一种低时隙开销无线HART链路调度策略

武 峰

（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

0 引言

无线HART是一个开放式的用于工业测量和控制领域的无线通信标准[1-2]，是现阶段与工业需求最为契合的无线传感网络。目前，关于无线传感网络及其在工业领域的应用已经有了广泛研究[3-8]。无线HART技术的许多特性保证其在工业环境中提供可靠的数据通信，因而在过程监测和控制领域的采用和部署方面起到了重要作用[9]。其中mesh型网络和基于 TDMA的超帧技术是保证其通信实时可靠的重要手段[10-11]。Mesh网络保证了传输路径选择的多样性，超帧技术通过对通信资源的合理安排有效避免了网络内部冲突。超帧可以通过为网络中的节点分配工作时隙，节点在其分配的工作时隙中唤醒来进行数据接收和传输，在非工作时隙进入睡眠模式以节省能量，直到在下一个分配的工作时隙中再次唤醒。因此，在一个工作时隙内安排多个节点同工作可以有效的减少网络的总体工作时长，提高网络的工作效率，降低网络的传输时隙开销，但无线HART的单工通信的性质不利于这一做法的实现。好在无线HART的mesh型网路可以为节点传输提供了多条路径作为选择，通过对传输路径的合理选择可以有效避免在同一时隙内的节点产生通信冲突，使得这一做法能够实现。本文基于mesh型网络的拓扑结构，通过为节点安排不产生通信冲突的传输路径以及工作时隙的合理安排，实现了多个路径通信的并行，充分使用了时隙资源，缩短了网络总体传输时长，降低了网络传输时隙资源的开销。

1 无线HART简介

1.1 无线HART网络组成

无线HART网络是一种mesh型拓扑结构的无线传感网络，主要适用于工业现场检测、过程控制和资源管理。无线HART网络主要由以下基本设备组成：（1）网络管理器。无线HART网路采用集中式网络管理，网络中路径选择、链路调度、超帧分配等工作均由网络管理器统一负责，是无线 HART网络的核心设备[12]。（2）网关设备（Gateway，简称 GW）负责网络管理器与用户的交互，是连接无线HART网络与用户主机的桥梁设备。通常网关与网络管理器集成在一起，统称网关。（3）节点设备是无线HART网络的主要组成部分，节点与现场设备相连接，进而实现现场设备与无线HART网络的交互；节点与节点、节点与网络管理器之间相互组建通信链路，进而形成网状的网络拓扑。每个节点设备由网络管理器为其分配超帧，使用超帧中规定的时隙和信道进行通信。

1.2 无线HART关键技术

（1）TDMA技术

无线HART网络中是一种单工通信网络，一个时隙（Slot）内仅允许两个网络设备共同使用一个信道完成一次收发通信。不允许某个节点在一个时隙内进行多次收发通信操作。每个节点的工作时隙与通信对象均由网络管理器统一安排。节点在非工作时隙内处于休眠状态，只有在工作时隙唤醒进行通信。

（2）Mesh型网络

Mesh型网络是一种网状的多跳网络，mesh网路的特点是每个节点均有复数邻居，因此使得网络的拓扑结构十分复杂，但同时也为节点增加了更多的传输路径选择。复杂多样的网络拓扑也使得不同节点的传输路径可以做到不相冲突，为多个节点的并发传输提供了可能。

（3）超帧技术

超帧（Superframe）是由一系列时隙和信道共同做成的链路调度表。无线 HART 网络中每一个节点都支持多个超帧，网络管理者完成超帧的构建和维护，并根据网络需求进行时隙链路的分配[13]。网关维护所有设备的总超帧，每个节点只拥有自己工作需要的超帧，所有节点的超帧可以进行拼接，拼接后即为网络的总超帧。为了更加直观，这里采用表格的方式对超帧进行描述，由时隙集合Slots={Slot 0 ,S lot 1 ,… ,S lot n}组成超帧的行，每个Slot为10 ms的时间间隔；由信道集合 C hannel = {C h0,Ch1,… ,C h15}组成超帧的列，其中无线HART的物理层在 2.4 GHz频段规定了 16个信道为通信所使用。无线HART规定节点在每个时隙所使用的信道需与上一个时隙所使用的不同。每个表格为一个一条单向链路Vi→Vj，表示在此时隙内节点Vi使用对应编号的信道发送数据报与节点Vj。对于传输路径L→J→G→C→GW，总超帧可进行如下简单设置：

表1 超帧示例表Tab.1 S uperframe example table

2 相关研究

到目前为止，针对于无线HART链路调度及相关内容的研究相对较少。党魁[14]提出一种基于全部路径重传的无线HART链路调度策略，通过路由主路径及主路径延伸而出的所有路径进行重传设置，保证了传输的高可靠性，但对于时隙资源的消耗较多；张盛等[15]基于党魁所提出的策略进行优化处理，只对主路径上的链路进行重传设置，降低了部分资源的消耗，但仍需要较多的时隙安排大量的延伸路径进行传输；Zhao J等[16]提出一种基于路由的调度策略，通过链路染色的方式有效的使用了时隙资源，但该策略不适用于单工通信的网络；Zhang X等[17]提出一种基于链路染色和编码的方式调度策略，能够有效的避免网络的显示和隐式冲突，但并没有考虑时隙资源的开销；Murthy J等[18]提出一种交叉优化集群无线传感器网络能量有效调度策略，不过其侧重点在于能耗的优化和能量的有效使用上；Zhang H等[19]通过树形的网络拓扑结构，基于启发式的信道约束方案提出一种延迟最优的汇聚调度，能够得到具有接近于最优调度的延迟的收敛调度方式，但其方案依赖于树形的拓扑结构并且对信道的数目有较高的要求；Zhang K等[20]提出一种基于链路权重的调度策略，通过节点的接收与产生数据量和发送链路的比值并取上限的方式计算每条链路的权重，基于链路的权重来进行链路的调度，但在时隙开销上还可以做更多改进。

本文在总结了以上各种传输策略优缺点的情况下，提出一种基于网络拓扑结构的低时隙开销链路调度策略，通过对拓扑结构的分析，使得不同节点能够做到传输的并行，有效的使用了每一个时隙资源，使得能够使用较低的时隙开销完成对所有节点传输路径的资源分配。

3 网络结构

3.1 网络分层

无线HART网络采用mesh网络结构，要求单个节点具有复数可选路径，保证了网络的鲁棒性。但mesh结构比较复杂，不利于路由路径选择，且容易出现环路。因此，在进行路由算法之前，需要将原有的mesh结构进行简化，生成上行链路图。上行链路图是一种所有设备均向上连接至网关的拓扑图，便于进行节点到网关的传输路径选择[21]。因为传输的时隙开销是与传输路径的跳数正相关的，因此为了降低网络的总时隙开销，应该保证每个节点的传输路径为跳数最短路径。因此本文依据最短路径原则，提出如下的分层方法：

（1）网关收集网络中各节点的邻居信息，生成初始网络拓扑图。

（2）以网关 GW 作为第 0层的唯一节点，将网关的所有邻居设为第1层的节点。

（3）依据BFS算法，遍历网络中的剩余节点。若节点未分层且为上一层节点的邻居，将其设为下一层的节点，层数递增，直至所有节点均已分层。

（4）去除同层节点间的链路。

（5）从已分层的最大层数节点出发，依层数递减连接直至到达网络管理器，形成上行链路图。

图1中（1）为未分层的网路拓扑结构，（2）为分层后的上行链路图，其中第0层的G代表网关GW。

图1 网络分层对比图Fig.1 Network stratification comparison figure

3.2 冲突避免

TDMA技术通过时隙隔离链路，通过跳频隔离信道，大大减少了冲突产生的可能性，但是并不能完全摆脱冲突。在无线HART网络中主要存在有两种冲突。基于单工通信的性质，当某一节点在同一个时隙内既是发送节点又是接收节点时，就会产生冲突，如图2中（1）所示。当两个节点在同一时隙内向同一个接收节点发送数据时，也会产生冲突，如图2中（2）所示。在进行链路的调度时应合理安排链路的次序并进行冲突监测，避免这两种情况的出现，做到网络内部通信无冲突。

图2 通信冲突示例图Fig.2 Communication conflict example figure

4 调度策略

4.1 超帧研究

根据无线HART网络链路层的协议内容，超帧中的链路调度需要满足以下条件：

（1）一个时隙内一条链路上的一对节点只能在一个信道上进行一次单向收发通信

（2）时隙的分配顺序应该遵从实际的通信先后顺序

基于以上条件，我们可以得出以下两个结论：结论1：跳数为L跳的路径P完成一次传输所需分配的超帧时隙数量至少L个。

证明如下：假如L跳的路径P一次传输所需的时隙数量小于L个，那么需要将路径上部分链路的安排提前，这与条件（2）是相冲突的；或者路径上的某个节点在同一时隙内进行多次收发通信，这是与条件（1）相冲突的。因此 L跳的路径 P一次传输所需的时隙数量不会小于L个，该结论是成立的。

结论2：为N个节点均进行一次与网关传输所需分配的超帧时隙数量至少为N个。

证明如下：N个节点均进行一次与网关传输需要安排N条传输路径，每条路径不论其路径长短均需要在最后一跳完成一次跟网关的通信。因为每条路径至少为一跳，且最后一跳必为与网关的通信链路。而由于条件（1）的约束，网关在一个时隙内也只能完成一次收发通信。因此每条路径至少需要占用一个时隙，N跳路径至少需要占用N个时隙。该结论成立。

4.2 调度策略研究

根据结论（2）的内容，N个节点至少需要 N个时隙完成全部节点与网关的通信，因此为了降低总时隙开销，需要尽可能在N个时隙内安排所有的通信链路。同时由结论2的证明过程可知，实现这一做法的主要约束条件是因为网关在一个时隙内只能完成一次收发通信。因此，若要实现在N个时隙内安排所有的通信链路，需要尽可能在连续的N个时隙中的每个时隙均分配一条与网关通信的链路。为此我们可以使用如下的方法：

为路径长度相差为1的N个节点，各选择在N个时隙上的分配不产生冲突的路径，并在连续的 N个时隙上进行路径分配。

由该做法选择图1中K，I，D，B，4个节点分别安排路径 K→H→D→A→GW，I→E→B→GW，D→A→GW，B→GW 进行传输。其链路调度安排如下：

要迎接快速发展的新时期，创新是第一要务。李总表示，松盛自创立以来，就一直没有停下创新的脚步。在自己投入研发的同时，也关注着行业内的每一项新技术。“创新是物流设备行业的核心。所有的创新，特别是一些颠覆性的技术，可以改变整个行业的业态，给企业带来更大的经济效益。“李总指出，松盛在未来大发展中，仍然会把创新作为企业发展策略的核心，会不遗余力地继续努力，研发新地应用，为客户带来更加贴近需求的产品解决方案。

表2 调度策略示例表Tab.2 Scheduling strategy example table

可以看到，因为每个时隙内的链路分配都是不冲突的，且每条路径长度相差为1，因此从起始时隙开始，每个时隙均有分配一次与网关的传输链路，因此 4个节点只需使用 4个时隙即可完成所有链路分配。基于此做法，我们可以得到如下链路分配策略。

4.3 调度策略研究描述

LCLSS链路分配策略：

1. 初始化超帧，记分配轮数 r ound= 0 ，网络最大层数为Lm，当前层数 L c= Lm，起始时隙SlotSt=0，标识时隙 L Slot = Slot( L m- 1 )；

2.r ound = r o und + 1

3. 从未分配路径的节点集合Nodes中选层数为Lc的一个节点Node i。若 r ound=1，则 S lotSt= 0 ；否则 S lotSt = Slot（LS l ot - L c + 2 ）；

4. 若在以节点Node i为起点，GW为终点的所有可选择路径中，存在能够在由SlotSt起的连续的Lc个超帧时隙上进行链路分配，且不在当中任一时隙产生冲突的路径，则为节点 N ode i在该段时隙上分配此路径上的所有链路，并确保每个节点在相邻时隙所使用的信道不同；否则选择层数为Lc的其他节点。若该层中所有节点的路径都不符合上述条件，则选择产生冲突最少的节点和路径，并在冲突时隙的后续时隙中选择可以分配的时隙为产生冲突的链路进行时隙分配；

5. 记分配路径上最后一条链路所在时隙为LSloti，若 L Sloti > LSlot，则LSlot = Lsloti，Nodes=Nodes-Nodei，Lc = Lc - 1；

7. 重复2至6步骤直至所有节点均已分配路径。

根据上述策略可得图1所示网络的总超帧，其结果如下所示：

从表3中可以看出，在超帧的每个时隙内均有一次与GW的通信链路，且超帧的长度是与网络中的节点个数相等的，超帧所用的时隙开销是最少的。

表3 LCLSS 调度策略示例表Tab.3 LCLSS Scheduling strategy example table

5 测试与分析

在该部分中，我们主要通过将本文所提出的LCLSS调度策略与K. Zhang等人所提出的基于链路权重的调度策略（WBLSS）进行对比。采用网络拓扑结构为，每层固定为m个节点，层数为d，网络每个节点均拥有两个以上的邻居，以满足mesh网络结构的要求。以下我们分别对m分别取5、10、15个节点的情况下，当d由5增加至15时，对比两种策略完成所有节点链路分配所需使用的超帧的长度，其结果如以下图中所示：

图3 m 取5时两种策略对比图Fig.3 T wo strategies comparison figure(m=5)

图4 m 取10时两种策略对比图Fig.4 T wo strategies comparison figure(m=10)

图5 m 取15时两种策略对比图Fig.5 T wo strategies comparison figure(m=15)

从以上各图中可以看出，与 WBLSS调度策略相比，LCLSS在网络结构层数递增的情况下，完成所有节点链路分配所需要的超帧长度都相较于前者更少。因为在两种策略中，超帧长度等同于时隙开销，因此LCLSS所需要的时隙开销也更少。这得益于复杂网络结构所提供的链路多样性，使得在链路的安排上能够使得多条不同路径在时间上并行传输，每个时隙资源都能够的到充分利用的缘故。

本文选用如下所示公式（1）来计算网络的吞吐量：

其中ns为需要超帧所需传输的数据包总量；N为超帧的长度。在以上三种情况下，对比 WBLSS调度策略，LCLSS调度策略的吞吐量都要高于前者。

通过对比可以看出，本文所提出的LCLSS调度策略在降低超帧的时隙开销上相较WBLSS调度策略更有优势，能够充分利用时隙资源，合理安排每条路径上的链路，从而达到降低传输时隙开销的效果。

6 结论

针对无线 HART网络复杂的网络结构和基于TDMA技术的单工通信要求，本文基于网络的拓扑结构，通过对各节点路径的合理选择，使得拥有不同路径的节点能够做到传输的并行，有效的利用了网络的传输机制，充分的利用了超帧时隙资源。在保证每个节点拥有传输路径的情况下，使用较低的时隙资源开销完成了每个节点与网络的传输通信。测试结果表明，本文在确保每个节点与网关能够进行传输的情况下，有效的利用了时隙资源，降低了网络传输所需要的时隙开销。

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