高可靠实时工业无线网络中通信资源集中调度机制研究

Industrial wireless sensor networks (IWSNs) is one of the most important applications of TOI, and it is also a very hot spot technology following fieldbus in industrial application field. Because of the extreme industrial environment, the current wireless sensor network using distributed algorithms cannot be applied to industrial production directly, and the design of centralized control is being considered. However, centralized control for industrial application belongs to cross-disciplinary, including control theory, optimization theory, communication theory and computer theory, so the algorithms design is complex and research is rare. This application studies the centralized scheduling algorithms in data link layer and network layer of IWSNs. In the network layer, a centralized scheduling graph routing protocol, supporting multi paths and multi metrics, will be originally researched. While in the data link layer, a dual scheduling algorithm for the time slot and the channel, which includes the superframe re-scheduling and multi superframe scheduling, will be first proposed. Based on the above studies, the application will further explore the cross-layer sequence dependence between the graph routing schedule in the network layer and the channel schedule in the data link layer, and deeply research the comprehensive cross-layer scheduling algorithm under the centralized control mode for industrial wireless network for the first time. The application aims to dig the new problems on the design of wireless network using the centralized control technology, and provides the theoretical and technical base for the realization of industrial wireless network with high reliability and real-time.

基于无线传感器网络的工业无线技术已成为物联网最活跃的发展方向之一，有望成为继现场总线之后工业控制领域的又一革命性技术。由于工业环境的特殊性，现有依赖分布式算法的无线传感器网络技术无法满足工业应用的苛刻要求，集中控制设计思想开始受到关注。然而工业级的通信资源集中调度研究属交叉领域，涉及控制、优化、通信、计算机等多学科，算法设计复杂，研究成果匮乏。本项目研究工业无线网络协议栈中关键通信资源的集中调度算法，研究内容包括：在网络层，首次研究支持多路径、多度量标准的集中调度图路由协议；在数据链路层，首次提出支持超帧重调度、多超帧调度的时隙信道双重调度算法；在解决以上两层资源调度的基础上，深度发掘网络层图路由调度与数据链路层信道调度的跨层顺序依赖性，首次研究集中控制模式下工业无线网络全面跨层调度算法。本项目旨在发掘集中控制模式下无线网络设计面临的新问题，为实现高可靠实时工业无线网络奠定理论和技术基础。

工业无线技术被普遍认为是继现场总线之后工业控制领域的革命性热点技术，是提高生产效率、提升产品质量、节约能源和降低排放的重要技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。本项目研究集中控制模式下通信资源的调度机制和算法，项目的研究内容包括：①集中调度图路由协议及路由度量算法研究；②完备的时隙与信道双重调度算法研究；③集中控制下的跨层调度机制研究。项目的执行严格按照以上研究内容开展。针对研究内容“集中调度图路由协议及路由度量算法研究”，已发表学术论文2篇，申请发明专利2项；针对研究内容“完备的时隙与信道双重调度算法研究”，已发表学术论文3篇，申请发明专利2项；针对研究内容“集中控制下的跨层调度机制研究”，已发表学术论文3篇；针对高可靠实时工业无线网络系统构架和应用推广方面，已发表学术论文5篇。另外，在研究生培养方面，博士毕业生3名，在读博士生3名，硕士毕业生8名。本项目的重要研究成果包括：①目前学术界和工业界已经开展了大量关于无线传感器网络应用所面临挑战的研究。然而，现有的关于无线传感器网络应用所面临挑战主要停留在对恶劣工业射频环境、苛刻工业应用需求的一般性分析，或者对现有的工业无线传感器网络标准的分析。缺乏一个建立在工业无线传感器网络完整系统和具体应用基础上的系统分析。本项对工业无线传感器网络在实际应用过程中面临的挑战进行了系统总结和分析，这些挑战包括：受限的时隙资源、支持实时功能的时隙重调度、工业与网络的知识融合挑战、集中化控制的结构、Safety级别的应用难题和工业应用QoS满足等问题。项目成果已发表SCI期刊论文。②现有的工业无线传感器网络标准主要定义机制（协议固有的属性，例如基于TDMA的MAC协议、集中图路由等），缺乏具体策略（协议具体应用的算法，例如实现TDMA、图路由的资源调度算法）的定义。本项目系统性研究了工业无线传感器网络具体应用时的策略算法，其中两个核心算法分别发表在1区和2区的SCI期刊。③在理论研究的基础上，本项目还实现了一套工业无线传感器网络的实际系统，并且成果已经应用在北京时代科技股份有限公司的焊机群无线监控系统，产品型号为MS02-09，与北京时代科技股份有限公司的焊机产品一起参加了2015年上海召开的埃森展。原型系统在无线传感器网络顶级会议ACM/IEEE IPSN 2014以Demo形式现场展示。