基于通信鏈路質量的無線HART圖路由算法實現*

封岸松，王 宏

（1.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽110016；2.沈陽化工大學 信息工程學院，遼寧 沈陽110142；3.中國科學院大學，北京100039）

基于通信鏈路質量的無線HART圖路由算法實現*

封岸松1，2，3，王 宏1

（1.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽110016；2.沈陽化工大學 信息工程學院，遼寧 沈陽110142；3.中國科學院大學，北京100039）

圖路由是無線HART提出的路由機制，目前對圖路由算法的研究較少。提出了一種基于通信鏈路質量的無線HART圖路由算法，引入路徑穩定度作為判斷鏈路質量的機制。采用基于路徑穩定度的分層算法，保證跳數最少和通信可靠性；依據層間節點的路徑穩定度選擇層間路由，保證層間路由冗余性和可靠性，實現了無線HART的圖路由算法，并應用到無線HART網絡管理者中。

圖路由；通信鏈路質量；無線HART；路徑穩定度

0 引言

HART基金會于2007年6月正式通過了無線HART規范和通信協議，它是一種無線網絡通信協議，是HART現場通信協議第七版 HART 7.0的核心部分，向后兼容現有的HART設備和應用。

無線HART網絡具有其他無線傳感器網絡無法比擬的網絡傳輸可靠性和網絡健壯性，主要通過以下幾點實現：（1）網絡路由方式，無線 HART采用圖（Graph）路由實現設備間的路由，其路由在每一跳間都有冗余路由，能最大限度地保證設備之間的安全傳輸；（2）信道跳頻技術，在跳間傳輸中，無線HART采用IEEE 802.15.4定義的16個信道進行跳頻通信，以便更好地克服網絡干擾；（3）無線HART采用TDMA方式通信，通過全網絡時鐘同步技術，避免沖突，保證安全傳輸[1]。其中設備之間通過圖路由傳輸，是保證網絡高可靠性傳輸的關鍵技術。本文提出一種基于通信鏈路質量的圖路由算法，選擇路徑穩定度（Path stability）作為通信鏈路質量判別機制，采用分層算法保證跳數最少，通過通信鏈路質量判別機制選取層間的路由。

1 無線HART網絡及研究現狀

1.1 無線HART網絡組成

無線HART采用MESH網技術，整個網絡包括現場設備(Field Device)、適配器(Adapter)、網關設備(Gateway Device)、網絡接入點（AP）、手持設備(Handheld)和網絡管理者(Network Manager)。其中現場設備負責采集工業現場的數據，并通過網關傳送到上位機控制系統；網關負責不同網絡之間的數據通信，連接無線HART網絡和工廠自動化網絡；網絡接入點（AP）負責接入無線數據到網關；網絡管理者負責整個網絡的管理、路由分配、資源調度和網絡通信參數的維護。

1.2 無線HART網絡的路由技術及研究現狀

無線HART網絡協議中定義了圖路由機制，圖路由是一種全冗余的路由機制，路由中的每一跳至少有兩個路由選擇。

無線HART網絡是集中式的MESH網絡，它的路由是由網絡管理者計算的，因此一些傳統的無線傳感器路由算法并不適用，如 ADHOC網絡的路由相關算法[2]和分簇算法[3]。無線 HART網絡協議的發布時間較短，其相關的研究還較少。劉楊在無線HART網絡實現中并沒有實現圖路由的路由方式，而是由兩條路由代替[4]；文獻[5]提出符合圖路由機制的算法，且能夠實現最少跳數，但在選擇路由中沒有考慮通信鏈路的質量；黨魁提出一種分層結構的圖路由算法，在路由選擇中引入通信質量判別機制，提高了路由的健壯性，但通信鏈路質量僅僅考慮了RSSI(Received Signal Strength Indication)因素，并沒有考慮路徑的穩定性，這可能引起過多的數據重傳[6]；黃聰提出無線HART圖路由的路由增加和刪除策略，降低了路由維護開銷，但路由選擇時沒有考慮通信鏈路的質量[7]。本文在分層算法的基礎上，采用路徑穩定度作為通信鏈路質量判別機制選擇層間路由，實現了無線HART圖路由算法。實驗數據表明，采用路徑穩定度作為通信鏈路質量判別機制，相對于使用 RSSI，提高了數據傳輸的可靠性。

2 無線HART圖路由算法及實現

本文的無線HART圖路由算法以分層算法為基礎，引入了鏈路質量判別機制，根據路徑穩定度分層并選擇相應的層間路由。路徑穩定度是反映物理層連接質量的量度單位，定義為物理層接收確認的包與發送包的比率，用百分數表示。在論證算法實現過程之前，首先給出無線HART網絡的網絡結構模型。

2.1 無線HART網絡模型

無線HART網絡采用集中控制式的MESH網絡，其結構可抽象為節點和邊組成的圖，用圖 G（V，E）表示，其中V表示節點，E表示節點之間的連接即邊。文中的圖路由算法以圖1為例來說明。圖1為有10個現場設備的無線HART網絡，最大跳數為4（無線HART協議定義無線 HART網絡最大跳數為 4），其中節點 1（AP）為根節點（即無線網絡接入點AP），其余節點表示現場設備節點。節點之間的邊的權重值表示鏈路的質量，文中定義為路徑穩定度。表1列出了節點之間路徑穩定度的信息。路徑穩定度來自現場設備周期性的 Keep-Alive信息（實測數據）。

圖1 無線HART網絡拓撲圖

2.2 基于路徑穩定度的分層算法

在無線HART網絡中，現場設備周期性向網絡管理者發送Keep-Alive信息，網絡管理者定時更新鄰居表，分層算法根據鄰居表信息完成對節點的分層，在鄰居選擇中根據鄰居之間的路徑穩定度判別鏈路質量，對于路徑穩定度小于規定閾值（文中為＜80%）的鄰居，從鄰居表中剔除。表2為算法中使用的符號說明。

表1 無線HART節點鄰居信息(%)

表2 分層算法符號說明

算法實現步驟如下：

(1)初始化AP設備的層數為第一層，即Lev[node[1]] =1，n=2；

(2)搜索 node[n]的鄰居表，如果路徑穩定度大于規定閾值(文中為大于 80%)，并且該節點已經加入網絡（Lev[node[n]]＞0）,則記錄該鄰居，并存入相應的緩存區；

(3)比較緩存區中各個節點的層數，得到最小的層數Min（Lev[node[L]]），L表示在緩存區的節點；

(4)Lev[node[n]]=Min(Lev[node[L]])+1，清空緩存區；

(5)判斷是否為最后加入節點，若是則退出；否則n= n+1，并轉到步驟(2)。

對圖1所示的結構做算法運行（表1為相關的鏈路質量參數），得到如圖2所示的分層結構。

圖2 無線HART分層結構

2.3 基于通信鏈路質量的圖路由算法

本文中的圖路由算法是基于分層算法實現的，保證了節點到網關（接入點）的跳數最小。下面著重說明圖路由算法中幾個關鍵創新點。

(1)在層間路由選擇算法中，通過通信鏈路的質量選擇路由，文中提出了基于路徑穩定度的鏈路質量的判別機制，即圖 G（V，E）邊的權重，對于路徑穩定度相同的路徑，選擇子節點少的上層節點。

(2)圖路由算法要求每個節點都有一個子圖，新加入的節點只需要從鄰居表中根據鏈路質量選擇2個上層（更接近目標）節點作為路徑加入就可以實現該節點的圖路由，即圖疊加。

(3)為了防止回路的發生，節點只選擇上一層節點作為下一跳節點，在無線HART應用中，如果上一跳節點(非第一層節點)只有一個，則需要重新配置節點的位置。

(4)對于第一層節點，由于上層節點只有一個，可以選擇同層節點，為了防止回路，在選擇同層節點中選擇先于該節點加入網絡的鄰居節點作為下一跳節點（在無線HART網絡中，先加入的節點地址值小于后加入的節點地址）。

2.4 圖路由算法的實現過程

下面介紹算法的實現過程。node[n]（n=1～n）表示無線HART網絡中的節點，其中1表示網絡接入點（AP）。步驟如下：

(1)節點2的路由第一條路徑和第二條路徑均指向網關，n=n+1；

(2)對節點 n執行分層算法，得到其所在的層數，執行步驟(3)；

(3)如果節點 n在第一層，則第一條路徑指向網關，計算鄰居表中先加入網絡的節點的鏈路質量權重值，第二條路徑選擇指向先加入網絡的第一層鄰居，轉到步驟(6)；如果節點不在一層，從節點鄰居表中選取上層節點放入數組中，執行步驟(4)；

(4)在數組中根據鏈路質量排序；

(5)節點選擇鏈路質量權重值最高的作為第一條路徑，鏈路質量權重值次高為第二條路徑；

(6)n=n+1，判斷是否為新節點，是則轉向步驟(2)，否則退出。

應用上述算法，選取圖1所示的無線HART網絡，節點 1為網絡接入點，節點 2～11為現場設備，應用 2.4節提出的算法，分別得到節點2～11的圖路由，文中只列出節點2，3，7，11的圖路由（見圖3）。

圖3 無線HART網絡圖路由節點子圖

3 實驗分析

3.1 建立實驗環境

為驗證路由算法，搭建了無線HART網絡實驗平臺，包括網絡管理器、接入點和現場設備。網絡管理者在計算機上Linux環境下完成，AP（接入點）和現場設備使用飛思卡爾的無線模塊MC13224，AP和網絡管理者通過UART串口連接。

3.2 實驗結果

現場設備分別為10個點（見圖1）、20個點、30個點和40個點，應用文中算法，分三種情況進行實驗，即無鏈路質量判別機制（分層算法和層間路由隨機選擇）、使用路徑穩定度作為鏈路質量判別機制和使用RSSI作為鏈路質量判別機制，實驗時間為 24 h，對比數據為所有節點的數據傳輸成功率，實驗結果見圖4。從實驗結果看出，無鏈路質量判別機制的算法通信效果最差，對于10個節點的無線HART網絡，兩種判別機制的影響不大，但隨著網絡規模的擴大，選擇路徑穩定度作為鏈路質量判別機制比選擇RSSI作為鏈路質量判別機制的通信質量有相應提升。

Implementation of graph routing algorithm based on quality of communication link in wireless HART

Feng Ansong1，2，3，Wang Hong1
(1.Shenyang Institute of Automation Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016，China；2.College of Information Engineering,Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，China；3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China)

The graph routing proposed by wireless HART is researched seldom at present.A graph routing algorithm based on quality of the communication link was presented in the paper.The quality discrimination mechanism based on path stability about the communication link was proposed.The hierarchical algorithm based on path stability of the communication channel was adopted and guaranteed the least hop and communication reliability.Path stability about the communication link was used to select the routing between the two layers.The network manager of the Wireless HART realizes the graph routing in wireless HART and ensures the reliability and redundancy of communication with the routing algorithm.

the graph routing；quality of the communication link；wireless HART；path stability

TN92

A

0258-7998(2015)04-0119-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.04.029

國家高技術研究發展計劃資助項目(863計劃）(2011AA040103)