WirelessHART网络调度及管理方案的研究

＼浙江大学硕士学位论文摘要其中，对网络初始化和节点的自动加入及离开等问进行了详细的研究，提出了合理并且简单易行的节点加入及离开。对网络中存在的拓扑结构监控、密钥更新、网络管理超帧的等其他管理及维护任务，在逐个提出解决方案之后，将其以合理的顺序安排在网络管理超帧中，通过通信时隙的共用降低了网络维护任务对通信资源的消耗，通过合理的顺序安排减小了各任务的执行时延．最后，本文以一个简单的网络为例，直观的说明本文所提的路由算法、超帧调度算法、以及网络管理及维护方案等的执行过程和结果。关键词：whlessH灿玎，网络管理，网络调度，路由，超帧浙江大学硕士论文Abs仃actAbstractIIldustrialwirelessnetworkisanewwirelessCommunicationtechn0109yforlowrateinflomationCommunicatesofmeShort—r觚gebe帆e％deVices，w，hichisstanedin21stcelltll彤nisSuitableforharShindustrial胁Viromn饥t，州也s仃．ong缸ti-j锄mingc印abili坝ul仃a-10wpow％real—timecommunication锄dom盱techicalfea臼】∞s．Itis孤cxpallsion觚dtechnolo百cal血oV撕onofthecxistingwirelesste6hnolog)，inilldustrial印pli训ons，锄disacmCialtecllnologyt0reducemecostsofindustrialCon臼的lsyStems孤d妇pr0Veitsapplicationare嬲．WirelessH_6蝴isreleasedbytheH脚’Co删咀uIlicationFoulldationiIllate2007，itismefirst0pellwirelessMeshne咐orkco删咀uⅢcationprotoC01whichisusediIliIldustrialautomation锄dCon仃．0lsystems．WirelessH斌risaceIl砌izedCon缸10lne觚ork，usingaNe帆orkManagert0m锄agethenetworkwhichmakesWirelessHAIU’h弱铂breem句oradVantages，siInple，他liable锄dsec嘶吼Compared谢ththewirelessad-hocnet、)I，orks，c朗仃aJizedne附ork、ⅣitllaNeMorkMaIlageriscapableofC011ect百0baln咖orkinfonnation，whichmal【esiteaSiert00btaLinamore0ptimizedne帆orkrouting，eaSiert0c％仃alizcdschedulemecommlulic撕onresoⅦrCes，趾dthereal．timecommllIlicationinnetwork啪alsobee弱ilyrealizcd．Inadditio玛c∞删lyC0n仃Dlledne觚orkwillhelptoavoidnet、)I，orkconnicts．Finally'theexist朗ceofne咐orkm觚agcrc锄implem∞tonlinem痂tainsoft11ene觚。咄devicec勰join缸d1eaVeautom撕cally．111ac跚仃alizednet、)l，ork，sCheduling锄dmallagementsChemeisthekeyt0Ⅱlee筒ci吼tmnllingofmene铆ork．’rhisp印erstudies廿leschedulingofWirelessHART觚dmenet、^，orkm觚agem铋tscheme．FirStly，theWirelessHJ6d玎net、)l，orkrou曲ga190rimmisstudied．After锄alysisofthene俩orkroutingcharactIeristics，di侬栅talgoritll】[IlsareproposedforGraph，SourCe觚dBroadc觞troutings．Theproposcdalgodmms盯eb弱edonBFSalgoritlulltoguar锄t∞tllattlleobtajncdroutingh嬲meshortestroutingpatll．Illaddition，t11ehopleVclreduIld锄cyofQ印hroutewhichisuniqueinWirelessHARTis豫alizodintlleproposedalgodthm．Especially'tlleneedforbroadc嬲troutingisd锄ons仃ated髓ditsrealizationisalsopreseIltediIlthisp印既SeC0ndly'aR盯acaurefhl锄址ysisoft11ecommunicationresourcesChedulingTV＼＼＼＼浙江大学硕十论文Abstract。。。‘1。_’⋯‘一‘—’—。。。。。。。。。。。。。。_。_●●___________--_-_-_______●-●__●___-_-l__I__l_●_-●●---___●______________●●__-●______--_-__--__-_--______________-_●_●__一mech姐i锄锄ditSrobu咖ess砌quiremeIlts，a(衲phroute_b觞edsupemameschedulingschemeisproposed谢nlitsimpl锄entalgoritllIn．Tlleroute-basedsupe暗amesChedulingideolog)，intllispaperis觚extensionofcross一1ayerdesi印innlene附orkm粗ageIIl饥tleVel．Itischaracterizedt0mal(ea900dcombin撕onofrouting硼dsupe币．姗e，Ⅱl即tllene呐orkrobusnlessc锄besi印ificantlyimproved，锄dtllelatellcyofC0mm吼icationc觚alsobee毹CtiVelyreduced．IIladdition，tinles10tconnictS如dCha衄elint刊衙encethatmayeXistiIlnet、)l，orkc觚bebothavoid酣iIltheproposeda190dnun．Tllirdly’tllispapermadea11ill—d印mstudyof也en咖orkmailltenancetasl【sdu血gmewhole1ifeoft11enet、)I，ofkf吣mitSesta：blislmlentt0remoV锄锄t，锄dt11％theC0玎eSpondingsolutionsChemeisproposcd．Amongthem，then咖orkillitialization觚ddeVicesautomaticallyjoin姐dleaveis锄a1)，zedcare如llM17Irithare勰onable趾dsiⅡIplesolutionproposedin也isp印既TboⅡlermaintenanCetasl(Ssuch笛：ne呐orktopologymonitor’keyupdated锄dthedesi印ofnet、ⅣorkmaIlagementsuper丹锄e，solutionsChemeispropos。donebyone，锄dmenschedulea11t11esetaSl(Sinmene呐orkm弛ag锄饥tsupem锄e谢tharc雒onableord既T0rcduCctllecommullic撕0nresourc懿consumptionofne铆orkmaillt吼aIlce，∞mmullicationtimeslotsarerationallySharedbytlleset雒l(s，tllrougllreaSona_blescquencingthedelayofthetaSkeXe训onissi鲥fic觚tlyreduccd．FiIlally’asiInplene附orkistal(∞淞如cX锄ple，t0mal(eamorein“tiVedes翻ptionoftlleinlpl锄衄伽onprocess趾dresultsoftherou衄galgo^tllIns，super舭衄eschedulingalgoritllm，弱weU嬲thene觚orkm觚ag锄cnta11dmaintcIl觚ceschemet11atareKeywords：WirelessHART’N咖orkMaIlag锄髓t，C0mm姐icationScheduling，RoutingAlgoritlun，Supe]—}锄eSdheduleV浙江大学硕士论文目次目次j5《：谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．⋯．．．⋯⋯．．．⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯IIAbstract⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。．。．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。IV目次⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．117I第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1wirelessHART网络协议概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2wi陀lessHAI玎网络管理方案的研究意义及现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41．3论文主要研究内容及组织结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．61．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7第2章wi代lessHAl玎网络的体系结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82．1WirelessHART网络拓扑结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82．2WnlessHART网络协议栈⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17第3章wirelessHAl玎网络路由算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。183．1wirelessHART网络路由及特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193．2高鲁棒性Ghph路由算法及实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯223．3Source和Broadc勰t路由算法及实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．283．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31第4章wirelessHAl汀中超帧调度算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．324．1WirelessHpd玎中的通信超帧⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯334．2超帧调度限制条件及策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．344．3超帧调度算法及特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯384．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42第5章wirelessHART网络维护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯435．1网络管理维护方案及任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯435．2网络维护任务的实现机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯475．3网络管理超帧及设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯565．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯59第6章wi代lessHAl玎网络管理方案示例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯606．1示例whlessHART网络的拓扑结构及路由配置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．606．2基于路由的数据超帧配置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯636．3网络管理超帧的配置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯666．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯68第7章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯69参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．72作者简历及在学习期间取得的科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。78VI浙江大学硕士论文第1章绪论第1章绪论工业无线技术是本世纪初新兴的一种面向设备间信息交互的、适合于各种工业现场的、具有强抗干扰、高可靠、低功耗、高稳定、易于扩展、强实时技术特征的特殊无线传感器网络【l】．目前，在工业控制领域，无线技术的主要优势在于降低工厂设备的安装和维护成本，有利于提高工业测控系统的应用范围，尤其在大型新建项目中，采用无线方案最能体现成本的节省．经过实践证明，无线技术可应用于各种过程工业领域，它是对现有工业通信技术在工业应用方向上的功能扩展和提升，将引发传统工业测控模式的变革。因此，工业无线技术在工业领域的广泛应用是必然趋势，已经成为信息化推动工业化发展的代表性技术【21．1．1wirelessHART网络协议概述当前，工业无线技术发展方向的关键之一是通信协议的化，标准之争其实是市场之争。通信协议(CommunicationsProtoc01)是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定．协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义，连接方式，信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方．到目前为止，工业无线技术的国际标准已形成了由HART基金会(H灿玎CommullicationFouIldation，HCF)推出的wirelessHART标准、美国仪表系统与自动化协会(IIls伽瑚％t撕onSyst锄s锄dAutom撕on，ISA)推出的ISA100．11a标准和我国自主研发的WL～．PA(wirclessNet、ⅣorksforIndustrialAutom撕on．Pr0CessAutomation)标准三足鼎立的局面【31．其中，Wh．elessHART是第一个应用于工业过程自动化和控制系统的开放式无线Mesh网络通信协议【41．该协议由H—6唧基金会HCF于2007年9月提出，是面向过程测量、过程控制和资产管理全面应用的一种可靠的无线协议，满足了工厂对于可靠、稳定、安全的无线通讯方式的关键需求，并于2008年获得国际电工标准委员会(Illt锄ationalEleC臼rotecllllicalCommission，IEC)的认可，成为一种公共可用的规范(IEC／PAS62591Ed．1)．wirelessHART协议是第一个获得该级别国际认证的工业无线通讯技术【5羽．浙江大学硕士论文第l章绪论WirelessHAl订是一种无线的具有MeSh网络拓扑结构的通信协议，它工作于2．4GHzISM(111dustrialSci∞tificMedical)射频频段，具有安全、稳健的MeSh拓扑结构，进行通信时将通信信息统统打包在一个数据包内，通过与IEEE802．15．4兼容的直序扩频DSSS(DireCtSequenceSpreadSpe咖胍)和跳频技术FHsS(FrequeIlcy．HoppingSpreadSpec仇lm)进行数据传送。WirelessH』6时的架构是按易于使用、可靠、以及与无线传感器Mesh型协议相兼容的原则设计的【71．、ⅣirelessHART网络拓扑结构如图1．1．1所示，其中主要包括网络管理器、网关、现场节点．网络管理器(Net、ⅣorkMallager)负责通信路由的生成、超帧调度和时隙安排、以及节点的加入和网络的动态管理优化等，网络中的网络管理器通常是由一台PC机担任的．网络管理器与网络中无线节点的连接通过网关(Gateway)实现，网关中包含网络接入点AP(AcCessPoint)，是网络中无线网络部分与有线的网络控制部分连接的桥梁。现场节点(FieldD州Ces)是网络中数量最多的设备，在、MrelessHART网络中，现场节点均为全功能节点，其不仅能够作为源节点采集并上传数据，还能作为路由节点转发来自网络中其余节点的数据包【8】．Fje旧D●vI∞7F油ⅪF培IdD●v-0●3D●“∞5图1．1．1Wi他lessHART网络拓扑结构2-浙江大学硕士论文第l章绪论在工厂环境中，复杂的内部结构，大型机械设备的运动，环境的改变和各种各样的射频来源以及电磁干扰等都可能引发通信故障，而WirelessH削RT具有在这些环境中提供可靠通信的各种特性：(1)冗余网络路由、ⅣirelessHART的Mesh拓扑结构具有自组织和自愈的功能，使得网络能够保持长期的、无需及时更新的可靠性和鲁棒性。当外界干扰或障碍影响了一条通信路径时，网络将自动而迅速地重新选择通信路由，避免通信故障，而且由于wirelessHART通信使用的是优化过的路径和冗余Mesh网络拓扑，整个网络都能受益。在Mesh网络中的每个设备都能作为其他设备通信消息的路由器，换句话说，一个现场设备不必直接同网关进行通信，可以通过与它距离最近的设备传递消息，这样不仅扩大了网络的覆盖范围而且提供了冗余通信路由，从而提高了通信的可靠性。网络管理器根据网络延迟、通信效率和可靠性决定冗余通信路径【91。(2)跳频技术与其他使用2．4GHz频段通信的技术类似，wirelessHART可能会遇到同频段无线电波的干扰．为了解决这个问题，WirelessH削RT在IEEE802．15．4定义的16个通信信道之间切换，利用切换的敏捷性来克服干扰。传输前自动的进行空闲信道评估和信道锁定能够避免确定范围的干扰和减小对其他系统的干扰【10以11．(3)时间同步通信所有设备问的点对点通信都是在一个调度的时间窗内完成，这提供了一种高可靠、节能和可扩展的通信，提高了互操作性和易用性．每条消息都有一个明确的优先级来确保具有一定品质因数的通信传输．Ⅵ倚elessHART采用固定的时隙使得网络管理器能够在不需要用户干预的情况下为各种应用提供最优的网络资源，而不确定的时隙和非同步通信往往需要用户的配置，并且品质因数低，功耗大，通信不可靠，因此未被WirelessHAI玎所采用【121．(4)加密通信通信数据加密是WirelessHAl玎协议的一个强制性内容。在wirelessHAI玎网络协议分别在网络层和数据链路层提供端到端(∞d—to一∞d)及跳间(1lop．to-hop)两个层面的数据加密机制．加密机制采用工业标准的AES．128加密算法，除数据加密作用外，该机制还具有数据包完整性校验的作用【13】．此外，在节点加入浙江大学硕士论文第1章绪论过程中使用加入密钥(Jo协key)对待加入节点进行身份验证，防止恶意节点加入网络窃取网络数据‘141。1．2wirelessHAl玎网络管理方案的研究意义及现状1．2．1wirelessHART网络管理方案的研究意义WirelessH—6哪以其较高的鲁棒性被认为是最具潜力的无线通信协议之一。网络管理器是、矾relessHAl玎网络中最重要的设备，网络初始化、节点自动加入、网络拓扑结构的监控、路由的产生和分发、通信资源调度和优化等，都是在网络管理器的管理下完成的【15】．网络管理就是通过网络管理器对网络进行管理、控制和监视，其目的是使网络中的资源得到更加有效的利用，并协调、保持网络系统的高效运行等。一个网络管理系统应具有调度网络通信资源，协调网络通信及维护网络正常运行的功能．作为一个开放式网络协议，wh℃lessHART中指明了网络路由的种类和节点的路由过程、超帧的形式和节点对超帧的使用、以及网络管理的各项任务和管理目标，但是对具体的路由算法、超帧调度方案及实现算法、管理维护方案等核心难点却都没有提出可行的方法。行业领先的商业公司如Emerson、SiemcIls、DuStNet、Ⅳork等都在进行wirelessHART协议及其相关产品的研究，并已有smartMeshL～．510等产品面世，然而这些公司关于州essHAI玎的相关研究成果均作为核心技术没有公开，这就给wirelessHAl玎的研究和应用带来了一定的门槛1161．因此对w讹lessH削[玎网络通信调度及管理方案的研究，能够对网络管理中存在的鲁棒性、实时性、安全性等核心问题提出适用的解决方案，有助于提高在无线网络研究及网络管理方面的技术积累和科研水平．在当前工业控制领域对无线网络的需求日益旺盛的背景下，开展ⅥhelessHART网络管理方案的研究更有助于加快工业无线网络的应用，对提升我国工业自动控制水平具有重要意义．1．2．2wirelessHART网络管理方案的研究现状网络管理器是wirelessHART网络中的“大脑”，它负责网络的建立、管理和优化．网络管理器的硬件平台一般为一台PC机，其执行网络管理任务的能力4浙江大学硕士论文第l章绪论取决于其网络管理方案及相关算法的性能．WirelessHART网络协议自2007年9月发布至今为时尚短，并且由于wirelessHART资料的获得需得到HART基金会(HCF)的授权等因素的制约，因此，至今关于wirelessHART网络的研究成果尚不是很多．而这些已有研究主要集中在路由算法、超帧调度方案、网络管理方案等三个方面。其中部分文献在与其他同类网络进行比较的基础上分析了wirelessHART网络协议的特点[17．20】．文献【21—22]研究重点为wnlessHART网络的路由算法，其中文献[21]在wirelessHART网络路由的实现过程中，提出采用两条单路径路由替代研aph路由的路由方案；文献[22]提出的算法实现了Graph路由特有的跳间冗余，但是其算法对跳间所有连接不加筛选，造成路由中连接的通信质量参差不齐并且过于臃肿。文献【23—29]的研究重点为wirelessHART的通信资源调度，其中文献【23]在不考虑信道数限制的前提下，证明了在网络总节点数为N时，其完成全网通信所需的最少时隙数为2N．1，然而在此理论下，用16个信道最多能支持的最大网络节点数仅为32；文献[24】提出一种在节点仅能bu脓一个数据包的情况下的超帧调度方法，该方案在节点已经bu胁一个数据包之后不能再安排接收时隙，因此实用性差；文献【25．26】指出时隙安排时可能产生的两种冲突，并提出了相应的解决策略；文献[25、27]使用了结合路由的超帧调度思想，将路由与超帧的特点结合起来，在某些性能上取得整体大于部分之和的效果；文献【28】提出一种wnlessHART的超帧调度方案，实现了超帧的周期由数据通信速率决定的特性，并且提出了一种信道分配原则，然而其时隙的分配没有冗余，不利于提高网络的鲁棒性；文献[29】指出并举例说明了在超帧调度中需要考虑到的一些限制条件，但是没有提出具体的调度算法。文献[30．33】的研究重点为无线Mesh网络(wirelessMeshN咖ork)的网络管理及维护方案，其中文献[30】列出了wirelessHART网络管理需要考虑的四个因素，并且简单分析了研究中可能碰到的技术难点；文献[31】在总结了无线Mesh网络管理方案研究现状的基础上提出了一种基于分级地址的无线Mesh网络管理方案，但是由于其研究基于独特的地址命名方法和不同的路由方式，故其方案不能直接应用于wirelessHART网络；文献[32]提出一种基于分布式无线Mesh网络的实时管理方案，由于WirelessHART是集中控制式网络，故不能直接应用该方案；文浙江大学硕士论文第l章绪论献[33]重点研究存在移动节点情况下的网络管理方案，而wirelessHART网络中的节点都是固定的，所以该方案直接应用于wirelessHART网络时，其效果并不理想。由此可见，已有的关于wirclessHART的研究大多为局部的理论性的研究，目前尚无完整的通信调度及管理方案提出。本文在对高鲁棒性路由、超帧调度及网络管理维护等三个核心问题进行深入研究的基础上，提出能够实际应用的完整的网络调度及管理方案，为wirclessHART网络的实际应用提供基础，并为其进一步研究积累了经验。1．3论文主要研究内容及组织结构为使网络正常工作，网络管理器需为网络中的节点配置路由，超帧及通信时隙，并在此基础上进行网络维护及管理．本文旨在提出一套能够应用于实际、矾relessHART网络中的管理方案，因此将对网络管理器中涉及的路由算法、超帧调度算法以及维护方案等三个核心问题进行深入研究，提出解决方案并予以实现．论文的主要研究工作包括以下几个方面：1、研究wirclessHART网络的路由算法．路由指出网络中可用的通信路径，是网络能够正常通信的前提．WirelessHART网络高鲁棒性的实现，很大程度上依赖于其特有的路由形式，而传统无线传感器网络不具有wlrelessHART网络集中控制的特点及对网络路由高鲁棒性的需求，因此大多不适用于、MrelessH—6旧网络．本文提出一种WirelessHART中具有跳间冗余特性的高鲁棒性删路由算法，并加以验证．此外，对网络中存在的sollrCe和Broadc嬲t路由也给出了实现算法，以实现网络中各种通信机制。2、研究通信资源调度机制．正常的网络通信，除路由外，还需要通信超帧和时隙，路由指出网络可用的通信路径，而超帧和时隙则为该路径分配通信机会和资源。超帧和时隙等通信资源在网络中是非常有限的，其调度方案的好坏对网络运行效率和网络通信速率有非常重要的影响。在通信资源调度中，冲突及干扰的避免、鲁棒性以及通信时延是最重要的几个性能指标．本文提出适用于、ⅣirelessHART协议的超帧调度方案，具有通信时延小、鲁棒性高、无冲突等特点．6浙江大学硕士论文第1章绪论3、研究网络管理及维护方案。网络管理和维护方案负责从网络建立到撤销的整个网络运行过程中的维护工作，是网络正常高效运行的前提和保障。WirelessHART的网络管理维护包括网络初始化，节点自动加入及离开、网络拓扑结构监控、密钥更新和时钟同步、以及网络的周期性调度和优化等内容。本文提出一个完整的网络管理和维护方案，实现从网络建立到结束的全过程中的网络维护任务，具有维护效率高，占用资源少等特点．4、最后，本文将以一个小型的WirclessHART网络来举例说明本文提出的设计方案的执行过程及结果．在验证方案的同时，将本文方案直观的呈现出来。1．4本章小结随着物联网大潮的兴起以及工业控制领域中无线网络优势的日益凸显，工业无线网络逐渐成为了研究与开发的热点领域。wnlessHART作为工控领域全球范围内首部开放式无线协议，其研究及应用价值不言而喻。本章总结了wirdessHART的发展过程及主要特点，并分析了当前该协议在网络管理相关方面的研究现状，同时提出了本文的研究内容．浙江大学硕士论文第2章WirclessHART网络的体系结构第2章wirelessHART网络的体系结构HART(Hi曲wayAddressableRemoteTr锄sduc盯)协议，是美国Rosemount公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。通信时相对低的带宽，适度的响应时间是H—6衄装置的特点，经过二十多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并己成为全球智能仪表的工业标准。如今，每年全球安装的现场智能设备中，有超过三千万的设备使用了HART通信协议【34】．为了紧跟时代趋势，更好地发展HART通信协议在工业现场中的应用，HCF在2007年9月推出了HART7标准，即wirclessHART协议。由于在工业现场中有些工艺要求并不能通过传统的设备有线传输信号达到测量、监控等能力；或者因为有线布线而带来高成本的问题．WireleSsHART协议可以很好地解决现场环境的局限性，为用户提供获得工业参数信息和监测性能的能力，并降低与有线HART设备的通信成本．wirclessHART协议被称为首个简单可靠并且安全的应用于过程检测和控制的无线标准【351．2．1wirelessHAlⅡ网络拓扑结构、№elessH—6衄采用集中控制的MeSh网络结构，其拓扑结构如图1．1．1所示．网络中主要包括网络管理器(Ne帆orkMallager)、网关(Gateway)、网络接入点(AccessPoint)以及无线现场节点(FieldDe啊ce)．网络管理器(N咖orkM觚ager)是网络中最重要的设备，负责网络的整体管理与维护与优化．网络管理器能够管理网络实现从网络的初始化到网络正常运行过程中全部所需的功能，包括网络拓扑信息监控，网络通信路由生成及分配，网络通信资源调度，此外，网络管理器还提供节点自动加入离开机制．网络管理器通过网关与无线网络节点取得联系，通过上下行的网络管理命令对网络进行管理和维护，网络管理器与网关之间的通信连接是有线的，而网关与网络节点之间的连接是无线的。网关(Gateway)连接用户(Host)、网络管理器me觚orkM如ager)、网络接入点(AccessPoint)，是网络中一个重要的设备，其最主要的作用是进行网络中数据流8浙江大学硕士论文第2章wirelessHART网络的体系结构的分配。、ⅣirelessHART网络中有两种数据流，即无线现场节点至网络管理器的上行数据和网络管理器至无线现场节点的下行数据．除此之外，wirelessHART不支持节点与节点之间单独进行数据通信。因此，网络中所有的通信数据都必须经过网关，由网关根据不同的数据类型和需求，在用户、网络管理器以及无线现场节点之间进行数据流分配。网络接入点(AccessPoint)可以视为网关(Gateway)的一部分，也可以看做一个单独的设备，它是连接网络无线部分和有线部分的桥梁。接入点与网关的连接是通过有线串口实现的，接入点与其他现场节点的连接，则是通过无线通信实现的。所有向现场节点发送的下行数据都必须通过接入点发送出去，现场节点的上行数据也要通过接入点上传至网络管理器或者用户，因此网络接入点可以看作是WhlessH—6灯网络的根节点。一个网关可以连接多个接入点，本文将以一个接入点的情况为例进行研究．现场节点(FieldDeViCe)是网络中数量最多的设备，w讹lessHART网络中的无线现场节点都是全功能节点，其既可以作为通信的源节点，自发的发起一个通信服务，向网关传输自身所采集的实时数据；也可以作为通信的最终目的节点，接收来自网络管理器的控制命令；同时还可以作为路由节点，转发其他节点发送的经过它的通信数据．w讹lessHART协议中还定义了几个非必须设备．网络安全管理器(Securi够M锄ager)负责网络密钥的生成、存储及管理，其可以看作是网络管理器的一个安全模块，所以通常在网络设计中，安全管理器包含于网络管理器，在网络中一般不存在单独的安全管理器．手持机(HaIldheld)是一个用于人工对网络中单个节点进行维护的设备，可以与网络节点建立一对一连接，并进行节点信息配置、运行诊断、校准等操作．网络适配器(Ad印tor)是为了兼容有线HART协议而定义的设备，它用来实现、ⅣirelessHART网络与有线H剐f玎网络之间的数据交互【361．2．2wirelessHART网络协议栈协议栈是指网络中各层协议的总和，其形象地反映了一个网络中文件传输的过程：由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议．其中OSI(Op朗SystemIlltcrc0皿ect)7层协议模型在网络通信领域具有非常重要的地位，绝大多数通信9浙江大学硕士论文第2章WirelcssHART网络的体系结构网络协议的设计都是以该协议模型为参照标准的，WirelessH—6衄也不例外。然而wirelessHART并没有照搬该模型的7层协议，而是根据工业无线网络的特点，设计了独特的5层通信协议栈，如图2．2．1所示．该协议栈具有与OSI相同的低三层结构，分别为物理层、数据链路层以及网络层。而在上4层中舍弃了OSI的表示层和会话层，而仅保留传输层和应用层．■嬲嬲-霸■———■瞄嘲舅圜—_●——■——■■—■■■■舅嘲曩●■—■■●■■一lAppn∞uonl|～№燎擀雠Il咖删％‰嚣舞瓣1僻删IlPr∞·n协廿onlI总凛裟偿鼎舞器；：嚣lro’。。。。。。。。1r——。————————————————————————‘’1ls。。s．onll㈣馏勰～材Ilm陷-onll怒器黜悉紫黑嚣l-____--____--_____一L--------．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．：．．．．．．．．．．．．．．---．一roo‘‘oooo_1r—————————————————————————．1lN·帆n【"咖咖恕忠徽瞻帅llPhy3jc-·ll锱器端恶翟pI嘴笺鬻翟燃篙啊I2-鼬—盏篇嚣窘蜊咖雌I-———-_-_-一一’■—●■——————■————●————■—■■●—■●。————●■■■■●●■■■■■■■■■●■■■■■一WI哺dFSK，PSK‘RS柚5WhI∞●2舶Hz图2．2．1whl髂sHART协议栈与OSI协议模型对比2．2．1物理层(PhysicalLayer)wirelessHART的物理层是协议中唯一与物理传输介质接触的功能层部分，它定义了数据传送与接收所需要的无线信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口，负责频率选择、生成载波、信号探测、对数据加密和调制解调等任务。wirelessHAI玎的物理层基于IEEE802．15．4．2006标准，工作在2．4GHzISM频段，支持16个信道(802．15．4标准中的11．26信道)，并采用O．QPSK调制技术，数据速率可达250kbps【371．在WirelessH剐盯物理层可支持的最大数据包为127字节，其结构如图2．2．2所示．10浙江大学硕士论文第2章wirelessHART网络的体系结构No．Byt●sD●scrIptIon=·‘矿PhysjcalLay●r4’-⋯一Pr●ambI●1：一—．D●Iimi协r1■⋯．By协Count：LI蚤1，Da协也inkLayer10⋯．”Ox41”11⋯．．．AddressSpecifkr1-⋯一SequenceNumb●r2；⋯一一NetworkIDjI，81⋯—一D●stina廿on2愿-卜⋯一Source11⋯一一DLPDUSp●cI罚●r：⋯一’rN·tworkLav·rL⋯一ControI!⋯—．TTL_r⋯一ASNsnipp．t-⋯．GraphIDl⋯．D●s稍nation0⋯一Sourc●1．⋯一lo硼onaI)P∞xy，Sour∞Ro蛹ngI．—--'ys．cunlcy}-⋯一secu哪con们l!⋯—．Count●r卜一一．一MICL—--VTransponLay●r0⋯一TransponControl：⋯·-DeviceStatusl⋯．ExtendedDevic●StatusL⋯’rAppIicationLay●rk⋯．Command：⋯—·ByteCount一，⋯⋯—’l-⋯．D戤a⋯一MIC=⋯一CRC图2．2．2w洫lessHART网络中数据包结构2．2．2数据链路层(DataLinkLayer)数据链路层建立在基于IEEE802．15．4．2006协议的物理层之上，是、ⅣirelessHART协议栈最重要的部分之一．数据链路层的主要职责是控制相邻节点之间的物理链路，多重复用数据流、检测数据帧、媒体访问控制和差错控制，使网络中节点公平、有效的共享资源，确保信息可以准确无误的从一个网络节点发送到另一个网络节点【3引．数据链路层负责网络中邻居节点之间的通信，其作用范围如图2．2．3所示．网络协议中关于时钟同步、时隙及信道的调用等相关任务都在数据链路层中得以实现．，，22缃编肿864笛，似4，112，一421浙江大学硕士论文第2章、M化lessHART网络的体系结构^pplIc-nOn_ndTnn-portL_yenNe细OrI‘L-yerD_h·L如kL_”rn”I∞ILhkL●yerCO眦spondent图2．2．3数据链路层作用范围wirelessHART网络采用基于时钟同步的TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)和FHSS(Frequ锄cy．HoppillgSpreadSpec叽lm)技术进行网络通信．TDMA是一种广泛应用的媒体接入控制技术(MediaAccessCon仃01，MAC)，可以提供无冲突及确定性的通信．TDMA使用时隙来通信，在wirelessHART网络中时隙长度为10ms．FHss通过频道跳变提供了频率的多样性，这样可以避免干扰和降低多径衰落效应，从而保证了通信的可靠性．w讹lessHART协议将这两种技术结合于数据链路层中，从而很大程度的保证了网络跳问通信的可靠性和无冲突性【39】●w讹lessHART数据链路层向上层提供消息服务和管理服务．数据链路层消患服务实现设备之问基本的数据传输，并向上层报告网络事件．数据链路层管理服务用于实现对数据链路层数据的访问以及对数据链路层进行配置操作．WirelessHART数据链路层包括逻辑链路控制层(L0百cLilll【Con仃0l，LLC)和介质访问控制层(McdiaAccessCon仃0l，MAC)，逻辑链路控制层主要用于定义数据链路层数据包(DateLinkProtocolDataUnit，DLPDU)的格式，介质访问控制层主要负责管理通信资源的分配及使用【391．数据链路层数据包的结构如图2．2．4所示．12浙江大学硕士论文第2章、virclessH舢玎网络的体系结构图2．2．4数据链路层数据包结构由图2．2．4可见，每个DLPDu包含以下几个部分：(1)前导符(0x41)，长度1Byte，值为Ox41，用来界定DLPDU的开始。(2)地址说明符(AddressSpecifier)，长度1Byte．wiI-elessHART支持两种长度的地址，一种是8Byte的长地址，一种是2B”e的短地址，该说明符用以分别说明源地址及目的地址使用的地址长度．(3)序列号(sequ朗ccN啪ber)，长度1Byte．数据包的包号，用以区别不同的数据包．(4)网络ID(N咖orkID)，长度2Byte，wirelessHART中根据网络应用类型确定的网络ID号；(5)目标地址和源地址(Destination／SourCeAddress)，长度2／8Byte．(6)DLPDU说明符(DLPDUSpecifi哪，长度1Byte，即8个bit位组成，其结构如图2．2．5所示．其中，低3位表示数据包的类型，第4位表示网络密钥，第5、6位表示数据包的优先级。WirelessH削f玎中数据链路层数据包分为ACK、Advenise、Ke印Alive、DisCOIlIlect、Data等5种类型，共有命令、过程数据、一般、报警4种优先级‘删．(7)DLPDU有效载荷(DLPDUPayload)，除包头包尾外的所有字节．(8)完整性校验码MIC(Message111tegrityCode)，长度4Byte．用以进行网络密钥的验证．(9)CRC循环校验码(CyClicRedund觚cyCheCk)，长度2B”e．用以进行数据包完整性校验．浙江大学硕士论文第2章WireIessHART网络的体系结构刚。，时—_丁11COmmand10ProcessData01Nomlal00AIaml2．2．3网络层州e锕orkLayer)图2．2．5DLPDU说明符网络层位于数据链路层上面，其任务是实现网络节点的路由机制以及网络中端到端安全、可靠的通信。为支持Mesh拓扑下的网络通信，w讹lessHART的每个节点都是兼具数据采集和路由能力的全功能节点．如图2．2．6所示，网络层具有全网视野，掌握全局拓扑信息，负责wirelessHAl玎中路由机制在节点中的具体实现，为整个WirelessHART网络提供了冗余通信路径，使得网络具备了自组织、自愈合的功能，即不会因为某个网络节点的离线、断电、屏蔽等原因而导致数据包丢失【411．Wirelessch锄egateway图2．2．6网络层作用范围14：墨黼mI窭|=燃～脚～№吖洲咖洲m州川一‰№卜J一浙江大学硕士论文第2章、Ⅳi他lessHART网络的体系结构传输层(Tr姐sportLayer)也称为运输层，在OSI模型中介于低3层通信子网系统和高3层之间，它是一个端到端的层次，是唯一总体的负责数据传输和数据控制的一层。WirelessHAl玎协议的传输层是网络中端到端数据加解密和可靠传输的关键，可提供端到端安全可靠的数据通信。由于网络层与传输层都具有全网视野，并分别对网络中端到端的通信提供路由和安全保障，因此在w打elessHART协议中，将传输层与网络层放在一起进行描述，其结构如图2．2．7所示．ApplicationLayerWirclessHARTMACLayer图2．2．7whlessHJ6旧网络层体系结构此外，网络层能够对数据链路层上传的数据包进行解析，并对其目的地址进行分析，将发送给本设备的数据包上传至应用层，对目的地址为其他设备的数据包，查找其路由表并为其配置下一跳的目的地址，然后将其下发给数据链路层．对来自应用层的数据包，网络层为其添加相应的包头包尾并下发至数据链路层．网络层数据包(Ne似orkProtocOlDataUnit)结构如图2．2．8所示．浙江大学硕士论文第2章、MrelcssHART网络的体系结构图2．2．8．网络层数据包结构(1)控制符(Con仃01)，长度1Byte，即8个Bit位，如图2．2．9所示。该控制符的低3位表示代理路由，中间3位是协议保留字符，最高2位分别表示目的地址惭t7)以及源地址(bit6)的长度，值为1时表示长地址，值为0时表示短地址．队兰剖1=EuI．64AddresslSOurceAddress—·—·_J一=图2．2．9网络层控制符(2)TTL(‰eToLive)，长度1Byte，表示数据包的生存跳数．(3)绝对时隙数(ASNSnippet)，长度2B”e，表示数据包的生存时间(4)路由编号(Gr印hID)，长度2B”e，标记Graph路由编号．(5)端到端目的地址及源地址(Destination／SourceAddress)，2／8Byte．(6)可选择的路由域(Exp锄dedRoutingInfonnation)，当代理路由或SourCe路由控制位有效时使用．(7)安全控制符(SecurityCon仃01)，1B”e，即8个Bit位．用于对数据包所用的网络密钥种类进行声明，其低四位分别表示SessionKeyed、JoinKeycd、H锄dlleldKeyed等三种密钥，其结构如图2．2．10所示．16ⅣE—E§I路一一|．ijI浙江大学硕士论文第2章wi托lcssHART网络的体系结构触删丁1：佣W咖图2．2．10安全控制符(8)载荷长度说明(CouIlter)，长度1byte．用以说明后面载荷pa妒oad的长度。(9)完整性校验码MIC(MessageInte鲥tyCode)，长度4Byte．用以进行网络密钥的验证。2．2．4应用层(ApplicationLayer)应用层位于网络层和传输层之上，是删essH剐盯网络协议栈的最高层．该层负责对网络中种类繁多的应用数据进行有效的组织和解析【421．wirelessH灿玎网络中，应用数据通过其独有的命令格式(HARTComm觚d)进行组织，wirelessH—6册中有上百个不同的Comm锄d，分别用来组织不同类型的数据格式，其框架结构如图2．2．11所示．其中前2个B”e表示该Comm锄d所用的编号，从而根据编号确定后面数据的组织方式，第3个Byte表示该Conlm锄d的长度，从而判断Co衄强d在何处结束【421．2．3本章小结图2．2．11whelessHARTComm觚d格式本章主要阐述wirelessHAl玎网络的体系结构．首先介绍了wirelessHART网络的集中控制式Mesh网络结构，并在此基础上对网络中相关的设备及其在网络中的作用进行了详细的分析和介绍．然后对wirclessHART协议栈与OSI7层协议模型进行比较，并对各协议层的功能和作用进行了比较详细的介绍，从而从网络结构和协议栈两个方面较为全面的阐述了WirelessH—6衄的特性．浙江大学硕士论文第3章WirelessHART网络路由算法第3章wirelessHART网络路由算法在无线传感器网络中，路由的任务是寻找源节点和目的节点之间的能够正确到达且距离较短的通信路径，从而数据包能够沿