【好设计论文】无线HART网络节点变速率资源调度算法实现
摘要：无线HART网络的资源调度是通过对超帧的资源分配来实现。目前无线HART网络的资源调度算法研究主要应用于节点更新速率固定的场合。将超帧分为数据超帧和管理超帧，提出了一种针对于节点变速率上传数据的数据超帧分配算法，同时根据数据超帧上行数据特性，在超帧中均匀分配时隙，提出了一种提高抗扰性的数据超帧分配算法。实验结果表明，算法解决了无线HART网络变速率节点的资源分配问题，并提高了端对端数据传输的抗扰性。
中文引用格式： 封岸松，王宏，张彦武. 无线HART网络节点变速率资源调度算法实现[J].电子技术应用，2016，42(3)：95-97，101.
英文引用格式： Feng Ansong，Wang Hong，Zhang Yanwu. Implementation of variable-rate resources scheduling algorithm of wireless HART node[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：95-97，101.
无线HART是第一个开放式的工业无线通信标准，用于满足过程工业应用中可靠、稳定和安全的无线通信的关键需求。无线HART是一个集中管理的MESH网络，它建立在IEEE 802.15.4物理层标准上，附加了自有的数据链路层、网络层和应用层协议，在MAC层采用带有跳频的TDMA调度方法，保证系统的可靠性[1]。
无线HART网络在数据链路层采用TDMA机制，无线HART网络中的通信资源调度成为影响网络通信性能的重要因素。
无线HART成为工业标准后，一些学者提出了一些基于无线HART网络的调度方法。SAIFULLAH A提出的实时调度算法支持实时反馈闭环控制，但是只完成了仿真工作，并没有实际的应用报告[2]；FANG M等提出了一种基于分层思想的调度算法，但时隙的分配中没有考虑节点的数据更新速率[3]；ZHANG H等提出了基于时隙数和信道数最优的资源调度算法，但该算法仅仅是针对于线性网络和树状网络[4-5]；董利达等提出了基于双树结构资源调度策略，给出了资源添加和删除算法，但该算法只适合双树结构和层数固定的网络拓扑[6]；张盛等提出了无线HART网络中的高可靠资源分配策略，基于资源分配的次序，降低传输延时，但该算法没有考虑节点数据传输速率的多变性以及资源类型的差异[7]。上述算法都没有考虑节点更新速率的不同，同时在时隙的选择中，采用连续顺序选择的方法（即第一条路径选择时隙1，第2条路径选择时隙2），通信易受突发干扰的影响。本文依据现有的研究状况，针对无线HART超帧资源的不同类型和节点数据传输速率不同，提出资源分配算法。对无线HART网络中同一节点的下一跳路径（无线HART图路由要求每一个节点都至少有两条下一跳路径）在超帧中均匀分配时隙，增强对干扰信号的抗干扰能力。
无线HART网络的通信资源包括以下几种类型：加入（JOIN）、广告(ADVERTISE)、发现（DISCOVERY）、广播（BROADCAST）和通用（NORMAL）。加入和广告包用于节点加入; 发现型资源用于搜索新邻居和保持与时间源设备之间的联系；广播资源用于广播信息; 通用型资源则用于一般的数据传递。
在无线HART网络中，通信资源的调度是以超帧为单位，超帧是一个由若干时隙组成的循环周期。无线HART规范支持多信道调度即支持16个信道，大大提高了通信带宽的利用率。
无线HART的超帧可分为管理超帧和数据超帧，管理超帧主要负责加入、广告、发现和广播类型资源及通用类型中的下行资源，数据超帧负责上行资源。数据超帧长度由节点通信速率决定，支持更新速率为2n s，其中n为正整数或负整数,文中支持的最快更新数率为4 s，最慢更新数率为16 s(慢于16 s按照16 s更新)。论文使用一个数据超帧(长度为1 600个时隙)和两个管理超帧，一个长度为200个时隙(加入和广告类型资源)，另一个为400个时隙(广播和下行的通用类型资源)。
3.1 资源调度算法中的冲突
无线HART网络中对时隙和信道的分配存在着两种类型的冲突：显式冲突和隐式冲突。若一个节点同时存在一个发送链接和一个接收链接，则属于显式冲突，可以给两种链接分配不同的时隙；而相邻链接之间的干扰属于隐式冲突，分配同一个时隙不同信道，如图1中节点2→1和9→6所示，如果2和9同时发送数据，2和6互为邻居，则2会对6造成干扰。在实际的资源调度算法中，根据不同的资源类型，对冲突的解决作了不同的定义。若通用资源和广播类型资源的起点和终点都不同，则使用同一个时隙不同信道，否则分配不同时隙。若加入资源接收地址不同，广告类型资源发送地址不同，则使用同一个时隙不同信道，否则分配不同时隙。
3.2 资源调度算法软件实现
无线HART的管理超帧（两种）和数据超帧的长度不同，无线HART的资源在这三种超帧上分配，但是这三种超帧都是在同一时间上运行，因此在资源分配时还要考虑以下两个问题：(1)在同一个时隙上，每种超帧既不能与同超帧类型资源冲突，也不能与其他超帧冲突；(2)由于三种超帧的更新时间不同，更新速率快的超帧在处理与更新速率慢的超帧的冲突时，不仅考虑相同时隙的冲突，还要考虑相应倍数时隙的资源冲突，如加入资源超帧长度为200个，在相对时隙数为10的位置处考虑与数据超帧的冲突时，既要考虑时隙数为10处的资源，还要考虑相对时隙数为210、410、610等处是否有资源冲突（数据超帧）。为解决以上问题，文中对于通信资源分配，统一在最长的超帧（数据超帧）上对各种类型的资源分配，之后再分配到对应的超帧中。下面详述资源调度算法的实现过程。
无线HART资源调度算法的软件实现主要由超帧初始化、节点信息获取、路由算法实现、管理超帧资源调度算法实现和数据超帧资源调度算法实现等部分组成，下面对各部分作详细说明。
(1)超帧初始化
实现对管理超帧和数据超帧的数据结构初始化，数据超帧的长度为1 600，管理超帧1长度为200个（加入和广告类型），管理超帧2长度为400个（广播和下行数据类型），在初始化中，还分配了网络接入点的加入、广告、发现和广播类型资源。
(2)节点信息获取
获取节点信息和邻居信息。
(3)路由算法实现
根据节点信息，实现整个网络的图路由和源路由算法，本文采用了文献[8]的算法。
(4)管理超帧资源调度算法实现
管理超帧资源分配算法过程如下：
①输入资源类型和超帧长度length，加入和广告类型length=200，广播和下行数据类型length=400；
②下行数据类型资源，根据源路由得到相应的路径，对每条路径调用资源搜索子算法，其他类型资源直接调用资源搜索子算法。
③调用资源分配子算法，设i=1，no=0，△=1。
资源搜索子算法实现步骤如下：
步骤a：对需要分配资源的节点，在数据超帧的第i个时隙的16个信道做资源冲突检测(各类资源冲突检测规则详见3.1节)，如果有冲突，转到步骤d，否则执行步骤b；
步骤b：j=i+length×k(k=1~(1 600/length-1))，分别对应不同的j值，在数据超帧的第j个时隙的16个信道做资源冲突检测，如果有冲突，转到步骤d，否则执行步骤c；
步骤c：在数据超帧的第i个时隙，检测是否有空闲信道，有则该节点在i时隙空闲信道分配相应类型资源，在数据超帧第i和j个时隙和相应管理超理超帧(如果是管理超帧分配)第i个时隙中记录发送地址，接收地址和资源类型，退出，资源分配成功，否则转到步骤d；
步骤d：no=no+1；i=i+△，如果no≥length，资源分配失败，退出，否则转到步骤a。
(5)数据超帧资源调度算法实现
数据超帧分配上行图路由数据，对于图路由，源节点及每个中间节点都有两条到下一跳节点的路径，为了增强系统的抗干扰性，文中对于一个节点的两条上行路径，其资源分配的时隙间隔尽量大。数据超帧资源调度算法实现过程如下：
①根据图路由，计算从源节点到目的节点的经过节点和路径（这部分算法不属于本文范围之内）；
②对所有路径和节点分配资源；
③i=1，no=0，△=1，length=T×100(T为数据更新时间，单位s)，调用资源搜索子算法，得到第一条路径资源；
④i=(L+length/2)%length(L为第一条路径的时隙值)，no=0，△=(-1)×no，调用调用资源搜索子算法，得到第二条路径资源。
3.3 算法实例验证
选取图1所示的无线HART网络，节点1为网络接入点，2～11为现场设备，数据更新速率为16 s，应用资源调度算法，得到整个网络资源分配表，文中只选取了前20个时隙的资源分配表，见表1和表2，其中时隙0为全网发现时隙，d表示下行，u表示上行，a表示广告，j表示加入，b表示广播，*表示多节点。
4.1 建立实验环境
为验证资源调度算法，搭建无线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和现场设备使用飞思卡尔的MC13224无线模块。
4.2 实验结果
(1)在无干扰情况下，分别使用5、10、15、20和25个现场设备，使用4 s的更新速率和可变速率(从4 s～16 s)，应用文中算法，节点向网关传送数据，实测端到端的单向数据传送成功率，端对端不设重传，结果如图2所示，说明在变速率节点数据上传的情况下，算法保证了数据的稳定上传。
(2)在加干扰情况下，分别使用5、10、15、20和25个现场设备，在时隙分配中一种选择同一节点的上行两条路径的时隙间隔尽量大(方案1)，另一种顺序选择时隙(方案2)，数据更新速率都为固定的16 s，从节点向网关传送数据，加入干扰信号，然后实测端到端的单向数据传送成功率，端对端不设重传，得到如图3所示的结果。从结果可以看出，方案1的成功率要高于方案2，说明文中使用的算法提高了节点上传数据的抗扰性。
目前无线HART网络的资源调度算法研究主要应用于节点更新速率固定的场合，本文提出了一种针对于节点变速率上传数据的资源分配算法，对无线HART网络中同一节点的下一跳路径在超帧中均匀分配时隙，增强对干扰信号的抗干扰能力。实验结果表明，算法实现了无线HART网络变速率节点的资源分配，并提高了节点数据传输的抗扰性。
参考文献
[1] 李继平，凌志浩.无线HART技术及其应用[J].世界仪表与自动化，2008，12(3)：63-65.
[2] SAIFULLAH A.Real-time scheduling for Wireless HART networks[C].Real-Time Systems Symposium(RTSS)，2010：150-159.
[3] FANG M，LI D，QUAN J.An innovative routing and resource optimization strategy for wireless HART[C].2012 International Conference Technology and Management.Germany：Springer Verlag，2012：353-360.
[4] ZHANG H，SOLDATI P，JOHANSSON M.Operational link scheduling and channel assignment for convergecast in linear WirelessHART networks[C].Proceedings of the Conference on Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc, and Wireless Networks，Seoul，June 23-27，2009：1-8.
[5] ZHANG H，SOLDATI P，JOHANSSON M.Time and channel-efficient link scheduling convergecast in wirelessHART networks[C].2011 IEEE 13th International Conference on Communication Technology.United states Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2011：99-103.
[6] 董利达，黄聪，管林波.基于双树结构的无线HART调度策略[J].浙江大学学报，2014，48(3)：391-397.
[7] 张盛，张国勇，鄢傲.无线HART网络中的高可靠资源分配策略[J].小型微型计算机系统，2014，35(12)：2593-2597．
[8] 封岸松，王宏.基于通信链路质量的无线HART图路由算法实现[J].电子技术应用，2015，41(4)：119-124.
作者信息：
封岸松1，2，3，王 宏1，4，张彦武4
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；
4.沈阳中科博微科技股份有限公司，辽宁 沈阳110179；