對無線HART網(wǎng)絡(luò)的圖表路由算法的研究

孫健波，孫 強，申 巍，張婷婷

（1. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京市 100044；2. 中瑞典大學(xué) 信息科技媒體學(xué)院，松茲瓦爾市 85170）

HART（Highway Addressable Remote Transducer），可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbps。HART通信采用的是半雙工的通信方式，在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，經(jīng)過20多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準。

根據(jù)無線HART網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，有源路由和圖表路由2種算法。源路由只能用于檢測錯誤，最常用的是能保證無線HART網(wǎng)絡(luò)冗余性和可靠性的圖表路由算法，無線HART網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議只是簡單的規(guī)定了它的定義和特點。本文在TinyOS下運用nesC語言對圖表路由算法進行仿真，并且在吞吐量、延遲2個方面與AODV協(xié)議進行了對比評估，TinyOS仿真評估結(jié)果證明圖表路由算法非常適用于無線HART網(wǎng)絡(luò)。

1 無線HART網(wǎng)絡(luò)

無線HART是網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如圖1。一個基本的無線HART網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)管理員，網(wǎng)關(guān)和現(xiàn)場設(shè)備組成。這些裝置的特點和功能如下：

網(wǎng)絡(luò)管理員是無線HART網(wǎng)絡(luò)的“大腦”，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)配置，分配通信任務(wù)，路由表的管理以及監(jiān)視和報告無線HART網(wǎng)絡(luò)的健康情況?，F(xiàn)場設(shè)備用來連接進程，所有的現(xiàn)場設(shè)備必須能發(fā)送和接受數(shù)據(jù)包。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備需要其他設(shè)備為它傳送數(shù)據(jù)包，并完成此請求。網(wǎng)關(guān)含有一個或多個接入點，用來連接無線HART網(wǎng)絡(luò)和工廠自動化網(wǎng)絡(luò)。

2 圖表路由算法

圖1 無線HART網(wǎng)絡(luò)

圖表路由算法是無線HART網(wǎng)絡(luò)的主要路由方法。每一個網(wǎng)絡(luò)都有拓撲結(jié)構(gòu)，由所有設(shè)備以及設(shè)備間的直接鏈接組成。圖表路由是為源節(jié)點和目的節(jié)點提供冗余通信的直接鏈接和設(shè)備的子集。當(dāng)在無線HART網(wǎng)絡(luò)中使用圖表路由算法時，所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須首先配置然后使用，因為數(shù)據(jù)包中只包含圖表路由的ID。網(wǎng)絡(luò)管理員包含和管理所有的路由信息，在路由開始之前，它會為每一個設(shè)備分發(fā)相對應(yīng)的路由表，因此在圖表路由中每一個設(shè)備都包含可以使用的所有鏈接的列表。在一個配置好的無線HART網(wǎng)絡(luò)中，每一個設(shè)備至少包含2個可以發(fā)送數(shù)據(jù)包的鄰居設(shè)備，這一辦法用來保證圖表路由的冗余度和可靠性。

圖2 簡化的圖表路由

圖2 為一個簡化的圖表路由過程圖，在路由開始之前，網(wǎng)絡(luò)管理員已經(jīng)為每一個節(jié)點配置了相應(yīng)的路由表，所以現(xiàn)在該無線HART網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點均包含相應(yīng)的路由信息，包括到每一個節(jié)點所對應(yīng)的graphID以及鄰居列表。當(dāng)Node1作為源節(jié)點欲發(fā)送數(shù)據(jù)包給Node6，它將首先查找自己的路由表，找到對應(yīng)的garphID，將其寫入數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)路由表中鄰居列表的提示，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給Node2和Node3。當(dāng)Node2和Node3接收到此數(shù)據(jù)包時，它們會首先查找數(shù)據(jù)包頭部的graphID，然后在自己的路由表中查找它的所有信息，最重要的是查找其對應(yīng)的鄰居列表信息，然后按照此鄰居列表將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的鄰居，此圖中Node2的鄰居為Node4和Node5，Node3的鄰居為Node4 和Node6，此時Node1→Node3→Node6的連接已經(jīng)建立，繼續(xù)進行的轉(zhuǎn)發(fā)過程將會建立Node1→Node3→Node4→Node6和Node1→Node2 →Node4→Node6以及Node1→Node2→Node5→Node6的連接。

3 設(shè)計實現(xiàn)

在TinyOS中運用nesC語言實現(xiàn)圖表路由，包括對節(jié)點進行編程從而使節(jié)點具備接收、判別、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的能力以及通過設(shè)定拓撲結(jié)構(gòu)和加噪聲從而建立仿真環(huán)境2個步驟。具體架構(gòu)圖如圖3。

圖3 實現(xiàn)圖表路由的架構(gòu)圖

3.1 履行節(jié)點功能

在TinyOS中運用nesC語言對每一節(jié)點進行編程從而使節(jié)點具備接收、判別、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的能力是核心目標(biāo)。TinyOS是加州伯克利大學(xué)為無線嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)專門設(shè)計的開源操作系統(tǒng)，它是基于一種組件的架構(gòu)方式，使得能夠快速實現(xiàn)各種應(yīng)用。TinyOS的程序采用模塊化設(shè)計，它的程序核心往往都很小，能夠突破傳感器存儲資源少的限制，讓TinyOS很有效的運行在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上并去執(zhí)行相應(yīng)的管理工作等。NesC是一種擴展C語言，主要用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的編程開發(fā)，尤其應(yīng)用于TinyOS中。NesC程序由組件組成，包括配置和結(jié)構(gòu)。

圖表路由主要在網(wǎng)絡(luò)層進行，負責(zé)定義常量、數(shù)據(jù)包格式和規(guī)定路由表列表，接口、組件和組件之間的連接也是在網(wǎng)絡(luò)層完成。應(yīng)用層定義了可以應(yīng)用的組件以及高層命令，如某源節(jié)點欲發(fā)送數(shù)據(jù)包給某目的節(jié)點。

3.2 建立仿真環(huán)境

仿真環(huán)境的建立包括拓撲結(jié)構(gòu)的建立和加入噪聲2個過程。在真實的無線HART網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的數(shù)目通常不是固定的。在此研究中，最終想得到的是對圖表路由的仿真，因此建立數(shù)百個節(jié)點是沒有必要的，此研究使用的是32節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)圖。圖表路由中為了保證冗余度，每一個節(jié)點至少含有2個鄰居節(jié)點。網(wǎng)關(guān)與任一節(jié)點的通信是圖表路由中最常見的通信模式，分為上行通信和下行通信，在此拓撲中，節(jié)點32被設(shè)定為網(wǎng)關(guān)。節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖4。

圖4 拓撲結(jié)構(gòu)圖

仿真環(huán)境的建立離不開噪聲干擾的加入，每一個網(wǎng)絡(luò)都含有干擾。噪聲干擾可以分為普通干擾和強烈干擾，在此研究中，為了體現(xiàn)真實性，普通噪聲干擾被加入仿真環(huán)境。

4 實驗結(jié)果

按需距離矢量路由協(xié)議（AODV）是廣泛應(yīng)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的反應(yīng)時路由協(xié)議，為了評估無線HART網(wǎng)絡(luò)中圖表路由協(xié)議性能，利用開源式操作系統(tǒng)TinyOS，對無線HART網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的吞吐量和端到端的延遲2個方面作了詳細的仿真和結(jié)果比較。

4.1 吞吐量比較

發(fā)送速率對性能有較大的影響，此拓撲中網(wǎng)關(guān)為節(jié)點32，選取任一節(jié)點（如節(jié)點30）為實驗節(jié)點，考察網(wǎng)關(guān)與此節(jié)點通信的吞吐量性能。實驗結(jié)果如圖5。

由圖5可以看出，隨著發(fā)送速率的減小，圖表路由和AODV的節(jié)點吞吐量均減小，但在同樣發(fā)送速率時，無線HART網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用圖表路由協(xié)議的節(jié)點的吞吐量始終比應(yīng)用AODV的大。

圖5 吞吐量比較

4.2 延遲比較

無線HART網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的跳數(shù)有限，因此在此仿真的拓撲中，任意節(jié)點之間的跳數(shù)分別為1跳、2跳和3跳。選取無線HART網(wǎng)絡(luò)中最為典型的通信模式：網(wǎng)關(guān)與任意節(jié)點的通信進行延遲比較，實驗結(jié)果如圖6。

圖6 延遲比較

從延遲比較結(jié)果可以看出，隨著通信節(jié)點之間跳數(shù)的增加，應(yīng)用圖表路由協(xié)議和AODV的延遲均變大，但是，圖表路由協(xié)議的延遲明顯比AODV小的多，這說明圖表路由協(xié)議在延遲方面的性能比AODV好很多。

5 結(jié)束語

本文主要對無線HART網(wǎng)絡(luò)中典型的圖表路由協(xié)議與AODV協(xié)議進行了詳細而全面的仿真比較。利用TinyOS仿真軟件，搭建各種仿真場景，通過實驗對比說明了發(fā)送速率對吞吐量的影響以及跳數(shù)對延遲的影響，更重要的是通過實驗結(jié)果分析，證明了圖表路由算法的部分性能在無線HART網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)于AODV。

[1]2.4GHz DSSS O-QPSK Physical Layer Specification, HCF SPEC 065, Revision 1.0. HART communication foundation. 1 September, 2007.

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[3]Network Management Specification, HCF SPEC 085, Revision 1.0. HART communication foundation. 27 August, 2007.

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