CN103167506A - 一种面向工业无线网络的低开销高可靠资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向工业无线网络的低开销高可靠资源分配方法。本发明对新加入的现场设备进行路径分配；网关设备获取并整合现场设备所需的资源；资源多播传输；末端的新加入的现场设备在接收到正确的资源分配报文后，一段时间内网关设备未收到新加入现场设备的应答，按照原路径再次发送该资源。本发明采用中心调度保证了资源分配的最优性；采用路径扩展算法的路由分配方式，简化了路由分配方法，便于网络维护；采用多播的资源分配方式，一方面提高资源分配效率，降低了网络负荷，另一方面减少了报文的传输次数，增加了现场设备入网的成功率；采用超时重传机制，保证了资源报文的可靠传输。

Description

一种面向工业无线网络的低开销高可靠资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线资源分配技术，具体地说明是一种面向工业无线时分网络的资源分配方法。

背景技术

随着计算机、通信和网络技术的飞速发展，工业无线网络技术取得了巨大的成就。由于无线网络具有无需布线、易于维护、高度灵活、快速实施等特点，可以运行在恶劣危险的环境中，可见其在工业自动化领域的应用潜力不言而喻。而无线网络的能源有限性是无线网络长期运行的瓶颈，因此，降低无线现场设备的能量消耗，是保证设备长期运行、降低维护成本的关键，而数据融合是解决无线网络低功耗的关键技术。

时分多址无线网络用于工业中，主要解决了网络规模较大的情况下，传统的基于载波侦听的多路访问策略所带来高冲突，低带宽利用率问题。时分多址是将网络中的时间分成一个个微小的时间片，若干个时间片组成一个通信周期，网络中每个设备都会分配固定的时间片进行通信。在这种网络中，新设备入网需要进行初始化，即分配通信资源，只有分配了通信资源之后，才能够入网正常工作。

现场设备的资源分配过程，是现场设备的生存周期中，通信较为频繁和集中的阶段。以往的方式是点对点的资源分配和点对点的确认。网络中每条路径的资源分属于路径上的每个节点，在节点的加入过程中，网关要将所有资源分配给路径上相应的节点。通常所使用的方法就是网关分别以路径上的节点为目的节点，发送相应的资源，等待该节点的确认，再发送路径上下一个节点的资源，直到将路径资源发送到路径上的每个节点。这种方法无疑产生了大量的点到点通信，增加了网络负荷，降低了现场设备加入效率。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于为工业无线网络提供一种简单优化的资源分配方式，采用本发明可以提高网络资源分配的效率，降低网络负荷，增大现场设备加入成功的概率。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向工业无线网络的低开销高可靠资源分配方法，包括以下步骤：

现场设备加入网络时，首先由待加入现场设备选定一个已经在网的现场设备作为代理现场设备，向网关设备发起加入请求；网关设备收到待加入现场设备的加入请求后，按代理现场设备的现有路径为待加入现场设备分配新路径；

网关设备获取并整合现场设备所需的资源；

将路径上的所有资源封装成一个资源分配报文，沿着所分配的新路径以多播传输的方式传输到新加入的现场设备：路径上的每个转发现场设备均为需要分配资源的现场设备，现场设备在转发的同时，获取资源分配报文中属于自身的那部分资源，并从资源分配报文中删除这部分与其他现场设备无关的资源，再转发到下一个现场设备；

末端的新加入的现场设备在接收到正确的资源分配报文后，向网关设备发送应答报文；一段时间内网关设备未收到新加入现场设备的应答，按照原路径再次发送该资源。

所述网关设备接收到的待加入的加入请求中，带有该现场设备入网前找到的代理现场设备信息，该代理现场设备与待加入现场设备之间一定为一跳可到达的关系。

所述按代理现场设备的现有路径为待加入现场设备分配新路径的方法为：读取代理现场设备的路径，在此路径的基础上增加代理现场设备到新现场设备的路径，形成的新路径即作为新现场设备的路径。

所述多播传输分为2个阶段：(1)从网关设备到代理现场设备之间的报文传输使用图路由方式，即以代理现场设备为目的设备，在网络中转发该报文；(2)从代理现场设备到新加入现场设备之间的报文传输使用代理路由方式，即由代理现场设备以点到点的方式，直接发送给新加入现场设备。

所述现场设备接收到资源分配报文时，将报文的序列号、新加入的现场设备和绝对时隙号ASN记录到接收传输表中。

本发明提出的资源分配方法，是在充分考虑无线资源的有限性和不可靠性的前提下提出的，具有简单、高效等优点，有益效果具体表现在：

1.采用中心调度保证了资源分配的最优性；

2.采用路径扩展算法的路由分配方式，简化了路由分配方法，便于网络维护；

3.采用多播的资源分配方式，一方面提高资源分配效率，降低了网络负荷，另一方面减少了报文的传输次数，增加了现场设备入网的成功率；

4.采用逐点抛弃的分配方式，一方面及时删除报文中的无用信息，缩短报文长度，减少射频的发射功率，另一方面增大了传输成功率；

5.采用路径最末端现场设备确认机制，既确保了当前资源报文的正确到达，又避免了其他现场设备不必要的应答；

6.采用超时重传机制，保证了资源报文的可靠传输；

7.采用接收传输表机制，避免重复接收资源报文。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为使用多播方式的资源分配及端到端确认的时序图；

图3为资源可靠传输的时序图；

图4为使用路径扩展方式分配新路径的示意图；

图5为多播方式的资源分配过程示意图；

图6为资源报文的超时重传过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做详细说明。

本发明所涉及的无线网络设备包括：网关设备和现场设备。一个工业无线网络是由一个网关设备和多个现场设备组成的多跳集中式无线网络。其中，网关设备为网络的控制中心，负责网络资源的调度和现场数据的收集；现场设备为网络中的节点，具有路由和采集的功能。

本发明的结构框图如图1所示，主要由3个模块组成：网关资源库、资源分配模块、节点资源库。网关资源库中记录了全网所有资源的使用情况，节点资源库只存储与自己相关的资源，即自身所属路径的相关资源。资源分配模块负责调度整个过程。首先资源分配模块根据路径信息从网关资源库中获取资源，并将路径资源按路径上的节点进行整合，再记录到网关资源库中；然后，资源分配模块再将整合后的路径资源封装到资源分配报文，以组播的方式一次发送到路径上的所有节点；最后，资源分配模块使用端到端确认和超时重传的机制来保证报文的可靠传输。

本发明的分三个过程实施：新设备的路径分配、新资源的多播传输、保证资源的可靠传输，其时序过程如图2、图3所示。

如图2所示，网关从本地的资源库中为新加入的现场设备获取路径和资源，并封装为一个资源分配报文，沿新路径发送到新加入的现场设备。资源分配报文由网关出发，首先到达路径上的第一个现场设备，如图2中节点1，该设备收到资源分配报文后，从中读取属于自身的资源，并将该部分资源从资源分配报文中剪切并保存到本地，将剩余的资源重新封装成资源分配报文，继续转发到路径的下一个现场设备，如图2中节点2。依此方法在路径中传输，直到到达新加入的现场设备，如图2中节点n。此时资源报文中仅剩下属于新加入现场设备的那部分资源。新加入现场设备处理完最后一份资源后，向网关发送确认报文，通知网关新资源已正确到达。该应答仅由新加入现场设备回复，即表示路径上的每个现场设备均已收到相应资源。应答报文仍按资源分配的路径返回，由路径上的节点反向转发到网关，如图2的转发应答过程。网关收到新加入的现场设备的应答，即认为资源分配成功。

新现场设备的路径分配：

现场设备加入网络时，首先由待加入现场设备选定一个已经在网现场设备作为代理现场设备，向网关设备发起加入请求。网关设备接收到的待加入加入请求中，带有该现场设备入网前找到的代理现场设备信息。该代理现场设备与待加入现场设备之间一定为一跳可到达的关系。网关设备收到待加入现场设备的加入请求后，首先按路径扩展的方法为待加入现场设备分配新路径。路径扩展的方法即为：读取代理现场设备的路径，在此路径的基础上增加代理现场设备到新现场设备的路径，形成的新路径即作为新现场设备的路径。

如图4所示，网关设备、1号现场设备、2号现场设备、3号现场设备、4号现场设备为网络中已存在的设备，且4号现场设备到达网关设备的路径为：4号现场设备→3号现场设备→2号现场设备→1号现场设备→网关设备。5号现场设备为待加入现场设备，且5号现场设备选择4号现场设备作为自己的代理现场设备，则网关设备为5号现场设备分配的路径即为：5号现场设备→4号现场设备→3号现场设备→2号现场设备→1号现场设备→网关设备。

资源的传输：

网关设备为新加入现场设备分配了路径后，即为其获取路径资源，并将资源分发给相应路径上的现场设备。将路径上的所有资源封装成一个资源分配报文，该资源分配报文即沿着所分配的新路径以多播的方式路由到新加入的现场设备。该过程分为2个阶段：图路由阶段和代理路由阶段。从网关设备到代理现场设备之间的报文传输使用图路由方式，即以代理现场设备为目的设备，在网络中转发该报文；从代理现场设备到新加入现场设备之间的报文传输使用代理路由方式，即由代理现场设备以点到点的方式，直接发送给新加入现场设备。由于新路径是以代理现场设备的路径为基础，因此保证了发送资源分配报文的路径即为新路径。于此同时，所经过的现场设备均为需要分配资源的现场设备。因此，路径上的每个转发现场设备均为该资源分配报文的目的现场设备。现场设备在转发的同时，获取资源分配报文中属于自身的那部分资源，并从资源分配报文中删除这部分与其他现场设备无关的资源，再转发到下一个现场设备。这样即减少了报文的发送次数，又能及时去掉无用的负载。

如图5所示。网关设备为5号现场设备的新路径获取资源后，形成资源分配报文，将整条路径的资源封装到该报文，在新路径上传输该报文。资源分配报文中的资源以现场设备为单位，包含时隙和频率等信息。路径上的1号现场设备读取属于自己的资源，即资源1，并将资源1从资源报文中删除，继续转发该报文；到达2号现场设备后，以同样的方式剪切属于自身的资源，再继续转发；直到到达5号现场设备，资源报文只剩下资源5，整条路径的资源也发送完成。

端到端的确认和超时重传机制：

在低开销的资源分配方法下，保证报文的可靠传输，即确保资源分配报文的正确到达且不过度增加网络的负荷，采用端到端的确认机制，即末端的新加入现场设备在接收到正确的资源分配报文后，向网关设备发送应答报文；与此同时，在网关设备处采用超时重传机制，即一段时间内未收到新加入现场设备的应答，尝试再次发送；而超时重传所带来的重复接收问题，由接收传输表来解决。

如图6所示，网关设备将发送的资源报文保存到发送传输表，并启动定时器，在定时器超时前，接收到末端现场设备的应答，则资源报文发送成功。定时器超时仍未收到末端现场设备的应答，则认为发送失败，重传该报文。在重传超过允许的最大重传次数后，认为资源发送失败。图3中，资源报文第一次发送时，在1号现场设备和2号现场设备接收到资源分配报文时，将报文的序列号和接收的时间记录到接收传输表中。但在2号现场设备和3号现场设备之间发生中断，此次资源分配失败。网关设备等待发送传输表中的定时器超时，再次发送。此时，1号现场设备和2号现场设备对比接收传输表，认为接收到的报文为重复报文，只删除属于自身的资源，不对该资源进行存储。5号现场设备正常接收到资源分配报文后，回复应答报文，完成一条路径的资源分配。

Claims (5)

1.一种面向工业无线网络的低开销高可靠资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

现场设备加入网络时，首先由待加入现场设备选定一个已经在网的现场设备作为代理现场设备，向网关设备发起加入请求；网关设备收到待加入现场设备的加入请求后，按代理现场设备的现有路径为待加入现场设备分配新路径；

网关设备获取并整合现场设备所需的资源；

将路径上的所有资源封装成一个资源分配报文，沿着所分配的新路径以多播传输的方式传输到新加入的现场设备：路径上的每个转发现场设备均为需要分配资源的现场设备，现场设备在转发的同时，获取资源分配报文中属于自身的那部分资源，并从资源分配报文中删除这部分与其他现场设备无关的资源，再转发到下一个现场设备；

末端的新加入的现场设备在接收到正确的资源分配报文后，向网关设备发送应答报文；一段时间内网关设备未收到新加入现场设备的应答，按照原路径再次发送该资源。

2.按权利要求1所述一种面向工业无线网络的低开销高可靠资源分配方法，其特征在于：所述网关设备接收到的待加入的加入请求中，带有该现场设备入网前找到的代理现场设备信息，该代理现场设备与待加入现场设备之间一定为一跳可到达的关系。

3.按权利要求1所述一种面向工业无线网络的低开销高可靠资源分配方法，其特征在于：所述按代理现场设备的现有路径为待加入现场设备分配新路径的方法为：读取代理现场设备的路径，在此路径的基础上增加代理现场设备到新现场设备的路径，形成的新路径即作为新现场设备的路径。

4.按权利要求1所述一种面向工业无线网络的低开销高可靠资源分配方法，其特征在于：所述多播传输分为2个阶段：(1)从网关设备到代理现场设备之间的报文传输使用图路由方式，即以代理现场设备为目的设备，在网络中转发该报文；(2)从代理现场设备到新加入现场设备之间的报文传输使用代理路由方式，即由代理现场设备以点到点的方式，直接发送给新加入现场设备。

5.按权利要求1所述一种面向工业无线网络的低开销高可靠资源分配方法，其特征在于：所述现场设备接收到资源分配报文时，将报文的序列号、新加入的现场设备和绝对时隙号ASN记录到接收传输表中。

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