同网络之间的数据通信，连接无线HART网络和工厂自动化网络；网络接入点（AP）负责接入无线数据到网关；网络管理者负责整个网络的管理、路由分配、资源调度和网络通信参数的维护。

1.2 无线HART网络的路由技术及研究现状

无线HART网络协议中定义了图路由机制，图路由是一种全冗余的路由机制，路由中的每一跳至少有两个路由选择。

无线HART网络是集中式的MESH网络，它的路由是由网络管理者计算的，因此一些传统的无线传感器路由算法并不适用，如 ADHOC网络的路由相关算法[2]和分簇算法[3]。无线 HART网络协议的发布时间较短，其相关的研究还较少。刘杨在无线HART网络实现中并没有实现图路由的路由方式，而是由两条路由代替[4]；文献[5]提出符合图路由机制的算法，且能够实现最少跳数，但在选择路由中没有考虑通信链路的质量；党魁提出一种分层结构的图路由算法，在路由选择中引入通信质量判别机制，提高了路由的健壮性，但通信链路质量仅仅考虑了RSSI(Received Signal Strength Indication)因素，并没有考虑路径的稳定性，这可能引起过多的数据重传[6]；黄聪提出无线HART图路由的路由增加和删除策略，降低了路由维护开销，但路由选择时没有考虑通信链路的质量[7]。本文在分层算法的基础上，采用路径稳定度作为通信链路质量判别机制选择层间路由，实现了无线HART图路由算法。实验数据表明，采用路径稳定度作为通信链路质量判别机制，相对于使用 RSSI，提高了数据传输的可靠性。

2 无线HART图路由算法及实现

本文的无线HART图路由算法以分层算法为基础，引入了链路质量判别机制，根据路径稳定度分层并选择相应的层间路由。路径稳定度是反映物理层连接质量的量度单位，定义为物理层接收确认的包与发送包的比率，用百分数表示。在论证算法实现过程之前，首先给出无线HART网络的网络结构模型。

2.1 无线HART网络模型

无线HART网络采用集中控制式的MESH网络，其结构可抽象为节点和边组成的图，用图 G（V，E）表示，其中V表示节点，E表示节点之间的连接即边。文中的图路由算法以图1为例来说明。图1为有10个现场设备的无线HART网络，最大跳数为4（无线HART协议定义无线 HART网络最大跳数为 4），其中节点 1（AP）为根节点（即无线网络接入点AP），其余节点表示现场设备节点。节点之间的边的权重值表示链路的质量，文中定义为路径稳定度。表1列出了节点之间路径稳定度的信息。路径稳定度来自现场设备周期性的 Keep-Alive信息（实测数据）。

图1 无线HART网络拓扑图

2.2 基于路径稳定度的分层算法

在无线HART网络中，现场设备周期性向网络管理者发送Keep-Alive信息，网络管理者定时更新邻居表，分层算法根据邻居表信息完成对节点的分层，在邻居选择中根据邻居之间的路径稳定度判别链路质量，对于路径稳定度小于规定阈值（文中为＜80%）的邻居，从邻居表中剔除。表2为算法中使用的符号说明。

表1 无线HART节点邻居信息(%)

表2 分层算法符号说明

算法实现步骤如下：

(1)初始化AP设备的层数为第一层，即Lev[node[1]] =1，n=2；

(2)搜索 node[n]的邻居表，如果路径稳定度大于规定阈值(文中为大于 80%)，并且该节点已经加入网络（Lev[node[n]]＞0）,则记录该邻居，并存入相应的缓存区；

(3)比较缓存区中各个节点的层数，得到最小的层数Min（Lev[node[L]]），L表示在缓存区的节点；

(4)Lev[node[n]]=Min(Lev[node[L]])+1，清空缓存区；

(5)判断是否为最后加入节点，若是则退出；否则n= n+1，并转到步骤(2)。

对图1所示的结构做算法运行（表1为相关的链路质量参数），得到如图2所示的分层结构。

图2 无线HART分层结构

2.3 基于通信链路质量的图路由算法

本文中的图路由算法是基于分层算法实现的，保证了节点到网关（接入点）的跳数最小。下面着重说明图路由算法中几个关键创新点。

(1)在层间路由选择算法中，通过通信链路的质量选择路由，文中提出了基于路径稳定度的链路质量的判别机制，即图 G（V，E）边的权重，对于路径稳定度相同的路径，选择子节点少的上层节点。

(2)图路由算法要求每个节点都有一个子图，新加入的节点只需要从邻居表中根据链路质量选择2个上层（更接近目标）节点作为路径加入就可以实现该节点的图路由，即图叠加。

(3)为了防止回路的发生，节点只选择上一层节点作为下一跳节点，在无线HART应用中，如果上一跳节点(非第一层节点)只有一个，则需要重新配置节点的位置。

(4)对于第一层节点，由于上层节点只有一个，可以选择同层节点，为了防止回路，在选择同层节点中选择先于该节点加入网络的邻居节点作为下一跳节点（在无线HART网络中，先加入的节点地址值小于后加入的节点地址）。

2.4 图路由算法的实现过程

下面介绍算法的实现过程。node[n]（n=1～n）表示无线HART网络中的节点，其中1表示网络接入点（AP）。步骤如下：

(1)节点2的路由第一条路径和第二条路径均指向网关，n=n+1；

(2)对节点 n执行分层算法，得到其所在的层数，执行步骤(3)；

(3)如果节点 n在第一层，则第一条路径指向网关，计算邻居表中先加入网络的节点的链路质量权重值，第二条路径选择指向先加入网络的第一层邻居，转到步骤(6)；如果节点不在一层，从节点邻居表中选取上层节点放入数组中，执行步骤(4)；

(4)在数组中根据链路质量排序；

(5)节点选择链路质量权重值最高的作为第一条路径，链路质量权重值次高为第二条路径；

(6)n=n+1，判断是否为新节点，是则转向步骤(2)，否则退出。

应用上述算法，选取图1所示的无线HART网络，节点 1为网络接入点，节点 2～11为现场设备，应用 2.4节提出的算法，分别得到节点2～11的图路由，文中只列出节点2，3，7，11的图路由（见图3）。

图3 无线HART网络图路由节点子图

3 实验分析

3.1 建立实验环境

为验证路由算法，搭建了无线HART网络实验平台，包括网络管理器、接入点和现场设备。网络管理者在计算机上Linux环境下完成，AP（接入点）和现场设备使用飞思卡尔的无线模块MC13224，AP和网络管理者通过UART串口连接。

3.2 实验结果

现场设备分别为10个点（见图1）、20个点、30个点和40个点，应用文中算法，分三种情况进行实验，即无链路质量判别机制（分层算法和层间路由随机选择）、使用路径稳定度作为链路质量判别机制和使用RSSI作为链路质量判别机制，实验时间为 24 h，对比数据为所有节点的数据传输成功率，实验结果见图4。从实验结果看出，无链路质量判别机制的算法通信效果最差，对于10个节点的无线HART网络，两种判别机制的影响不大，但随着网络规模的扩大，选择路径稳定度作为链路质量判别机制比选择RSSI作为链路质量判别机制的通信质量有相应提升。

Implementation of graph routing algorithm based on quality of communication link in wireless HART

Feng Ansong1，2，3，Wang Hong1
(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)

The graph routing proposed by wireless HART is researched seldom at present.A graph routing algorithm based on quality of the communication link was presented in the paper.The quality discrimination mechanism based on path stability about the communication link was proposed.The hierarchical algorithm based on path stability of the communication channel was adopted and guaranteed the least hop and communication reliability.Path stability about the communication link was used to select the routing between the two layers.The network manager of the Wireless HART realizes the graph routing in wireless HART and ensures the reliability and redundancy of communication with the routing algorithm.

the graph routing；quality of the communication link；wireless HART；path stability

TN92

A

0258-7998(2015)04-0119-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.04.029

国家高技术研究发展计划资助项目(863计划）(2011AA040103)