王 恒 劉清華 李 敏 譚 帥

工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要支撐性網(wǎng)絡(luò),具有部署方便、組網(wǎng)靈活、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸有嚴(yán)格的可靠性和實(shí)時(shí)性要求[1?2].現(xiàn)有工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用了跳頻、重傳、多路徑等機(jī)制,以保證數(shù)據(jù)能夠可靠的到達(dá)目標(biāo)設(shè)備,避免工業(yè)環(huán)境中各種干擾的影響;同時(shí)支持時(shí)鐘同步、確定性調(diào)度等技術(shù),使網(wǎng)絡(luò)能夠滿足數(shù)據(jù)收發(fā)的實(shí)時(shí)需求,確保數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)傳輸完成[3?5].此外,工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通常還使用多信道機(jī)制和時(shí)分多址接入(Time division multiple access,TDMA)技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸提供必需的時(shí)槽和信道等通信資源[6].

工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的確定性調(diào)度技術(shù)通過(guò)高效配置時(shí)槽與頻點(diǎn)資源,滿足網(wǎng)絡(luò)中每條通信流的截止時(shí)間約束,以保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸.由于該問(wèn)題屬于NP 完全問(wèn)題[7],通常針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)情況,采用不同的求解策略和目標(biāo)對(duì)其進(jìn)行研究.現(xiàn)有的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要包括WirelessHART、WIA-PA、ISA100.11a 等網(wǎng)絡(luò)[8],在上述網(wǎng)絡(luò)中對(duì)確定性調(diào)度的研究已取得了一定的成果.圍繞WirelessHART標(biāo)準(zhǔn),在分析調(diào)度所需基本前提的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[9]基于干擾感知松弛度,提出了C-LLF (Conflictaware least laxity first)調(diào)度算法,通過(guò)在當(dāng)前時(shí)槽計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中所有就緒鏈路的干擾感知松弛度,使松弛度小的鏈路優(yōu)先獲得網(wǎng)絡(luò)資源,取得了較高的調(diào)度成功率.文獻(xiàn)[10]對(duì)混合優(yōu)先級(jí)情況下的實(shí)時(shí)通信進(jìn)行了研究,提出了一種基于固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度的端到端時(shí)延分析方法.文獻(xiàn)[11]提出了一種分布式WirelessHART 實(shí)時(shí)調(diào)度方案,通過(guò)時(shí)間區(qū)間分配機(jī)制,設(shè)備只需執(zhí)行本地調(diào)度策略,無(wú)需在網(wǎng)絡(luò)中傳遞全局調(diào)度信息,從而降低了網(wǎng)絡(luò)資源開銷.文獻(xiàn)[12] 給出了一種基于迭代的多跳Wireless-HART 調(diào)度算法,在截止時(shí)間限制下能夠最小化端到端傳輸時(shí)延.文獻(xiàn)[13]對(duì)多個(gè)WirelessHART 網(wǎng)絡(luò)共存場(chǎng)景下的調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行了專門研究,利用有效的頻點(diǎn)管理和流調(diào)度策略,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的相互隔離與數(shù)據(jù)的可靠傳輸.針對(duì)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度問(wèn)題,文獻(xiàn)[14]提出了適用于WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)的基于回溯法的最優(yōu)調(diào)度算法和基于最小時(shí)間松弛度優(yōu)先的調(diào)度算法,并針對(duì)WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)分為簇內(nèi)通信和簇間通信不同階段的特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[15] 基于跳鏈路的思想,提出了一種頻點(diǎn)分配方案,能夠有效利用網(wǎng)絡(luò)中的頻率資源,減少干擾反應(yīng)時(shí)間.針對(duì)ISA100.11a 網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度問(wèn)題,文獻(xiàn)[16]為滿足實(shí)時(shí)性要求,設(shè)計(jì)了容納實(shí)時(shí)消息、報(bào)警消息和非實(shí)時(shí)消息的超幀,并以此提出了基于ISA100.11a 專用時(shí)槽的消息調(diào)度方案.除了圍繞典型工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究外,還有一些工作針對(duì)特定的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景進(jìn)行了調(diào)度算法優(yōu)化設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[17]針對(duì)擾動(dòng)存在下的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提出了一種分布式調(diào)度架構(gòu),通過(guò)非中心化的本地決策,實(shí)現(xiàn)了對(duì)擾動(dòng)的快速調(diào)度響應(yīng).文獻(xiàn)[18]針對(duì)時(shí)間觸發(fā)通信流與事件觸發(fā)通信流并存的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景,在分析虛擬周期、時(shí)槽復(fù)用等基礎(chǔ)調(diào)度方法的基礎(chǔ)上,提出了一種混合型中心式調(diào)度算法,獲得了接近于最優(yōu)方法的調(diào)度性能.文獻(xiàn)[19]考慮不同網(wǎng)絡(luò)位置擁有不同可用頻點(diǎn)集的場(chǎng)景,提出了面向樹型工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的啟發(fā)式匯聚調(diào)度算法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)差異化鏈路可用頻點(diǎn)集的優(yōu)化支持.對(duì)于擁有多個(gè)射頻收發(fā)單元的工業(yè)無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,文獻(xiàn)[20]提出了一種綜合考慮時(shí)槽、頻點(diǎn)和射頻接口分配的調(diào)度算法,提高了調(diào)度成功率.文獻(xiàn)[21]針對(duì)截止時(shí)間隨機(jī)可變的場(chǎng)景,通過(guò)分析待調(diào)度系統(tǒng)的狀態(tài)、動(dòng)作空間、條件轉(zhuǎn)移概率和成本函數(shù),將該場(chǎng)景下的調(diào)度問(wèn)題轉(zhuǎn)換為不可觀測(cè)的馬爾科夫決策問(wèn)題,并提出了基于平均截止時(shí)間優(yōu)先的低復(fù)雜度求解方法.文獻(xiàn)[22]設(shè)計(jì)了一種考慮數(shù)據(jù)到達(dá)率的調(diào)度方法,加快了網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間.文獻(xiàn)[23]考慮了網(wǎng)絡(luò)中鏈路選取過(guò)程與時(shí)槽調(diào)度過(guò)程之間的前后關(guān)聯(lián)性,提出了一種鏈路與時(shí)槽的聯(lián)合優(yōu)化分配方案,改善了網(wǎng)絡(luò)調(diào)度性能.

此外,考慮到工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的行業(yè)應(yīng)用,一些面向通用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所提出的調(diào)度算法,對(duì)于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)確定性調(diào)度問(wèn)題的研究,仍具有一定的參考價(jià)值.文獻(xiàn)[24?26]針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)度問(wèn)題,探索采用粒子群算法、模擬退火算法、遺傳算法等方法進(jìn)行解決.文獻(xiàn)[27]利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),提出了一種基于優(yōu)先級(jí)感知的數(shù)據(jù)交換調(diào)度算法,改善了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延性能.

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、干擾眾多,使得工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常發(fā)生丟包現(xiàn)象.丟包會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗,影響網(wǎng)絡(luò)正常的調(diào)度運(yùn)行.對(duì)抗丟包問(wèn)題的典型方法包括自動(dòng)重傳請(qǐng)求(Automatic repeat-request,ARQ)、冗余多路徑等.重傳是一種簡(jiǎn)單有效的機(jī)制,在三種主要的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中都得到了支持,它通過(guò)為傳輸鏈路分配額外的時(shí)槽、頻點(diǎn)資源,在傳輸失敗時(shí)利用這些通信資源重新發(fā)送數(shù)據(jù),避免網(wǎng)絡(luò)丟包的影響,提升數(shù)據(jù)通信的可靠性.

圍繞工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度中的丟包與重傳問(wèn)題,文獻(xiàn)[6]、[9]在仿真實(shí)驗(yàn)中考慮了網(wǎng)絡(luò)丟包,發(fā)現(xiàn)丟包的存在顯著降低了調(diào)度成功率.文獻(xiàn)[28?29]在工業(yè)場(chǎng)景中將ARQ 與節(jié)點(diǎn)間的中繼協(xié)作聯(lián)合使用,進(jìn)一步降低了系統(tǒng)丟包率;文獻(xiàn)[30?31]在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)路由策略中引入了重傳操作,提高了路由方法的可靠性,但文獻(xiàn)[28?31]均未將重傳機(jī)制與確定性調(diào)度深入結(jié)合.文獻(xiàn)[32]考慮了ARQ 機(jī)制對(duì)調(diào)度的影響,但只局限在單跳網(wǎng)絡(luò)內(nèi),沒(méi)有解決更重要的多跳網(wǎng)絡(luò)重傳調(diào)度問(wèn)題.針對(duì)以上問(wèn)題,本文面向使用多信道和TDMA 機(jī)制的多跳工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò),結(jié)合通信流的截止時(shí)間條件,建立了支持鏈路重傳機(jī)制的調(diào)度網(wǎng)絡(luò)模型;在分析可調(diào)度條件和優(yōu)先處理?xiàng)l件的基礎(chǔ)上,分別針對(duì)數(shù)據(jù)包傳輸失敗后立即進(jìn)行持續(xù)重傳的場(chǎng)景和在一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成重傳的場(chǎng)景,提出了相應(yīng)的時(shí)槽、頻點(diǎn)調(diào)度算法,在滿足傳輸確定性的前提下,有效提升了網(wǎng)絡(luò)可靠性.

1 模型建立

考慮一個(gè)基于時(shí)槽方式運(yùn)行的多信道工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)G=(V,ξ) ,V表示網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備,ξ表示設(shè)備之間的通信鏈接,可用信道頻點(diǎn)數(shù)為K.網(wǎng)絡(luò)中存在J條通信流F1,F2,···,FJ,每條通信流通過(guò)由多條通信鏈接構(gòu)成的傳輸路徑,將數(shù)據(jù)包從起始設(shè)備發(fā)往最終設(shè)備,如圖1 所示.對(duì)于任意一條通信流Fm,其數(shù)據(jù)包產(chǎn)生周期為Pm,傳輸路徑包含的通信鏈接數(shù)為φm,數(shù)據(jù)包產(chǎn)生后需要在給定的截止時(shí)間Dm內(nèi)到達(dá)最終設(shè)備.設(shè)網(wǎng)絡(luò)中每條通信鏈接的重傳次數(shù)為λ,則需滿足:φm(λ+1)≤Dm ≤Pm.

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型圖Fig.1 Network model

本文確定性調(diào)度的任務(wù)是在考慮重傳條件下,通過(guò)安排每個(gè)時(shí)槽各個(gè)頻點(diǎn)上的通信鏈接,使每條數(shù)據(jù)流所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包均能在指定時(shí)限內(nèi)確定到達(dá)最終設(shè)備.設(shè)所有通信流周期的最小公倍數(shù)為T,稱之為宏周期.若在當(dāng)前宏周期T內(nèi),采用某種調(diào)度策略,能夠使每條通信流的各個(gè)數(shù)據(jù)包均能按時(shí)到達(dá),則在下一個(gè)宏周期T內(nèi),重復(fù)執(zhí)行該調(diào)度策略,就能夠繼續(xù)保證數(shù)據(jù)流的確定性傳輸.因此,調(diào)度任務(wù)可轉(zhuǎn)化為研究和設(shè)計(jì)一個(gè)宏周期T內(nèi)的調(diào)度策略.顯然,在宏周期T內(nèi),數(shù)據(jù)流Fm將 發(fā)送T/Pm個(gè)數(shù)據(jù)包,其中第n個(gè)數(shù)據(jù)包在Am,n=(n ?1)Pm+1時(shí)刻從起始設(shè)備產(chǎn)生,需在截止時(shí)刻Bm,n=(n ?1)Pm+Dm之前到達(dá)最終設(shè)備.

在對(duì)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)時(shí)槽的通信鏈接進(jìn)行調(diào)度配置時(shí),主要面臨兩個(gè)方面的制約.一是頻點(diǎn)數(shù)制約,在同一時(shí)槽同一頻點(diǎn)只能放置一個(gè)通信鏈接,不同頻點(diǎn)可放置不同通信鏈接,但在同一時(shí)槽能夠同時(shí)工作的通信鏈接數(shù)不能超過(guò)系統(tǒng)所提供的頻點(diǎn)數(shù);二是通信鏈接收發(fā)制約,在ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA 等主流工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中,設(shè)備通常使用單根天線,采用半雙工方式工作,無(wú)法同時(shí)完成射頻的發(fā)送和接收,這使得若在當(dāng)前時(shí)槽的某個(gè)頻點(diǎn)安排了一個(gè)通信鏈接,則以該通信鏈接發(fā)送方進(jìn)行發(fā)送或接收,以及該鏈接接收方進(jìn)行發(fā)送或接收的所有通信鏈接,與該通信鏈接均構(gòu)成干擾鏈接,都不能再在當(dāng)前時(shí)槽進(jìn)行安排.下面將在考慮上述兩種制約條件的基礎(chǔ)上,對(duì)重傳場(chǎng)景下的調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行描述.令 Γg(p,q)∈{0,1}表示在時(shí)槽g,設(shè)備p與設(shè)備q之間所建立的通信鏈接的狀態(tài).當(dāng)p與q之間的通信鏈接被安排在時(shí)槽g進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),即該通信鏈接處于活躍狀態(tài)時(shí),Γg(p,q)=1 ;反之,Γg(p,q)=0 .此外,定義 Hg(p) 表示在時(shí)槽g所有以設(shè)備p作為發(fā)送方的通信鏈接集合,Θg(p)表示在時(shí)槽g所有以設(shè)備p作為接收方的通信鏈接集合.以Lm,n表示通信流Fm的第n個(gè)數(shù)據(jù)包在不考慮重傳時(shí)槽配置情況下所經(jīng)歷的傳輸時(shí)延,則本文所研究的調(diào)度問(wèn)題具體描述如下:

式(1)采用不等式的形式進(jìn)行描述,表明在考慮重傳時(shí)槽及其配置的場(chǎng)景下,所有通信流的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間均應(yīng)小于或等于其各自的截止時(shí)間;式(1a)對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)數(shù)制約條件,式(1b)和式(1c)則對(duì)應(yīng)通信鏈接收發(fā)制約條件.

2 調(diào)度優(yōu)先級(jí)分析

確定性調(diào)度策略所操作的基本單元是通信鏈接.下面將在干擾感知松弛度理論的基礎(chǔ)上[9],進(jìn)一步考慮重傳因素影響,對(duì)重傳場(chǎng)景下通信鏈接的屬性及其調(diào)度優(yōu)先級(jí)進(jìn)行擴(kuò)展分析.

在宏周期T內(nèi),對(duì)于數(shù)據(jù)流Fm,其第n個(gè)數(shù)據(jù)包從產(chǎn)生時(shí)刻開始,將沿著對(duì)應(yīng)路徑經(jīng)過(guò)一步步的轉(zhuǎn)發(fā)傳輸至最終設(shè)備.這條傳輸路徑由一系列相鄰的通信鏈接組成,設(shè)μi=(p,q) 是其中一個(gè)通信鏈接,該通信鏈接的發(fā)送方是設(shè)備p,接收方是設(shè)備q.假設(shè)設(shè)備q與最終設(shè)備之間相隔的跳數(shù)為χi,在時(shí)槽g處數(shù)據(jù)包還需要傳遞oi個(gè)通信鏈接后才能到達(dá)設(shè)備p,則通信鏈接μi的有效調(diào)度區(qū)間為:

其中,si是通信鏈接μi的就緒時(shí)間,

wi是通信鏈接μi的截止時(shí)間,

通信鏈接μi需要在上述時(shí)間范圍內(nèi)完成傳輸,如圖2 所示,否則將導(dǎo)致調(diào)度失敗.

圖2 通信鏈接 μi 的有效調(diào)度區(qū)間Fig.2 Effective scheduling interval of communication link μi

在時(shí)槽g處,若某個(gè)通信鏈接的所有前序通信鏈接都已執(zhí)行,同時(shí)用于重傳的通信鏈接也配置完成,則稱該鏈接為就緒通信鏈接.所有就緒通信鏈接構(gòu)成的集合稱為就緒鏈接集.在重傳場(chǎng)景下,對(duì)于某個(gè)就緒通信鏈接,除了需在其有效調(diào)度區(qū)間內(nèi)安排傳輸外,還需在其傳輸之后安排λ次重傳,這些重傳動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的通信鏈接稱為重傳通信鏈接.

本文在調(diào)度安排就緒通信鏈接和重傳通信鏈接時(shí),采用干擾感知松弛度作為鏈接排序的基本依據(jù),在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮不同重傳類型及其特點(diǎn),形成包括重傳通信鏈路在內(nèi)的各種鏈路的優(yōu)先級(jí).干擾感知松弛度由文獻(xiàn)[9]提出,反映了通信鏈接調(diào)度的緊急程度.它既考慮了通信鏈接有效調(diào)度區(qū)間的長(zhǎng)度影響,又考慮了潛在干擾通信鏈接數(shù)量的影響.該指標(biāo)值越小,表征通信鏈接調(diào)度的急迫性越高.設(shè)在時(shí)槽g處,μi=(p,q) 是一個(gè)就緒通信鏈接,則其干擾感知松弛度表示為:

其中,Cp是由時(shí)槽g就緒通信鏈接集中,以設(shè)備p作為發(fā)送方,且有效調(diào)度區(qū)間與μi存在重合的通信鏈接的截止時(shí)間所構(gòu)成的集合.εp是在時(shí)間區(qū)間[g,θ] 內(nèi)設(shè)備p所參與的通信鏈接數(shù)量.

對(duì)于重傳鏈接,干擾感知松弛度的計(jì)算方法需要進(jìn)行擴(kuò)展,尤其是區(qū)間重傳方式.由于該方式下重傳鏈接需在指定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成,故在計(jì)算松弛度時(shí),所使用的有效調(diào)度區(qū)間上限還不得超過(guò)重傳區(qū)間上限.兩種重傳方式的具體分類說(shuō)明,將在下一節(jié)中進(jìn)行描述.

3 確定性調(diào)度算法設(shè)計(jì)

面向工廠自動(dòng)化應(yīng)用所設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),為了防止丟包,在點(diǎn)到點(diǎn)傳輸時(shí)普遍采用了確認(rèn)幀(ACK)機(jī)制.發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)包后,將啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器.接收方正確接收到數(shù)據(jù)包后,將立即返回一個(gè)確認(rèn)幀.若發(fā)送方在預(yù)定的定時(shí)間隔內(nèi)收到確認(rèn)幀,則視為數(shù)據(jù)包傳輸成功.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生丟包,接收方?jīng)]有收到數(shù)據(jù)包,或由于無(wú)線信道質(zhì)量變差,接收方無(wú)法正確解碼數(shù)據(jù)包時(shí),接收方將不會(huì)反饋確認(rèn)幀.發(fā)送方在定時(shí)器超時(shí)后若仍未收到確認(rèn)幀,則認(rèn)為傳輸失敗,進(jìn)而啟動(dòng)重傳工作.在ISA100.11a 等工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中,還設(shè)計(jì)了否決幀(NACK)機(jī)制.當(dāng)接收方發(fā)現(xiàn)接收的數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤時(shí)將反饋否決幀,此時(shí)發(fā)送方無(wú)需等待定時(shí)器超時(shí)即可進(jìn)行重傳.

在基于時(shí)槽機(jī)制運(yùn)行的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)重傳時(shí)機(jī)的不同,存在兩類重傳方式.第一類是持續(xù)重傳.若當(dāng)前時(shí)槽通信鏈接傳輸不成功,則在接下來(lái)的時(shí)槽中持續(xù)進(jìn)行重新傳輸,直至傳輸成功或達(dá)到最大重傳次數(shù).第二類是區(qū)間重傳.若當(dāng)前時(shí)槽傳輸不成功,則在接下來(lái)的一段時(shí)槽區(qū)間內(nèi)根據(jù)情況可以間斷性的完成重傳.持續(xù)重傳具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn),而區(qū)間重傳則具備更好的擴(kuò)展性.無(wú)論采用何種重傳方式,系統(tǒng)都需要為重傳的實(shí)施調(diào)度安排相應(yīng)的時(shí)槽、頻點(diǎn)資源.下面將圍繞不同的重傳方式,提出對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方案.

3.1 支持持續(xù)重傳的調(diào)度方法

從持續(xù)重傳的特點(diǎn)出發(fā),系統(tǒng)在調(diào)度完一個(gè)就緒通信鏈接后,將在接下來(lái)的相鄰時(shí)槽,立即且持續(xù)安排該就緒鏈接所對(duì)應(yīng)的重傳通信鏈接.結(jié)合干擾感知松弛度,本文設(shè)計(jì)了支持持續(xù)重傳的確定性調(diào)度(Definiteness schedule with consequent retries,DS-CR)方法.

該算法以時(shí)槽為單位逐時(shí)槽進(jìn)行調(diào)度.在每個(gè)時(shí)槽,待調(diào)度對(duì)象包括該時(shí)槽的就緒通信鏈接和重傳通信鏈接.由于在持續(xù)重傳方式下,對(duì)重傳通信鏈接安排的緊急程度很高,故采用先調(diào)度重傳通信鏈接,再調(diào)度就緒通信鏈接的方法,即重傳通信鏈接的優(yōu)先級(jí)總是高于就緒通信鏈接.在對(duì)重傳鏈接進(jìn)行調(diào)度時(shí),需記錄并處理數(shù)據(jù)包的重傳輪數(shù).重傳鏈接調(diào)度完成后,以干擾感知松弛度指標(biāo)值為依據(jù),由小到大依次安排就緒鏈接的頻點(diǎn).該指標(biāo)值相等時(shí),則比較截止時(shí)間,進(jìn)一步則繼續(xù)比較通信流編號(hào),數(shù)值小者優(yōu)先安排.當(dāng)一個(gè)通信鏈接被調(diào)度后,與該鏈接構(gòu)成干擾的通信鏈接均不再在當(dāng)前時(shí)槽進(jìn)行配置.每個(gè)時(shí)槽采用同樣的方式執(zhí)行以上調(diào)度過(guò)程,直到每個(gè)通信鏈接及重傳鏈接均調(diào)度完成或任一鏈接無(wú)法滿足截止時(shí)間要求.算法1 描述了該方法的主要運(yùn)行過(guò)程.

從無(wú)線傳輸?shù)慕嵌瓤?重傳是一種時(shí)間分集機(jī)制.在系統(tǒng)擁有多個(gè)頻點(diǎn)的條件下,還可在重新傳輸時(shí)進(jìn)一步聯(lián)合使用頻率分集機(jī)制,能夠獲得更高的可靠性.DS-CR 算法在安排頻點(diǎn)時(shí),還可對(duì)同一通信鏈接的就緒鏈接和多個(gè)重傳鏈接盡可能分配不同的頻點(diǎn).這樣,當(dāng)數(shù)據(jù)包在當(dāng)前時(shí)槽某個(gè)頻點(diǎn)傳輸失敗后,下一個(gè)時(shí)槽將在不同的頻點(diǎn)重新被傳輸,避免在受到干擾或質(zhì)量變差的單一信道上重發(fā)數(shù)據(jù)包.

就緒通信鏈接的頻點(diǎn)確定規(guī)則可根據(jù)調(diào)度次序,按頻點(diǎn)編號(hào)從小到大依次設(shè)定.重傳通信鏈接的頻點(diǎn)則可在前序就緒鏈接或重傳鏈接頻點(diǎn)編號(hào)的基礎(chǔ)上,采用循環(huán)增加的方式設(shè)定.當(dāng)重傳輪數(shù)超過(guò)系統(tǒng)可用頻點(diǎn)數(shù)量時(shí),至少確保相鄰兩次重傳鏈接采用相異的工作頻點(diǎn).

算法1.支持持續(xù)重傳的調(diào)度方法

3.2 支持區(qū)間重傳的調(diào)度方法

根據(jù)區(qū)間重傳的特征,系統(tǒng)在配置完一個(gè)就緒通信鏈接后,將在之后的一段時(shí)槽區(qū)間內(nèi),對(duì)該就緒鏈接所對(duì)應(yīng)的重傳通信鏈接進(jìn)行配置.重傳通信鏈接的分布可以是間斷性的,但需在給定區(qū)間內(nèi)全部安排完成.結(jié)合就緒鏈接和重傳鏈接的干擾感知松弛度,本文設(shè)計(jì)了支持區(qū)間重傳的確定性調(diào)度(Definiteness schedule with interval-working retries,DS-IWR)方法.

該方法仍采用逐時(shí)槽計(jì)算的方式進(jìn)行調(diào)度.與DS-CR 方法不同的是,在每個(gè)時(shí)槽的調(diào)度過(guò)程中,系統(tǒng)既計(jì)算就緒通信鏈接的干擾感知松弛度,也計(jì)算重傳通信鏈接的干擾感知松弛度,然后將計(jì)算結(jié)果一并由小到大進(jìn)行排序,按次序進(jìn)行調(diào)度.就緒通信鏈接的松弛度采用式(5)進(jìn)行計(jì)算,重傳通信鏈接的松弛度在此基礎(chǔ)上,還需額外引入重傳區(qū)間對(duì)有效調(diào)度區(qū)間的限制.算法2 描述了該方法的主要運(yùn)行過(guò)程.

算法2.支持區(qū)間重傳的調(diào)度方法

DS-IWR 算法同樣可進(jìn)一步結(jié)合頻率分集機(jī)制,使數(shù)據(jù)包的每一次重傳盡可能分布在不同的頻點(diǎn)上.其中,就緒通信鏈接的頻點(diǎn)確定規(guī)則與DS-CR方法相同,重傳通信鏈接可采用同鏈接循環(huán)增加的方式,資源不足時(shí)至少確保相鄰兩次鏈接的工作頻點(diǎn)不同.當(dāng)不同通信鏈接所對(duì)應(yīng)的重傳鏈接頻點(diǎn)值沖突時(shí),則先匹配干擾感知松弛度高的鏈路的頻點(diǎn)設(shè)定需求,松弛度低的重傳鏈路越過(guò)沖突值進(jìn)行循環(huán)相加,必要時(shí)采用相鄰鏈接頻點(diǎn)值相異的方法重新確定頻點(diǎn).

3.3 算法時(shí)間復(fù)雜度分析

本文提出的調(diào)度算法在運(yùn)行過(guò)程中,需要在每個(gè)時(shí)槽對(duì)就緒通信鏈接的干擾感知松弛度進(jìn)行計(jì)算.設(shè)系統(tǒng)中就緒通信鏈接數(shù)量的最大值為X,通信流跳數(shù)最大值為Y,根據(jù)干擾感知松弛度計(jì)算方法,DS-CR 方法的時(shí)間復(fù)雜度是 O (T ·Y ·X2) .與DS-CR 方法不同,DS-IWR 方法除了計(jì)算就緒通信鏈接的松弛度外,還同等計(jì)算重傳通信鏈接的干擾感知松弛度,故其時(shí)間復(fù)雜度為 O (T ·Y ·X2·(λ+1)) .在接下來(lái)的第4 節(jié)中,將對(duì)所提兩種算法的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行仿真驗(yàn)證,并與其他算法進(jìn)行對(duì)比分析.

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

本節(jié)對(duì)所提出的DS-CR 和DS-IWR 兩種調(diào)度算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證與對(duì)比分析.對(duì)比算法為四種經(jīng)典實(shí)時(shí)調(diào)度方法和C-LLF 調(diào)度方法[9,33].表1 中列出了用于仿真比較的各種方法的基本原理.同時(shí),為了更好地評(píng)價(jià)調(diào)度算法在測(cè)試過(guò)程中的性能,本節(jié)選擇調(diào)度成功率和算法平均計(jì)算時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo).調(diào)度成功率的計(jì)算方法如下:假設(shè)生成W個(gè)測(cè)試網(wǎng)絡(luò),依次執(zhí)行某調(diào)度算法,若能夠成功完成該網(wǎng)絡(luò)中所有數(shù)據(jù)流調(diào)度的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)個(gè)數(shù)為C,則該算法在本次測(cè)試中的調(diào)度成功率為C/W.

表1 用于仿真比較的各個(gè)方法的原理Table 1 Principle of each method in simulation comparison

在Intel G4650 處理器、Win10 系統(tǒng)上對(duì)上述調(diào)度算法進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn).仿真區(qū)域長(zhǎng)度和寬度均為一百米.在該區(qū)域內(nèi)采用類似文獻(xiàn)[9]的方式以隨機(jī)形式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò).每種測(cè)試場(chǎng)景隨機(jī)構(gòu)建一萬(wàn)個(gè)網(wǎng)絡(luò),通過(guò)所提方法和對(duì)比方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)度,獲得相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果.在仿真中,d是設(shè)備數(shù)量,β ∈(0,1]是起始設(shè)備與最終設(shè)備所構(gòu)成的通信對(duì)比重,?∈(0,1] 是邊密度,K是可用頻點(diǎn)數(shù)量,λ是重傳輪數(shù),η是重傳區(qū)間,α是丟包率,通信流數(shù)量采用β×d/2設(shè)定,邊數(shù)量采用 (d×(d ?1)×?)/2 設(shè)定.每條通信流的起始設(shè)備按設(shè)定的時(shí)間間隔周期性的產(chǎn)生數(shù)據(jù)包.不同通信流的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生周期在P′=2x～y范圍內(nèi)以均勻分布(四舍五入取整)的方式隨機(jī)構(gòu)造,通過(guò)υ∈(0,1] 設(shè)置通信流截止時(shí)間取值上限所占比重.

4.1 調(diào)度算法基本性能與計(jì)算時(shí)間測(cè)試

對(duì)調(diào)度算法在不同設(shè)備數(shù)量下的基本性能進(jìn)行測(cè)試.在丟包率為百分之三的情況下,設(shè)備數(shù)量從10 開始,依次遞增10,直至60.頻點(diǎn)數(shù)量為8,重新傳輸輪數(shù)為3,重新傳輸時(shí)間區(qū)間為6 個(gè)時(shí)槽,其余參數(shù)設(shè)定為:?=0.8 ,P′=27～9,υ=0.75,β=0.6 .

調(diào)度成功率與設(shè)備數(shù)量之間的關(guān)系如圖3 所示.該圖表明,設(shè)備數(shù)量增加,會(huì)引起各個(gè)算法成功率的降低,但DS-CR 算法和DS-IWR 算法通過(guò)在調(diào)度過(guò)程中對(duì)重傳進(jìn)行優(yōu)化,緩解了數(shù)據(jù)丟包對(duì)調(diào)度的影響,在不同的設(shè)備數(shù)量下調(diào)度成功率都顯著優(yōu)于對(duì)比算法;同時(shí),DS-IWR 算法比DS-CR 算法具有更好的調(diào)度效果,這是由于相比于持續(xù)重傳,區(qū)間重傳能夠在一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)靈活處理調(diào)度資源,從而進(jìn)一步提高了調(diào)度成功率.

圖3 調(diào)度成功率與設(shè)備數(shù)量關(guān)系圖Fig.3 Relationship between schedulable ratio and device number

表2 列出了各個(gè)算法在不同設(shè)備數(shù)量和通信流個(gè)數(shù)下的平均計(jì)算時(shí)間.表中數(shù)據(jù)表明,當(dāng)設(shè)備數(shù)量達(dá)到20、通信流條數(shù)達(dá)到6 及其以上時(shí),參與對(duì)比的五種算法的平均計(jì)算時(shí)間低于所提算法.由于所提算法在運(yùn)行過(guò)程中,增加了對(duì)重新傳輸鏈路的調(diào)度,故花費(fèi)了更多的計(jì)算時(shí)間.對(duì)于本文所提出的兩種調(diào)度算法,表2 表明DS-CR 算法的平均計(jì)算時(shí)間小于DS-IWR 算法,從而驗(yàn)證了第3 節(jié)中對(duì)兩種算法時(shí)間復(fù)雜度的理論分析,因?yàn)镈S-CR 算法的時(shí)間復(fù)雜度 O (T ·Y ·X2) 低于DS-IWR 算法的時(shí)間復(fù)雜度 O (T ·Y ·X2·(λ+1)) .需要說(shuō)明的是,雖然為了提升可靠性,所提算法以花費(fèi)相對(duì)較多的時(shí)間開銷作為代價(jià),但在設(shè)備數(shù)量和通信流條數(shù)都比較大的情況下,所提兩種算法的計(jì)算時(shí)間仍未超過(guò)300 ms,所需計(jì)算時(shí)間保持在一個(gè)相對(duì)較小的水平.

表2 各個(gè)調(diào)度方法的平均計(jì)算時(shí)間 (ms)Table 2 Average execution time of each scheduling method (ms)

綜上所述,本文提出的調(diào)度算法相比對(duì)比算法能夠取得更高的調(diào)度成功率,在滿足網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸確定性的同時(shí),保證了丟包情況下的數(shù)據(jù)傳輸可靠性,但需要更多的時(shí)間開銷.因此,在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)不同場(chǎng)景的特點(diǎn),綜合權(quán)衡調(diào)度成功率和花費(fèi)時(shí)間的重要性來(lái)進(jìn)行算法選擇.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)較少、頻點(diǎn)質(zhì)量較好時(shí),若網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘎×覍?dǎo)致調(diào)度算法需頻繁執(zhí)行,且對(duì)獲取調(diào)度結(jié)果的時(shí)間要求限制在百毫秒以下,可考慮采用經(jīng)典的調(diào)度算法.此時(shí),較小的設(shè)備數(shù)和良好的頻點(diǎn)質(zhì)量能夠適當(dāng)減緩經(jīng)典算法調(diào)度成功率低的影響.若網(wǎng)絡(luò)能夠接受百毫秒級(jí)的調(diào)度運(yùn)行時(shí)間,本文所提出的算法則是優(yōu)選,尤其在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)較多或受丟包影響較明顯的場(chǎng)景下,所提算法能夠發(fā)揮更大的調(diào)度成功率優(yōu)勢(shì).

4.2 調(diào)度算法在不同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)下的性能測(cè)試

本節(jié)進(jìn)一步對(duì)調(diào)度算法在不同的重傳區(qū)間、丟包率、信道質(zhì)量、通信對(duì)所占比例、截止時(shí)間上限比例、周期取值范圍、頻點(diǎn)數(shù)下的性能進(jìn)行仿真對(duì)比.由于DS-IWR 算法采用了區(qū)間內(nèi)重傳的方式,區(qū)間的取值會(huì)影響其性能,故仿真觀察了該算法在不同重傳區(qū)間下的調(diào)度結(jié)果,如圖4 所示.仿真中設(shè)置η從3 個(gè)時(shí)槽開始,依次遞增1 個(gè)單位時(shí)槽長(zhǎng)度,直至12 個(gè)時(shí)槽,其余參數(shù)情況為:d=40,K=8,P′=27～9,α=3 %,β=0.6,λ=3,?=0.8 ,υ=0.75 .

從圖4 可以看出,當(dāng)重傳區(qū)間小于6 個(gè)單位長(zhǎng)度時(shí),DS-IWR 算法的調(diào)度成功率隨著重傳區(qū)間長(zhǎng)度增加而提高;當(dāng)重傳區(qū)間大于6 個(gè)單位長(zhǎng)度時(shí),算法的調(diào)度成功率反而出現(xiàn)下降的趨勢(shì),且長(zhǎng)度增加的越大,下降的幅度越明顯.這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因在于,當(dāng)區(qū)間在一定范圍內(nèi)增大時(shí),傳輸失敗的數(shù)據(jù)報(bào)文有機(jī)會(huì)在更寬的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行重傳選擇,避免了部分報(bào)文因重傳時(shí)間段窄、優(yōu)先級(jí)低導(dǎo)致的無(wú)法及時(shí)重傳問(wèn)題,提高了調(diào)度成功率.但當(dāng)區(qū)間增加到一定程度后,若再繼續(xù)增加則會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方面的問(wèn)題:一是對(duì)于需要重傳的報(bào)文本身,有可能選擇大時(shí)間段的靠后時(shí)槽實(shí)施重傳,這樣雖然當(dāng)前鏈路能夠傳輸成功,但由于花費(fèi)時(shí)間過(guò)多,會(huì)導(dǎo)致剩余跳數(shù)的鏈路可調(diào)度時(shí)間余量變小,增加報(bào)文調(diào)度失敗的概率;二是當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的重傳區(qū)間設(shè)置過(guò)大時(shí),會(huì)導(dǎo)致正常報(bào)文與重傳報(bào)文的沖突加劇,反而降低成功率.因此,重傳區(qū)間的設(shè)置并非越大越好.根據(jù)圖4 中成功率最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的區(qū)間取值,在本節(jié)后續(xù)仿真實(shí)驗(yàn)中,采用λ=3,η=6 的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置.

圖4 調(diào)度成功率與重傳區(qū)間關(guān)系圖Fig.4 Relationship between schedulable ratio and retransmission interval

圖5 是所提算法與對(duì)比算法在不同鏈路丟包率下的測(cè)試結(jié)果.仿真中設(shè)置α從 0 開始,依次遞增5 %,直至50 %.其余參數(shù)情況為:d=30,K=8,P′=27～9,η=6,β=0.6,λ=3,?=0.8,υ=0.75 .圖5 表明,各種算法的調(diào)度成功率隨著丟包程度的加劇呈現(xiàn)下降趨勢(shì),但所提出的兩種調(diào)度算法在鏈路丟包率增加時(shí)的性能明顯優(yōu)于對(duì)比算法,原因在于當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸失敗時(shí),所提算法可以通過(guò)重傳鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)的重新發(fā)送,從而在一定范圍內(nèi)能夠較好地緩解數(shù)據(jù)的丟包問(wèn)題.

圖5 調(diào)度成功率與丟包率關(guān)系圖Fig.5 Relationship between schedulable ratio and packet loss rate

在工廠中部署的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò),往往所處環(huán)境惡劣,電磁情況復(fù)雜,從而對(duì)無(wú)線頻點(diǎn)的傳輸特性產(chǎn)生重要影響.根據(jù)文獻(xiàn)[34]對(duì)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻率特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試與建模的調(diào)研,Nakagami-m 分布是其中一種主要的信道衰落類型.因此,本文采用Nakagami-m 信道模型,對(duì)調(diào)度算法在不同信道質(zhì)量下的性能進(jìn)行仿真.Nakagami-m 模型的概率密度函數(shù)為:,其中pm為形狀參數(shù),ps為尺度參數(shù),Γ (·) 表示Gamma函數(shù).仿真主要關(guān)注由信道質(zhì)量改變所引起的通信中斷對(duì)調(diào)度性能的影響.在仿真中設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率為1 b/s/Hz,各設(shè)備的平均信噪比為5 dB,其余參數(shù)設(shè)置為:d=10,K=8,P′=27～9,η=6,β=0.6,λ=3,?=0.8,υ=0.75.由于 N a kagami-m 信道的平均質(zhì)量由pm和ps決定,故對(duì)(pm,ps) 分別取值 ( 3,1) ,( 3,0.5) 和 ( 1,0.5),在信道平均質(zhì)量逐漸變差的條件下對(duì)所提算法和對(duì)比算法進(jìn)行性能測(cè)試,結(jié)果如圖6 所示.從圖中可以看出,所提出的兩種算法在不同信道質(zhì)量下的調(diào)度性能均優(yōu)于對(duì)比算法,且在信道質(zhì)量惡化的情況下,性能下降程度小于對(duì)比算法,表明所提算法對(duì)工業(yè)通信環(huán)境具有良好的適應(yīng)性.

圖6 調(diào)度成功率與信道質(zhì)量關(guān)系圖Fig.6 Relationship between schedulable ratio and channel quality

針對(duì)起始設(shè)備與最終設(shè)備所構(gòu)成的通信對(duì),其所占比重對(duì)調(diào)度成功率的影響如圖7 所示.通信對(duì)比重從20 %開始,依次遞增10 %,直至100 %,其余參數(shù)情況為:d=30,K=8,P′=27～9,η=6,α= 3 %,λ=3,?=0.8,υ=0.75.從圖7 中可以看出,所提方法在同等條件下的性能超過(guò)了其他方法.隨著通信對(duì)所占比重增加,會(huì)導(dǎo)致通信沖突加大,從而引起調(diào)度成功率降低.

圖7 調(diào)度成功率與起始設(shè)備和最終設(shè)備所構(gòu)成的通信對(duì)所占比重關(guān)系圖Fig.7 Relationship between schedulable ratio and proportion of communication pairs from source devices to final destination devices

截止時(shí)間取值上限比重與成功率之間的關(guān)系如圖8 所示.上限比重從5 %開始,依次遞增10 %,直至100 %.其余參數(shù)情況為:d=30,k=8,P′=27～9,η=6,α= 3 %,β=0.6,λ=3,?=0.8.該圖表明,在截止時(shí)間取值上限比重增加的情況下,由于其他算法缺乏丟包應(yīng)對(duì)機(jī)制,受制于網(wǎng)絡(luò)丟包影響,無(wú)法有效地改善調(diào)度效果,調(diào)度成功率維持在一個(gè)相對(duì)變化較小的范圍;而與之相對(duì)比的是,所提兩種算法的調(diào)度成功率均得到了顯著改善.

圖8 調(diào)度成功率與截止時(shí)間取值上限比重關(guān)系圖Fig.8 Relationship between schedulable ratio and proportion of maximal deadline

圖9 是兩種調(diào)度算法與對(duì)比算法在不同周期取值范圍下的調(diào)度成功率.其中,P′取三組值,分別為 28～9,27～10,和 26～11,其余參數(shù)情況為:d=30,K=8,η=6,α= 3 %,β=0.6,λ=3,?=0.8,υ=0.75.從圖9 中可以觀察到,所提算法的調(diào)度性能優(yōu)于對(duì)比算法,且周期范圍為 28～9時(shí)調(diào)度成功率最高.該項(xiàng)仿真表明,確定合理的周期取值區(qū)間,有利于改進(jìn)所提算法的調(diào)度性能.

圖9 調(diào)度成功率與周期范圍關(guān)系圖Fig.9 Relationship between schedulable ratio and period range

調(diào)度成功率與可用頻點(diǎn)數(shù)量之前的關(guān)系如圖10所示.頻點(diǎn)數(shù)從2 開始,連續(xù)增加到8,其余參數(shù)情況為:d=40,P′=27～9,η=6,α= 3 %,β=0.6,λ=3,?=0.8,υ=0.75.圖10 表明所提調(diào)度算法的調(diào)度成功率在頻點(diǎn)數(shù)量變化的情況下高于對(duì)比算法.從該圖中還可以看出,由于對(duì)比算法未考慮調(diào)度重傳,在固定的周期范圍內(nèi),每次調(diào)度過(guò)程都受到丟包的影響,頻點(diǎn)的增加并未達(dá)到有效提高調(diào)度成功率的效果.而所提算法的成功率在可用頻點(diǎn)數(shù)量從2 增長(zhǎng)到4 時(shí)變大,后續(xù)再增加頻點(diǎn)數(shù)則基本保持不變.這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因在于,增加頻點(diǎn)數(shù)量,能夠提高調(diào)度容量;但當(dāng)頻點(diǎn)資源供應(yīng)充足時(shí),鏈路傳輸沖突則成為制約調(diào)度能力的主要因素,從而影響調(diào)度成功率的進(jìn)一步提高.

圖10 調(diào)度成功率與頻點(diǎn)個(gè)數(shù)關(guān)系圖Fig.10 Relationship between schedulable ratio and channel number

根據(jù)以上在不同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)下的調(diào)度算法性能測(cè)試結(jié)果可知,隨著網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的改變,調(diào)度算法的性能也會(huì)隨之發(fā)生變化.因此,在使用調(diào)度算法時(shí)需要根據(jù)具體情況盡可能合理地選擇網(wǎng)絡(luò)參數(shù),提高調(diào)度算法成功率.具體到實(shí)際的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),本文所提出的兩種調(diào)度算法適合應(yīng)用在對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求高的監(jiān)視類應(yīng)用或過(guò)程控制應(yīng)用場(chǎng)景中.其中,DS-CR 方法執(zhí)行簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)在低復(fù)雜度的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中;而DS-IWR 算法調(diào)度效果更好,適合應(yīng)用在資源相對(duì)富裕、操作更加靈活的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中.值得說(shuō)明的是,在調(diào)度算法中引入重傳機(jī)制后,會(huì)產(chǎn)生兩方面的影響.一方面,借助于建立重傳鏈路,失敗的包可以再次被調(diào)度傳輸,緩解了因?yàn)閬G包導(dǎo)致的調(diào)度失敗問(wèn)題;另一方面,重傳鏈路的引入會(huì)占用一定的時(shí)槽、頻點(diǎn)資源,在一些網(wǎng)絡(luò)資源比較緊張的場(chǎng)景中,有可能會(huì)引起部分通信流的資源延遲安排,影響這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性.因此,在確定性調(diào)度算法中考慮重傳問(wèn)題,可視為在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)與可靠之間進(jìn)行均衡.

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在建立工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)調(diào)度模型的基礎(chǔ)上,分析了通信流調(diào)度的必要條件和動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)確定方法,針對(duì)持續(xù)重傳和區(qū)間重傳兩種重傳策略,分別提出了DS-CR 算法和DS-IWR 算法.仿真結(jié)果表明,所提出的兩種調(diào)度算法相比經(jīng)典的實(shí)時(shí)調(diào)度算法和C-LLF 算法,在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟包的情況下,可以取得更高的調(diào)度成功率,保證了傳輸可靠性,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)與可靠之間的有效均衡.下一步將考慮對(duì)調(diào)度算法與路由協(xié)議進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì),通過(guò)雙重優(yōu)化進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)整體調(diào)度性能.