一種基于確定性調度的工業(yè)物聯(lián)網感知層信道評估方法

李 敏，王 恒，潘秋紅

(重慶郵電大學自動化學院，重慶400065)

0 引言

工業(yè)控制領域是物聯(lián)網技術典型的應用領域之一，具有廣闊的發(fā)展前景。將工業(yè)自動化技術與物聯(lián)網技術相結合所產生的工業(yè)物聯(lián)網技術，越來越受到各國研究機構和標準化組織的重視。其中，工業(yè)無線通信技術是工業(yè)物聯(lián)網感知層的核心技術。工業(yè)無線通信技術是一種面向設備間短程、低速率信息交換的無線通信技術，具有抗干擾能力強、低功耗和確定性通信等特點，因此，它在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、商業(yè)監(jiān)測、醫(yī)療等領域得到了廣泛的應用。

目前工業(yè)物聯(lián)網標準主要有WIA-PA(wireless networks for industrial automation-process automation)標準，ISA(international society of automation)100.11a標準和無線HART(highway addressable remote transducer) 標準［1-3］。由于無線HART標準，ISA100.11a，WIA-PA，ZigBee 都基于 IEEE(institute of electrical and electronics engineers)802.15.4［4］系統(tǒng)，都工作在2.4 GHz頻段，工業(yè)物聯(lián)網的感知層為了防止其他網絡的同頻干擾，提供了多種抗干擾技術［5-7］。自適應跳信道技術是工業(yè)物聯(lián)網感知層中主要的抗干擾方式，它通過周期性地評估信道質量，將被干擾的差信道進行屏蔽來達到抗干擾的目的。時隙是時分復用的一個時間片，多個這樣的時隙的集合定義為一個超幀。確定性調度技術是工業(yè)物聯(lián)網感知層的關鍵技術，其具體實現(xiàn)過程通過超幀來完成［8-10］。確定性調度技術就是網絡中的各個設備在開始的入網階段由系統(tǒng)管理器從超幀中確定地為每個設備分配一些固定的時隙和鏈路，設備只能在這些固定的時隙和鏈路進行發(fā)送和接收信息。我們把這些鏈路和時隙叫做通信資源。由于工業(yè)物聯(lián)網感知層采用了確定性調度技術，因此每個設備分配到的時隙和鏈路是不同的，在這些時隙和鏈路上發(fā)送和接收信息的信道也是不同的，從而每條信道的使用率也是各不相同的，例如有的信道250 ms使用一次，有的信道1 000 ms使用一次，有的信道根本就不會被使用。因此，每條信道的評估時間不能采用統(tǒng)一的標準，應結合網絡的數(shù)據流進行選定。目前工業(yè)物聯(lián)網感知層信道評估方法的研究主要是系統(tǒng)周期性地對每一個信道進行評估，根據統(tǒng)一的標準將信道劃分為好信道和差信道，通過“黑名單”技術屏蔽差信道的使用［1-3］。盡管這些方法能提高系統(tǒng)的抗干擾性，但仍存在缺點:信道評估時間的選取沒有考慮網絡數(shù)據流的特點以及信道使用率的問題。因此，本文提出了一種基于確定性調度的工業(yè)物聯(lián)網感知層信道評估方法，目的在于解決信道評估時間的選取問題。的速率為250 kbit/s。IEEE802.11b標準把該頻段劃分為3個信道(1，6，11)，數(shù)據傳輸?shù)乃俾首罡呖蛇_11 Mbit/s。假定IEEE802.11b工作在任何一個信道，則工業(yè)物聯(lián)網感知層與其信道頻率的重疊概率為1/4，因此，用于過程自動化的工業(yè)物聯(lián)網感知層容易受到IEEE802.11b網絡的干擾，導致網絡通信不穩(wěn)定。

圖1 IEEE802.15.4與IEEE802.11b 的信道比較Fig.1 Channel comparison between IEEE802.15.4 and IEEE802.11b

3種跳信道模式如圖2所示。工業(yè)物聯(lián)網感知層的信道切換模式主要分為3種:1)時隙跳信道模式，每個時隙按照跳信道序列周期性地更換一次信道，時隙的長度一般為10 ms;2)慢跳信道模式，幾個連續(xù)的時隙使用相同的信道，該模式主要用于時間同步精度不高的網絡;3)混合跳信道模式，該模式是時隙跳信道和慢跳信道模式的組合。每種跳信道模式都按照系統(tǒng)的跳信道序列進行跳信道，跳信道序列遵循一定的排列規(guī)則，即跳信道序列中的連續(xù)2個信道至少相隔3個信道以上，如跳信道序列1 可以預設為 19，12，20，24，16，23，18，25，14，21，11，15，22，17，13，26。這樣可以有效地避免與其他無線網絡產生連續(xù)性沖突，特別是IEEE 802.11b網絡。

1 工業(yè)物聯(lián)網感知層跳信道技術

工業(yè)物聯(lián)網感知層的物理層兼容了IEEE802.15.4 協(xié)議，所以，無線 HART 網絡，ISA100.11a網絡和WIA-PA網絡均工作在 2.4 GHz頻段。而IEEE802.11b 也工作在這一頻段。IEEE802.15.4與IEEE802.11b的信道比較如圖1所示，IEEE802.15.4標準把2.4 GHz頻段化分為16個信道(11-26)，每條信道帶寬為2 MHz，在該頻段上數(shù)據傳輸

圖2 3種跳信道模式Fig.2 Three channel hopping patterns

2 信道使用率

超幀是一組循環(huán)出現(xiàn)的時隙集合，時隙的大小決定了超幀循環(huán)的周期Sp。時隙是數(shù)據傳輸?shù)淖钚挝?，假設一個時隙為T ms。為避免干擾，系統(tǒng)采用不同的跳信道模式，每種模式根據一定的信道序列有規(guī)律地跳信道。信道序列長度Cl會影響超幀每個時隙使用的信道個數(shù)。工業(yè)物聯(lián)網感知層系統(tǒng)開始調度的時候，絕對時隙從0開始計時，每經過一個時隙，絕對時隙、信道偏移和超幀偏移各增加1，而信道偏移和超幀偏移達到最大值(周期值)的時候，超幀偏移和信道偏移清0，重新開始計算。下面將分3種情況討論每個時隙使用信道個數(shù)的計算方法。

2.1 時隙跳信道模式

網絡中的設備具有較高時間同步精度的時候，可以采用時隙跳信道模式來防止干擾。設備在每個時隙使用不同的信道通信。系統(tǒng)開始調度的時候，絕對時隙A(t)=t/T取整，信道偏移Cofs(t)和超幀偏移Sofs(t)均從0開始計數(shù)。在任何一個絕對時隙，信道偏移和超幀偏移分別為

(1)—(2)式中，mod為求余函數(shù)。信道序列長度Cl和超幀周期Sp都是工業(yè)物聯(lián)網確定性調度的重要參數(shù)。根據超幀周期和信道序列的長度，可計算出每個時隙使用的信道個數(shù)Ni(i=1，2，…，Sp－1)為

(3)式中，LCM(Sp，Cl)表示超幀周期和信道序列長度的最小公倍數(shù)。假設跳信道序列的長度為16，超幀周期為25個時隙。它們的最小公倍數(shù)為400。那么超幀每個時隙使用的信道個數(shù)為400/25=16，每個時隙的信道使用率為100%;如果信道長度不變，超幀周期變?yōu)?0個時隙，則可以計算出超幀每個時隙使用的信道個數(shù)為8，信道使用率降低到50%。當信道序列長度分別為4，8，12，16，超幀周期為25，50，75，100時，每個時隙的信道使用個數(shù)如圖3所示。圖3中，ChLen表示跳信道序列所包含的時隙個數(shù);SfPeriod表示超幀周期所包含的時隙個數(shù);ChUseCount表示每個時隙使用的信道個數(shù)。

圖3 不同超幀周期和信道序列長度對應的信道使用數(shù)Fig.3 Channel utilization numbers for different superframe lengths and channel sequences

2.2 慢跳信道模式

如果網絡中的設備時間同步的精度不高，可以采用慢跳信道模式通信。慢跳頻周期是超幀中一段時隙的集合，設備每隔一次慢跳頻周期更改一次信道。設慢跳信道模式的跳頻周期為S1p，其信道偏移與時隙跳信道模式有所不同，定義為

假設系統(tǒng)中的超幀周期為50個時隙，跳信道序列1的長度為16，跳頻周期為5個時隙。當絕對時隙為75的時候，由(2)式可以算出當前超幀偏移為25，由(4)式算出信道偏移為15，則該時隙當前使用的信道為26信道。慢跳信道模式下每個時隙信道使用個數(shù)為

不同慢跳信道周期對應的信道使用數(shù)如圖4所示。當超幀的周期為20個時隙，跳信道序列的長度為16，慢跳信道周期為5，系統(tǒng)每隔5個時隙更改一次信道。根據(5)式，求得超幀每個時隙使用的信道個數(shù)為4，信道使用率為25%;當慢跳信道周期設置為10，其他參數(shù)不變的情況下，超幀每個時隙使用的信道個數(shù)為8，信道使用率提高到50%。

2.3 混合跳信道模式

根據系統(tǒng)調度的靈活性，設備的跳信道模式可以采用混合跳信道，即時隙跳信道和慢跳信道的結合。設備在時隙跳信道階段的某一時隙發(fā)送數(shù)據失敗，可以在下一個慢跳信道階段重發(fā)數(shù)據。慢跳信道階段主要用于設備加入網絡、數(shù)據重傳、管理數(shù)據的發(fā)送。因混合跳信道的情況多樣化，所以，計算超幀偏移、信道偏移要根據具體情況分析。系統(tǒng)混合跳信道模式如圖5所示，設在超幀周期內，慢跳信道的周期為S1p，時隙跳信道的周期為S2p，則在一段時間t內，超幀的循環(huán)次數(shù)Sc為

計算該模式的信道偏移為

超幀每個時隙使用的信道個數(shù)為

當超幀的周期為25，跳信道序列的長度為16，慢跳頻周期為5個時隙，時隙跳頻周期為20個時隙時，根據(7)—(8)式，求得超幀每個時隙使用的信道個數(shù)為16，信道使用率為100%;當慢跳頻周期設置為10，時隙跳頻周期為15，其他參數(shù)不變的情況下，超幀每個時隙使用的信道個數(shù)為1，信道使用率減少到6.25%。在超幀周期和信道長度一定的情況下，慢跳頻周期分別為超幀周期1/5和2/5時，每個時隙使用信道個數(shù)的對比情況如圖6所示。

圖6 混合跳信道模式不同慢跳頻周期對應的信道使用數(shù)Fig.6 Channel utilization numbers for different slow hopping periods under hybrid hopping pattern

2.4 多超幀的情況

如果系統(tǒng)中存在多條超幀，每條超幀的跳信道序列都一樣的情況下，可以將多條超幀轉換成一條等效超幀，然后再根據單超幀情況計算每個信道的使用率，方法如下。

設系統(tǒng)存在i條超幀，首先計算等效超幀周期S'p為

(9)式中，Sp表示第i條超幀的周期，等效超幀的周期為多條超幀周期的最小公倍數(shù)。

然后，將每一條超幀中的鏈路按照時間順序依次排列在等效超幀上，如果在某個時隙，多條超幀存在鏈路沖突的情況，根據超幀的優(yōu)先級，選擇優(yōu)先級最高的超幀的時隙鏈路為該時隙的鏈路。設X為鏈路在原始超幀上的時隙偏移，則任何一條原始超幀上的鏈路在等效超幀上的時隙偏移分別為{X，X+Sp，X+2Sp，…，X+nSp}，且X+nSp≤S'p－ 1(其中，n=0，1，2，…)。

通過上述的方法可以將多個超幀轉換成一個等效超幀，簡化了工業(yè)物聯(lián)網中有關確定性調度的分析。例如在系統(tǒng)中運行了2個超幀，超幀1的優(yōu)先級高于超幀2。超幀1的周期S1p=8，超幀1配置了2條鏈路，分別是時隙1的發(fā)送鏈路Ta和時隙5的接收鏈路R;超幀2的周期S2p=3，超幀2配置了一條發(fā)送鏈路Tb在時隙2。將超幀1和超幀2轉化成另外一條新的等效超幀3，周期S'p=24。如圖7所示，原先2個超幀的鏈路按照一定規(guī)律分布在新的超幀3上。超幀1的發(fā)送鏈路在超幀3上的時隙偏移分別為1，1+8，1+2×8。接收鏈路在超幀3上的時隙偏移分別為5，5+8，5+2×8。同理，超幀2的發(fā)送鏈路在超幀3的時隙偏移分別為2，2+3，2+2 ×3，2+3 ×3，2+4 ×3，2+5 ×3，2+6 ×3，2+7 ×3。當時隙偏移為5和17的時候，超幀1和超幀2的鏈路沖突，根據超幀優(yōu)先級，優(yōu)先選擇超幀1的鏈路。

圖7 兩條超幀轉化為一條超幀F(xiàn)ig.7 A conjunct superframe combining two different superframes

3 信道評估

3.1 信道評估時間

信道評估時間的長短將會直接影響工業(yè)無線系統(tǒng)的安全性和實時性。如果系統(tǒng)在受到干擾的時候，信道評估時間太長，可能導致丟失重要的數(shù)據信息，而信道評估時間太短又造成不必要的能源浪費，因此，信道評估的時間尤為重要。信道使用頻率R表示每次使用某一信道通信的間隔時間;設備在某一信道發(fā)送數(shù)據包的次數(shù)達到門限值Tthr時開始評估該信道，然后將信道質量報告發(fā)送給系統(tǒng)管理器。信道評估時間TCH為

工業(yè)物聯(lián)網采用確定性調度技術，不同設備在每個信道上發(fā)送數(shù)據包的次數(shù)各不相同，因此設備對每一個信道進行評估的時間也有所不同。以某一設備A為例來說明信道評估時間計算方法。假設系統(tǒng)管理器分配給設備A的時隙鏈路個數(shù)為n，由第3節(jié)跳信道模式可以計算出每個時隙所使用的信道個數(shù)為m，把各個時隙所使用的信道按時間順序排列為 ch11，ch21，…，chn1，ch12，ch22，…，chn2，ch1m，ch2m，…，chnm，為了方便，記為 ch1，ch2，…，chj，…，chn×m。設設備A當前使用的信道為chtr，時隙長度為Ts，設備A獲得的通信資源如圖8所示。

圖8 設備A獲得的通信資源Fig.8 Communication resource for device A

輸入:CHj={ch1，ch2，…，chj，…，chn×m} m≤16，n≤Sp;

輸出:TCH;

設備A所使用信道的評估時間集合為 Time－estim－ch［j］。

上述信道評估時間算法主要是尋找設備所用信道的使用頻率(2次同一信道發(fā)送的時隙間隔)，它是決定信道評估時間的核心參數(shù)，并且和時隙長度、發(fā)送數(shù)據的門限值一起來計算信道評估時間，最后將各信道的評估時間存入全局變量。

3.2 信道評估方法

在工業(yè)物聯(lián)網感知層中，終端設備周期性地進行信道評估并通過信道質量報告?zhèn)魉徒o系統(tǒng)管理器。具體的實現(xiàn)過程是:系統(tǒng)管理器給設備分配通信資源的時候，配置特定的時隙專門用于設備信道評估質量報告的發(fā)送;設備定期檢查每條信道上的丟包率，并記錄在信道評估質量表中;當時隙到來的時候，設備向系統(tǒng)管理器發(fā)送信道評估質量表。

系統(tǒng)管理器按照設備報告的信道質量并根據信道丟包率的門限值將設備使用的信道分為好信道和壞信道。因為系統(tǒng)管理器在某一時間段內會收到很多終端節(jié)點的信道質量報告，所以系統(tǒng)管理器將綜合考慮終端設備報告的信道質量狀況。如果終端節(jié)點報告的丟包率大于門限值，系統(tǒng)管理器將該信道評定為壞信道。然后將此信道放入“黑名單”，并通過廣播通知全網的設備。圖9為信道質量評估整體流程。設備收到廣播后，在跳信道序列中立即屏蔽“黑名單”中的信道。

圖9 信道質量評估總體流程Fig.9 Flow chart for the channel estimation scheme

4 仿真實驗

基于OPNET Modeler，構建了無線網絡通信模型，其中，建立了3個節(jié)點模型:發(fā)送節(jié)點、接收節(jié)點和干擾節(jié)點。3個節(jié)點均工作在2.4 GHz頻段，發(fā)送節(jié)點的發(fā)射功率為0 dBm，收/發(fā)節(jié)點與干擾節(jié)點的距離約為3 m，發(fā)送節(jié)點每秒產生一個1 024 bit的數(shù)據包發(fā)送給接收節(jié)點。本文做了3個對比實驗來考察信道利用率對無線網絡性能的影響，輸出指標主要是丟包率和吞吐率，實驗結果如圖10所示。

圖10 不同信道利用率下的仿真結果Fig.10 Simulation result for different channel utilization

結果分析:實驗1中，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點使用16個信道通信，信道利用率為100%，接收節(jié)點的平均丟包率約為34%，吞吐率為32%。實驗2中，發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點根據一般的信道評估方法，在一定時間內(信道評估時間為15 min)把丟包率大于40%的信道全部屏蔽，信道利用率僅為50%，在這種情況下，接收節(jié)點的平均丟包率減小到22%，吞吐率為30%。而根據本文所提出的信道評估方法，在實驗3中，信道利用率為75%，丟包率進一步減小到13%，網絡的吞吐率提高到48%。因此，在信道受到干擾的情況下，本文提出的信道評估方法能合理地對信道進行評估，從而提高網絡的吞吐量，降低丟包率。

5 結束語

本文針對工業(yè)物聯(lián)網感知層，提出了一種新的信道評估方法。首先，基于網絡確定性調度，跳信道模式，算出信道利用率;然后，統(tǒng)計每個信道的評估時間;最后，根據丟包率，屏蔽通信質量差的信道。通過理論和計算機仿真實驗對比分析表明，該方法實現(xiàn)簡單，能夠有效提高網絡的吞吐量和增強工業(yè)物聯(lián)網感知層的抗干擾性。

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