0 引言

    無線HART是第一個開放式的工業無線通信標準，用于滿足過程工業應用中可靠、穩定和安全的無線通信的關鍵需求。無線HART是一個集中管理的MESH網絡，它建立在IEEE 802.15.4物理層標準上，附加了自有的數據鏈路層、網絡層和應用層協議，在MAC層采用帶有跳頻的TDMA調度方法，保證系統的可靠性^[1]。

    無線HART網絡在數據鏈路層采用TDMA機制，無線HART網絡中的通信資源調度成為影響網絡通信性能的重要因素。 

1 無線HART資源調度策略研究現狀

    無線HART成為工業標準后，一些學者提出了一些基于無線HART網絡的調度方法。SAIFULLAH A提出的實時調度算法支持實時反饋閉環控制，但是只完成了仿真工作，并沒有實際的應用報告^[2]；FANG M等提出了一種基于分層思想的調度算法，但時隙的分配中沒有考慮節點的數據更新速率^[3]；ZHANG H等提出了基于時隙數和信道數最優的資源調度算法，但該算法僅僅是針對于線性網絡和樹狀網絡^[4-5]；董利達等提出了基于雙樹結構資源調度策略，給出了資源添加和刪除算法，但該算法只適合雙樹結構和層數固定的網絡拓撲^[6]；張盛等提出了無線HART網絡中的高可靠資源分配策略，基于資源分配的次序，降低傳輸延時，但該算法沒有考慮節點數據傳輸速率的多變性以及資源類型的差異^[7]。上述算法都沒有考慮節點更新速率的不同，同時在時隙的選擇中，采用連續順序選擇的方法（即第一條路徑選擇時隙1，第2條路徑選擇時隙2），通信易受突發干擾的影響。本文依據現有的研究狀況，針對無線HART超幀資源的不同類型和節點數據傳輸速率不同，提出資源分配算法。對無線HART網絡中同一節點的下一跳路徑（無線HART圖路由要求每一個節點都至少有兩條下一跳路徑）在超幀中均勻分配時隙，增強對干擾信號的抗干擾能力。

2 無線HART通信資源和超幀

    無線HART網絡的通信資源包括以下幾種類型：加入（JOIN）、廣告(ADVERTISE)、發現（DISCOVERY）、廣播（BROADCAST）和通用（NORMAL）。加入和廣告包用于節點加入; 發現型資源用于搜索新鄰居和保持與時間源設備之間的聯系；廣播資源用于廣播信息; 通用型資源則用于一般的數據傳遞。

    在無線HART網絡中，通信資源的調度是以超幀為單位，超幀是一個由若干時隙組成的循環周期。無線HART規范支持多信道調度即支持16個信道，大大提高了通信帶寬的利用率。

    無線HART的超幀可分為管理超幀和數據超幀，管理超幀主要負責加入、廣告、發現和廣播類型資源及通用類型中的下行資源，數據超幀負責上行資源。數據超幀長度由節點通信速率決定，支持更新速率為2ⁿ s，其中n為正整數或負整數,文中支持的最快更新數率為4 s，最慢更新數率為16 s(慢于16 s按照16 s更新)。論文使用一個數據超幀(長度為1 600個時隙)和兩個管理超幀，一個長度為200個時隙(加入和廣告類型資源)，另一個為400個時隙(廣播和下行的通用類型資源)。

3 調度算法及實現

3.1 資源調度算法中的沖突

    無線HART網絡中對時隙和信道的分配存在著兩種類型的沖突：顯式沖突和隱式沖突。若一個節點同時存在一個發送鏈接和一個接收鏈接，則屬于顯式沖突，可以給兩種鏈接分配不同的時隙；而相鄰鏈接之間的干擾屬于隱式沖突，分配同一個時隙不同信道，如圖1中節點2→1和9→6所示，如果2和9同時發送數據，2和6互為鄰居，則2會對6造成干擾。在實際的資源調度算法中，根據不同的資源類型，對沖突的解決作了不同的定義。若通用資源和廣播類型資源的起點和終點都不同，則使用同一個時隙不同信道，否則分配不同時隙。若加入資源接收地址不同，廣告類型資源發送地址不同，則使用同一個時隙不同信道，否則分配不同時隙。

3.2 資源調度算法軟件實現

    無線HART的管理超幀（兩種）和數據超幀的長度不同，無線HART的資源在這三種超幀上分配，但是這三種超幀都是在同一時間上運行，因此在資源分配時還要考慮以下兩個問題：(1)在同一個時隙上，每種超幀既不能與同超幀類型資源沖突，也不能與其他超幀沖突；(2)由于三種超幀的更新時間不同，更新速率快的超幀在處理與更新速率慢的超幀的沖突時，不僅考慮相同時隙的沖突，還要考慮相應倍數時隙的資源沖突，如加入資源超幀長度為200個，在相對時隙數為10的位置處考慮與數據超幀的沖突時，既要考慮時隙數為10處的資源，還要考慮相對時隙數為210、410、610等處是否有資源沖突（數據超幀）。為解決以上問題，文中對于通信資源分配，統一在最長的超幀（數據超幀）上對各種類型的資源分配，之后再分配到對應的超幀中。下面詳述資源調度算法的實現過程。

    無線HART資源調度算法的軟件實現主要由超幀初始化、節點信息獲取、路由算法實現、管理超幀資源調度算法實現和數據超幀資源調度算法實現等部分組成，下面對各部分作詳細說明。

    (1)超幀初始化

    實現對管理超幀和數據超幀的數據結構初始化，數據超幀的長度為1 600，管理超幀1長度為200個（加入和廣告類型），管理超幀2長度為400個（廣播和下行數據類型），在初始化中，還分配了網絡接入點的加入、廣告、發現和廣播類型資源。

    (2)節點信息獲取

    獲取節點信息和鄰居信息。

    (3)路由算法實現

    根據節點信息，實現整個網絡的圖路由和源路由算法，本文采用了文獻[8]的算法。

    (4)管理超幀資源調度算法實現

    管理超幀資源分配算法過程如下：

    ①輸入資源類型和超幀長度length，加入和廣告類型length=200，廣播和下行數據類型length=400；

    ②下行數據類型資源，根據源路由得到相應的路徑，對每條路徑調用資源搜索子算法，其他類型資源直接調用資源搜索子算法。

    ③調用資源分配子算法，設i=1，no=0，△=1。

    資源搜索子算法實現步驟如下：

    步驟a：對需要分配資源的節點，在數據超幀的第i個時隙的16個信道做資源沖突檢測(各類資源沖突檢測規則詳見3.1節)，如果有沖突，轉到步驟d，否則執行步驟b；

    步驟b：j=i+length×k(k=1~(1 600/length-1))，分別對應不同的j值，在數據超幀的第j個時隙的16個信道做資源沖突檢測，如果有沖突，轉到步驟d，否則執行步驟c；

    步驟c：在數據超幀的第i個時隙，檢測是否有空閑信道，有則該節點在i時隙空閑信道分配相應類型資源，在數據超幀第i和j個時隙和相應管理超理超幀(如果是管理超幀分配)第i個時隙中記錄發送地址，接收地址和資源類型，退出，資源分配成功，否則轉到步驟d；

    步驟d：no=no+1；i=i+△，如果no≥length，資源分配失敗，退出，否則轉到步驟a。

    (5)數據超幀資源調度算法實現

    數據超幀分配上行圖路由數據，對于圖路由，源節點及每個中間節點都有兩條到下一跳節點的路徑，為了增強系統的抗干擾性，文中對于一個節點的兩條上行路徑，其資源分配的時隙間隔盡量大。數據超幀資源調度算法實現過程如下：

    ①根據圖路由，計算從源節點到目的節點的經過節點和路徑（這部分算法不屬于本文范圍之內）；

    ②對所有路徑和節點分配資源；

    ③i=1，no=0，△=1，length=T×100(T為數據更新時間，單位s)，調用資源搜索子算法，得到第一條路徑資源；

    ④i=(L+length/2)%length(L為第一條路徑的時隙值)，no=0，△=(-1)×no，調用調用資源搜索子算法，得到第二條路徑資源。

3.3 算法實例驗證

    選取圖1所示的無線HART網絡，節點1為網絡接入點，2～11為現場設備，數據更新速率為16 s，應用資源調度算法，得到整個網絡資源分配表，文中只選取了前20個時隙的資源分配表，見表1和表2，其中時隙0為全網發現時隙，d表示下行，u表示上行，a表示廣告，j表示加入，b表示廣播，*表示多節點。

4 實驗分析

4.1 建立實驗環境

    為驗證資源調度算法，搭建無線HART網絡實驗平臺，包括網絡管理器、接入點和現場設備。網絡管理者在計算機上Linux環境下完成，AP和現場設備使用飛思卡爾的MC13224無線模塊。

4.2 實驗結果

    (1)在無干擾情況下，分別使用5、10、15、20和25個現場設備，使用4 s的更新速率和可變速率(從4 s～16 s)，應用文中算法，節點向網關傳送數據，實測端到端的單向數據傳送成功率，端對端不設重傳，結果如圖2所示，說明在變速率節點數據上傳的情況下，算法保證了數據的穩定上傳。

    (2)在加干擾情況下，分別使用5、10、15、20和25個現場設備，在時隙分配中一種選擇同一節點的上行兩條路徑的時隙間隔盡量大(方案1)，另一種順序選擇時隙(方案2)，數據更新速率都為固定的16 s，從節點向網關傳送數據，加入干擾信號，然后實測端到端的單向數據傳送成功率，端對端不設重傳，得到如圖3所示的結果。從結果可以看出，方案1的成功率要高于方案2，說明文中使用的算法提高了節點上傳數據的抗擾性。

5 結論

    目前無線HART網絡的資源調度算法研究主要應用于節點更新速率固定的場合，本文提出了一種針對于節點變速率上傳數據的資源分配算法，對無線HART網絡中同一節點的下一跳路徑在超幀中均勻分配時隙，增強對干擾信號的抗干擾能力。實驗結果表明，算法實現了無線HART網絡變速率節點的資源分配，并提高了節點數據傳輸的抗擾性。

參考文獻

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[4] ZHANG H，SOLDATI P，JOHANSSON M.Operational link scheduling and channel assignment for convergecast in linear WirelessHART networks[C].Proceedings of the Conference on Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc, and Wireless Networks，Seoul，June 23-27，2009：1-8.

[5] ZHANG H，SOLDATI P，JOHANSSON M.Time and channel-efficient link scheduling convergecast in wirelessHART networks[C].2011 IEEE 13th International Conference on Communication Technology.United states Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2011：99-103.

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[7] 張盛，張國勇，鄢傲.無線HART網絡中的高可靠資源分配策略[J].小型微型計算機系統，2014，35(12)：2593-2597．

[8] 封岸松，王宏.基于通信鏈路質量的無線HART圖路由算法實現[J].電子技術應用，2015，41(4)：119-124.