李 敏，王 恒，潘秋紅

(重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶400065)

0 引言

工業(yè)控制領(lǐng)域是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)典型的應(yīng)用領(lǐng)域之一，具有廣闊的發(fā)展前景。將工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，越來越受到各國研究機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化組織的重視。其中，工業(yè)無線通信技術(shù)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層的核心技術(shù)。工業(yè)無線通信技術(shù)是一種面向設(shè)備間短程、低速率信息交換的無線通信技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、低功耗和確定性通信等特點(diǎn)，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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

目前工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要有WIA-PA(wireless networks for industrial automation-process automation)標(biāo)準(zhǔn)，ISA(international society of automation)100.11a標(biāo)準(zhǔn)和無線HART(highway addressable remote transducer) 標(biāo)準(zhǔn)［1-3］。由于無線HART標(biāo)準(zhǔn)，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(wǎng)的感知層為了防止其他網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾，提供了多種抗干擾技術(shù)［5-7］。自適應(yīng)跳信道技術(shù)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層中主要的抗干擾方式，它通過周期性地評(píng)估信道質(zhì)量，將被干擾的差信道進(jìn)行屏蔽來達(dá)到抗干擾的目的。時(shí)隙是時(shí)分復(fù)用的一個(gè)時(shí)間片，多個(gè)這樣的時(shí)隙的集合定義為一個(gè)超幀。確定性調(diào)度技術(shù)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層的關(guān)鍵技術(shù)，其具體實(shí)現(xiàn)過程通過超幀來完成［8-10］。確定性調(diào)度技術(shù)就是網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)設(shè)備在開始的入網(wǎng)階段由系統(tǒng)管理器從超幀中確定地為每個(gè)設(shè)備分配一些固定的時(shí)隙和鏈路，設(shè)備只能在這些固定的時(shí)隙和鏈路進(jìn)行發(fā)送和接收信息。我們把這些鏈路和時(shí)隙叫做通信資源。由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層采用了確定性調(diào)度技術(shù)，因此每個(gè)設(shè)備分配到的時(shí)隙和鏈路是不同的，在這些時(shí)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(huì)被使用。因此，每條信道的評(píng)估時(shí)間不能采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行選定。目前工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層信道評(píng)估方法的研究主要是系統(tǒng)周期性地對(duì)每一個(gè)信道進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)將信道劃分為好信道和差信道，通過“黑名單”技術(shù)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(diǎn):信道評(píng)估時(shí)間的選取沒有考慮網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)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(diào)度的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層信道評(píng)估方法，目的在于解決信道評(píng)估時(shí)間的選取問題。的速率為250 kbit/s。IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)把該頻段劃分為3個(gè)信道(1，6，11)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾首罡呖蛇_(dá)11 Mbit/s。假定IEEE802.11b工作在任何一個(gè)信道，則工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(dòng)化的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層容易受到IEEE802.11b網(wǎng)絡(luò)的干擾，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)感知層的信道切換模式主要分為3種:1)時(shí)隙跳信道模式，每個(gè)時(shí)隙按照跳信道序列周期性地更換一次信道，時(shí)隙的長度一般為10 ms;2)慢跳信道模式，幾個(gè)連續(xù)的時(shí)隙使用相同的信道，該模式主要用于時(shí)間同步精度不高的網(wǎng)絡(luò);3)混合跳信道模式，該模式是時(shí)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(jìn)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(gè)信道至少相隔3個(gè)信道以上，如跳信道序列1 可以預(yù)設(shè)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(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生連續(xù)性沖突，特別是IEEE 802.11b網(wǎng)絡(luò)。

1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層跳信道技術(shù)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層的物理層兼容了IEEE802.15.4 協(xié)議，所以，無線 HART 網(wǎng)絡(luò)，ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)和WIA-PA網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)把2.4 GHz頻段化分為16個(gè)信道(11-26)，每條信道帶寬為2 MHz，在該頻段上數(shù)據(jù)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(shí)隙集合，時(shí)隙的大小決定了超幀循環(huán)的周期Sp。時(shí)隙是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝?，假設(shè)一個(gè)時(shí)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(jù)一定的信道序列有規(guī)律地跳信道。信道序列長度Cl會(huì)影響超幀每個(gè)時(shí)隙使用的信道個(gè)數(shù)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層系統(tǒng)開始調(diào)度的時(shí)候，絕對(duì)時(shí)隙從0開始計(jì)時(shí)，每經(jīng)過一個(gè)時(shí)隙，絕對(duì)時(shí)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(dá)到最大值(周期值)的時(shí)候，超幀偏移和信道偏移清0，重新開始計(jì)算。下面將分3種情況討論每個(gè)時(shí)隙使用信道個(gè)數(shù)的計(jì)算方法。

2.1 時(shí)隙跳信道模式

網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備具有較高時(shí)間同步精度的時(shí)候，可以采用時(shí)隙跳信道模式來防止干擾。設(shè)備在每個(gè)時(shí)隙使用不同的信道通信。系統(tǒng)開始調(diào)度的時(shí)候，絕對(duì)時(shí)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(jì)數(shù)。在任何一個(gè)絕對(duì)時(shí)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(wǎng)確定性調(diào)度的重要參數(shù)。根據(jù)超幀周期和信道序列的長度，可計(jì)算出每個(gè)時(shí)隙使用的信道個(gè)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(shè)跳信道序列的長度為16，超幀周期為25個(gè)時(shí)隙。它們的最小公倍數(shù)為400。那么超幀每個(gè)時(shí)隙使用的信道個(gè)數(shù)為400/25=16，每個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)隙，則可以計(jì)算出超幀每個(gè)時(shí)隙使用的信道個(gè)數(shù)為8，信道使用率降低到50%。當(dāng)信道序列長度分別為4，8，12，16，超幀周期為25，50，75，100時(shí)，每個(gè)時(shí)隙的信道使用個(gè)數(shù)如圖3所示。圖3中，ChLen表示跳信道序列所包含的時(shí)隙個(gè)數(shù);SfPeriod表示超幀周期所包含的時(shí)隙個(gè)數(shù);ChUseCount表示每個(gè)時(shí)隙使用的信道個(gè)數(shù)。

圖3 不同超幀周期和信道序列長度對(duì)應(yīng)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(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備時(shí)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(shí)隙的集合，設(shè)備每隔一次慢跳頻周期更改一次信道。設(shè)慢跳信道模式的跳頻周期為S1p，其信道偏移與時(shí)隙跳信道模式有所不同，定義為

假設(shè)系統(tǒng)中的超幀周期為50個(gè)時(shí)隙，跳信道序列1的長度為16，跳頻周期為5個(gè)時(shí)隙。當(dāng)絕對(duì)時(shí)隙為75的時(shí)候，由(2)式可以算出當(dāng)前超幀偏移為25，由(4)式算出信道偏移為15，則該時(shí)隙當(dāng)前使用的信道為26信道。慢跳信道模式下每個(gè)時(shí)隙信道使用個(gè)數(shù)為

不同慢跳信道周期對(duì)應(yīng)的信道使用數(shù)如圖4所示。當(dāng)超幀的周期為20個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)隙更改一次信道。根據(jù)(5)式，求得超幀每個(gè)時(shí)隙使用的信道個(gè)數(shù)為4，信道使用率為25%;當(dāng)慢跳信道周期設(shè)置為10，其他參數(shù)不變的情況下，超幀每個(gè)時(shí)隙使用的信道個(gè)數(shù)為8，信道使用率提高到50%。

2.3 混合跳信道模式

根據(jù)系統(tǒng)調(diào)度的靈活性，設(shè)備的跳信道模式可以采用混合跳信道，即時(shí)隙跳信道和慢跳信道的結(jié)合。設(shè)備在時(shí)隙跳信道階段的某一時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，可以在下一個(gè)慢跳信道階段重發(fā)數(shù)據(jù)。慢跳信道階段主要用于設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)重傳、管理數(shù)據(jù)的發(fā)送。因混合跳信道的情況多樣化，所以，計(jì)算超幀偏移、信道偏移要根據(jù)具體情況分析。系統(tǒng)混合跳信道模式如圖5所示，設(shè)在超幀周期內(nèi)，慢跳信道的周期為S1p，時(shí)隙跳信道的周期為S2p，則在一段時(shí)間t內(nèi)，超幀的循環(huán)次數(shù)Sc為

計(jì)算該模式的信道偏移為

超幀每個(gè)時(shí)隙使用的信道個(gè)數(shù)為

當(dāng)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(gè)時(shí)隙，時(shí)隙跳頻周期為20個(gè)時(shí)隙時(shí)，根據(jù)(7)—(8)式，求得超幀每個(gè)時(shí)隙使用的信道個(gè)數(shù)為16，信道使用率為100%;當(dāng)慢跳頻周期設(shè)置為10，時(shí)隙跳頻周期為15，其他參數(shù)不變的情況下，超幀每個(gè)時(shí)隙使用的信道個(gè)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(shí)，每個(gè)時(shí)隙使用信道個(gè)數(shù)的對(duì)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(duì)應(yīng)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(zhuǎn)換成一條等效超幀，然后再根據(jù)單超幀情況計(jì)算每個(gè)信道的使用率，方法如下。

設(shè)系統(tǒng)存在i條超幀，首先計(jì)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(shí)間順序依次排列在等效超幀上，如果在某個(gè)時(shí)隙，多條超幀存在鏈路沖突的情況，根據(jù)超幀的優(yōu)先級(jí)，選擇優(yōu)先級(jí)最高的超幀的時(shí)隙鏈路為該時(shí)隙的鏈路。設(shè)X為鏈路在原始超幀上的時(shí)隙偏移，則任何一條原始超幀上的鏈路在等效超幀上的時(shí)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(gè)超幀轉(zhuǎn)換成一個(gè)等效超幀，簡化了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中有關(guān)確定性調(diào)度的分析。例如在系統(tǒng)中運(yùn)行了2個(gè)超幀，超幀1的優(yōu)先級(jí)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(shí)隙1的發(fā)送鏈路Ta和時(shí)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(shí)隙2。將超幀1和超幀2轉(zhuǎn)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(gè)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(shí)隙偏移分別為1，1+8，1+2×8。接收鏈路在超幀3上的時(shí)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(shí)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(dāng)時(shí)隙偏移為5和17的時(shí)候，超幀1和超幀2的鏈路沖突，根據(jù)超幀優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先選擇超幀1的鏈路。

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

3 信道評(píng)估

3.1 信道評(píng)估時(shí)間

信道評(píng)估時(shí)間的長短將會(huì)直接影響工業(yè)無線系統(tǒng)的安全性和實(shí)時(shí)性。如果系統(tǒng)在受到干擾的時(shí)候，信道評(píng)估時(shí)間太長，可能導(dǎo)致丟失重要的數(shù)據(jù)信息，而信道評(píng)估時(shí)間太短又造成不必要的能源浪費(fèi)，因此，信道評(píng)估的時(shí)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(shí)間;設(shè)備在某一信道發(fā)送數(shù)據(jù)包的次數(shù)達(dá)到門限值Tthr時(shí)開始評(píng)估該信道，然后將信道質(zhì)量報(bào)告發(fā)送給系統(tǒng)管理器。信道評(píng)估時(shí)間TCH為

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)采用確定性調(diào)度技術(shù)，不同設(shè)備在每個(gè)信道上發(fā)送數(shù)據(jù)包的次數(shù)各不相同，因此設(shè)備對(duì)每一個(gè)信道進(jìn)行評(píng)估的時(shí)間也有所不同。以某一設(shè)備A為例來說明信道評(píng)估時(shí)間計(jì)算方法。假設(shè)系統(tǒng)管理器分配給設(shè)備A的時(shí)隙鏈路個(gè)數(shù)為n，由第3節(jié)跳信道模式可以計(jì)算出每個(gè)時(shí)隙所使用的信道個(gè)數(shù)為m，把各個(gè)時(shí)隙所使用的信道按時(shí)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(shè)設(shè)備A當(dāng)前使用的信道為chtr，時(shí)隙長度為Ts，設(shè)備A獲得的通信資源如圖8所示。

圖8 設(shè)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(shè)備A所使用信道的評(píng)估時(shí)間集合為 Time－estim－ch［j］。

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

3.2 信道評(píng)估方法

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層中，終端設(shè)備周期性地進(jìn)行信道評(píng)估并通過信道質(zhì)量報(bào)告?zhèn)魉徒o系統(tǒng)管理器。具體的實(shí)現(xiàn)過程是:系統(tǒng)管理器給設(shè)備分配通信資源的時(shí)候，配置特定的時(shí)隙專門用于設(shè)備信道評(píng)估質(zhì)量報(bào)告的發(fā)送;設(shè)備定期檢查每條信道上的丟包率，并記錄在信道評(píng)估質(zhì)量表中;當(dāng)時(shí)隙到來的時(shí)候，設(shè)備向系統(tǒng)管理器發(fā)送信道評(píng)估質(zhì)量表。

系統(tǒng)管理器按照設(shè)備報(bào)告的信道質(zhì)量并根據(jù)信道丟包率的門限值將設(shè)備使用的信道分為好信道和壞信道。因?yàn)橄到y(tǒng)管理器在某一時(shí)間段內(nèi)會(huì)收到很多終端節(jié)點(diǎn)的信道質(zhì)量報(bào)告，所以系統(tǒng)管理器將綜合考慮終端設(shè)備報(bào)告的信道質(zhì)量狀況。如果終端節(jié)點(diǎn)報(bào)告的丟包率大于門限值，系統(tǒng)管理器將該信道評(píng)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(wǎng)的設(shè)備。圖9為信道質(zhì)量評(píng)估整體流程。設(shè)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(zhì)量評(píng)估總體流程Fig.9 Flow chart for the channel estimation scheme

4 仿真實(shí)驗(yàn)

基于OPNET Modeler，構(gòu)建了無線網(wǎng)絡(luò)通信模型，其中，建立了3個(gè)節(jié)點(diǎn)模型:發(fā)送節(jié)點(diǎn)、接收節(jié)點(diǎn)和干擾節(jié)點(diǎn)。3個(gè)節(jié)點(diǎn)均工作在2.4 GHz頻段，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為0 dBm，收/發(fā)節(jié)點(diǎn)與干擾節(jié)點(diǎn)的距離約為3 m，發(fā)送節(jié)點(diǎn)每秒產(chǎn)生一個(gè)1 024 bit的數(shù)據(jù)包發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)。本文做了3個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來考察信道利用率對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)性能的影響，輸出指標(biāo)主要是丟包率和吞吐率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

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

結(jié)果分析:實(shí)驗(yàn)1中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)使用16個(gè)信道通信，信道利用率為100%，接收節(jié)點(diǎn)的平均丟包率約為34%，吞吐率為32%。實(shí)驗(yàn)2中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)一般的信道評(píng)估方法，在一定時(shí)間內(nèi)(信道評(píng)估時(shí)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(diǎn)的平均丟包率減小到22%，吞吐率為30%。而根據(jù)本文所提出的信道評(píng)估方法，在實(shí)驗(yàn)3中，信道利用率為75%，丟包率進(jìn)一步減小到13%，網(wǎng)絡(luò)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(píng)估方法能合理地對(duì)信道進(jìn)行評(píng)估，從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，降低丟包率。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層，提出了一種新的信道評(píng)估方法。首先，基于網(wǎng)絡(luò)確定性調(diào)度，跳信道模式，算出信道利用率;然后，統(tǒng)計(jì)每個(gè)信道的評(píng)估時(shí)間;最后，根據(jù)丟包率，屏蔽通信質(zhì)量差的信道。通過理論和計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析表明，該方法實(shí)現(xiàn)簡單，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和增強(qiáng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層的抗干擾性。

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