專利名稱：一種基于p堅持策略的csma工業(yè)控制網(wǎng)絡調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)控制網(wǎng)絡調(diào)度算法，特別涉及基于P堅持算法的CSMA (Carrier Sense Multiple Access)工業(yè)控制網(wǎng)絡調(diào)度策略。
背景技術(shù)：
網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(Networked Control System, NCS)是利用實時網(wǎng)絡將在空間上分布的 傳感器、執(zhí)行器、控制器以及執(zhí)行其它功能的節(jié)點連接起來所組成的系統(tǒng)，其中網(wǎng)絡是 掛接在其上的各個節(jié)點相互通信的通道，各節(jié)點通過一定的調(diào)度策略分時占用網(wǎng)絡，完 成各自數(shù)據(jù)包的發(fā)送。
由于與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，NCS具有高系統(tǒng)可靠性、低維護成本、強抗干擾性以 及便于系統(tǒng)安裝集成和故障診斷等優(yōu)勢，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)已成為近幾年控制領(lǐng)域研究的熱 占之一。
但在NCS中，時延、數(shù)據(jù)包丟失、亂序等問題會使系統(tǒng)控制性能惡化，甚至使系統(tǒng) 不穩(wěn)定。通過合理的網(wǎng)絡調(diào)度策略，可以有效地降低時延、丟包和亂序等對控制性能的 影響。目前常用的工業(yè)網(wǎng)絡介質(zhì)訪問控制方法有CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)結(jié)構(gòu)，如工業(yè)以太網(wǎng)；令牌環(huán)網(wǎng)，如PROFIBUS(Process Fieldbus)總線、FIP(Factory Instrumentation Protocol) 、 P-NET總線、FF(Foundation Fieldbus)、 ControlNet總線等；基于優(yōu)先級的總線結(jié)構(gòu)，如CAN (Controller Area Network)總線、DeviceNet總線等。
針對這些工業(yè)網(wǎng)絡，目前常用的調(diào)度策略包括靜態(tài)調(diào)度策略、動態(tài)調(diào)度策略和混 合調(diào)度策略。在靜態(tài)調(diào)度策略中速率單調(diào)(Rate Monotonic， RM)是最為典型和廣泛使用 的靜態(tài)調(diào)度策略，其根據(jù)采樣頻率確定優(yōu)先級，采樣回路越高，數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級就越高。 當多個數(shù)據(jù)包競爭網(wǎng)絡資源時，各數(shù)據(jù)包按照事先分配的優(yōu)先級逐次發(fā)送，適合于NCS 的周期數(shù)據(jù)。由于靜態(tài)調(diào)度策略難以適應網(wǎng)絡中信息流的時變性，人們提出了多種動態(tài) 化的調(diào)度策略，以合理地利用阿絡資源。最大誤差優(yōu)先一嘗試一一次丟棄 (Maximum-Error-First with Try-Once-Discard, MEF-T0D)基于在線獲取網(wǎng)絡誘導傳輸 誤差，動態(tài)分配網(wǎng)絡帶寬，當多個節(jié)點發(fā)生沖突，最大權(quán)誤差的節(jié)點優(yōu)先傳輸數(shù)據(jù)；基 于死區(qū)的調(diào)度策略在確保系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上動態(tài)地丟棄一定比率的數(shù)據(jù)，以減輕網(wǎng)絡負載；優(yōu)先級提升一分布式優(yōu)先級排隊(Priority Promotion and Distributed Priority Queue)通過擴展標識字段可以調(diào)度網(wǎng)絡中的實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)；基于時間窗的調(diào)度 策略將基本傳輸周期分為周期時間窗和非周期時間窗，動態(tài)交替擴展兩類時間窗傳輸數(shù) 據(jù)，但要求離線分割好時間窗，且要求網(wǎng)絡一些參數(shù)已知?？紤]數(shù)據(jù)實時性要求不同， 分別采用不同的調(diào)度策略，以提高網(wǎng)絡資源的可調(diào)度性。如針對CAN總線的混合通信調(diào) 度(Mixed Traffic Scheduler, MTS)等。
但是，目前針對調(diào)度策略的研究大多用于網(wǎng)絡協(xié)議本身支持優(yōu)先級的C緒總線等。 令牌環(huán)網(wǎng)通過令牌在網(wǎng)絡中的傳遞實現(xiàn)各節(jié)點順序通信，使其通信具有最大的時延上 限，并且時延抖動較小。但是其無法區(qū)分發(fā)送信息的緊急程度，各節(jié)點地位全部平等。 對于加入調(diào)度機制的令牌環(huán)網(wǎng)和CSMA/CD網(wǎng)絡，往往采用的方法是在網(wǎng)絡中有一個指定 的或自動生成維護的調(diào)度節(jié)點，該節(jié)點通過偵聽網(wǎng)絡獲得網(wǎng)絡全局信息，以全局優(yōu)化為 目標按照一定的調(diào)度策略制定網(wǎng)絡中各節(jié)點的優(yōu)先級，網(wǎng)絡中其它節(jié)點在調(diào)度節(jié)點的統(tǒng) 一調(diào)度下逐次占用網(wǎng)絡資源進行通信。而這樣的機制不但增加了網(wǎng)絡負載，降低了通信 效率；而且使得調(diào)度節(jié)點在網(wǎng)絡中變得尤為重要，成為網(wǎng)絡的瓶頸，其處理速度成為網(wǎng) 絡通信帶寬最大利用率的重要影響，更為重要的是，若調(diào)度器損壞將使網(wǎng)絡陷入癱瘓。
目前工廠的整體網(wǎng)絡常采用分級結(jié)構(gòu)，底層為現(xiàn)場級的工業(yè)網(wǎng)絡，用于連接控制器、 傳感器、執(zhí)行器以及監(jiān)控站、工程師站等節(jié)點；上層釆用以太網(wǎng)與企業(yè)的數(shù)據(jù)庫、信息 管理系統(tǒng)(Management Information System, MIS)等連接，甚至接入外部Internet。底 層控制網(wǎng)絡若使用專用的現(xiàn)場總線其安裝和維護成本往往是很高的，并且與上層管理層 進行信息交互需要進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，使網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜，不利于管理層對底層網(wǎng)絡的直接訪 問和遠程控制。所以，如何使控制層網(wǎng)絡與管理層網(wǎng)絡更加有效地集成是目前工業(yè)網(wǎng)絡 的一個發(fā)展趨勢。而如何適應工業(yè)及網(wǎng)絡的實時需要，同時能夠與現(xiàn)有以太網(wǎng)絡無縫集 成，目前卻少有突破性成果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有的技術(shù)不足，提出一種基于P堅持策略的CSMA工
業(yè)控制網(wǎng)絡調(diào)度方法，該方法通過全分散化網(wǎng)絡調(diào)度，避免了由于網(wǎng)絡上存在集中的調(diào) 度器導致的瓶頸和可能的網(wǎng)絡癱瘓問題，實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡的控制要求。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案 一種基于P堅持策略的CSMA工業(yè)控制網(wǎng)絡調(diào)度方法，其特點 在于工業(yè)網(wǎng)絡上每個數(shù)據(jù)發(fā)送端均配有對應的調(diào)度器和與之配合的觸發(fā)器，觸發(fā)器為調(diào)度 器工作周期性發(fā)出觸發(fā)信號；調(diào)度器作為數(shù)據(jù)發(fā)送端與工業(yè)網(wǎng)絡間的選通設備，決定數(shù)據(jù)是 否發(fā)送、何時發(fā)送，具體調(diào)度方法如下-(1) 調(diào)度器等待觸發(fā)器發(fā)出觸發(fā)信號；
(2) 調(diào)度器偵聽工業(yè)網(wǎng)絡，按照工業(yè)網(wǎng)絡繁忙或空閑累積刷新其內(nèi)的網(wǎng)絡負載估計；
(3) 對于工業(yè)網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)發(fā)送端為控制器或傳感器時，調(diào)度器從數(shù)據(jù)發(fā)送端接收待發(fā) 送數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)的重要程度和步驟(2)中的網(wǎng)絡負載估計情況，計算該次發(fā)送數(shù)據(jù)包的 發(fā)送概率；對于工業(yè)網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)發(fā)送端為非實時數(shù)據(jù)發(fā)送端時，調(diào)度器按照步驟(2)中 網(wǎng)絡負載估計情況計算發(fā)送數(shù)據(jù)包的發(fā)送概率；
(4) 所有的工業(yè)網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)發(fā)送端，按步驟(3)中計算^發(fā)送概率發(fā)送數(shù)據(jù)包；
(5) 對于控制器或傳感器端，若成功發(fā)送數(shù)據(jù)，則清空調(diào)度器中的積分器，返回步驟(l)， 重復執(zhí)行步驟(1) 一 (4);若控制器或傳感器端不發(fā)送數(shù)據(jù)，則累加調(diào)度器中的積分器， 返回步驟(1)，重復執(zhí)行步驟(1) 一 (4);若工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)生沖突，則調(diào)度器退避等待， 返回步驟(1)，重復執(zhí)行步驟(1) 一 (4);
(6) 對于非實時數(shù)據(jù)發(fā)送端，若成功發(fā)送數(shù)據(jù)，則返回步驟(1)，重復執(zhí)行步驟(1) 一 (4),發(fā)送下一數(shù)據(jù)包；若不發(fā)送數(shù)據(jù)，返回步驟(1)，重復執(zhí)行步驟(1) 一 (4)，發(fā)
送同一數(shù)據(jù)包；若工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)生沖突，則調(diào)度器退避等待，返回步驟(1)，重復執(zhí)行步驟 (1) — (4)，發(fā)送同一數(shù)據(jù)包。
所述步驟(3)中對于控制器和傳感器端，其數(shù)據(jù)的重要程度通過微分一積分的方式衡 量，即a.本次發(fā)送數(shù)據(jù)與上次成功發(fā)送數(shù)據(jù)之差的范數(shù)越大，數(shù)據(jù)越重要；b.調(diào)度器中的 積分器中累積的數(shù)字越大，數(shù)據(jù)越重要;兩者同時考慮。 所述步驟(3)中的網(wǎng)絡負載估計方法為 若工業(yè)網(wǎng)絡繁忙，則按下式(1)刷新估計值
^=〃 + (1-/5)^ (1)
若工業(yè)網(wǎng)絡空閑，則按下式(2)刷新估計值
其中0<-<<1，即接近于零，遠小于1， 為刷新前網(wǎng)絡負載估計值，&+|為刷新
后網(wǎng)絡負載估計值。
所述步驟(3)中的計算該次發(fā)送數(shù)據(jù)包的發(fā)送概率的公式為
所述的調(diào)度器退避等待時間按二進制指數(shù)算法得到，當?shù)却龝r間到達，重置觸發(fā)器，使
其中尸=
X2， ￡為常數(shù)，^為允許的最大發(fā)送概率觸發(fā)器下一次發(fā)送觸發(fā)信號時間為退避等待結(jié)束時間。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于-
(1) 本發(fā)明針對傳統(tǒng)的CSMA/CD網(wǎng)絡用于工業(yè)控制網(wǎng)絡中存在的諸多問題，通過 修改必要的網(wǎng)絡協(xié)議，建立了一種P堅持CSMA/CD網(wǎng)絡，與傳統(tǒng)的P堅持網(wǎng)絡相比，該 網(wǎng)絡不修改幀格式，可以與傳統(tǒng)以太網(wǎng)兼容，同時網(wǎng)絡中不需要特定的調(diào)度器，消除了 集中調(diào)度器這一網(wǎng)絡瓶頸，避免了調(diào)度所占用的帶寬，提高了網(wǎng)絡有效利用率；去除了 由于調(diào)度器失效造成網(wǎng)絡整體癱瘓的隱患，提高了網(wǎng)絡運行的穩(wěn)健性；當網(wǎng)絡中有新設 備接入時網(wǎng)絡設置僅需很小修改，甚至不需要修改，實現(xiàn)了網(wǎng)絡設備的"即插即用"； 控制器和傳感器端在不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時減少數(shù)據(jù)包的發(fā)送量，減輕了網(wǎng)絡負載，在需要 發(fā)送時可以有更快的響應，提高了系統(tǒng)的響應速度；非實時信號受限發(fā)送，不與實時信 號爭搶帶寬；緊急信號有最高的優(yōu)先級，可以在最短時間內(nèi)通過網(wǎng)絡傳送。
(2) 本發(fā)明通過積分-微分方式判斷實時周期數(shù)據(jù)包的重要程度，進而決定數(shù)據(jù)發(fā) 送的概率，通過本發(fā)明的方法既可以保證相對重要的數(shù)據(jù)包的發(fā)送，同時按網(wǎng)絡負載適 當壓縮相對次要的數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡占用。
(3) 本發(fā)明可簡單快速估計網(wǎng)絡負載，從而對調(diào)度器工作起到輔助作用。
(4) 本發(fā)明的計算數(shù)據(jù)包發(fā)送的概率綜合考慮了網(wǎng)絡負載情況和數(shù)據(jù)包重要程度， 在概率意義下區(qū)分了緊急信號、相對重要的實時周期信號、相對次要的周期信號以及非 實時信號的優(yōu)先級。
(5) 本發(fā)明利用二進制指數(shù)退避時間的隨機性重置觸發(fā)器，保證了網(wǎng)絡中不會存 在兩個觸發(fā)器的觸發(fā)時間一直處于沖突時間內(nèi)，從而避免了沖突在相同兩個網(wǎng)絡節(jié)點上 頻繁發(fā)生。


圖1為本發(fā)明現(xiàn)場級網(wǎng)絡整體示意圖，其中包括控制器端和執(zhí)行器一被控對象一傳 感器端等發(fā)送實時周期信號的網(wǎng)絡節(jié)點，以及其他發(fā)送緊急信號以及非實時信號的網(wǎng)絡 其它節(jié)點；
圖2為本發(fā)明傳感器端以及網(wǎng)絡中用于控制單個被控對象控制器輸出端調(diào)度器工作 流程圖3為本發(fā)明單個控制器控制多個執(zhí)行器時控制器輸出端的調(diào)度器工作流程圖； 圖4為本發(fā)明非實時信號端的調(diào)度器工作流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明采用混合調(diào)度策略，共包含三種調(diào)度機制，分別應用于工業(yè)網(wǎng)絡中傳輸?shù)膶崟r周期信號、非實時信號和緊急信號。
直接實現(xiàn)設備控制的現(xiàn)場級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示，在每個節(jié)點的輸出端加上調(diào)度器， 各調(diào)度器間獨立工作，僅對自身節(jié)點的輸出與否加以控制，其調(diào)度器分為三種
1. 控制器、傳感器端實時周期信號調(diào)度策略 采用時間觸發(fā)方式，利用P堅持算法確定數(shù)據(jù)包是否被輸送。
1) 傳感器端調(diào)度器、每個控制器控制單個被控對象時控制器輸出端調(diào)度器，其 調(diào)度器運行流程如圖2所示。
i.當收到觸發(fā)信號后刷新網(wǎng)絡負載估計，調(diào)度器接收控制器欲傳輸?shù)目刂菩?號，否則等待。
ii.調(diào)度器根據(jù)控制信號重要程度和網(wǎng)絡負載情況綜合考慮，計算發(fā)送概率P。
iii.控制器按概率P發(fā)送數(shù)據(jù)包，若成功發(fā)送，則回到步驟i;若未發(fā)送，則運
行步驟iv，若發(fā)生沖突，則運行步驟v。 iv.累加積分器，回到步驟i 。
v.利用二進制指數(shù)退避算法等待一定時延，重置觸發(fā)器，回到步驟i 。
2) 單控制器控制多個被控對象時控制器輸出端調(diào)度器 其調(diào)度器運行流程如圖3所示。
i.收到觸發(fā)信號，調(diào)度器接收欲發(fā)送給各執(zhí)行器的控制信號。 ii.調(diào)度器根據(jù)控制信號重要程度和網(wǎng)絡負載情況綜合考慮，計算發(fā)送概率
iii.將S按照從大到小順序排列，形成新概率數(shù)組/^。
iv. 令/ = 1。
V.若網(wǎng)絡空附，則按概率/J,i發(fā)送數(shù)據(jù)包，若不發(fā)送，貝!』/ = !' + 1，返回步驟V。 vi.若發(fā)生沖突，則按二進制指數(shù)退避算法等待一定時延，重置觸發(fā)器，并返回
步驟i 。
vii.若未全部發(fā)送完成時收到觸發(fā)信號，則對所有輸出量運行積分器，刷新網(wǎng)絡 負載估計，并重新對^排序，返回步驟iv。
viii.返回步驟i 。
2. 非實時信號調(diào)度策略 其調(diào)度器運行流程如圖4所示。
i.收到觸發(fā)信號，則跳至步驟ii，否則等待。ii.若網(wǎng)絡空閑且仍有數(shù)據(jù)包發(fā)送，則刷新網(wǎng)絡負載估計，按指定概率g發(fā)送數(shù) 據(jù)包。若不發(fā)送，則跳至步驟i ，若發(fā)生沖突，則跳至步驟iii，若發(fā)送成功， 或無數(shù)據(jù)包等待發(fā)送，則返回步驟i 。 iii.按二進制指數(shù)退避算法等待一定時延，重置觸發(fā)器，返回步驟i 。 3.緊急信號調(diào)度策略 按傳統(tǒng)以太網(wǎng)調(diào)度策略發(fā)送。
本發(fā)明共設計三種調(diào)度策略，分別針對發(fā)送控制信號和傳感器信號的周期性實時信 號的網(wǎng)絡節(jié)點；發(fā)送大量非實時信號的網(wǎng)絡節(jié)點；發(fā)送緊急信號的網(wǎng)絡節(jié)點。 下面對這三種調(diào)度策略分別進行詳細說明 一、控制信號、傳感器信號調(diào)度策略
設某控制器欲輸出的控制信號或某傳感器欲輸出傳感信號為r，其最大輸出量為 rmax。如圖i所示，時間觸發(fā)器每7;時間向調(diào)度器發(fā)出觸發(fā)信號。假設執(zhí)行器端設有零 階保持器(Zero Order Holder, Z0H)，控制器、傳感器輸出端帶有一個單位的緩存，用 于存儲準備發(fā)送的數(shù)據(jù)y，當有新數(shù)據(jù)準備發(fā)送時，將自動刷新緩存中的內(nèi)容。調(diào)度器 帶有兩個單元的緩存，其一用于存儲上一次成功發(fā)送的輸出信號《，另一個作為積分器存儲。
(一)、傳感器端、控制單執(zhí)行器控制器端調(diào)度策略-
1、 初始化調(diào)度器積分器清零/ = 0，網(wǎng)絡負載估計量"-0， "=0;
2、 若收到觸發(fā)器觸發(fā)信號，刷新網(wǎng)絡負載估計 偵聽網(wǎng)絡，設刷新前0"值為^，刷新后CT值為C7w。
若網(wǎng)絡繁忙，則
<formula>formula see original document page 9</formula> (1) 若網(wǎng)絡空閑，貝廿
<formula>formula see original document page 9</formula>
3、 調(diào)度器從緩存中提取最新輸出信號y和上一次成功發(fā)送的數(shù)據(jù)信號K。
4、 計算x值，用以表征發(fā)送量重要程度.-<formula>formula see original document page 9</formula>
計算發(fā)送概率P:P' = ^~X2 (4)
f尸' 尸'" ，、
尸= , 5
k 尸'> A
其中S為一很小的正數(shù)；^為允許的最大發(fā)送概率， 一般尸 <1。
5、 偵聽網(wǎng)絡，若網(wǎng)絡忙則運行積分器，返回步驟2，若網(wǎng)絡空閑，則產(chǎn)生0 1的 服從均勻分布的隨機數(shù)r，若尸2r則轉(zhuǎn)至步驟6，若P〈r則轉(zhuǎn)至步驟7。
6、 發(fā)送數(shù)據(jù)y，同時偵聽網(wǎng)絡。若發(fā)送成功，則運行步驟8;若網(wǎng)絡發(fā)生沖突，則 運行步驟9;若其它原因發(fā)送失敗，則運行步驟IO。
7、 不發(fā)送數(shù)據(jù)，運行積分器。設刷新前/值為/p刷新后/值為/4+1，貝廿
4+,"H (6) 等待觸發(fā)器信號，跳至步驟2。
8、 清空積分器。
4+,=0 (7) 等待觸發(fā)器信號，跳至步驟2。
9、 按二進制指數(shù)退避算法等待時延，其間若檢測到觸發(fā)信號，則按式(6)運行積分 器。等待時延到，將觸發(fā)器下一次觸發(fā)信號發(fā)出時間置為等待時延到達時刻。跳至步驟 2。
10、 按式6運行積分器，跳至步驟2。 (二)、控制多執(zhí)行器控制器端調(diào)度策略
設某控制器通過網(wǎng)絡對W個執(zhí)行器進行實時控制，其輸出的控制信號依次為 上次輸出成功的控制信號依次為，4;對各被控對象設置積分器
1、 初始化調(diào)度器網(wǎng)絡負載估計量0" = 0，A-C^^-O^.V^-O ，
"1=o,};2=o"."^ = o。
2、 若收到觸發(fā)，則按式(l)、式(2)刷新網(wǎng)絡負載估計。
3、 調(diào)度器從緩存中提取各最新輸出信號K(y-l AO和各上一次成功發(fā)送的數(shù)據(jù)信
號,1 A0。
4、 計算各x值<formula>formula see original document page 11</formula>(8)
<formula>formula see original document page 11</formula>
5、 將5按照從大到小順序排列，形成新概率數(shù)組/^，對應所控制的執(zhí)行器組^^， 控制信號&，上一次發(fā)送成功的控制信號X力，積分器/w。
6、 令/ = 1。
7、 偵聽網(wǎng)絡，若網(wǎng)絡空閑，則按概率i^向執(zhí)行器^^發(fā)送控制信號J^。若發(fā)送， 則跳至步驟9。若不發(fā)送，則跳至步驟8，若發(fā)生沖突，則跳至步驟ll。
8、 累加積分器。設刷新前^值為/化，刷新后/^值為/^+,，貝'J-
(11)
|7w 勺川
9、 若發(fā)送成功，則清空相應積分器/M=0。若y'〈iV則令7" + l，回到步驟7， 否則令/ = 1回到步驟2。
10、 若收到觸發(fā)信號時尚未全部發(fā)送完成，則對_/ = 1~^運行式(11)的積分器后回 到步驟(2)。
11、 按二進制指數(shù)退避算法等待時延，其間若檢測到觸發(fā)信號，則按式(ll)運行積 分器。等待時延到，將觸發(fā)器下一次觸發(fā)信號發(fā)出時間置為等待時延到達時刻?；氐讲?驟2。
二、非實時信號調(diào)度策略-
1、 初始化調(diào)度器網(wǎng)絡負載估計量C7-0。
2、 若收到觸發(fā)信號，且緩存隊列中有數(shù)據(jù)發(fā)送，則偵聽網(wǎng)絡，若網(wǎng)絡空閑，則按 式(12)、式(13)計算發(fā)送概率，并按概率發(fā)送數(shù)據(jù)
<formula>formula see original document page 11</formula>其中&為常數(shù)， 一般要求4<formula>formula see original document page 12</formula>3、 刷新網(wǎng)絡負載估計若網(wǎng)絡忙，或自身有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送，則按式(1)刷新C7， 否則按式(2)刷新0"。
4、 若數(shù)據(jù)包發(fā)送成功或不發(fā)送，則返回步驟2，若發(fā)生沖突，則按二進制指數(shù)退避 算法等待時延，等待時延到，將觸發(fā)器下一次觸發(fā)信號發(fā)出時間置為等待時延到達時刻。 回到步驟2。
三、緊急信號調(diào)度策略
若有緊急信號需要發(fā)送，則偵聽網(wǎng)絡，若網(wǎng)絡空閑，則立即發(fā)送，若網(wǎng)絡繁忙，則 一直偵聽網(wǎng)絡，直至網(wǎng)絡空閑立即發(fā)送。若發(fā)生沖突，則按二進制指數(shù)退避算法等待時 延后再偵聽網(wǎng)絡，等待發(fā)送。
由上述步驟可知，若不考慮沖突，設每個數(shù)據(jù)包發(fā)送時間為々，則緊急信號的發(fā)送
等待時間不小于^的概率i^2/》滿足式(14)，其中W表示上取整。 攀"《 (14)
權(quán)利要求
1、一種基于P堅持策略的CSMA工業(yè)控制網(wǎng)絡調(diào)度方法，其特征在于工業(yè)網(wǎng)絡上每個數(shù)據(jù)發(fā)送端均配有對應的調(diào)度器和與之配合的觸發(fā)器，觸發(fā)器為調(diào)度器工作周期性發(fā)出觸發(fā)信號；調(diào)度器作為數(shù)據(jù)發(fā)送端與工業(yè)網(wǎng)絡間的選通設備，決定數(shù)據(jù)是否發(fā)送、何時發(fā)送，具體調(diào)度方法如下(1)調(diào)度器等待觸發(fā)器發(fā)出觸發(fā)信號；(2)調(diào)度器偵聽工業(yè)網(wǎng)絡，按照工業(yè)網(wǎng)絡繁忙或空閑累積刷新其內(nèi)的網(wǎng)絡負載估計；(3)對于工業(yè)網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)發(fā)送端為控制器或傳感器時，調(diào)度器從數(shù)據(jù)發(fā)送端接收待發(fā)送數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)的重要程度和步驟(2)中的網(wǎng)絡負載估計情況，計算該次發(fā)送數(shù)據(jù)包的發(fā)送概率；對于工業(yè)網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)發(fā)送端為非實時數(shù)據(jù)發(fā)送端時，調(diào)度器按照步驟(2)中網(wǎng)絡負載估計情況計算發(fā)送數(shù)據(jù)包的發(fā)送概率；(4)所有的工業(yè)網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)發(fā)送端，按步驟(3)中計算的發(fā)送概率發(fā)送數(shù)據(jù)包；(5)對于控制器或傳感器端，若成功發(fā)送數(shù)據(jù)，則清空調(diào)度器中的積分器，返回步驟(1)，重復執(zhí)行步驟(1)—(4)；若控制器或傳感器端不發(fā)送數(shù)據(jù)，則累加調(diào)度器中的積分器，返回步驟(1)，重復執(zhí)行步驟(1)—(4)；若工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)生沖突，則調(diào)度器退避等待，返回步驟(1)，重復執(zhí)行步驟(1)—(4)；(6)對于非實時數(shù)據(jù)發(fā)送端，若成功發(fā)送數(shù)據(jù)，則返回步驟(1)，重復執(zhí)行步驟(1)—(4)，發(fā)送下一數(shù)據(jù)包；若不發(fā)送數(shù)據(jù)，返回步驟(1)，重復執(zhí)行步驟(1)—(4)，發(fā)送同一數(shù)據(jù)包；若工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)生沖突，則調(diào)度器退避等待，返回步驟(1)，重復執(zhí)行步驟(1)—(4)，發(fā)送同一數(shù)據(jù)包。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于P堅持策略的CSMA工業(yè)控制網(wǎng)絡調(diào)度方法，其特征在于 所述步驟對于控制器和傳感器端，其數(shù)據(jù)的重要程度通過微分一積分的方式衡量，即a.本 次發(fā)送數(shù)據(jù)與上次成功發(fā)送數(shù)據(jù)之差的范數(shù)越大，數(shù)據(jù)越重要；b.調(diào)度器中的積分器中累 積的數(shù)字越大，數(shù)據(jù)越重要；兩者同時考慮。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于P堅持策略的CSMA工業(yè)控制網(wǎng)絡調(diào)度方法，其特征在于 所述步驟(3)中的網(wǎng)絡負載估計方法為若工業(yè)網(wǎng)絡繁忙，則按下式(1)刷新估計值<formula>formula see original document page 2</formula> (1)若工業(yè)網(wǎng)絡空閑，則按下式(2)刷新估計值<formula>formula see original document page 3</formula>(2)其中0<々《1， K為刷新前網(wǎng)絡負載估計值， +,為刷新后網(wǎng)絡負載估計值。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于P堅持策略的CSMA工業(yè)控制網(wǎng)絡調(diào)度方法，其特征在于: 所述步驟(3)中的計算該次發(fā)送數(shù)據(jù)包的發(fā)送概率的公式為-其中尸'=_1_ ， e為常數(shù)，^為允許的最大發(fā)送概率。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于P堅持策略的CSMA工業(yè)控制網(wǎng)絡調(diào)度方法，其特征在 于所述的調(diào)度器退避等待時間按二進制指數(shù)算法得到，當?shù)却龝r間到達，重置觸發(fā)器，使 觸發(fā)器下一次發(fā)送觸發(fā)信號時間為退避等待結(jié)束時間。
全文摘要
一種基于P堅持策略的CSMA工業(yè)控制網(wǎng)絡調(diào)度方法(1)等待觸發(fā)器發(fā)出觸發(fā)信號；(2)偵聽工業(yè)網(wǎng)絡；(3)對于工業(yè)網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)發(fā)送端為控制器或傳感器時，調(diào)度器按數(shù)據(jù)重要程度和網(wǎng)絡負載估計情況計算該次發(fā)送數(shù)據(jù)包的發(fā)送概率；對于工業(yè)網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)發(fā)送端為非實時數(shù)據(jù)發(fā)送端時，按網(wǎng)絡負載估計情況計算發(fā)送數(shù)據(jù)包的發(fā)送概率；(4)按發(fā)送概率發(fā)送數(shù)據(jù)包；(5)對于控制器或傳感器端，發(fā)送數(shù)據(jù)后，返回步驟(1)；若工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)生沖突，調(diào)度器退避等待，返回步驟(1)；(6)對于非實時數(shù)據(jù)發(fā)送端，發(fā)送數(shù)據(jù)后，則返回步驟(1)，若工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)生沖突，則調(diào)度器退避等待，返回步驟(1)，發(fā)送同一數(shù)據(jù)包。本發(fā)明針對網(wǎng)絡不同發(fā)送端給出不同調(diào)度策略，調(diào)度過程在實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送的前提下不需要全局信息，實現(xiàn)了全分散化網(wǎng)絡調(diào)度，避免了由于網(wǎng)絡上存在集中的調(diào)度器導致的瓶頸和可能的網(wǎng)絡癱瘓問題。
文檔編號H04L12/56GK101431458SQ20081023921
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者淳 張, 秦世引 申請人:北京航空航天大學