基于節點遍歷法的WirelessHART快速組網設計

摘 ?要： 為了解決WirelessHART設備入網時間長，組網慢的問題，本文提出了基于節點遍歷法的快速組網設計。當一個待入網設備準備加入已存在的WirelessHART網絡時，先通過固定信道法使待入網設備與網絡中的某單個節點設備建立鄰居關系，之后以該節點設備為起點，通過節點遍歷法使得待入網設備與其他多個節點設備建立鄰居關系，從而達到快速組網的目的。

關鍵詞： WirelessHART;快速組網;節點遍歷

中圖分類號： TP99 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.048

本文著錄格式：趙新坤. 基于節點遍歷法的WirelessHART快速組網設計[J]. 軟件，2019，40（6）：208211

【Abstract】： In order to solve the problem that the WirelessHART device has a long network access time and slow networking， this paper proposes a fast networking design based on the node traversal method. When a device to be added to the network is ready to join the existing WirelessHART network， the device establishes a neighbor relationship with a node device in the network through the fixed channel method. Then use the node device as the starting point to establish more neighbor relationships quickly through the node traversing method to achieve fast networking.

【Key words】： WirelessHART; Quickly establishing; Node traversing

0 ?引言

自2007年WirelessHART協議公布以來，工業上已經出現了許多符合WirelessHART協議標準的設備。相比于應用其他無線協議的設備，如Wi-Fi[1]、Zigbee[2]等，符合WirelessHART協議標準的設備有著低功耗，高可靠性等諸多優點，但WirelessHART設備也存在加入網絡的時間較長的缺點，通常需要數分鐘甚至是十數分鐘。已有文獻[3]就入網時間長的問題提出了解決辦法，但只是加快了新入網設備與單個節點之間建立鄰居關系的過程。然而作為一種無線網狀網絡[4]，新入網設備必然要與多個設備建立鄰居關系。所以本文提出使用節點遍歷法[5]來加快新設備與多個設備建立鄰居關系的過程，從而達到快速組網的目的。

1 ?WirelessHART簡介

WirelessHART是一種專門為過程自動化應用設計的無線網格型網絡通信協議[6]，也是第一個用于過程控制的國際無線標準（IEC 62591）[7]。圖1是一個典型WirelessHART網絡拓撲圖，其中網絡管理器和無線接入點共同組成網關設備，5個節點設備之間相互建立鄰居關系，形成多路徑的網狀網絡。

其中，上位機負責顯示網絡拓撲情況和節點設備轉發的數據;網絡管理器負責管理整個網絡的運行，包括路由、帶寬等資源的分配;無線接入點一般和網絡管理器集成在一起;節點設備負責數據收集，上傳，轉發的任務;手持器設備是現場工程師用于配置設備信息，采集設備狀態的工具。

WirelessHART工作在2.4GHZ頻段[8]，網絡物理層有16個可用信道，最高可提供250kb/s的傳輸速率。同時采用調頻擴頻（FHSS）和直接序列擴頻（DSSS）相組合的無線傳輸技術[9]。每個設備在不同時間都會處于不同的信道上，只有同一時間處于同一信道的兩臺設備才能相互通信。

其中f為設備信道，F為可用信道的集合，ASN（Absolute Slot Number）指自網絡成立起經過的總時隙數，ASN全網共享[10]，chof為每個設備獨有的信道偏移量，nch為可用信道的數量。通常把設備通信信道隨時間的變化稱為該設備的時隙表。

圖2顯示的是某WirelessHART設備通信時 ?隙表。

在t1時刻，設備處于信道15，在t2時刻，設備處于信道25。該設備的可用信道為{15，11，17，25， 21}，隨著ASN的不斷增加，WirelessHART設備周期性的在這5個信道上不斷跳躍。當不在通信狀態時，設備會進入監聽或休眠狀態。

WirelessHART采用時間同步網狀網絡協議（TSMP）[9]。TSMP技術確保了WirelessHART設備在極其惡劣的環境中也能可靠的傳輸數據，也提供了自愈和冗余功能。TSMP在保證可靠性的同時，也給設備帶來了額外的能源消耗，文獻[11]中就這一問題進行了大量的研究。

2 ?WirelessHART設備組網過程

當一個新的WirelessHART設備要加入網絡時，首先需要配置待入網設備的network_ID，Join_key和Unique_ID三個參數，network_ID是網絡的標識，設備只會接受來自同一network_ID的報文，而Join_key就相當于網絡的密鑰，用于解析出報文內容，在WirelessHART網絡中，每個設備擁有自己獨特的Unique_ID，相同Unique_ID的兩臺設備無法加入同一個網絡。將待入網設備啟動后，設備需要經歷以下幾個步驟：

2.1 ?監聽周圍設備的廣播報文

在WirelessHART網絡中，組成網絡的每一臺設備都會向周圍發送廣播報文。待入網設備隨機選擇一個信道進行監聽，當監聽的信道上存在廣播報文時，待入網設備就會解析出報文中包含的ASN信息，從而進一步的與已存在的WirelessHART網絡進行時間同步[12]。把這一過程稱為過程一，耗費時間為t1。

2.2 ?與WirelessHART網絡進行信息交互

時間同步是信息交互的前提。待入網設備從廣播報文中獲取到網絡的ASN信息后，就可以與發送廣播報文的設備進行通信。若發送廣播報文的設備不是網關，該設備會將待入網設備的信息轉發至網關設備。首先，網關會驗證待入網設備的身份，即Unique_ID。驗證通過后，網關將會給設備分配資源，包括可用信道，時隙表，通信秘鑰等等。當一切準備就緒，待入網設備加入到網絡之中時，設備也會向周圍發送廣播報文。把這一過程稱為過程二，耗費時間t2。

2.3 ?進一步組網過程

設備雖然已經加入了WirelessHART網絡，但是在空閑時隙，既不與鄰居設備通信也不發送廣播報文時，設備會繼續在某個信道上進行監聽，當收到新的廣播報文時，會與發送廣播報文的設備建立鄰居關系。而每次建立新的鄰居關系，形成新的鏈路，網絡管理器都需要更新全網的時隙表，路由條目等。所以只有待入網設備與通信范圍內的所有節點設備都建立鄰居關系后，網絡才能算是穩定狀態。把這個過程稱為過程三，耗費時間t3。

假設待入網設備通信范圍內有n個節點設備，則 ，組網的總時間T為：

由于WirelessHART設備是隨機選取信道進行監聽，所以時間t1不固定，t2與鄰居設備時隙表有關，通常為4個周期。表1是待入網設備與某個鄰居節點建立鄰居關系的實驗數據。該鄰居節點的時隙周期為2.5 s。

3 ?快速組網設計

3.1 ?固定信道法

WirelessHART設備的通信信道隨時間周期性的變化，若是待入網設備在隨機信道上監聽，不僅監聽到報文的時間不能確定，花費的時間還會比較長。若是提前獲取鄰居設備的通信信道，直接在該信道上等待，則過程一花費的時間t1小于等于鄰居設備的時隙周期T。具體的操作方法如下：

a. 選取WirelessHART網絡中某一節點設備作為目標，使用手持器設備通過有線方式讀取該設備的通信序列

b. 選擇序列中的任意一個信道C，使用手持器將待入網設備的的監聽信道固定為C

c. 待入網在信道C上監聽到廣播報文后，解析出報文的ASN信息，與網絡進行時間同步，與鄰居設備進行通信

固定信道法大大縮減了過程一所需要的時間，但是對于過程二和過程三卻起不到優化的作用。同時由于固定信道法需要強制固定待入網設備的監聽信道，在待入網設備已經與一個鄰居節點建立鄰居關系后，若再次使用固定信道法去與另外的鄰居節點建立新的鄰居關系，會導致設備與前一個鄰居的正常通信中斷，所以在過程三中，不能繼續使用固定信道法。

3.2 ?節點遍歷法

節點遍歷法是求網絡系統最小路集的常用方 法[5]，其基本思想為：從某一輸入節點開始，逐個遍歷全部節點，直到輸出節點為止。每次遍歷都需要做以下判斷：

a. 判斷當前節點是否走過;

b. 判斷是否找到最小路集;

c. 判斷是否找完所有路集;

在過程一使用固定信道法的基礎上，在過程三中，對節點遍歷法進行改進，基本思想為：以過程一選取的節點設備為起點，向該設備發送消息，獲取該設備鄰居的信道序列，待入網設備依次與這些鄰居設備建立鄰居關系，繼續向建立鄰居關系的設備發送消息，獲取其鄰居設備的信道序列，直到沒有鄰居節點為止。每次遍歷都做以下判斷：

d. 判斷當前節點設備是否已經監聽過;

e. 判斷是否還有鄰居節點;

在圖3所示的網絡拓撲中，有一個網關GW和三個節點A、B、C，節點D為待入網設備。

具體操作過程如下：

a. 獲取節點A的通信序列，然后將節點D的信道固定，使之接收到節點A的廣播報文。

b. 節點D與節點A通信，建立鄰居關系。節點A轉發D的消息給網關，網關重新分配網絡資源，節點D加入網絡。

c. 節點D向節點A發送消息，查詢節點A的鄰居信息和這些鄰居設備的通信序列，即網關和節點C。

d. 節點D監聽網關和節點C的廣播報文，并與節點C建立鄰居關系。

e. 節點D向節點C發送消息，查詢他們的鄰居信息，得到節點A、節點B，由于節點A已經監聽過，所以節點D獲取節點B的通信序列。

f. 節點D監聽節點B的廣播報文，在一個時隙周期T內，未收到廣播報文。

g. 整個過程結束。

4 ?實驗設計與數據分析

4.1 ?實驗設計

實驗網絡拓撲如下，共有一個網關和六個節點設備，相互之間的鄰居關系為圖中虛線所示。節點設備F為待入網設備，最終節點F可與節點D、E、B形成鄰居關系。

第一次實驗不使用任何優化方案，讓待入網設備直接與網絡進行組網;第二次實驗使用固定信道法，分別選取節點D和節點E進行兩次實驗;第三次實驗使用節點遍歷法，對全網節點設備進行遍歷，同樣分別選取節點D和節點E進行兩次實驗。

4.2 ?實驗數據分析

每次實驗均進行十次，然后取平均值，實驗數據如下表2。

由于過程二并未做任何的優化，而且本身花費的時間在可接受范圍內，三次試驗的過程二時間近似。試驗二和實驗三過程一的耗費時間遠遠小于實驗一。過程三中，實驗一和實驗二相近，實驗三縮短了近四倍。

5 ?結論

WirelessHART在工業環境中有著無法比擬的可靠性，但是其組網時間過長，組網速度過慢的問題也十分嚴重。本文將WirelessHART設備入網分成三個過程，過程一中使用固定信道法，將無規律的隨機監聽改進為在固定的信道上等待，過程三中采用改進的節點遍歷法，通過向鄰居節點發送請求來獲取節點設備的信道序列。實驗結果證明，節點遍歷法能夠將數分鐘的組網過程縮短到數十秒。但是該方法會向網絡中引入新的信息報文，影響了網絡的正常通信，較適合于網絡搭建初期。如何減少引入的新報文數量將是下一步的研究工作。

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