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考虑链路重传的工业无线网络确定性调度算法.docx
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工业无线网络是工业物联网的重要支撑性网络, 具有部署方便、组网灵活、易于维护
等优点, 对网络数据的传输有严格的可靠性和实时性要求
[1-2]
. 现有工业无线网络采用了跳
频、重传、多路径等机制, 以保证数据能够可靠的到达目标设备, 避免工业环境中各种干扰
的影响; 同时支持时钟同步、确定性调度等技术, 使网络能够满足数据收发的实时需求, 确
保数据在规定时间内传输完成
[3-5]
. 此外, 工业无线网络通常还使用多信道机制和时分多址
接入(Time division multiple access, TDMA)技术为网络中的数据传输提供必需的时槽和信道
等通信资源
[6]
.
工业无线网络中的确定性调度技术通过高效配置时槽与频点资源, 满足网络中每条通
信流的截止时间约束, 以保证网络数据的实时传输. 由于该问题属于 NP 完全问题
[7]
, 通常
针对不同的网络情况, 采用不同的求解策略和目标对其进行研究. 现有的工业无线网络主要
包括 WirelessHART、WIA-PA、ISA100.11a 等网络
[8]
, 在上述网络中对确定性调度的研究
已取得了一定的成果. 围绕 WirelessHART 标准, 在分析调度所需基本前提的基础上, 文献
[9]基于干扰感知松弛度, 提出了 C-LLF (Conflict-aware least laxity first)调度算法, 通过在当
前时槽计算网络中所有就绪链路的干扰感知松弛度, 使松弛度小的链路优先获得网络资源,
取得了较高的调度成功率. 文献[10]对混合优先级情况下的实时通信进行了研究, 提出了一
种基于固定优先级调度的端到端时延分析方法. 文献[11]提出了一种分布式 WirelessHART
实时调度方案, 通过时间区间分配机制, 设备只需执行本地调度策略, 无需在网络中传递全
局调度信息, 从而降低了网络资源开销. 文献[12]给出了一种基于迭代的多跳
WirelessHART 调度算法, 在截止时间限制下能够最小化端到端传输时延. 文献[13]对多个
WirelessHART 网络共存场景下的调度问题进行了专门研究, 利用有效的频点管理和流调度
策略, 实现了网络的相互隔离与数据的可靠传输. 针对 WIA-PA 网络的调度问题, 文献[14]
提出了适用于 WIA-PA 网络的基于回溯法的最优调度算法和基于最小时间松弛度优先的调
度算法, 并针对 WIA-PA 网络分为簇内通信和簇间通信不同阶段的特点进行了优化设计.
文献[15]基于跳链路的思想, 提出了一种频点分配方案, 能够有效利用网络中的频率资源,
减少干扰反应时间. 针对 ISA100.11a 网络的调度问题, 文献[16]为满足实时性要求, 设计了
容纳实时消息、报警消息和非实时消息的超帧, 并以此提出了基于 ISA100.11a 专用时槽的
消息调度方案. 除了围绕典型工业无线网络标准进行研究外, 还有一些工作针对特定的工业
无线网络场景进行了调度算法优化设计. 文献[17]针对扰动存在下的工业无线网络提出了一
种分布式调度架构, 通过非中心化的本地决策, 实现了对扰动的快速调度响应. 文献[18]针
对时间触发通信流与事件触发通信流并存的网络场景, 在分析虚拟周期、时槽复用等基础
调度方法的基础上, 提出了一种混合型中心式调度算法, 获得了接近于最优方法的调度性
能. 文献[19]考虑不同网络位置拥有不同可用频点集的场景, 提出了面向树型工业无线网络
的启发式汇聚调度算法, 实现了对差异化链路可用频点集的优化支持. 对于拥有多个射频收
发单元的工业无线现场设备, 文献[20]提出了一种综合考虑时槽、频点和射频接口分配的调
度算法, 提高了调度成功率. 文献[21]针对截止时间随机可变的场景, 通过分析待调度系统
的状态、动作空间、条件转移概率和成本函数, 将该场景下的调度问题转换为不可观测的
马尔科夫决策问题, 并提出了基于平均截止时间优先的低复杂度求解方法. 文献[22]设计了
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87487998/bg2.jpg)
一种考虑数据到达率的调度方法, 加快了网络响应时间. 文献[23]考虑了网络中链路选取过
程与时槽调度过程之间的前后关联性, 提出了一种链路与时槽的联合优化分配方案, 改善了
网络调度性能.
此外, 考虑到工业无线网络是无线传感器网络的行业应用, 一些面向通用无线传感器
网络所提出的调度算法, 对于工业无线网络确定性调度问题的研究, 仍具有一定的参考价
值. 文献[24-26]针对无线传感器网络中的调度问题, 探索采用粒子群算法、模拟退火算法、
遗传算法等方法进行解决. 文献[27]利用机器学习技术, 提出了一种基于优先级感知的数据
交换调度算法, 改善了无线传感器网络的平均时延性能.
工业现场环境复杂、干扰众多, 使得工业无线网络中的数据传输经常发生丢包现象.
丢包会导致数据传输失败, 影响网络正常的调度运行. 对抗丢包问题的典型方法包括自动重
传请求(Automatic repeat-request, ARQ)、冗余多路径等. 重传是一种简单有效的机制, 在三
种主要的工业无线网络标准中都得到了支持, 它通过为传输链路分配额外的时槽、频点资
源, 在传输失败时利用这些通信资源重新发送数据, 避免网络丢包的影响, 提升数据通信的
可靠性.
围绕工业无线网络调度中的丢包与重传问题, 文献[6]、[9]在仿真实验中考虑了网络丢
包, 发现丢包的存在显著降低了调度成功率. 文献[28-29]在工业场景中将 ARQ 与节点间的
中继协作联合使用, 进一步降低了系统丢包率; 文献[30-31]在工业网络路由策略中引入了重
传操作, 提高了路由方法的可靠性, 但文献[28-31]均未将重传机制与确定性调度深入结合.
文献[32]考虑了 ARQ 机制对调度的影响, 但只局限在单跳网络内, 没有解决更重要的多跳
网络重传调度问题. 针对以上问题, 本文面向使用多信道和 TDMA 机制的多跳工业无线网
络, 结合通信流的截止时间条件, 建立了支持链路重传机制的调度网络模型; 在分析可调度
条件和优先处理条件的基础上, 分别针对数据包传输失败后立即进行持续重传的场景和在
一定时间区间内完成重传的场景, 提出了相应的时槽、频点调度算法, 在满足传输确定性的
前提下, 有效提升了网络可靠性.
1. 模型建立
考虑一个基于时槽方式运行的多信道工业无线网络 G=(V,ξ)G=(V,ξ), VV 表示网络中所
有设备, ξξ 表示设备之间的通信链接, 可用信道频点数为 KK. 网络中存在 JJ 条通信流
F1,F2,⋯,FJF1,F2,⋯,FJ, 每条通信流通过由多条通信链接构成的传输路径, 将数据包从起始设
备发往最终设备, 如图 1 所示. 对于任意一条通信流 FmFm, 其数据包产生周期为 PmPm,
传输路径包含的通信链接数为 ϕmϕm, 数据包产生后需要在给定的截止时间 DmDm 内到达
最终设备. 设网络中每条通信链接的重传次数为 λλ, 则需满
足: ϕm(λ+1)≤Dm≤Pmϕm(λ+1)≤Dm≤Pm.
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图 1 网络模型图
Fig. 1 Network model
下载: 全尺寸图片 幻灯片
本文确定性调度的任务是在考虑重传条件下, 通过安排每个时槽各个频点上的通信链
接, 使每条数据流所产生的数据包均能在指定时限内确定到达最终设备. 设所有通信流周期
的最小公倍数为 TT, 称之为宏周期. 若在当前宏周期 TT 内, 采用某种调度策略, 能够使每
条通信流的各个数据包均能按时到达, 则在下一个宏周期 TT 内, 重复执行该调度策略, 就
能够继续保证数据流的确定性传输. 因此, 调度任务可转化为研究和设计一个宏周期 TT 内
的调度策略. 显然, 在宏周期 TT 内, 数据流 FmFm 将发送 T/PmT/Pm 个数据包, 其中第
nn 个数据包在 Am,n=(n−1)Pm+1Am,n=(n−1)Pm+1 时刻从起始设备产生, 需在截止时刻
Bm,n=(n−1)PmBm,n=(n−1)Pm+Dm+Dm 之前到达最终设备.
在对工业无线网络中每个时槽的通信链接进行调度配置时, 主要面临两个方面的制约.
一是频点数制约, 在同一时槽同一频点只能放置一个通信链接, 不同频点可放置不同通信链
接, 但在同一时槽能够同时工作的通信链接数不能超过系统所提供的频点数; 二是通信链接
收发制约, 在 ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA 等主流工业无线网络中, 设备通常使
用单根天线, 采用半双工方式工作, 无法同时完成射频的发送和接收, 这使得若在当前时槽
的某个频点安排了一个通信链接, 则以该通信链接发送方进行发送或接收, 以及该链接接收
方进行发送或接收的所有通信链接, 与该通信链接均构成干扰链接, 都不能再在当前时槽进
行安排. 下面将在考虑上述两种制约条件的基础上, 对重传场景下的调度问题进行描述. 令
Γg(p,q)∈{0,1}Γg(p,q)∈{0,1}表示在时槽 gg, 设备 pp 与设备 qq 之间所建立的通信链接的状
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态. 当 pp 与 qq 之间的通信链接被安排在时槽 gg 进行数据收发, 即该通信链接处于活跃状
态时, Γg(p,q)=1Γg(p,q)=1; 反之, Γg(p,q)=0Γg(p,q)=0. 此外, 定义 Hg(p)Hg(p)表示在时槽
gg 所有以设备 pp 作为发送方的通信链接集合, Θg(p)Θg(p)表示在时槽 gg 所有以设备 pp 作
为接收方的通信链接集合. 以 Lm,nLm,n 表示通信流 FmFm 的第 nn 个数据包在不考虑重传
时槽配置情况下所经历的传输时延, 则本文所研究的调度问题具体描述如下:
目标:
Lm,n+ϕm×λ≤Bm,n,∀m∈{1,⋯,J},∀n∈{1,⋯,⌊T/Pm⌋}Lm,n+ϕm×λ≤Bm,n,∀m∈{1,⋯,J},∀n∈{1,⋯,⌊T/Pm⌋}
(1)
约束:
∑(p,q)∈ξΓg(p,q)≤K,p∈V,q∈V,∀g∈T(1a)(1a)∑(p,q)∈ξΓg(p,q)≤K,p∈V,q∈V,∀g∈T
∑(p,q)∈Hg(p)Γg(p,q)+∑(q,p)∈Θg(p)Γg(q,p)≤1(1b)(1b)∑(p,q)∈Hg(p)Γg(p,q)+∑(q,p)∈Θg(p)Γg(q,p)≤1
Γg(p,q)∈{0,1},Γg(q,p)∈{0,1}(1c)(1c)Γg(p,q)∈{0,1},Γg(q,p)∈{0,1}
式(1)采用不等式的形式进行描述, 表明在考虑重传时槽及其配置的场景下, 所有通信
流的数据包传输时间均应小于或等于其各自的截止时间; 式(1a)对应频点数制约条件, 式
(1b)和式(1c)则对应通信链接收发制约条件.
2. 调度优先级分析
确定性调度策略所操作的基本单元是通信链接. 下面将在干扰感知松弛度理论的基础
上
[9]
, 进一步考虑重传因素影响, 对重传场景下通信链接的属性及其调度优先级进行扩展分
析.
在宏周期 TT 内, 对于数据流 FmFm, 其第 nn 个数据包从产生时刻开始, 将沿着对应
路径经过一步步的转发传输至最终设备. 这条传输路径由一系列相邻的通信链接组成, 设
μi=(p,q)μi=(p,q)是其中一个通信链接, 该通信链接的发送方是设备 pp, 接收方是设备 qq.
假设设备 qq 与最终设备之间相隔的跳数为 χiχi, 在时槽 gg 处数据包还需要传递 oioi 个通
信链接后才能到达设备 pp, 则通信链接 μiμi 的有效调度区间为:
Λ(μi)=[si,wi]Λ(μi)=[si,wi]
(2)
其中, sisi 是通信链接 μiμi 的就绪时间,
si=Am,n+oi(λ+1)si=Am,n+oi(λ+1)
(3)
wiwi 是通信链接 μiμi 的截止时间,
wi=Bm,n−χi(λ+1)wi=Bm,n−χi(λ+1)
(4)
通信链接 μiμi 需要在上述时间范围内完成传输, 如图 2 所示, 否则将导致调度失败.
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