專利名稱：一種面向工業無線網絡的低開銷高可靠資源分配方法
技術領域：
本發明涉及無線資源分配技術，具體地說明是一種面向工業無線時分網絡的資源分配方法。
背景技術：
隨著計算機、通信和網絡技術的飛速發展，工業無線網絡技術取得了巨大的成就。由于無線網絡具有無需布線、易于維護、高度靈活、快速實施等特點，可以運行在惡劣危險的環境中，可見其在工業自動化領域的應用潛力不言而喻。而無線網絡的能源有限性是無線網絡長期運行的瓶頸，因此，降低無線現場設備的能量消耗，是保證設備長期運行、降低維護成本的關鍵，而數據融合是解決無線網絡低功耗的關鍵技術。時分多址無線網絡用于工業中，主要解決了網絡規模較大的情況下，傳統的基于載波偵聽的多路訪問策略所帶來高沖突，低帶寬利用率問題。時分多址是將網絡中的時間分成一個個微小的時間片，若干個時間片組成一個通信周期，網絡中每個設備都會分配固定的時間片進行通信。在這種網絡中，新設備入網需要進行初始化，即分配通信資源，只有分配了通信資源之后，才能夠入網正常工作。現場設備的資源分配過程，是現場設備的生存周期中，通信較為頻繁和集中的階段。以往的方式是點對點的資源分配和點對點的確認。網絡中每條路徑的資源分屬于路徑上的每個節點，在節點的加入過程中，網關要將所有資源分配給路徑上相應的節點。通常所使用的方法就是網關分別以路徑上的節點為目的節點，發送相應的資源，等待該節點的確認，再發送路徑上下一個節點的資源，直到將路徑資源發送到路徑上的每個節點。這種方法無疑產生了大量的點到點通信，增加了網絡負荷，降低了現場設備加入效率。

發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明的目的在于為工業無線網絡提供一種簡單優化的資源分配方式，采用本發明可以提高網絡資源分配的效率，降低網絡負荷，增大現場設備加入成功的概率。本發明為實現上述目的所采用的技術方案是:一種面向工業無線網絡的低開銷高可靠資源分配方法，包括以下步驟:現場設備加入網絡時，首先由待加入現場設備選定一個已經在網的現場設備作為代理現場設備，向網關設備發起加入請求；網關設備收到待加入現場設備的加入請求后，按代理現場設備的現有路徑為待加入現場設備分配新路徑；網關設備獲取并整合現場設備所需的資源；將路徑上的所有資源封裝成一個資源分配報文，沿著所分配的新路徑以多播傳輸的方式傳輸到新加入的現場設備:路徑上的每個轉發現場設備均為需要分配資源的現場設備，現場設備在轉發的同時，獲取資源分配報文中屬于自身的那部分資源，并從資源分配報文中刪除這部分與其他現場設備無關的資源，再轉發到下一個現場設備；
末端的新加入的現場設備在接收到正確的資源分配報文后，向網關設備發送應答報文；一段時間內網關設備未收到新加入現場設備的應答，按照原路徑再次發送該資源。所述網關設備接收到的待加入的加入請求中，帶有該現場設備入網前找到的代理現場設備信息，該代理現場設備與待加入現場設備之間一定為一跳可到達的關系。所述按代理現場設備的現有路徑為待加入現場設備分配新路徑的方法為:讀取代理現場設備的路徑，在此路徑的基礎上增加代理現場設備到新現場設備的路徑，形成的新路徑即作為新現場設備的路徑。所述多播傳輸分為2個階段:(I)從網關設備到代理現場設備之間的報文傳輸使用圖路由方式，即以代理現場設備為目的設備，在網絡中轉發該報文；(2)從代理現場設備到新加入現場設備之間的報文傳輸使用代理路由方式，即由代理現場設備以點到點的方式，直接發送給新加入現場設備。所述現場設備接收到資源分配報文時，將報文的序列號、新加入的現場設備和絕對時隙號ASN記錄到接收傳輸表中。本發明提出的資源分配方法，是在充分考慮無線資源的有限性和不可靠性的前提下提出的，具有簡單、高效等優點，有益效果具體表現在:1.采用中心調度保證了資源分配的最優性；2.采用路徑擴展算法的路由分配方式，簡化了路由分配方法，便于網絡維護；3.采用多播的資源分配方式，一方面提高資源分配效率，降低了網絡負荷，另一方面減少了報文的傳輸次數，增加了現場設備入網的成功率；4.采用逐點拋棄的分配方式，一方面及時刪除報文中的無用信息，縮短報文長度，減少射頻的發射功率，另一方面增大了傳輸成功率；5.采用路徑最末端現場設備確認機制，既確保了當前資源報文的正確到達，又避免了其他現場設備不必要的應答；6.采用超時重傳機制，保證了資源報文的可靠傳輸；7.采用接收傳輸表機制，避免重復接收資源報文。


圖1為本發明的結構圖；圖2為使用多播方式的資源分配及端到端確認的時序圖；圖3為資源可靠傳輸的時序圖；圖4為使用路徑擴展方式分配新路徑的示意圖；圖5為多播方式的資源分配過程示意圖；圖6為資源報文的超時重傳過程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明做詳細說明。本發明所涉及的無線網絡設備包括:網關設備和現場設備。一個工業無線網絡是由一個網關設備和多個現場設備組成的多跳集中式無線網絡。其中，網關設備為網絡的控制中心，負責網絡資源的調度和現場數據的收集；現場設備為網絡中的節點，具有路由和采集的功能。本發明的結構框圖如圖1所示，主要由3個模塊組成:網關資源庫、資源分配模塊、節點資源庫。網關資源庫中記錄了全網所有資源的使用情況，節點資源庫只存儲與自己相關的資源，即自身所屬路徑的相關資源。資源分配模塊負責調度整個過程。首先資源分配模塊根據路徑信息從網關資源庫中獲取資源，并將路徑資源按路徑上的節點進行整合，再記錄到網關資源庫中；然后，資源分配模塊再將整合后的路徑資源封裝到資源分配報文，以組播的方式一次發送到路徑上的所有節點；最后，資源分配模塊使用端到端確認和超時重傳的機制來保證報文的可靠傳輸。本發明的分三個過程實施:新設備的路徑分配、新資源的多播傳輸、保證資源的可靠傳輸，其時序過程如圖2、圖3所示。如圖2所示，網關從本地的資源庫中為新加入的現場設備獲取路徑和資源，并封裝為一個資源分配報文，沿新路徑發送到新加入的現場設備。資源分配報文由網關出發，首先到達路徑上的第一個現場設備，如圖2中節點1，該設備收到資源分配報文后，從中讀取屬于自身的資源，并將該部分資源從資源分配報文中剪切并保存到本地，將剩余的資源重新封裝成資源分配報文，繼續轉發到路徑的下一個現場設備，如圖2中節點2。依此方法在路徑中傳輸，直到到達新加入的現場設備，如圖2中節點η。此時資源報文中僅剩下屬于新加入現場設備的那部分資源。新加入現場設備處理完最后一份資源后，向網關發送確認報文，通知網關新資源已正確到達。該應答僅由新加入現場設備回復，即表示路徑上的每個現場設備均已收到相應資源。應答報文仍按資源分配的路徑返回，由路徑上的節點反向轉發到網關，如圖2的轉發應答過程。網關收到新加入的現場設備的應答，即認為資源分配成功。新現場設備的路徑分配:現場設備加入網絡時，首先由待加入現場設備選定一個已經在網現場設備作為代理現場設備，向網關設備發起加入請求。網關設備接收到的待加入加入請求中，帶有該現場設備入網前找到的代理現場設備信息。該代理現場設備與待加入現場設備之間一定為一跳可到達的關系。網關設備收到待加入現場設備的加入請求后，首先按路徑擴展的方法為待加入現場設備分配新路徑。路徑擴展的方法即為:讀取代理現場設備的路徑，在此路徑的基礎上增加代理現場設備到新現場設備的路徑，形成的新路徑即作為新現場設備的路徑。如圖4所示，網關設備、I號現場設備、2號現場設備、3號現場設備、4號現場設備為網絡中已存在的設備，且4號現場設備到達網關設備的路徑為:4號現場設備一3號現場設備一2號現場設備一I號現場設備一網關設備。5號現場設備為待加入現場設備，且5號現場設備選擇4號現場設備作為自己的代理現場設備，則網關設備為5號現場設備分配的路徑即為:5號現場設備一4號現場設備一3號現場設備一2號現場設備一I號現場設備—網關設備。資源的傳輸:網關設備為新加入現場設備分配了路徑后，即為其獲取路徑資源，并將資源分發給相應路徑上的現場設備。將路徑上的所有資源封裝成一個資源分配報文，該資源分配報文即沿著所分配的新路徑以多播的方式路由到新加入的現場設備。該過程分為2個階段:圖路由階段和代理路由階段。從網關設備到代理現場設備之間的報文傳輸使用圖路由方式，即以代理現場設備為目的設備，在網絡中轉發該報文；從代理現場設備到新加入現場設備之間的報文傳輸使用代理路由方式，即由代理現場設備以點到點的方式，直接發送給新加入現場設備。由于新路徑是以代理現場設備的路徑為基礎，因此保證了發送資源分配報文的路徑即為新路徑。于此同時，所經過的現場設備均為需要分配資源的現場設備。因此，路徑上的每個轉發現場設備均為該資源分配報文的目的現場設備。現場設備在轉發的同時，獲取資源分配報文中屬于自身的那部分資源，并從資源分配報文中刪除這部分與其他現場設備無關的資源，再轉發到下一個現場設備。這樣即減少了報文的發送次數，又能及時去掉無用的負載。如圖5所示。網關設備為5號現場設備的新路徑獲取資源后，形成資源分配報文，將整條路徑的資源封裝到該報文，在新路徑上傳輸該報文。資源分配報文中的資源以現場設備為單位，包含時隙和頻率等信息。路徑上的I號現場設備讀取屬于自己的資源，即資源1，并將資源I從資源報文中刪除，繼續轉發該報文；到達2號現場設備后，以同樣的方式剪切屬于自身的資源，再繼續轉發；直到到達5號現場設備，資源報文只剩下資源5，整條路徑的資源也發送完成。端到端的確認和超時重傳機制:在低開銷的資源分配方法下，保證報文的可靠傳輸，即確保資源分配報文的正確到達且不過度增加網絡的負荷，采用端到端的確認機制，即末端的新加入現場設備在接收到正確的資源分配報文后，向網關設備發送應答報文；與此同時，在網關設備處采用超時重傳機制，即一段時間內未收到新加入現場設備的應答，嘗試再次發送；而超時重傳所帶來的重復接收問題，由接收傳輸表來解決。如圖6所示，網關設備將發送的資源報文保存到發送傳輸表，并啟動定時器，在定時器超時前，接收到末端現場設備的應答，則資源報文發送成功。定時器超時仍未收到末端現場設備的應答，則認為發送失敗，重傳該報文。在重傳超過允許的最大重傳次數后，認為資源發送失敗。圖3中，資源報文第一次發送時，在I號現場設備和2號現場設備接收到資源分配報文時，將報文的序列號和接收的時間記錄到接收傳輸表中。但在2號現場設備和3號現場設備之間發生中斷，此次資源分配失敗。網關設備等待發送傳輸表中的定時器超時，再次發送。此時，I號現場設備和2號現場設備對比接收傳輸表，認為接收到的報文為重復報文，只刪除屬于自身的資源，不對該資源進行存儲。5號現場設備正常接收到資源分配報文后，回復應答報文，完成一條路徑的資源分配。
權利要求
1.一種面向工業無線網絡的低開銷高可靠資源分配方法，其特征在于，包括以下步驟: 現場設備加入網絡時，首先由待加入現場設備選定一個已經在網的現場設備作為代理現場設備，向網關設備發起加入請求；網關設備收到待加入現場設備的加入請求后，按代理現場設備的現有路徑為待加入現場設備分配新路徑； 網關設備獲取并整合現場設備所需的資源； 將路徑上的所有資源封裝成一個資源分配報文，沿著所分配的新路徑以多播傳輸的方式傳輸到新加入的現場設備:路徑上的每個轉發現場設備均為需要分配資源的現場設備，現場設備在轉發的同時，獲取資源分配報文中屬于自身的那部分資源，并從資源分配報文中刪除這部分與其他現場設備無關的資源，再轉發到下一個現場設備； 末端的新加入的現場設備在接收到正確的資源分配報文后，向網關設備發送應答報文；一段時間內網關設備未收到新加入現場設備的應答，按照原路徑再次發送該資源。
2.按權利要求1所述一種面向工業無線網絡的低開銷高可靠資源分配方法，其特征在于:所述網關設備接收到的待加入的加入請求中，帶有該現場設備入網前找到的代理現場設備信息，該代理現場設備與待加入現場設備之間一定為一跳可到達的關系。
3.按權利要求1所述一種面向工業無線網絡的低開銷高可靠資源分配方法，其特征在于:所述按代理現場設備的現有路徑為待加入現場設備分配新路徑的方法為:讀取代理現場設備的路徑，在此路徑的基礎上增加代理現場設備到新現場設備的路徑，形成的新路徑即作為新現場設備的路徑。
4.按權利要求1所述一種面向工業無線網絡的低開銷高可靠資源分配方法，其特征在于:所述多播傳輸分為2個階段:(I)從網關設備到代理現場設備之間的報文傳輸使用圖路由方式，即以代理現場設備為目的設備，在網絡中轉發該報文；(2)從代理現場設備到新加入現場設備之間的報文傳輸使用代理路由方式，即由代理現場設備以點到點的方式，直接發送給新加入現場設備。
5.按權利要求1所述一種面向工業無線網絡的低開銷高可靠資源分配方法，其特征在于:所述現場設備接收到資源分配報文時，將報文的序列號、新加入的現場設備和絕對時隙號ASN記錄到接收傳輸表中。
全文摘要
本發明涉及一種面向工業無線網絡的低開銷高可靠資源分配方法。本發明對新加入的現場設備進行路徑分配；網關設備獲取并整合現場設備所需的資源；資源多播傳輸；末端的新加入的現場設備在接收到正確的資源分配報文后，一段時間內網關設備未收到新加入現場設備的應答，按照原路徑再次發送該資源。本發明采用中心調度保證了資源分配的最優性；采用路徑擴展算法的路由分配方式，簡化了路由分配方法，便于網絡維護；采用多播的資源分配方式，一方面提高資源分配效率，降低了網絡負荷，另一方面減少了報文的傳輸次數，增加了現場設備入網的成功率；采用超時重傳機制，保證了資源報文的可靠傳輸。
文檔編號H04W16/02GK103167506SQ20111042830
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月19日 優先權日2011年12月19日
發明者張瓊, 肖金超, 曾鵬, 趙曉全, 于海斌 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所