Wireless HART负载均衡方法研究

冯学兵

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

0 引言

HART网络是一种应用于现场仪表与控制设备之间协议，为了支持无线的应用HART7.0首次提出了Wireless HART标准。作为一种集中式控制网络，网络管理器利用设备和应用程序提供的总体网络路由信息，并结合通信需求实现对全网的调度和资源分配[1]。传统的无线网络由于其AP（Access Point）的覆盖范围限制往往需要多个网关协同工作以增加无线网络的覆盖区域。但Wireless HART好的解决了这一问题，一个Wireless HART的节点既可以充当现场设备，也可以作为中间路由[2]。同时Wireless HART采用无线网络跳频技术来提高网络的健壮性与吞吐量。

文章首先介绍Wireless HART网络，提出网络的数学模型，在此模型的基础上研究如何对一个多信道的无线网络的网络负载进行评估，并对负载不均衡的部分进行算法调整以达到网络负载均衡的状态。

1 无线HART网络

典型的Wireless HART网络包括实现感知或执行功能的现场设备、作为路由器提供服务的现场路由设备、将有线HART网络链接到无线HART网络的现场适配器、被用户随身携带的手持设备、链接现场设备到网关的接入点、作为上位机与无线网络之间桥梁的网关、管理整个无线HART网络的网络管理器。

1.1 关于负载均衡的研究

无线网络的度量一种用来描述无线网络路由中一段链路性能、质量合格与否的标准。故而一个合适的度量值可以准确的反应网络的相关特性。无线网状网链路衡量可以在路由的选择中使用，作为选择路由的衡量标准。

在无线mesh网络的负载均衡的研究中，论文[4]提出了基于RSL或RSSI选取的最短路径算法，论文[3]研究无线mesh网络的负载均衡metric以及负载均衡metric的设计，提出了一种基于加权累积传输时间的路由度量，通过节点的业务集中度与信号与拥塞等级来衡量负载。论文[11-14]提出了网络路径规划与提高网络生命周期的研究。这部分论文主要是针对研究无线网络组网协议的研究，对 Wireless HART网络负载均衡metric与负载均衡算法的研究较为少见。

1.2 网络模型建立

用V表示Wireless HART网络中所有的网络节点,N表示网络中节点的个数，以一个无线网络管理器GW（Getaway）作为该局域网的根节点，同时设置每个GW的有效覆盖范围。

如图1，Wireless HART网络拓扑可以用 G ( V, E)表示，其中V表示网络中一系列的节点，E表示节点之间的连接情况。一条从 V1至 Vn的路由我们将其表示为 P (V1, Vn)[8]其中 P (V1,Vn) = ( V1, V2, V3……Vn)。

图1 Wireless HART网络拓扑结构Fig.1 Wireless HART topology structure

用一个nn×的对称矩阵nnC×表示网络节点之间的链接情况。

2 负载均衡算法

在通讯过程中Wireless HART的每个数据包大小与上位机所发命令号有关，相同的命令对应的响应数据包大小相等，令D表示某个命令所对应的响应数据包的大小，两个节点mV，kV之间互为邻居，则矩阵元素,mkc= 1。令iΩ表示所有在信道i上通讯的节点，则节点在 k时段内信道 i上的负载可以表表示在 k时段内节点 n使用信道i下的负载。同时，对于网络管理器的总负载可以表示为：

其中B为Wireless HART网络的信道数。

图2 Wireless HART通讯时隙Fig.2 Wireless HART communication time slot

研究网络负载均衡时，从源节点到目的节点的路径选取有多种方案，Wireless HART采用TDMA的传输方式来精确调度网络中的通信[1]，通信的时间调度被分为多个时隙，m每个时隙完成数据的一次收发，时隙的通信过程如图 2所示。在 Wireless HART网络通信中，时隙规定了节点通信的过程，而多个时隙的组合构成了网络的超帧。由图2可以看出，Wireless HART网络通讯的过程是基于多次握手的通信传输，根据论文[7]网络的传输成功率可以由前向递交率 pf与反向递交率 pr来计算，一次成功的传输概率为 p =1 - ( 1 - pf) (1 - pr)，因此在传输路由传输的过程中路由跳数越多，网络传输延时越大，数据丢包率越高。但单纯的采用传统的以“跳数”为判断最佳路由的路由协议就有可能造成某个区域的节点负载失衡的现象。故而本文使用BFS算法作为搭建网络框架的主要因素，并对组网后的网络架构进行算法改进，以达到负载均衡的状态，同时也可以使用其他的算法替代BFS再使用本文提出的负载均衡因素与负载调整算法进行改进。

首先使用BFS对Wireless HART网络的图路由结构进行处理，BFS算法的遍历树具有其中任意节点到根节点的路径最短（跳数最少）的特点[9]，本文以网关接入点为根节点（即节点 A），采用 BFS算法对网络进行遍历，可以得到分层的网络树状拓扑结构。

当基础算法产生了一个粗糙的负载均衡网络拓扑时，可以利用一个负载均衡的衡量因素对现有的网络负载均衡进行评估，并在此基础上使用调节算法进行网络结构的调整。在完全负载均衡的状态下节点n的载Ln（k）可由公式2得出：

图3 利用BFS算法分层后的结构Fig.3 Topology after layered by BFS algorithm

λ根据算法 1得出，如果节点本身的负载Ln(k) ＞ Ln(k)则该节点视为过载，过载量为Δn=Ln(k ) - Ln(k)，此时其在BFS分层结构中其同级节点必然有Ln(k) ＜ Ln(k)的节点存在。将节点n的负载均衡因素θn表示为公式3。

当BFS分层树的每个支树趋于负载均衡时，负载均衡因素向1逼近。对于负载不均衡的节点采用算法2进行调节。

迭代使用调节算法将负载最重的分支上的节点移动到较轻的邻近分支，首先找到根节点下负载最重的子节点，通过计算该节点与完全负载均衡情况下的节点负载之间的差值δ再寻找子节点中负载与δ相近的节点并将其与其他负载较轻的分支进行连接，若没有负载值与δ相近的节点，则每次移动该分支中负载最轻的节点，并刷新负载均衡因子nθ。负载均衡因子在迭代的过程中应呈上升的过程（向1逼近），以此作为迭代的判断标准对Wireless HART网络架构进行迭代调节。

3 实验与结果分析

使用matlab环境对本文提出的负载均衡算法进行评估，以提出的θn作为评估的指标。实验模拟一定数量的节点并以1号节点作为网络管理器，首先对BFS算法构成的网络进行评估，并在新的实验中使用基于本文提出的新算法进行实验，分别选取最优表现与最差表现进行观察对比。

图4和图5评估了两种算法在以负载平衡因素θn作为评估标准下的表现，分别选取最优情况与最坏情况下的对比。图4表明，即使在最坏的情况下，新算法对于网络的负载均衡效果也远优于基于 BFS选取的最短路径算法。同时，本文提出的负载均衡因素与调节算法同样可以用在其他无线网络路由算法上以达到对算法优化的目的。

4 结语

无线传感网络在工业上还有很大的应用提升空间，作为第一个用于工业控制的无线网络协议，Wireless HART网络在实时性与可靠性方面有着严格的要求。在此本文提出一种基于BFS与负载均衡因素nθ的负载均衡优化方法，在平衡了各个节点的负载的情况下提升了整个网络的生命周期。有利于提高Wireless HART网络的竞争力与应用效果。

图4 最优表现Fig.4 Optimal performance

图5 最差表现Fig.5 Worst performance

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