本發(fā)明屬于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)；尤其涉及一種面向工業(yè)無線網(wǎng)中時(shí)間與事件觸發(fā)流的混合傳輸方法。

背景技術(shù)：

1、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)(iwn,industrial?wireless?network)通過無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表和傳感器等設(shè)備的組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸，相比于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有部署靈活、維護(hù)成本低廉等特點(diǎn)。iwn中主要包括tt(time-triggered)流與et(event-triggered)流兩種流量類型。

2、tt流具有固定的產(chǎn)生周期，具有嚴(yán)格的時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)需求，用于刻畫工業(yè)控制系統(tǒng)中的周期性采樣數(shù)據(jù)；et流用于刻畫工業(yè)聲場(chǎng)中的突發(fā)性流量，其采樣周期不是常量，如零星應(yīng)急事件中的突發(fā)數(shù)據(jù)，以及音、視頻數(shù)據(jù)等。現(xiàn)有的技術(shù)還存在以下不足：

3、(1)以wifi、zigbee與lora等為代表的商用無線網(wǎng)絡(luò)在媒體接入控制(mac,mediaaccess?control)層均采用載波偵聽多路訪問(csma,carrier?sense?multiple?access)以及時(shí)隙aloha等競(jìng)爭(zhēng)式傳輸機(jī)制，難以保證工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中tt流的實(shí)時(shí)傳輸需求。

4、(2)以wirelesshart、isa100.11a與wia-pa等為代表的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)mac層采用時(shí)分多路訪問(tdma,time?division?multiple?access)協(xié)議避免傳輸碰撞，然而一方面，現(xiàn)有研究未能建立面向tt流無沖突傳輸?shù)囊浑A邏輯模型，難以實(shí)現(xiàn)時(shí)隙資源的高效分配；另一方面，考慮到et流的突發(fā)性，現(xiàn)有研究未能在tt流無沖突傳輸?shù)幕A(chǔ)上設(shè)計(jì)面向et流的傳輸機(jī)制。

5、如何設(shè)計(jì)面向tt流與et流的混合傳輸，并完成tt流與et流的端到端時(shí)延分析是iwn應(yīng)用面臨的重要挑戰(zhàn)。

6、本發(fā)明基于現(xiàn)有星型iwn拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見圖1所示，包含1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(表示為vgw)，n個(gè)tt節(jié)點(diǎn)，m個(gè)et節(jié)點(diǎn)，tt節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生tt流(將任意第i條tt流表示為ti)，et節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生et流(將任意第i條et流表示為ei)，tt流與et流均傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

7、iwn中所有節(jié)點(diǎn)均采用半雙工模式通信，即任意節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻僅能處于發(fā)送、接收或者空閑中的任意一個(gè)狀態(tài)，因此網(wǎng)關(guān)沖突是影響數(shù)據(jù)流能否成功傳輸?shù)闹饕蛩亍＞W(wǎng)關(guān)沖突定義如下：由于無線傳輸之間共用通信節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)不能在同一時(shí)隙成功接收消息的情況稱為網(wǎng)關(guān)沖突。見圖2所示，當(dāng)同一時(shí)刻vgw同時(shí)接收來自節(jié)點(diǎn)v1和v2的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)存在網(wǎng)關(guān)沖突。

8、iwn中tt流與et流混合傳輸問題的本質(zhì)是在減少網(wǎng)關(guān)沖突的同時(shí)，滿足各條數(shù)據(jù)流的端到端時(shí)延需求。對(duì)于任意一條tt流ti而言，采用如下四元組表示：

9、ti＝{ti.period,ti.birth,ti.length,ti.offset}

10、其中ti.period表示ti的產(chǎn)生周期，即ti以周期ti.period產(chǎn)生消息，并以周期ti.period傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。ti第1條消息的產(chǎn)生時(shí)間表示為ti.birth，ti.length表示ti的發(fā)送時(shí)延，ti.offset表示ti第1條消息的發(fā)送時(shí)間。考慮到tt流中ti.period、ti.birth以及ti.length均為常量，因此tt流無沖突傳輸?shù)谋举|(zhì)是采用集中式調(diào)度，確定每條tt流第1條消息的發(fā)送時(shí)間。考慮到tt流均是周期性地產(chǎn)生與傳輸，現(xiàn)有的研究中缺少面向tt流無沖突傳輸?shù)囊浑A邏輯約束模型。

11、相比較于tt流，et流沒有固定的產(chǎn)生周期，其每條消息的產(chǎn)生時(shí)間通常服從某一概率分布如泊松分布等。考慮到et流中消息的突發(fā)性，難以使用集中式調(diào)度預(yù)先規(guī)劃每條消息所占用的時(shí)隙資源。因此et流傳輸?shù)谋举|(zhì)是每條消息分布式地競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙資源，并完成消息傳輸。然而，一方面，現(xiàn)有研究中缺少面向tt流與et流的混合傳輸方案，即如何在避免占用tt流時(shí)隙資源的前提下，設(shè)計(jì)面向et流的傳輸策略；另一方面，基于上述傳輸策略進(jìn)一步分析et流的端到端平均時(shí)延，將有助于iwn在設(shè)計(jì)階段就獲知網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)應(yīng)用需求的滿足程度，從而指導(dǎo)iwn的部署。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供了一種面向工業(yè)無線網(wǎng)中時(shí)間與事件觸發(fā)流的混合傳輸方法。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明涉及一種面向工業(yè)無線網(wǎng)中時(shí)間與事件觸發(fā)流的混合傳輸方法，包括以下步驟：

4、步驟1，考慮節(jié)點(diǎn)沖突與端到端時(shí)延因素，建立時(shí)間觸發(fā)的tt流無沖突傳輸?shù)囊浑A邏輯約束模型，基于gurobi求解器實(shí)現(xiàn)時(shí)隙資源的集中式調(diào)度，實(shí)現(xiàn)iwn中tt流的無沖突傳輸；

5、步驟2，在tt流集中式調(diào)度的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于時(shí)隙aloha的et流競(jìng)爭(zhēng)傳輸機(jī)制，在保證et流不占用tt流時(shí)隙資源的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)tt流與et流的混合傳輸。

6、優(yōu)選地，步驟1中，所述建立時(shí)間觸發(fā)的tt流無沖突傳輸?shù)囊浑A邏輯約束模型的具體過程如下：見式(1)所示：

7、

8、式(1)中，t＝{t1,t2,…tn}表示iwn中tt流集合，gcd(tk,tj)表示tk.period和tj.period的最大公約數(shù)，mod為取模運(yùn)算符號(hào)；

9、其中，決策變量為n維向量，如式(2)所示：

10、var＝{t1.offset,t2.offset,…,tn.offset}?(2)；

11、對(duì)于任意tt流tk而言，其端到端時(shí)延必須滿足應(yīng)用需求，端到端時(shí)延約束如式(3)所示：

12、

13、式(3)中，tk.maxdelay表示tk的端到端時(shí)延需求。

14、優(yōu)選地，步驟1中，所述基于gurobi求解器實(shí)現(xiàn)時(shí)隙資源的集中式調(diào)度具體為：將約束模型與決策變量導(dǎo)入gurobi求解器進(jìn)行求解，整體偽代碼如下：

15、輸入：iwn中tt流集合t＝{t1,t2,…tn}，約束集合決策變量集合var＝{t1.offset,t2.offset,…,tn.offset}

16、輸出：決策變量var＝{t1.offset,t2.offset,…,tn.offset}的取值

17、

18、其中，

19、優(yōu)選地，步驟2中，所述設(shè)計(jì)基于時(shí)隙aloha的et流競(jìng)爭(zhēng)傳輸機(jī)制的具體步驟如下：

20、(1)設(shè)置et節(jié)點(diǎn)發(fā)送概率p；

21、(2)網(wǎng)絡(luò)初始化后運(yùn)行；

22、(3)et數(shù)據(jù)包到達(dá)；

23、(4)判斷是否為首行數(shù)據(jù)包；如是，時(shí)隙空閑時(shí)，以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)包；如不是，等待成為首行數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

24、(5)無發(fā)生碰撞，發(fā)送成功。

25、步驟2中，在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，et節(jié)點(diǎn)的發(fā)送概率p是可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)行調(diào)整，在選擇合適的發(fā)送概率p并完成其它初始化工作后網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中事件觸發(fā)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，會(huì)默認(rèn)存儲(chǔ)于節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)。若數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，緩沖區(qū)為空，則該數(shù)據(jù)包為首行數(shù)據(jù)包；若該數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，緩沖區(qū)不為空，則需要進(jìn)行排隊(duì)等待先到達(dá)的數(shù)據(jù)包發(fā)送完成，直至成為首行數(shù)據(jù)包。當(dāng)成為首行數(shù)據(jù)包后，由于當(dāng)前時(shí)隙可能被tt流占用，即需要判斷當(dāng)前時(shí)隙是否空閑。若當(dāng)前時(shí)隙未被時(shí)間觸發(fā)流占用，則時(shí)隙空閑，事件觸發(fā)節(jié)點(diǎn)嘗試以概率p發(fā)送。若選擇發(fā)送，則可能與其它事件觸發(fā)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生碰撞，若發(fā)生碰撞則等待下一個(gè)空閑時(shí)隙再次嘗試發(fā)送，若未發(fā)生碰撞則發(fā)送成功。若選擇不發(fā)送則需要等待至下一個(gè)空閑時(shí)隙再次嘗試發(fā)送。

26、本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

27、本發(fā)明通過建立時(shí)間觸發(fā)的tt流無沖突傳輸?shù)囊浑A邏輯約束模型，保證tt流能夠獨(dú)享時(shí)隙資源；在不占用tt流傳輸資源的前提下，設(shè)計(jì)面向et流的低時(shí)延分布式競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制，實(shí)現(xiàn)tt流與et流的混合傳輸。