实时工业无线网络WirelessHART路由协议研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

随着工业物联网（IIOT）的出现，无线传感器执行器网络（WSAN）由于其在降低部署和维护成本方面的优势，越来越多地被用作过程监控的通信技术。与传统的只需要尽最大努力服务的无线传感器网络不同，工业无线传感器网络必须满足动态环境中严格的实时性能和可靠性要求。未能按时完成可能会导致安全威胁、生产效率低下和财务损失。为了满足如此严格的要求，工业WSAN标准（如Wirelesshart[1]）包含了一组显著的特性。采用集中式网络结构，采用时隙信道跳频（TSCH）MAC[2]。为了实现可靠的通信，禁止在基于同一网关的网络中重复使用信道，即在同一时隙中，每个信道只允许一次传输。但是，此策略会严重影响网络的实时性能和容量。

虽然在无线传感器网络中已经探索了信道复用，但传统的方法不适合于对可靠性要求严格的工业无线传感器网络。早期的解决方案要么处理并发传输之间的干扰，要么是最有效的方式，要么是调度传输。基于估计的干扰。在实践中，估计干扰会带来很大的开销和误差，特别是在现实环境中存在时间变化的情况下。此外，传统方法通常被设计为最大限度地提高通道重用。这种积极的信道复用方法，加上不准确的干扰估计，可能会导致工业应用的网络可靠性不可接受的下降。

工业无线传感器近年来一直受到关注。以前的工作研究了工业无线传感器的不同方面，包括实时调度、延迟分析、路由算法、速率选择和信道选择。对这些努力的全面审查见。这些工作遵循现有的工业标准，例如Wirelesshart，它不允许在具有相同网关的网络中重新使用信道。

无线传感器网络的一个新方向是利用同步传输。基于光泽的方法[21]为基于TSCH的网络提供了一个有前途的替代方案。它利用构造性干扰和捕获效应，在并发传输的情况下成功接收数据包，从而提供高效、快速的网络流量。Zimmerling等人据我们所知，是第一个将基于光泽的低功耗无线总线和实时调度结合起来的。我们的解决方案基于行业采用的TSCH。我们的信道复用方法还依赖捕获效果来允许信道上的并发传输，因此它是将捕获效果纳入工业标准（如Wirelesshart）的一个步骤。

我们认为Wirelesshart是一种广泛采用的工业无线过程监控标准。网络包括网关、多个接入点和现场设备。每个设备都配备了半双工无线电，与IEEE 802.15.4标准兼容。接入点连接到网关，网关又连接到网络管理器。网络管理员负责构建路由和传输时间表，然后将其分发到现场设备。集中式方法提高了网络操作的可视性和可预测性。

Wirelesshart标准不允许在同一网关控制的网络上重新使用信道。但是，当连接到不同网关的多个网络共存时，可以重用通道。在这种情况下，如果这些网络彼此靠近，可能会发生干扰。我们的方法能够在由同一个网关控制的网络中实现通道重用，从而增强网络的容量和可扩展性。

Wirelesshart没有指定调度方案，因此它是一个未解决的问题中的工作考虑了每个网络流都需要满足最后期限的情况，并制定了无线HART网络中端到端实时传输调度问题。然后，提出了一种启发式调度算法，以保证每一个流程都满足其最后期限。中的作者研究了无线哈特网络中的实时混合临界通信，并提供了一种基于固定优先级调度的端到端延迟分析方法。中的工作研究了数据聚合的调度，以平衡无线HART网络中的能量减少和实时性能。设计了一种贪婪算法，通过将相邻的时隙分配给可能融合在一起的数据包来构造超帧，从而降低数据聚合的时间成本。利中的跳级重传机制，提出了一种基于图下路由的高鲁棒性调度方案。除了对单个WirelessHART网络的研究之外，Xi et al等人。提出一个两级整体框架，以优化多个共存无线Hart网络的可靠性和时间性。

通用无线网络和许多工业无线HART网络的一个重要区别在于flow的特性。一般无线网络中的流量通常是动态的，生成时间随机或不可预测，这导致难以捕捉每个特定数据包的延迟。目前许多关于无线网络调度和信道分配的研究主要是为了提高长期平均性能，例如吞吐量。虽然在许多工业应用中，数据是定期生成的[29]–[32]。例如，在工业无线监控应用中，传感器通常配置有特定的采样周期，以便定期测量一些外部信号，并向数据处理和决策单元报告数据。在这种情况下，给出了在每个离散时间段内要发送的数据包（也称为本工作的流程）。此功能允许网络管理器做出最终获得的调度和信道分配决策，以最小化每个周期性生成流的延迟。据我们所知，目前还没有关于无线HART网络中延迟最小化周期性流量的联合调度和信道分配的研究。

由于Wirelesshart网络中流量的周期性特点，联合调度时间和分配信道以最大限度地减少一组给定的流量和在一个瞬间的超帧时间，这不同于一般无线网络的许多其他工作，这些工作集中在长期时间范围内，例如吞吐量优化。在我们的情况下，调度和分配决策在时段内是不同的，可能需要逐时段作出；而在许多其他现有的工作中，决策是在不考虑特定时段的情况下作出的（例如，对于平均时段或时间比例）。

于是提出了一种基于WeproposeAnovelTuple的网络模型，并将联合调度和信道分配问题作为一个整数规划进行了求解。具体地说，我们将每个链路的每个可能的调度和信道分配解决方案表示为流连接通道槽元组。基于这种元组化网络模型，建立了描述元组间冲突的多维冲突图（MDCG）然后，联合调度和信道分配问题简化为在MDCG中查找最大独立集（MIS），以最小化网络范围的端到端延迟。然而，由于搜索MDCG中的所有未命中是NP困难的，我们将问题分解成一个最大加权独立集（MWIS）子问题链，并提出一种有效的逐跳调度算法来解决这些问题。从理论上分析了算法的可调度性条件和近似界。此外，我们还扩展了我们的算法，以适应更一般的场景，例如那些具有图形路由、异类流长度和延迟约束的场景。

1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：

本设计的主要任务是对工业WirelessHART网络的源路由（source routing）和图路由（graph routing）两种路由方式进行对比研究，探讨它们在实时性和可靠性方面的性能。具体任务包括：

1） 在提供的wirelessHART实验平台上实现图路由和源路由通信

2） 设计系统的对比实验，探讨两种路由方式在实时性和可靠性方面的性能

WirelessHART网络构建

网络形成与设备入网过程

网关（接入点）在某一时刻创建网络，并设定该时刻的ASN（绝对时隙号）为0，网络管理器记录ASN0的实际物理时间。网络创建后，发出第一个广告报文，表明WirelessHART网络开始运行。WirelessHART网络不断发送广告报文，报文中含有：当前ASN；加入优先级；跳信道序列；图路由ID以及超帧及能够用来入网的Link。WirelessHART设备首先被预配置，主要是写入入网密钥和网络ID。设备入网前先监听各个信道，搜集广告报文，并完成时间同步。设备若收到多个不同设备发送的广告报文，可根据信号强度或其它准则选择其中一个设备来发出入网请求。发出广告报文的设备成为代理设备。代理设备将入网请求转发给网络管理器。网路管理器返回入网响应报文，在响应报文中为新设备分配普通链路，代理设备将其转给入网设备，新设备入网完成，不再需要走代理设备的链路。网络管理器通过普通链路对新设备进行超帧、链路、会话、路由、时间信息配置。新设备也可根据自身需要与网络管理器进行联络。

网络的维持与离网

设备在网的时候，需周期性的将邻居设备的链路状态信息发送给网络管理器。若有需求，设备可主动发送离网报文离开网络；网络管理器也能够发送命令强制设备离网。还有一种情况，设备因为链路断开，被周围的邻居发现并汇报给系统管理器（设备自身未发现），网络管理器也会将其从网络中断开。WirelessHART新标准不支持直接的重新入网命令，设备一旦离网，再次入网时不保留之前的状态，跟第一次加入网络的流程一样。

超帧长度的设置

WirelessHART网络支持多超帧同时运行。若多个超帧在某个时隙的link相互冲突，则根据优先级决定最终执行的动作。更好的情况是通过精心设置，不发生冲突。检查是否发生冲突的方法：在所有超帧最小公倍数内逐个检查每个时隙，因为在最小公倍数后所有超帧会开始重复。一个更简单的方法是用“harmonic”链中选择超帧长度。“harmonic”链是一列数，除了第一个数，该链中每个数都是前一个数的倍数。如果超帧长度都是选取于“harmonic”链，那么任何小的超帧都将在大的超帧周期内重复。调度器可以先从最短超帧开始调度，填完时隙后再调度第二短超帧，直至最后到长度最大的超帧。可以很容易调度出多个没有链路冲突的超帧。

WirelessHART通信优势

WirelessHART利用整套智能设备数据的能力，来提升运营能力。对设备、产品或工艺性能出现变化进行早期预警。缩短发现到解决问题的故障排除时间。不断验证回路和控制自动化系统策略的完整性。提高资产效率和系统可用性。在提高工厂的可用性方面，将设备和系统集成起来，以检测先前检测不到的问题。实时检测设备和/或过程的连接问题。通过获取新的早期预警，以减少偏差造成的影响。避免非计划停机或过程中断所引起的高成本。而对降低维护成本方面的问题，快速确定和验证控制回路和设备配置。使用远程诊断，以减少不必要的现场检查。捕获性能趋势数据，以进行预测性维护诊断。减少备件库存和设备管理成本。

1. 进度安排：