工业无线传感器网络多优先级传输调度建模与优化

Heterogeneous data transmission scheduling in industrial wireless sensor networks (IWSN) faces the challenges of differentiated data rates and timeliness. The existing works have not provided the complete theoretical results as the transmission scheduling guidance. To address this issue, this project plans to study the mathematical modeling and optimization on priority-aware transmission scheduling. The concrete contents include: 1) The TDMA superframe reusing strategy is expected to be proposed, which contributes to deterministic and ordered data transmission. By modeling based on discrete time queueing theory, advantage over other existing strategies is to be proofed. 2) Based on the proposed strategy, the end-to-end delay model of priority-aware scheduling in clustered IWSN is to be built, and with which the optimization problem on temporal-spatial-frequency resource joint allocation is to be studied. 3) Considering the network dynamics, the hierarchical schedulable domains of the clustered IWSN are studied, and the low complexity and adaptive reconfiguration mechanism is to be constructed. This project anticipates the theoretical results and technical plan for optimal priority-aware transmission, which has a significant theoretical and practical value for large-scale and heterogeneous data transmission scheduling in industrial fields.

工业无线传感器网络（IWSN）异构数据的传输调度，其现有相关研究成果尚未形成完善的理论指导模型，依然面临数据率不同和时效性各异等挑战。为此，本项目就IWSN多优先级传输调度的建模与优化开展研究。主要研究内容包括：1）面向工业确定性数据传输需求，提出基于TDMA超帧多重复用的多优先级传输调度策略，采用离散时间排队理论建立多优先级传输的解析模型，证明所提策略关于异构数据传输时延的优越性；2）针对工业分簇网络的端到端实时传输问题，提出面向多跳、多优先级传输的时-空-频多域资源复用分配方案，求解指导超帧设计的多域资源最优分配；3）针对网络动态变化条件下的可靠传输问题，给出分簇网络层次化的可调度判据，建立网络环境自适应、低复杂度的传输调度重配置机制。其研究意义在于：预期构建确定、实时、可靠的IWSN多优先级传输调度理论与设计方案，对工业大规模异构数据传输调度问题的研究，具有重要的理论意义和应用价值。

本项目执行周期内，申请人及研究团队开展了三个部分的研究工作。第一，面向工业无线传感器网络（IWSN）异构数据传输调度确定性、实时性和可靠性需求，提出了基于TDMA超帧多重复用的多优先级传输调度策略，采用离散时间排队理论建立多优先级传输的解析模型，证明所提策略关于异构数据传输时延的优越性；提出了面向多跳、多优先级传输的时-空-频多域资源复用分配方案，并给出了基础超帧设计的多域资源最优分配解决方法；针对网络动态变化条件下的可靠传输问题，给出了分簇网络层次化的可调度判据，建立了网络环境自适应、低复杂度的传输调度重配置机制。第二，面向流程工业状态估计需求，提出了IWSN与一致性序贯估计（CSE）的融合设计方法，将工业无线传感器网络设计与流程工业状态估计需求相结合，构建网络设计与状态估计联合模型；基于联合模型，揭示IWSN （如网络拓扑、网络通信）与CSE算法设计（如迭代计算复杂度、状态估计准确度）解析关系，进而给出IWSN与CSE融合设计的理论基础和设计方法。第三，面向工业网络安全可靠需求，开展了区块链技术与工业网络融合设计研究，提出了基于计划行为理论的区块链共识机制，并给出共识机制去中心化可控模型与控制方法设计；提出了基于贝叶斯博弈的网络资源议价与分配方案，解决去中心化网络中信息不完全条件下的博弈与优化理论；提出了一种基于区块链的联邦学习技术架构，解决工业网络数据共享和隐私保护问题。基于以上研究成果，项目负责人发表了学术论文20篇，获授权发明专利12项，其中在工业电子领域顶刊IEEE Transactions on Industrial Informatics发表论文2篇。本项目研究的科学意义在于：构建了基于标准化TDMA超帧的多优先级传输调度模型与方法，给出确定、实时、可靠的IWSN异构数据传输调度方法；构建了工业无线传感器网络与一致性序贯估计的融合模型，揭示其解析关系，给出优化设计方法；探索区块链技术与工业无线网络的融合研究，给出可行的工业无线网络与数据安全方案。