一种基于信息协调的工业无线网络非集中式共存管理方法与流程

1.本发明涉及工业无线网络的共存管理方法，具体地说是一种基于信息协调的工业无线网络非集中式共存管理方法。


背景技术：

2.无线网络作为物联网重要的技术支撑，具有成本低、扩展性好、部署灵活等特点，随着智能制造在工业自动化中的广泛应用，对各种智能现场设备、移动机器人以及自动化设备之间的通信提出了更严格要求。因此，工业级的无线通信应依赖于专门的工业无线网络(iwns)，以满足工业的应用高可靠、低时延的需求。常见的工业无线标准主要包括面向过程工业应用的基于ieee 802.15.4的wirelesshart、isa 100.11a、wia-pa和面向离散制造的基于ieee 802.11的wia-fa。
3.随着工业无线网络技术和应用的迅猛发展，为满足多样化工业应用的需求，不同类型的工业无线网络共享频谱和空间资源，这就是所谓的共存问题。互不干扰的无线频谱资源已分配殆尽，导致工业无线网络面临协同共存、资源分配的问题。因此亟需一种工业通信解决方案mitigate多个网络之间的干扰，同时保证每个网络都能够满足各自的应用需求。
4.在工业界，国际电工技术委员会(iec)提出的标准62657-2给出了三种共存管理方法：手动共存管理(mcm)；自动无协调共存管理(ancm)；自动协调共存管理(accm)。由于mcm需要有人员参与，不能够广泛应用于未来的自动化工业应用中。ancm是完全独立的分布式共存管理方法，网络之间不进行信息交互，仅通过检测和估计进行独立决策，这种方法更具有一般性，但是不适用于有确定性需求的工业应用中。accm是一种集中式共存管理方法，有着架构简单，能够得到最优或近似最优的解决方案等优点。然而，accm中的集中协调器ccp必须能够与多种协议网络进行通信，并且对每个管理网络的信息都完全了解，这在现实中是不现实的，此外，当管理的网络规模增加，ccp的计算复杂度也会随之增加。
5.将集中式与完全独立分布式的共存管理方法进行结合，提出基于协调的非集中式共存管理(cdcm)方法。其中共存协调器cc用于网络间的信息共享，完成的是集中式信息协调工作；各个网络的网关节点根据共享信息，独立进行决策，完成非集中式资源分配工作。现有的研究很少将cdcm方法应用在工业中。这是由于，通过少量的信息共享很难得到最优解，同时非集中式的解决方案需要经过多次迭代，此外工业应用还有一些特殊的需求，比如数据传输应在截止时间前完成等。因此需要设计一种新的共存管理方法，基于不完全信息交互解决多个异构工业无线网络共存问题。


技术实现要素：

6.本发明提出的一种基于信息协调的工业无线网络非集中式共存管理方法，是在充分考虑消除多网共存干扰、最大化网络效用的要求提出的。首先确定网络之间能够用于共享的信息，进而基于共享的信息，设计考虑截止时间的协调非集中式资源分配算法。
7.本发明采用如下技术方案：一种基于信息协调的工业无线网络非集中式共存管理方法，在数据协调器和多个共存的工业无线网络通过与数据协调器之间的通信，实现共存管理，包括以下步骤：
8.各个网络的网关节点将资源调度表发送给数据协调器；
9.数据协调器根据资源调度表将冲突空闲资源块集合和空闲资源块集合发送给各个网络的网关节点；
10.各个网络的网关节点将冲突占用比和网络状态指标传输给数据协调器；
11.数据协调器将冲突占用比和网络状态集合传输给各个网络的网关节点；
12.每个网络对资源块的占用进行调整，得到最终的资源块集合。
13.所述数据协调器根据资源调度表将冲突空闲资源块集合和空闲资源块集合发送给各个网络的网关节点，包括以下步骤：
14.扩维处理：确定所有共存网络最大截止时间ch
max
和最多可用信道数量t
max
，将每个网络传输的资源调度表扩展维度为ch
max
×
t
max
，其中增加的维度用0资源块补充；
15.然后将所有共存网络的资源调度表叠加在一起，相同时隙和信道资源块的数值相加，得到所有共存网络对资源的占用情况；其中资源块中存储的数值大于1表示冲突资源块，数值为0表示空闲资源快，将所有冲突资源块和空闲资源块集合作为协调信息通过有线链路发送给各个网络的网关节点。
16.所述各个网络的网关节点将冲突占用比和网络状态指标传输给数据协调器，包括以下步骤：
17.各个网络接收到协调信息后，首先进行降维处理，从中提取满足网络截止时间tdi和可用信道需求的冲突资源块集合和空闲资源块集合，得到冲突占用比用于评估网络优先级；
18.对网络状态进行评估：当冲突资源块数量大于空闲资源块数量时，则该网络评估为临界状态，否则为非临界状态。
19.所述冲突占用比如下：
[0020][0021]
cori表示网络neti的冲突占用比，对于网络neti，满足其网络需求的冲突资源块数量表示为空闲资源块数量表示为μ表示任意常数，且满足μ∈(0，1)，ri表示neti的传输数量，i∈[1，n]。
[0022]
所述资源块包括一个时隙和该时隙的一个可用信道。
[0023]
网络占用资源块的传输增益作为效用函数如下：
[0024][0025]
其中c1，c2，c3，c4为常量，f(rb
i，p
，rb
j，q
)为指示函数，i∈[1，n]，j∈{[1，n]\i}，)为指示函数，i∈[1，n]，j∈{[1，n]\i}，rb
i，p
表示neti中的传输p占用的资源块，其中neti中的所有传输占用的资源块集合为资源调度表；当rb
i，p
＝rb
j，q
时，即neti中的传输p与netj中的传输q占用同一个资源
块，则f为1，表示两个数据传输发生冲突；否则f为0，表示无冲突发生并且传输成功；t
i，p
表示neti中的传输p占用的资源块所在时隙，h(t
i，p
)是关于网络传输占用时隙资源的函数，表示为：
[0026][0027]
bli(rb
i，p
)用于记录资源块rb
i，p
在neti的黑名单中出现的次数。
[0028]
每个网络的网关对当前资源块的占用进行调整，包含以下步骤：
[0029]
根据得到的冲突占用比集合和网络状态集合，首先对比每一个冲突资源块位置的冲突占用比集合，存在以下三种情况：
[0030]
情况a.当neti的冲突占用比是冲突资源块位置的唯一且最大值，则neti保留该资源块；
[0031]
情况b.当neti的冲突占用比是冲突资源块位置的最大值，但是不唯一，则在多个有相同最大冲突占用比的网络中随机选择一个网络保留该资源块，其余网络按照情况c调整；
[0032]
情况c.当neti的冲突占用比不是冲突资源块位置的最大值，则neti需要对资源调度表进行调整，记录需要重新选择资源块数量同时判断冲突资源块位置中的其他网络的状态是否为临界状态，若是临界状态，则将该资源块位置记为黑名单，若其他网络状态为非临界状态，则不进行操作。
[0033]
在确定每个冲突资源块需要进行调整资源调度表的网络后，调整资源调度表的网络优先选择空闲资源块位置进行调整：
[0034]
情况1：若neti的可用资源中有空闲资源块，且空闲资源块数量大于等于则将所有空闲资源块按照所在时隙从大到小顺序排列，并选择前个资源块；
[0035]
情况2：若neti的可用资源中有空闲资源块，而空闲资源块数量小于则先选择空闲资源块，剩余的个资源块按照情况3进行调整；
[0036]
情况3：若neti的可用资源中无空闲资源块，则将所有可用资源块按照所在时隙，从大到小顺序排列，选择使得网络效用函数最大的资源块作为调整的资源块，与未进行调整的资源块组合在一起成为调整后的资源调度表。
[0037]
一种基于信息协调的工业无线网络非集中式共存管理网关，包括存储器，所述存储器存有程序，所述程序被处理器调用执行以下步骤：
[0038]
将资源调度表发送给数据协调器；
[0039]
接收数据协调器根据资源调度表得到的冲突空闲资源块集合和空闲资源块集合；
[0040]
将冲突占用比和网络状态指标传输给数据协调器；
[0041]
接收数据协调器发来的冲突占用比和网络状态集合；
[0042]
对资源块的占用进行调整，得到最终的资源块集合。
[0043]
一种基于信息协调的工业无线网络非集中式共存管理数据协调器，包括存储器，所述存储器存有程序，所述程序被处理器调用执行以下步骤：
[0044]
根据资源调度表将冲突空闲资源块集合和空闲资源块集合发送给各个网络的网
关节点；
[0045]
将冲突占用比和网络状态集合传输给各个网络的网关节点。
[0046]
本发明有如下有益效果和优点：
[0047]
1.本发明对网络数量、网络规模和网络拓扑没有限制，适用于截止时间、可用信道等异构的工业无线网络。
[0048]
2.本发明明确定义多个工业无线网络之间交互的信息内容，共享信息不涉及网络隐私并且可用于解决网络共存问题。
[0049]
3.本发明提出一种非集中共存管理方法，实现在资源充足条件下，经过有限次迭代得到多个网络无干扰调度表；在资源不充足条件下，经过有限次迭代得到传输失败最少无干扰调度表。
附图说明
[0050]
图1为多个线型网络共存示意图；
[0051]
图2为超帧结构示意图；
[0052]
图3为网络资源调度表示意图；
[0053]
图4为网络资源调度表扩维示意图；
[0054]
图5为共存网络的冲突和空闲资源块示意图。
具体实施方式
[0055]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实际的例子对本发明作进一步的详细描述。
[0056]
本发明提出的一种基于信息协调的工业无线网络非集中式共存管理方法，其主要思想在于：定义共存网络交互信息内容，基于网络间不完全信息交互，建立多个网络共存管理模型，设计网络效用函数，将非集中式资源分配问题建模为势博弈模型，通过迭代过程，选取最大化效用函数资源组合，最小化共存网络间干扰。因此总体来说，该方法包括两个步骤：不完全信息交互、非集中式资源协调。
[0057]
本方法考虑多个工业无线网络，如图1所示，由上下两层架构组成。下层包含n个工业无线网络，完成网内无线数据传输；上层包含1个共存协调器coexistence coordinator(cc)，完成网络之间的信息协调，共存协调器与各个网络的网关节点通过有线链路进行通信。具体来说，下层中包含多个异构工业无线网络集合表示共存工业无线网络的数量。网络内通过无线介质进行通信，共存工业网络之间不能够直接进行通信。网络系统可用信道集合为其中表示网络neti(i∈[1，n])的可用信道集合，表示网络neti(i∈[1，n])的可用信道数量。对于任意网络包含一个网关节点和多个现场节点。网关节点负责给网内资源分配以及与共存协调器之间进行信息交互，现场节点负责数据传输。面对不同的工业应用，网内传输的数据需要在有效期内完成调度，该有效期为网络数据传输的截止时间，那么多个网络对应截止时间集合为任意网络neti(i∈[1，n])的传输集合为
其中ri表示neti(i∈[1，n])的传输数量。本方法考虑网络中数据包传输占用的资源块(每个资源块对应的是一个时隙和一个信道的位置)，占用的资源块集合表示为其中rb
i，p
表示neti(i∈[1，n])中的传输占用的资源块。
[0058]
1、不完全信息交互
[0059]
如图2所示，一个超帧分成两个阶段：初始化阶段是网络基于信息协调，独立调整资源调度表，从而获得一个无干扰调度表；数据传输阶段是以初始化阶段得到的调度表作为指导进行网络内部数据传输。本方法主要作用于第一个阶段。在初始化阶段也为两个部分：信息协调和调整资源调度表。以三个工业无线网络共存为例，对应截止时间为可用信道为对应的信息协调过程分为以下四个步骤：
[0060]
步骤1：各个网络的网关节点将资源调度表发送给共存协调器。所传输的资源调度表描述了网络占用时隙、信道资源的情况，即当网络占用时隙和信道对应的资源块，则该资源块为1，否则为0。初始化阶段开始的时候，资源调度表按照网络的截止时间和可用信道需求由网关节点生成，接下来的迭代过程，资源占用信息即为上一次迭代的结果。如图3所示，三个共存工业无线网络根据截止时间和可用信道随机生成资源调度表，其所需的传输数为分别为r1＝6，r2＝7，r3＝4。
[0061]
步骤2：共存协调器将冲突资源块集合和空闲资源块集合发送给各个网络的网关节点。经过步骤1，共存协调器接收到各个网络的资源调度表后，进行以下两步处理：
[0062]
·
首先进行扩维处理。令为最大可用信道数，t
max
＝max{td1，td2，td3}＝5为最长截止时间。将每个网络传输的资源调度表扩展维度为ch
max
×
t
max
，其中增加的维度用0资源块进行补充，扩维后结果如图4所示。
[0063]
·
进一步，得到冲突资源块集合和空闲资源块集合。共存协调器将每个扩维后的资源调度表进行叠加，将相同资源块中的数值相加，可以得到如图5所示的所有共存网络整体资源调度表。将其中数值大于1的资源块定义为共存协调器中的冲突资源块数值为0的资源块定义为共存协调器中的空闲资源块为0的资源块定义为共存协调器中的空闲资源块和分别表示共存协调器中的冲突和空闲资源块数量。
[0064][0065][0066]
步骤3：各个网络的网关节点将冲突占用率和网络状态指标传输给共存协调器。各个网络的网关节点经过步骤2后，首先进行降维处理。基于网络截止时间和可用信道需求，将冲突资源块集合和空闲资源块集合降低维度，使其满足网络截止时间和可用信道数量需求，即从冲突资源块集合和空闲资源块集合中提取出满足网络需求的冲突、空闲资源块集合。则对于neti(i∈[1，n])冲突资源块集合为空闲资源块集合为
和分别表示neti中的冲突和空闲资源块数量。以net1为例，其截止时间为4，可用信道为{1，2，3}，则有：
[0067][0068][0069]
根据每个网络冲突、空闲资源块数量可以计算得到冲突占用率指标cor，可以通过以下公式计算得到：
[0070][0071]
其中μ为任意一个大于0且小于1的常数。此外，比较冲突和空闲资源块数量可以得到网络状态指标ns，当冲突资源块数量多于空闲资源块数量，网络状态设定为临界状态；否则网络状态设定为非临界状态。net1为例，其冲突占用率cor1＝0.0104，网络状态为非临界状态。
[0072]
步骤4：共存协调器将冲突占用比和网络状态集合传输给各个网络的网关节点。共存协调器将冲突资源块位置的冲突占用比和网络状态整合在一起，作为冲突占用比集合和网络状态集合回传给各个网络，完成信息协调。举例来说，冲突占用比、网络状态集合分别为：
[0073][0074][0075]
2、非集中式资源协调
[0076]
非集中式资源协调对应图2中初始化阶段的调整资源调度表。本方法中将所有共存网络作为参与者；网络占用的资源块集合称为资源调度表，作为网络的策略；网络占用资源块的传输增益(网络传输数据的收益和成本)为效用函数。设计效用函数为：
[0077][0078]
其中c1，c2，c3，c4为常量，设定所有常量都为1，为常量，设定所有常量都为1，为指示函数，当rb
i，p
＝rb
j，q
时，即neti中的传输p与netj中的传输q占用同一个资源块，则f为1，表示两个数据传输发生冲突；否则f为0，表示无冲突发生并且传输成功。令t
i，p
表示neti中的传输p占用的资源块所在时隙，h(t
i，p
)是关于网络传输占用时隙资源的函数，表示为：
[0079][0080]
bli(rb
i，p
)用于记录资源块rb
i，p
在neti的黑名单中出现的次数，其中黑名单中包含的资源块表示选择该资源块会不可避免的发生冲突，因此网络会优先选择不再黑名单中出现的资源块。
[0081]
非集中式资源协调算法：基于不完全信息交互，每个网络通过非集中式资源协调算法对资源调度表进行调整，其调整的过程如下：
[0082]
步骤1：完成一次不完全信息交互后，得到冲突占用比集合和网络状态集合，首先对比每一个冲突资源块位置的冲突占用比集合，存在以下三种情况：
[0083]
情况1：当neti的冲突占用比是产生冲突资源块位置的唯一且最大值，则neti保留该资源块；
[0084]
情况2：当neti的冲突占用比是冲突资源块位置的最大值，但是不唯一。在多个有相同最大冲突占用比的网络中随机选择一个网络保留该资源块，其余网络按照情况3进行处理；
[0085]
情况3：当neti的冲突占用比不是冲突资源块位置的最大值，则neti需要对资源调度表进行调整，记录需要重新选择资源块数量同时判断冲突资源块位置中的其他网络的状态是否为临界状态，若是临界状态，则将该资源块位置记为黑名单，若其他网络状态为非临界状态，则不进行操作；
[0086]
步骤2：在确定每个冲突资源块需要进行调整资源调度表的网络后，需要进行策略调整的网络需要在可用信道和截止时间的限制下，选择其他资源块来避免现有的冲突。网络调整策略的依据是最大化效用函数的资源块策略集合。具体来说，需要调整策略的网络优先选择空闲资源块位置进行调整。
[0087]
情况1：若可用资源中有空闲资源块，且空闲资源块数量大于等于则将所有空闲资源块按照所在时隙从大到小顺序排列，并选择前个资源块；
[0088]
情况2：若可用资源中有空闲资源块，而空闲资源块数量小于则先选择空闲资源块，剩余的资源块调整策略的选择与情况3的方法一致；
[0089]
情况3：若可用资源中无空闲资源块，则将所有可用资源块按照所在时隙，从大到小顺序排列，同时考虑可用资源块在黑名单中出现的次数，将出现超过1次的资源块按照出现次数从小到大的顺序排在最后，选择个资源块。即充分考虑可选资源块所在时隙以及在黑名单中出现的次数，从而选择最大化效用函数的资源块作为调整策略集合。
[0090]
本方法适用于任意网络数量、网络规模、网络拓扑的共存场景中，采用本方法解决非集中式共存资源分配问题一定能够收敛，并且在初始化阶段所需要的迭代次数为有限次，与每个网络的截止时间、所需资源数和初始值的选择有关。采用本方法解决多个工业无线网络共存问题，对于随机生成初始值的情况，将所有共存网络按照截止时间从小到大排序，共存网络的截止时间为可用信道数为所需资源数为{r1，r2，...，rn}，每个网络对迭代次数产生
的影响ki分为以下三种情况：
[0091]
·
若neti有最长截止时间，即则该网络对本方法迭代次数的影响为0；
[0092]
·
若neti的截止时间满足并且所需资源数量满足并且所需资源数量满足则该网络对本方法迭代次数的影响为ki＝1；
[0093]
·
若neti的截止时间满足并且所需资源数量同时满足并且所需资源数量同时满足和ri′
表示neti′
(i
′
∈[1，i])的传输数量，则该网络对本方法迭代次数的影响为：
[0094][0095]
那么对于n个共存网络来说，最大迭代次数也就是初始化阶段所需要多长收敛时间可以表示为：
[0096][0097]
举例来说，对于图3中的三个共存网络，其截止时间为所需占用资源数为{6，7，4}，可用信道数为对于随机生成的初始资源调度表，经过有限次迭代收敛得到无干扰的资源调度表，其迭代次数受三个共存网络的影响。对于net1来说，截止时间td1＝4，且满足那么对于所需资源数r1＝6，满足因此net1对迭代次数的影响为1；对于net2来说，截止时间td2＝4，且满足那么对于所需资源数r2＝7，满足而r2 r1＝6 7＜(td
2-0)
×
ch2＝(4-0)
×
4＝16，因此net2对迭代次数的影响为6；对于net3来说，截止时间td3＝5，且满足对迭代次数的影响为0。综上，该共存系统收敛所需的最大迭代次数为7次。