黃 聰，董利達(dá)，管林波

(浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，杭州310027)

隨著無線技術(shù)、傳感技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已然成為焦點。2007年，HCF在其HART的基礎(chǔ)上提出無線HART，這是第一個專門面向工業(yè)過程自動化的通信協(xié)議[1]。無線HART規(guī)范采用了TDMA時間同步技術(shù)，并提出了Graph路由這種能在復(fù)雜多變的通信環(huán)境中高可靠傳遞數(shù)據(jù)的路由方式，除此之外還應(yīng)用了用于防干擾的跳頻技術(shù)，使得其網(wǎng)絡(luò)的魯棒性大大高于其他無線網(wǎng)絡(luò)。

與其他大部分無線網(wǎng)絡(luò)不同的是，無線HART網(wǎng)絡(luò)是由網(wǎng)絡(luò)管理器集中管理控制的，路由和通信資源的維護和配置是由網(wǎng)絡(luò)管理器負(fù)責(zé)的。網(wǎng)絡(luò)管理器為申請加入節(jié)點和離開節(jié)點建立和回收路由和通信資源，并定期收集網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的信息優(yōu)化拓?fù)?，?yōu)化網(wǎng)絡(luò)。

無線HART規(guī)范中采用的是先應(yīng)式路由協(xié)議，包括兩種路由方式，Graph圖表路由和Source源路由。由于是事先計算好的路由，需要定期進行維護，因此與按所需路由相比，先應(yīng)式路由協(xié)議和中心化調(diào)度增大了網(wǎng)絡(luò)維護的開銷。路由開銷通常是由路由存儲開銷和路由維護開銷組成，路由存儲開銷是節(jié)點所需的路由表單存儲空間，而路由維護開銷指的是路由維護時所需要的控制命令數(shù)。路由開銷是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的一個非常重要的指標(biāo)，較大的開銷將會給網(wǎng)絡(luò)的運行帶來負(fù)面影響。

1 背景及相關(guān)研究

1．1 無線HART網(wǎng)絡(luò)

無線HART網(wǎng)絡(luò)支持Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，一個基本的無線HART網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)管理器、網(wǎng)關(guān)、AP接入點和現(xiàn)場設(shè)備[3]組成。網(wǎng)絡(luò)中主要存在兩種數(shù)據(jù)流，一種是設(shè)備節(jié)點采集數(shù)據(jù)發(fā)至網(wǎng)關(guān);另一種是網(wǎng)關(guān)到設(shè)備節(jié)點的控制和管理數(shù)據(jù)流。

圖1 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]

無線HART規(guī)范中定義的路由協(xié)議是一種中心管理控制的先應(yīng)式路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)管理器負(fù)責(zé)收集整個網(wǎng)絡(luò)的信息然后為每個節(jié)點計算路由并分配GraphId，最后為每個節(jié)點配置到網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的下一跳的Connection信息(節(jié)點只存儲下一跳信息)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點并不需要自己尋找路由，只需要在發(fā)送數(shù)據(jù)包時查詢網(wǎng)絡(luò)管理器事先配置好的路由信息，然后根據(jù)通信資源的情況發(fā)給最先可用的下一跳鄰居。無線HART規(guī)范中采用兩種路由方式，Graph路由和Source路由。Graph路由是一種全冗余路由，路由中的每一跳都至少擁有兩個下一跳的選擇。這種路由方式使得數(shù)據(jù)包在路由路徑中的某節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)也仍能成功發(fā)往目的地，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的健壯性，但其復(fù)雜性也使得網(wǎng)絡(luò)維護變得困難，網(wǎng)絡(luò)維護的代價較高。

無線HART規(guī)范中還定義了另一種路由方式:Source路由，這是一種單徑路由，它嚴(yán)格指定數(shù)據(jù)通信途中的每一跳地址，這種路由方式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以不知道路由，只需要按照數(shù)據(jù)包中指定的下一跳地址轉(zhuǎn)發(fā)即可。

1．2 研究現(xiàn)狀

無線傳感器路由協(xié)議[4－6]的研究已經(jīng)很多，大部分是基于分布式網(wǎng)絡(luò)，AODV[4]協(xié)議是其中最著名的之一，Zigbee協(xié)議規(guī)范正是采用這種路由協(xié)議。它是按所需路由協(xié)議，只有向目的節(jié)點發(fā)送包時，源節(jié)點才在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找過程，找到相應(yīng)的路由。當(dāng)鏈路斷掉，源節(jié)點需要重新發(fā)起路由查找的過程。

中心管理控制網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)中心進行計算、維護和配置路由，對于這種中心管理控制網(wǎng)絡(luò)路由算法也已經(jīng)有不少的研究，大部分都是TBR(Tree-Based Routing)算法，即基于樹的路由算法。文獻(xiàn)[7]提出過多的Intra-mesh流會讓中心Root負(fù)擔(dān)過大，為了減輕中心Root的負(fù)擔(dān)提出了RDR算法，其中提到了如何修復(fù)路由樹。文獻(xiàn)[8]中路由算法同樣是通過構(gòu)建路由樹的方式，它采用孩子個數(shù)作為構(gòu)建路由樹的參數(shù)考慮之一。文獻(xiàn)[9－10]構(gòu)建路由樹的主要思想是將Graph拓?fù)湎确謱?，再根?jù)一定的規(guī)則選擇雙親。這些基于路由樹的路由算法得到的路由僅是一條單路徑路由，其可靠性低，與Graph路由有一定的差距，并不適合無線HART網(wǎng)絡(luò)。單徑路由可靠性低，一旦其中有個鏈路斷掉則不能通信，多徑路由[11]相比于單徑路由增加了可靠性，研究者通常通過構(gòu)造不相交(點不相交或邊不相交)的兩棵或多棵樹[12]來獲得兩條或多條路徑，但是獲得的多條路徑往往不能夠保證所有的路徑長度是相等的，即不能獲得多條最短路徑的路由。

也有少數(shù)對無線HART的Graph路由算法的研究，文獻(xiàn)[13]將Graph路由和AODV做比較，指出Graph路由在吞吐量和延遲方面具有一定的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[14]提出的路由算法采用分層Graph的思想，但沒有涉及到節(jié)點離開及更新機制。文獻(xiàn)[15]提出了一種GRAPH路由生成算法ELHFR和路由更新機制，根據(jù)拓?fù)銰raph和BFS樹來構(gòu)建子圖，其路由更新機制是周期性的重新生成子圖，這種方法必然會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)的大面積變動。文章還提出了加入過程和離開過程，其加入過程是通過構(gòu)建臨時路由然后再等周期更新來獲得正式的路由，這種方法導(dǎo)致節(jié)點加入過慢。文獻(xiàn)[16]提出一種基于BFS算法得到最短路徑Graph路由的方法，引入RSL作為鏈路質(zhì)量衡量標(biāo)準(zhǔn)，剔除質(zhì)量較差的鏈路和設(shè)置每跳的鄰居數(shù)上限而簡化Graph路由，但其同樣不支持節(jié)點逐個加入，且路由開銷大。

無線HART的Graph路由方式可靠性高，維護難，開銷大，在保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性的基礎(chǔ)上，盡量減少無用的路由路徑，降低路由開銷，同時也降低了路由對通信資源的需求，對于網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和減負(fù)具有重要的意義。本文為了解決無線HART網(wǎng)絡(luò)中Graph路由的高開銷的問題，提出了一種實用的路由策略。

2 路由算法及實現(xiàn)

無線HART網(wǎng)絡(luò)具有此特點:節(jié)點到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于網(wǎng)關(guān)到節(jié)點的數(shù)據(jù)流，而且節(jié)點到網(wǎng)關(guān)的服務(wù)一般是非ACK服務(wù)，即不需要端到端應(yīng)答和不需要端到端的重發(fā)，具有較高的實時性要求，容易造成堵塞;而網(wǎng)關(guān)到節(jié)點的服務(wù)一般是ACK服務(wù)，即需要端到端應(yīng)答，如果未收到應(yīng)答則會重發(fā);而且點對點之間具有重發(fā)和跳頻的功能，增加了路由的可靠性?；谶@些特點，同時為了減少Graph的存儲空間，本文通過構(gòu)造雙樹結(jié)構(gòu)，將Graph拓?fù)浜喕癁閮煽脴?，網(wǎng)關(guān)到節(jié)點的路由由多路徑路由代替，而節(jié)點到網(wǎng)關(guān)的路由則是全冗余Graph路由。

2．1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

本研究引入雙樹結(jié)構(gòu)，如圖2所示，圖2(a)為原始Graph拓?fù)?，圖2(b)為轉(zhuǎn)化后的雙樹拓?fù)洌筮吥强脴浞Q為母系樹，右邊的稱為父系樹。

圖2 雙樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文給予雙樹一些假定規(guī)則:

①同輩(層數(shù)即Level相同)之間不允許通信;

②相差兩輩或兩輩以上的節(jié)點之間不允許通信;

③父母親必須是同輩關(guān)系;

④每個節(jié)點的總孩子個數(shù)具有上限;

⑤每個節(jié)點均有父母親，若父母親均斷則該節(jié)點從雙樹中離開;

⑥樹枝斷掉后可嫁接修復(fù)，并不會破壞斷枝中的連接關(guān)系;

規(guī)則①、②和③保證了節(jié)點和網(wǎng)關(guān)之間的路由路徑長度均是相等的，且是最短路徑;規(guī)則4使整個網(wǎng)絡(luò)更加均衡;規(guī)則5和6增加了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，即使父母親有一個斷了仍然能夠正常通信，而且能夠很快的修復(fù)雙樹。另外，網(wǎng)絡(luò)管理器僅需存儲雙樹即可快速獲得每個節(jié)點的路由，而不需要存儲每個路由，從而減小了網(wǎng)絡(luò)管理器的路由存儲開銷，同時也減小了節(jié)點的路由表存儲開銷。

2．2 路由算法

無線HART網(wǎng)絡(luò)是一種集中管理控制型網(wǎng)絡(luò)，無論是路由生成、回收還是維護都需要網(wǎng)絡(luò)管理器進行計算，并下發(fā)命令配置給路由路徑中的每個節(jié)點。本節(jié)基于上節(jié)所描述的雙樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出Graph路由方式的實現(xiàn)算法。本節(jié)詳細(xì)描述對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點加入、離開和鏈路失敗等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖僄raph路由相應(yīng)的實現(xiàn)算法。

2．2．1 節(jié)點加入

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)生成時就會生成一個到達(dá)網(wǎng)關(guān)的上行路由(GraphId=0，以下簡稱路由0)，當(dāng)節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)管理器必須更新路由0，并為該節(jié)點生成新路由。以下是詳細(xì)的算法描述。

以圖3為例，假設(shè)節(jié)點7是正申請加入的節(jié)點，定時到時時獲得了雙向鄰居 3、4、5、6，其中 3、4、5離網(wǎng)關(guān)距離較近且相同，則母系樹從左到右搜索，優(yōu)先選擇了母系孩子數(shù)最少的節(jié)點4作為母親，同理父系樹從右到左搜索，選擇了3作為父親。最終添加到雙樹中。

圖3 雙樹生長

此算法使得所生成的路由路徑最短，從而減小了傳輸延時;雙樹父母親搜索方向的不同使雙樹之間的關(guān)聯(lián)小，即使其中一棵樹斷了仍然能夠正常通信。而且新加入節(jié)點成為樹的葉子節(jié)點從而不會對網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的下行路由造成影響，只需增加加入節(jié)點的下行路由以及更新路由0，涉及的節(jié)點減少，所需的管理維護配置開銷也就減小。

2．2．2 節(jié)點鏈路失敗

當(dāng)節(jié)點從雙樹斷開時，形成斷枝(由該節(jié)點與其子孫構(gòu)成)，會影響斷枝節(jié)點的下行路由和路由0，網(wǎng)絡(luò)管理器必須更新相應(yīng)路由，回收相關(guān)路由路徑。算法如下。

此算法由于節(jié)點的離開只對樹結(jié)構(gòu)下的斷枝節(jié)點的下行路由以及路由0造成影響，而且由于斷枝節(jié)點之間并未斷開，因此不需要刪除它們之間的Connections，所以路由配置開銷也相應(yīng)減少。

2．2．3 節(jié)點路由定時更新

網(wǎng)絡(luò)管理器定期掃描路由樹，通過選擇繼父母來修復(fù)路由樹。以下是詳細(xì)的算法描述。

此算法在更新時只對樹結(jié)構(gòu)下的斷枝節(jié)點的下行路由以及路由0造成影響。由于雙樹是嫁接修復(fù)的，在路由回收時，斷枝節(jié)點之間的Connections并未回收，因此不需要為斷枝節(jié)點增加新的下行路由Connections。所以路由配置開銷也相應(yīng)減少。

如果節(jié)點未離開網(wǎng)絡(luò)，均可沿著雙樹路徑達(dá)到該節(jié)點，如果該節(jié)點雙樹中的雙路徑均不能到達(dá)，則網(wǎng)絡(luò)管理器使用臨時的Source路由來修復(fù)雙樹。

圖4 Source路由方式修復(fù)雙樹

3 結(jié)論與分析

3．1 建立實驗環(huán)境

實驗測試平臺為搭建的無線HART基本網(wǎng)絡(luò)，包括網(wǎng)絡(luò)管理器、網(wǎng)關(guān)、AP和現(xiàn)場設(shè)備，均是在CC2430－f128通信模塊實現(xiàn)的，其中采用了文獻(xiàn)[17－18]提出的同步策略。網(wǎng)絡(luò)管理器和網(wǎng)關(guān)通過有線連接，而網(wǎng)關(guān)和AP捆綁在一塊。另外網(wǎng)絡(luò)管理器和網(wǎng)關(guān)均與PC機相連，用于監(jiān)測整個網(wǎng)絡(luò)的情況以及觀測現(xiàn)場設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 無線HART基本網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測

選用的拓?fù)鋱D如圖6所示，共16個節(jié)點，其中0號節(jié)點是網(wǎng)關(guān)，其余的均是普通節(jié)點。每個節(jié)點，都有多個鄰居節(jié)點以保證冗余度。在生成樹之后，相同Level的節(jié)點的鄰居是相同的，且鄰居的通信質(zhì)量也是相同的，因此是等價的，以便于分析。由于網(wǎng)絡(luò)的運行，除了路由之外還需要網(wǎng)絡(luò)管理器進行通信資源的調(diào)度，本文采用靜態(tài)調(diào)度方式，超幀長度為100，超幀中為每個Connection分配一個通信資源。圖7簡單的示意了分配的超幀。

圖6 實驗拓?fù)鋱D

3．2 實驗測試

3．2．1 成功率

設(shè)置干擾源，分別以3%(弱干擾)和10%(強干擾)的概率干擾全網(wǎng)絡(luò)，然后實測端到端的單向傳送成功率。網(wǎng)絡(luò)中端到端傳送均采用無重發(fā)模式，而點對點保留重發(fā)和跳頻功能，重發(fā)次數(shù)為M次，測試結(jié)果見圖8。

實驗結(jié)果顯示，本方案的端到端的傳送成功率實測值由于自身鏈路的質(zhì)量以及程序的影響，較低于理論值，且低于不使用本方案的Graph路由，但相差并不是很大。當(dāng)全網(wǎng)干擾時，下行雙路徑路由的成功率比上行Graph路由的成功率略低，但基本相同。這是由于無線HART網(wǎng)絡(luò)中點對點的重發(fā)和跳頻機制降低了下行雙路徑路由的失敗率，使得下行雙路徑路由仍然具有較高的可靠性。而在強干擾的情況下，只要提高重發(fā)次數(shù)即可保證較高的可靠性。

圖7 超幀示意圖

圖8 端到端傳送成功率測試圖

設(shè)置干擾源，分別以3%(弱干擾)和10%(強干擾)的概率干擾全網(wǎng)絡(luò)，然后實測端到端的雙向通信成功率。一次雙向通信成功指的是發(fā)送方接收到接收方的應(yīng)答包。端到端傳送采用重發(fā)模式，重發(fā)次數(shù)為N次，而點對點保留重發(fā)和跳頻功能，重發(fā)次數(shù)M=2次，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 端到端雙向通信成功率測試圖

而實驗結(jié)果顯示，本方案的下行端到端的通信成功率在重發(fā)的機制下變得相對的可靠，高于無線HART網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)通信可靠性的要求(3σ，99．730 020 4%)。而在強干擾的情況下，只要提高端到端的重發(fā)次數(shù)即可保證較高的可靠性。而無線HART規(guī)范中定義的默認(rèn)重發(fā)次數(shù)為5。因此本文所提出的路由方案雖然簡化了Graph路由，但仍然具有較高的可靠性。

3．2．2 路由存儲開銷

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，既要存儲到達(dá)網(wǎng)關(guān)上行路由表，又要存儲所有的需要其作為路由器的下行路由表，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大時，存儲空間就會變得很緊張。如圖10所示，縱坐標(biāo)Connection開銷指的是節(jié)點所需存儲路由的Connection的個數(shù)，從圖中可知越靠近網(wǎng)關(guān)路由存儲開銷越大，本方案減小了路由存儲的開銷，并且越靠近網(wǎng)關(guān)節(jié)點所需存儲Connection的個數(shù)增加的幅度減小。另外，網(wǎng)絡(luò)管理器需要存儲整個網(wǎng)絡(luò)必要的路由信息，使得能夠快速獲得每個節(jié)點的路由。本文策略中僅需存儲雙樹即可表示整個網(wǎng)絡(luò)的路由信息以及快速獲得每個節(jié)點的路由，而不需要存儲每個路由，從而減小了網(wǎng)絡(luò)管理器的路由存儲開銷。

圖10 connection開銷示意圖

3．2．3 路由維護開銷

路由維護開銷主要來自3部分，分別是節(jié)點加入、離開和更新時產(chǎn)生的開銷。以下對路由維護開銷的評估均分為2部分:影響路由，即Graph的個數(shù)和維護路由所需管理命令的個數(shù)。其中影響Graph個數(shù)在一定程度上體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓瘜φ麄€網(wǎng)絡(luò)的影響大小，而維護管理命令個數(shù)直接體現(xiàn)了路由維護開銷的大小。

①加入過程

分別測試對于不同Level的申請加入節(jié)點的加入過程的路由維護開銷。如圖11所示，本文策略由于加入節(jié)點成為樹的葉子節(jié)點從而不會對網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的下行路由造成影響，只需增加節(jié)點的下行路由以及更新路由0，因此其影響的Graph個數(shù)固定為2。加入節(jié)點距離網(wǎng)關(guān)越近，它新增加的路由路徑短，所涉及的節(jié)點少，所需的配置開銷也就越少。而未使用本方案的Graph路由則相反，當(dāng)距離網(wǎng)關(guān)越近，所影響的Graph越多，那么所需的配置開銷也相應(yīng)越多。

圖11 加入過程路由開銷示意圖

從圖中可知，未使用本方案的Graph路由所下發(fā)的管理命令較多，影響范圍大，嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)的效率，加入速度慢。本文提出的方案對于節(jié)點加入時所需的路由維護開銷較小，影響范圍小，并支持單節(jié)點逐個加入網(wǎng)絡(luò)。

②離開過程

圖12 離開過程路由開銷示意圖

分別測試不同Level的申請離開節(jié)點的離開過程的路由維護開銷。如圖12所示，本文策略由于節(jié)點的離開只對樹結(jié)構(gòu)下的斷枝節(jié)點的下行路由以及路由0造成影響。而未使用本方案的Graph路由策略，節(jié)點離開會對網(wǎng)絡(luò)中層次大于離開節(jié)點的大部分節(jié)點造成影響。因此相比之下，本文策略影響的節(jié)點個數(shù)減少，影響的Graph個數(shù)也減少，配置開銷也減少。

③更新過程

分別測試對于不同Level的節(jié)點路由更新過程的路由維護開銷。本測試所采用的情形是刪除一條路徑并增加一個新的路徑。圖13中只顯示了單個節(jié)點的開銷情況。測試結(jié)果表明，本文策略由于節(jié)點路徑的刪除和增加只對樹結(jié)構(gòu)下的斷枝節(jié)點的下行路由以及路由0造成影響，從而影響的節(jié)點個數(shù)減少，影響的Graph個數(shù)也減少，配置開銷也減少。

圖13 更新過程路由開銷示意圖

4 結(jié)論

本文針對無線HART網(wǎng)絡(luò)的特點，提出了一種基于雙樹結(jié)構(gòu)的路由策略。該方法簡化了無線HART協(xié)議中提出的Graph路由，得到了較好結(jié)果。本文以CC2430通信模塊為實驗平臺進行測試，實測表明:雖然簡化了Graph路由，但其可靠性仍然較高，卻減小了路由存儲和維護的開銷，并很好的支持節(jié)點逐個加入和離開。此方法提高了網(wǎng)絡(luò)的效率，為無線HART的路由算法提出了一種實用的方案。

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