工業無線多跳多信道通信鏈路優化研究

劉科，許洪華

1.蘇州市職業大學電子信息工程系，江蘇蘇州 215104

2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240

工業無線多跳多信道通信鏈路優化研究

劉科1，許洪華2

1.蘇州市職業大學電子信息工程系，江蘇蘇州 215104

2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240

1 引言

與傳統的基于有線通信的自動化系統相比，工業無線系統部署靈活，維護方便，安裝和使用成本低，有許多無可比擬的優勢。無線通信在工業自動化領域廣泛應用是必然趨勢。另一方面，工業環境惡劣、復雜，無線通信還面臨可靠性、實時性、網絡安全等方面挑戰。其中，可靠通信是工業無線技術應用的基礎和前提，可靠性難以滿足現場需求也是目前工業無線技術發展的主要瓶頸[1]。

在大規模工業生產中，工藝設備密集，無線通信難以保證視距傳輸通道，一般需要以多跳方式進行數據傳輸，多跳鏈路中每一跳子鏈路通信失敗都會直接導致端到端通信中斷。實現工業無線多跳通信具有更多不確定性和挑戰。本文結合工業無線通信技術發展和需求，研究工業多跳多信道通信鏈路，通過優化時隙和信道資源提高其端到端可靠性。

2 相關研究及本文工作

工業無線系統中，為滿足工業通信的確定性和可靠性要求，一般采用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）進行通信調度，通信調度周期分為多個時隙（Time Slot，Slot），通信節點依次進行數據交互，同時分配固定數量的重傳時隙，通信失敗后重新發起通信[2-3]。基于TDMA調度的工業多跳無線通信中往往需要更多時隙，傳統的有線通信和單跳無線通信需要1個時隙的情況，N跳鏈路至少需要N個時隙，相應的，重傳也需要更多時隙。另一方面，工業數據通信有嚴格的實時性要求，即端到端的時隙數量有限，如何根據子鏈路質量將有限的重傳時隙分配給各子鏈路，直接影響鏈路通信質量。

單信道多跳無線通信時隙分配問題有較好的研究基礎。一般地，根據各個子鏈路質量優化分配時隙資源可以有效提高鏈路端到端可靠性，這類問題可以轉化為資源調度問題，進而基于圖論和線性規劃進行建模和求解[4]。Cesana、Sexton等具體研究了無線Ad Hoc網絡中子鏈路信道可靠性對鏈路質量的影響[5-6]，Wang等研究了無線傳感網絡中時延約束條件下的鏈路調度問題[7]。但是，現有方法面臨兩個方面問題：（1）工業現場儀表基于簡單的嵌入式系統，功能有限，一些復雜的算法還難以應用，而且，工業多跳通信每個時隙時間長度一般固定為10 ms，較高的實時性要求也限制了一些理論和技術的應用[8-9]；（2）工業無線系統工作在ISM頻段，往往存在同頻干擾，這時可能出現某個（些）子鏈路重傳時隙耗盡仍無法成功通信的情況，從而導致整個鏈路通信失敗。

一些新的工業無線通信技術可以使用多個信道，在新的時隙上切換到新的信道進行通信，使信道和時隙都成為可調度的通信資源。實際上，由于空間上差異，相同信道在不同子鏈路上質量不同；由于時間差異，同一子鏈路切換到不同信道通信情況也有所不同甚至差異較大[10]。這些多樣性是傳統工業多跳鏈路通信形成瓶頸的主要因素，同時也提供了通信調度和優化的空間和維度。本文結合無線通信技術發展，對工業多跳多信道無線通信鏈路進行優化，研究其時隙和信道優化分配，主要工作包括：

（1）設計多跳多信道無線通信鏈路，對其實時性約束下的可靠性進行建模；

（2）引入認知信道序列，對實時性約束下的可靠性問題進行優化求解；

（3）設計半實物仿真平臺，通過實驗驗證優化算法。

3 工業多跳多信道無線通信鏈路優化

3.1 多跳多信道無線通信鏈路建模

不失一般性，考慮N+1個節點N={n0，n1，…，nN}組成的N跳鏈路，其中，n0表示源節點，nN表示目的節點。設工業現場共有M個不同的可用信道，則多跳多信道鏈路可以表示為圖1形式。

圖1 多跳多信道通信鏈路示意圖

取i∈{1，2，…，N}，j∈{1，2，…，M}，li表示節點ni-1和ni之間的子鏈路，表示li子鏈路上第j個信道。如前所述，各個子鏈路中M個信道的質量不同，取表示信道的一次傳輸成功概率。工業無線多跳多信道通信鏈路通信資源描述如下：

系統采用TDMA調度時，無線多跳鏈路實時性表現為各個子鏈路通信時隙的數量。設第i跳通信時間為di個時隙，無線多跳多信道通信鏈路時間資源表示為：D={d1，d2，…，dN}。聯合考慮時間和信道資源，將無線多跳多信道通信鏈路表示為圖2所示形式，稱其為L=[N，D，C，P]。鏈路優化一般是在可靠性、實時性約束下，根據信道質量P等，在節點N中優化分配時隙D和信道C。

圖2 多跳多信道通信鏈路模型

3.2 實時性約束下鏈路可靠性優化建模

實際生產中，通信可靠性至關重要。對實時性要求，尤其在大多數過程自動化系統中，往往更關心時延的上界，更關注在確定的時間內數據通信可靠性，即實時性約束下可靠性。在許多過程生產中，過短的控制和采集周期還可能帶來執行機構的額外磨損等，研究確定時延約束下如何最大化通信可靠性更具有意義。

記子鏈路li的傳輸可靠性為Ri。由li子鏈路上的所有信道的一次傳輸成功概率Pi和信道分配結果Ai，Ri表示為：

其中φ是滿足=1的所有信道標號的集合，則鏈路L的可靠性可由下式給出：

于是，工業無線多跳多信道鏈路實時性約束下可靠性問題轉化為如下一個優化問題：

給定最大允許時延D和鏈路上信道的一次傳輸成功概率P，去尋求最佳的時隙分配D和信道分配φ，使得鏈路的可靠性最大。用數學表達如下：

3.3 鏈路優化及求解

顯然，上述優化問題（4）為一個非線性整數規劃問題，若鏈路中節點數量不多，可以采用整數規劃優化工具得出全局最優解；若節點數量比較多，計算的時間很長，難以應用于工業實時通信中。本部分將問題（4）進行轉化，通過簡單的貪婪算法求解。

優化問題（4）可以轉換成如下問題（5）：

在工業無線系統中，網關和接入點較現場儀表功能強，實時性要求則相對較低，可以通過鏈路區域的網關和接入點對各個信道進行合作頻譜感知，從而對各個子鏈路質量進行評估[11]，進而基于合作頻譜感知結果和可信度融合進行頻譜排名[12]。將子鏈路li上的所有信道按照一次傳輸成功概率從高到低排序，引入認知信道標號序列，得到新的信道序列標號j′，各個子鏈路分配信道時按照順序依次選取，此時可以將（2）轉換為如下形式：

至此，優化問題轉換成了一個傳統的資源分配問題，可以通過定義如下一個邊際效應函數Δ lgRi(di)來求解。定義Δ lgRi(di)=lgRi(di+1)-lgRi(di)，其含義表示當子鏈路li上分配的時隙為di，若再多分配1個時隙，整條鏈路的可靠性可獲得的邊際增益。Δ lgR(di)是di的減函數，證明如下。

證明要證明該結論即是要證明：

即是要證明：

由于Δ lgR(di)是di的減函數，此時，原資源分配問題可以轉化為求解(D-N)個最大邊際效應函數值的問題[13]，進而可以通過貪婪算法求解。

用貪婪算法求解最大邊際效應值算法如下：

算法中，為每個子鏈路各分配1個時隙后，依次分配每個重傳時隙給當前邊際效應函數值最大的子鏈路，最后輸出整個鏈路時隙優化分配結果。工業無線系統由網絡調度器以超幀形式下傳該結果到鏈路各個節點，從而實現鏈路優化。

4 測試平臺設計與仿真

平臺設計中，基于MCF52233和nRF24L01開發了節點，構成多跳鏈路，用NI公司的USRP作為信道感知設備和干擾源，從而構成了跳頻通信鏈路半實物仿真平臺。nRF24L01芯片支持跳頻，其共有125個信道，其覆蓋的頻段為2.400～2.525 GHz，通過SPI與MCF52233接口。USRP是一種軟件無線電設備，配置兩臺USRP，一臺用來評估信道，產生認知信道序列標號，另一臺產生干擾信號。

結合工業現場的實際情況選擇節點數N=6，采用最大信道切換數j=6。為了使所用信道的質量只受USRP的影響，通過USRP頻譜掃描得到2.480～2.520 GHz之間的背景噪音比較弱，本實驗中采用的6個信道的中心頻率分別為2.480 GHz、2.485 GHz、2.490 GHz、2.495 GHz、2.500 GHz、2.505 GHz，每個信道上的傳輸速率均為1 Mb/s，每個數據包的大小為256 bit，設置nRF24L01的發送功率為0 dBm。參考無線HART的標準，設置每個時隙的時間T=10 ms，且允許的最大時延分別為D=10、12、14、16個時隙。

本實驗中的干擾如下：其隨機出現在上面的6個信道上，干擾的頻寬為1 MHz，干擾的強度為0 dbm，每個信道上持續的時間為n秒（n為隨機數，1≤n≤10）。

合理擺放6個節點和USRP，通過5 000次傳輸統計，得到節點n0和n6之間鏈路時隙分配和端到端傳輸成功的概率，如表1所示。

表1 多跳多信道鏈路時隙分配和端到端可靠性實驗結果

選擇背景噪聲最小的第6個信道，也采用時隙優化分配，信道保持不變，5 000次傳輸統計如表2所示。

表2 多跳單信道鏈路時隙分配和端到端可靠性實驗結果

圖3 傳輸成功所用時隙的分布函數

5 結束語

結合工業現場需求和工業無線技術發展，研究了工業無線多跳多信道通信鏈路，通過輕量級算法實現了信道和時隙資源優化分配，有效提高了端到端通信可靠性。本文工作，實際上是在時域和頻域上對鏈路資源進行了調度優化。隨著工業認知無線電理論和技術的發展，以及現場儀表通信能力和數據處理能力的提高，諸如碼域、功率域等多域資源均可在通信中得到協同優化，從而可以進一步聯合優化鏈路性能。

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LIU Ke1,XU Honghua2

1.Department of Electronics Informational Engineering,Suzhou Vocational University,Suzhou,Jiangsu 215104,China
2.School of Electronic Information and Electric Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China

When wireless communication makes its way to industrial automation,the most difficult hurdle to be in coping with is harsh reliability issue.The end-to-end reliability over multi-hop wireless link depends on each sub link,and there is more challenge to achieve reliable communication.In consideration of these facts,the Industrial Multi-hop Multi-channel Wireless Link（IMMWL）is researched,and the end-to-end reliability is improved by employing optimal allocation of slots and channels.The IMMWL model is established at first.Following that,the problem is formulated to maximize the reliability over the link while a strict latency bound is imposed for packet delivery from source to destination.The optimization problem is converted into resource scheduling problem,and a greedy algorithm is designed to catch the optimal solution.The solution is based on a light-weighted algorithm and can be applied in field devices.Semi physical simulation platform is developed and the improvement of the algorithm is verified.

industrial wireless communication;multi-hop multi-channel link;resource scheduling;optimization

工業無線技術推廣應用的主要瓶頸是通信可靠性難以滿足要求。多跳無線通信中，各子鏈路通信質量都直接影響端到端可靠性，可靠通信面臨更多挑戰。針對這種情況，研究了多跳多信道通信鏈路，通過優化時隙和信道資源提高端到端可靠性。建立了工業無線通信多跳多信道鏈路模型，研究了實時性約束下鏈路端到端可靠性最大化問題，提出了優化模型；將優化問題轉化為資源調度問題，進而用貪婪算法進行了求解，從而提供了一種易于現場應用的輕量級優化算法。開發了相應的半實物仿真平臺，驗證了算法的有效性。

工業無線通信；多跳多信道鏈路；資源調度；優化

A

TP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1112-0645

LIU Ke,XU Honghua.Research on optimal scheduling over multi-hop multi-channel wireless communication link for industrial automation.Computer Engineering and Applications,2013,49（19）：79-82.

國家自然科學基金重點項目（No.60934003）；住建部科技項目（No.2011-K1-56）；江蘇省青藍工程。

劉科（1968—），女，碩士，副教授，主要研究領域為工業數據通信與控制網絡；許洪華（1968—），男，副教授。E-mail：liuk01@163.com

2012-01-12

2012-05-02

1002-8331（2013）19-0079-04