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工业物联网应用中多时隙帧调度算法研究
资料介绍
研究工业物联网中延迟约束的多种采样周期数据调度问题，以降低数据传输过程中的功耗与延迟及增加网络容量为目标，提出基于负载的多时隙帧调度算法。利用快刷新率设备的优先调度策略，满足不同采样周期数据的实时性需求。采用图论中匹配和着色理论实现通信资源的确定性分配，解决网络中的干扰和冲突问题。仿真结果表明，该算法可在保证数据传输可靠性和实时性的基础上，充分利用有限的通信资源增加网络容量及降低功耗。
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（完整内容请下载后查看）第 ４２ 卷 ꢀ 第 １ １ 期
Ｖｏｌ． ４２ꢀ Ｎｏ． １ １
ꢀ
ꢀ
计
算
机
工
程
２０１６ 年 １ １ 月
ꢀ ꢀ
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１６
· 物 联 网 专 题 ·
文 章 编 号 ： １０００３４２８（ ２０１６） １１００１５０７ꢀ ꢀ ꢀ 文 献 标 志 码 ： Ａꢀ ꢀ ꢀ 中 图 分 类 号 ： ＴＰ３９３
工 业 物 联 网 应 用 中 多 时 隙 帧 调 度 算 法 研 究
闵 明 慧 ， 杨 志 家 ， 李 中 胜 ， 刘 志 峰
（ 中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 研 究 所 网 络 化 控 制 系 统 重 点 实 验 室 ， 沈 阳 １ １００１６）
摘 ꢀ 要 ： 研 究 工 业 物 联 网 中 延 迟 约 束 的 多 种 采 样 周 期 数 据 调 度 问 题 ， 以 降 低 数 据 传 输 过 程 中 的 功 耗 与 延 迟 及 增 加
网 络 容 量 为 目 标 ， 提 出 基 于 负 载 的 多 时 隙 帧 调 度 算 法 。 利 用 快 刷 新 率 设 备 的 优 先 调 度 策 略 ， 满 足 不 同 采 样 周 期 数
据 的 实 时 性 需 求 。 采 用 图 论 中 匹 配 和 着 色 理 论 实 现 通 信 资 源 的 确 定 性 分 配 ， 解 决 网 络 中 的 干 扰 和 冲 突 问 题 。 仿 真
结 果 表 明 ， 该 算 法 可 在 保 证 数 据 传 输 可 靠 性 和 实 时 性 的 基 础 上 ， 充 分 利 用 有 限 的 通 信 资 源 增 加 网 络 容 量 及 降 低
功 耗 。
关 键 词 ： 工 业 物 联 网 ； ＩＥＥＥ８０２． １５． ４ｅ 协 议 ； 时 隙 通 道 跳 频 模 式 ； 调 度 ； 多 时 隙 帧
中 文 引 用 格 式 ： 闵 明 慧 ， 杨 志 家 ， 李 中 胜 ， 等 ． 工 业 物 联 网 应 用 中 多 时 隙 帧 调 度 算 法 研 究 ［ Ｊ］ ． 计 算 机 工 程 ， ２０１６，
４２（ １ １ ） ： １５２１ ， ２６．
英 文 引 用 格 式 ： Ｍｉｎ Ｍｉｎｇｈｕｉ， Ｙａｎｇ Ｚｈｉｊｉａ， Ｌｉ Ｚｈｏｎｇｓｈｅｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｓｌｏｔ Ｆｒａｍｅ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ
Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ＩｏＴ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［ Ｊ］ ． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０１６， ４２（ １ １ ） ： １５２１ ， ２６．
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｓｌｏｔ Ｆｒａｍｅ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ
Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ＩｏＴ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ＭＩＮ Ｍｉｎｇｈｕｉ， ＹＡＮＧ Ｚｈｉｊｉａ， ＬＩ Ｚｈｏｎｇｓｈｅｎｇ， ＬＩＵ Ｚｈｉｆｅｎｇ
（ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １００１６， Ｃｈｉｎａ）
【 Ａｂｓｔｒａｃｔ】 Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｅ ｄｅｌａｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｏｆ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄｓ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ
Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ（ ＩｏＴ） ｎｅｔｗｏｒｋ． Ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｌｏｗｐｏｗｅｒ， ｌｏｗｌａｔｅｎｃｙ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｎｅｔｗｏｒｋ
ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ， ａ ｍｕｌｔｉｓｌｏｔ ｆｒａｍｅｓ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｏａｄｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｔｈｅ
ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗｉｔｈ ａ ｆａｓｔｅｒ ｓｃａｎ ｒａｔｅ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｐｒｉｏｒｉｔｙ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅａｌｔｉｍｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｄａｔａ ｗｉｔｈ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ． Ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｃｏｎｆｌｉｃｔ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ， ｔｈｅ ｇｒａｐｈ ｔｈｅｏｒｙ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｍａｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ
ｃｏｌｏｒｉｎｇ ａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅａｌｔｉｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｍａｘｉｍｉｚｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ
ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．
【 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】 ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ （ ＩｏＴ） ； ＩＥＥＥ８０２． １５． ４ｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ； Ｔｉｍｅ Ｓｌｏｔｔｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｈｏｐｐｉｎｇ （ ＴＳＣＨ）
ｍｏｄｅ； ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ； ｍｕｌｔｉｓｌｏｔ ｆｒａｍｅ
ＤＯＩ： １０． ３９６９ ／ ｊ． ｉｓｓｎ． １０００３４２８． ２０１６． １ １ ． ００３
引 起 了 广 泛 关 注 。 大 量 文 献 研 究 了 基 于 时 分 多 址
０ꢀ 概 述
（ Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｄｄｒｅｓｓ， ＴＤＭＡ） 的 链 路 调
［ ２４］
工 业 物 联 网 应 用 中 不 同 传 感 器 设 备 具 有 不 同 的
度 问 题
， 其 中 多 数 基 于 网 络 中 所 有 设 备 具 有 相 同
采 样 周 期 ， 为 提 高 设 备 兼 容 性 ， 充 分 利 用 网 络 资 源 及
［ １ ］
的 采 样 周 期 的 假 设 ， 不 适 用 于 工 业 应 用 中 多 刷 新 率
的 设 备 调 度 。 文 献 ［ ５ ］ 研 究 了 多 刷 新 率 设 备 调 度 问
题 ， 引 入 不 同 长 度 超 帧 管 理 、 不 同 采 样 周 期 需 求 的 设
降 低 功 耗 ， 通 信 资 源 调 度 算 法 研 究 面 临 新 的 挑 战
。
随 着 无 线 网 络 技 术 的 发 展 ， 无 线 传 感 器 网 络 近 年 来
基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 （ ６１２３３００７） ； 国 家 “ ８６３” 计 划 项 目 （ ２０１２ＡＡ０４０７０１ ） ； 中 国 科 学 院 “ 面 向 感 知 中 国 的 新 一 代 信 息 技 术 研 究 ”
战 略 性 先 导 科 技 专 项 （ ＸＤＡ０６０２０６０２） 。
作 者 简 介 ： 闵 明 慧 （ １９９０— ） ， 女 ， 硕 士 研 究 生 ， 主 研 方 向 为 无 线 传 感 器 网 络 、 工 业 物 联 网 ； 杨 志 家 ， 研 究 员 、 博 士 生 导 师 ； 李 中 胜 ， 硕 士 ；
刘 志 峰 ， 副 研 究 员 、 硕 士 。
收 稿 日 期 ： ２０１６０１ ２２ꢀ ꢀ 修 回 日 期 ： ２０１６０２２３ꢀ ꢀ Ｅｍａｉｌ： ｍｉｎｍｉｎｇｈｕｉ＠ ｓｉａ． ａｃ． ｃｎ
万方数据
ꢀ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
计 ꢀ 算 ꢀ 机 ꢀ 工 ꢀ 程
２０１６ 年 １ １ 月 １５ 日
１６
备 ， 利 用 冗 余 策 略 提 高 可 靠 性 并 对 网 络 鲁 棒 性 和 重
传 延 迟 等 性 能 进 行 理 论 分 析 。 文 献 ［ ６］ 采 用 快 速 刷
新 率 设 备 优 先 的 策 略 解 决 网 络 传 输 调 度 问 题 ， 基 于
点 仅 在 被 调 度 的 单 元 工 作 ， 其 他 时 间 处 于 低 功 耗 睡 眠
状 态 。 如 图 ２（ ｂ） 所 示 ， 一 些 时 隙 是 专 用 的 ， 一 些 时 隙 由
多 个 链 路 共 享 （ 如
Ｄ
Ａ 和
Ｃ
Ａ） 。 ＩＥＥＥ８０２． １５． ４ｅ标
→
→
图 路 由 ， 利 用 深 度 优 先 搜 索 算 法 分 配 链 路 资 源 。
该
准 中 定 义 了 简 单 的 避 让 机 制 解 决 共 享 时 隙 中 的 冲 突 问
题 。 本 文 调 度 算 法 默 认 使 用 专 用 时 隙 。
算 法 在 可 靠 性 和 网 络 利 用 率 方 面 具 有 一 定 优 越 性 。
文 献 ［ ７］ 针 对 单 跳 网 络 中 不 同 刷 新 率 设 备 传 输 调 度
问 题 进 行 研 究 ， 并 展 望 了 未 来 的 发 展 方 向 。 文 献 ［ ８］
提 出 的 超 帧 循 环 拼 接 策 略 ， 使 定 长 超 帧 兼 容 不 同 数
据 刷 新 率 ， 提 高 了 网 络 中 设 备 兼 容 性 ， 但 算 法 计 算 相
对 复 杂 。 以 上 算 法 均 是 针 对 ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ 网 络 。
为 应 对 工 业 无 线 应 用 对 功 耗 和 可 靠 性 的 严 格 要
求 ， ２０１２ 年 ＩＥＥＥ 组 织 通 过 了 ＩＥＥＥ８０２． １５． ４ｅ ＴＳＣＨ
［ １０１１］
ＭＡＣ 协 议 ［ ９］ 。 ＴＳＣＨＴＡＳＡ
算 法 实 现 ＴＳＣＨ 网 络
能 在 较 低 的 占 空 比 下 工 作 ， 从 而 使 得 ＴＳＣＨ 网 络 能 兼
图
２ꢀ 一 个 简 单 网 络 拓 扑 和 调 度 实 例
［ １］
容 多 刷 新 率 设 备
， 具 体 实 现 策 略 有 待 于 研 究 。 本 文
１． ３ꢀ 信 道 跳 频
在 已 有 研 究 工 作 的 基 础 上 ， 基 于 ＴＳＣＨ ＭＡＣ 机 制 ， 提
ＩＥＥＥ８０２． １５． ４ｅ ＴＳＣＨ ＭＡＣ 支 持 信 道 跳 频 模
出 满 足 不 同 刷 新 率 数 据 采 集 实 时 性 需 求 的 算 法 。
式 。 通 过 信 道 跳 频 实 现 频 率 多 样 性 以 降 低 外 部 干 扰
［ １２１４］
１ꢀ ＩＥＥＥ８０２． １５． ４ｅ ＴＳＣＨ 关 键 技 术
以 及 多 径 衰 减 的 影 响
， 增 加 链 路 的 可 靠 性 。
ＴＳＣＨ 时 隙 帧 中 的 一 个 时 隙 内 可 同 时 使 用 多 个 信 道
时 隙 通 道 跳 频 （ Ｔｉｍｅ Ｓｌｏｔｔｅｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｈｏｐｐｉｎｇ，
ＴＳＣＨ） 模 式 通 过 时 间 同 步 技 术 实 现 网 络 的 超 低 功
耗 ， 基 于 信 道 跳 频 实 现 高 可 靠 ， 是 ＩＥＥＥ８０２． １５． ４ｅ
（ ＩＥＥＥ８０２． １５． ４ 的 修 定 版 本 ） 协 议 的 一 部 分 ， 专 门 为
满 足 工 业 应 用 提 出 ＭＡＣ 层 机 制 。
完 成 不 同 设 备 间 的 通 信 ， 增 加 网 络 的 设 备 容 量 。
在
ＴＳＣＨ 调 度 中 ， 每 一 个 链 路 由 一 个 时 隙 偏 移
量 和 信 道 偏 移 量 确 定 ， 表 示 为 （ 时 隙 ｔ， 信 道 偏 移 ） 。
信 道 偏 移 量 通 过 式 （ １ ） 转 换 成 频 率 （ 物 理 信 道 ） ：
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＝ Ｆ（ ｃｈａｎｎｅｌＯｆｆｓｅｔ ＋ ＡＳＮ） ＭＯＤｎＦｒｅｑ （ １ ）
其 中 ， 绝 对 时 隙 数 （ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｓｌｏｔ Ｎｕｍｂｅｒ， ＡＳＮ） 指 示
自 网 络 启 动 后 网 络 中 的 总 时 隙 数 ， ＡＳＮ ＝ （ ｋ × ｌ ＋ ｔ） ，
ｌ 代 表 时 隙 帧 长 度 ， ｋ 代 表 时 隙 帧 周 期 ； 函 数 Ｆ 包 含 一
个 可 用 信 道 列 表 ， 该 列 表 大 小 等 于 可 用 信 道 数 量
ｎＦｒｅｑ。 在 ＩＥＥＥ８０２． １５． ４ｅ ＴＳＣＨ 网 络 中 有 １６ 个 可
用 信 道 ， 可 使 用 黑 名 单 的 方 式 限 制 部 分 信 道 的 使 用 。
１． ４ꢀ 多 时 隙 帧
１． １ꢀ 时 隙 帧
ＴＳＣＨ 模 式 使 用 时 隙 帧 代 替 传 统 的 ＩＥＥＥ８０２． １５． ４
超 帧 结 构 。 时 隙 帧 是 一 组 循 环 出 现 的 时 隙 集 合 ， 时 隙
数 目 决 定 了 时 隙 帧 长 度 。 每 个 时 隙 帧 实 例 称 为 一 个
时 隙 帧 周 期 （ ｃｙｃｌｅ） ， 图 １ 显 示 了 一 个 ４ 时 隙 的 时 隙
帧 ， 图 中 数 字 代 表 包 含 的 ４ 个 时 隙 。 ＴＳＣＨ 网 络 中 节
点 在 时 隙 帧 结 构 内 同 步 ， 一 个 时 隙 足 够 长 （ 按
ＩＥＥＥ８０２． １５． ４ｅ 中 建 议 ， 本 文 规 定 一 个 时 隙 的 长 度 为
１０ ｍｓ） ， 可 以 完 成 一 次 数 据 传 输 并 且 接 收 相 应 的 应 答
信 号 （ ＡＣＫ） ， 指 示 接 收 完 成 。
基 于 时 隙 通 信 的 ＴＳＣＨ 网 络 可 包 含 多 个 并 行 存
在 的 、 不 同 长 度 的 时 隙 帧 。 工 业 无 线 网 络 刷 新 率 与
时 隙 帧 长 度 有 关 ， 帧 长 度 越 短 ， 刷 新 率 、 有 效 带 宽 、 功
耗 越 高 ； 帧 长 度 越 长 ， 刷 新 率 、 有 效 带 宽 减 、 功 耗 越
低 。 采 用 多 时 隙 帧 可 以 实 现 为 多 组 不 同 应 用 需 求 的
节 点 定 义 不 同 的 通 信 调 度 。 通 过 在 一 个 时 隙 帧 内 分
配 给 一 部 分 设 备 较 多 活 跃 的 时 隙 ， 而 其 他 设 备 分 配
较 少 或 者 不 分 配 活 跃 时 隙 ， 可 以 实 现 在 不 同 占 空 比
下 运 行 整 个 网 络 。
图
１ꢀ 包 含 ４ 个 时 隙 的 时 隙 帧
多 时 隙 帧 结 构 如 图 ３ 所 示 ， 图 中 给 出 了 长 度 为 ４
和 ３ 的 时 隙 帧 ， ＴＳ０（ ｔｉｍｅｓｌｏｔ ０） 代 表 时 隙 帧 中 第 一 个
时 隙 。 在 网 络 运 行 过 程 中 可 以 添 加 、 删 除 或 者 修 改
时 隙 帧 。 尽 管 如 此 ， 所 有 的 时 隙 帧 都 按 照 时 隙 边 界
对 齐 ， 在 时 隙 帧 第 一 次 循 环 开 始 时 ， 每 个 时 隙 帧 的 第
一 个 元 素 ——— 时 隙 ０ 将 从 ＡＳＮ ＝ ０ 开 始 计 数 ， 这 是 由
网 关 （ 或 者 其 他 启 动 网 络 的 设 备 ） 决 定 的 。 正 因 如
１． ２ꢀ ＴＳＣＨ 调 度
图 ２（ ａ） 和 图 ２（ ｂ） 显 示 了 一 个 简 单 的 网 络 拓 扑 和
对 应 的 确 定 调 度 。 图 中 时 隙 帧 长 度 为 ５， 可 用 信 道 数
量 为 ６。 ＴＳＣＨ 调 度 指 明 节 点 在 每 一 个 时 隙 内 的 操
作 ： 发 送 ， 接 收 或 休 眠 ， 对 于 每 一 个 活 跃 时 隙 ， 调 度 指
明 了 节 点 通 信 的 邻 居 与 使 用 的 信 道 。 网 络 中 每 个 节
万方数据
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