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使用双无线电节点实现集群无线Mesh网络的服务质量
摘要
在本文中，一些成熟的无线技术被合并为未来工业无线网状网络的新概念解决方案。建议的集群无线网状网络可以处理概率服务质量保证，并且基于使用同步跳频扩频蓝牙无线电的双无线电节点架构。所提出的体系结构为集群体系结构中的网关节点的集群间调度问题提供了启发式解决方案，并打破了相邻集群的本地介质访问调度之间的依赖性。双无线电功能还可实现更高的网络连接，这意味着，可以实现更高的链路冗余。
1、介绍
业界已将无线通信视为现有通信基础设施问题的解决方案[1,2]。两种新兴技术是无线网状网络[3]和无线传感器网络[4]。最近的研究结果[5]，标准化[6,7]以及即将出台的WLAN网格标准[8]对于无线工业通信都非常有前途。然而，利用现有技术难以为工业通信提供必要的服务质量（QoS）保证。两个明确的问题是;无线媒体容易出错的事实[9]以及无线网状网络中难以以可预测的方式实现信道分配（广播调度）[10]的事实。 Ephremides等人采用的集群拓扑结构。[11]，将整个节点集划分为子集（集群）。该拓扑为信道分配，媒体访问和空间信道重用提供了本地且定义良好的体系结构。但是，群集网络拓扑确实需要网关节点，如图1所示，该节点能够参与至少两个群集。这个问题是在每个特定的时刻，具有单个收发器的设备仅能够在一个集群中发送或接收，即，单工操作。结果，必须在簇之间多路复用（切换）网关节点中的收发器，例如时分多路复用。这意味着每个集群内的本地媒体访问调度变得依赖于相邻集群的媒体访问调度，因为网关节点是至少两个集群的成员。这种全球时间调度问题具有指数复杂性，并且不存在具有多项式复杂性的解[12]。还可以得出结论，全局次优解决方案不是大型网络的选择[13,14]，因为这意味着需要全球网络信息。为了解决网关节点的集群间调度问题，唯一似乎切实可行的是局部启发式解决方案。
图1、群集拓扑，其中网关节点有邻居群集共享。
其中方形表示：集群。圆形表示：从属。菱形表示：网关节点。
本文提出了一种基于双无线网关节点的集群无线网状网络。所提出的双无线电网关节点为网关调度问题提供了启发式解决方案。此设计可为更高协议层（例如网络和应用层）提供概率QoS保证。通过使用Uhlemann等人提出的概率框架来提供QoS保证的实体。[15]后来由Bilstrup等人调整为蓝牙。[16]。在这个框架中成功的概率在截止时间之前交付，Psuccess和响应时间Tresponse作为QoS参数给出。所提出的无线网状网络拓扑中的物理层基于蓝牙无线电[17]，例如，使用相同的调制技术以及跳频扩频（FHSS）。还使用了来自蓝牙数据链路层的主从轮询方案和错误检测方案。
2.双无线电架构
在本节中，介绍了使用同步FHSS和外部定时信息的双无线电节点。此外，解释了避免双无线电节点的远近问题的群集间调度方法。最后，还描述了所采用的具有添加的基于FHSS的控制信道的聚类算法。
2.1跳频扩频
FHSS是一种用于无线网状网络的有吸引力的技术[18]。跳频可以抵抗衰落，干扰和恶意干扰[19]。空中接口可从标准蓝牙收发器[17]获得，它使用高斯频移键控（GFSK）调制数字无线电信号，支持FHSS。通过使用不同的跳频序列，FHSS创建多个信道，从而实现相邻群集中的并发传输。如果同信道干扰范围内的所有相邻簇都被分配了正交跳频序列，则不会发生传输冲突。通过使用正交序列，两个用户将永远不会在同一时刻跳到相同的频率。然而，跳频序列分配问题是NP难的[10]。唯一可行的解决方案是本地的启发式方法，其中使用非正交跳频模式，在我们的例子中通过随机算法。当群集在相同时隙中使用相同的频率信道时，发生同时操作的相邻群集之间的传输冲突。必须以适当的容错处理这些冲突，如第3节所述。
2.2同步跳频
我们假设网络中的所有节点都是时隙同步的，例如，通过配备GPS接收器[20]或能够接收广播时间标记的某种其他类型的接收器。事实证明，使用外部定时信号是自组织时分多址（STDMA）方案中时间关键通信的成功概念。 STDMA用于例如VHF数据链路4（VDL-4）系统[21]中的飞机之间以及飞机与地面元件之间的数字通信。还有一个有源海事转发器系统称为自动识别系统（AIS）[22]，它使用STDMA。本文提出的多路复用方法使用同步FHSS和外部定时信号来确定FHSS方案的跳频序列。为网络提供全局同步节拍，告知所有节点时隙是奇数还是偶数以及何时开始。集群内的内部时隙定时以与蓝牙微微网[17]相同的方式完成，除了外部全局时间参考用于所有节点的时隙同步。本地时间由添加偶数离散随机偏移的全局时间基准生成，图2.偶数随机偏移的增加是一种预防措施，以确保生成的随机跳频序列与相邻簇的跳跃序列不相关。
全球时间 本地时钟
设置随机偏移
图2.本地时钟生成。
本地时钟与簇头的地址一起给出本地簇的特定跳跃序列。非正交跳频图案是独立于相邻簇的跳变模式而本地生成的。作为集群成员的所有收发器使用相同的标识（簇头ID）和相同的随机时钟偏移设置，图3.当节点想要成为集群的成员时，它会调整一个集群的随机偏移和标识设置适合该特定集群的收发器。
本地时钟 频道
初始值
图3.跳频伪随机发生器。
2.3.群内调度
群集内调度每个群集内的媒体访问是主服务器轮询方案。之所以使用它是因为它的简单性以及具有集群集中验收测试的动态调度程序适用的事实。从调度的角度来看，重要的是它是在多个用户之间调度的单个资源。在这种情况下，单个资源是形成的广播信道，通过集群的特定跳跃序列。主设备轮询方案基于时分双工（TDD）方案。 TDD方案对每个消息交换使用两个时隙，一个前向时隙和一个反向时隙。在前向时隙期间从簇头发送信息突发，而后续时隙保留给从设备以反向发送信息突发。由于簇头提供单点操作，因此这种主从轮询操作模式使得每个簇内的信道共享变得简单。根据一些调度算法，例如最早的最后期限优先（EDF）[23]，每个主从突发由簇头节点中的本地调度触发。
2.4．群间调度
群集间调度我们对网关调度问题的启发式解决方案基于在每个节点中使用两个单独的收发器，如图4所示。
图4.每个节点配备两个收发器。
该解决方案打破了相邻集群的本地媒体访问时间表之间的依赖性。这将导致网关节点不必在两个相邻集群之间切换它们的存在。两个收发器的协议栈在链路层上方的公共层中合并在一起，如图4所示。
图5.两个相邻的集群共享一个配备两个无线电的网关节点。
如果两个相邻集群之间的时隙不同步，则双无线电解决方案将创建节点局部相邻信道干扰。另一方面，如果它们是时隙同步的，则可以强制网关节点中的两个无线电收发器以同步方式接收或发送。考虑网关中的两个收发器（表示为G＃1和G＃2）由两个相邻集群的两个簇头CH1和CH2轮询的情况，如图5所示。对于同步FHSS，这在同一时刻发生从图6中的传输时间表可以看出，同步的FHSS因此消除了节点的内部近远问题，因为对于每个时隙G＃1和G＃2都发送或两者都接收。因此，网关节点可以被调度为每个单独集群内的任何其他节点。
图6.具有两个收发器的网关节点的集群间调度，应用同步传输。
2.5.集群
聚类网络拓扑的形成由聚类过程完成，该过程在整个节点集中形成可行的互连子网。所有当前存在的用于聚类节点的方法都基于启发式算法，并且所有未来的算法也将基于这种次优算法。这种说法的动机是，最优聚类问题可以简化为在网络图中找到最大独立节点集的计算难度问题[24,25]。两个早期提出的启发式聚类算法是最低ID算法[11]和最高连通性算法[26]。本文采用最低ID算法。在该算法中，节点的标识号（ID）用于选择簇中的头部。该算法在节点的空间随机分布及其ID上选择簇头，不执行任何类型的优化。该算法的工作原理如下：为每个节点分配一个ID。每个节点定期广播它可以听到的节点（ID）列表，包括它自己。仅具有比其自身具有更高ID的节点的节点将其自身声明为簇头节点。可以听到两个（或更多）集群的节点是两个集群之间的网关。既不是集群也不是网关的节点是普通的端节点（从节点）。最低ID算法假设一个公共广播信道;因此，必须添加一个公共控制信道，在下一小节中描述。
2.6.通用控制频道
公共控制信道控制信道在节点聚类期间使用，并由公共跳跃序列创建。该序列实际上是一个广播标识，它被馈入跳频伪随机发生器，如图3所示。想要访问控制信道部分的收发信机将其信道地址设置为广播标识，并将随机偶数时钟偏移设置为零如图2所示。所有节点都使用随机访问来在此通道上广播问候消息。 hello消息包含节点ID，位置和节点状态。随机访问基于均匀分布。节点可以处于不同的状态：未连接，完全连接的网关，簇头或端节点。如果节点处于未连接状态，则它使用其中一个收发器周期性地广播问候消息并在控制信道上侦听其他节点的hello消息。如果节点处于结束节点状态或簇头状态，则未连接的无线电用于广播问候消息并监听其他节点的广播。如果节点是完全连接的网关节点，则它不发送任何hello消息或侦听任何其他节点的hello消息。
3.服务质量保证
由于使用具有非正交跳频序列的同步FHSS，因此可以发生相邻簇之间的频率冲突。在进行资源分配时必须考虑到这一点。遵循Uhlemann等人提出的方法。[15]可以计算必要的资源，以提供一定的成功交付概率。在本节中，我们将简要介绍如何完成此操作，有关详细说明，请参阅Bilstrup等人。[16]。在图7中，描绘了从主设备到从设备（A）以及从设备到主设备（B）的单个分组的传输。主从轮询方案结合自动重复请求（ARQ）和循环冗余校验（CRC）用于指示接收数据的正确性，并在传输丢失或损坏时请求重传。
图7.数据包交换，点对点连接。
3.1.正确交付的可能性
正确传送的可能性当在同信道干扰范围内的集群使用相同的频率时，会发生传输失败。为了保证正确的数据传输，必须考虑每个链路的错误概率。对群集内的每个链路持续监视冲突率。此统计信息用于估计特定链路所需的适当冗余时间量，以便将正确传送的概率提高到可接受的水平。必须考虑在主站到从站消息的传输中涉及的两个链路中的冲突概率。首先，DATA从主设备转发到从设备，反之，ACK/NACK从从设备发送到主设备。在另一个方向，从主机到主机的传输，POLL数据包从主机转发到从机，DATA在从机从机到主机的反向链路上传输。对于消息的信息传输中涉及的所有传输，在截止时间Psuccess之前正确传递的概率可以表示为置换树，图8.分支表示各个传输的碰撞和无碰撞的概率。 。总体上的置换树，图8，表示成功传递的概率（图8中的黑色路径），Psuccess，以及不成功传递的概率（图8中的灰色路径），Pfail。
图8 成功交付概率的交换树
3.2容错
在图8的置换树中，只有一个成功的路径，即成功的传输时间Tt也是响应时间Tresponse。但是，如图9中的置换树所示，当添加一个冗余时隙时，存在几个成功的路径。
图9.主从传输的置换树，添加了一个冗余帧。
通过向传输时间添加偶数个冗余时隙Tr来增加成功传递Psuccess的概率，Tt增加了响应时间：
这提供了更高的累积Psuccess。根据以下内容将图8中每个成功路径Psi成功交付的概率加在一起：
3.3本地资源分配集群
集群本地资源分配当建立新连接时，集群内的资源与下一个更高层（即网络层）协商。某种连接需要某些QoS保证。这些要求在本地表示为Tresponse和Psuccess。该请求被提供给簇头节点。这开始于通过使用Tresponse和Psuccess计算达到连接请求的QoS所需的必要资源（即时隙）。在此之后，簇头执行可行性测试以查看整个群集中是否有足够的资源来接纳此新连接。如果不是，则簇头将与请求从站重新协商QoS。如果有足够的资源，簇头将使用一些调度算法（例如，最早到期日期[27]或最早的截止日期）在其他通信任务之间调度新连接第一次[23]。某个Psuccess的Tresp
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