Wireless HART負載均衡方法研究

馮學兵

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

0 引言

HART網絡是一種應用于現場儀表與控制設備之間協議，為了支持無線的應用HART7.0首次提出了Wireless HART標準。作為一種集中式控制網絡，網絡管理器利用設備和應用程序提供的總體網絡路由信息，并結合通信需求實現對全網的調度和資源分配[1]。傳統的無線網絡由于其AP（Access Point）的覆蓋范圍限制往往需要多個網關協同工作以增加無線網絡的覆蓋區域。但Wireless HART好的解決了這一問題，一個Wireless HART的節點既可以充當現場設備，也可以作為中間路由[2]。同時Wireless HART采用無線網絡跳頻技術來提高網絡的健壯性與吞吐量。

文章首先介紹Wireless HART網絡，提出網絡的數學模型，在此模型的基礎上研究如何對一個多信道的無線網絡的網絡負載進行評估，并對負載不均衡的部分進行算法調整以達到網絡負載均衡的狀態。

1 無線HART網絡

典型的Wireless HART網絡包括實現感知或執行功能的現場設備、作為路由器提供服務的現場路由設備、將有線HART網絡鏈接到無線HART網絡的現場適配器、被用戶隨身攜帶的手持設備、鏈接現場設備到網關的接入點、作為上位機與無線網絡之間橋梁的網關、管理整個無線HART網絡的網絡管理器。

1.1 關于負載均衡的研究

無線網絡的度量一種用來描述無線網絡路由中一段鏈路性能、質量合格與否的標準。故而一個合適的度量值可以準確的反應網絡的相關特性。無線網狀網鏈路衡量可以在路由的選擇中使用，作為選擇路由的衡量標準。

在無線mesh網絡的負載均衡的研究中，論文[4]提出了基于RSL或RSSI選取的最短路徑算法，論文[3]研究無線mesh網絡的負載均衡metric以及負載均衡metric的設計，提出了一種基于加權累積傳輸時間的路由度量，通過節點的業務集中度與信號與擁塞等級來衡量負載。論文[11-14]提出了網絡路徑規劃與提高網絡生命周期的研究。這部分論文主要是針對研究無線網絡組網協議的研究，對 Wireless HART網絡負載均衡metric與負載均衡算法的研究較為少見。

1.2 網絡模型建立

用V表示Wireless HART網絡中所有的網絡節點,N表示網絡中節點的個數，以一個無線網絡管理器GW（Getaway）作為該局域網的根節點，同時設置每個GW的有效覆蓋范圍。

如圖1，Wireless HART網絡拓撲可以用 G ( V, E)表示，其中V表示網絡中一系列的節點，E表示節點之間的連接情況。一條從 V1至 Vn的路由我們將其表示為 P (V1, Vn)[8]其中 P (V1,Vn) = ( V1, V2, V3……Vn)。

圖1 Wireless HART網絡拓撲結構Fig.1 Wireless HART topology structure

用一個nn×的對稱矩陣nnC×表示網絡節點之間的鏈接情況。

2 負載均衡算法

在通訊過程中Wireless HART的每個數據包大小與上位機所發命令號有關，相同的命令對應的響應數據包大小相等，令D表示某個命令所對應的響應數據包的大小，兩個節點mV，kV之間互為鄰居，則矩陣元素,mkc= 1。令iΩ表示所有在信道i上通訊的節點，則節點在 k時段內信道 i上的負載可以表表示在 k時段內節點 n使用信道i下的負載。同時，對于網絡管理器的總負載可以表示為：

其中B為Wireless HART網絡的信道數。

圖2 Wireless HART通訊時隙Fig.2 Wireless HART communication time slot

研究網絡負載均衡時，從源節點到目的節點的路徑選取有多種方案，Wireless HART采用TDMA的傳輸方式來精確調度網絡中的通信[1]，通信的時間調度被分為多個時隙，m每個時隙完成數據的一次收發，時隙的通信過程如圖 2所示。在 Wireless HART網絡通信中，時隙規定了節點通信的過程，而多個時隙的組合構成了網絡的超幀。由圖2可以看出，Wireless HART網絡通訊的過程是基于多次握手的通信傳輸，根據論文[7]網絡的傳輸成功率可以由前向遞交率 pf與反向遞交率 pr來計算，一次成功的傳輸概率為 p =1 - ( 1 - pf) (1 - pr)，因此在傳輸路由傳輸的過程中路由跳數越多，網絡傳輸延時越大，數據丟包率越高。但單純的采用傳統的以“跳數”為判斷最佳路由的路由協議就有可能造成某個區域的節點負載失衡的現象。故而本文使用BFS算法作為搭建網絡框架的主要因素，并對組網后的網絡架構進行算法改進，以達到負載均衡的狀態，同時也可以使用其他的算法替代BFS再使用本文提出的負載均衡因素與負載調整算法進行改進。

首先使用BFS對Wireless HART網絡的圖路由結構進行處理，BFS算法的遍歷樹具有其中任意節點到根節點的路徑最短（跳數最少）的特點[9]，本文以網關接入點為根節點（即節點 A），采用 BFS算法對網絡進行遍歷，可以得到分層的網絡樹狀拓撲結構。

當基礎算法產生了一個粗糙的負載均衡網絡拓撲時，可以利用一個負載均衡的衡量因素對現有的網絡負載均衡進行評估，并在此基礎上使用調節算法進行網絡結構的調整。在完全負載均衡的狀態下節點n的載Ln（k）可由公式2得出：

圖3 利用BFS算法分層后的結構Fig.3 Topology after layered by BFS algorithm

λ根據算法 1得出，如果節點本身的負載Ln(k) ＞ Ln(k)則該節點視為過載，過載量為Δn=Ln(k ) - Ln(k)，此時其在BFS分層結構中其同級節點必然有Ln(k) ＜ Ln(k)的節點存在。將節點n的負載均衡因素θn表示為公式3。

當BFS分層樹的每個支樹趨于負載均衡時，負載均衡因素向1逼近。對于負載不均衡的節點采用算法2進行調節。

迭代使用調節算法將負載最重的分支上的節點移動到較輕的鄰近分支，首先找到根節點下負載最重的子節點，通過計算該節點與完全負載均衡情況下的節點負載之間的差值δ再尋找子節點中負載與δ相近的節點并將其與其他負載較輕的分支進行連接，若沒有負載值與δ相近的節點，則每次移動該分支中負載最輕的節點，并刷新負載均衡因子nθ。負載均衡因子在迭代的過程中應呈上升的過程（向1逼近），以此作為迭代的判斷標準對Wireless HART網絡架構進行迭代調節。

3 實驗與結果分析

使用matlab環境對本文提出的負載均衡算法進行評估，以提出的θn作為評估的指標。實驗模擬一定數量的節點并以1號節點作為網絡管理器，首先對BFS算法構成的網絡進行評估，并在新的實驗中使用基于本文提出的新算法進行實驗，分別選取最優表現與最差表現進行觀察對比。

圖4和圖5評估了兩種算法在以負載平衡因素θn作為評估標準下的表現，分別選取最優情況與最壞情況下的對比。圖4表明，即使在最壞的情況下，新算法對于網絡的負載均衡效果也遠優于基于 BFS選取的最短路徑算法。同時，本文提出的負載均衡因素與調節算法同樣可以用在其他無線網絡路由算法上以達到對算法優化的目的。

4 結語

無線傳感網絡在工業上還有很大的應用提升空間，作為第一個用于工業控制的無線網絡協議，Wireless HART網絡在實時性與可靠性方面有著嚴格的要求。在此本文提出一種基于BFS與負載均衡因素nθ的負載均衡優化方法，在平衡了各個節點的負載的情況下提升了整個網絡的生命周期。有利于提高Wireless HART網絡的競爭力與應用效果。

圖4 最優表現Fig.4 Optimal performance

圖5 最差表現Fig.5 Worst performance

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